评估农田利用转变对粮食生产中食物-水-能源-污染相互关系的影响：一个综合模拟框架

《Land Use Policy》：Assessing the impacts of farmland use transition on the food–water–energy–pollution nexus in grain production: An integrated simulation framework

粮食安全与生态平衡协同路径研究

　　

作者：齐晓星、黄巧媛、郑银婷、郑伟、袁文华

中国中山大学政府学院中国公共行政研究中心，广州

摘要

发展中国家的农田利用转型伴随着主导形态和次要形态的同时变化，深刻重塑了粮食生产中的食物-水-能源-污染（FWEP）关系。然而，由于空间模拟和行为模拟之间的方法论差距，综合评估仍然受到限制。本研究通过开发一个PLUS-ABM框架来弥合这一分歧，该框架将高分辨率的土地利用变化建模（PLUS）与基于代理的决策模拟（ABM）相结合。我们将该框架应用于中国陶江县——一个正在经历快速农田利用转型的典型粮食生产区。研究结果表明，由于城市化的影响，农田面积显著减少，并向东部空间迁移。基于代理的模拟显示，土地集中现象加剧，到2023年大型经营者控制了58%的农田，并预计这一比例将进一步扩大。FWEP评估揭示了规模依赖的权衡：中型农场实现了最佳的FWEP平衡（高产量、中等能源和水资源使用量、低污染），而大型农场则面临3.2-6.8%的产量损失、9.4-11.3%的能源成本增加以及显著升高的污染水平，尽管在水资源利用效率上有所提高。预测表明，在当前的转型路径下，FWEP悖论（产量下降和环境负担加重）将恶化，这主要是由于大规模农业的扩张。我们认为，目前基于面积的补贴由于激励了次优的农场规模而加剧了这些权衡。政策改革应转向基于绩效的补偿机制，优先考虑优化FWEP的中型农场和注重生态的农民，并对大型农场实施严格的生态约束。这种综合方法为使农田转型与可持续资源治理相一致提供了可行的途径。

引言

食物、水和能源是社会生存和发展的基本支柱，而环境污染已成为威胁这些重要资源系统的关键不稳定因素（Liu等人，2018年；Lv等人，2025年）。在经历快速社会经济转型的发展中国家，以种植主粮作物为中心的传统农田利用模式正在经历深刻的结构变化。这些变化是由不断演变的生计策略和多样化的农业实践所驱动的（Tang等人，2013年；Zhang等人，2022年），表现为令人担忧的趋势，包括农田废弃加剧（He等人，2020年；Wang等人，2023b年）、非农业用地转换（Shi等人，2013年；Zhang等人，2025年）、土壤质量恶化（Lasanta等人，2017年；Li等人，2023年）以及农业化学品污染加剧（Qi等人，2024年）。这些变化直接阻碍了多个可持续发展目标（SDGs）的实现，特别是阻碍了实现SDG 2（零饥饿）、SDG 6（清洁水和卫生设施）和SDG 7（负担得起和清洁的能源）（联合国，2015年）。农田利用转型与食物-水-能源-污染（FWEP）关系之间的复杂相互依赖性可能会放大系统风险，因此明确其传导路径对于实现可持续农田治理至关重要。

农田利用转型可以从两个互补的维度来理解——主导形态和次要形态——这两个维度共同捕捉了农业系统中明显的空间重组和潜在的功能变化（Long和Qu，2018年）。主导形态指的是可测量的空间属性，如土地利用类型、面积和地理分布（Ge等人，2018年）。相比之下，次要形态捕捉了潜在的质量指标，如土壤肥力、产权安排、管理效率和投入产出生产力（Qu和Long，2018年）。为了描述这些动态，实证研究通常采用各种空间分析方法来表征农田扩张、收缩和转换的时空模式。土地利用和覆盖变化（LUCC）建模（Long等人，2007b年）、剖面分析（Long等人，2007a年）和区域比较（Cui等人，2023年）已被广泛用于揭示土地转型的空间差异和梯度特征。在这些分析基础上，空间明确的模拟工具——如CLUE/CLUMondo需求-分配模型、马尔可夫-元胞自动机耦合（Gong等人，2015年）以及最近开发的PLUS/FLUS框架（Liu等人，2020年）通过系统动态（Jiao等人，2019年）或基于机器学习的规则挖掘进行了校准——提高了在替代政策或社会经济情景下模拟农田利用演变的能力（Sun等人，2025年）。然而，这些以主导形态为导向的模型的一个关键局限性在于，它们通常预先定义了土地利用需求和适宜性，而未能考虑管理强度、投入结构和农民行为变化。因此，虽然它们能够有效再现空间变化的“地点”和“方式”，但无法捕捉决定资源消耗和环境外部性的同时发生的管理和功能变化（Kuemmerle，2024年；Turner等人，2021年）。

为了弥合空间模式建模与行为机制之间的差距，基于代理的模型（ABMs）已被广泛用于土地利用研究，以表征不同农民对价格、政策和资源约束的反应，从而生成更现实的土地利用格局（Marvuglia等人，2022年；Tsai等人，2015年）。此外，ABMs越来越多地与生态或资源模型相结合，以量化行为驱动的土地利用变化对生态系统服务和资源消耗的影响（Ding和Achten，2022年；Synes等人，2019年）。尽管在这些方法论上取得了进展，但大多数应用仍然仅关注解释空间模式或政策反应。它们很少系统地传播行为引发的土地转移和投入选择，以量化FWEP关系中的综合权衡（Harik等人，2023年）。这种脱节突显了需要一个统一的建模方案，将行为、空间和关系外部性整合到一个工作流程中。

与这些土地系统研究的进展相对应，关于FWEP关系的研究提供了一个综合的“输入-输出-外部性”框架，用于研究农业资源-环境问题（Halytsia等人，2024年；Qi等人，2021年；Xu等人，2024年）。这项工作可以理解为三个互补的部分：关于适应性管理实践的研究，如作物轮作优化和精准栽培协议（He等人，2024年；Fagodiya等人，2023年）；对气候适应性灌溉和水资源管理策略的分析（Lee等人，2020年）；以及对专门农业生态系统中的FEWC（食物-能源-水-碳）和FEWW（食物-能源-水-废物）协同作用的理论研究（Hu等人，2024年；Wang等人，2023a年）。然而，在这些关系动态与土地转型之间的关系方面仍存在重大的方法论差距。大多数FWEP（或FEWC/FEWW）研究将农田视为一个静态的、汇总的部门或单一的耗水土地类别。它们很少纳入农田利用转型的关键要素——特别是农田的空间配置模式和农户的微观决策行为（Albrecht等人，2018年；Verma等人，2024年；Wang等人，2025年）。这种忽视造成了一个“黑箱”，即农田利用转型如何重塑粮食生产系统中的FWEP动态。

本研究弥合了阻碍可持续农田治理的两个关键差距。首先，需要紧急解决主导形态和次要形态模拟之间的持续分离。其次，需要量化农田利用转型重新配置FWEP关系动态的因果路径，特别是在具体化粮食生产系统中的投入-产出-外部性相互依赖性方面。

为应对这些双重挑战，我们开发了一个综合模拟框架，将基于代理的决策制定与改进的LUCC建模相结合。该框架通过对中国一个代表性粮食生产县的案例研究进行了实施。本研究追求两个相互关联的目标：建立一个多维模拟范式，以弥合主导形态和次要形态之间的分歧，并系统地量化农田利用转型如何重塑FWEP关系动态，以确定战略性的政策干预点。该框架为利益相关者提供了双用途的分析工具：预测性诊断工具用于预测转型路径，以及操作指南用于平衡农业生产力与环境可持续性。

概念框架

土地利用转型与人类-土地关系的演变密切相关。随着人类社会的进步，土地经历了一系列转变，从自然生态系统到领土开垦，再到自给农业，最终发展到集约化和高强度利用阶段（Foley等人，2005年）。目前，农田利用转型的总体趋势已经演变为一个过程，在这个过程中，集约化农业区域逐渐

研究区域

为了验证所提出的框架，本研究选择了位于中国湖南省中部的陶江县作为案例研究（图5）。在过去二十年里，随着非农业就业机会的增加和农村向城市迁移的加速，该县农民的生计策略变得越来越多样化。这种多样化直接导致了当地农田利用的显著变化

农田利用主导形态的转型

考虑到陶江县2010年至2020年的土地利用变化及其《土地利用总体规划》（2021-2035年）中概述的目标，本研究使用PLUS模型模拟了自然增长情景下的未来土地利用模式。该模型首先使用历史土地利用变化数据进行了校准，并通过将模拟的2020年土地利用图与实际观测结果进行比较来评估其性能。验证结果表明其可靠性很高，总体准确率为

农田利用转型的综合模拟

发展中国家的农田利用模式正在经历深刻转型，这主要是由主导形态的变化（表现为土地数量和空间配置的变化）和次要形态的变化（包括管理实践、产权安排和投入产出动态的变化）共同驱动的。传统上，对这些转型的建模方法分为“自上而下”的空间明确模型或“自下而上”的基于代理的模型

结论

本研究通过开发一个综合的PLUS-ABM框架，弥合了空间模式建模与行为模拟之间的方法论差距。将该框架应用于陶江县后，结果量化了主导形态和次要形态之间的相互作用如何重塑FWEP关系。模拟显示，由农村生计多样化和政策激励驱动的转型显著改变了种植模式和资源利用效率。具体来说，中型农场实现了

CRediT作者贡献声明

郑伟：验证、监督、项目管理、概念化。袁文华：可视化、验证、监督、项目管理、调查、数据管理、概念化。齐晓星：写作——审稿与编辑、软件、资源、方法论、资金获取、数据管理。黄巧媛：写作——审稿与编辑、初稿撰写、调查、正式分析、数据管理、概念化。郑银婷：验证、软件、资源

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金[项目编号：42201275和42530506]；广东省自然科学基金[项目编号：2023A1515012528]；国家社会科学基金重大项目[项目编号：25&ZD151]；以及教育部人文社会科学重点研究基地[项目编号：22JJD6300232]的支持。