虫害对草地生态系统生物量危害损失评估

2014-03-07李林懋欧阳芳门兴元

生物灾害科学 2014年1期

李林懋，欧阳芳，戈峰，丁楠，门兴元*

(1.山东省农业科学院植物保护研究所/山东省植物病毒学重点实验室，山东济南 250100；2.中国科学院动物研究所/农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室，北京 100101)

0 引言

草地生态系统是地球三大陆地生态系统之一，是陆地生态系统的重要组成部分[1]，也是我国陆地面积最大的生态系统类型[2-3]。草地生态系统在生态、生产和生活功能之间形成了密切相互作用的逻辑关系，具有调节、支持、生产和信息服务功能。草地是牧民赖以生存的直接生产资料。保护草地生态功能，对维护生态屏障安全和保护生物多样性具有重要意义[4]。我国草地面积从2000年的2.78亿hm2，逐年增加，其中在2002年增加最快到3.90亿hm2，之后缓慢增加，到2010年的3.92亿hm2，约占国土面积的40.8%，占世界草地面积的13%[5],居世界第2位。草原上致灾因子种类多样，有害生物主要有327种，其中虫害就有69种（农业部文件[1988]农[牧]字第77号发布，根据1997年12月25日农业部令第39号修订）。草原的害虫分广布，数量多，危害大，给草原畜牧业生产带来了严重的威胁。害虫在草原生态系统中处于重要的地位,它们的活动强烈地影响着草原生态系统的动态平衡。由于我国幅员辽阔，地势多样，加大了有害生物对草地生态系统所造成危害损失的评估难度。定量评估草地生物灾害，掌握灾害变化趋势、空间分布规律，可为防灾减灾策略提供依据。

刘兴元等[6]在草地生态系统服务价值评估方面，系统全面综述了国内外学者从不同角度和区域，利用多种方法开展广泛的研究，此类研究对人类认识草地生态系统服务功能的重要性和完善草地生态服务价值评估方法具有重要的作用。但我国目前与农林业相结合的有害生物灾害损失评估方法主要是直接经济损失评估方法和森林生态服务价值损失估算方法。前者采用传统的实物量价值核算方法，即采用各种指标直接计算损失的实物量价值[7]。森林生态效益损失评估方法主要分为2大类：①替代市场技术类评估方法；②模拟市场技术类评估方法[8-9]。草地生物灾害损失评估目前国内主要是依靠对于有害生物发生面积、发生等级及发生次数等方面的测报，不足在于只能定性，非定量，所提供的信息不足。草原虫害的防治，在一定程度上就是调整和恢复草原生态系统的动态平衡，提高草原生产能力，因此对有害生物所造成草原生态系统生物量损失的评估具有重要意义。

生物量（biomass）是指某一特定观察时刻、某一空间范围现有的个体数量、重量（狭义的生物量）或者含能量，它是一种现存量，生物量在生态系统的研究中占有重要地位。生态系统的主要研究对象是系统中和系统之间的能量流动和物质循环，这是生态系统两大功能和过程。目前生态系统的概念和原理已被许多研究拿来解决密切相关的问题。生态效率（ecological efficiencies）是指各种能流参数中的任何一个参数在营养级之间或营养级内部的比值关系，这种比值关系也可以应用于种群之间或种群内部以及生物个体之间或生物个体内部[10]。在生态学研究中，可以利用对各个环节间的传递效率来估计能流的传递情况，现代生态学通常利用生态效率和生物量来估计有害生物对生态系统的损失量。本研究首次利用有害生物对生态系统所造成损失的生态能学估算方法，根据2000年至2010年全国植保统计资料、农业和林业统计数据和遥感数据，分别以全国和省为评估单元，分析评估区域主要草地害虫空间分布特征和变化趋势，评估了我国虫害对草地生态系统生物量的损失，以期为分析受灾区的成本投入和制定防治策略，及单元内虫害对草地生态系统的影响评估提供数据支持和方法借鉴，为全国减少生物灾害胁迫影响的宏观战略措施的制定提供支撑。

1 材料与方法

根据草地被害量与害虫摄入量的相关性，以及生态学效率数据和野外调查数据，采用生态效率估算，可得草地主要害虫的摄入量，再估算草地损失量。

1.1 草地生物量损失估计公式

表1 生态效率估算损害量参数

种群生产量P为其生长生产量Pg和生殖生产量Pr的之和。当生殖生产量Pr很小时，可以忽略，重点估算种群生长生产量Pg。净生态学效率NEE为生产量与同化量的比值P/A，同化效率AEE为同化量与摄入量的比值A/I。表1提供了估算过程中涉及的英文字母代表的参数名称。L为草地损害量，损害系数Dc值因不同有害生物的为害方式与作用类型而异。为害叶片如食叶性咀嚼式害虫（狭翅雏蝗）和贮粮害虫（粉斑螟），摄入量估算为损害量，即损害系数Dc为1；而为害根部，茎干或者花果等有害生物，除去其摄入量造成的损失，还会造成其他某些器官或部位的损害，以致增加了其对植物的为害程度，此类有害生物的损害系数Dc大于1。这里用损害系数Dc为1计算。基于以上估算过程，将植物损害量L和挽回损失量RL简化为：

图1 中国草地虫害发生范围

k为参数，可以通过文献资料数据估算。植物损害量L与种群密度PD、发生面积OA和个体生物量IB相关。从而通过获取这 3个指标变量，可以计算出确定时间段草地虫害损害量，即生物量损失。同理，挽回损害量RL与种群密度PD、控制面积CA和个体生物量IB相关。

1.2 数据来源

1.2.1 虫害发生面积图1为卫星遥感数据，显示全国草地覆盖区域，即草地虫害发生范围。表2列出的昆虫是草地害虫中主要类群，为小型蝗虫、中型蝗虫、草原毛虫和草地螟。所列6种蝗虫为我国草地常见蝗虫中的优势种[11]。其防治指标作为种群密度估算。草原害虫主要类群及防治指标均来自草原治虫灭鼠实施规定（修正）（农业部文件[1988]农[牧]字第77号发布，根据1997年12月25日农业部令第39号修订）。

表2 草地几种主要害虫的防治标准

表3 主要害虫的部分参数值

1.2.2 评估参数草地主要害虫的部分参数值见表3，估算所用参数数据通过查阅文献得到。选择昆虫的鲜重作为生物量（狭义），均来自文献[12-14]。采用用蝗虫和鳞翅目昆虫的同化效率和昆虫净生态效率平均值[15]计算生态效率。

图2 全国三大部和七大区平均每年虫害造成草地损失量

1.3 分析步骤

利用不确定分析方法估算生物灾害对受害对象损失值的范围，或损失值的置信区间[16]。

1.4 数据分析

文中数据是由ArcGIS地理信息系统软件和Excel 2003软件分析，图1和图5是由ArcGIS地理信息系统软件制作，其他图均由Excel 2010制作。

图3 2000—2010年全国中、东、西部虫害对草地造成的损失量

2 结果

全国2000年至2010年平均每年由于虫害造成草地的损失量为 230.9万t，其中东部所占比例较少为4%，西部和中部分别占35%和61%，共占比例高达96%，占了全国草地损失的绝大部分（图2）。

全国分区中，华北地区所占比例最大，西北和华北地区共占损失总数的86.94%；东北和西南区共计12.56%；由于华东、华中、华南各地区所占比例很小分别为 0.01%、0.18%、0.02%，因此忽略不计，未在图中显示。

图4 2000—2010年全国七大区虫害对草地造成的损失量

图5 中国草地虫害损失分级

全国因虫害损失的草地生物量自2000年175.9万t逐年增加到2004年286.1万t，11年间损失量呈现先上升后下降后上升再下降的趋势。2004年之后损失量下降，2005—2007年出现损失量低谷，2006年为除2000年之外10年的最低值，年损失量降至177.0万t，2008年达11年损失量峰值328.5万t，2009—2010年又呈现下降趋势。全国中、东、西部，中部地区损失量走势与全国走势基本相同；西部呈缓慢上升趋势，东部年损失量最少，峰值和最小值分别为2002年 13.1万 t和2001年5.5万t，各年损失量变化趋于平稳，见图3。

全国七大区中，华北地区损失自2000年后逐年升上，至2004年上升至 190.1万 t，2005年骤降为11年最小值85.7万t，之后两年趋于平稳，2008年骤升为峰值197.5万t，之后两年逐年下降，至2010年达109.2万t。西北地区损失逐年增加，2008年为11年峰值94.3万t；东北，西南两区损失量相差较小，逐年变化小，均呈波动上升趋势，见图4。

将全国范围内虫害所造成草地损失量分为5级，各地区虫害发生强度分布如图5所示。其中内蒙古省年均损失量占全国总损失量的53.47%，其他各省占比例较少，天津、上海、浙江、江西、贵州五省几乎无损失，见图6。

图6 中国各省份草地虫害年均损失量

3 结论与讨论

3.1 草地生物灾害危害损失评估的价值

占地球陆地总面积 52.17%的草地生态系统蕴藏着巨大的生物量。它不仅是发展国民经济的物质基础，还是维护陆地生态系统的天然屏障[17]。它不仅为人类提供了大量产品，而且提供了多种生态服务，如每公顷草坪每天吸收二氧化碳900 kg, 释放氧气600 kg[18]。由于人类对草地生态系统服务功能的利用的不断开发，人为干涉造成的草地退化、沙化、盐碱化——“三化”现象受到重视，但虫害造成的草地生物量的损失受关注程度相对较低。中国草原生态系统结构复杂, 不同类型的草地其生态功能各异, 就同一种功能在不同的草地类型中所产生的价值也是相差甚远。因此, 要构建一套真正适合我国草地实际情况的评估体系任重道远。

草地生态系统服务功能体现在3个方面，即生态功能、生产功能和生活功能。虫害所造成草地生物量的损失直接影响其生产功能，而草地的生产功能是对草地生态系统生产属性的具体反映，主要表现在初级经济植物产品的开发（草产品、药材、菌类和燃料等）和次级产品（奶、肉、毛、皮等）的输出。辽阔的草原除长有种类繁多的优良牧草，还蕴藏着十分丰富的经济植物（包括藻类、菌类、蕨类、裸子植物和被子植物等），它为饮食业、医药业、工业、环境保护及美化等国民经济领域提供了大量的原料和成品，同时带来很高的经济效益。谢高地等[19]利用生物量对Costanza等[20]的服务功能单位面积价值进行了校正后，对中国18个草地类型的生态服务价值估算结果为1 497.9亿美元，青藏高原高寒草地生态服务价值为2 571.78亿元。资料显示，我国每年的牧草需求量为1 000万t[21]，本研究利用生物量的方法估算出虫害造成达年均230.9万t草地损失，占全国牧草总需求量的23.1%，危害损失巨大。由于我国草地分布范围广，分布不均衡，波动性大，应加强重点区域的草原虫害监测和预报，并制定应对草原虫害治理策略。

3.2 生态能学评估法优势和不足

本文所提出的基于有害生物生物量评估生态系统损失的方法，利用全国植保统计资料、农业和林业统计数据和遥感数据，即刻定量虫害等生物灾害对草地等受灾对象造成的损失，及危险性、受灾区损失程度等，从而估计受灾区应灾能力的成本投入和防治措施，将为全国草地虫害影响的宏观战略措施的制定提供支撑。

局限性在于本文用于评估虫害对草地生态系统损失的方法，采用了防治指标作为种群密度进行估算，由于全年草地虫害发生量可能高于防治指标所提出的程度，因此用防治指标作为密度计算在某些程度上低估了有害生物造成的损失。另有主要害虫参数，如鲜重、生态效率等仍需要继续测定补充完善，使估算结果更加贴近实际。

从评价结果来看，该研究是利用了植保统计资料、农业和林业统计数据利用生态系统能流的特性，经过科学合理的估算方法，得到草原有害生物对草原所造成直接的损失量。这种估算方法简单易行，具有一定程度的可操作性。它为我国草原生态功能价值核算体系的构建、我国草原生态系统服务价值的核算以及草地有害生物造成的损失核算体系的构建提供了可鉴的数据和估算方法, 同时也为草地资源的科学管理与合理利用敲响警钟。

[1]Huyghe C.New utilizations for the grassland areas and the forage plants: what matters?[J].Forages, 2010, 203: 213-219.

[2]陈百明.中国农业资源综合生产能力与人口承载能力[M].北京：气象出版社, 2001.

[3]中华人民共和国农业部畜牧兽医司, 全国畜牧兽医总站.中国草地资源[M].北京：科学技术出版社, 1996: 45-47.

[4]刘兴元, 龙瑞军, 尚占环.草地生态系统服务功能及其价值评估方法[J].草业学报, 2011, 20(1): 37-43.

[5]张镱锂, 刘林山, 摆万奇, 等.黄河源地区草地退化空间特征[J].地理学报, 2006, 61(1): 3-14.

[6]刘兴元, 牟月亭.草地生态系统服务功能及其价值评估研究进展[J].草业学报, 2012, 21(6): 286-295.

[7]宋玉双, 苏宏钧, 于海英, 等.2006—2010 年我国林业有害生物灾害损失评估[J].中国森林病虫, 2011, 30(6): 1-4.

[8]魏汉林, 谷建才, 郑金权.森林资源生态经济效益评估方法综述[J].河北林果研究, 1997, 3(12): 258-259.

[9]张明霞, 张贵.林业有害生物灾害评估内容和方法探讨[J].湖南林业科技, 2007, 34(2): 74-76.

[10]孙儒泳.动物生态学原理[M].北京师范大学出版社, 2001.

[11]康乐, 陈永林.草原蝗虫营养生态位的研究[J].昆虫学报, 1994, 37(2): 178-189.

[12]颜忠诚, 陈永林.内蒙古典型草原蝗虫个体大小与体重之间关系的探讨[J].昆虫知识, 1996, 33(4): 209-210.