生态和社会 生态和社会
以下是引用这篇文章的既定格式:
Ramankutty, N.和O. T. Coomes. 2016。土地使用制度转变:未来土地使用研究的分析框架和议程。生态和社会21(2): 1。
http://dx.doi.org/10.5751/ES-08370-210201
洞察力

土地使用制度转变:未来土地使用研究的分析框架和议程

1刘全球问题研究所2英属哥伦比亚大学资源、环境与可持续性研究所,3.麦吉尔大学地理系“,

摘要

全球变化研究的一个重要前沿是了解土地变化过程,为未来土地状态的预测模型提供信息。我们认为,由于对被称为土地使用制度转变的变化关键点的关注有限,这一领域的重大进展受到阻碍。我们提出了一个理解土地使用制度变迁的分析框架。我们调查了土地变化的历史事件,并对拉丁美洲的大豆和虾的发展进行了深入的案例研究,以证明前提条件、触发因素和自我强化过程在推动土地使用制度转变中的作用。尽管土地使用文献证明了对土地使用制度内部动态的良好理解,但我们对土地使用制度变化驱动因素的理解仅限于事后解释。为了更好地理解土地使用制度变化的动态和影响,需要在理论和经验上取得进展。我们从制度变迁的文献中汲取见解,提出研究土地变化的研究议程。
关键词:土地覆被变化;土地利用变化;拉丁美洲;建模;预测;政权转移

介绍

全球变化科学面临的一个重要挑战是对未来土地覆盖状态的预测(Veldkamp和Lambin 2001)。土地利用和覆盖变化是全球环境变化的一个主要原因(Foley et al. 2005),评估地球系统未来状态的模型通常包含一个土地覆盖变化成分。对未来土地覆盖的预测对于全球气候科学(例如,Feddema等,2005)、全球生态系统评估(例如,Alcamo等,2005)和区域生态系统服务权衡评估(例如,Nelson等,2009)的情景构建(例如,Alcamo等,2009)至关重要。

为了提高预测能力,许多研究人员正在寻求了解土地利用变化的动态(Lambin和Geist, 2006年,Rounsevell等人,2012年,Müller和Munroe, 2014年)。关于土地使用变化的长期轨迹的权威著作包括威廉·克罗农(1983)对新英格兰殖民化后不断变化的人与景观相互作用的探索,沃伦·迪恩(1995)对巴西大西洋森林破坏的描述,唐纳德·沃斯特(1979)对20世纪30年代北美尘暴区环境史的研究,以及Madhav Gadgil和Ramachandra Guha(1993)对印度生态史的研究。在过去20年里,越来越多的文献报道了对最近土地利用和覆盖变化的监测和理解。事实上,在Scopus数据库的期刊文章标题中搜索关键词“土地利用”或“土地覆盖”,会发现从1990年的207篇到2015年的4499篇增加了20倍。

大量案例研究指出,推动土地利用和土地覆盖变化的人-环境关系的复杂和具体的地方特性。最近的元分析研究发现,土地利用变化是由在多个尺度上运行的大量因素驱动的(例如,Keys和McConnell 2005年,Lambin和Geist 2006年)。诸如:森林过渡、土地变化综合征、土地远程关联和远程耦合等新观点对我们对土地利用和覆盖变化的广泛理解非常重要(Lüdeke等人2004年,Rudel等人2005年,Geist等人2006年,Seto等人2012年,Friis等人2016年)。

我们认为,关键的土地利用变化通常是突然的、断断续续的,是一个有间断的平衡过程,在这个过程中,制度的转变至关重要(Ramankutty 2007, Lambin和Meyfroidt 2010, Ramankutty等人2010,Müller等人2014)。在某一土地使用制度下,土地使用的动态是相对稳定的,演变缓慢,往往可预测很长一段时间;但是,随着指导土地使用的新的微观基础逻辑的发展,以及新的土地使用制度的建立,持久的土地使用动态突然发生了变化,因此,土地使用制度发生了变化。我们认为,土地使用制度的变化是土地变化的重要因素,通常不可预测,并导致与全球变化社区相关的时间尺度上的快速和广泛的土地覆盖变化。迄今为止,只有有限的研究试图理解这种转变(但参见Müller等人,2014);大多数研究都专注于了解特定土地利用体制内的土地利用动态,例如亚马逊地区的牧牛场或东南亚的油棕生产,而没有考虑特定的土地利用体制是如何建立的(Fearnside 2005, Pontius等人2008,Kongsager和Reenberg 2012)。

基于这些普遍的观察,我们认为需要更多的注意力来研究土地使用制度变化的驱动因素。更好地理解土地使用制度的变化可以帮助更好地预测未来的土地使用变化。而且,即使预测是不可能的,因为许多土地使用制度的变化是由外部(外生)事件(例如,政策变化、价格冲击、战争等)驱动的,而这些事件很难预测(Müller等人,2014),一个改进的理论框架和对系统动力学更清晰的理解可以帮助识别制度变化的系统脆弱性。这将极大地帮助开发土地使用变化的未来情景,这可能对我们理解系统脆弱性非常敏感,因为对系统的外部冲击有各种假设。

回顾前瞻:两个历史案例

土地变化学界在过去十年的重要成就之一是全球土地覆盖历史时间序列的发展(Ramankutty and Foley 1999, Klein Goldewijk 2001)。虽然这种重建往往是基于有限数据点之间的插值或基于代理信息(税务记录、人口)的估计,但对一些国家来说,有更可靠的数据或重建。我们使用了20世纪阿根廷和前苏联耕地面积的现有历史数据,以探索一些最重要的历史土地变化的历史驱动因素(图1A、1B)。

欧洲人在阿根廷的定居始于1580年布宜诺斯艾利斯的建立,定居者占领了沿着布宜诺斯艾利斯南部海岸的狭长地带(solbriggs和Viglizzo 1999)。主要的农业活动是饲养供出口的牲畜,以及一些供城市市场的粮食和蔬菜种植。19世纪畜牧业的逐渐扩张使定居者与当地部落发生了冲突;这场冲突持续了近80年。1879年,阿根廷军队向定居者开放潘帕草原。饲料作物的引入,以及随之而来的移民佃户的种植,给阿根廷农业带来了翻天覆地的变化(Taylor 1997)。从1880年开始,粮食生产开始发展,主要是在潘帕草原,最初种植小麦、玉米和亚麻籽,然后是其他小谷物(图1A)。阿根廷在20世纪初的经济产出指标与其他发达国家相当。随之而来的是欧洲移民和外国直接投资的浪潮(Smith 1968, Rudbeck 1970)。然而,第一次世界大战期间,由于缺少海运,阿根廷的粮食出口减少了(Rudbeck 1970年)。 It recovered rapidly during the 1920s but then slumped again after the Great Depression hit in 1929, which was soon followed by World War II. Argentina became one of the world’s largest grain exporters, accounting for over one-third of international grain trade just prior to World War II. Cultivated area in Argentina followed the swings dictated by these world events, with a steep rise between 1900 and 1910 during the development of the Pampa, subsequent plateau during World War I, increase again in the 1920s, and then a plateau again following the Great Depression (Fig. 1A). The dramatic increase in cultivated area since 1995 is a result of the massive, well-known expansion of soybeans (Grau et al. 2005).

根据若干统计资料,前苏联上个世纪耕地面积的变化见图1B。两次世界大战对播种面积的减少和随后的恢复的影响是明显的。但是,这些减少的部分原因可能是政治边界的变化。例如,1941-44年德国占领苏联期间,正值苏联集团化的高峰时期,德国人占领了几乎50%的最高产土地,或1940年44%的集体农场总数(Katkoff 1950)。到1950年,总播种面积似乎已恢复到1940年的水平。1954年,赫鲁晓夫推出了“处女地计划”,通过在哈萨克斯坦、西伯利亚、乌拉尔和北高加索(1962年杜尔金)开垦大片处女地和休耕地来增加苏联的粮食产量。从1954年到1960年,播种面积增加了4600万公顷,其中近90%归功于处女地计划(1962年杜金)。总播种面积在1960年以后变得相对稳定。1992年苏联解体导致耕地面积减少(Prishchepov et al. 2013)。

在上述两种情况下,土地变化的发生可能是由于事先无法预测的原因。在阿根廷,农业发展的最初导火索是1879年阿根廷军队将土著印第安人的营地从潘帕赶走,随后是大规模移民和定居者的占领(Taylor 1997, solbriggs和Viglizzo 1999),而停滞最初是由第一次世界大战和随后的大萧条引起的。在前苏联,1954年以后耕地面积的大幅增加是国家政策的结果(杜金1962年),而1992年以后耕地面积的减少是苏联解体的结果(Prishchepov et al. 2013)。所有这些变化的原因都是由单一的历史事件引发的,事后可以解释,但推动这些变化的事件,从战争到政治动荡和崩溃,都很难预料。然而,这些无法预见的事件导致这些区域的土地覆盖发生了一些最迅速和最广泛的变化。需要一个新的框架来理解这种土地使用制度的转变。

理解土地使用制度转变的框架

我们通过首先定义考虑中的系统、它的边界和潜在的变更原因来开发我们的框架(图2)。

土地使用制度:

一系列持久的土地利用动态,可能会也可能不会带来土地覆盖的变化。该制度以地点为基础,与规模无关,并以观察者感兴趣的土地利用动态为特征。例如,它可能包括秘鲁的小规模轮作种植系统(Wood et al. 2016),印度的农用林业系统(Kumar和Nair 2004),以及印度尼西亚的大规模油棕种植园(Koh和Wilcove 2008)。我们认为,系统边界必须由研究人员根据感兴趣的土地利用动态来绘制。这可能是一个迭代过程,因为分析揭示了需要捕获的新过程,需要重新绘制系统边界(关于系统边界的讨论,参见Holland 2012)。然而,与所有开放系统一样,这些边界之外的力量可以影响和改变土地使用动态。

土地使用制度转变:

从一种占主导地位的土地使用制度向另一种转变,其中持续的土地使用动态发生变化。这通常(但并不总是)伴随着快速的土地覆盖变化。再次,分析的重点是土地使用动态的突然或迅速转变,随后建立一套新的相对稳定的土地使用动态的新的土地使用制度。

我们认为,通过描述土地使用制度变化的前提条件和触发因素,以及维持新状态的自我强化过程,可以理解土地使用制度变化的原因(图2)。

先决条件:

土地使用制度发生转变必须预先满足的必要条件。它们包括当前的产品需求和供应状况;宏观经济条件,例如货币汇率、信贷供应和通货膨胀;以及现有的技术,所有这些都为变革奠定了基础。

触发器:

对土地使用制度转变最直接负责的特定事件(使用Rudel 2013术语的集中事件)。换句话说,先决条件提供了激励和/或压力,使总体环境有利于土地使用制度的转变,而触发因素提供了转变的直接动力。触发事件在类型上是高度可变的,通常在性质和时间上都是不可预见的。至少存在四组主要诱因:(1)新的土地使用政策,例如农业发展、边境殖民、农业或生物燃料信贷和促进出口;(2)消除约束性约束,例如,基础设施发展以提供途径和资源,如道路和灌溉,或技术变革,如新种子;(3)人口变化,如人口迅速减少或移民;(4)环境、经济或社会冲击,如火灾、飓风、干旱、货币贬值、冲突或疾病爆发。

自我强化的过程:

维持新体制,创造条件,使其难以转向旧体制。关键的自我强化过程包括在高财务回报驱动下,对持续生产和进一步扩大、集约化或提高生产率的技术变革(如油棕种植园)的上升土地利用进行再投资,以及对发展新的基础设施和加工设施进行公共投资。这些过程不仅以其自身动态的政治-经济逻辑巩固特定的土地使用制度,而且还可能为随后的土地使用制度转变创造先决条件。

我们通过考虑两个案例来说明我们的框架,这两个案例都涉及威胁拉丁美洲热带森林的快速土地利用变化(表1和表2;图3)。

案例研究1:巴西的大豆

巴西通过两个主要的扩张阶段成为世界第二大大豆生产国和出口国:第一次是在20世纪70年代初,然后是在90年代末(图3A)。一些先决条件为大豆的推广奠定了基础(表1)。这包括:开发适合热带条件的大豆新品种;激励土地所有者采用较少劳动密集型的制度,因为1964年的土地法规增加了佃农的权利和新的最低工资法;中国对大豆作为动物饲料的需求日益增长;大豆的国际价格逐渐上升(Fearnside 2001, Kaimowitz and Smith 2001, Schnepf et al. 2001, Nepstad et al. 2006)。

1973年开始在巴西塞拉多地区种植大豆的第一阶段的导火索是环境和政治经济性质。1972年,秘鲁沿海的凤尾鱼捕鱼量(动物饲料中蛋白质的主要来源)从前一年的1040万吨暴跌至450万吨,原因是一次强烈的厄尔Niño事件(Caviedes 1975)。大豆成为动物饲料的替代品(Fearnside 2001, Schnepf et al. 2001)。与此同时,美国的一场大干旱减少了全球粮食产量,导致大豆价格飙升。作为回应,由于担心大豆短缺,美国于1973年6月对大豆实施出口禁运(McVey et al. 2000, Kaimowitz and Smith 2001)。欧洲和日本是大豆的主要进口国,他们寻求可靠的替代动物饲料来源,而巴西则在日本投资的帮助下填补了这一空缺(McVey et al. 2000)。1975年的重度霜冻推动了从劳动密集型咖啡生产向大豆生产的转变(Fearnside 2001)。大豆收获面积从1972年的0.02万平方公里增加到1980年的900万平方公里(粮农组织2013年),增加了四倍b).

两个截然不同的事件引发了最近巴西亚马逊地区大豆种植的迅速扩张。巴西雷亚尔在1999年首次实行浮动汇率,并迅速贬值。尽管1997年至2002年期间世界市场上的大豆价格有所下降,但贬值的雷亚尔使巴西出口产品在国际市场上更具竞争力(Schnepf et al. 2001, Richards et al. 2012)。随后不久,欧洲爆发了牛海绵状脑病(BSE)。2001年,欧盟禁止使用动物蛋白作为牲畜饲料,从而进一步取代大豆作为动物饲料(Nepstad et al. 2006)。欧盟消费者对转基因作物的反对导致巴西成为世界上最大的非转基因大豆供应国(Nepstad et al. 2006)。巴西的大豆收获面积从2001年的14万平方公里迅速扩大到2005年的23万平方公里,产量从1998年的约3000万吨增加到2008年的约6000万吨(粮农组织2013年)b).

尽管有利的先决条件和关键事件导致了巴西大豆产量的快速增长,但仍需要一些关键的自我强化力量来维持这种增长。这些措施包括信贷补贴,允许农民采用农业机械和土壤改良技术,在运输基础设施上的大规模公共支出,在大豆储存和加工设施上的私人投资,以及大豆游说团体的政治力量的增强(Fearnside 2001, Kaimowitz和Smith 2001, Nepstad等,2006)。

案例研究2:墨西哥和巴西的虾

养虾业是一个资本密集型产业,对全球20-50%的红树林破坏负有责任(Primavera 1997)。2001-2002年期间,拉丁美洲和加勒比地区在水产养殖方面贡献了约15%的世界价值(Wurmann等,2004年)。2000年至2012年,该区域的虾和对虾产量翻了两番(粮农组织2013年),2012年,墨西哥和巴西贡献了该区域总产量的30%(粮农组织2013年)。从共同的前提条件(图3B,表2)开始,这两个生产商都遵循了非常快速的扩张轨迹,即20世纪80年代美国对虾的高需求和价格(Parks和Bonifaz 1994年),以及丰富的沿海土地和野生幼虫种群的可用性。这些先决条件是由常见的自我强化过程驱动和补充的,包括发展国内的虾孵化场和水产饲料公司(Wurmann等人,2004年),政府提供税收优惠,部门补贴和出口促进,以及对虾养殖投资高回报的承诺(Meltzoff和LiPuma 1986年,Mole和Bunge 2002年)。然而,每个出口国的扩张诱因和动力各不相同。

墨西哥

墨西哥渔民长期以来一直在进行初级虾养殖,他们在沿海的泻湖中捕获虾和鱼(DeWalt et al. 2002)。索诺拉大学(University of Sonora)科技研究中心的早期实验工作为墨西哥的虾养殖提供了基础,但长期存在的产权制度阻碍了私人投资,该制度赋予沿海“ejidos”(农民土地所有者集体)对海鲜物种的专有权。尽管渔业合作社早在20世纪30年代就成立了,但它们缺乏鱼户的权属,也缺乏投资养虾场发展的资本(DeWalt et al. 2002)。

扩张的主要诱因是萨利纳斯政府进行的一系列政策改革(DeWalt et al. 2002, Luers et al. 2006)。特别是,1992年对墨西哥宪法第27条的修正案和对《一般渔业法》的修改,使eido部门向私人投资开放。这些改革还取消了合作社/ejido部门捕虾养殖的限制性准入(DeWalt等,2002年,Wurmann等,2004年,Luers等,2006年)。1992年颁布的《水法》取消了对水产养殖用水的限制,1993年修改的《外国投资法》允许外国拥有水产养殖生产,进一步促进了水产养殖的发展。虾的产量从1988年的550吨增加到1995年的15900吨,2008年增加到130,000吨(粮农组织2013年)。

1994年签署的北美自由贸易协定(NAFTA)进一步加强了对虾养殖,该协定取消了水产养殖投入的进口关税,降低了饲料关税,并进行了一系列财政改革,为参与水产养殖提供税收激励(DeWalt等,2002年,Luers等,2006年)。其他自我强化过程包括辅助经济活动的发展,包括用于幼虫后发育的孵卵场、为虾生产平衡饲料的工厂、沿海加工厂网络(DeWalt等,2002年)、沿海渔业产能过剩(Gillett, 2008年),以及促使农民将投资从小麦转向水产养殖的干旱(Luers等,2006年)。

巴西

20世纪70年代初,巴西开始养殖虾,但产量受到了化肥使用的限制中国对虾这是一种低产量的本地虾品种,需要高蛋白饲料,但存活率很低(Mole and Bunge 2002)。直到外来虾种的引入,中国对虾1993年,巴西的虾业开始腾飞(Mole and Bunge 2002年,Wurmann et al. 2004年,Lopes 2008年)。有趣的是,在对低产量的本地物种进行初步试验期间,良好管理做法的发展成为一个重要的前提条件,在一定程度上产生了随着引入而来的高产p .对虾

与大豆一样,引发虾快速发展的关键因素是1999年雷亚尔的贬值,这打开了通往国际市场和高回报的大门(Mole and Bunge 2002)。巴西的虾市场也从1999年其他地方因疾病导致的产量崩溃中受益;由于巴西距离太平洋沿岸遭受破坏的水产养殖场很远,因此没有受到白斑综合征病毒爆发的影响(Mole和Bunge, 2002年)。通过提供税收优惠、为该部门的长期投资提供资金、发展国内虾孵化场和水产饲料公司以及禁止进口虾以防止白斑综合征病毒(Mole和Bunge, 2002年),重新加强了该行业的发展。巴西还制定了促进水产养殖的国家计划(2004年供应)。产量迅速增加,从1995年的2070吨增加到2003年的90000吨(粮农组织2013年)。

土地变化研究的重点

通过我们的案例研究,我们的分析框架表明,通过描述变化的先决条件、触发因素和自我强化过程,可以更好地理解土地使用制度的变化(表1、图2)。我们现在从这些观察结果中总结出土地变化研究的未来方向。

需要发展一个改进的理论框架来研究土地利用制度的转变

考虑到土地使用变化中制度变化的重要性,土地使用变化界需要开发一个更好的理论框架来研究它们。在这样做的过程中,我们可以借鉴其他学科,在这些学科中,政权转移的理论发展更为先进。

关于生态系统和社会-生态系统的制度变迁的文献可能是比较发达的文献之一(Scheffer et al. 2001, Scheffer 2009)。Walker等人(2006)支持这样一种观点,即一个共同的理论框架可以同时适用于生态系统和社会系统,以及社会-生态系统(如土地使用),因为规模、相对变化率和阈值等基本概念适用于两者。具有交替稳定状态的系统的想法在生态学中已经得到了很好的确立,有最早的湖泊富营养化研究(Carpenter 2003)中的经典例子。我们还从文献中了解到,系统动力学是由缓慢变化和快速变化变量之间的关系决定的,而制度转移(平滑、突然或不连续)的性质是由这些变量之间的关系决定的(Collie et al. 2004, Biggs et al. 2009)。不幸的是,系统的稳定域似乎是由缓慢变化的变量控制的,这些变量经常被忽视和不被监控。因此,许多关于生态制度变迁的研究都集中在发展制度变迁的指标上(Biggs et al. 2009)。

土地使用制度转变的研究还可以采用为管理和促进社会技术变化而制定的框架的思想,如战略利基管理(SNM)或可持续转变的过渡管理(TM)。战略生态位管理是一个用来理解技术变化的轨迹和演化动态的框架(肖特和吉尔斯2008年)。(社会)技术制度的定义是广泛的,包括科学知识、工程实践、生产过程技术、产品特性、制度等的复杂性(Caniëls和Romijn 2008),技术制度对创新和新技术的使用造成了经济、技术、认知和社会障碍(Kemp和Hoogma 1998)。随着时间的推移,在创新发生的地方,利基市场就会发展起来,它们不受市场和监管的影响,有时甚至发展到迫使技术体制转变的地步。战略生态位管理是为新技术(通常是可持续技术)的应用开发受保护空间的一致努力。每一种制度的转变都是独特的,但某些元素对所有的转变都是共同的,例如,技术与环境之间的深层相互关系、专门的应用、相关技术的系统和关于技术的社会观点(Kemp和Hoogma 1998年)。过渡管理是一个旨在促进可持续性过渡的框架(Nill和Kemp 2009, Rotmans和Loorbach 2009)。持续存在的环境问题需要制度创新。创新以达尔文的方式出现,也就是说,变异和选择的运作,但重点是在积极的方向上管理变化。某些原则指导过渡管理,例如关注领先者、引导变化和选择、增量步骤中的激进变化、授权利基和预期(Rotmans和Loorbach 2009)。

制度变迁、SNM和TM的生态学研究为土地利用变化研究提供了有益的见解。然而,在为土地利用研究调整这些框架时需要小心。不同框架的目标有一些根本的区别。生态学研究的重点通常是避免体制转变带来的不良后果(例如,湖泊富营养化)。战略利基管理和TM旨在管理和促进技术变革或可持续性过渡。另一方面,土地使用变化研究的重点是理解和预测土地使用变化,而不是管理或避免它。然而,未来的土地利用研究应该考虑借鉴这些和其他框架来发展新的理论,以理解土地利用制度的变化。

需要土地使用制度变化数据库

需要作出重大努力,从社区、区域到国家等不同层次的分析和多个时间尺度,即长期历史和较近期的变化,汇编关于土地使用变化的历史案例研究。在编目和分析个案研究时,应特别注意土地变化的状态和速率,如果这些变化是由政权转移引起的,也应注意变化的先决条件、触发因素和自我强化过程。众所周知的土地使用变化的案例值得重新审视,新的案例研究需要超越描述发生的变化,具体说明在我们的分析框架指导下的变化的潜在过程。一个土地使用变化数据库,可能与斯德哥尔摩恢复力中心最近发布的数据库类似,记录了社会生态系统的大规模持久性变化(http://www.regimeshifts.org),其中包含了很少人为驱动的土地变化的案例,它不仅对土地变化科学家,而且对研究土地变化与其他生物物理系统之间联系的生态学家和其他自然科学家都是宝贵的资源。土地使用变化数据库将为科学家研究未来土地使用制度变化研究的几个核心问题提供基础。

在全球土地变化中,制度的转变有多重要?

支撑我们分析框架的是这样一个论断:重要的土地变化是通过土地使用制度的转变发生的,正如我们对拉丁美洲大豆和虾的案例研究所表明的那样。在其他地方,Müller等人(2014)也提出了类似的观点,提供了东南亚小规模土地使用制度转变的实例。但是土地使用制度的转变有多普遍和重要?渐进的政权更迭与政权更迭对土地总变化的贡献是什么?在什么情况和条件下,土地使用制度的转变会导致土地覆盖的重大变化?这些是可以通过分析拟议的土地使用变化数据库来解决的经验问题。

土地使用制度变化与规模无关吗?

在我们看来,规模独立性问题有两个方面。第一个问题是,制度转移是局限于特定的空间或时间尺度,还是在多个尺度上发生。我们相信,它们确实在多个尺度上发生,Müller等人(2014)的较小的社区水平研究和我们的国家水平的例子证明了这一点。土地使用制度转换数据库的开发将允许我们更严格地测试规模独立性。

这个问题的第二个方面是,土地使用的变化是否被归类为制度转移取决于分析的规模(即,在一个规模上显示为制度转移,但在更大的规模上没有)。举个例子,让我们想象一个使用玉米-大豆轮作的农场。如果只看农场两年的情况,玉米向大豆的转变似乎是一种制度转变。但从更长的时间或更大的范围来看,很明显,这不是一个政权的转变。我们的回应是,在两年农场层面上对玉米-大豆制度转变的最初分析是有缺陷的,对土地利用动态的理解不足,而是只关注土地覆盖的变化。对土地使用动态的分析,即使是在农场一级,也会清楚地确定农场使用作物轮作制度。换句话说,理解土地利用变化的关键是过程而不是模式。因此,我们的初步假设是土地利用制度的变化与规模无关,但我们认识到这个问题需要进一步研究。

如何有效地预测土地使用制度的变化?

生态学文献表明,预测生态系统的变化极具挑战性(Biggs等,2009,Scheffer等,2009)。因此,科学家们寻找预示着即将到来的变化的早期预警指标。政权的转变似乎伴随着一种被称为“临界减速”的现象(Scheffer et al. 2009)。当时间序列数据可用时,成功的制度转移的领先指标包括方差的增加、方差向较低频率的转移、改变的偏度或对干扰的响应率的下降(Carpenter等人,2008年,Biggs等人,2009年,Scheffer等人,2009年)。在缺乏时间序列数据的情况下,一些研究表明,空间方差的增加、空间相关性和空间偏度的变化可能是关键指标(Guttal和Jayaprakash 2009, Dakos等人2010)。然而,Biggs等人(2009)发现,指标的重大变化往往只在制度转移已经开始时才会发生,作者建议将重点转移到定义关键指标水平,而不是检测指标的变化。越来越多关于社会-生态系统的制度转变及其预测的研究对土地利用变化研究具有相当大的潜力。

在将这些原则从生态学应用到土地利用系统时,需要考虑两个重要问题。首先,需要发展土地使用监测系统,以提供发展早期预警指标所需的丰富的时间序列或空间数据。可能有用的数据类型包括:关于土地覆盖性质的高空间或高时间分辨率卫星数据、关于商品价格、贸易流动和其他经济指标的时间序列数据。其次,与生态系统不同(Folke et al. 2004, Biggs et al. 2009),土地使用制度的转变在本质上并不是不受欢迎的,尽管某些后果,如生物多样性丧失或人口迁移可能是不受欢迎的。因此,与其寻求早期预警指标本身,或许更重要的是了解某一特定的土地使用制度是否容易受到未来变化的影响。这种对系统如何或多或少地容易受到可能由外部力量引发的制度变化的影响的理解,将使我们能够制定出未来土地使用变化的改进情景。

土地使用制度变迁新理论框架的初步思考

关于土地使用制度变化的新理论的发展首先必须与选择适当的变量相斗争。研究人员需要定义状态变量来描述系统在任何时间点的状态。以巴西大豆为例,适当的状态变量可以是牛产量和大豆产量。重要的经济变量可能是商品价格、国际货币汇率和投入成本,而土地使用权可能是一个重要的社会变量。

弹性理论认为,当系统在不同尺度上运行的变量之间存在相互作用时(快vs慢或小vs大;Walker等人。2006)。土地使用管理者和学者通常关注快速变量和直接在他们的研究范围或影响范围内的变量,而缓慢变化的变量(或更大范围内的变量)往往被忽视(Biggs et al. 2009)。尽管人们已经认识到慢变量和快变量对土地变化的不同贡献(Geist et al. 2006),但它们与土地使用制度变化的联系还需要进一步的理论发展。特别是,如前所述,需要在土地使用系统中识别和监测控制系统稳定域的慢变量。我们假设土地持有(合并或分割)或土地使用集约化的变化是慢变量的例子。对某种商品(例如来自中国的大豆)日益增长的需求可能是一个关键的缓慢变量,尽管根据边界定义,对系统可能是外生的。

与地球物理系统或生态系统不同,我们认为土地利用系统不可能在实践中表现出双模态或交替稳定状态,因为不断增长的人口对土地利用系统产生了持续的外生压力。出于同样的原因,我们认为,虽然土地使用制度的变化在原则上是可逆的,但在实践中可能无法实现,除非人类对系统的压力被消除,并给予系统足够的时间恢复。森林过渡是土地利用变化逆转的一个很好的例子(Rudel et al. 2005)。因此,尽管交替稳定状态的存在是制度转移的一个关键指标,但在实践中,经验地识别这些状态可能具有挑战性。此外,最近的一篇论文表明,内在的随机性可以极大地改变相变的性质(Villa Martín et al. 2015),进一步加剧了挑战。前面讨论的开发和分析土地使用制度变动数据库将是在实际中查明土地使用制度变动的第一步。

土地利用科学中的一个相关理论建构是变化的近因与最终因,以及支配变化变量之间相互作用的中介因素(例如,制度、性别、种族)(Geist等,2006年)。直接的驱动因素是对土地使用变化的直接影响(例如,为养牛而砍伐森林),而最终的驱动因素是遥远而长期的过程(例如,世界对肉类需求的增加)。在日益全球化的世界中,贸易、土地远程关联和土地争夺将世界遥远地区的消费者(通常在城市地区)和生产者连接起来(Seto等人2012年,Garrett等人2013年,MacDonald等人2015年,Borras和Franco 2012年)。在这种情况下,识别控制体制转移动态的缓慢变量变得越来越具有挑战性,因为这些变量可能是遥远的和不被注意的。

更好地理解土地利用变化的直接和最终驱动因素以及变化的缓慢和快速变量之间的相互作用,将极大地提高我们描述土地利用系统对制度变化的脆弱性的能力。

结论

我们认为,土地变化研究需要把重点放在理解土地使用制度的变化上。在开展案例研究时,我们发现很少有研究涉及土地利用发生重大变化的关键时期,也很少有分析这种变化的驱动因素(但参见Luers等人,2006年,Richards等人,2012年,Müller等人,2014年)。对控制变化临界点的条件给予新的关注,可以大大提高我们预测未来土地使用变化的能力。一个关键的下一步可能是全面审查现有的土地利用变化个案研究,以确定制度的转变及其潜在原因。其他学科对制度变迁研究的进展指导我们为土地变化科学制定新的研究议程(Filatova等人,Friis等人,2016)。

最后,我们认为,土地变化研究,即使把更多的注意力放在制度转变上,也不太可能提供全球变化科学界迫切需要的十年至百年时间尺度的土地覆盖变化的准确预测。在气候科学和生态系统科学中,情景方法是预测土地未来变化的有用策略(Carpenter et al. 2006, Alcamo et al. 2009, Moss et al. 2010)。尽管如此,对土地使用制度变化的更深入研究有望显著促进我们对推动全球变化的土地使用和土地覆盖动态的理解。

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致谢

这项工作的早期版本分别在2007年的美国地球物理联盟秋季会议和2010年的第一届全球土地项目开放科学会议上发表。我们要感谢这些会议的与会者提出的宝贵意见,特别是B.L.特纳二世、J.福利、T.鲁德尔和S.卡彭特的鼓励,感谢他们对手稿早期版本的宝贵意见,并为我们指出相关文献。感谢副编辑Kasper Kok和两位匿名审稿人的深刻意见和建议。

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