全球农田扩张模型的农业边界识别 | Cell Press青促会述评

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地球科学

Earth science

作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。

第二十八期专栏文章，由中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员、中国科学院青年创新促进会会员 祝惠，中国科学院沈阳应用与生态研究所研究员、中国科学院青年创新促进会会员 薛冰，就One Earth中的论文发表述评。

近日，Cell Press旗下期刊One Earth在线发表了英国南安普敦大学Felix Eigenbrod教授团队题为“Identifying agricultural frontiers for modelling global cropland expansion” 的研究论文。研究团队聚焦全球农田扩张模型的预测精度问题，首次进行了农田扩张预测变量在全球尺度上的一致性检验，探讨了基于偏差分析的农田扩张模型预测中边界地带的时空认知方法，并证明 “边界性”可以用来改进近期农田扩张的全球模型。本研究对于改善全球土地利用变化模型预测精度具有重要意义。

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“边界”是贯穿科学、工程与哲学社会科学的关键语义之一。无论是“和而不同”所隐含的价值秩序，还是“不越雷池”的成语典故，抑或是孙悟空给唐僧画的那个圈儿，说的都是关于“边界”的事。事物所隐含的“独立性”或者“相对性”特征，往往需要通过能够反映“分离性”或者“断裂性”含义的“边界”来体现。因此，如何精准识别“边界”并充分运用好“边界”所表征的独特概念，既是社会秩序得以在人性多样化前提下健康运行的基础，也是最大化地精准识别事物特性的通幽之径。在本研究中，也是通过关注“边界”来提高对于全球农田扩张模型的精准认知。

农田是土地利用变化与覆盖的主要议题之一。全球粮食安全的重要性随着新冠疫情的蔓延和2020年诺贝尔和平奖的授予，再度成为举足轻重的议题，而农田则是决定全球粮食安全程度的关键性因素之一。同时，自2000年以来，全球农田范围一直在持续扩张，并成为全球碳排放和生物多样性丧失的主要驱动力。因此，精准预测全球农田扩张趋势，如在哪里发生的扩张以及何时发生的扩张，对于科学制定应对气候变化方案、保护生物多样性以及维持人类“零饥饿”等可持续发展目标具有多重意义。农田扩张预测的关键在于对其前沿边界地带（也就是本研究中所提及的“边界”）的时空认知，例如,不同区域农田扩张预测变量的特征标识及大小在时空上是否具有一致性等，而这也是导致全球模型不确定性的主要原因。

针对上述关键挑战，作者基于1992-2015年的全球高分土地利用变化数据，从两个方面进行破解：首先，使用logistic回归模型比较了全球可用的独立的推测指标对1992年全球农田面积和1992-2015年期间农田扩张的解释程度，这也是首次关于农田扩张预测变量在全球尺度上的一致性检验；其次，作者对1992年农田范围进行了正偏差分析，以期开发近期农田扩张边界（即“边界性”）识别的新方法并测试其效用，其中，正偏差分析主要用以识别结果变量超出期望值（从零模型得出）的位置。

作者发现，现有的全球农田数据与经典的扩张经济学理论整体上相吻合，标准的经济学方法合理解释了1992年的全球农田面积，但未能识别关键的边界区，无法很好解释1992-2015年间的扩张。与零模型中基于经典理论的预测结果相比较，1992年至少有1个标准差或更多耕地（正偏差）的地区出现了不成比例的近期农田扩张（阈值0.5％或10％，如图1所示），且1992-2015年间的扩张非常普遍，达到0.5％的门槛，包括在已经由农业主导的地区（欧洲、美国东部、中国）以及南美、撒哈拉以南非洲和前苏联的边疆地区（如图2所示），相反，极少发生的极端扩张（阈值50％）发生在1992年耕地较少的地区（负偏差），这比经典理论所预计的要大。因此，作者总结认为通过使用1992年农田范围零模型的偏差（也就是“边界”）可以充分提高对于近期扩张现象的预测能力。

▲图1  标准理论对农田范围和扩张的解释程度

▲图2  扩张与边界性的全球重合度

在地学研究视角下，无论是表现为线性的“边界”（如海陆边界、地缘边界），还是表现为面性的“边界”（如城乡边界、农牧边界），长期以来都是充满挑战的研究前沿领域。不管是观微通宏的自下而上，还是观宏察微的自上而下，都需要我们对“边界”予以最大可能地定性精确描述或者定量精准刻画，从而更好地实现对现象的精细认知，进而为更好地了解格局与过程乃至预测模拟提供更好的支撑。除了其重要的科学发现之外，本文关于农田边界的研究，也为我们开展和创新其他“边界”研究提供了很好的思路借鉴及启示。

论文摘要

农田面积的不断扩大是全球碳排放和生物多样性丧失的主要驱动力。然而，预测未来全球农田的合理分布仍然充满挑战。该研究结果表明，整体上，现有的全球农田数据与经典的扩张经济学理论相吻合，能够合理地解释1992年的全球农田范围，但却无法解释近期的扩张（1992-2015）。来自1992年农田范围模型的偏差(“边界性”)可以用来改进近期农田扩张的全球模型，很可能是因为这些偏差代表了边界条件下更低的扩张，而经典的经济扩张理论不太适用。边界性对土地覆盖数据库不敏感，并能有效地改善包括镶嵌型土地覆盖类型以及发生在这些地区的由小农主导的边界扩张的模型。由于边界性方法为改善全球土地利用变化模型提供了直接的途径，因此这项发现具有重要意义。

The increasing expansion of cropland is major driver of global carbon emissions and biodiversity loss. However, predicting plausible future global distributions of croplands remains challenging. Here, we show that, in general, existing global data aligned with classical economic theories of expansion explain the current (1992) global extent of cropland reasonably well, but not recent expansion (1992-2015). Deviations from models of cropland extent in 1992 (‘frontierness’) can be used to improve global models of recent expansion, likely as these deviations are a proxy for cropland expansion under frontier conditions where classical economic theories of expansion are less applicable. Frontierness is insensitive to the land cover dataset used, and is particularly effective in improving models that include mosaic land cover classes and the largely smallholder driven frontier expansion occurring in such areas. Our findings have important implications as the frontierness approach offers a straightforward way to improve global land use change models.

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评述人简介

祝惠

中国科学院东北地理与农业生态研究所

中国科学院青年创新促进会会员

[e-mail]

祝惠，中国科学院东北地理与农业生态研究所研究员，博士生导师。主要从事农业面源污染与生态防治研究。相关成果以第一或通讯作者发表SCI论文40余篇，获吉林省自然科学二等奖2项。2017年入选中国科学院青年创新促进会并担任地球科学分会副会长，2019年入选吉林省拔尖创新人才计划。现为中国科学院湿地生态与环境重点实验室副主任，兼任《Wetlands》副主编、《Chinese Geographical Science》和《湿地科学》编委。

ZHU Hui is a professor in Northeast Institute of Geography and Agroecology, CAS. Her research focuses on agricultural non-point source pollution and its ecological solutions. She has published more than 40 SCI-indexed papers as the first and/or corresponding author. She has also gained the Second Prize of Natural Science Award of Jilin Province twice. She was selected as a member of Youth Innovation Promotion Association (YIPA) of CAS in 2017 and awarded as the Top-notch Innovative Talent in Jilin Province in 2019. She currently serves as the deputy head of Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, CAS, the vice president of Earth Science Branch of YIPA, associate editor for Wetlands, and editorial board member for Chinese Geographical Science, and Wetland Science.

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薛冰

中国科学院沈阳应用生态研究所研究员

中国科学院青年创新促进会会员

[e-mail]

薛冰，中国科学院沈阳应用生态研究所研究员，博士生导师。本科毕业于兰州大学地理学基地班（2003）并于2009年获人文地理学博士学位。主要从事人地耦合系统分析与区域可持续发展方面的研究。先后获得中国地理学会青年科技奖、辽宁省青年科技奖、德国联邦政府教研部“绿色精英”奖、德国洪堡基金（洪堡学者）等。现为沈阳应用生态研究所产业生态组PI、辽宁省环境计算与可持续发展重点实验室主任。

Dr. XUE Bing， graduated from Lanzhou University with a Bachelor degree in 2003, and then received the PhD degree in Human Geography in 2009, and now he is a Professor and PI heading the Research Group for Industrial Ecology & Sustainability at the Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sciences. He also serves as the Director of the Provincial Key Lab for Environmental Computation and Sustainability of Liaoning Province since 2016. His research interests mainly focus on the interactions analysis on coupled human-environmental system and sustainability governance, based on the techniques of urban-rural & environmental computing and trans-and inter-disciplinary approaches.

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相关论文信息

原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊One Earth上，

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中国科学院青年创新促进会（Youth Innovation Promotion Association，Chinese Academy of Sciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。

Youth Innovation Promotion Association (YIPA) was founded in 2011 by the Chinese Academy of Science (CAS). It aims to provide support for excellent young scientists by promoting their academic vision and interdisciplinary research. YIPA has currently more than 4000 members from 109 institutions and across multiple disciplines, including Life Sciences, Earth Science, Chemistry& Material, Mathematics & Physics, and Engineering. They are organized in 6 discipline branches and 13 local branches.

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