研究，一部分的特别功能生态系统与社会:气候、土地利用、生态系统服务和社会之间的相互作用

2010-2100年新罕布什尔州土地覆盖、人口密度、不透水覆盖和保护情景的发展

• 摘要
• 简介
• 方法
  • 研究网站
  • 方法
  • 翻译
• 的场景
• 讨论
  • 经验教训
  • 未来的发展方向
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

除了气候变化，土地覆beplay竞技盖和土地利用的变化也被强调为生态系统及其提供的服务变化的主要驱动因素(Vitousek等人，1997年，《千年生态系统评估》，2005年)。这些变化很大程度上是由人类行为驱动的，而人类行为固有的复杂性为定量预测未来的变化带来了重大挑战(Liu et al. 2007, Polasky et al. 2011)。当不确定性很高时，情景为预测未来的变化提供了一个框架:情景并不预测未来，而是为似是而非的未来提供了可选的故事线集合，这可以提供对可能结果范围的洞察(Schwartz 1991)。在这里，我们介绍了一套新罕布什尔州的高分辨率土地覆盖变化情景的开发，作为基于过程的模型的输入，这是美国国家科学基金会资助的一个项目的一部分，用于评估该州未来生态系统服务的时间变化(Mavrommati等人，2016年，Samal等人，2017年;Borsuk et al .,未出版的手稿)．

新罕布什尔州过去经历过大规模的土地覆盖变化，该州未来的土地覆盖对生态系统服务的影响存在高度的不确定性。自17世纪以来，新罕布什尔州从以森林为主，到19世纪中期约50%的农田，再回到以森林为主(Foster et al. 2010)。自1987年以来，新罕布什尔州因开发而失去了森林面积(Drummond和Loveland 2010, Foster et al. 2010, Levesque 2010, Thompson et al. 2013, Jeon et al. 2014)，尤其是东南部(Johnson 2012, Sundquist 2012)。尽管自2000年以来人口增长已经放缓(Johnson 2012)，但一些预测表明，东南部的发展将在接下来的几十年里继续扩大(Stein et al. 2009, USEPA 2009, Bierwagen et al. 2010, Stein et al. 2010, Sundquist 2012)，这对该地区的生态系统服务有重大影响。例如，由于现有私人林地住房密度的增加，新罕布什尔州南部的三个流域被列为全国预计水质退化的前五个流域(Stein et al. 2009)，而就住房开发对森林物种的威胁而言，同样的流域被列为全国第90个百分点(Stein et al. 2010)。然而，该州在基层保护方面也有着悠久而有力的历史。该州30%(7300平方公里)的土地是公共或私人保护的(NH GRANIT 2016)。这包括3000平方公里的白山国家森林，该森林于1918年建立，以减轻密集伐木对河流的水文破坏(Shands 1992年，Conroy和Ober 2001年)。总体而言，开发、林业、保护和农业等相互竞争的土地使用对新罕布什尔州的未来景观产生了高度的不确定性，为了最好地反映该州未来变化的土地覆盖情景，必须解决这些相互竞争的用途。

我们的研究建立在环境预测和规划中各种功能场景使用的广泛且不断增长的文献基础上(Peterson等，2003年，Swart等，2004年，Alcamo等，2006年，Carpenter等，2006年)。场景开发和建模的方法高度依赖于场景工作的特定目标(Mallampalli et al. 2016)，通常应该满足以下目标:目标受众的特定需求(相关性)、透明和合理的方法(可信性)、公平的感知(合法性)和激发对不确定性的新思考(创造性;Alcamo等人。2006)。这些目标通常通过利益相关者的参与来实现，包括决策者、专家和受场景结果影响的群体(Mallampalli等人，2016年)。将可用信息转化为有用场景的方法包括创新方法，将利益相关者直接参与模型构建(例如，Schmitt Olabisi et al. 2010)或将利益相关者知识纳入数学模型(例如，贝叶斯网络;Meyer等人，2014b)，但采访和调查等传统方法仍然是利益相关者参与的主要方法(Mallampalli et al. 2016)。例如，关键的线人访谈是由自然保护协会和世界野生动物基金会运营的自然资本项目推荐的场景开发协议的核心(Rosenthal et al. 2015)。这些传统方法以及文献综述非常适合与专家合作，并可与多种建模方法结合使用(Mallampalli et al. 2016)。将定性结果转化为定量模型可以是迭代的，比如在故事线和模拟方法中，涉众被要求提供对场景的反馈(Alcamo 2008)，或者，当资源更加有限或涉众无法承诺参加多个研讨会时，可以使用一种更精简的方法，借鉴已发表的文献(Pfeifer et al. 2012)。

情景开发人员必须考虑对未来变化(如土地覆盖)有贡献的几个组成部分:形成相关系统过程的驱动力;可被假定遵循可预测轨迹的预先确定的元素;以及临界不确定性，它们是未知的，理解不足的，或者可以以不可预测的方式变化(Schwartz 1991)。然而，驱动力并不总是被很好地理解，关键的不确定性可能出现在被视为预定元素的因素的意外变化中(Schwartz 1991)。多个驱动力也可能产生相同的结果(Moss et al. 2010)。当需要全面了解系统的可信度时，或当使用建模来发展对系统更复杂的理解时，明确建模社会、经济和物理驱动因素(Nakicenovic等人2000,Wear 2011, Radeloff等人2012)和量化参数不确定性(例如，Alcamo等人2011,Verburg等人2013)是至关重要的。然而，过度的复杂性可能会延迟研究，因为场景必须根据改进的知识不断修改。土地覆盖变化的空间显式建模特别复杂，模型对驱动力的基本假设高度敏感;事实上，由于假设的不同，模型之间的可变性可能比情景之间的差异更大(Sohl et al. 2016)。模型通常无法高分辨率预测土地变化的空间分布(Pontius et al. 2008)，而且预测受到训练数据集间隔的限制，通常为20至30年(van Vliet et al. 2016)，长期预测的不确定性增加(Pontius and Spencer 2005)。

我们的目标是为2010年至2100年新罕布什尔州的土地覆盖变化、人口密度和不透水覆盖制定合理的、空间明确的情景，作为更大的NH EPSCoR生态系统与社会项目的一部分(Gardner等，未出版的手稿)．这些情景是相关陆地和水生生态系统过程模型的关键输入，用于预测未来环境功能的变化以及由此导致的生态系统服务的变化(Samal等，2017年)。作为Mavrommati等人(2016)所描述的新型审慎多准则评估的一部分，这些情景也作为替代未来的关键信息来源。基于文献综述、主要信息提供者访谈以及与主题专家的合作，我们为未来的土地覆盖、保护、人口密度和不透水覆盖提出了六种不同的情景，并使用定制模型为每一个属性生成了年代史栅格。

方法

研究网站

新罕布什尔州位于新英格兰北部，面积为24214平方公里，范围在北纬42°42′至45°18′之间，西经70°36′至72°33′之间。该州目前75%为森林，5.5%已开发，4.5%为农田(NH GRANIT 2016;图1 a)。一些森林被管理为木材，特别是在该州的北部地区;有些是为野生动物、娱乐或保护生态系统服务而保存的;还有一些(特别是小土地所有者拥有的土地)受到各种各样的土地管理做法的影响。新罕布什尔州的大部分土地是农村或低密度的(图1B)，该州130万人口中的大部分生活在小城镇。三个最大的城市，曼彻斯特(11万居民)，纳舒厄(86000居民)和康科德(43000居民)，都位于该州南部沿着梅里马克河的93号州际公路走廊，人口密集。该州的特点是高教育率(全国排名第七)和家庭收入(全国排名第八)，但受教育和高收入人口主要位于东南部(Johnson 2012)。该州的北部地区收入较低，以制造业和木材工业(Johnson 2012)为主的农村经济目前正在衰退。该州的农田主要位于东南部和康涅狄格河沿岸，康涅狄格河界定了该州的西部边界。

方法

从一开始，我们就希望开发一套可信、合法和相关的场景，这些场景在土地覆盖、人口密度和不透水覆盖方面存在差异，对生态系统功能和服务产生截然不同的后果。我们最初的想法来自于之前为新罕布什尔州东南部(Scholz 2011)和马萨诸塞州(Thompson et al. 2013, 2014)开发的Lamprey河流域的土地覆盖情景，以及整个新罕布什尔州南部的对比发展模式，即集中在沿海城市朴茨茅斯和分布在93号州际公路走廊沿线的许多小社区，毗邻马萨诸塞州边界，距离波士顿72 - 97公里的车程。麻萨诸塞州。

为了制定情景，我们从6个不同的来源寻求关于未来可能的土地覆盖的信息:历史趋势、与新罕布什尔州土地覆盖未来有关的现有计划、调查、现有人口情景、关键线人访谈和主题专家。场景的开发与信息收集并行，以一种相对非结构化的方式，通过迭代合并新的细节，并在内部对话、与关键线人的采访或来自主题问题专家的输入中提出问题时寻求新的信息源。

历史趋势

在20世纪的最后30年和21世纪的头几年里，新罕布什尔州的人口增长速度显著超过了美国东北部的其他地区(Johnson 2012)。自2007年以来，人口增长放缓，但仍高于新英格兰的其他州。然而，这种人口增长甚至没有在整个州出现。大部分人口增长集中在该州的东南部和中南部地区。与人口增长相对应的是，同样的时间间隔也见证了发达土地面积的快速扩张，大部分开发为郊区和城郊住房(Sundquist 2012, Mockrin et al. 2013)。从19世纪末到20世纪末，整个州的农田面积都在减少，一些农场被废弃，恢复为森林，另一些则转为开发(USDA-NASS 2012年)。近几十年来，森林保护速度加快，主要是因为土地信托和其他组织的行动(Meyer et al. 2014一个)，包括对保护农业用地基地和扩大当地粮食生产的广泛兴趣(Donahue等人2014年，美国农田信托2016年;东北可持续农业工作组http://nesawg.org)．然而，大多数受保护的土地位于该州的北部和高海拔地区，那里的开发压力最小(Levesque 2010)。

对新罕布什尔州土地覆盖未来的现有计划和愿景

我们依靠三份关于新罕布什尔州和新英格兰地区未来土地使用和土地覆盖的报告来提供我们的土地覆盖情景。2009年新罕布什尔州气候行动计划(新罕布什尔州气候变化政策工作beplay竞技组2009年，Wake et al. 2011年)是一项通过125个利益相关方和29名工作组成员(代表广泛的部门和利益，包括新罕布什尔州众议院和参议院、新罕布什尔州州机构、市政府、工商界、环境非营利组织、林业部门、学术界和公共事业)的过程制定的共识计划。十项首要战略之一是保护新罕布什尔州的自然资源，通过避免净林地转换和保护现有农业用地来保持碳的封存量。2010年，《哈佛森林》出版荒野和林地:新英格兰景观的远景(Foster et al. 2010)。这一愿景呼吁在50年内将新英格兰70%的地区保护成永久不受开发的森林，并将继续努力支持这一愿景。最后，最近新英格兰州粮食系统计划或战略的一个共同重点是扩大粮食生产和农业用地基础(2013年佛蒙特可持续就业基金，2015年大都会区规划委员会，2015年新罕布什尔州粮食联盟，2016年缅因州粮食战略)。新英格兰美食视野建立在该地区扩大农业生产的愿望之上，并描述了到2060年，新英格兰通过将农业用地从80万公顷扩大到240 - 280万公顷，生产该地区至少一半的粮食的未来(Donahue et al. 2014)。新英格兰食品解决方案(http://www.foodsolutionsne.org)对推进这一愿景的承诺已在2011年开始的一系列新英格兰粮食系统年度峰会中得到了成文规定，并通过建立一个充满活力的区域网络。

调查

2013年，新罕布什尔州的9个地区规划委员会发起了一项对2935名新罕布什尔州成年居民的调查，这是一个更大项目的一部分(花岗岩州的未来，由美国住房和城市发展部资助)，让新罕布什尔州公民参与有关其社区和国家未来的公共对话(Keirns等，2013年)。在与领导人的关键线人面谈中收集了更多的信息花岗岩州的未来(表1)。超过三分之二(70%)的被访者赞成在现有的发达地区继续发展，96%认为水质保护是高度优先事项，76%认为保护水生生境是高度优先事项。近四分之三(74%)的人认为政策制定者应该投入更多资金来维护道路、高速公路和桥梁，而只有40%的人支持投入更多资金来改善公共交通的可用性。

现有人口的场景

新罕布什尔州的人口预测在地方(新罕布什尔州地区规划委员会2014年)和全国(例如，Bierwagen等人2010年)两方面都有。为了表示不同的未来，我们采用了新罕布什尔州能源和规划办公室的预测(2014)作为低人口情景，采用了A2人口情景，A2是由第三次国家气候评估使用的综合气候和土地利用情景开发的，用于高人口情景(Bierwagen et al. 2010)。我们还参考了该州自1990年以来的人口普查数据，作为当前人口增长率的简单线性外推的基础(美国人口普查局1993,2013)。

关键线人的采访

来自12个组织的主要信息提供者，他们代表土地使用和土地覆盖相关的5个部门(环境非营利组织、工商、木材利益、公共部门机构、学术界和自然资源管理顾问);表1)是根据我们对国家的了解和来自领导职位个人的建议确定的，并被邀请参加便利的小组面试。参加访谈的12个组织中有10个代表了全州范围内的利益，150名重要的信息提供者参加了这些访谈(表1)。在访谈中，信息提供者被问及两个问题:(1)描述你会做什么就像新罕布什尔州在未来的样子，20到40年甚至更久之后;(2)描述你所做的事情的图片预计新罕布什尔州未来的样子，20到40年甚至更久之后。我们研究方法的详情载于附录1。大多数受访者支持通过结合地方分区条例、支持“智能增长”分区的法规(Addison et al. 2013)，以及市场对小户型住宅需求增加的反应，以及远离现有道路、下水道和其他基础设施的高成本建筑的反应，转向更紧凑的住宅开发。与会者在人口增长是高还是低的问题上存在分歧，大多数公共部门和工业代表认为较高的人口增长是可取的，而一些环境非营利组织成员则对为容纳不断增长的人口而清理土地的可能性表示担忧。少数利益相关者主张增加该州的粮食生产，而其他人(代表木材和环境利益)则认为农业用地的扩张是对自然资源的威胁。一些跨部门的利益攸关方表示，希望更好地管理森林、土壤和水，以保护生态系统服务，而环境非营利利益攸关方尤其希望继续进行战略性土地保护。

当被要求描述他们所期望的未来时，大多数利益相关者描述的是一个与他们目前所感知的类似的监管和分区环境，或者环境保护减少。差异的主要来源是预期的人口增长率。一些利益相关者预计，人口将快速增长，延续20世纪末的趋势，再加上当代的分区，将导致该州大部分地区都被住宅小区填满。其他人，尤其是政府利益相关方，则预计经济增长将较低，并将增加对基础设施的需求，以支持人口老龄化。还有一些人想象着介于这两个极端之间的未来。

主题专家

在整个过程中，我们在一系列主题上聘请了主题专家。NH EPSCoR生态系统与社会项目的成员有60人，来自全州的学术机构。他们通过对我们的问题的回答提供输入，这些问题类似于在关键线人采访中提出的问题，也类似于在月度团队会议和两年一次的全员会议中提出的问题。与森林管理、现有和潜在的未来保护土地相关的关键问题与来自自然保护协会新罕布什尔州分会和新罕布什尔州森林保护协会的成员进行了详细讨论。我们聘请了布莱恩·多纳休(Brian Donahue)来帮助我们解读新英格兰粮食愿景(New England Food Vision)对整个新罕布什尔州未来农业用地的预测。人口学家肯·约翰逊(Ken Johnson)建议我们使用能源与规划办公室(Office of Energy and Planning)的人口预测，该预测将延伸到2040年。随后，我们从RLS人口统计公司(RLS demographic)的鲍勃·斯卡达利马亚(Bob Scardamalia)那里得到了2100年的外推数据，他是能源与规划办公室预测的作者。此外，研究报告的作者之一(CM)最初作为关键线人采访的参与者参与了该项目，他加入了团队，提供了新罕布什尔州所有221个城镇和13个城市现有住宅和商业分区的详细数据。

翻译

基于这六个来源的不同主题和信息(表2)，我们开发了一套定性的土地覆盖情景(叙事)，随后将其转化为定量的土地覆盖、人口密度和不渗透覆盖，基本上应用了故事和模拟(SAS)方法(Mallampalli等人，2016年)。从这一过程中产生的主要驱动力是人口增长、分区、保护和农业在国家中的作用。我们的翻译方法是迭代的，但相对简单，依赖于作者对现有信息的渐进综合。

根据我们收集的信息，我们意识到捕捉一系列人口分布模式至关重要，紧密型发展的上限由新增长对以前开发的土地区域的再开发的限制定义(新罕布什尔州气候变化政策工作组2009年)。beplay竞技然而，我们不太清楚分散人口的另一个极端应该如何定义和分布。主要的信息提供者访谈证实了人口分布和增长作为新罕布什尔州土地覆盖驱动因素的重要性，并提供了更多的具体信息:在高人口的未来，预期的发展被描述为沿着主要交通走廊从东南部向北推进，而在州中部，增长将集中在少数几个选定的城市(普利茅斯、汉诺威和黎巴嫩)。在低人口的未来，增长的地点将由基于县的新罕布什尔州地区规划委员会(2014)的预测来确定。

我们最初对建模过程的设想是使用回归树(De 'ath和fabicius 2000)和决策树派生的土地覆盖变化模型，并基于国家海洋和大气管理局海岸变化分析项目(NOAA C-CAP;NOAA 2014)，模拟邻近马萨诸塞州的情景努力(Thompson et al. 2011, 2016)。回归树具有解释和修改直观的优点，并且已被证明在长期预测方面与更复杂的模型具有类似的真实感(Tayyebi et al. 2014)。然而，当土地开发的驱动因素是当地人口的变化时，这种方法就出现了一些挑战。因此，对低密度发展情景的模型进行了结构上的修改，首先使用一个源自县级人口预测的模型来模拟城市之间的人口分配，但设计时要与沿交通走廊向北的发展一致。这个自定义模型包含了每个城市划分的住宅地块大小的详细信息，最终我们确定了一个成本-距离加权重力模型(详见附录2)。在某些情况下，原始回归树模型也倾向于在改建土地和未改建土地之间产生人为的、不切实际的尖锐边界。经过作者之间的内部讨论，以及与更广泛的EPSCoR团队中的利益相关者和学者的非正式外部对话，我们决定通过调整回归树的计算规模(例如，新罕布什尔州的子区域而不是整个州)，并使用与模拟模型的规模相适应的输入变量的仔细选择(例如，避免在模拟城市内土地覆盖变化时在大尺度上起作用的距离变量)。

在关键的信息提供者访谈中收集的信息表明，土地保护的未来将在确定发展对生态系统服务的影响方面发挥重要作用，这一观点得到该州土地保护历史的支持。但是，尚不清楚保护这些服务所需的养护数量或分布情况。因此，我们聘请了自然保护协会和新罕布什尔州森林保护协会的主题专家，他们之前已经确定了高度优先的保护领域。来自每个组织的GIS专家分享了他们的保护计划地图，并帮助我们确定与高度保护的未来最相关的优先级阈值。另一方面，我们在内部讨论了一个低保护水平的未来是否会有缓慢的保护，没有保护，甚至可能是相对于现在，失去被保护的土地。为此，我们依靠当地规划专业知识和研究(作者CM)，这表明随着社区的建设，自然的政治转变为集群分区和土地保护，这一观察结果被纳入到我们的最终模型中。我们还发现，对过去20年的保护趋势进行线性外推(我们计划将其作为两个极端之间的中间情景)，实际上会导致到2100年，保护土地的面积比保护利益相关方认为的要大。我们认为，这一结果是1990年至今异常高的节约率导致的不现实的结果(Meyer et al. 2014)一个)．在这种情况下，我们认为，在2060年结束外推守恒将会得到更现实的结果，同时也为线性模型的一般假设提供了类似的简单性。

在制定土地覆盖情景时，对农业用地面积未来变化的预测是一个特别的挑战。这类土地总面积和土地覆盖变化相对较小，限制了统计分析的能力。此外，基于landsat的土地覆盖数据的用户和生产者的准确性在牧场/干草土地类别中特别低(Wickham等人，2010年)，这代表了该州75%的已清理农田(美国农业部-全国ass, 2012年)。我们在NH GRANIT的同事帮助我们提供了NOAA C-CAP光栅的增强型版本(Rubin和Justice，未发表的数据)．我们以前很熟悉新英格兰美食视野(Donahue et al. 2014)，提出了农业扩张以提高该地区粮食安全的两种情景。考虑到主要信息提供者访谈中提供的各种观点，我们决定包括两种不同的紧凑发展情景，一种假设农业大幅扩张，基于Donahue等人(2014)，另一种假设农业扩张要温和得多，延续最近的趋势。我们咨询了布莱恩·多纳休以确定新罕布什尔适合的土地面积新英格兰美食视野，他还提供了2060年的具体农业用地面积。他还建议我们使用两个场景中比较温和的新英格兰美食视野，这代表了增加粮食生产与保护森林的规范结合。为了使这一情景简单，我们假设农业用地面积在现在到2060年之间呈线性增长新英格兰美食视野。

转换过程的最终产物是针对每个情景开发的定制土地覆盖变化模型(见附录2)，该模型生成了土地覆盖和人口密度的年代史栅格。不透水覆盖层图是根据人口密度图绘制的，该人口密度图基于当代不透水覆盖层与人口密度的回归模型。为了总结流域不透水覆盖的变化，在HUC10流域边界内计算不透水覆盖的比例(美国农业部- nrcs等，2015年)。我们使用一个简单的阈值模型将流域划分为退化(> 30%不透水)、受影响(> 10%不透水)或未受影响(< 10%不透水覆盖;Arnold和Gibbons 1996)。

的场景

我们开发的6个场景处于一个连续统一体上，从重视共享生态系统服务的分散开发到重视共享生态系统服务的集中开发(图2A)。“后院设施”场景(后院)的特点是分散开发，几乎没有监管或努力保护生态系统服务，加上人口快速增长。“社区设施”系列场景(Community)的特点是集中开发，并强烈关注现有森林和农业用地的保护。Community家族包含四个场景，每个场景都由Foster等人(2010)提供信息。这些差异沿着人口增长的轴线(“小社区”与“大社区”)和农业扩张的程度(“保护荒地”[荒地]与“促进当地食物”[食物];图2B)，给出了家庭中的四种场景:小社区-荒地、大社区-荒地、小社区-食物和大社区-食物)。对于这个家族的所有场景(为了与新罕布什尔州气候变化政策工作组[2009]的建议一致)，所有开发都是在现有发达地区进行再开发。beplay竞技后院场景和社区家族之间是“线性趋势”场景(Linear Trends)。为了增强这些情景对社会科学家和规划者的有用性，每个情景都附有有关经济、政府和文化变化的一般描述(附录3)。

对于后院场景，开发率是基于人口预测、每个市政当局为未来住宅用地划分的平均面积数据库和分区变化的历史趋势(C. Mitchell等，未出版的手稿)．每个城市都是建造到50%，然后是62.5%，每个地段的土地面积减少，以反映向日益紧凑的集群分区的政治转变。新开发土地的人口密度根据地块大小和平均每户2.5人增加(新罕布什尔州能源和规划办公室2015年)，不透水覆盖率根据人口密度更新。至于社区大家庭，已开发的土地面积并没有增加，因此预计增加的人口将分配给有现有人口的已开发土地(假定为住宅区)，而不透水覆盖面积也相应增加，以反映为容纳增加的密度所必需的重建。此外，在人口密度下降的地方，根据居住需求的减少，不透水覆盖面积可以减少。粮食情景假设农业用地面积线性扩大，到2060年达到3640平方公里的目标。因为这一愿景是与森林保护相协调的，我们在2060年后保持农业用地面积不变。线性情景推断了该州四个地区的最近发展趋势:东南部、西南部、中部和北部(见附录2)。

2100年四种土地覆盖情景(图3)和四种人口密度情景(图4)的栅格显示了该州东南部和中部地区高度不同的未来，而北部的差异相对较小。除小社区外，在所有人口情景下，东南部和中部流域的不透水覆盖面积都在增加(图5A)。这种变化在后院场景中尤为显著;到2100年，受影响的流域数量(不透水覆盖> 10%;Arnold和Gibbons 1996)相对于现在翻了四倍(图5B)。只有750平方公里的新土地被保留为后院，而线性和社区家庭则分别为4000平方公里和4700平方公里(图6)。土地保护的空间分布在线性和有针对性和连续的社区中是碎片化和随意的。

讨论

这里提出的情景反映了新罕布什尔州的四个主要驱动力:人口增长、分区、保护和农业在该州的作用。其结果是一个具有快速分散开发的场景(Backyard)、一套紧凑增长场景(Community)和一个中间场景(Linear)。在“后院”的情景中，到2100年，新罕布什尔州的东南部和中部几乎全部建成，如果最近的趋势继续下去，该州可能会变成什么样子，这是一个较高的估计(见新罕布什尔州渔业和狩猎2005年的短期预测，斯坦等人，2009年，2010年)。不透水覆盖面积增加，到2100年，新罕布什尔州南部的15个新的HUC10流域(美国农业部- nrcs等，2015年)进入“受影响”类别(Arnold和Gibbons, 1996年)。相比之下，共同体情景家族所呈现的未来，保留了当前所有未开发的土地，与新罕布什尔州气候变化政策工作组(2009)制定的目标一致，并反映了2013年调查(Keirns等人，2013)和主要线人采访中收集的信息。beplay竞技社区家庭中的荒地和粮食情景为该州的农村土地使用呈现了两种截然不同的未来:一种类似于现在;另一种是景观转变，以支持该地区的大部分粮食需求，导致适合农业的地区(即新罕布什尔州中部、沿海平原和康涅狄格河谷沿岸)的农田急剧扩张，未来在某些方面类似于19世纪中后期的土地覆盖。在小型社区情景中，人口或不透水覆盖面积变化不大，而在大型社区情景中，许多东南部和中部人口中心高密度人口不断增长，而农村空间受到保护。小型社区的场景与大型社区的场景相似，但没有显著的人口增长，从现在开始几乎不需要改变市政基础设施。

我们的建模优先考虑的是生成能够与新罕布什尔州利益相关者产生共鸣的地图。为了实现这一点，我们使用迭代的SAS方法来基于不同的本地信息源开发和校准定制模型(表2)。纳入场景的关键知识包括当代分区的细节(C. Mitchell等人，未出版的手稿)，现有的保护计划(自然保护协会新罕布什尔州分会，未发表的数据;新罕布什尔州森林保护协会，未发表的数据)，新罕布什尔州气候行动计划(新罕布什尔州气候变化政策工作组2009年)，以及该州未来农业用地面积的规范性愿景(beplay竞技Donahue等人，2014年)。对于两种情况，我们还使用了来自州能源和规划办公室的人口预测(新罕布什尔州地区规划委员会2014年)。由于该预测表明未来人口将较低，而一些利益相关方预计未来人口将较多，因此我们还使用了美国环境保护署《气候与土地利用综合情景》(EPA ICLUS)报告中的国家预测(Bierwagen et al. 2010)。最终的结果是一套六种不同的本地场景，以不同的方式与不同的当地利益相关者相关。

基于长期以来的建议，我们努力限制场景的数量，即场景开发应该限制在三到四个场景(Schwartz 1991, Peterson et al. 2003)。然而，涉众之间利益的多样性促使我们将Community场景扩展为一系列场景，以更好地匹配不同涉众的利益。尽管如此，我们还是建议这些场景的用户确定两到四个与他们的目的最相关的场景。例如，对人口和人口密度的相对重要性感兴趣的研究人员和规划者可能关注后院、大型社区-荒地和小型社区-荒地情景，而粮食系统专业人员可能关注新罕布什尔州在后院、大型社区-食物和大型社区-荒地情景中养活不断增长的人口的能力。

在我们的方法中，一个重要的方法学决策是将我们的模型的范围绑定到由涉众确定的特定驱动变量，而不是尝试开发系统所有方面的集成模型。因此，后院的模型明确地包括分区和人口，但我们没有模拟将驱动人口或发展的空间分布的经济机制。同样，对于粮食情景，我们建立了一个与Donahue等人(2014)一致的简单轨迹模型，因为我们的情景关注新罕布什尔州，而不是整个地区，所以我们没有假设两个人口变量之间的地区需求必然不同。我们结合了统计模型、外推、专家知识、规范视野和分区数据来模拟每个场景，但没有试图用单一模型预测场景差异。例如，我们的方法不同于计量经济模型，计量经济模型基于当前市场知识评估具体政策决策对土地覆盖变化的潜在后果(例如，Radeloff等人，2012)，贝叶斯信念网络依赖于专家利益相关者描述驱动变量之间相互关系的能力(McCloskey等人，2011年，Meyer等人，2014年)b， Carpenter et al. 2015)。尽管与其他方法相比，得到的模型不太适合于驱动治理和土地使用选择的因素的相互依赖性的机械分析，但我们相信，我们的模型满足了我们的主要目标，即开发与涉众直觉一致的不同场景。与其他情景集(例如，Bierwagen et al. 2010)相比，这些情景还代表了人口分布方面的特殊分歧。

部分是为了保持我们模型的简单性，部分是由于可用于小规模情景研究的资源有限，我们在一些地方借鉴了用于开发代表性浓度路径的方法，这些方法是当前气候建模情景的基础，描述了排放变化的轨迹，但没有对产生每个路径的机制建模(Moss et al. 2008, 2010)。值得注意的是，我们对高(Bierwagen et al. 2010)和低(New Hampshire Regional Planning理事会2014)人口情景使用了公开的预测，但我们认为变化的幅度比潜在的人口变量如年龄结构、生育率或移民更重要。例如，尽管EPA ICLUS A2的人口预测假设了高生育率和高国内移民，但我们的后院和大社区情景对其他机制产生的高人口未来也同样有用。例如，如果国内人口随着气候变化而改变，这种增长可能会产生。在大多数气候变化情景下，预计新英格兰地区的降水将略有增加(Hayhoe et al. 2007, Melillo et al. 2014)，而人们普遍认为美国beplay竞技西南部最近的干旱将继续(Walsh et al. 2014)。在未来的几十年里，即使是一小部分美国居民从干旱地区迁移到湿润地区，也可能导致该州人口的急剧增加。

经验教训

我们在场景开发方面的经验说明了在资源有限的情况下进行小规模场景开发的挑战。我们的跨学科团队混合了自然科学家和社会科学家，但不包括在场景开发方面已有专业知识的研究人员，或拥有统计和参与工具的专业知识的研究人员，这些知识可能有助于将利益相关者的观点系统化地转化为内部一致的模型(Mallampalli等人，2016年)。例如，使用模糊认知映射或贝叶斯网络可以更直接地将利益相关者的视角转换为定量场景(Mallampalli et al. 2016)。如果在团队中加入更多的学科，我们的项目可能会得到加强，比如可以提供更多定制人口预测的人口统计学家，或者具有土地估值、供应链和分销网络知识的经济学家。此外，尽管我们努力让来自国家各个部门的利益相关者参与进来，但我们对滚雪球抽样的依赖可能会引入选择或看门人偏见(Bonevski等人，2014年)，使我们无法听到在我们的专业网络中没有代表的重要群体的观点。例如，在设想中有一个明确的改进领域，就是在粮食设想中对耕地面积增加的时间和空间分布进行更复杂的建模，如果更多地让专家参与粮食生产或分配，或者在小组中加入一名经济学家，可能会加强这方面的工作。

如果我们使用更系统的方法从关键的线人采访中收集数据，包括记录、转录和对回应的定量分析，我们的过程的透明度也会得到提高。因此，不可能进一步深入调查访谈，以确定数据和不同信息提供者之间的模式，这可能有助于预测是否可能存在与不同未来相关的可识别的触发因素。最后，我们的时间线不允许我们采访的涉众迭代参与，邀请他们批评我们的初步场景，这是经典SAS方法中推荐的(Alcamo et al. 2006)。这种方法可以为不同的人口分布和伴随的经济、政府监管和文化变化的叙述提供显著的细化。

总的来说，我们的场景开发过程强烈地集中在研究团队的决策和直觉上，并优先考虑与作者有密切工作关系的涉众的观点。虽然这可以加强研究人员和学术界以外的特定技术专家之间的合作(Pulver和VanDeveer 2009)，但对这种方法的明显批评是它引入了偏见，放大了一些利益相关者的声音。另一方面，使用需要涉众最少投入的参与方法可能增加了所包含观点的广度，并且依赖现有的协作关系可能使我们能够包括更多具体的细节，而不是如果我们坚持对涉众进行更多的统计表示的话。

未来的发展方向

除了在将土地覆盖情景与高排放和低排放气候情景相结合的生态系统建模工作中使用这些情景外(Samal等，2017年)，以及对想象的未来在塑造生态系统服务价值方面的作用的调查(Borsuk等，未出版的手稿)，它们也为城市规划者之间的对话提供了信息。基于2016年的利益攸关方研讨会，生成了高分辨率地图，以激发进一步的讨论(http://ddc-landcover.sr.unh.edu/)．未来的研究将以这些项目为基础，进一步评估气候和土地覆盖变化对生态系统服务的动态影响。改进这些设想的一个重要领域将是土地使用和土地管理，特别是农业和管理森林的明确空间模型。

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