改革开放以来,中国普遍实行高投入、高产出和高利用强度的集约化农业土地利用模式,在保障粮食安全的同时也造成了严重的农业环境问题。现在,如何协调粮食安全与环境保护之间的关系已成为中国农业发展过程中面临的一个重大挑战。在当前国情下,把农业土地利用作为一个系统,从多角度、多尺度、多效应对农业土地利用系统进行全面和系统的研究,是解决这一问题的较好途径。本文从农业土地利用系统定义出发,对农业土地利用系统进行了全面的解析,以人地关系理论、土地可持续利用理论、复杂系统理论及农户理性决策理论为理论基础,基于农户管理单元——小流域——区域三种不同管理尺度为主线,应用线性规划模型、ABM模型、输出系数模型、SFA模型及"3S"技术方法等一系列模型和方法,构建了一套从农户管理单元尺度,到小流域尺度,再到区域尺度的农业土地利用系统定量模拟方法体系,实现了定量模拟不同管理尺度的农业土地利用系统变化对粮食生产和环境污染影响的目标。主要研究成果如下:(1)农业土地利用系统解析从农业土地利用系统定义出发,本文构建了农业土地利用系统概念框架,并把农业土地利用系统解析为输入、土地利用过程、输出及反馈与控制四个部分。依据农业土地利用系统概念框架和多尺度特征,明晰了三个不同研究尺度的农业土地利用系统模拟的目标:在农户管理单元尺度,主要是以个体农户为研究对象,实现对农户决策过程的模拟,并分析农户决策对粮食生产和环境效应的影响;在小流域尺度,主要是通过对小流域尺度内农业土地利用系统的模拟,研究农业土地利用变化对水环境污染的影响,为将来通过调控农户行为控制水质环境奠定基础;在区域尺度,主要是通过模拟区域尺度的农业土地利用系统变化,协调好农业土地利用系统的社会-经济效应与生态环境效应之间的关系,为未来政府制定农业可持续发展政策提供依据。(2)农户管理单元尺度农业土地利用系统模拟研究本文选取湖南省桃江县为案例研究区,采取随机分层典型抽样方法,在桃江县随机抽取调研399个农户,并依据农户主要收入来源和农户经营规模,将农户类型划分为退耕型、传统型、休闲型、兼业型、以农为主型、专业型、大规模型以及养殖专业户型,并全面解析了各个农户类型的土地利用行为和经营特征。研究表明市场因素、政策因素、技术因素、自然条件、社会因素以及农户自身因素对农户作物种植制度的选择具有重要影响;而家庭劳动力个数、户主年龄、耕地面积以及家庭主要收入来源等因素对农户的农地流转决策行为有较显著的影响。在此基础上,本文还建立了基于线性规划方法的农户土地利用的决策模型和基于物质流分析的耕作单元尺度农业土地利用环境效应模型,并从社会、经济和环境3个方面选取9项指标,构建了农业土地利用综合效应指标体系,对不同农户类型的农业土地利用综合效应进行分析和比较。研究还表明,在现有的经济技术条件下,专业型农户的农业土地利用综合效应最佳。(3)小流域尺度农业土地利用系统模拟研究本文选取桃江县花园洞小流域为案例研究区,在流域基本特征分析的基础上,通过构建ABM-IECM耦合模型,研究2000—2014年间因农户生计策略转型导致的农业土地利用系统变化对流域内非点源污染的影响,研究结果表明:在2000年至2014年间,随着水稻价格、生猪价格以及劳动力价格的变化,流域内农户生计策略发生了转型,导致该小流域内作物种植制度、土地利用强度、常住人口以及生猪数量均发生了显著变化。随着这些因素的变化,花园洞小流域内输入到河流中的总氮负荷呈现先增加后减少的趋势。此外,在此期间农村生活、家畜养殖以及降雨输入方式交替成为该小流域内主要污染源。尽管该耦合模型还存在一定的局限性,但是通过ABM-IECM耦合模型不仅可以模拟农户生计转型的动态过程及其对流域农业土地利用系统变化的影响,估算非点源污染状况,而且还能研究社会-经济因子与非点源污染的关系,识别关键污染区,为将来通过调控农户的行为降低流域内的农业环境风险提供科学支持。(4)区域尺度农业土地利用系统模拟及其调控研究本文选取桃江县大栗港镇为案例研究区,通过构建ABM-SFA耦合模型,模拟农业土地利用系统变化对粮食生产和环境效应的影响,以权衡粮食安全与环境风险两者之间的关系,为将来制定合理的调控政策提供依据等。研究结果表明:随着农地的流转,耕地资源逐渐向规模种植农户转移,双季稻种植比例和区域水稻总产量予以提高,氮素通过挥发、反硝化、径流以及淋失方式损失的环境输出量呈现先减少后增加的变化趋势,但是氮素盈余量增长幅度低于先前的减少幅度。另外,还对ABM-SFA耦合模型进行相关验证,其验证结果均在可接受的范围内,表明该耦合模型可以被用来研究区域内尺度农业土地利用系统变化对粮食产量与环境效应的影响。在上述基础上,基于已构建的ABM-SFA耦合模型,根据大栗港的实际情况及参考过去十年补贴增长的速率,研究了 2014年至2029年间不同政策情景下大栗港镇农业土地利用系统变化及其对粮食安全和环境可持续的影响。研究表明,四种政策情景均具有不同的作物种植制度变化、粮食产量以及环境效应,其中趋势(TD)情景因其具有相对较高的粮食产量和补贴效率、较少的化肥和农药投入量以及相对较低的氮盈余量和氮淋失量,被认为是大栗港镇最优的政策方案选择。