研究

跨学科和跨学科情景构建，以探索亚马逊南部未来的土地利用方案

• 摘要
• 简介
• 人类职业模式
  • 巴西今天
• 材料与方法
  • 碳生物场景构建过程
  • 故事情节的发展
  • 从定性到定量
  • 土地利用变化建模
• 结果
  • 故事情节
  • 土地使用驱动因素的量化
  • 土地利用变化可视化
  • 景观水平
• 讨论
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

马托格罗索州163号高速公路和巴西亚马逊南部Pará沿线地区是世界上森林砍伐的热点地区之一。163号公路全长1780公里，连接着高度市场化的马托格罗索州和Pará州，后者仍以不太正规的养牛场为主。这条高速公路的历史是后原住民占领亚马逊的典范(Santos 1980)，它仍然处于被遗弃和威权国家干预之间。当军政府在20世纪70年代开始建设高速公路时，其政策背后有两个主要驱动因素:为贫困、无地家庭以及从南部和东北部寻找更多土地的资本农民开辟了一个出口，并将这些地区整合到国家领土中，从而确保国家主权(Becker 1982)。在马托格罗索州(Mato Grosso)和Pará州(Pará)，制度上的重叠和容易发生贿赂、腐败和欺诈的分散土地所有权过程(Foweraker 1981)决定了延续至今的政治文化。新建立的城镇和附近的森林并没有实现有序的由国家控制的殖民思想，而是被寻求新未来的家庭所占领(Preti 1993)，他们往往依赖于私人殖民计划。新开放边界上负担过重的地方机构未能提供最低限度的公共服务(Schönenberg 2011)，政治和社会混乱导致森林砍伐率飙升(Fearnside 2007)，自1988年以来在全国和国际上引起了反响。这些变化导致了高CO₂土壤和植被的排放以及生物多样性的严重损失(Coy 2001a、bKohlhepp 2002, Lapola等人2014)。例如，在20世纪90年代和21世纪初，森林砍伐是巴西温室气体排放的最大因素之一(Lapola et al. 2014)。自20世纪90年代中期以来，实施了各种计划、规范和监测技术来限制森林砍伐(Hayes和Rajão 2011)。这些发展，再加上农业系统的进一步集约化和大豆世界市场价格的下降，导致森林砍伐率显著下降。目前，指标显示森林砍伐和农业用地扩张略有增加(Fearnside 2015)，当巴西的大豆禁令(Gibbs et al. 2015)不再执行(Tollefson 2016)、《牲畜协议》到期(Nepstad et al. 2014)以及大豆和棉花的世界市场价格上涨时，这一趋势可能会加剧。因此，在制定旨在减少与土地使用有关的温室气体排放的政策作为减缓气候变化和保护生物多样性的重要手段时，分析未来土地使用变化轨迹是一个必不可少的因素。

由于观测到的和预期的土地利用变化过程固有的复杂性，此类分析需要采用跨学科方法，整合来自社会科学、经济学、自然科学和土地利用规划机构的观点(Jahn et al. 2012, Scholz 2012)。在这种背景下，场景构建已成为一种成熟的方法，用于考虑特定区域跨空间尺度和跨学科的中长期前景(Kok et al. 2007)。情景是对未来可能如何展开的合理描述，可以结合定性和定量元素(Alcamo 2008, Rounsevell和Metzger 2010)。定性元素的例子是故事线，描述未来世界形象的简短叙述。相比之下，数量要素包括情景关键驱动因素(如人口增长或经济发展)未来发展趋势的数值数据。这些信息通常由仿真模型生成。Alcamo(2008)提出的故事和模拟方法(SAS)结合了这两种元素的优点:故事情节的潜在复杂性和丰富性以及定量数据的清晰结构。我们遵循政府间气候变化专门委beplay竞技员会与气候变化有关的指导方针，该委员会引入了一种方法，通过结合定性和定量数据来促进确定和描述未来可选发展的进程(IPCC 2000年)。在过去的几年里，已经开发了不同的技术来连接不同学科之间的接口，并保证跨群体的参与。参与式方法已被证明可以提供新的见解，并提供更广阔的图景，特别是当科学家、决策者和其他利益攸关方聚集在一起，以共同的方式制定他们对未来的愿景时。 However, actors have different views depending on their particular spatial scale, as with the global interest in carbon storage on the part of NGOs versus the local interest in land use for agricultural crop production by farmers living there. Therefore, not only must the process of scenario-building bridge different disciplines, but also spatial scales have to be bridged by transferring scenario results and their implications from the global to the regional level (e.g., Verburg et al. 2006).

亚马逊地区在过去一直是各种土地利用变化分析研究的主题，近年来，随着对巴西亚马逊地区在气候变化辩论中的作用的讨论，亚马逊地区获得了更多的兴趣(Fearnside 2013)。beplay竞技这些研究大多集中在过去的土地利用变化上，这些变化要么是从基于遥感的土地利用数据，要么是从统计或普查数据观察到的(Soares-Filho et al. 2004)。由此获得的知识随后被用于为各自区域制定可能的未来发展路径(Verburg et al. 2013)。然而，到目前为止，亚马逊地区的场景构建通常仅限于自上而下的方法，不允许包括对土地利用持不同观点的行为体，也没有与当地和区域利益相关者一起专门审查开发的场景(Fearnside et al. 2013)。根据Dalla-Nora等人(2014)的说法，大多数现有的努力忽视了区域和全球驱动因素之间的联系，或依赖于对区域土地保护战略的高度理想化的表述，而不考虑现有的政策框架(例如Lapola等人，2011)。直到最近，参与式方法才被应用于场景建设，例如Pará中与拉格朗德地区的领土规划有关(Folhes等人，2015年)，AMAZALERT项目中与整个亚马逊地区的森林过渡有关(Aguiar等人，2016年)。

我们专注于情景构建过程中的跨学科Carbiocial(德国;http://www.carbiocial.de)和CARBIOMA(巴西;http://hotsites.cnpaf.embrapa.br/carbioma/index.php)的研究项目，旨在研究可行的碳优化土地管理策略，以在不断变化的气候条件下维持亚马逊南部的生态系统服务(Gerold et al. 2014)。遵循SAS方法，我们的场景结合了故事情节和基于模拟的分析。与Aguiar等人(2016)专注于森林砍伐的区域情景模拟不同，我们更强调农业部门(包括集约化)的发展前景以及法律创新和饮食模式等社会趋势是亚马逊南部土地利用变化的主要驱动力。在Carbiocial/ carbioma语境中，我们将跨学科理解为与问题相关的合作和新知识的共同构建，包括对其他方法的理解，以及结果意义上的交流;我们将跨学科性定义为与非学术伙伴和利益相关者的合作，包括承认非学术知识同样相关(Jahn et al. 2012)。我们跨学科研究小组统一的共同出发点是关注土地使用变化的不同方面的轨迹。由于未来的情景由过去的发展决定，我们将我们的研究领域理解为历史过程的动态结果，如自然变化，人类职业，以及影响法律结构和决策过程的个人角色的传记。在Carbiocial项目中，场景构建过程发展了适当的动态，影响了知识生产和科学传播。在本文中，我们描述、分析和背景化我们的工作方式，并展示了我们研究小组的跨学科优势，其中包括地质生态学、环境技术、自然地理学和政治学领域。此外，我们还描述了如何将我们的故事情节转化为有关土地利用变化主要驱动因素未来发展的定量数据，并说明如何应用土地利用模型来生成有关土地利用变化的明确空间信息。 Finally, we discuss the repercussions of scenario construction for knowledge production in the Carbiocial project. More specifically, we aim to shed light on the following research questions: (1) Can locally adapted story lines be developed for southern Amazonia by learning from different disciplines? (2) How can qualitative knowledge and quantitative spatial modeling be combined to produce scenario maps of future land-use development?

人类职业模式

自16世纪以来，非土著占领亚马逊盆地的指导原则是征服领土、资源和人力。正是在这一早期时期，目前的土地租赁结构的基础是由创建capitanias大量的土地捐赠和政治单位，通常是军事统治者开始呼吁新定居者巩固他们的土地主张。大多数响应号召的人都是探险的冒险家，他们在寻找贵重金属的同时捕获土著奴隶。这些留下来的移民将以前不为人知的个人土地使用形式引入了亚马逊。当经济作物被引入巴西南部和东北部时，牛被引入了亚马逊。当时，对亚马逊的占领已经得到了葡萄牙政府的鼓励，但却是由私人倡议实现的，通常由淘金热或其他采掘活动提供资金。简而言之，亚马逊广阔的腹地被寻求更繁荣未来的冒险移民所占据。由于他们只能依靠自己的能力和自然提供的资源，自然资源和土地利用的有趣模式就出现了:每个地方都开发了一种主要商品用于交换或交易，以及高度多样化的其他产品，主要来自自然，以补充主要商品和缓冲个人生计。从那以后，新的经济周期不断为亚马逊的多重生存策略逻辑引入层次:最近的额外收入不仅来自当地的产品，还来自附近城市的工作(Schönenberg 2011)。根据这一逻辑，尽管发生了迅速的变化，亚马逊地区人口的社会经济恢复力仍然很高。只有当太多元素被同时消除时，整个地区才会失去社会凝聚力，并进入一个短命的非正式生存策略的螺旋，使其在社会、生态和经济上变得脆弱(Schönenberg 2002, Osuna等人，2014)。 In this context, the major change we are currently observing and analyzing in our research region is the destruction of economic fallback sources through the takeover of entire tracts of land by agro-industrial production and the resulting transformation of the socio-cultural livelihood patterns of local populations this entails. Unlike the end of the rubber boom or the depletion of a gold or iron ore mine, when the cattle, soy, corn, and palm oil boom comes to an end, there will be nothing left to fall back on, since the natural landscape will, to a great extent, have been irretrievably destroyed. In summary, while it is not unusual for the region to pass through a dominant economic cycle and to be heavily dependent on external market forces, what is new is for the region to lose its very ability to survive on what nature provides additionally.

当巴西政府在20世纪60年代开始通过高速公路占领亚马逊时，高速公路两侧100公里的区域被宣布为联邦领土;此外，原住民领地、自然保护区和国家森林主要由联邦政府管辖。这些立法的遗产是联邦和州负责土地和环境治理的机构往往分散的双重结构。

根据这种总体模式，163号公路周围的亚马逊土地被占用的历史，根据我们自己的传记研究(Schumann et al. 2015)，可以细分为三个阶段:163号公路自1973年开始建设，目前已经进行了近10年的铺设。占领163号高速公路(1973-1983)的主要结构遵循同样的100公里模式(如上所述)，而这100公里的土地应该是“由军方解放的”，因此属于联邦管辖。来自Paraná和里约热内卢Grande do Sul的先锋家庭带着一些资本来到这里，开始了他们的新生活，他们在第一阶段来到了这个地区，并一直扮演着意见领袖的角色，直到今天。从20世纪80年代初开始，亚马逊地区雄心勃勃的军事项目陷入危机;在大约10年的时间里(1983年至1993年)，该州几乎完全撤出了该地区。这一地区及其决策所特有的强大的开拓精神可以归因于这一第二阶段。1988年，巴西新宪法起草了进步的土著和环境法，特别是1989年，国家土地改革计划(PNRA)开始生效，163号公路地区开始感受到经常不充分的国家监管的直接和间接影响。1992年之后，随着联合国环境规划署在里约热内卢召开的ECO92会议，亚马逊最终进入了由国际公约(CBD、气候、森林)和可持续发展理念塑造的全球化渠道(例如，巴西七国集团热带雨林保护试点计划，1992 - 2012年活跃)。在第三阶段，可持续br -163计划(Schönenberg et al. 2015)试图在不断增长的农业工业(马托格罗索州的大豆，Pará的畜牧业)和既定的可持续发展战略之间进行协调。所有这些都对163号公路产生了巨大的实际影响:在大豆、棉花和牲畜产量快速增长的同时，联邦环境机构IBAMA大规模加强了环境监测和制裁。 What did not change at all, is the quality of information circulating in the region; there are many interpretations and implementations of existing laws and norms. Within this ambiguity, the actors we consider in our story lines make their decisions on land use, investment, and selling. The major unifying factor in the region is the rejection of all state interventions and the bitterness regarding sanctions without technical support. True to this biographical perspective, in our scenarios, we aim at including the protagonists of Highway-163 and their leeway to influence their future.

巴西今天

巴西国家宣称是一个发展型国家(Woo-Cumings 1999)，这意味着它试图根据其对巴西未来的愿景来塑造社会和经济。根据国家所代表的社会群体的不同，这种发展愿景及其各自的治理战略有很大差异。从2003年到2016年，工人党(PT)统治该国，试图以一整套基于保守经济增长战略的分配社会政策来促进社会正义。对于我们的研究区域，亚马逊南部，这意味着对大型农业综合企业的无条件支持，大坝的建设忽视了环境审计中预见的法律协商机制(Hall and Branford 2012)，伴随着拖延的土地改革，关于土地和自然资源的暴力冲突解决形式，以及有罪不受惩罚，例如，仅在Novo Progresso市，因非法砍伐森林而未缴纳的罚款已超过4亿雷亚尔。另一方面，旨在规范土地使用的Terra Legal项目和森林法规的实施机制，如环境许可项目Cadastro Ambiental Rural，长期资金不足(Azevedo et al. 2015);此外，气候智能型农业的信贷额度，如abc计划(Carauta et al. 2017)，不会考虑试图转向气候智能型轮作系统的农民的具体需求(Gil et al. 2015)。政府政策的第二个主要方面是在全球舞台上的扩张，这就是环境和气候政策的作用。对于亚马逊来说，这种全球互动导致了大约40%的保护区，环境法律的零星执行，以及对即将到来的新法律和规范的持续不安全(Campbell 2014)。由于市场需求、气候变化、缺乏法律确定性、制度薄弱和腐败，目前土地使用的政治实践进一步复杂化，所有这些都为我们的跨学科知识的整合提供了一个复杂的环境。beplay竞技

材料与方法

碳生物场景构建过程

Carbiocial场景构建过程的目标是多方面的，反映了研究小组内部知识聚合的内部过程。首先，我们的目标是通过使用能够满足所有相关方需求的方法，在社会科学和自然科学之间架起沟通的桥梁。社会科学家坚持行动者对当前和未来发展的观点，以及对当地数据的整合;自然科学家们需要找到一个有意义的模式来指导多学科研究方法，并将其转化为Carbiocial中的模拟模型。在这种情况下，一个重要的应用是对过去和未来土地利用变化(如森林砍伐、农业集约化)的定量分析和可视化，众所周知，这将严重影响温室气体排放和生物多样性(chapman - kramer et al. 2015)。因此，我们将在本文后面讨论土地利用变化的过程。作为应用科学的一个项目，我们将情景方法概念化为一种知情利益相关者对话的工具，以及设计多层决策支持工具的框架。这样的场景构建过程包括三个步骤。第一步是制定故事线，描述亚马逊南部未来的不同发展路径(探索性情景)。在第二步中，故事情节被转化为关于土地使用变化的重要驱动因素(如人口增长或农业生产)的社会经济因素的定量信息。 Finally in the third step the spatially explicit land-use models LandSHIFT and alucR were applied to calculate the resulting land-use change patterns within southern Amazonia on the regional and landscape scale.

故事情节的发展

第一步，我们同意必须仔细考虑建模所需的定性社会科学数据和数值数据之间的联系。在这里，我们选择了所有经济、生物物理和社会因素的混合，作为两种土地使用模型的输入，作为所有场景和故事情节发展的指导原则。

在第二步中，决定定性数据的聚合与前面列举的输入数据的逻辑一起将为模型提供必要的接口;以限制偏见，并包括在亚马逊地区数十年的定性研究，以及德国所有可用的亚马逊专家^［1］被邀请来支持carbioal团队，在为期一天且颇具争议的头脑风暴会议上为四条故事线提供内容。在故事情节发展的过程中，参与的社会科学同事被提供了一份所有驱动因素的清单，并被问及他们对这些方面在各自场景中如何展开的意见。因此，每个故事线现在都包含了各自的口头描述，可以作为量化过程的起点。很明显，不同的亚马逊子区域可以想象出多条轨迹，而大豆出口走廊旁163号公路的情况是相当具体的。对现有模型的输入因素(即人口、农业生产、牲畜、农业和环境政策、保护区、基础设施以及气候变化/缓解/适应的影响)的严格定位有助于将丰富的知识组织成可行和兼容的数据;beplay竞技这种方法与模型的数据需求保持了亚马逊专家的定义能力，而不是将其交给建模者的校准。

这项工作的主要结果是四条故事线，描绘了研究地区到2030年的合理发展路径，其中一条是基线情景。各自的叙述是由碳生物项目团队成员根据专家会议的讨论起草的。之后，研究结果被翻译成葡萄牙语，在Brasília、马托格罗索和Pará与大约30名政府和非政府机构的代表讨论了故事情节，以评估其合理性，并进行了相应的修改(列表见附录1)。各自辩论的深度因机构代表的时间预算而有所不同。为了补充缺失的当地利益相关者的声音，我们在实地考察日期间进行了讨论，并从定性和传记访谈中获得了有关未来前景的数据。由于研究地点的空间分布以及Carbiocial和Carbioma相互作用的多样性(见图1)，与巴西合作伙伴和不同参与层次的利益相关者的反馈循环缺乏一定程度的连续性，有时发生得相当随意。对未来研究的一个教训是，如果研究过程中的所有合作和参与在项目的早期阶段就得到协商和制度化，对结果的更大投资可能会成为现实。在我们的立场上，我们真诚地尝试将所有可用的数据整合到我们的故事情节中，并在反馈之旅中获得了主要的积极反馈。

从定性到定量

根据每个情景的故事情节，确定了一组土地使用驱动因素，以定量描述到2030年的关键因素的演变。这些关键变量来自Lambin等人(2003)对森林砍伐驱动因素的分析。^[２]但已经面向土地利用变化模型的输入数据要求。因此，根据土地利用变化模型的数据输入要求，将其细分为人口变化、农业发展和土地利用政策三个主题。

翻译过程主要基于专家意见，不像Kok等人(2015)描述的模糊认知地图方法那样形式化。在第一步中，根据土地使用建模过程的潜在意义，提取和解释了关于三个主题的每个故事线的陈述。在第二步中，将这种定性信息转化为描述人口发展、农业生产和生产力变化趋势(例如作物产量增加)的数字数据，或者就土地使用政策而言，转化为纳入土地使用模型的规则。这一过程得到了carbicial团队内部沟通的支持，包括与各子项目巴西合作伙伴的沟通(见图1)。

土地利用变化建模

我们应用了两个嵌套的、空间明确的土地利用模型，生成了一组2010年至2030年的土地利用地图，描绘了州一级和163号高速公路沿线特定社会和经济发展的影响。这一建模和绘图工作的目标是支持情景开发人员和决策者作为潜在用户更好地解释情景假设的合理性，并评估农业生产性土地扩张以牺牲社会和经济自然生境为代价所产生的问题。此外，这些新的信息层有助于进一步基于模型或gis分析土地利用变化对区域碳平衡或生物多样性丧失的影响(例如，Chapin等人，2000年，Fearnside等人，2009年，Chaplin-Kramer等人，2015年)，并可作为可持续土地管理战略制定的试验平台。两种建模方法在不同空间尺度上的联系旨在提高结果的一致性，同时保留了不同尺度下土地利用变化的优势。人口变化或农业生产出口导向的增加等发展可以更容易地在州一级进行估计，而由于大豆禁令等原因导致的土地使用转换限制则可以在景观级情景中更明确地界定。

为两个空间比例尺级别生成了土地使用地图:(1)马托格罗索州和Pará (MT/PA)两个州的土地使用地图，单元尺寸为900米x 900米;(2)163号公路走廊的土地使用地图单元尺寸为90米x 90米(见图2)。为此，开发了一个数据库，其中包括人口和农业部门的普查数据以及不同类型的GIS地图。土地使用数据包括TerraClass(亚马逊生物群落内土地使用的多年分类)和全球MODIS土地覆盖产品(Friedl et al. 2010, Almeida et al. 2016)。普查数据来自西班牙农业研究所Econômica Aplicada (IPEA)宏观经济、社会和农业统计数据库。从1940年到2010年，州一级的城市和农村人口数据是可用的。市政一级的年度数据包括1974年至2007年期间的牲畜数量(牛、山羊和绵羊)以及1973年至2010年期间的作物产量。

2013年保护区数据集来自Ministério do Meio Ambiente (MMA)，包括严格的自然保护区(protecao积分)、可持续利用(uso sustentavel)，以及原住地区(岩壁Indigenas)．有关军事地区的信息从Rodovia BR-163地区Ecológico-Economico获得(ZEE;“巴西农业研究公司”2013年,http://zeebr163.cpatu.embrapa.br/index.php)．为了对163号公路走廊进行详细分析，我们还包括了Agência National de Águas (ANA)提供的河流数据集的河岸保护区(RPA)估估值。

利用LandSHIFT空间显式模型对州级土地利用和土地覆盖变化进行了模拟。Schaldach等人(2011)对该模型进行了全面描述，并在巴西的不同案例研究中进行了测试(Lapola等人，2010,2011)。Goepel et al.(2017)对研究区未来土地利用变化对温室气体排放的影响进行了全面分析。在本文中，我们描述了两种最矛盾的情景(趋势和可持续发展)的模型结果，以说明故事情节和空间模拟之间的联系。LandSHIFT基于土地使用系统的概念(Turner et al. 2007)和代表各自的人为和环境子系统的耦合组件。该模型模拟了聚落、农田和牧场的时空动态，以5年为时间步将其州级驱动因素分区到栅格级。模型驱动因素包括人口增长(主题:“人口”)、牲畜数量、农业生产和生产力变化(主题:“农业发展”)的数值数据。政策设置包括限制保护区的土地使用变化，以及允许将森林和热带草原转变为农业和定居区的示范规则。此外，关于道路基础设施发展的信息影响到某一单元转化为农业用地的吸引力(专题:土地使用政策)。单元级信息包括状态变量“土地使用类型”和“人口密度”，以及一组描述其景观特征(如地形坡度)、道路基础设施和分区法规的参数。

嵌套在州级模型中，alucR模型被应用于163号公路走廊，以提供从2010年开始的年度场景(Gollnow等人，2017年)。将163号公路沿线的土地利用变化量从州级模型详细传递到163号公路模型。

结果

我们描述了我们跨学科努力的结果:将碳生物故事情节整合到土地使用变化的主要驱动因素的量化，并使用模拟模型对由此产生的土地使用变化进行可视化。这些结果之所以成为可能，是因为我们跨学科的兴趣在聚类信息中相互集成彼此的方法，并根据在机构反馈之旅中收到的额外信息修改故事情节。

故事情节

四条预测故事线描述了这两个州未来区域发展的不同路径(见图3)。由于过去几十年亚马逊南部农业部门与全球市场(例如大豆和肉类出口)的紧密联系(Richards et al. 2014)，有必要将这种依赖作为我们的情景中的一个重要决定因素。此外，我们还考虑了现有法律执行情况的40%以上亚马逊的法律^[3]是官方保护区域，因为这对未来的发展至关重要。反映了专家讲习班关于非常进步的环境和土著立法的讨论，积极的民间社会的存在和强有力的检察官机构，我们还提出了一个潜在可行的可持续发展方案(方案III)。考虑到土地使用变化的影响因素，特别是人口、农业生产、农业和环境政策、保护区、基础设施和缓解/适应，在2030年之前的四个故事线的结果叙述概述如下:完整的故事情节包括在附录1中。故事情节没有明确涉及气候变化的强度，但假设所描述的农业发展可以在不断变化的气候条件下实现，直到2030年。beplay竞技

“趋势”故事线被用作未来土地用途变化的参考。它的依据是对农产品需求不断增长的前瞻性预测，自然生态系统的继续转变，163号公路和当地人口的技术和社会巩固，以及农业生产的进一步集约化和零星执法。

故事线一描述了一个“法律强化”的场景。它假定对农产品的需求不断增长，但有有效的执法防止非法改变自然生态系统;163号公路及其人口的技术和社会整合将包括农业生产的高度集约化，以提高产量和生产力;在气候持续变化的情况下，社会和环境法律的执法将是有效的。beplay竞技

故事线二描述了一个以“非法强化”为特征的场景。与故事线一一样，它假设对农产品的需求不断增长，但只有非常零星的执法，这将导致自然生态系统的进一步转变;163号公路及其人口的技术和社会整合将包括农业生产的高度集约化，特别是产量的增加。

故事情节III描述了一个最复杂的“可持续性”场景，因为它描绘了一个全新的地方、国家和全球社会，尽管在可能的法律和社会参数范围内:亚马逊社会将拥有这样一种社会模式:参与、公民身份和现有法律的执行与进一步适当的法律相辅相成，具有包容性的经济体系、粮食主权、资源保护与参与性监督、启动有利于大多数人口的地方包容性和可持续发展的政治意愿、可用的知识和技术资源，国家和全球对认证农产品的需求不断增长，获得可持续经济的全球融资，区域认同，价值链支持，多样性和复原力，替代农业咨询，以及澄清项目区域的土地权利或土地改革。下面，模型集成的整个过程将参考这个可持续性场景来举例说明。

土地使用驱动因素的量化

将土地利用模型所需的输入数据分为人口、农业发展和土地利用政策三类。

人口

在趋势、非法加剧和合法加剧情景下，到2030年的人口变化是根据1973-2000年观测到的趋势计算的。趋势外推采用最小二乘法计算(Rao et al. 1999)。例如，关于故事线假设“人口增长将按照过去观察到的趋势继续下去。”关于过去人口增长的数据必须至少具有联邦州一级的空间分辨率，以便直接适用(而不进一步分解)作为联邦州一级过去趋势推断的基础。因此，过去观察到的人口增长数据来自IBGE数据库(IBGE 2013，http://www.ibge.gov.br/estadosat/index.php)，并在1973年至2000年期间在市政一级制定空间决议，并汇总(合计)至联邦州一级。例如，粮农组织数据库的数据仅在国家一级可用。因此，这些数据必须分解到联邦州一级，这将增加最后模拟结果(土地使用地图)的不确定性。趋势函数拟合了每个联邦州观察到的过去人口发展(参考时期为1973-2000年)，并外推到2030年。在Pará，这导致人口从2010年的690万人增加到2030年的930万人，而在马托格罗索州，我们发现在此期间，人口从270万人增加到370万人。

相比之下，可持续发展情景的故事情节假设马托格罗索州和Pará州的人口增长放缓，主要是因为来自巴西其他地区的移民减少。这种放缓在马托格罗索州更为严重。以Pará为例，它也存在，但由于农业前沿和水电大坝的先锋动态所创造的就业机会而受到抑制。马托格罗索州的人口增长率每五年调整10%，Pará州的人口增长率调整5%。两种情况下的数据如表A1.5所示。

农业发展

表A1.6和表A1.7总结了四种情景下农业生产发展和产量增长的假设。在趋势情景中，国际和国内对农产品和大宗商品的需求与以往的趋势(1973-2000年)保持一致。因此，对未来作物产量、牲畜数量和人口数量的估计是通过统计推断各自的人口普查数据得出的，同样使用最小二乘法。通过技术进步，例如植物育种或改善农业管理，有关到2030年作物产量增加的信息，来源于在粮食安全研究背景下使用经济贸易模型IMPACT (Rosegrant 2012)进行的全球情景分析(Vervoort et al. 2013)。

为了评估趋势假设的合理性，我们将2030年的计算产量数据与美国农业部巴西基线情景(USDA ERS 2015)进行了比较。结果(表1)表明，我们的估计与美国农业部的预测具有相同的数量级。

“合法集约化”和“非法集约化”情景都假设，未来农业生产将呈现比历史趋势更强劲的增长，这主要是由于亚洲国家的需求不断增长，预计亚洲国家将经历人口快速增长和人均收入增加(Kalimili和Fantom 2016)。亚洲市场类似于巴西生产的商品最重要的出口市场，占巴西出口总额的近25%。其他重要出口目的地包括欧洲联盟(18.7%)、美国(12.1%)以及阿根廷(6.3%;世贸组织2016)。农业产量的额外增长与对巴西农产品在亚洲的四个最重要出口国(中国、泰国、日本和韩国)未来人口增长的估计有关。从这些国家来看，中国是最大的市场，占88.6%，泰国占6.2%，日本占2.7%，韩国占2.1%。将选定亚洲国家的加权累积人口增长率与马托格罗索州和Pará的农业产量增长率相乘。这导致了适应的生产增长率，其中包括农业生产的增加，以及巴西主要亚洲出口目的地人口增长和人均收入上升所产生的出口诱发的生产增长。例如，如果中国的人口增长率比马托格罗索州或Pará的产量增长率高10%，那么巴西联邦州的农业产量将额外增加8.6%(10%*88.6%)。作物产量的增长与趋势情景下的增长相似。

影响农业生产的可持续性设想的核心方面是根据世界卫生组织(世卫组织;例如，Amine et al. 2002, Srinivasan et al. 2006)。为了估计未来减少肉类消费量的潜力，我们将目前的肉类消费量(表2)与哈佛大学医学院公共卫生建议的肉类消费量进行了比较。

哈佛大学公共卫生医学院建议每天食用大约10克牛肉、10克猪肉和46.6克鸡肉和鸡蛋，也就是每天摄入66克动物产品(Stehfest et al. 2009)。因此，人均年肉类摄入量不应超过22.3公斤(Stoll-Kleemann和O 'Riordan 2015)。将建议摄入量与巴西的平均肉类消费量进行比较，估计每人每天从动物产品中摄入的热量平均减少156克(-70%)。基于这些发现，我们假设这两个州的肉类产量将下降70%。与此同时，我们假设大豆出口份额将减少10%(70%-60%)，因为国际饲料出口减少，加上全球替代肉类消费导致大豆出口增加。我们将饮食转变的过程建模为一个在20年期间(2010-2030年)发生的渐进过程。由于人均肉类消费量减少530千卡/天(根据世卫组织推荐的人均2512千卡/天)而出现的营养缺口需要用其他来源的卡路里来替代。根据Stehfest等人(2009)的方法，大豆蛋白填补了60%的缺失热量。根据世界癌症研究基金会的建议，水果和蔬菜应占13%的替代量，其余份额由豆类组成，如表3所示。

最后，考虑到可持续发展故事线中描述的人口增长下降，我们调整了农业生产。因此，与趋势情景相比，国内市场的农业生产增长率(占总产量的57.5%)分别降低了-10%(马托格罗索州，MT)和-5% (Pará， PA)。

正如故事线中所指出的，在可持续发展故事线中，作物产量的增长速度比在其他场景中更快。假设每个时间步骤每公顷作物生物量增加7.5%。

土地使用政策和道路基础设施

正如前面在应用于我们研究的土地使用模型中所指出的，土地使用政策要么是作为对指定地区土地转换的约束，例如自然保护，要么是作为禁止(或不禁止)特定土地使用类型转换的因素，例如森林。道路基础设施通常影响一个单元对城市化或农业发展的吸引力。当研究区域的两个尺度级别和扩展之一，即州级(MT/Pará)和163号公路走廊有具体情况时，我们分别为LandShift和alucR指定了这些。

在趋势情景中，不受保护的自然土地可以转化为农业和定居区。此外，163号公路的改善增加了这条公路附近细胞转化为农业的可能性(表A1.1)。

这些假设也适用于法律集约化情景，但相比之下，在2010年至2030年之间转换的自然土地仅部分用于农业。根据新的巴西森林法规，每个细胞的80%应该保持森林(Soares-Filho et al. 2014;表A1.2)。这些区域被划分为马赛克土地使用。

非法集约情景的政策设置削弱了指定区域内自然土地的保护地位。虽然仍禁止在土著地区和军事地区内改造自然生态系统，但允许在其他类型的保护区内改造森林和塞拉多(表A1.3)。

对自然土地最严格的保护是在可持续性情景中建模的。除了保护区内的自然土地外，保护区边界外的森林也受到充分保护，在2010年至2030年期间不能转化为农业(表a 1.4)。

土地利用变化可视化

在州一级，用LandSHIFT模型生成的土地使用地图显示了趋势情景和可持续情景之间的明显差异(见图4)。在Pará的趋势情景下，农产品产量的增加导致牧场(+102,271 km²，+99.6%)和农田(+24,231 km²，+16.4%)的扩张。这种扩张是以热带雨林(-113,370平方公里，-11.5%)和塞拉多植被(-12,879平方公里，-52.2%)为代价的。这些土地利用变化大部分位于靠近发展走廊(BR-163, BR-230)和东部州边界。在马托格罗索州，牧场扩大了84,590平方公里(+50.3%)。相比之下，马托格罗索州的耕地面积减少了18334平方公里(-8.3%)，因为农业管理实践的进步导致作物产量的增长速度高于农业生产需求。马托格罗索州最近从农业扩张和大规模森林砍伐转向农业集约化的趋势(Macedo等人，2012年，Cohn等人，2014年，Gollnow和Lakes, 2014年)证实了模拟的土地使用动态。总共30136平方公里(-8.4%)的热带雨林和34364平方公里(-20.1%)的塞拉多被转换。

在可持续发展的情景中，减少肉类消费和转向素食的影响变得普遍。Pará牧场面积显著减少，减少89,059 km²(-86.7%)。与此同时，耕地面积增加了92995平方公里(+53.9%)。由于增加的土地大部分位于以前的牧场上，塞拉多只有3518平方公里(-15.1%)的土地被转变为农田。由于对雨林的有效保护，原始雨林的覆盖面积保持不变。与趋势情景类似，新的农田位于里约热内卢Tocantins以西的地区，沿着发展走廊(BR-163, BR-230)和Pará西部亚马逊海岸附近，靠近Santarém。在马托格罗索州也可以观察到同样的趋势，但不那么明显。虽然牧场面积只略微减少了2454平方公里(-1.5%)，但耕地面积又增加了45,093平方公里(+20.4%)，主要是以塞拉多植被(-36,727平方公里，-21.5%)为代价的。如Pará，森林面积保持不变。总的来说，可持续性情景的特点是自然植被的损失明显低于趋势情景。 The greater expansion of cropland due to the increased demand for food crops is more than compensated for by the decline of pasture.

景观水平

连接马托格罗索州和Pará的163号公路走廊，是州级情景中土地利用变化的热点之一(见图4)。将LandSHIFT计算的需求传递到alucR中，用于沿163号公路走廊进行景观级情景分析，证实了所研究的两种未来情景(趋势情景和可持续性情景)预期的非常动态的土地利用变化过程。趋势情景下农业需求的总体增加导致163号公路沿线的牧场面积增加，而马托格罗索州和Pará其他地区的集约化发展和耕地扩张导致163号公路沿线的耕地面积减少。沿着走廊，牧场面积增加了约9747 km²(12.8%)，农田面积略微减少了-248 km²(-O.3)。牧场的扩张动态在Pará最强，以Novo Progresso市(见图5a)为中心，沿163号公路和马托格罗索州北部(见图5b)，在那里农田被转变为牧场。但是牧场很大程度上扩展到了天然植被区域。草地的扩张遵循了潜在的适宜性分布，而河岸保护区则停止了靠近河流的土地利用扩张。163号公路沿线的城市土地利用预计不会发生变化，但Gollnow等人(2017)对此进行了更详细的论述。次生植被生长主要位于Pará。

在可持续发展情景下，163号公路沿线的生产需求与趋势情景相比发生了显著变化。遵循州一级模式，163号公路走廊再次成为马托格罗索州和Pará土地利用变化的热点之一。在这种情况下，耕地扩张是土地利用变化的主要驱动因素。走廊沿线耕地面积增加了2111平方公里(2.8%)。与此同时，走廊沿线牧草面积减少了1099 km²(-1.5%)。耕地扩张主要发生在研究区南部的牧区(图5c)。

讨论

我们的研究结果表明，通过结合来自不同学科的定性知识和定量数据，并与现有的机构决策者讨论其合理性，开发故事情节和场景的个人方法。该区域的定性故事情节与定量土地使用情景相结合，以研究其在空间上的区域和局部表现。然后与当地和国家专家再次讨论这些结果。

从该地区的历史发展和过去的轨迹中学习，可以详细了解巴西亚马逊地区正在进行的土地利用变化过程。这些知识的精髓被纳入土地利用变化模型。一个主要的见解是从历史发展中吸取教训，特别是关于巴西国家的差异化指导能力。因此，我们在故事情节和未来土地使用变化的建模过程中加入了不同程度的法律指导方针。各自的量化和空间分配导致马托格罗索州和Pará到2030年的土地使用轨迹不同。对于163号高速公路规模，我们明确地在建模实验中解决了不同程度的遵从性(趋势故事线)，因为我们没有严格禁止保护区的土地使用变化，而是允许这种变化在特定的时间框架内发生(每隔几年)。我们从历史分析中得到的另一个主要见解是，确定了一个非常异质的规划系统和政策星座，其特征是相互矛盾的行动者群体、机构和规划工具，它们经常不相辅相成，而是相互矛盾，表现出高动态但低可靠性。我们的分析显示，很难确定需要预测的决定性转折点。这就是为什么我们开发了不同的故事线和各自的场景。我们认为，只有采用这种多方面的方案建设方法，才能支持这一进程，并促进利益攸关方之间的进一步讨论，为未来制定连贯的方案。 The multiscale approach of the explicit spatial scenario modeling aimed to address the hierarchical structure of land development decisions in the Brazilian Amazon. Although some decisions are clearly driven by global markets, e.g., overall demand for soybeans, others are locally restricted, e.g., new road infrastructure development, implementation of forest code in riparian areas. By addressing both scales in our land-use change scenarios we allow for exploring different processes and developments, as well as their outcomes, in a coherent way.

在深入的历史背景知识的基础上，根据过去观察到的土地利用变化动态，将土地利用变化模型参数化，从而将行动者的行为纳入未来情景的量化，这可能被认为是一种大胆的方法。另一方面，以过去人类行为的形式注意并从历史中学习，特别是在规划未来研究时，将人为因素添加到场景中，并使结果更加可行。这些反馈在详细的地图中产生了可视化的未来，这些地图汇集了不同规模的景观水平上的所有数据，为区域复杂性开辟了新的视角和可能性。此外，在地图上可视化数据丰富的场景的可能性为公众参与规划过程提供了新的机会。

因此，通过这种方法，我们可以增强现有的研究，这些研究从理论驱动和场景构建的通用方法来处理未来土地利用挑战，只有限地考虑区域特征(Verburg et al. 2013)。我们与那些考虑需要使用情景来分析政策工具及其在亚马逊地区土地利用中的后果的研究一致(Soares-Filho等人，2005年，Moreira等人，2009年，Aguiar等人，2016年)。

产生适用的科学结果的规范性指导方针导致了一种跨学科的研究方法。事实上，对结果的整合和模式的合并是为了适用而进行的，尽管这实际上超出了巴西目前政策协调的能力。实现这种跨学科知识整合的先决条件是一个定性的科学过程:只有科学家之间密集的内部交流才能产生共同的、可理解的、从而可传播的结果;研究小组内相互理解的努力对外部交流具有沟通意义，而外部交流本身对于实现适用性目标是必不可少的。

跨学科研究不可避免地导致了非凡的交流努力:因为学科语言和术语在这种情况下是不实际的，即使是复杂的内容也必须用易于理解的术语来解释。跨学科研究小组的参与者表达的是意义，而不是简单的事实和结果;他们需要一个共同构建的研究对象，每个小组成员在报告新的见解时可以参考(Jahn et al. 2012)。这种相互理解可能导致过于简单化，或者可能导致采用整体方法。无论如何，它仍然是有趣的、耗时的和相当有风险的，因为学术学科的“真理”不断受到挑战。在Carbiocial项目中，深入的跨学科合作带来了创新的方法，特别是在为亚马逊南部的研究地点制定未来情景方面。然而，整合多种方法的过程导致不确定性成倍增加，并且比纯学科方法的情况更加明显。例子包括选择数据源的批判性反思、方法的可能兼容性差距、数据解释、模型校准和来自不同主题领域的参数化以及规模问题。关于碳生物未来情景的构建，考虑到通过LandSHIFT结合定性和定量数据获得的现实生活近似，这种不确定性似乎是可以容忍的。

尽管我们能够通过建立跨学科的故事线来展示开发定量和空间明确场景的系统方法的好处，但我们意识到我们的方法有一些局限性。首先，选择专家来制定故事情节和叙述对结果是决定性的。我们仔细挑选专家;但是，故事的发展取决于个人的意见和他们在德国专家研讨会上的互动过程。由于项目设置中的一些结构限制，我们也无法像最初计划和提议的那样，与巴西专家一起迭代地优化故事情节并评估定量场景。此外，由于正在调查的问题的性质，土地使用变化，规划和决策过程中的利益攸关方和行动者的数量和种类非常多。这导致我们的项目在为特定的用户组缩小场景时遇到了困难。虽然在这个项目中确实需要考虑这些限制，但我们仍然认为我们的方法方法提供了新的见解，并且可以作为其他项目和案例研究的指导方针，稍加修改。我们的研究结果表明，在非常地方的层面上深入了解不同的观点是缩小可持续土地使用管理的全球情景和扩大当地方法的基本前提，因此，是产生可传播和适用的结果的基本前提。

结论

总之，关于我们的研究问题，我们认为，开发亚马逊南部故事情节的建议过程极大地受益于将不同学科与对当地过程和历史的深入了解相结合。我们展示了如何结合定性知识和定量空间建模来生成未来土地利用开发的情景图。在我们自己的实地研究的基础上，将定性和定量数据集成到场景开发过程中，这是产生适用结果的重要前提。通过结合对历史过程的认识、现场社会和自然科学的定性方法以及趋势的定量分析的优势，我们能够制定一套全面的合理的土地使用情景，为知情的政策干预提供多个切入点。由于这些场景所固有的社会科学和自然科学之间的复杂联系，在构建过程中需要一个具有跨学科研究策略的跨学科小组。我们设想的架构为应用模型模拟不同土地管理政策的结果提供了可能性，包括以政策一致性为前提的可持续性设想。这种基于科学的想象未来的深度、复杂性和复杂性，既不是普通的政治和行政决策者，也不是关键的公民社会组织所能企及的。因此，我们提供了一种智能和可转移的方法来预测未来，作为复杂科学过程的适用结果。

__________

^［1］Gerd Kohlhepp/地理(Uni Tübingen)， Martin Coy/地理(因斯布鲁克大学)，Dörte Segebart/地理(柏林大学)，Jan Börner/经济(ZEF/波恩大学)，Maria Backhouse/社会学(柏林大学)，Thomas Fatheuer/社会学(KOBRA)， Jes Weigelt/政治学(iass -波茨坦)，Benno Prokorny/林学(弗莱堡大学)，Imme Scholz/社会学(DIE-Bonn)， Regine Schönenberg/政治学(Carbiocial/柏林大学)，Michael Klingler/地理学(因斯布鲁克大学)，Charlotte Schumann/文集学家(Carbiocial/佛罗里达-柏林)，Korbinian Hartberger/拉丁美洲学家(Carbiocial/佛罗里达-柏林)，Birthe Bretthauer/拉丁美洲学家(Carbiocial/佛罗里达-柏林)，由Rüdiger Schaldach/环境系统研究(Carbiocial/USF, unikassel)观察。
^[２]比较:Andersen和Reis (1997)， Laurance等人(2002)，Aguiar等人(2007)，de Espindola等人(2012)。
^[3]Amazônia Legal由阿克里州、Amapá、亚马逊州、Pará、Rondônia、罗赖马州、托坎廷斯州以及马托格罗索州的部分地区和Maranhão组成;面积为5,217,423平方公里，占巴西领土的61%，人口占巴西人口的12.32%。

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