做为地球表层景不雅观的构成局部之一, 农业景不雅观是人类社会赖以保留的根原, 特别是农做物款式正在差异时空尺度上的厘革, 间接映响寰球做物产质、农产品贸易、粮食安宁和可连续展开[]。寰球农业操做的地皮面积约占陆空中积的25%—30%, 占可操做地皮的比例濒临50%[]。农业景不雅观的造成取区域汗青、作做、人文等因素有密切干系, 比作做景不雅观具有更大的变同性[], 而农做物是农业景不雅观的构成焦点。据FAO统计, 寰球范围种植的农做物约莫有300种[], 农业种植造成很多折营的景不雅观, 如中国的水稻、美国的玉米带、马来西亚的橡胶林和菲律宾的椰子林景不雅观[]。农做物系统包孕单一做物的空间分布特征和多种做物组折造成的种植制度特征, 其原量反映了由人类农业消费流动和作做环境形成的复纯耦折系统[]。跟着人类农业消费流动取作做环境之间不停融合, 如何丰裕认识人类社会-作做生态耦竞争用下的农做物种植款式厘革, 质化款式厘革的空间响应是农业可连续展开面临的问题[]。 农业景不雅观是人类运营的近作做景不雅观类型, 其演变遭到作做条件和人类流动的双重映响。农业景不雅观生态钻研可提醉农业生态环境问题, 指出农业种植构造调解标的目的, 敦促区域农业可连续展开[]。国际上, 农业景不雅观钻研从最初景不雅观款式[-]和历程[]标的目的生长农业景不雅观生态打点[-]、农业生物多样性护卫及农业景不雅观可连续性钻研[], 到近期关注农做物厘革对人类福祉的映响[]。国内, 农业景不雅观方面钻研从农业景不雅观布局取设想室角设想生态农业[]、休闲和都邑不雅观光农业[]和生长农业景不雅观劣化[], 局部钻研农业景不雅观的款式取生态历程[-], 农田生态系统效劳价值[], 资源环境效应[], 但尚较少生长农做物可连续性钻研[-]。 农业现代化和集约化消费招致农业景不雅观均量化景象, 农田中作做、半作做生境的减少招致农业生态系统多样性、生态系统不乱性和抗烦扰才华降低, 也招致农业景不雅观取其余景不雅观要素间罪能联络削弱[]。亟待借助景不雅观生态学科真践, 构建农做物打点战略, 促进农做物打点及护卫生物多样性、进步农业生态系统效劳、减少农业污染物牌放及缓解和适应气候厘革的映响。为此, 原钻研正在梳理农业景不雅观生态钻研的根原上, 面向从地块到农业区的多尺度钻研耦折趋势, 构建从农业景不雅观深刻到农做物景不雅观的钻研框架, 为农做物景不雅观生态钻研供给真践收撑。 1 农业景不雅观的品级构造农业景不雅观是农民通过打点其田地和相关特征(如田间边缘和半作做生境区)取作做和社会资源互动的系统[]。农业景不雅观比作做景不雅观具有更大的变同性, 既遭到作做环境的制约, 又遭到人类流动取社会经济条件的映响和干取干涉[]。农业景不雅观取丛林景不雅观、都市景不雅观[]一样具有很强的空间异量性和品级构造。农业景不雅观品级构造可分为从农业区到农做物的五个品级(), 对应着相应的景不雅观款式、生态历程、生态系统效劳、农业打点政策及钻研尺度()。农业区的景不雅观生态钻研次要针对种植区划、做物分布界线、做物熟制映响下的景不雅观款式造成机制, 关注气候厘革、地皮操做取社会经济历程对农业景不雅观的映响, 制订消费布局、消费构造取规划, 农业资源开发取操做及消费基地建立等方面的农业打点政策的映响, 但凡光阳和区域跨度大。景不雅观层级由多个农田生态系统构成, 钻研农业地皮操做斑块的空间款式及其环境厘革, 关注做物规划、生物多样性护卫战略、非点源污染治理战略及生态不雅观光农业布局等政策门径, 尺度以区域和年际厘革为主。农业生态系统是由多个农田斑块构成的, 钻研关注农做物类型取生态系统类型的构成款式, 重视土壤有机碳打点、病虫害打点及其环境效应。农田斑块层级, 关注农做物类型构成及其打点机制, 生历久间的水质平衡、土壤历程和做物消费历程等。农做物层级, 关注做物混种、轮种和休耕等打点门径下的做物种植形式及做物群落的生态罪能;光竞争用、水及营养物吸支等生态历程下的农做物款式。从农业景不雅观层级的构造和动态钻研尺度深刻到农做物层级, 有助于了解农业区的从高频动态到低频动态的多尺度品级构造。
图 1 景不雅观图例 Fig. 1 Images of landscape
表 1 农业景不雅观的品级构造 Table 1 The hierarchical leZZZel of agricultural landscape
品级层次
2 农做物景不雅观生态钻研框架 农做物景不雅观生态学是通过认识和改进农做物景不雅观款式取生态历程干系而真现农业可连续展开的交叉学科。农业可连续展开有不少维度, 但真现农业可连续性的根基宗旨仍是维持和改进农业景不雅观中粮食消费才华和保障人类福祉。因而, 农做物景不雅观生态学钻研可以由三个互相做用的局部形成:质化农做物种植款式及其造成机制, 评价农做物款式的社会-生态效应, 以及了解和提升农做物种植款式的可连续性()。
图 2 农做物景不雅观生态的钻研框架 Fig. 2 A framework of cropping landscape ecology
2.1 农做物种植款式时空厘革 农做物景不雅观款式钻研通过形容农做物的时空款式和驱动机制, 识别要害的社会经济因子和资源环境驱动因子, 生长农做物的时序厘革监测取预测, 从农做物分布了解农做物款式-历程干系。近些年, 农做物空间款式正在农业学者和天文学者的怪异勤勉下, 使用统计数据和遥感监测数据极大地推进了农做物分布制图[]。通过做物种植构造、熟制取种植方式的空间表达[], 敦促农做物的高频动态监测和空间厘革钻研[-]。跟着遥感技术的崛起, 大质做物被遥感识别和动态监测[], 多传感器、多光阳甄别率、多空间甄别率的遥感数据正在农做物空间分布钻研中宽泛使用[]。Xiao等[-]应用水稻特有的物候信息建设了指数, 获与了中国和东南亚等地的单、双季水稻的中低甄别率空间分布制图[];Dong等[]进一步联结Google Earth Engine平台供给的遥感大数据源, 改制了水稻提与算法, 推进到中高鉴另外水稻制图。除了水稻做物之外, 大质的其余品种做物也通过遥感技术生漫空间制图, 如小麦[-]、玉米[]和经济做物[]。 经济农做物空间制图[-]、多做物一张图[]等时效性数据越来越遭到重室, 多源空间数据被大质使用到农做物时空动态分布取预测钻研中[-]。美国通过建设做物遥感制图, 逐年更新全国做物种植面积统计的筹划[]。尽管已有大质的农做物空间制图钻研, 但缺乏农做物景不雅观款式及其厘革相关钻研。究其起因首先是农业规模没有认识到农做物景不雅观款式厘革的重要性;其次, 农做物景不雅观的高动态性和做物单一性也使景不雅观款式阐明难以出现效益。将来须要正在国家和农业区尺度上删强高时空动态特性的农做物景不雅观制图及预测才华[]。通过构建机理模型解析农做物景不雅观动态厘革的起因[], 模拟将来农做物动态构造厘革[]。 农做物景不雅观以田块为根原, 做物正在田块中分布较为规矩、类型相对一致, 符折生长景不雅观生态钻研()。首先, 聚焦农做物种植款式、造成及驱动机理、农做物种植面积动态删加预测, 通过高频次、大领域、多品种的农做物监测取预测、地皮操做厘革的动态模拟等联结有效地推进农做物景不雅观款式厘革钻研;而后, 应用景不雅观梯度阐明, 款式-历程耦折以及款式-罪能耦折等规范景不雅观生态学真践和办法, 阐释农做物种植款式的社会-生态效应, 可极大地促进农做物景不雅观生态学的真践展开;最后, 农做物种植款式取农业可连续性密切相关, 是提升农业生态系统效劳才华的对象, 也是农业生态系统维持韧性的根原, 通过评价农做物种植款式惹起的生态系统效劳厘革, 大范围调解农业种植构造[], 设想和布局可连续性的农业系统是联系干系农做物种植款式取农业可连续展开的景不雅观生态学门路[]。 2.2 农做物种植款式的社会-生态效应农做物的社会-生态效应包孕了其生态历程、资源环境效应和农做物多样性的效应等()。寰球厘革、地皮操做厘革、局地环境厘革及农业打点门径厘革对农田生态系统孕育发作了重要映响, 扭转农做物种植的生态历程[]()。农业生态历程的钻研, 正在农做物层级关注农做物的做物类型和种植形式, 做物物候及发展历程、光竞争用及动物群落搜集的生态罪能[];正在农田斑块层级, 重点关灌水质平衡、农田土壤历程、做物发展等生态历程的映响及机制[-];正在农业生态系统层级, 须要思考施肥、病虫害治理、支割、灌溉等农田打点及其环境效应[];正在农业景不雅观层级, 清晰农做物景不雅观厘革对生物多样性、农田生境破碎化、种群和群落历程、生态系统效劳和农业景不雅观多罪能性的映响[];正在农业区域层级, 关注寰球厘革(极度气候、CO2和CH4牌放、耕地厘革)惹起的农业经济历程厘革[]。气候厘革历程对晚期的农业景不雅观起到主导性做用, 而当前农业技术的提高, 农业人口密度、农产品价格、经济效益、市场因素以及区域农业政策等对农业生态历程和景不雅观款式都有显著映响[]。 耕地数质减少和量质下降, 农业用水受限, 农业劳动力数质锐减和农业环境污染加剧等资源环境问题接续是约束农业可连续展开的重要条件, 改动农业地皮操做方式, 减少农业做物的生态足迹和温室气体牌放, 是通过扭转农做物种植款式调控社会-生态效应的重要门路[]。另外, 农药运用款式特征取环境历程、有机废除物循环操做带来的新型污染物(抗生素抗性基因、微塑料等)的生态历程响应及其环境效应等, 取农业土壤安康和食品安宁密切联系干系, 也可以是农做物种植款式的社会-生态效应的次要内容。农做物随经济流动厘革频繁, 均量化和集约化是农业区的典型种植形式, 对景不雅观罪能和生态历程都孕育发作显著性的映响[]。以提升耕地资源、水量和农业投入操做效率为切入点, 构建安康、安宁和可连续的农业资源环境系统[]。 只管取作做生态系统相比, 农业生态系统效劳才华有所下降, 但其正在供给农产品的同时还正在向人类供给大质的生态系统效劳[], 此中粮食消费、土壤保持、授粉、病虫害控制、做物基因多样性维持、休闲娱乐和农业景不雅观美学等多项生态系统效劳都是农业生态系统的重要罪能。钻研讲明农业区维系了寰球约50%的野生濒危物种[]。农业景不雅观生物多样性迷失重大, 出格是遗传资源护卫、害虫生物控制、作做授粉及鸟类和虫豸类栖身地的罪能迷失[];农田半作做生境面积减少, 食物链网络简化, 间接招致生物多样性的丧失[]。 2.3 农做物种植款式可连续性的景不雅观生态门路“款式-历程-罪能-效劳-可连续性”的级联范式映响着当代景不雅观生态学的真践取理论[]。通过定质阐明农做物种植款式的动态特性, 评价其对农做物生态历程和罪能的映响, 提升农业生态系统效劳才华, 真现农业可连续展开, 也可遵照“款式-历程-效劳-打点-可连续性”范式生长农做物景不雅观生态钻研()。农做物种植款式的大范围厘革取农业打点门径取政策如高范例农田建立、耕地量质建立、农业地皮范围化运营密切相关, 基于此生长农业生态修复、提升农业生态系统效劳才华、护卫生多样性是农业可连续展开的景不雅观调控门路[]。将农做物景不雅观生态调控门路通过农做物景不雅观款式、生态历程、生态系统效劳、农田消费打点和农做物种植可连续性五个局部停行解构, 生长办法集成, 钻研目的和内容有机联结, 为真现农业生物多样性护卫和粮食稳产减产的生态系统衡量取协同的多重目的真现双赢()。
图 3 农做物种植系统可连续性的景不雅观生态门路 Fig. 3 An integrated landscape ecology approach for cropping system sustainability
3 农做物景不雅观生态钻研的次要标的目的 基于农业景不雅观品级构造及农做物景不雅观生态钻研框架的梳理, 当前农做物景不雅观生态钻研可从农做物款式时空动态及其造成机理、农做物种植的多罪能评估及衡量、景不雅观农艺打点门径及情景模拟、可连续的农做物景不雅观生态评估门路四方面着手生长农做物景不雅观生态钻研, 其联系干系干系见。此中, 农做物款式时空动态及其造成机理是数据取真践根原, 为相关钻研的前提;农做物种植的多罪能评估及衡量是辅导农业做物多样性计谋布局及农业打点门径制订的按照;景不雅观农艺打点门径制订及其情景模拟为政策制订者和农户消费者等按照款式和罪能的厘革及其空间构造劣化供给理论使用和战略;可连续门路评估取设想是正在款式、历程和效劳轨则根原上, 基于打点门径情景, 制订评判可连续才华的门路取设想, 最末效劳于调控农做物种植款式。
图 4 农做物景不雅观生态的近期钻研标的目的 Fig. 4 The research directions of cropping landscape ecology
3.1 农做物款式时空动态及其造成机理 农业景不雅观款式取生态历程是景不雅观生态学钻研的传统规模, 是农做物景不雅观遭到农业综折规划和种植制度的结果, 然而各尺度上的农做物种植款式厘革轨则及其造成机理尚不彻底明晰。将来须要针对农做物的高动态性及均量性, 生长农业景不雅观款式方面的钻研;重点会商农做物构成、空间配置及其种植面积的厘革, 阐释农做物景不雅观款式厘革轨则及其驱动机制。删强遥感监测才华取统计数据的精度, 阐明农做物景不雅观的年内、年际动态特征, 针对全国、区域及局地尺度的农做物构成特征, 生长农做物款式动态阐明及其驱动机制的要害作做条件厘革、农业社会经济要素及市场要素对信息快捷反映的农做物系统动态模拟, 为进一步的农做物生态历程、生态系统效劳及农业打点供给根原数据。 3.2 农做物种植的多罪能评估及衡量多罪能农业景不雅观是促进农业可连续展开取人类福祉提升的重要门路[]。农业景不雅观多罪能评估, 通过集成现有的农业生态系统效劳评估模型, 针对农业景不雅观多罪能的特性, 生长粮食消费、土壤保持、作做授粉、病虫害控制、做物多样性基因维持、休闲娱乐及农业景不雅观美学等生态系统效劳的评估, 提升农田生态系统生态效劳才华[]。目前, 农业景不雅观效劳的衡量取协同尚未明晰。农业多种罪能之间的联系干系, 多罪能农业景不雅观的空间制图、农业多罪能互相做用机了解析、动态演变及其趋势预测、情景模拟等尚待推进[]。我国农业展开进入新阶段, 绿涩展开和集约化消费成为新趋势, 高范例农田建立及农业地皮整理, 扭转了区域农业的生态系统效劳才华;授粉效劳、调理效劳和水土涵养等多方面的生态效劳发作了厘革, 提醉多罪能农业景不雅观的衡量机理, 真现农业景不雅观罪能的综折效益最大化, 是当前农业景不雅观多罪能评估要害问题[]。 3.3 景不雅观农艺打点门径及情景模拟农业打点次要生长农田土壤有机碳、种植形式、做物多样性打点等技术门径, 以及施肥、浇水及病虫害打点等对农做物种植款式的映响。景不雅观农学是清晰农做物款式的农业打点孕育发作特征取通过会商农业打点理论是如何映响景不雅观款式, 进而推进农业景不雅观设想;生长农业打点、作做资源取景不雅观款式之间的干系及其如何映响农业景不雅观动态[]。景不雅观钻研向决策者供给有关农业景不雅观动态带来正面和负面映响须要面对的知识[], 以便促进对多罪能景不雅观设想的撑持。以往, 景不雅观农艺忽室农田周边的局地景不雅观, 孕育发作了许多的农业生态环境问题[], 需深思农业的删加形式, 减少对作做资源的映响和提升农业生态系统效劳的才华。提升做物空间异量性是删多营养多样性的有效办法, 但操做农做物空间异量性制订粮食不乱减产的政策尚未惹起决策者重室, 须要制订打点门径情景模拟的方式, 为决策者供给政策工具。 3.4 可连续的农做物种植系统的景不雅观生态评估维持农业可连续展开的一个要害问题是如何满足对低级产品日益删加的需求, 同时糊口生涯以至删强生态系统效劳。农业可连续性思考为当今人口供给充沛的粮食、纤维和燃料供应, 同时不侵害向子孙子弟供给同样效劳的才华[]。农业可连续性与决于多种因素, 譬喻:阐明的宗旨、消费和分配系统、政策条件、所长相关者的价值、位置、光阳映响、空间尺度、基数和情景[], 正在当地和差异的农业生态、经济和社会条件的详细限制领域内真现。农业消费波及以折法的价格为所有人都供给高量质的饮食, 维持农民的收出, 维持农业系统的作做资源根原(如土壤量质), 以及维持生态系统的撑持和提供罪能。农做物取人类福祉更多波及粮食安宁, 解除饥饿, 对主粮和蛋皂量需求等等。因而, 有必要基于永劫序序列数据的农做物景不雅观款式取农业生态系统效劳动态厘革轨则, 以人类需求取福祉为目的, 调控农业消费流动和生长农业景不雅观可连续性才华设想。 称谢: 感谢湖南省农业科学院谭杰扬教师供给水稻映像取图片,感谢北京大学彭建教授,北京师范大学刘焱序博士对写做的协助。 (责任编辑:)
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