農作物景觀生態研究：概念框架與研究方向

劉珍環,陸曉君

中山大學地理科學與規劃學院, 廣州 510275

作為地球表層景觀的組成部分之一,農業景觀是人類社會賴以生存的基礎,尤其是農作物格局在不同時空尺度上的變化,直接影響全球作物產量、農產品貿易、糧食安全和可持續發展[1]。全球農業利用的土地面積約占陸地面積的25%—30%,占可利用土地的比例接近50%[2]。農業景觀的形成與區域歷史、自然、人文等因素有密切關系,比自然景觀具有更大的變異性[3],而農作物是農業景觀的組成核心。據FAO統計,全球規模種植的農作物大約有300種[4],農業種植形成許多獨特的景觀,如中國的水稻、美國的玉米帶、馬來西亞的橡膠林和菲律賓的椰子林景觀[5]。農作物系統包含單一作物的空間分布特征和多種作物組合形成的種植制度特征,其實質反映了由人類農業生產活動和自然環境構成的復雜耦合系統[6]。隨著人類農業生產活動與自然環境之間不斷融合,如何充分認識人類社會-自然生態耦合作用下的農作物種植格局變化,量化格局變化的空間響應是農業可持續發展面臨的問題[7]。

農業景觀是人類經營的近自然景觀類型,其演變受到自然條件和人類活動的雙重影響。農業景觀生態研究可揭示農業生態環境問題,指出農業種植結構調整方向,推動區域農業可持續發展[8]。國際上,農業景觀研究從最初景觀格局[9- 10]和過程[11]方向開展農業景觀生態管理[12- 13]、農業生物多樣性保護及農業景觀可持續性研究[14],到近期關注農作物變化對人類福祉的影響[15]。國內,農業景觀方面研究從農業景觀規劃與設計視角設計生態農業[16]、休閑和都市觀光農業[17]和開展農業景觀優化[18],部分研究農業景觀的格局與生態過程[19- 20],農田生態系統服務價值[21],資源環境效應[22],但尚較少開展農作物可持續性研究[23- 24]。

農業現代化和集約化生產導致農業景觀均質化現象,農田中自然、半自然生境的減少導致農業生態系統多樣性、生態系統穩定性和抗干擾能力降低,也導致農業景觀與其他景觀要素間功能聯系減弱[25]。亟待借助景觀生態學科理論,構建農作物管理策略,促進農作物管理及保護生物多樣性、提高農業生態系統服務、減少農業污染物排放及緩解和適應氣候變化的影響。為此,本研究在梳理農業景觀生態研究的基礎上,面向從地塊到農業區的多尺度研究耦合趨勢,構建從農業景觀深入到農作物景觀的研究框架,為農作物景觀生態研究提供理論支撐。

1 農業景觀的等級結構

農業景觀是農民通過管理其田地和相關特征(如田間邊緣和半自然生境區)與自然和社會資源互動的系統[26]。農業景觀比自然景觀具有更大的變異性,既受到自然環境的制約,又受到人類活動與社會經濟條件的影響和干預[4]。農業景觀與森林景觀、城市景觀[27]一樣具有很強的空間異質性和等級結構。農業景觀等級結構可分為從農業區到農作物的五個等級(圖1),對應著相應的景觀格局、生態過程、生態系統服務、農業管理政策及研究尺度(表1)。農業區的景觀生態研究主要針對種植區劃、作物分布界線、作物熟制影響下的景觀格局形成機制,關注氣候變化、土地利用與社會經濟過程對農業景觀的影響,制定生產規劃、生產結構與布局,農業資源開發與利用及生產基地建設等方面的農業管理政策的影響,通常時間和區域跨度大。景觀層級由多個農田生態系統組成,研究農業土地利用斑塊的空間格局及其環境變化,關注作物布局、生物多樣性保護策略、非點源污染治理策略及生態觀光農業規劃等政策措施,尺度以區域和年際變化為主。農業生態系統是由多個農田斑塊組成的,研究關注農作物類型與生態系統類型的組成格局,注重土壤有機碳管理、病蟲害管理及其環境效應。農田斑塊層級,關注農作物類型組成及其管理機制,生長期間的水量平衡、土壤過程和作物生產過程等。農作物層級,關注作物混種、輪種和休耕等管理措施下的作物種植模式及作物群落的生態功能；光合作用、水及營養物吸收等生態過程下的農作物格局。從農業景觀層級的結構和動態研究尺度深入到農作物層級,有助于理解農業區的從高頻動態到低頻動態的多尺度等級結構。

圖1 景觀圖例Fig.1 Images of landscape

表1 農業景觀的等級結構

2 農作物景觀生態研究框架

農作物景觀生態學是通過認識和改善農作物景觀格局與生態過程關系而實現農業可持續發展的交叉學科。農業可持續發展有很多維度,但實現農業可持續性的根本目的仍是維持和改善農業景觀中糧食生產能力和保障人類福祉。因此,農作物景觀生態學研究可以由三個相互作用的部分構成：量化農作物種植格局及其形成機制,評估農作物格局的社會-生態效應,以及理解和提升農作物種植格局的可持續性(圖2)。

圖2 農作物景觀生態的研究框架Fig.2 A framework of cropping landscape ecology

2.1 農作物種植格局時空變化

農作物景觀格局研究通過描述農作物的時空格局和驅動機制,識別關鍵的社會經濟因子和資源環境驅動因子,開展農作物的時序變化監測與預測,從農作物分布理解農作物格局-過程關系。近些年,農作物空間格局在農業學者和地理學者的共同努力下,應用統計數據和遙感監測數據極大地推進了農作物分布制圖[28]。通過作物種植結構、熟制與種植方式的空間表達[29],推動農作物的高頻動態監測和空間變化研究[30- 31]。隨著遙感技術的興起,大量作物被遙感識別和動態監測[32],多傳感器、多時間分辨率、多空間分辨率的遙感數據在農作物空間分布研究中廣泛應用[33]。Xiao等[34-35]運用水稻特有的物候信息建立了指數,獲取了中國和東南亞等地的單、雙季水稻的中低分辨率空間分布制圖[36]；Dong等[37]進一步結合Google Earth Engine平臺提供的遙感大數據源,改進了水稻提取算法,推進到中高分辨的水稻制圖。除了水稻作物之外,大量的其他種類作物也通過遙感技術開展空間制圖,如小麥[38-39]、玉米[40]和經濟作物[41]。

經濟農作物空間制圖[42- 43]、多作物一張圖[44]等時效性數據越來越受到重視,多源空間數據被大量應用到農作物時空動態分布與預測研究中[45-46]。美國通過建立作物遙感制圖,逐年更新全國作物種植面積統計的計劃[47]。雖然已有大量的農作物空間制圖研究,但缺乏農作物景觀格局及其變化相關研究。究其原因首先是農業領域沒有認識到農作物景觀格局變化的重要性；其次,農作物景觀的高動態性和作物單一性也使景觀格局分析難以顯現效益。未來需要在國家和農業區尺度上加強高時空動態特性的農作物景觀制圖及預測能力[48]。通過構建機理模型解析農作物景觀動態變化的原因[49],模擬未來農作物動態結構變化[50]。

農作物景觀以田塊為基礎,作物在田塊中分布較為規則、類型相對一致,適合開展景觀生態研究(圖2)。首先,聚焦農作物種植格局、形成及驅動機理、農作物種植面積動態增長預測,通過高頻率、大范圍、多種類的農作物監測與預測、土地利用變化的動態模擬等結合有效地推進農作物景觀格局變化研究；然后,運用景觀梯度分析,格局-過程耦合以及格局-功能耦合等經典景觀生態學理論和方法,闡釋農作物種植格局的社會-生態效應,可極大地促進農作物景觀生態學的理論發展；最后,農作物種植格局與農業可持續性密切相關,是提升農業生態系統服務能力的對象,也是農業生態系統維持韌性的基礎,通過評估農作物種植格局引起的生態系統服務變化,大規模調整農業種植結構[51],設計和規劃可持續性的農業系統是關聯農作物種植格局與農業可持續發展的景觀生態學途徑[52]。

2.2 農作物種植格局的社會-生態效應

農作物的社會-生態效應包含了其生態過程、資源環境效應和農作物多樣性的效應等(圖2)。全球變化、土地利用變化、局地環境變化及農業管理措施變化對農田生態系統產生了重要影響,改變農作物種植的生態過程[53](表1)。農業生態過程的研究,在農作物層級關注農作物的作物類型和種植模式,作物物候及生長過程、光合作用及植物群落聚集的生態功能[54]；在農田斑塊層級,重點關注水量平衡、農田土壤過程、作物生長等生態過程的影響及機制[55- 56]；在農業生態系統層級,需要考慮施肥、病蟲害治理、收割、灌溉等農田管理及其環境效應[57]；在農業景觀層級,明晰農作物景觀變化對生物多樣性、農田生境破碎化、種群和群落過程、生態系統服務和農業景觀多功能性的影響[58]；在農業區域層級,關注全球變化(極端氣候、CO2和CH4排放、耕地變化)引起的農業經濟過程變化[59]。氣候變化過程對早期的農業景觀起到主導性作用,而當前農業技術的進步,農業人口密度、農產品價格、經濟效益、市場因素以及區域農業政策等對農業生態過程和景觀格局都有顯著影響[60]。

耕地數量減少和質量下降,農業用水受限,農業勞動力數量銳減和農業環境污染加劇等資源環境問題一直是約束農業可持續發展的重要條件,轉變農業土地利用方式,減少農業作物的生態足跡和溫室氣體排放,是通過改變農作物種植格局調控社會-生態效應的重要途徑[61]。此外,農藥使用格局特征與環境過程、有機廢棄物循環利用帶來的新型污染物(抗生素抗性基因、微塑料等)的生態過程響應及其環境效應等,與農業土壤健康和食品安全密切關聯,也可以是農作物種植格局的社會-生態效應的主要內容。農作物隨經濟活動變化頻繁,均質化和集約化是農業區的典型種植模式,對景觀功能和生態過程都產生顯著性的影響[62]。以提升耕地資源、水質和農業投入利用效率為切入點,構建健康、安全和可持續的農業資源環境系統[63]。

盡管與自然生態系統相比,農業生態系統服務能力有所下降, 但其在提供農產品的同時還在向人類提供大量的生態系統服務[64],其中糧食生產、土壤保持、授粉、病蟲害控制、作物基因多樣性維持、休閑娛樂和農業景觀美學等多項生態系統服務都是農業生態系統的重要功能。研究表明農業區維系了全球約50%的野生瀕危物種[61]。農業景觀生物多樣性喪失嚴重,特別是遺傳資源保護、害蟲生物控制、自然授粉及鳥類和昆蟲類棲息地的功能喪失[61]；農田半自然生境面積減少,食物鏈網絡簡化,直接導致生物多樣性的損失[65]。

2.3 農作物種植格局可持續性的景觀生態途徑

圖3 農作物種植系統可持續性的景觀生態途徑Fig.3 An integrated landscape ecology approach for cropping system sustainability

“格局-過程-功能-服務-可持續性”的級聯范式影響著當代景觀生態學的理論與實踐[66]。通過定量分析農作物種植格局的動態特性,評估其對農作物生態過程和功能的影響,提升農業生態系統服務能力,實現農業可持續發展,也可遵循 “格局-過程-服務-管理-可持續性”范式開展農作物景觀生態研究(圖3)。農作物種植格局的大規模變化與農業管理措施與政策如高標準農田建設、耕地質量建設、農業土地規模化經營密切相關,基于此開展農業生態修復、提升農業生態系統服務能力、保護生多樣性是農業可持續發展的景觀調控途徑[62]。將農作物景觀生態調控途徑通過農作物景觀格局、生態過程、生態系統服務、農田生產管理和農作物種植可持續性五個部分進行解構,開展方法集成,研究目標和內容有機結合,為實現農業生物多樣性保護和糧食穩產增產的生態系統權衡與協同的多重目標實現雙贏(圖3)。

3 農作物景觀生態研究的主要方向

基于農業景觀等級結構及農作物景觀生態研究框架的梳理,當前農作物景觀生態研究可從農作物格局時空動態及其形成機理、農作物種植的多功能評價及權衡、景觀農藝管理措施及情景模擬、可持續的農作物景觀生態評價途徑四方面入手開展農作物景觀生態研究,其關聯關系見圖4。其中,農作物格局時空動態及其形成機理是數據與理論基礎,為相關研究的前提；農作物種植的多功能評價及權衡是指導農業作物多樣性戰略規劃及農業管理措施制定的依據；景觀農藝管理措施制定及其情景模擬為政策制定者和農戶生產者等依據格局和功能的變化及其空間結構優化提供實踐應用和策略；可持續途徑評價與設計是在格局、過程和服務規律基礎上,基于管理措施情景,制定評判可持續能力的途徑與設計,最終服務于調控農作物種植格局。

圖4 農作物景觀生態的近期研究方向Fig.4 The research directions of cropping landscape ecology

3.1 農作物格局時空動態及其形成機理

農業景觀格局與生態過程是景觀生態學研究的傳統領域,是農作物景觀受到農業綜合布局和種植制度的結果,然而各尺度上的農作物種植格局變化規律及其形成機理尚不完全清晰。未來需要針對農作物的高動態性及均質性,開展農業景觀格局方面的研究；重點探討農作物組成、空間配置及其種植面積的變化,闡釋農作物景觀格局變化規律及其驅動機制。加強遙感監測能力與統計數據的精度,分析農作物景觀的年內、年際動態特征,針對全國、區域及局地尺度的農作物組成特征,開展農作物格局動態分析及其驅動機制的關鍵自然條件變化、農業社會經濟要素及市場要素對信息快速反映的農作物系統動態模擬,為進一步的農作物生態過程、生態系統服務及農業管理提供基礎數據。

3.2 農作物種植的多功能評價及權衡

多功能農業景觀是促進農業可持續發展與人類福祉提升的重要途徑[22]。農業景觀多功能評價,通過集成現有的農業生態系統服務評價模型,針對農業景觀多功能的特性,開展糧食生產、土壤保持、自然授粉、病蟲害控制、作物多樣性基因維持、休閑娛樂及農業景觀美學等生態系統服務的評價,提升農田生態系統生態服務能力[67]。目前,農業景觀服務的權衡與協同尚未清晰。農業多種功能之間的關聯,多功能農業景觀的空間制圖、農業多功能相互作用機理解析、動態演變及其趨勢預測、情景模擬等尚待推進[68]。我國農業發展進入新階段,綠色發展和集約化生產成為新趨勢,高標準農田建設及農業土地整理,改變了區域農業的生態系統服務能力；授粉服務、調節服務和水土涵養等多方面的生態服務發生了變化,揭示多功能農業景觀的權衡機理,實現農業景觀功能的綜合效益最大化,是當前農業景觀多功能評價關鍵問題[69]。

3.3 景觀農藝管理措施及情景模擬

農業管理主要開展農田土壤有機碳、種植模式、作物多樣性管理等技術措施,以及施肥、澆水及病蟲害管理等對農作物種植格局的影響。景觀農學是明晰農作物格局的農業管理產生特征與通過探討農業管理實踐是如何影響景觀格局,進而推進農業景觀設計；開展農業管理、自然資源與景觀格局之間的關系及其如何影響農業景觀動態[26]。景觀研究向決策者提供有關農業景觀動態帶來正面和負面影響需要面對的知識[26],以便促進對多功能景觀設計的支持。以往,景觀農藝忽視農田周邊的局地景觀,產生了不少的農業生態環境問題[70],需反思農業的增長模式,減少對自然資源的影響和提升農業生態系統服務的能力。提升作物空間異質性是增加營養多樣性的有效方法,但利用農作物空間異質性制定糧食穩定增產的政策尚未引起決策者重視,需要制定管理措施情景模擬的方式,為決策者提供政策工具。

3.4 可持續的農作物種植系統的景觀生態評價

維持農業可持續發展的一個關鍵問題是如何滿足對初級產品日益增長的需求,同時保留甚至加強生態系統服務。農業可持續性考慮為當今人口提供充足的糧食、纖維和燃料供應,同時不損害向子孫后代提供同樣服務的能力[14]。農業可持續性取決于多種因素,例如：分析的目的、生產和分配系統、政策條件、利益相關者的價值、位置、時間影響、空間尺度、基數和情景[14],在當地和不同的農業生態、經濟和社會條件的具體限制范圍內實現。農業生產涉及以合理的價格為所有人都提供高質量的飲食,維持農民的收入,維持農業系統的自然資源基礎(如土壤質量),以及維持生態系統的支持和供給功能。農作物與人類福祉更多涉及糧食安全,解除饑餓,對主糧和蛋白質需求等等。因此,有必要基于長時序序列數據的農作物景觀格局與農業生態系統服務動態變化規律,以人類需求與福祉為目標,調控農業生產活動和開展農業景觀可持續性能力設計。

致謝：感謝湖南省農業科學院譚杰揚老師提供水稻影像與圖片,感謝北京大學彭建教授，北京師范大學劉焱序博士對寫作的幫助。