前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的生态系统服务消耗多主体模型建构，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
1前言 目前，生态系统服务研究已成为当前国际上科学研究的热点和前沿，并在生态系统服务分类[1]、生态系统服务的形成及其变化机制[2-3]、生态系统服务价值化[4]、生态系统服务价值评价方法[5]等方面取得了显著的成果。生态系统服务研究旨在既维持健康生态系统，又能够提供人类发展必需的产品和服务。随着人们对自然生态系统和人类经济系统关系的日益重视，对生态系统服务消耗研究也蓬勃展开。甄霖等[6]将生态系统服务消耗定义为人类生产和生活对生态系统服务的消费、利用和占用，认为人类消耗的生态系统服务包括生产的产品和提供的服务，表现为直接消耗和间接消耗两种基本模式。谢高地等[7]提出生态服务消耗函数和生态服务效用函数可以被看成是生态服务消耗的主要理论基础和分析方法。生态系统服务消耗模式指一定时期消耗的主要特征，包括消耗内容、水平、结构、方式、消耗趋势以及其他方面的主要特征。近年来，经济发展引起了世界许多地方消耗结构发生了很大改变，对生态系统服务的需求因此而朝着更加多元化的方向发展，这种需求的增加甚至超过了人口增加所带来的需求增长，成为影响生态系统的核心因素[8]。近期研究中，科学家们试图结合IPCC气候变化情景模拟分析来探讨当代人类生态系统服务消耗对后代的可能影响[9]，初步结果至少告诉我们，人类必须改变现有的消耗模式，否则将不会给后代留有必要的生态系统服务供其消耗。因此，生态系统服务合理消耗模式对于维护本地生态系统安全，保证本地居民的长期福祉具有重要意义。 生态系统服务合理消耗模式就是要把握生态系统合理利用方向和建立高效持续合理利用模式，从而建立区域生态服务合理消耗与生态安全保障的平衡机制，达到人与自然和谐发展的目的。因此，生态系统服务合理消耗模式研究的出发点和落脚点都归结到个人和群体的社会经济活动。基于此，研究个人及家庭在生态服务消耗方式选择的影响因素、差异性及趋向性是其中的关键环节。不仅要研究在时间序列中某一个典型静态刻面中的各种自然环境状态、人类活动状态和生态服务系统状态，还要研究在某一段时间序列里各种自然环境状态、人类活动状态和生态系统服务状态变化的动态过程。这样才能系统地全面地把握生态系统服务消耗的规律。通过建立多主体模型系统，模拟研究区内生态系统服务消耗在特定时间序列里变化的过程，研究生态系统服务消耗动态变化的规律，是一个可行的研究方法[10]。 多主体建模方法(ABM,Agent-BasedModeling)能够采取自下向上的研究思路，通过考察大量个体行为在限制条件下的运行和演化过程来展现这些个体行为在总体上的规律和轨迹[11]。在该方法中，agent一般代表社会系统的独立对象，如人、家庭、机构等，通过模拟这些独立对象在对应自然空间的活动及其与自然空间的相互作用，来揭示经济社会系统与自然生态系统的相互作用规律[12]。ABM方法的模拟区域较灵活，从乡村到城镇[13-14]，从小尺度到大尺度[15-16]，均可运用该方法。其应用领域也较为广泛，近年来已经逐渐在土地资源利用、生态系统管理和保护等领域开展应用研究[16-20]。本文以内蒙古农牧交错区生态系统服务消耗模拟为例，研究多主体模型的构建方法，分析并提炼建立多主体模型的核心要素，探索创建多主体模型的流程，给出建立生态系统服务消耗多主体模型的一般过程。本文对生态系统服务过程模拟的研究具有一定的参考价值。 2研究区概况与数据来源 2.1研究区概况 选择内蒙古自治区锡林郭勒盟正镶白旗作为生态系统服务消耗多主体模型的模拟区。该旗属于我国典型的农牧交错区，正镶白旗位于内蒙古草原的锡林郭勒盟西南部（图1），浑善达克沙地南缘的干旱草原区，属中温带半干旱大陆性草原气候。地理座标东径114°05′-115°37′；北纬42°05′-43°15′。海拔高度在1200~1400m之间。总面积6229km2，辖4个苏木镇，77个嘎查村、7个社区。总人口7.27万（蒙古族2.15万），其中农牧业人口5.25万。可利用草场面积51.47万hm2，耕地面积1.72万hm2。在实例研究中选择了旗内100m栅格尺度的200×200个栅格组成的栅格图。栅格图的起始坐标是(799960.625,4590040）。 2.2数据来源 本研究数据收集工作在2011年8月进行并完成，所收集的数据包括问卷调查数据，统计年鉴数据和地理信息数据。通过随机抽样问卷调查，开展面对面访谈获取调查数据。共获取有效问卷85份。其中农区有效问卷34份，牧区有效问卷51份。调查内容分为四部分：家庭成员的基本情况，家庭生产状况，家庭消费状况和家庭的消费观念与意愿。对被调查者的性别，年龄，文化和职业等社会经济特征进行统计分析；收集了2001年-2010年内蒙古地区的社会经济统计年鉴数据。提取其中的农牧业生产，人口和教育等数据作为模型的参考数据；收集了2010年土地利用地理信息数据，作为模型运行起始年的土地利用初始化状态。 2.3数据分析 2.3.1农牧户主体及其分布 按农牧户家庭人口数分类，调查数据分类如表1、表2所示。按农牧户家庭人口的年龄分类，调查数据人口年龄分布如表2所示。模型中的农牧户主体的构成和分布以调查数据中农牧户的人口数及年龄为参考，依据调查数据的分布状况生成。 2.3.2农牧户家庭成员主体职业状态 根据问卷调查数据,农牧户家庭成员职业状态分布如表3所示。 3生态系统服务消耗多主体模型架构 模型总体架构由五部分构成，分别是模型初始化、agents决策、空间环境、总体控制和可视化输出等。各部分之间的联系如图2所示。模型初始化部分是将所需的调查数据、统计数据和地理数据按一定格式与顺序倒入模型，并作为模型启动的条件和初始状态；Agents决策部分是模型的核心，Agents根据自身条件、周围环境及相邻Agents的表现按照既定的规则作出生产经营活动和消费活动的决策，在生态系统服务消耗多主体模型中主要是生态系统服务供给决策和生态系统服务消耗决策；空间环境是Agents运行的虚拟环境，它与Agents相互作用；总体控制部分用于控制Agents执行的调度、Agents的状态改变、Agents决策后的一系列参数计算及空间环境变化的控制；可视化输出部分用于完成模型运行结果的采集、统计、分析和可视化输出功能。#p#分页标题#e# 3.1模型空间环境 模型空间环境由3层数据构成,包括土地利用数据层，农牧户主体与地块映射图（或称为农牧户主体分布图）和生态系统服务消耗数据表现层。本文所采用的土地利用数据取自2010年，由于近年来当地已经完成了退耕还林还草的生态治理任务，因此土地利用类型基本没有发生明显变化，并且在没有重大国家政策出台的情况下在未来一段时间内耕地和草地也将不会有明显的变化，因此模型中土地利用数据层将不会发生土地类型的变化。农牧户主体与地块映射图是以隐式存在于空间环境中，按照农牧户每户拥有的地块数，模型为每户分配相应土地类型的地块，建立地块和农牧户的对应关系。这样，农牧户的生产经营行为将会在对应的地块中体现。生态系统服务消耗数据表现层用于以可视化的形式描述生态系统服务消耗的变化，本文定义了生态系统服务消耗压力指数来表示每个地块所承受的生态压力，在后文有详细说明。土地利用层和生态系统服务消耗数据表现层的可视化表示如图3所示。 3.2农牧户家庭成员主体职业状态转换规则 农牧户家庭成员主体职业状态转换规则如表4所示，规则源于对调查数据的统计分析，表中的几率均按照调查时的比例确定。为观察不同比例对模型运行的影响，亦可调整其值。 3.3生态系统服务消耗压力指数 植被净初级生产力（NetPrimaryProductivity,NPP）是指绿色植物在单位面积、单位时间内所累积的有机物数量，表现为光合作用固定的有机碳中扣除植物本身呼吸消耗的部分，这一部分用于植被的生长和生殖，也称净第一性生产力。NPP作为地表碳循环的重要组成部分，可直接反映植被群落在自然环境条件下的生产能力，可用于表现农牧户生产的生态系统服务供给的情况。应用NPP计算公式可以计算出不同农作物和不同覆盖度的草原植被单位面积的NPP值。根据不同作物单位数量的价格和NPP值可推导出NPP与价值的对应关系。利用这种数量关系，可将当地居民消费的食物量或经济支出换算成消费的NPP数量。定义：生态系统服务消耗压力指数是指当地居民生态系统服务消耗换算成的NPP量与当地生态系统服务供给所产生的NPP量的比值的对数。某一户所拥有土地的生态系统服务消耗压力指数则是指该户居民生态系统服务消耗换算成的NPP量与当地生态系统服务供给所产生的NPP量的比值的对数。本文采用生态系统服务压力指数来衡量研究区内生态系统与人类活动的相互作用程度。一共是两种指标，一种是理论的生态系统服务压力指数，是指生态系统服务供给处于理论上最佳值的情形下的压力指数；另一种是现实的生态系统服务压力指数，使之生态系统服务供给处于现实状态下的压力指数。 3.4参数计算 模型中的参数计算主要有生态系统服务供给与消耗NPP值的计算，农牧户经济收入的计算。鉴于人的食物消耗在数量和质量上应受饮食能力、习惯的限制。本文以中国居民平衡膳食宝塔结构所规定的食物结构为标准。农牧户家庭成员消耗的上限不应超过该标准所规定的饮食上限。按其规定，膳食宝塔共分五层，包含每人每天应吃的主要食物种类。膳食宝塔各层位置和面积不同，这在一定程度上反映出各类食物在膳食中的地位和应占的比重。谷类食物位居底层，每人每天应该吃250～400g；蔬菜和水果居第二层，每天应吃300～500g和200～400g；鱼、禽、肉、蛋等动物性食物位于第三层，每天应该吃125～225g（鱼虾类75～100g，畜、禽肉50～75g，蛋类25～50g）；奶类和豆类食物合居第四层，每天应吃相当于鲜奶300g的奶类及奶制品和相当于干豆30～50g的大豆及制品；第五层塔顶是烹调油和食盐，每天烹调油不超过25g或30g，食盐不超过6g。幼儿和老人按最低值计算，成人和青年按最高值计算其上限。 4模型实现及实例分析 按照前文所述的多主体模型的构建方法，以内蒙古自治区正镶白旗为研究区，应用JAVA语言编程实现了一个农牧户尺度的生态系统服务合理消耗多主体模型实例。 4.1模型实例初始化数据 模型以2011年调查数据和2010年年鉴数据为基础确定模型参数的初始化数据。其中农作物单价、单位面积产量和种植面积比例，人均耕地或草地面积，养殖数量，养殖收入等数据来自统计年鉴数据，其他主要数据初始化值如表5所示。 4.2模型实例实现 多主体模型实例的运行界面如图4所示。模型实例在RePast软件环境下完成，图3中左侧地图是土地利用类型图；右侧地图是生态系统服务消耗指数分布图；最右侧是参数配置菜单，通过它来配置模型运行的初始参数；左下方是研究区生态系统服务消耗平均压力指数，分为农区和牧区，按理论计算值和实际值分别显示；右下方是研究区人口结构统计图，显示每年外出打工者、从事农牧业生产者、孩子和老人的总数；还有其它的图表和地图如土地利用状态变化图、农牧户收入分类汇总图等可根据需要以可视化形式输出，本例未显示。 4.3实例分析 为验证模型的特性，本文以采集的基础数据为参数初始化数据，运行模型，以年为时间单位，从当年（2011年）开始，持续30年，采集并分析其运行结果。 图5中红色点线表示实际的农户生态系统服务消耗压力指数均值，蓝色叉线表示理论的农户生态系统服务消耗压力指数均值，绿色方框线表示实际的牧户生态系统服务消耗压力指数均值，黑色三角线表示理论的牧户生态系统服务消耗压力指数均值。可以看出，牧户方面，生态系统压力逐步上升，当到了一定高度后趋于稳定，这是因为在模型中设定了人的最高消耗量和牲畜的最高养殖量，当达到最高时将保持一定的稳定性。而理论均线和实际均线的重合，这是因为模型中约定草原产草量不受气候等外界因素的影响，始终是理论产草量，这样草地的生态系统服务供给是不变的。而生态系统服务消耗理论和实际的取值是一样的。农户方面，实际的消耗指数不断上升，说明当地农地的生态压力逐渐增大，理论均值缓步增加，到一定高度后区域稳定，说明当地生态压力在理论上还可以降低，理论和实际的差别说明当地生态系统服务的供给与消耗存在一定的问题。#p#分页标题#e# 从图6中可以看出，本地人口结构变化比较剧烈，外地打工人口逐渐增加，从事农牧业生产的人数在逐年减少，孩子数基本保持稳定，而老人数持续增加。说明随着经济的发展和渗透，越来越多的第一产业的劳动力为了经济利益而进城打工。留在农区或牧区从事生产的人越来越少。农民和牧民的年轻一代由于自身文化知识水平的提高，也越来越倾向于在城市生存发展。由此带来的结果是农村和牧区劳动力的缺乏。 从图7中可以看出,牧区的指数分布有高有低，说明有些牧户由于人口减少及养殖牲畜的减少而降低了生态系统服务消耗，与之同时，由于牧区总体的收入大于外出打工的收入，所以牧区的人口和牲畜量均保持一定的水平，也保持着对草原的生态服务压力。而农区有很多地块的生态系统服务压力为0，说明这些地块已经撂荒。结合图5实际均值与理论均值的差异可以知道，产生这种差异的原因是理论上应该耕种的地块已被撂荒，所以无法提供相应生态系统服务供给，而当本地人口稳定的情况下，消耗与供给的比值增大，所以理论均值与实际均值出现差异。由实例分析可知，采用多主体建模分析的方法能够进行过程模拟，可从微观层面发现问题、追溯原因，运行结果可视化，数据分析直观。 5结论 构建多主体模型研究生态系统服务合理消耗问题是一个有效的方法。生态系统服务消耗的合理性在于不造成生态系统破坏的基础上尽可能地提高居民的生活水平。通过多主体模型的方法，对生态系统服务消耗问题进行多种情景模拟，通过社会、经济、法律及其他环境条件的变化对模型进行反复测试，最终可以获得生态系统服务消耗和供给均衡的结果。这种通过计算机手段而不是试点或试验的手段获得生态系统服务合理消耗的多目标决策方案，可以节约因试点或试验而带来的人力物力消耗。 构建多主体模型的基础是社会调查和数据收集，来源可靠的一手数据是决定模型模拟结果正确性的关键。在数据分析的基础上提炼多主体的运行规则，提取与模拟目标相关的主要数据项作为模型的输入参数。基于调查数据建立多主体模型，需要将调查数据样本按照调查比例还原到模型中，以保证模拟结果的准确性。随机性和确定性是建立多主体模型需要考虑的因素之一。模型随机性是为了还原真实世界的不确定性和突变性，比如多主体并行运行时的调度顺序，多主体自身属性变化等具有一定的随机性。而模型的确定性是为了保证模型结果的可靠性，如模型的基本环境参数，多主体的运行规则等。这种确定性和随机性的结合保证了多主体模型模拟结果既具有多样性，又具有现实性。 本文针对生态系统服务消耗问题，研究了生态系统服务消耗多主体模型的构建方法，并以内蒙古正镶白旗农牧交错区为例，建立了一个农牧户尺度的多主体模型，并分析了实例的结果。下一步的工作内容包括对北方农牧交错区的生态系统服务消耗进行多情景模型，探索生态系统服务合理消耗的解决方案。
