Observation of Natural Resources

Land system science under the goal of food security: Progress and implications

  • LIANG Ya-jia ,
  • CHEN Kun-qiu
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  • School of Public Administration, Hunan University, Changsha 410082, China

Received date: 2024-08-26

  Revised date: 2025-01-20

  Online published: 2025-06-20

Abstract

Land system science is dedicated to addressing complex socio-economic and ecological challenges and developing sustainable land use solutions. Food inherently serves as a critical link between human societal systems and natural systems. Ensuring food security is not only a key component of the United Nations Sustainable Development Goals but also a crucial task for China's agricultural production transformation and people's livelihoods improvement. This study systematically analyzes the research topics and key advancements in land system science related to food security goals. The findings reveal that, due to the land's position at the intersection of multiple interests associated with sustainable social development, the non-linear transformations and complex feedback mechanisms within land systems endow land system science with four prominent characteristics: interdisciplinarity, systematicity, sustainability, and complexity. In the realm of food security, land system science has achieved notable successes, encompassing five core research areas: land use strategies, land use transitions, land use telecoupling mechanisms, land use demand modelling, and the optimization of land management systems. These studies present the transformative trend towards emphasizing the significance of cross-spatiotemporal spillover effects, adopting systematic and holistic perspectives, and underscoring the sustainable development goals. Future research should be grounded in the logical foundation of food "flow spaces" and the food value chain, employing systems thinking to develop sustainable land use solutions and strengthen land system science in the areas of integrated research on multi-element coupling and interdisciplinary theoretical innovations, so as to contribute to the realization of food security goals.

Cite this article

LIANG Ya-jia , CHEN Kun-qiu . Land system science under the goal of food security: Progress and implications[J]. JOURNAL OF NATURAL RESOURCES, 2025 , 40(7) : 1743 -1758 . DOI: 10.31497/zrzyxb.20250702

进入“人类世”时代,土地作为人类与环境剧烈交互作用过程的作用对象与空间载体,起到至关重要的作用。土地系统参与社会经济发展全过程,社会经济发展中的种种问题也可以通过调控土地系统运行予以解决[1,2]。土地系统也即人类—环境陆地系统,具有内部要素多元化、利用过程多样性,与社会、经济、生态系统交互关系复杂性等特征[3]。可见,土地系统是一个巨系统,单一学科难以穷尽其运行机理与多维效应。因而,土地系统科学研究致力于形成整体性方案与框架合力解决复杂社会—经济—生态问题。
食物安全是确保人类社会可持续发展的物质基础,也是国家长治久安的先决条件。作为生态系统产品,食物本就是耦合人类社会系统和自然系统的重要载体。联合国可持续发展目标“零饥饿:消除饥饿、实现食物安全、改善营养状况和促进可持续农业”(SDG 2)也与土地系统科学紧密联系。具体表现在:食物产需矛盾引致土地资源配置和土地利用方式优化,食物运输、加工和销售等环节激发跨区域的人地关系革新,具备物质循环、能量流动和信息传递特征的食物体系驱使人类社会与自然生态系统深化协调。而随着社会经济发展水平和国民福祉取得长足进步,食物安全目标在营养健康、文化可接受等方面的人本需求更是驱动着人类—环境系统的深度耦合。
鉴于此,本文首先总结土地系统科学和食物安全的内涵与特征,阐述土地系统科学研究与食物安全目标的互馈机理。进一步从食物安全的供应、获取、利用和稳定性四个维度分别梳理土地系统科学在土地利用策略与土地利用转型、土地利用远程耦合机制、土地利用需求预测和土地管理体系优化五个方面的主要研究进展。最后,总结当前土地系统科学研究的主要特征,并基于食物安全目标阐述了主要的研究扩展方向,以期以食物安全目标为抓手,从系统视角探索解决当前面临的复杂社会生态耦合问题和开发可持续发展的土地利用方案,促进土地系统科学研究的深化。

1 土地系统科学与食物安全

1.1 土地系统科学

土地系统作为地球系统的陆地组成部分,包括人类利用土地的所有过程和活动,以及从土地获得的社会、经济和生态结果[4,5]。土地系统科学作为一个耦合的人类环境系统,致力于监测土地变化,解释驱动因素和反馈机制,理解发生于土地上的人类—环境相互作用,以解决与环境和社会问题相关的理论、概念、模型和应用,包括两者的交叉点[6]。土地系统科学起源于“土地利用和土地覆盖变化”(Land Use and Land Cover Change,LUCC)项目,土地变化科学对土地变化的驱动因素和影响等多维视角的关注为土地系统科学的发展奠定了重要基础。随着“全球变化与陆地生态系统”(Global Change and Terrestrial Ecosystems,GCTE)项目、“全球土地计划”(Global Land Programme,GLP)等研究活动的开展,推动了土地系统科学的综合研究方法的发展,组建了土地系统科学的研究团体,土地系统科学发展日益深化。未来地球(Future earth)计划是为应对全球环境变化挑战提出的为期十年的国际倡议,旨在提供增强全球可持续性发展能力的理论知识、研究手段和方法[7]。在未来地球计划的影响下,土地系统科学从局部研究开始向整体系统研究的转变,土地系统科学也由此从侧重理解和诊断土地系统变化转向基于这些理解和认知提供实现可持续的土地利用解决方案的重要阶段[8,9]
土地系统科学研究呈现四大特征:跨学科性、系统性、可持续性与复杂性。一方面,为应对全球性、系统性的重大挑战,弥合自然与社会的鸿沟,跨学科性根植于土地系统科学基因,是土地系统科学的研究手段和方法。首先,土地系统科学融合生态学、地理学、社会学、经济学、环境科学等多个学科,研究内容涵盖从决策者到地块的多维特征、适应性行为、相互作用与反馈机制,以及世界各区域之间、城乡腹地之间的遥相关或远程联系等[10,11]。其次,土地系统科学基于人与自然耦合系统的视角来分析和理解土地,即人类系统、陆地生物圈、大气和其他地球系统之间不断变化的相互作用最终都能被理解为人类对土地的利用[12]。因此,系统性是土地系统科学的研究思路和逻辑基础。由于土地位于社会可持续发展需求的各种利益和要求的交汇点,非线性转变和复杂的反馈机制要求土地系统科学必须在多个尺度上平衡复杂的权衡和协同作用。
另一方面,可持续性科学是土地系统科学的发展源泉,而土地系统是可持续性转型的场所,因而,可持续发展是土地系统科学的研究目标和意义。可持续性要求土地系统科学研究始终建立在横跨过去、现在和未来的时间尺度上,不仅需要基于历史数据和经验的分析洞察人类与环境相互作用的过程和机制,还需深化当前对土地系统的理解确保未来土地系统的可持续发展[6]。然而,正因为可持续性要求土地系统科学在积极干预社会生态转型的过程方面发挥重要作用,其复杂性成为研究的重点和难点[13,14]。土地系统具有多时点、多尺度、多要素、多主体、多机制的复杂性和综合性,且与所处的经济、文化和人口的发展阶段紧密相关。因此,人类活动的能动性与多样性、自然过程、社会经济和文化动态、技术和治理系统之间存在多种相互作用,由复杂的跨尺度互动所衍生的不确定性,构成了土地系统科学面临的主要挑战。
跨学科性通过融合不同学科的概念、理论和方法,为促进系统性的研究思路提供了研究手段和工具。同样,系统综合的研究框架也有助于实现不同学科间的有机融合,促进理论的创新发展、综合模型的开发和研究范式的革新。基于土地系统复杂性、动态性和综合性的认知,为有效应对不确定性和全面实现可持续发展提供了可行的分析框架,促使土地系统科学深入探究多因素作用、多区域耦合、多时点影响和跨尺度互动等复杂机制,积极参与开发可持续发展的土地利用方案。可持续发展的问题导向能够明确土地系统科学的关键科学问题,为跨学科的理论融合和方法创新、系统性研究框架的构建和完善提供强劲发展动力;而不确定性因素的应对和解决也有助于实现土地系统的流畅运行,推动和提升土地系统科学的跨学科融合程度和系统研究能力,进而完善健全土地系统科学的认识论、方法论和话语体系(图1)。
图1 土地系统科学特征分析

Fig. 1 Characteristics of land system science

1.2 食物安全

食物安全(Food Security)被广泛认可和应用的定义当属世界粮食峰会于1996年提出的,具体指“食物安全是指在个体、家庭、国家、区域和全球尺度上,所有人在任何时候都能够在实物和经济上获得充足、安全和富有营养且满足他们膳食需要和食物偏好的食物,以保证其积极和健康的生活。”包括以下要素[15]:(1)四个维度,食物供应(Availability)、食物获取(Access)、食物利用(Utilization)和稳定性(Stability);(2)四个组分,数量、质量、安全、文化可接受和符合偏好;(3)若干尺度,包括全球、国家、区域、家庭和个人等。其中,食物供应维度聚焦区域及以上尺度的食物的供应和生产问题,而食物获取维度关注微观尺度下食物运输、购买和保障问题,食物利用维度则进一步关注食物消费的安全和饮食偏好等方面,稳定性维度则要求各尺度在前三个维度上具备风险应对能力[16]
由于“Food Security”内涵的动态发展,以及中国社会经济环境的不断变化,中国对于食物安全的认知主要经历了三个阶段:粮食安全、食物保障和食物安全。首先,基于中国居民以粮食作为主要膳食的消费特征和“实现粮食基本自给”的基本方针,“粮食安全”成为当时中国学者引进“Food Security”概念的首选翻译[17]。此后,随着中国粮食自给能力的逐步提高,居民生活水平提高引致的对于其他类别食物如肉、蛋、奶、蔬菜和水果等消费增加,以及社会对微观层面如家庭、个体的食物获取等维度的关注增加[18],“食物保障”一词的应用逐渐增加。当前,“大食物观”俨然成为中国粮食安全战略的重要延伸,其要求食物生产践行“大农业”建设、实现食物安全系统的全链条管理、以满足居民全面充足营养素的“大健康”为目标[19]。大食物观向多重维度扩展和多元目标迈进,与“Food Security”内涵深入衔接,促使“食物安全”成为中国粮食安全概念的主流表述[20,21]

1.3 土地系统科学研究与食物安全目标实现的互馈分析

(1)围绕食物安全目标构建的研究框架有效契合了土地系统科学的主要特征(图2)。首先,在食物供应维度,食物生产是食物安全的核心问题,但实现充足的食物供应则面临着全球气候变化、消费结构转变和土地利用非线性转变等诸多环节的不确定性。其次,在食物获取维度,食物流动是食物安全的重要组成,其在空间尺度上涵盖城乡流动、城市内部配送、地区间运输及跨国贸易等,在模块上包括生产、加工、运输、零售和消费等多个环节,在要素上不仅包括食物本身及其他生产资料、还有因食物流动引致的虚拟水、虚拟土地、生态系统服务等资源的交换和流动。由此,食物流动网络重塑了土地利用及其变化的远程驱动与耦合机制,要求土地系统科学基于多尺度、多区域、多模态的系统思维开发大模型和构建综合研究框架。再者,从食物利用维度,营养安全是食物安全的最终目标[22]。然而在实现过程中,需要基于多学科理论和方法,统筹考虑文化和社会影响、经济发展阶段、饮食习惯和偏好等多重因素,进而重构土地利用的管控体系和管理制度,并着眼于协调和权衡农户、组织和国家等多方利益主体以提高食物价值链效率。最后,稳定性是食物安全的根本要求,需要从改善食物系统的脆弱性、权衡和协同社会、经济和环境效益、实现代际公平等多个维度加以实现,食物安全的稳定性与土地系统科学追求的可持续发展目标具有高度协同性[23]
图2 食物安全目标下土地系统科学研究框架

Fig. 2 Research framework of land system science under the goal of food security

(2)基于食物安全目标解析土地系统科学的优势在于:一是,食物生产是土地系统的基本功能之一,充足的食物供应是人类生存和发展的基石,食物安全目标的实现与土地利用紧密相关。因此,食物安全本就内嵌土地系统科学,如何实现食物供应充足既是食物安全、也是土地系统科学必须解答的一大核心问题。二是,进入“人类世”时代,各类经济活动和发展需求使得土地用途和功能日益丰富,土地利用在各功能中的权衡已成为土地系统科学亟需解决的问题,而食物安全目标为指导、权衡和调解土地利用过程中的实践、冲突和矛盾明确了基本原则和指导思想。三是,全球气候变化推动土地系统科学形成以可持续发展为目标的研究导向。食物系统是全球温室气体的主要来源之一[24],且食物生产活动引致的土地利用及其变化又是食物系统排放温室气体的主导因素[25]。因此,基于食物安全目标的土地系统科学为实现可持续的土地管理提供了重要研究视角,也为促进人类社会可持续发展的提供了优化路径。四是,随着全球化的深入,食物流动的频率、体量和方向日益复杂。同时,食物流动又是联系生产地和消费地、城市与乡村、人类与自然、物质与文化的重要纽带[26],食物安全目标为土地系统科学的复杂系统研究提供了切实可行的抓手。
(3)土地系统科学的成熟深化为实现食物安全目标提供了系统性、多维度的理论和实践支持。一是,人地关系地域系统理论是土地系统科学的核心理论基础。该理论聚焦人地关系在不同社会发展阶段和生产力水平下的动态演变特征、规律和内在机理[27],其中,地域的人口承载力分析是测度人地系统耦合的重要依据。因而,土地系统科学对于人地关系协调的研究导向高度契合了食物安全目标由消除饥饿到追求营养健康膳食结构的重大转变。二是,土地系统科学的系统性思维不仅关注食物供给的产能保障,也关注食物生产和运输对自然生态系统、食物消费和损耗对人类经济社会系统的多维影响评估。在以可持续发展为目标的土地系统运行机制下,有助于建立和稳固多样化、高品质、长期稳定的食物供给体系[28]。三是,土地资源是土地系统科学的核心要素,土地系统科学围绕土地权属关系、利益分配机制、空间开发格局等研究内容,旨在形成分区分类、操作性强的管控方案和治理体系,实现全域土地资源的高效和永续利用。土地系统科学运用多学科研究方法和工具解决多尺度、多时点、多主体的复杂土地利用问题,直接或间接为食物安全目标的实现提供了保障机制,有助于提升食物系统的韧性。

2 食物安全目标下土地系统科学研究进展

2.1 食物充足供应下土地利用策略与土地利用转型研究

全球人口的快速增加和经济迅猛发展,导致食物需求迅速增加,协调农业、工业和城市化的土地利用与保护的挑战越来越严峻。土地资源短缺问题成为人类社会发展的重要掣肘。如何有效提升土地利用效率和复合多功能性已然成为土地系统科学的重要研究议题。针对景观和生态尺度上的食物生产与生物多样性双重目标的权衡问题,学者们基于土地资源的稀缺性构建了一个有影响力的概念框架[29]:土地共享(Land Sharing)和土地节约(Land Sparing),有关两种土地利用策略的辩论为土地系统科学的发展作出了重大贡献。土地共享是指将生物多样性和农业高产目标整合到同一块土地上,即通过生态农业实现可持续的农业生产活动和生态环境;而土地节约是指将用于农作物的土地与生态保护为主的自然栖息地进行空间隔离,通过在部分土地上实现高产、集约农业,进而减少农业扩张的需求以维持一定范围内的生态安全[30]
关于两类土地利用策略的有效性检验均产生了丰富的实证研究成果。支持土地共享战略的研究认为土地节约策略通过高强度的农用化学物质、机械投入导致多样化作物向单一栽培转变[31],由此形成的农业系统简化造成了生物多样性和生态系统功能丧失、土地系统韧性降低等一系列生态问题。而土地共享策略有利于维持人与自然的双向联系,并促进生态系统与社会制度耦合的积极转型[32]。也有部分研究质疑了土地节约策略的假设,研究发现农业的高生产率也并不伴随土地退耕,如在1970—2005年间,农业产量和耕地面积同时增加仍然是全球最常见的模式[33]。此外,对身处小农主导的发展中国家的农户而言,土地节约策略并不有效的原因还在于小农户在建设高投入的大型农场上本就面临极大挑战[34],且基于生态农业提高产量的方法对于维持贫穷农户的生计来说比增加农用化学品投入更为可行[35]。相反,支持土地节约策略的研究则验证了农业集约化在提高食物产量方面具有显著作用,同时,土地节约比土地分享策略在保持自然栖息地的系统发育多样性的优势也更为明显[36]。且诸如原始森林等生态景观在生物多样性上的不可替代性[37],因此更加需要节约集约农业用地以减少对生态用地的影响和占用。可见,基于多维视角的实证检验与理论分析,两类策略并非非此即彼的对立关系[30,38],平衡农业生产和生态保护的最有效的方案还取决于诸多社会经济属性,很难存在适用于所有生态系统的单一策略。有关如何细化研究框架并将社会制度、文化背景等要素纳入考虑也有待深入研究[39]
土地利用转型是指一段时期内区域土地利用形态变化的过程,这种转变与经济和社会发展阶段密切相关,发生在自然系统—经济系统—管理系统三重框架中[40]。土地利用形态是土地利用转型研究的核心内容,土地利用转型强调土地利用形态变化是一非线性过程,具有显性形态和隐性形态两种形式[41]。有关食物安全的土地利用转型研究多集中在耕地利用转型,围绕食物生产用地的时空格局及其演变过程、食物生产能力的变化、成因和机理解析、耕地利用转型的环境效应等内容开展了多重时空尺度研究[42-44]。相比调控耕地利用显性形态如数量和空间结构,改善耕地质量、提升利用效率、优化土地经营模式等隐性形态的调整是实现食物安全更为关键的因素[45]。当前,由于城市化进程正推动着城乡发展格局重构和食物安全战略演化,使得土地利用转型研究需要更精细的评估体系以及考虑更大范围和系统的动态耦合。因此,部分研究对耕地和其他地类如宅基地利用转型的空间耦合[46]、土地利用转型与乡村发展转型的耦合协调[47]等开展了初步探讨,强调了耕地利用转型应与乡村转型重构、城乡转型发展耦合互动,以优化耕地利用形态为抓手激发乡村发展活力和搭建城乡联动桥梁。后续需要深入有关耕地利用隐性形态的定量识别、耕地利用转型对社会、气候和生态变化的多重响应、社会经济环境多重耦合情景下的土地利用转型的优化调控等研究。

2.2 食物获取畅通下的土地利用远程耦合机制研究

全球化使得世界各地的信息交换、人口流动、商品贸易等物质和非物质流动日益频繁,这意味着与之相关的土地利用变化结果和过程具有跨越时空的多重动因和多重影响。因此,远程耦合既是土地系统科学的分析工具,又是重要研究内容。远程耦合框架能够帮助认识土地利用变化的远程驱动因素,以及土地利用系统在不同尺度下、遥远地区间因果关系的时空复杂性和相互关联性[48]。在远程耦合框架下,现有研究集中探讨了土地利用的四种效应机制[10]:位移(Displacement)、反弹(Rebound)、级联(Cascade)和汇款(Remittance)效应,其中,针对土地利用位移效应的讨论最为热烈,而这正是由食物的全球化贸易推动的[49]。主要的研究结论有两点:一是,农产品的收益变化驱动着近远程的森林转型。例如,基于田野调查和案例分析,研究发现大豆的高收益引致了巴西农业生产用地急速扩张,不仅造成了森林锐减,还对土地市场产生重大影响[50],同样的研究结论在哥斯达黎加的牧场扩张中也得到了证实[51]。二是,食物生产地和消费地的远程连接还加剧了发展的不均衡性。基于多区域投入产出模型,研究发现美国约40%的耕地利用发生在其他国家的土地资源上[52],且大规模的土地利用位移与营养不良之间存在显著的负相关关系[53]。基于此,社会和学界就全球土地掠夺(Global Land Grab)这一行为对被掠夺地的资源环境、经济发展、居民福祉等多维效应开展了广泛讨论。一方面,已有研究发现跨国土地掠夺能够提高农产品产量和外汇收入从而有助于当地经济发展;但另一方面,逐步显现的政治、社会矛盾又表明存在实际或潜在的权力剥夺和失衡,如由于大规模出口关键膳食营养素威胁当地食物与营养安全,由小农生产转变为规模经营的生产模式进一步边缘化贫困农户等[54-57]
在中微观尺度,食物流动同样也在城市化的影响下驱动着区域土地利用变化。在微观层面,城乡关系的动态演变使得中国的食物系统正处于从在地化向去地化、再地化的转型过程[58,59]。基于城乡关系和食物流动特征,如何有效保障土地要素供给、协调用地关系和调控农地利用转型是微观尺度的重要研究内容[26]。在中观层面,跨区域的食物流动存在的食物流通里程延长、食物风味差异引发了人们对生态环境、当地食物(Local Food)的广泛关注[60]。食物域(Foodshed)是指在食物供给能力方面,具有内部依赖性的自给自足区域[61]。已有研究综合考虑食物消费需求、食物生产潜力、食物运输里程等关键模块构建了综合模型,研究结果表明食物域的测算与边界设定、距离选择、食物营养健康标准(生理和心理)等因素密切相关[61-63]。尽管食物域分析被认为是区域政策和规划制定的潜在有力工具[63],但仍存在诸多争议未妥善解决。例如,最小化生产地和消费地的距离是现有食物域测算模型设定的主要目标之一,然而对这一目标的合理性和有效性仍然存在质疑[64];行政边界是当前食物域边界设定的主要依据[65],但有关文化、社会因素在边界选择上是否需要纳入考量,以及食物域优化涉及的农业生产、商业供应、饮食文化等多维转型如何在政策规划中有效落实,上述问题仍需要跨学科的合作和探讨。

2.3 食物利用营养健康下的土地利用需求预测研究

全球气候变化极大地影响了农作物的生产条件和能力,经济快速发展使得膳食结构发生重大转型,加之人口增长引致的食物需求压力与日俱增,土地利用需求预测由此成为当前土地系统科学的前沿问题。基于学科和研究方法的异质性,Heistermann等[66]将当前土地利用需求预测模型划分为如下三类:关注局部特征和空间相互作用以实现将外生区域的食物需求分配到合适位置的地理模型,基于土地密集型产品供求关系分配土地的经济土地利用模型,以及统筹量化土地密集型产品供需关系和土地资源配置的综合模型。食物安全目标下的土地利用需求预测模型需要将相关的生物物理和社会经济变量在一个统一连贯的框架内联系起来,以对气候变化、社会经济前景变化、技术方法变革等多情景下的土地需求进行评估和预测。其中,影响因素选择和情景设定是模型开发十分关键的两个部分。
在影响因素上,水资源供给、能源需求和气候变化是最受关注的因素。水—能源—食物纽带关系(WEF Nexus)表明水和能源是食物生产的关键投入,但同时食物也能提供生物质能作用于水和能源的生产和开采。因此,基于整体观点的系统反馈机制和系统动态的综合影响是食物安全目标下土地系统运行的重要逻辑,系统动力学建模方法也因此在土地利用需求预测模型中得到广泛应用[67,68]。气候是影响土壤的生物物理属性和作物生长的决定性因素,有关量化气候影响作物生长的研究问题在早期作物建模研究中已有了丰富成果。而随着全球气候风险加剧和研究尺度的扩大,模型从关注作物的生物物理结果也扩展为实现作物产能、农户生计、资源利用效率和环境管理等多目标之间的发展协同[69]。在情景设定上,在大型国际组织、机构和项目的推动下,综合情景因其因子的多重互动性和场景的多元变化性成为土地利用需求预测模型的主流选择[70,71]。但不同情景的侧重不同,如共享社会经济路径(Shared Socioeconomic Pathways,SSPs)情景框架综合考虑了人口增长、经济发展、技术进步和全球化等因素[72],而排放情景特别报告(Special Report on Emission Scenarios,SRES)则从人口、经济和政治结构的演变方式综合预测未来生产力[73]。当前,由于人类对营养和可持续饮食的认知不断加深,考虑不同饮食模式[74]与食物损耗场景[75]也逐渐融入土地利用需求预测模型中。但期间复杂的贸易活动、长时间尺度下社会经济数据的可用性和质量等经济参数的限制使得模型预测结果较为粗糙[76]
模型驱使人们厘清土地系统的复杂过程,分析和量化多重互动关系,并将不同的组分组合成一个一致的整体[13]。因此,模型构建的过程即为检验、修正和创新土地系统科学相关理论的过程。具体来看,基于食物安全目标的土地利用需求预测模型在如下三个方面具有重要意义。一是,促进土地系统的重要概念演变,扩展和深化研究对象。一个重要进展为土地系统边界从陆地地表土地覆被扩充为包含生物圈、海洋、平流层、大气层等九个维度的行星边界(Planetary Boundary)。这是因为食物系统作为当前地球轨迹的主要驱动力,磷、氮循环下农业生产活动不仅影响土壤质地和覆被变化,也对生物圈的完整性和地表和大气之间的物质、能量交换等产生显著影响[77]。二是,模型构建驱使研究厘清土地系统的复杂运行机制,充分认识人类能动的多样性。通过比较多情景下的预测结果有助于了解特定结果背后的内在逻辑,约束条件的设定也反映了研究人员对未来的态度和看法。因而,从研究方法来看,模型研究强调了深度比较模型参数的必要性[78];于研究意义而言,为公共政策的设计和实施提供了先验分析。三是,模型预测结果与现实的对比有助于加深对复杂性和不确定性的理解。任何模型构建都建立在对理解已有变化过程的基础上,预测结果既能揭示更广泛的可能的未来,基于现实的比较又能开展不确定性的来源和机制分析,为提升模型的有效性指明优化路径。

2.4 稳定保障食物安全下的土地管理体系优化研究

食物稳定可持续供给视角下,土地管理体系如何有效适配不断变化的社会经济阶段是土地系统科学的重点研究内容。土地系统作为人类社会系统与生态环境系统的相互耦合的关键节点,保障稳定实现食物安全的土地管理体系优化研究一直是学界关注的热点问题,具体可以分为土地产权制度改革、土地利用政策优化和土地管理体制完善三个方面。
土地产权制度是影响土地生产力的根本因素,因此成为许多国家制度改革的优先议程。土地产权的明确和长效保障是稳定实现食物安全的前提,而土地权利在集体和个人之间[79]、不同性别之间[80]、不同区域之间[81]的优化配置是当前土地产权改革的重点。土地利用政策评估是实现政策资源的有效配置,是减少政策执行偏差与指导政策调整和优化的重要依据。围绕中国主要的土地利用政策如“耕地红线”划定、耕地占补平衡、土地承包权退出等,研究人员对政策的演进历程、实施效果和效力及执行力等多个方面展开了研究[82,83],研究方法包括定性分析、基于政策文本的内容分析法、S-CAD方法、PMC指数模型以及计量模型和反事实框架等实证检验。聚焦耕地用途管制,研究认为需要基于“同质等效—流补平衡”的管制框架,从规划管控、供需匹配、利益分配等方面降低政策执行偏移风险,防止耕地非农化和非粮化[84,85]。土地管理体制变革是适应经济社会发展阶段性转变的必然要求,也是促进生产关系适应生产力发展,优化国家、人民与土地关系的重要途径。当前,中国土地制度已经处于由中央政府强制性制度变迁为主导向诱致性过渡的进程中[86]。基于博弈论,众多学者对中央和地方政府之间的利益博弈[87]、地方政府和失地农民的博弈[88]、耕地保护过程中的多层博弈关系[89]以及乡村土地管理异化[90]等开展了相关研究。研究认为亟待建立数量、质量和生态“三位一体”的耕地保护制度,完善土地垂直管理制度和横向利益补偿机制,科学界定“非粮化”以引导耕地“大食物化”利用和保护农户生产积极性,共同塑造全社会有效保护耕地的激励约束环境[91,92]
然而,仍有部分问题有待探讨和分析。一方面,政策评估本身是一个复杂的命题[93]。政策效果受多种因素的共同影响,政策及其效果之间不一定是直接的对应关系。效果既是一种客观存在也是一种主观判断,例如,政策成功与失败如何定义?政策评估结果是否存在时间和空间维度的差异?政策评估方法与模式的适用性、量化性、科学性和合理性如何实现?可见,需要进一步融合土地系统科学的系统性视角,从认识论、方法论等进一步完善土地政策评估,以提高公共政策的有效性,更好地服务土地系统的流畅运行。另一方面,如何统筹多种政策工具以有效实现农民增收与产量增长的双赢是稳定保障食物安全的重要目标[94],但建设多主体协同的土地管理体制仍然有待深入。需要基于土地系统科学的跨学科性质,厘清不同参与主体间的利益结构网络,揭示潜藏的复杂利益关系和利益问题,发展和完善公共选择机制,在土地利用与开发过程中涉及的多元利益需求中寻求均衡,保障多元利益和谐并存和共同发展。
综上,食物安全目标下土地系统科学研究取得了丰富成果。其中,地理学、生态学、经济学、社会学、管理学等学科为土地系统科学提供了丰富的研究方法,“3S”技术结合大数据、云计算和人工智能等新兴技术是土地系统科学的基础研究工具,各研究内容运用的主要研究方法和技术手段及其主要研究目标总结如下(表1):
表1 主要研究方法、技术手段和目标

Table 1 Main research methods, tools and objectives

研究议题 研究方法 研究技术手段[48,95-97] 研究目标
食物充足供应下土地利用策略与土地利用转型研究 定量评价
空间分析
数据空间重构技术
GIS空间分析技术
完善土地系统与食物、农业、生态、社会、经济系统的耦合框架
食物获取畅通下的土地利用远程耦合机制研究 网络分析
数学建模
远程耦合工具箱
Telecoupling GeoApp
厘清土地利用的遥相关作用机理与尺度效应
食物利用营养健康下的土地利用需求预测研究 情景分析
模型模拟
综合集成动态模拟技术
人机交互决策支持平台
剖析土地系统多要素、多主体、多尺度的复杂运行机制
稳定保障食物安全下的土地管理体系优化研究 定性分析
计量模型
人文实证调查
计量模型建模软件
设计全域土地可持续利用解决方案

3 结论与展望

总的来看,基于食物安全视角可以窥见土地系统科学研究正发生如下三个方面的转变(图3)。首先,土地系统科学从地域视角转向基于流动的观点。各类发展要素的跨区域流动愈发频繁,土地系统的变化越来越受到远距离驱动因素的影响。远程影响使预测土地系统变化的具体轨迹变得更加复杂,跨空间和时间尺度的溢出效应需要引起重视[98]。其次,土地系统科学解决可持续发展问题的目标导向凸显。土地系统是可持续性转型的场所,土地系统科学正逐渐从人类—环境系统的发展研究演变为可持续发展研究。基于此,土地系统科学需要加强跨学科的交流合作,通过与利益相关者的深入接触,推动土地系统科学在更积极地干预社会生态转型的过程方面发挥建设性作用。再者,土地系统科学呼吁以系统性和整体性视角构建理论和模型。当前土地系统科学的部分研究问题仍依赖定性方法解决,其原因在于研究土地系统变化的社会科学方法研究人员,与专注于再现土地覆被变化的区域尺度模式的建模者之间存在脱节[13]。因此,系统性的研究视角为土地系统科学提供了跨学科和变革性合作的机会,也有助于形成综合性的可持续性解决方案。
图3 食物安全目标下土地系统科学研究进展与展望

Fig. 3 Research progress and prospects of land system science under the goal of food security

食物安全目标有助于促进土地系统科学深入发展,当前相关研究在促进理论发展如土地利用转型与土地利用远程耦合研究框架、推动研究范式革新如系统科学范式的应用上具有重要启示意义,也为后续研究指明了主要的拓展方向。其一,提升研究的整体性和系统性。在当前生态环境和社会经济都快速转变的背景下,需要进一步开展多要素耦合的综合集成研究。以食品价值链为逻辑基础,关注各子系统相互作用的复杂响应和互馈效应,既把握土地开发利用和保护过程中的自然演替规律,又着眼于土地产权、土地政策、机制法制等内容,统筹运用整体化、综合化、系统化研究思路解决土地系统变化和可持续发展问题。其二,加强理论研究,推动理论创新。由于土地系统科学面向国家发展的重大现实需求,对土地系统科学应用性的过度重视导致了对数理模型建模和评价的集中关注,却忽视了数理模型所要追求与反映的理论、思想和知识。未来研究需要更进一步发展综合性和交叉性的理论方法,基于食物“流空间”视角,引入新的结构建模思想,从社会和地理空间、人与土地的多重联系等方面完备土地系统科学的理论体系。其三,有待形成综合系统集成方法论应对土地系统复杂性。土地系统是复杂的巨系统,人类活动的能动性在引导土地系统演化方面具有重要影响。基于食物安全的多维内涵,土地系统科学的研究内容和研究过程也表现为更大范围的协同整合和学科交叉。因此,需要高度重视自然科学与社会科学的沟通合作,特别是加强与以经济学、社会学等学科的融合,实现“社会—经济—生态”系统的整合。
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