农业景观生态系统服务功能维持的景观尺度优化研究

农业景观生态系统服务功能维持的景观尺度优化研究

生物多样性及其生态系统服务功能是人类社会生存和发展的基础。其中，农业景观生物多样性、生物控制、传花授粉等重要生态服务功能直接关系到农业生产力和农业可持续发展。在过去的几十年间,全球生物多样性的保护主要强调的是对生物多样性热点地区及自然保护区的保护,随着对这些方法所面临诸如在全球土地利用中所占比例有限、面积太小、生境破碎化、过于隔离以及管理不善等问题的认识,农业景观的生物多样性保护在西方不断引起重视。事实上,全球陆地表面有超过40%的区域可视为农业景观,由于其在全球陆地表面的巨大面积以及较自然生态系统更高的生产力,农业景观在全球生物多样性维持,甚至濒危物种的维持中扮演着重要作用,对全球生物多样性的保护有着重要的贡献。然而,不可否认的是,农业景观中集约化的生产模式以及由此所带来的土地利用变化是导致大部分物种面临濒危的重要因素,也导致了诸如害虫控制、传粉授粉等对农业至关重要的生态系统服务功能的显著降低。虽然,发展有机农业等被视为实现农业景观生物多样性和生态系统服务功能的重要途径,但是对于粮食安全仍然是首要解决问题的发展中国家,有机农业的发展必然意味着粮食产量的降低,具有很大的局限性。因此,要在保障农业生产的同时促进农业景观生物多样性保护和生态服务功能维持方面需要寻找新的途径。随着对于景观结构与生物多样性、生态系统功能之间关系的深入认识,越来越多的科学家指出,农业景观生物多样性的保护和生态系统功能的维持需要一种景观的观点,本文在对国内外研究综述的基础上,结合笔者对本领域研究的认识,探讨通过建设生态农业景观促进农业景观生物多样性的保护和生态系统服务功能的维持的意义和方法措施。1景观格局elitying景观格局指的是景观的空间结构特征,它是景观要素的数量、大小、类型、形状及其在空间上的组合形式,它表现在不同的尺度上。具体地说,景观格局包括景观两个方面的特征:一是景观的组成(composition),即景观的构成要素(element)及其数量;另一个是景观的空间配置(spatialconfiguration),即景观的构成要素在空间的状况。1.1确立半自然生境中生物多样性的组成与结构就景观的组成而言,由于不同物种有不同的资源需求,支撑这些资源的生境存在与否将直接影响生物的生存。国内外就生物在农业景观的空间分布格局展开了大量的研究,作为农业景观重要的组成部分,半自然生境在农业景观生物多样性保护和生态系统服务维持中的重要功能和作用成为研究和关注的焦点。针对农业景观中半自然生境与生物多样性的关系,国外就半自然生境中生物多样性组成、结构、生物在半自然生境与相邻农田中的动态、农业景观中半自然生境的类型、植被结构及局部生境特征等,半自然生境的管理措施对生物多样性的影响开展了大量的研究,一般的结论认为农业景观中的半自然生境(包括农田边界、灌木带、林地、水塘、沟渠和休耕地等)的保护和建立,可以为农业景观中绝大部分物种提供生存所需的资源,如食物源、物种源、避难所、繁育场所和迁移的廊道等,有利于农田景观物种多样性的维持和保护;半自然生境中生物多样性的组成与结构受半自然生境的类型、植被结构、管理措施等的影响。由于生物在不同生长时期有不同的生境需求,对生境面积大小需求不同、生物迁移运动能力不同、对景观的感知尺度不同等,除了景观要素的存在与否外,景观要素在景观中的组成状况及其空间配置状况的不同,会使景观中生境的连通性、可达性、有效性存在差异,从而影响物种在景观中迁移和种群的可持续性。景观尺度上,景观中半自然生境的比例、景观连通性对生物多样性的影响也成为关注和研究的重点。具有高比例非作物生境的复杂景观被视为更有利于生物多样性的维持。1.2景观结构对自然天敌的影响与生物多样性密切相关的生物害虫控制、传花授粉等生态系统服务功能的实现由于与生物在景观中迁移运动密切相关,也必然受到景观格局的影响。其中研究和探讨最多的是景观格局对于害虫控制功能的研究。就景观的组成而言,大量研究显示景观中半自然生境通过提供适宜的微气候条件、替代寄主和猎物、影响天敌寿命和繁殖能力及涉及害虫控制有效性的花粉和花蜜来源地等方式,为大量的自然天敌提供必须的生命支持功能,从而有效提高景观中生物害虫控制的服务功能。景观要素的组成及空间配置状况同样影响天敌的多样性和害虫的危害状况。如哥廷根大学Tscharntke研究组研究显示,危害油菜的花粉甲虫被其天敌寄生的比例随取样地周围景观中非作物用地面积比例的增加而增加,相应的油菜蓓蕾受甲虫的损害状况随景观复杂性的增加而降低。Bianchi等对有记录的24个关于景观组成对天敌影响的研究进行了概括总结,发现74%的研究显示景观复杂性提高了自然天敌的种群,包括拟寄生物、步甲、瓢虫、食蚜蝇幼虫、隐翅虫和蜘蛛等,表明景观驱动自然天敌种群可以认为是一种普遍的现象。由于从农学的观点景观组成对于害虫密度的影响比对自然天敌的影响更为重要,Bianchi等还对有记录的10个景观组成对害虫影响的研究进行了分析,但是发现其中仅有45%的研究显示景观复杂性对害虫种群有抑制作用。由此Bianchi等总结,景观复杂性会在一些特定的情况下促进对害虫的抑制,但是由于研究数量较少,目前尚很难得出关于这个问题的一般性结论。除此之外,Tscharntke等指出景观结构对害虫及生物控制作用的影响还与研究尺度、时间空间动态有关。例如,在对哥廷根附近15个取样点周围0.5~6km直径范围内非农作用地的比例和花粉甲虫被寄生比例的相关性进行分析显示,胡蜂对于花粉甲虫控制的尺度可能主要在1.5km直径范围内。也就是说生物对于害虫的控制有作用的功能尺度。此外,决定农业生产的传花授粉这一重要生态系统功能也受到景观结构的影响。Steffan-Dewenter等在半径介于250~3000m的8个空间尺度下分析了景观背景对于膜翅目蜜蜂科的影响,结果发现在750m以下的空间尺度范围内独居的野生蜂物种数和个体数与这些尺度范围内景观中半自然生境的比例呈显著正相关,而大黄蜂和蜜蜂在这些尺度上不受景观背景的影响,因此对于局部生境的变化,对独居野生蜂和群居的大黄蜂和蜜蜂会产生不同的影响,这种影响可能会改变植物-传粉者之间的共生关系及野生蜂-蜜蜂之间的竞争关系。2生态服务功能尽管对于景观格局影响生物多样性和生态系统服务功能的影响机制尚需深入研究,但人们已越来越多地意识到,农业景观生物多样性保护和生态系统服务维持需要一种景观的观点。原因概括如下:(1)农业土地利用导致生境丧失与破碎化已经成为导致全球生物多样性丧失的主要原因,因此需要从景观尺度重视对农业景观生物多样性维持具有重要意义的残留自然、半自然生境的保护。(2)除了生境本身,景观要素的形状、组成、空间配置对景观中的生物和生态系统功能有重要影响和作用,优化景观组成和配置是实现农业景观生物多样性保护和维护农业景观生态功能的重要措施。(3)农业景观中生物多样性是实现景观稳定和农业可持续发展的重要基础。以物种保护为目标的方法仅适用于对物种生态特性及其在生态系统中作用和功能等有全面认识的情形。但在大多数情况下,我们对于农业景观中占据主要的生物类群,如节肢动物、微生物等在农业景观中所起的生态作用和功能、物种及食物链之间的相互作用和关系尚缺乏全面而深入的了解和认识。因此,以物种保护为目标的保护措施很难真正实现对物种及其生态系统功能保护。采用景观的观点,重视对物种赖以生存的生境的保护和重建可以有效而全面地保护农业景观的生物多样性及其生态服务功能。(4)农业景观生物多样性保护需要多尺度的观点。由于不同生物的体型和迁移能力不同,不同生物生活和感知的景观尺度也不同,因此针对于不同生物的保护策略也应当制定于不同的尺度上。另一方面,农业活动在不同尺度上影响景观结构和生物多样性,针对生物多样性保护的措施也应该从不同的尺度上予以制定。(5)针对生物多样性保护或恢复及促进生态系统功能维持的措施能否取得成效,在一些情况下并不仅仅取决于措施本身,还取决于这些措施所处的景观结构状况。如有研究显示,欧盟农业环境计划(agri-environmentschemes)的有效性还受采取这些措施的景观背景状况的影响。在清除型景观(非耕地面积比例小于1%),由于物种太少不足以对管理措施产生响应,因此农业环境计划的生物多样性恢复和促进措施的效果不显著;在复杂景观(高多样性,非耕地面积大于20%)中,由于已经具备了足够多的生物多样性管理措施,农业环境计划也没能显现显著的效应;只有在简单景观(低多样性,非耕地面积比例1%~20%)中,由于维持有中等程度物种库,农业环境计划的生物多样性恢复和促进措施对生物多样性提高有显著的作用。3建设生态农业景观，促进生物多样性保护和生态系统服务职能3.1生态性的原则Scherr和McNeely2008年提出了生态农业景观(ecoagriculturelandscapes)的概念,他们指出生态农业景观是由自然/本土生境和农业生产用地共同构成的景观镶嵌体。其中自然区域被管理用于促进农业生产经营活动,农业生产区则通过合理配置和管理以能够为野生生物多样性和生态系统服务提供有益和良好的生态质量。换言之,通过农业用地和非农业用地的相互协调、促进,在景观、农田和群落的尺度上获取农业生产、自然保护的人类生活之间的平衡。尽管Scherr和McNeely意识到了景观生态学的观点对指导生物多样性保护、生态系统服务和农业可持续发展的重要性,但是主要着重强调的是应用生态农业的方法来管理农业景观,对于景观规划设计及景观建设的考虑相对不足。在此,结合景观生态学的方法和观点,我们补充提出,生态农业景观是整合景观生态学的思想和方法以及生态农业的方法和技术进行管理的农业景观。在生态农业景观中,农业生产不仅注重农业产量的提高,还强调通过合理作物的空间配置和农业管理为生物多样性提供良好的生态环境质量并促进其生态系统服务的维持;同时,生态农业景观的各个尺度上,注重景观设计和生态基础设施的建设和应用,通过合理设计景观要素的组成和配置,保障农业生产所需的生态系统服务或补偿由集约化农业生产所带来的生态环境负效应。从而最大化农业生产和自然保护之间的生态、经济及社会的协同效应,最小化其间的相互冲突,实现农业生产和生态保护的双赢,最终实现农业的可持续发展。3.2景观规划、设计以及生态循环工程的应用关于生态农业景观的建设需要从多尺度上开展和进行,涉及生产管理方式的部分前人已有大量研究和探讨,这里不再赘述。从景观规划设计及景观建设的角度,生态农业景观的建设应当注重如下几个方面。(1)在区域尺度上,合理规划和设计种植区和非种植区及生态用地的空间分布,保障景观的生态安全与可持续性。农业的发展离不开对自然资源的依赖,因此种植作物和农业用地的空间分布,需要充分考虑农业生产对光、温、水、热等的空间适应性。但是从生态环境保护的角度,除了考虑农业生产对自然环境因子的适应性,还应当考虑农业生产空间布局对生态环境的影响,即构建区域景观安全格局。这包括规划和保护维持区域生态稳定和物种库的重要生态涵养区域,如林地、草地、水体的规划和建立防止人类干扰和农业污染负面影响的生态缓冲区,以及维持和促进生物流通过程的生物廊道。在美国,对流域管理强调最佳管理措施(BMP)的规划以及重视对农业景观绿色生态网络或廊道的设计和建设等均充分体现了这一思想。(2)在景观尺度上,应当注重生态基础设施的保护和建设,以确保农业可持续发展必需的生态系统服务功能,或消除集约化农业生产对于自然的潜在威胁。所谓的生态基础设施包括非农作生境和低投入农业生境。非农作生境可以是已有的闲置地、杂草带沟渠、池塘、未硬化乡村小道,也可以是人工建立的野花带、甲虫带、农田边界带、树篱、人工林地等。低投入的农业生境可以是不施用化肥、农药的低投入的作物生产用地、果园、草地等。欧盟各成员国强制性地要求实施农业环境计划(agri-environmentschemes),鼓励各种有益的生境管理措施以扭转由于集约化农业生产导致的动植物物种的丧失。其中甲虫带、野花带等作为重要的生态基础设施在欧洲农业景观生物多样性的保护中得以重视和广泛推广。(3)在地块尺度上,应当重视作物种植搭配的时空异质性,通过多样化的种植模式,更加多样化的景观要素、生境和物种,促进农田生物多样性及其生态服务功能的发挥,避免单一种植带来的疾病和害虫的易感性,减少化学农药施用。成功的案例有:云南大学朱有勇等通过不同品种水稻的混合种植,不仅实现了传统水稻品种的田间保护,还有效地抑制了稻瘟病的发生。河北衡水枣强县农民安金磊在棉花地四周套种玉米和芝麻,芝麻用于驱赶蚜虫,玉米作为陷阱作物以引诱飞蛾,避免飞蛾危害棉花,在棉花地中心播种小片小米吸引鸟类,也同时促进了鸟类对棉田害虫的控制;在精巧的作物种植设计下,连续10年不施化肥农药仅使用有机肥,提高了土壤蚯蚓的数量,丰富的蚯蚓数量保证了土壤良好的肥力和物理状态,2004年当地爆发棉花枯黄萎病,在很多棉田绝收的情况下,安金磊的棉田产量却达到6000kg·hm-2。(4)景观规划、设计与生态循环工程的系统整合。农业景观的生物多样性保护及其生态系统服务功能的实现是以整个系统的持续发展和资源保护为前提的。因此,除了合理的景观规划与设计,还需要从系统的角度,整合生态物质循环利用工程,促进整个系统的物质循环和资源高效利用。哈尼梯田农业景观很好地体现了这一思想,在哈尼梯田生态系统中,除了重视森林生态系统的保护和在空间上合理配置农田、居民住宅和生态用地、在地块上