基于生物多样性和生态系统服务的生态农场景观设计*

弓 成, 刘云慧,2**, 满吉勇, 乔玉辉,2, 李 季,2

基于生物多样性和生态系统服务的生态农场景观设计*

弓 成1, 刘云慧1,2**, 满吉勇1, 乔玉辉1,2, 李 季1,2

(1. 中国农业大学资源与环境学院 北京 100193; 2. 中国农业大学生物多样性与有机农业北京市重点实验室 北京 100193)

近年来随着民众对良好生态环境和优质食品需求的增加, 生态农场在我国蓬勃兴起。如何设计和建造生态农场成为新的研究领域。其中将生物多样性和生态系统服务整合到生态农场设计被认为是保障生态农场可持续生产的关键。本研究在回顾生态农场发展历程, 分析生态农场中生物多样性的内涵, 总结生态农场的景观结构、生物多样性和生态系统服务的关系及其应用的基础上, 提出了以提升和利用生物多样性和生态系统服务为目标的生态农场景观结构优化的设计原则。研究建议生态农场的景观设计应主要包括农场与周围景观的关系、种植系统设计和有益生物栖息地的保护和重建3方面的内容, 并具体提出了每个方面需遵循的一般设计原则。同时, 研究以我国南方水稻主产区新建水稻生态农场设计为例, 印证了上述原则和方法在实践中的可行性。研究表明, 为了更好地将生物多样性整合到生态农场建设中, 未来需要深入认识生物多样性及其生态功能, 认识生物多样性与农业产量和收益的关系, 开发利用能够促进有益生物多样性和生态系统服务的功能植物, 并推动生态农场实施生物多样性保护的生态补偿政策的制定。本研究对推动将生物多样性保护和生态服务管理整合到生态农场设计提供了方法指导和实证, 对生态农场的发展建设具有参考借鉴意义。

生物多样性; 生态系统服务; 生态农业; 生态农场; 景观建设; 景观设计原则

“生态农场”是应用生态学的观点和方法, 以“农场”作为一个整体的农业生产实体, 把贯穿其中的各种生物群体, 包括植物、动物、生物、微生物, 以及生物与非生物环境间的能量转化和物质循环联系起来, 对“环境-生物”系统进行科学合理的设计, 以达到最大生物产量和维护生态平衡的农业发展模式[1]。近年, 随着公众对生态环境问题的关注和对更加健康、安全的食品需求的提高, 生态农场在我国日渐兴起, 成为生态农业的具体实践单元。据统计, 全国农户家庭农场已超过87万个, 其中经农业部门认定的达到41.4万个[1], 已登记发证的农民合作社188.8万家, 农业产业化经营组织38.6万个[2]。鉴于生态农业的发展对解决资源环境危机有重要促进作用, 为快速建设生态农场提供理论和技术支持也成为农业生态学家研究的重要内容[3]。

生物多样性是动物、植物、微生物和它们所拥有的基因及它们与其生存环境形成的复杂的生态系统[4]。通常认为生物多样性包括遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性4个层次, 是人类生存和发展的基础, 也是农业可持续发展的保障[5]。在农业生态系统中, 生物多样性可提供多种农业可持续发展所需要的生态服务, 包括支持服务(如养分循环和土壤形成)、调节服务(如害虫控制、作物授粉、气候调节、水体净化)、供应服务(即提供农产品)、文化服务(如教育、娱乐和美学价值)[6-7]。通过保护或提升生物多样性水平、充分发挥并利用与生物多样性相关的各项生态系统服务来提升粮食生产的可持续性, 已成为保障未来粮食生产和食品安全的重要措施[8-9]。构建生态农场的合理景观格局是保护和利用农场生物多样性、保障农场可持续生产所需的生态系统服务的重要途径, 也是生态农场建设成功的关键。然而, 我国生态农场起步较晚、发展迅速, 缺乏对其景观设计的系统性总结和方法指导。本文在国内外景观生态学理论基础上, 对农业景观设计和生物多样性的保护与利用相关研究进行梳理, 归纳出生态农场建设过程中以保护和利用生物多样性及其相关的生态系统服务为目标的生态农场景观设计的一般原则和设计方法, 并结合我国南方水稻(L.)主产区新建生态水稻农场的具体案例, 进行应用示范, 以期探索可供实践参考的生态农场景观设计方法, 为未来生态农场建设提供指导。

1 生态农场生物多样性的内涵

在一个农场中, 与可持续生产相关的生物多样性可划分为遗传、物种、生态系统和景观4个层次。其中, 可以保护和利用的生物多样性包括: 1)生态农场周围景观的景观多样性。生态农场并非孤立的存在, 它与周围的景观有各种各样的联系, 例如物质流、能量流和信息流的交换。周围景观的状况对农场内生物的物种组成和多样性水平及农场内部的微气候、污染物等都会产生影响。需要保持农场周围景观的多样性, 构建农场与周围自然、半自然生境的连通性是保障生态农场生态环境的重要内容。当周围景观存在不利于可持续生产的因素时则有必要设计缓冲区, 以避免周围景观对农场产生不利影响。2)农场内部生境和生态系统的多样性。农场内部生境不仅包括农田生态系统, 也包括非农田生境及其承载的生态系统, 如农田边界区域、坑塘、防护林、河岸边坡区域、树篱等。非农生境和生态系统能为农场内有益生物提供避难所、栖息地、可替代的食物来源和越冬场所。同时, 有提供微气候调节、污染物防控与消解、景观美化、休闲娱乐和文化教育等功能。3)有益生物多样性。生态农场中有很多动、植物及不易观察到的微生物, 为农业生产提供多种必要的生态系统服务。这些有益生物包括: ①土壤生物(土壤微生物和土壤动物)。它们能促进形成并维持土壤健康, 也为植物提供营养。②捕食者和拟寄生生物。它们能提升农场内生物害虫防控能力, 降低农场生产对化学农药的依赖。③传粉昆虫。它们不仅有助于稳定和增加授粉作物的产量[10], 还可以提升食物的营养价值和商业价值[11-12]。4)作物遗传多样性和物种多样性。此类生物多样性更能满足当前消费者对食品健康性和安全性日益提升的需求, 从而提升农产品附加值, 保障农场的收入。其中,作物种类和品种的多样性是消除连作障碍、改善土壤肥力、防治病虫害爆发的重要因素[13-14]。

2 景观结构、生物多样性、生态系统服务与景观设计

景观生态学研究认为, 结构决定功能, 结构是功能的基础。景观结构包括景观组分的空间分布和组合特征(如斑块的大小、形状及空间构型等), 也包括景观组分非空间特征(如斑块的类型、面积比例等)。景观结构多样性和复杂性是生物多样性的基础, 由此影响到与生物多样性相关的生态系统服务[15]。因此, 通过设计各景观要素的组成、配置和数量等, 促进生物多样性的保护和生态系统服务的提升, 成为农业可持续发展的重要措施和研究方向[7,16]。在区域土地利用过程中, 有研究者提出格局-过程-设计新范式推动将景观生态学理论应用于社会实践[17], 并提出了一系列土地利用过程中如何设计斑块、边缘、边界、廊道和镶嵌体的指导原则[17]。在农业景观中, 现代集约化的农业生产导致农业景观结构在不同尺度上不断简化[18]。在生态农场中表现为在地块尺度上的作物多样性和作物混合种植程度降低, 在景观尺度上多年生生境转变为耕地、边缘生境(树篱、农田边界、缓冲带)或遭到破坏, 在时空尺度上土地利用模式的复杂性降低。已有大量的文献报道了关于景观结构的简化对农田生物多样性的负面影响[19]和由此引起的生物多样性及其相关的诸多生态系统服务(如害虫控制[20-22]、传粉[23]、污染物消减[24]等)的减少。

研究者在相关理论和案例研究的基础上提出了一些有利于农业景观生物多样性保护和生态系统服务功能提升的景观设计理念(表1)[7], 这些理念推动了利用农业景观生物多样性和生态系统服务的生态农场实践。例如, 荷兰的绿色-蓝色空间设计[25]以优化景观配置为方法提高了农场中害虫生物控制服务; 在美国密歇根州, 通过在蓝莓(L.)地中有选择地种植支持传粉者的本地开花植物, 能够提高农场中传粉服务, 并增加蓝莓产量和农场收益[26]。农场尺度的景观设计逐渐引起重视[27], 并在国外的研究和实践中显示出良好的生产和生态效益。例如, 一项在英国农场的研究表明, 分别将农场中3%和8%的农田用于创建野生动物栖息地不仅未减少农场总体产量, 其中部分作物的产量还有所提高。该案例证明了支持生物多样性和生态系统服务与保障农作物产量是可以通过对生态农场景观的优化设计实现平衡的[28]。国内生态农场对于景观设计的需求和重视也在不断增加, 但仍仅停留在个别案例设计的尝试阶段, 缺少从景观生态学理念出发并综合考虑生产和生态效益的系统探讨[29]。

表1 维持和提升农业景观生物多样性和生态服务的景观管理理念[7]

3 生态农场景观设计的总体原则

生态农场景观设计的目的是通过对农场景观结构的优化, 更好地协调农场的生产和生态功能, 实现良好的物质和能量循环以保障系统的稳定性, 减少对外部投入的依赖性的同时拓展系统除生产以外的文化、教育等附加价值, 实现生态农场中多种生态服务的协同发展。为此我们建议在生态农场的景观设计中遵循以下原则。

3.1 模拟自然的原则

对自然生态系统和农业生态系统的大量研究都表明, 生物多样性与初级生产力、养分维持和系统在经历压力之后的恢复力呈正相关关系[6,30-31]。因此, 生态农场对生物多样性的保护和利用可以从景观结构和功能及物种多样性配置等方面模拟自然生态系统[32], 构建“作物-乔灌草”相结合的复合群落结构和多营养层次协同运行的生态模式, 以期通过较小的外在投入获取更加理想的生产产出。在生态农场景观设计中可以根据生物在生态系统的生态位和生物在生态系统的营养层级等, 根据生态位的互补和物质循环利用的原则进行设计。这需要设计者对不同生物的自身特性、物种间的相互作用等生态学知识有充分的了解, 才能制定出符合模拟自然原则的物种配置和景观设计[14]。

3.2 生产与生态协同的原则

在兼顾农场生产收益的同时考虑对生物多样性的保护和利用, 尽可能通过提高生态系统服务功能来满足农场生产活动对资源的需要。增强农场系统的自我调节能力和稳定性, 降低农业生产活动对外界物质能量投入的依赖和对环境的污染。

3.3 本土性的原则

注重对本土植物的保护和利用。本土植物不仅是当地生物多样性的重要组成部分, 也对本地自然环境条件有更好的适应性和更低的危害性。利用本土植物是保护对当地气候环境有适应性的本土基因资源的良好模式, 同时有利于减少生态农场的建设和管护成本, 降低外来物种入侵带来的生态风险。

3.4 时空异质性的原则

景观要素的空间和时间格局对生态系统的水土、生物、养分等过程有重要影响作用。应当从时空尺度上进行生态农场的景观设计, 通过对各组成要素的时空格局的调控和优化提升农场整体的系统功能和稳定性。

3.5 多功能性的原则

生态农场除了保障农业生产目标, 还应尽可能兼顾多功能性。例如, 农场的景观美学功能、休闲观光功能、文化教育功能等等。多功能性是多生态系统服务带来的福祉, 可推动农场综合效益的提高。

4 生态农场景观建设的内容和设计原则

生态农场的景观建设需要考虑农场与周围景观的关系、功能性植物的配置和有益生物栖息地的保护和重建3个方面。

4.1 农场与周围景观的关系

4.1.1 农场与周围景观关系构建的主要内容

生态农场的建设不能脱离周围景观。在生态农场的设计和建设中需要考虑周围景观是否具有以下情况: 1)水。周围景观中受污染的水体(包括地下水)可能会严重影响农场生境质量, 应避免在周围水体有污染的区域建设生态农场; 农场内部的沟渠、溪流、水塘等水体应该保持与周围地表水系的连通; 农场排水应做必要的处理以防止污染物过量流入周围景观。2)土壤。避免农场及周围景观的土壤污染。3)植被。注意通过构建线性林带或草带保持与周围景观中植被的连通, 如果需要间隔应保持间距在200 m以内, 以方便昆虫、鸟类和小型动物迁移可达; 植被的构成也应该参考周围景观中的植被结构并尽可能选取本土植物, 以利于后期丰富本土动物群落的形成[27,33]。4)动物群落。避免农场生产对周围景观有益动物的影响。5)周围居民区及道路。避免距离居民区或主要干道过近。

4.1.2 农场与周围景观关系构建的基本原则

1)污染和干扰最小化原则。农场周围景观应该处于无污染的状况, 且无影响生态环境质量的生产或经营活动。同时农场也应当采取生态管理模式, 避免对周围景观输出污染与干扰。在必要的情况下应建立缓冲区或缓冲带, 防控周围景观对农场的污染或农场污染排出对周围景观的影响。

2)连通性和相似性原则。农场内部的非农生境应与周围景观保持连通。保持农场半自然生境植被结构与周围景观中自然、半自然生境中的植被组成和结构的相似性, 以最大限度地保障景观在视觉、动物群落乃至景观和生态系统服务功能上的连续性。

4.2 种植景观设计

4.2.1 种植景观建设的模式

生态农场的主要经营业务是作物生产。开展多样化的种植一方面可增加农场的作物多样性和遗传多样性, 可以视为生物多样性的农家保护(on-farm conservation); 另一方面多样化的种植模式可以增加农场的生物多样性和稳定性, 减少对化肥和农药的依赖。作物多样化种植的具体配置有如下模式: ①多品种混合种植: 同一作物的不同品种混合种植。②作物轮作: 在同一地块上轮流种植不同的作物, 是时间尺度上的作物多样性。③混作: 在同一地块上种植多种作物或多种品种, 在空间尺度上提升多样性。④农林复合种植: 作物与乔木混合种植, 同时具有时间和空间尺度上的多样性。⑤填闲作物种植: 在作物休耕季节, 种植景观植物、绿肥、覆盖植物等, 维护资源在时间和空间上的连续性, 在防治水土流失、吸附过量养分及农药的同时推动土壤养分涵养并为农田生物提供补充的食物来源。

4.2.2 种植景观设计的原则

种植景观的建设可进一步考虑以下原则[32]: ①功能特征互补性原则: 不同物种对资源的时空需求不同, 利用这种差异可以促进系统资源的充分利用。②互利互惠与竞争原则: 作物多样化种植的设计要尽量利用作物之间的互利互惠作用, 也可考虑利用作物之间产生有利效益的相互竞争作用。例如在作物间套作过程中, 一种作物可能促进另一种作物对某些难以吸收的养分资源的吸收; 在某种情况下(如氮含量高的土壤中), 豆科和谷类作物之间会竞争氮素资源, 可能使豆科作物比其单作时固定更多的氮。③多营养层次原则: 通过增加植物多样性重建生态系统的食物链网络, 有利于将“集中用药”的害虫防控模式转变为“系统预防”的模式, 从而降低农田病虫害的发生和对外部投入的需求。

4.3 有益生物栖息地的保护和重建

4.3.1 有益生物栖息地的保护和重建内容

生态农场中的非农生境对于维持有益生物是必需的。非农生境为有益生物提供生境、越冬场所和躲避农田不利管理的避难所, 同时也在农田中食物较少时为有益生物提供替代食物或者寄主, 从而维持或提高有益生物的数量。国外也将这些非农生境作为农业生产必需的基础设施之一, 称之为农业绿色基础设施。生态农场的景观设计一方面应当有意识地保护农场中现存的非农生境, 如防护林带、农田边角地、田间岛屿等。另一方面, 可通过人工营建的方式复建、新建有益生物栖息地。当前此类有益生物栖息地/绿色基础设施, 可借鉴国外设计的多花带、甲虫带、树篱、缓冲带等[33-34]。

4.3.2 有益生物栖息地的设计原则

1)斑块面积。一般认为面积较大的栖息地能够维持更多的物种多样性, 但是面积小且高度异质的多个小栖息地斑块组合也可能维持较高水平的生物多样性。因此, 应在尽可能保护和建立大面积栖息地的前提下维护多个高度异质的小栖息地, 构建大、小相间的栖息地镶嵌体[33,35]。

2)占地比例。为能有效阻止农田景观多样性的降低和集约景观中生物控制功能的丧失, 一般要求农用地中应有不少于5%的土地用于有益生物的栖息地/绿色基础设施的建设[33]。在可能情况下, 保留景观面积10%~20%的栖息地/绿色基础设施[36-37]将获得更理想的生物多样性改善效果。

3)植被营建。①尽可能选择本土物种。本土植物有耗水量和需肥量少的优点, 且最有可能抵抗害虫、疾病和杂草流行病, 并能在最少的管理下茁壮生长。在本土植物不易获得时可引入外来植物, 但要避免种植有潜在病虫草害或促进作物病害的植物。②根据目标物种的生理特性及其喜好有针对性地增加植物多样性[38]。以黄蜂为例, 因其口器较短, 而无法取食藏在较深蜜腺中的花蜜, 所以要吸引黄蜂需种植容易取食到花蜜的植物,如金盏花(L.)和榆叶梅[(Lindl.) Ricker]; 食蚜蝇的口器也很短, 适合取食张开的或花型小的花, 如蓍草(Heimerl ex Hand.-Mazz)、茴香(Mill.)或飞蓬[(Lindl.) DC.][39]。③多样化的原则。一些有益生物需要以花蜜和花粉为食, 且捕食性益虫和寄生性益虫在整个生长季都很活跃, 因此最好搭配种植不同花期的开花植物以尽量实现全年有植物开花, 在增加植被多样性的同时可保证在不同季节都能为有益生物提供食物来源。④在可能的情况下选择具有多种功能的植物。如种植芝麻(L.)不仅可以提供农产品还可以作为蜜源植物为有益生物提供食物来源, 同时有趋避蚜虫的功效。

4)位置和距离。注意保障各栖息地之间的距离在目标生物的活动范围之内, 或者通过草带、林地的连接保障栖息地之间的连通性, 以促进生物在景观的迁徙活动及其种群的可持续性。一般来说被大量非作物生境围绕的农田具有更高的有益生物种群和更低的害虫压力[21]。有益生物可能不能像害虫那样进行远距离的迁移, 设计农田地块与自然/半自然地块的镶嵌体能让有益生物更深入地迁入农田。因此, 为方便有益生物在农场内扩散, 应在农场内边界区域建立利于有益生物的生境, 使其分布在农场的每个角落并尽量靠近目标作物。由于不同生物的迁移能力不同, 设计非作物生境与作物生境的分布密度和间距应根据不同目标生物而确定[33]。例如, 步甲被认为大多是在50 m的范围之内进行迁移[40], 一般推荐为保护步甲多样性而建立的两条甲虫带之间的距离为100 m。

5 应用案例: 苏州水稻生态农场的景观设计方案

5.1 项目区概况

项目区位于江苏省苏州市吴中区, 是我国南方水稻主产区, 拥有悠久的水稻种植历史。当前, 该地属于经济发达地区, 农业在地方经济中所占比重较少。由于农业从业人口持续下降, 地方政府通过土地流转逐步将农户所有的零散耕地集中到由地方政府集体所有的农业企业进行经营管理。由于地处太湖沿岸的生态敏感区加之近年来对生态文明、绿色发展和乡村振兴政策的重视, 打造“农文旅”融合的生态农业成为当地农业发展的重要方向。

项目区以典型的农业景观为主, 距太湖最短直线距离仅约560 m。农场区域总面积42 300 m2, 农田、道路、河道和沟渠、边界区域、农村居民点或建筑分别占项目区的77.8%、3.9%、5.9%、10.6%和1.8%。在进行生态农场设计之前, 该区域以种植水稻和芡实(Salisb.)为主, 农田在冬季基本处于撂荒状态, 造成了土地资源的浪费和用地养地的不协调。水稻种植以单一种植当地常规品种‘南粳46号’为主。存在传统集约化耕种常见的面源污染风险。农田边界植被以农户零散种植的蔬菜为主。项目区道路交通条件良好, 农场内以水泥路为主, 快速通过的车辆造成青蛙等活动性较大的生物在通过道路时死亡; 少量砂石路和土路具有一定的保护价值。河道和沟渠与太湖相连, 河道两岸全部采用符合生态化要求的木桩驳岸, 但有河岸植被覆盖度不足, 呈现裸露的土壤。农场进水沟渠已全部硬化处理, 不利于水生生物生存和水质改善, 且沟渠边坡植被覆盖度低, 不利于生物多样性维持和污染物过滤; 排水沟渠虽未做过度硬化, 但渠边植被覆盖稀疏,不利于污染物吸附和消纳且有面源污染风险。

5.2 设计目标

综合项目方的建设需求和生态农场的内涵, 对该农场景观建设的目标作如下定位: 1)提高水土环境的健康水平; 2)提高农业景观生物多样性; 3)提高粮食安全生产的稳定性; 4)保护田园景观, 维护乡情归属; 5)打造多功能农业景观, 推动第三产业发展。

5.3 设计方法和数据来源

在设计初期, 通过专家访谈、农户访谈、项目区实地调查、文献资料查阅等方法获取研究区土地利用、种植制度、适宜种植品种、水稻主要病虫害、生物多样性和水质等数据, 在此基础上结合上述提出的生态农场景观设计的原则与方法制定设计方案。结合与项目方讨论、专家论证进行必要的方案修订后, 确定最终设计方案。

5.4 设计方案内容

5.4.1 水稻农场与周围景观关系的构建

由于地处生态敏感区, 当地政府对农场所在区域的生态环境有较为严格的控制, 因此选址利于建设生态农场。尽管项目区离居民点较近, 但是农场与居民点之间有绿化带或水渠, 可起到缓冲带的作用。后期通过严格管理可以最小化农场与周边居民区的相互影响(图1)。为了与周围环境相协调, 本着功能性、防控污染、生产和生态协调的原则, 在项目区西侧地块设计了水质净化工程。该工程通过建设不同形式的缓冲带在吸附农田流失污染物、提高水网生态效益的同时, 也可为有益生物提供栖息地, 兼顾保护生物多样性并提升景观美学效果和休闲游憩功能。具体设计的工程内容如下: ①河岸净水植物缓冲带。由绣线菊(L.)、紫花苜蓿(L.)、千屈菜(L.)、美人蕉(L.)等草本植物与原有乔木、灌木共同组成, 形成乔木、灌木、草本结合的植物群落, 强化净水能力, 并兼顾护坡, 减少水土流失。②沟渠吸附植物缓冲带。利用紫花苜蓿根茎发达, 能有效吸附氮元素、且是多年生草本植物的特性, 在排水沟边界种植以净化农田排水沟水质、防控农业面源污染。③植物浮板。在南北向4条河流的下游、最西侧河流中段水泥路桥的附近和其他3条河段的最南端放置植物浮板, 固定于河岸。浮板种植唐菖蒲(Vaniot Houtt)或香蒲(Presl), 利用其对氮、磷元素有较好吸附效果的特性, 有效改善水质。

5.4.2 水稻种植景观设计

1)水稻品种搭配设计。根据作物多样化的原则, 通过水稻不同品种的间作, 达到防治水稻病害、减少或不使用农药的效果。在项目区设计的水稻种植区域, 依据专家和农户访谈获取的信息, 选择当地主栽、农户接受度较高的水稻品种‘南粳46’, 该品种米质香软, 但株高较低, 易染稻瘟病。为降低稻瘟病爆发风险, 设计选择与另一当地常规水稻品种‘常优粳6号’间作。‘常优粳6号’对稻瘟病有一定抗性且两个水稻品种生育期基本相同, 播种和收获时间类似。这两个品种间作可以有效防控稻瘟病的发生。

图1 水稻生态农场景观建设方案总平面图

2)冬季轮作绿肥建设工程。根据时空异质性和多功能性原则, 为解决水稻生产过程中轮作体系不完善和种植制度单一的问题, 同时增加土壤有机质并为天敌提供越冬场所, 在水稻收获后, 种植冬季生态景观绿肥作物十字花科(Brassicaceae)的油菜(L.)和豆科(Leguminosae)的紫云英(L.)。既可以在早春作为景观植物起到提升景观美学效果的作用, 也可以随后还田作为绿肥以提升土壤肥力、减少稻田对化肥投入的需求。

5.4.3 有益生物栖息地保护和重建

有益生物栖息地的设计主要利用原有的边角地、农田边界区域, 占设计区域(除公路外)总面积约10.5%,达到生态用地设计标准。在注重保护生物多样性的同时, 也通过增加植物多样性, 重建生态系统的食物链网络促进害虫防治, 同时也兼顾景观美学和休闲观光功能的提升。

1)天敌吸引植物和害虫诱杀植物缓冲带。为提高农场害虫生物防控能力, 降低生产过程中对于杀虫剂的依赖性, 依据不同生态防控原理, 设计以下植物缓冲带: ①天敌吸引植物缓冲带。开花植物能为天敌生物提供食物、吸引天敌聚集、增加田间天敌种群数量, 并降低农业生产对农药的依赖性。根据这一原理, 沿农田中部道路边界, 利用现有道路边界、沟渠边界为主的边角土地种植开花植物吸引天敌, 提升景观中的害虫生物控制服务功能。其中在项目区南北方向和东西方向成框形网络种植以波斯菊(Cav.)为主的菊科(Asteraceae)植物天敌吸引缓冲带, 在项目区中央沿水泥路从东至西贯穿整个区域种植芝麻为主的天敌吸引缓冲带。②天敌栖息地植物带。蜘蛛和步甲是稻田生态系统中重要的天敌生物, 但因迁移能力不足, 易受翻耕、农药使用等农事操作的影响, 这类天敌生物具有喜欢丛生型草丛和喜在草丛越冬的习性, 种植丛生性草本植物可以为其提供栖息地和越冬场所, 增加其多样性。基于这一认识, 设计地块间田埂上种植黑麦草(L.)和高羊茅(Keng ex E. Alexeev), 为稻田重要天敌生物蜘蛛和步甲提供栖息地和越冬场所。③害虫诱杀植物带。一些植物能够起到吸引或诱杀害虫、从而降低其对种植作物的危害作用。早先研究显示, 香根草[(L.) Nash]能够有效诱集水稻螟虫[二化螟(Walker)和大螟(Walker)]雌成虫在其上集中产卵, 而幼虫在香根草上无法完成生活史。因此, 香根草对于水稻螟虫来讲是一种诱杀植物, 可以降低螟虫对水稻的危害[41]。基于这一认识, 在田埂带设置天敌栖息地的同时, 也设计每隔一定间距种植香根草, 促进绿色防控。

2)自然演替植被保护区。农场东南部有一片荒草地, 自然演替有当地常见的农田植被物种, 同时也维持了常见的农田节肢动物。在农场的设计中, 保持了本地块的原状, 设计不加任何人工干扰, 以利于本土植被和动物群落的演替和形成, 推动本土生物群落的保护。

3)有益生物保护工程。为增加稻田生态系统对有益生物的保护, 为有益生物建设人工栖息地和生物通道, 设计建设如下有益生物保护工程: ①传粉蜂保护工程。在项目区中央水泥路两侧安置人工蜂巢3处, 吸引野生独居蜂到农田附近定居, 促进对项目区开花植物多样性的维持。②青蛙、鸟类、蝙蝠保护工程。设计人工鸟巢安置点4个, 位于主要道路边树枝上, 间距平均约350 m。蝙蝠巢穴3个, 位于东西两侧河边乔木、灌木覆盖率较高的区域, 东西间距约800 m。青蛙通道4处, 位于东西两侧水泥路; 东侧两处间距360 m, 西侧两处间距250 m。以降低农事操作对青蛙、鸟类和蝙蝠的干扰, 提高虫害防控能力。

5.4.4 其他建设工程

为增加农场的多功能性,依据多功能性的原则, 农场设计还包括以下内容:

1)休闲、教育、文化提升工程。在项目区天敌吸引、天敌栖息地等缓冲带项目建设的基础上, 增加向日葵(L.)景观植物带和以开花草本植物为主的道路景观植物带, 设计车行观光路线和步行观光线各2条, 贯穿主要景点, 以提升项目区景观效果, 并方便农场开展以农事体验为主的休闲观光活动和以介绍生态农场设计理念及生物多样性保护措施为主的科普教育活动, 通过与当地其他乡村旅游活动的对接, 提高生态农场综合效益。

2)特色“社区菜园”景观设计。为协调生态农场建设与周围居民的关系, 满足当地居民对土地的眷念情结, 同时避免随意开垦种植带来的负面影响, 将农场中不适宜种植水稻的农田边界区域经设计后部分交由当地农户以“社区菜园”的形式种植。该设计为农户提供多样性的、非集约化的作物种植模式。菜园种植自愿参与且不收取地租, 但要求农户按照农场相关施肥和用药要求进行生态化管护。

3)乡土半自然要素保留工程。鉴于项目区仍少量保留的土路和砂石路是传统的乡土景观, 体现当地的乡村特色, 同时在生态功能方面也优于完全硬质铺装的道路。为能够更好地维持生物多样性、吸附农田污染物、利于雨水的截留和下渗, 设计对土路和砂石路进行保留, 不作额外的建设。

6 讨论与展望

将生物多样性和生态系统服务整合到农业景观设计中已成为近年来的研究热点[7,16]。随着公众对良好生态环境和优质农产品需求的增加, 以及城市化背景下农业生产模式转型, 规模化生态农业发展成为未来农业发展的重要趋势。在此情况下, 生态农场必然成为农场建设的重要内容和方向。

过去几十年间, 景观生态学关于格局和生物多样性、生态系统服务关系的研究为生态农场景观建设提供了有益的指导和参考。但是目前在项目实践和设计阶段严格考虑生态系统服务的并不多[42]。Nassauer等[18]也提出景观生态学范式应该向“格局-过程-设计”发展, 强调科学家和实践者应该加强合作, 消除景观生态学和设计之间的差距, 推动景观生态学在实践中的应用。

本研究在综述相关理论和研究的基础上, 对将生物多样性和生态系统服务整合的生态农场景观设计的原则和一般方法、内容进行了归纳总结, 并结合实际案例介绍了这些指导原则在实践中的应用, 以期为目前国内正在兴起的生态农场建设提供参考和借鉴。但是更好地推动将生物多样性整合到生态农场的规划和设计中、并最终推动农业的可持续发展仍然有许多问题需要进一步解决, 这包括:

1)深入认识和理解农业景观生物物种多样性及其生态功能。尽管以往的生物多样性保护更多强调自然用地的保护, 但是农业用地作为重要的生态系统类型, 也是陆地生物的重要生境, 维持了相当比例生物多样性, 甚至是濒危生物[19], 对于农田生物多样性的保护也关系到全球生物多样性保护事业的成败。但目前人类对农业景观生物及其功能, 尤其是节肢动物、微生物等体型微小、物种繁多的生物及其功能认识仍然不足, 加强这方面的基础研究仍然任重道远。

2)深入认识和理解景观和生物多样性与生态系统服务、农业产量和收益之间的关系。虽然将生物多样性和生态服务整合到农业生产中得到广泛重视,但这一策略的推动还需要农户的参与和认可。尽管已有相关的成功案例报道[43], 但是目前真正考虑农户所关注的经济效益的相关指标研究并不多, 如何推动生物多样性保护和生态系统服务提升的景观管理与农户收益的直接联系, 是这一措施能否最终得以推动的关键, 亟需相关研究和探索[44]。

3)针对农业可持续发展和景观建设的需要, 研究开发有利于促进生物多样性和生态系统服务的功能植物或植物组合。如筛选能够趋避、吸引或促进某类害虫防控的植物或植物组合[38], 研究生态系统服务提升的景观配置模式[25]。

4)将生态系统服务整合到生态农场的设计中, 不仅是促进农场的可持续发展, 也是为全社会提供生态系统服务。随着城市化进程加快、农业从业人口减少, 生态农场成为农业生产的主体, 整合了生态系统服务设计的生态农场势必在生态系统服务的供给中发挥重要作用。研究揭示生态农场生态系统服务的价值及其对全社会的贡献, 制定鼓励生态农场生物多样性保护的激励政策和补贴机制[45-46]也是推动这一措施实施的重要保障。

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Preliminary study on landscape design of ecological farms based on biodiversity and ecosystem service*

GONG Cheng1, LIU Yunhui1,2**, MAN Jiyong1, QIAO Yuhui1,2, LI Ji1,2

(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Beijing Key Laboratory of Biodiversity and Organic Farming, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

With increasing demands for organic, environmentally friendly, and higher quality foods, ecological farms have flourished in China in recent years. Establishing ecological farms and meeting sustainable food production goals relies heavily on protecting biodiversity and harnessing biodiversity associated ecosystem services. We reviewedthe demand and development of ecological farms, established the biodiversity implications, and assessed the relationships between landscape structure, biodiversity, and ecological services as well as the application of landscape design. We proposed general principles for ecological farms design and suggested three aspects to include relationship between farms and surrounding landscapes: designing planting system, protecting and reconstructing beneficial habitats. These principles were demonstrated as a case study on an ecological rice farm in southern China, where landscape ecology principles were applied to the design of off-farm habitats. Water purification and pest control were the primary ecosystem services. Therefore, a variety of plant strips were designed to support sustainable agriculture and enhance the biodiversity and ornamental value of the farm. To better integrate biodiversity and ecological farm construction, an in-depth understanding of the relationships between biodiversity and ecosystem services, agricultural production and income, and functional plants (that promote biodiversity) are required. Additionally, an ecological compensation policy to encourage biodiversity conservation in ecological farming should be considered. Our study provides general principles and empirical evidence for the integration of biodiversity and ecosystem services into ecological farm design, which promotes an ecological civilization.

Biodiversity; Ecosystem service; Ecological agriculture; Ecological farm; Landscape construction; Principles of landscape design

Q149

10.13930/j.cnki.cjea.200068

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* 国家重点研发计划项目(2018YFC0507203)和中央高校基本科研业务费专项资金(2019TC131)资助

刘云慧, 主要研究方向为景观生态与生物多样性。E-mail: liuyh@cau.edu.cn

弓成, 主要研究方向为景观生态与景观规划。E-mail: gc@cau.edu.cn

2020-02-04

2020-05-26

* This study was supported by the National Key Research and Development Project of China (2018YFC0507203) and the Chinese Universities Scientific Fund (2019TC131).

, E-mail: liuyh@cau.edu.cn

Feb. 4, 2020;

May 26, 2020