|
1前言 在世界范围内，农业面临着提高生产力和发展更可持续粮食生产方式的双重挑战。生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台（IPBES）全球评估警告说，目前生物多样性的下降速度超过了人类历史上的任何时候，除了以牺牲其他贡献为代价的粮食供应，大自然对人类的所有贡献都在减少。《联合国生物多样性公约》（CBD）在其2010-2020年战略计划中认识到，为了实现其2050年“人与自然和谐共生”的愿景，有必要解决粮食生产和消费这一生物多样性丧失的主要根本原因。据预测，与2005年相比，2050年将需要全球作物产量增加100%至110%。然而，生产效率的提升并没有跟上需求的增长，这表明农业用地的持续扩张是不可避免的，对社会生态系统，进而对人类福祉产生了不同的后果。此外，粮食产量的提高可能是以栖息地丧失、养分流失、农药积累及其他影响形式对自然生态系统的负面影响增加为代价的。 粮食生产与生物多样性衍生生态系统服务密切相关。节肢动物多样性——小农农业（SHF）内部的能量循环及其生态功能通过支持、文化、供应和调节生态系统服务，为人类提供直接和间接的根本利益。例如SHF中的粮食生产，其取决于广泛的生态系统功能，包括营养和水循环、授粉、竞争性相互作用和物质分解。这些功能由几个农业生物多样性组成部分，特别是节肢动物来完成。迄今为止，节肢动物相关ES的研究主要集中在众所周知的功能上，并由蝴蝶、膜翅目昆虫或步甲等具有标志性的群体进行。全球作物生产的很大一部分依赖于蜜蜂和野生传粉者的传粉，授粉也有助于为大量人口提供经济福利和丰富而有意义的文化和精神生活。与授粉一样，生物防治也是研究最多的服务之一，因为它意味着对农业的高度经济影响，因为寄生蜂和捕食性节肢动物有助于控制作物中的害虫。因此，加强ES的节肢动物管理也可以成为小农系统向可持续农业过渡的强大驱动力。作物多样性——已有研究发现，跨时空尺度的植物多样性有利于生物害虫防治服务，并通过增加天敌的存在和活动以及减少害虫压力来限制产量损失。植物多样化包括作物和非作物栖息地，可在田间（如花草带、间作）、农场（如作物轮作）和景观规模（如灌木篱笆、森林）进行管理。在过去三十年的研究中，大量研究集中于田间规模的种间多样性或农场和景观规模的非作物栖息地密度，并证明了这些多样化方案对生物害虫控制服务的有益影响。然而，景观规模上的作物多样化（作物品种内部和作物品种之间）也可以成为加强农业景观中生物虫害控制服务的主要管理选择。在空间和时间上使作物物种多样化不仅对生态系统服务有利，而且从经济和社会方面也可能有利。 通过生态系统管理保护和恢复耕地系统，可以应对生物多样性危机和相关生态系统服务的丧失。地球上大约一半的可居住表面是农业。农业生态景观可以被视为包含不同土地使用类型的多样化多功能景观。一方面，它们提供的基本农产品既可以直接造福当地消费者，也可以在远离产地的地方运输和转化。另一方面，它们可以确保生物多样性的保护和生态过程的维持，也提供重要的调节和文化服务。 据估计，农业景观中：1）粮食生产成为对生物多样性的主要威胁；2）农业还推动了全球四分之一以上的温室气体排放、三分之二的淡水开采，以及大量的酸化和营养化污染；3）其影响远远超出了我们的农业景观范围。因此，如何选择管理农业景观将对地球上未来的生命轨迹产生深远影响，不仅影响那些已经被改造的土地，而且还影响未来如何避免栖息地转换。 2农业景观对生物多样性及其衍生服务的影响 景观结构受到景观组成的制约，并且往往与景观组成相关。一些研究发现结构效应比组合效应更强，而其他研究则相反。显然，景观异质性的两个组成部分都需要考虑，而且似乎在许多景观中，组成和结构可能对害虫抑制起到额外或交互作用。 2.1农业景观中的作物多样性 2.1.1作物多样性对生物多样性的影响 Thomin 等（2022）提出一个农业系统，这是一个在景观尺度上，作物在内部或内部进行多样化的系统。作者将景观定义为人类、植物群和动物群共享的区域，根据观察到的物种，在不同的径向维度上考虑通常为1.5km的径向单位，适用于实现景观对节肢动物的影响——通常包含不同类型的土地利用（城市地区、自然地区和种植区）。景观尺度上结合作物和半自然栖息地多样性，可以提高生物防治效果。1）增强天敌的互补景观和 2）减少害虫的资源。其中，替代作物可以充当天敌的蓄水池，当资源增加时，这些天敌可以从一种作物类型蔓延到另一种作物类型。当主要作物收获或用杀虫剂处理时，它们也可以作为庇护所和食物资源。维持不同的天敌群落是在空间和时间上有效控制不同害虫种群类型的重要杠杆。空间和时间资源的连续性是增加天敌从一种害虫宿主资源向另一种害虫宿主资源溢出的关键，而不会降低其种群丰富度。因此，选择作物多样化时应考虑：1）景观作物组成，如大量天敌可用作物提供的资源互补性（花粉和蜜汁供应等）；2）景观作物配置，如田地大小、田地形状、田地连通性，通过选择较小的作物区域，使资源在时间和空间上保持连续，以保持天敌的连续食物源和庇护所。 2.1.2作物多样性对生物多样性衍生服务的影响 在过去三十年的研究中，大量研究集中于田间规模的种间多样性或农场和景观规模的非作物栖息地密度，并证明了这些多样化方案对生物害虫控制服务的有益影响。Thomin 等（2022）调查了景观规模上的作物多样化（作物品种内部和作物品种之间）如何成为加强农业景观中生物虫害控制服务的主要管理选择。并得出在空间和时间上使作物物种多样化不仅对生态系统服务有利，而且从经济和社会方面也可能有利的结论。  图1 作物丰富度低（A）和作物丰富度高（B）的两个对比场地的示意图（Thomine et al.，2022） 2.2农业景观中的非耕作生境 2.2.1非耕作生境对生物多样性的影响 Nathan 等（2020）指出农田周围非作物栖息地的数量会影响害虫的抑制，但近期研究综合表明，作物和其他栖息地的空间结构也同样重要。在由较小斑块组成的细粒农业景观中，天敌往往更为丰富，并且随着农田与其他栖息地的连通性而增加或减少。通常认为，当农田周围有更多非作物或半自然栖息地时，害虫抑制作用会增强。除了组成，多种推理表明，景观结构的配置方面也影响害虫的抑制。首先，由于在栖息地之间的界面上有有益生物的入侵，因此，斑块大小、形状、共享边缘数量和连通性等形状变量影响溢出的数量，以及天敌可以穿透的范围。其次，一些生物需要来自多种土地覆盖类型的资源，并受益于景观互补。现在有证据有力地表明，景观结构是害虫抑制的一个重要预测因素。最近研究表明，距离加权模型可以更准确地捕捉景观和生物过程之间的关系。 2.2.2非耕作生境对生物多样性衍生服务的影响 一般来说，非作物土地覆盖对作物造成损害的风险很低。即如果农田内或附近有栖息地，能够为农业生产提供生态服务的丰富生物体组合提供支撑。农业生态镶嵌景观对于改善景观多功能性、维持粮食生产、保护生物多样性和调节生态系统都很重要。研究发现，景观中自然和半自然栖息地的碎片可以提高所有生物多样性和生态系统的评估水平。在镶嵌景观中，建议至少需要20%的原生生境，以确保粮食安全和ES的提供。对于生物多样性保护，景观应包含40%的森林覆盖率，包括较大的森林碎片，以及较小的斑块和半天然树木元素。我们的研究结果表明，20-30%的自然覆盖率可以显著提高许多研究服务的ES值，尤其是在较小的尺度上。我们的研究结果还强调了地块到局域、局域到区域的尺度对于评估ES生产的规模很重要。在与ES生产相适应的规模下进行的管理行动有可能改善多功能景观的ES供应。这些信息可以用于景观管理的保护和恢复工作，以及改善造福人类福祉的服务。  图2 33项研究中70%是测试景观配置对农业害虫抑制的影响（Nathan et al.，2020） 2.3农业景观结构对生物多样性及其衍生服务的影响 大多数关于景观结构如何影响害虫抑制的研究都集中在景观组成（即栖息地数量）的影响上。一般来说，半自然栖息地可以为天敌提供资源，包括食物、越冬栖息地、巢穴和躲避农业干扰的避难所，使它们得以生存，然后在农田中定居。通常认为，当农田周围有更多非作物或半自然栖息地时，害虫抑制作用会增强。但景观组成对害虫抑制的影响总体上是不一致的，因系统和生物而异。新的研究表明，除了组成外，景观结构（空间布局）也强烈影响天敌和害虫种群，最终影响作物产量。斑块大小、形状、共享边缘数量和连通性等形状变量影响溢出的数量，以及天敌可以穿透的范围。其次，一些生物需要来自多种土地覆盖类型的资源，并受益于景观互补。在细粒度景观（包括较小的农田和栖息地斑块）中，天敌往往更为丰富，并受到作物田与其他栖息地类型连通性的影响。镶嵌景观形态对害虫抑制的影响取决于生物特征以及节肢动物分布的空间尺度与潜在景观结构的空间尺度之间的关系。景观结构可以通过多种间接效应途径影响害虫的抑制，这需要更多的研究。  图3 不同土地利用类型之间的关联以及每个缓冲区的生物多样性和ES（Rosenfield et al.，2022） 2.4农业景观对节肢动物及其衍生服务的影响 与节肢动物相关的农业生态系统和生态系统主要涉及调节服务。大多数研究的功能与害虫有关，这反映了长期以来对节肢动物在农业生态系统中作用的负面看法。通过加强害虫抑制产生的积极作用包括提高作物产量、减少农药使用和增加农业景观中的节肢动物多样性。农田中的节肢动物群落受到周围景观的影响。农田本身不适合某些有益昆虫生长，因为农田通常是单作，易受到干扰。这意味着附近的其他栖息地可能对确定哪些节肢动物在农田中定居尤为重要。 在农业景观中，捕食性和寄生性节肢动物抑制食草性节肢动物种群，每年提供价值数十亿美元的重要生态系统服务。近几十年来，研究人员已经开始确定驱动农田中自然天敌、害虫和害虫抑制效果的因素，目的是设计和管理农业景观，以最大限度地发挥这类和其他类服务。了解景观结构如何影响农田害虫的抑制，对于设计可持续农业景观至关重要。  图4 主要节肢动物目与其作为传粉者（橙色）、天敌（蓝色）和害虫（红色）的功能有关（Rosenfield et al.，2022） 3讨论 3.1农业景观变化通过改变生物多样性来影响生态系统服务 生物多样性是对农业生产至关重要的生态系统功能的重要组成部分，如土壤肥力、授粉和生物防治（即通过天敌控制植物害虫）。生物多样性与农业生产的这种相互依存关系产生了各种各样的概念，旨在优化农业景观的管理，平衡产量、生物多样性和可持续性。这些概念利用了农业生态学原理，提倡有机农业，建议生态集约化，或可持续集约化（SI），比较了土地共享和节约概念，并从管理耦合社会生态系统（SES）的角度出发。 食物是大自然对人类的重要贡献，最终由生物多样性支撑（Izabela et al.,2021）。农业系统多样化是恢复生物多样性和相关生态系统服务的关键，如授粉、生物虫害和杂草控制。农田强度和范围的变化对地球上的生命有着深远的影响。尽管自然丰富的农田具有保护价值，但它们的推广与自然栖息地的保护和恢复是竞争关系。恢复现有农田的生产能力有助于最大限度地恢复自然丰富的农田和自然栖息地。Batáryet等（2020）研究表明狭长的农田可以最大限度地减少地头，而生物多样性的增强则通过长边来优化，通过作物传粉者以及温带和热带地区的捕食者和寄生蜂的溢出作用促进生态系统服务。 然而当前，基于农用化学品投入、大规模单一种植和景观同质化的农业集约化模式已成功提高了产量，但也导致现有物种的损失和群落组成的变化，例如，导致丰度普遍下降，生物多样性和生态系统服务的严重损失。只有齐心协力从根本上重新设计农业系统和农业景观，即农业的范式转变，才能扭转当前的趋势。 3.2在小农农业中，景观异质性是提升生态系统服务的关键 近几十年以来，采用的以大面积单一种植和化学品使用为基础的耕作做法对农民和消费者的健康产生了不利影响，并大大减少了农田生物多样性。简化的作物轮作耗尽了土壤，促进了害虫的侵扰，通过反复施用农药产生了抗药性，传粉者和生物防治剂面临资源瓶颈的风险；所有这些都会增加收益率下降的风险。相比之下，由混合作物模式提供的资源连续性，单独或与土地共享实践（如野花带）相结合，有效地提高了生态系统服务的稳定性，如授粉和生物害虫控制。 众所周知，景观复杂性，即农业景观中半自然栖息地的数量，会增加物种库。例如，当景观范围内的栖息地从10%增加到40%时，标准农田边缘地带的野生蜜蜂丰富度会翻一番（Tscharntke et al.,2021）。复杂的景观还提高了当地关键捕食者和寄生蜂对害虫控制的可用性，包括花粉甲虫的寄生性增加了10倍，油菜损失减半。这是由于，复杂的景观支持更广泛的资源和小气候，从而抵消了生物同质化，促进了种群动态的稳定性。另外，农田附近的半自然栖息地可能包括线性或斑块状景观元素，如树篱和木本或草本斑块，有助于向精细农田扩散，并增强农场生物多样性。 因此，增强生物多样性的措施包括温带和热带地区研究指出较多的时空作物多样化，但也包括作物或绿肥、农林复合（即树木和作物的结合），或作物-牲畜系统和其他有利于生物多样性的措施。 3.3对节肢动物的妥善管理是小农农业可持续发展的关键 现在，农业正面临农药密集使用的负面后果，主要是影响农民和消费者的健康问题，以及农田和周围土地的生物多样性破坏、土壤生物群、水以及包括天敌（捕食者和寄生蜂）在内的节肢动物生物多样性。除了杀虫剂带来的负面影响外，大规模单一种植的使用使得天敌在作物收获后难以找到食物和住所，导致其种群减少，生物防治影响降低。天敌可通过多种方式用于农业（传统和保护性生物防治）。Thomine等（2022）重点关注利用宏观天敌进行保护性生物控制，提出通过管理环境促进自然发生的天敌。即增加植物，即作物或非作物、物种多样性、植物基因型和表型多样性和植物多样性。 节肢动物既提供服务（如授粉），也提供损害（如作物损害），对作物生产产生重大影响。理解节肢动物服务和危害之间的协同和权衡作用是实现作物可持续性的关键。Tatiana等（2022）表明，小农系统中的节肢动物管理研究仍然主要集中在田间害虫控制上。迫切需要开发一种更全面的方法来研究人工和周围自然栖息地中对人类有害和有益的节肢动物群落。此外，有必要促进跨学科方法，以便更好地将节肢动物生态功能的知识与农民的需要结合起来。 4 建议 （1）多数研究表明，非作物土地覆盖对作物造成损害的风险很低。即如果农田内或附近有栖息地，能够为农业生产提供生态服务的丰富生物体组合提供支撑。另外，在年际种植系统中恢复和增加多年生植被或其他半天然植被的倡议是该得到支持的（例如作为碳库或作为生物多样性避难所），因为在大多数区域，这些措施并不会对作物生产产生不利影响。 （2）农业生态系统和生态系统需要更广泛地考虑多层次视角，包括收获农产品的管理以及作物和非作物栖息地。这对于与节肢动物相关的生态系统服务和损伤尤其重要。缺乏景观层面的考虑可能会妨碍农民的行动和适当的管理战略，要让农民意识到昆虫在景观水平上的作用可以减少农药的使用。 （3）农民和当地人参与度低是农业生态系统服务研究中的一个长期问题，应用跨学科的研究概念和方法可以解决这一问题，即支持协作框架和研究问题的初步共同设计和共同创造，科学家和农民之间的双向信息流动，以及建立面向解决方案的知识。 参考文献
星 之 队 本期编辑｜张宇飞 博士 15702426228@163.com |
|
|
来自： 江南一鱼6jvvqc > 《生态景观农田》
