农作物景观生态研究：概念框架与研究方向

刘珍环,陆晓君

中山大学地理科学与规划学院, 广州 510275

作为地球表层景观的组成部分之一,农业景观是人类社会赖以生存的基础,尤其是农作物格局在不同时空尺度上的变化,直接影响全球作物产量、农产品贸易、粮食安全和可持续发展[1]。全球农业利用的土地面积约占陆地面积的25%—30%,占可利用土地的比例接近50%[2]。农业景观的形成与区域历史、自然、人文等因素有密切关系,比自然景观具有更大的变异性[3],而农作物是农业景观的组成核心。据FAO统计,全球规模种植的农作物大约有300种[4],农业种植形成许多独特的景观,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观[5]。农作物系统包含单一作物的空间分布特征和多种作物组合形成的种植制度特征,其实质反映了由人类农业生产活动和自然环境构成的复杂耦合系统[6]。随着人类农业生产活动与自然环境之间不断融合,如何充分认识人类社会-自然生态耦合作用下的农作物种植格局变化,量化格局变化的空间响应是农业可持续发展面临的问题[7]。

农业景观是人类经营的近自然景观类型,其演变受到自然条件和人类活动的双重影响。农业景观生态研究可揭示农业生态环境问题,指出农业种植结构调整方向,推动区域农业可持续发展[8]。国际上,农业景观研究从最初景观格局[9- 10]和过程[11]方向开展农业景观生态管理[12- 13]、农业生物多样性保护及农业景观可持续性研究[14],到近期关注农作物变化对人类福祉的影响[15]。国内,农业景观方面研究从农业景观规划与设计视角设计生态农业[16]、休闲和都市观光农业[17]和开展农业景观优化[18],部分研究农业景观的格局与生态过程[19- 20],农田生态系统服务价值[21],资源环境效应[22],但尚较少开展农作物可持续性研究[23- 24]。

农业现代化和集约化生产导致农业景观均质化现象,农田中自然、半自然生境的减少导致农业生态系统多样性、生态系统稳定性和抗干扰能力降低,也导致农业景观与其他景观要素间功能联系减弱[25]。亟待借助景观生态学科理论,构建农作物管理策略,促进农作物管理及保护生物多样性、提高农业生态系统服务、减少农业污染物排放及缓解和适应气候变化的影响。为此,本研究在梳理农业景观生态研究的基础上,面向从地块到农业区的多尺度研究耦合趋势,构建从农业景观深入到农作物景观的研究框架,为农作物景观生态研究提供理论支撑。

1 农业景观的等级结构

农业景观是农民通过管理其田地和相关特征(如田间边缘和半自然生境区)与自然和社会资源互动的系统[26]。农业景观比自然景观具有更大的变异性,既受到自然环境的制约,又受到人类活动与社会经济条件的影响和干预[4]。农业景观与森林景观、城市景观[27]一样具有很强的空间异质性和等级结构。农业景观等级结构可分为从农业区到农作物的五个等级(图1),对应着相应的景观格局、生态过程、生态系统服务、农业管理政策及研究尺度(表1)。农业区的景观生态研究主要针对种植区划、作物分布界线、作物熟制影响下的景观格局形成机制,关注气候变化、土地利用与社会经济过程对农业景观的影响,制定生产规划、生产结构与布局,农业资源开发与利用及生产基地建设等方面的农业管理政策的影响,通常时间和区域跨度大。景观层级由多个农田生态系统组成,研究农业土地利用斑块的空间格局及其环境变化,关注作物布局、生物多样性保护策略、非点源污染治理策略及生态观光农业规划等政策措施,尺度以区域和年际变化为主。农业生态系统是由多个农田斑块组成的,研究关注农作物类型与生态系统类型的组成格局,注重土壤有机碳管理、病虫害管理及其环境效应。农田斑块层级,关注农作物类型组成及其管理机制,生长期间的水量平衡、土壤过程和作物生产过程等。农作物层级,关注作物混种、轮种和休耕等管理措施下的作物种植模式及作物群落的生态功能；光合作用、水及营养物吸收等生态过程下的农作物格局。从农业景观层级的结构和动态研究尺度深入到农作物层级,有助于理解农业区的从高频动态到低频动态的多尺度等级结构。

图1 景观图例Fig.1 Images of landscape

表1 农业景观的等级结构

2 农作物景观生态研究框架

农作物景观生态学是通过认识和改善农作物景观格局与生态过程关系而实现农业可持续发展的交叉学科。农业可持续发展有很多维度,但实现农业可持续性的根本目的仍是维持和改善农业景观中粮食生产能力和保障人类福祉。因此,农作物景观生态学研究可以由三个相互作用的部分构成：量化农作物种植格局及其形成机制,评估农作物格局的社会-生态效应,以及理解和提升农作物种植格局的可持续性(图2)。

图2 农作物景观生态的研究框架Fig.2 A framework of cropping landscape ecology

2.1 农作物种植格局时空变化

农作物景观格局研究通过描述农作物的时空格局和驱动机制,识别关键的社会经济因子和资源环境驱动因子,开展农作物的时序变化监测与预测,从农作物分布理解农作物格局-过程关系。近些年,农作物空间格局在农业学者和地理学者的共同努力下,应用统计数据和遥感监测数据极大地推进了农作物分布制图[28]。通过作物种植结构、熟制与种植方式的空间表达[29],推动农作物的高频动态监测和空间变化研究[30- 31]。随着遥感技术的兴起,大量作物被遥感识别和动态监测[32],多传感器、多时间分辨率、多空间分辨率的遥感数据在农作物空间分布研究中广泛应用[33]。Xiao等[34-35]运用水稻特有的物候信息建立了指数,获取了中国和东南亚等地的单、双季水稻的中低分辨率空间分布制图[36]；Dong等[37]进一步结合Google Earth Engine平台提供的遥感大数据源,改进了水稻提取算法,推进到中高分辨的水稻制图。除了水稻作物之外,大量的其他种类作物也通过遥感技术开展空间制图,如小麦[38-39]、玉米[40]和经济作物[41]。

经济农作物空间制图[42- 43]、多作物一张图[44]等时效性数据越来越受到重视,多源空间数据被大量应用到农作物时空动态分布与预测研究中[45-46]。美国通过建立作物遥感制图,逐年更新全国作物种植面积统计的计划[47]。虽然已有大量的农作物空间制图研究,但缺乏农作物景观格局及其变化相关研究。究其原因首先是农业领域没有认识到农作物景观格局变化的重要性；其次,农作物景观的高动态性和作物单一性也使景观格局分析难以显现效益。未来需要在国家和农业区尺度上加强高时空动态特性的农作物景观制图及预测能力[48]。通过构建机理模型解析农作物景观动态变化的原因[49],模拟未来农作物动态结构变化[50]。

农作物景观以田块为基础,作物在田块中分布较为规则、类型相对一致,适合开展景观生态研究(图2)。首先,聚焦农作物种植格局、形成及驱动机理、农作物种植面积动态增长预测,通过高频率、大范围、多种类的农作物监测与预测、土地利用变化的动态模拟等结合有效地推进农作物景观格局变化研究；然后,运用景观梯度分析,格局-过程耦合以及格局-功能耦合等经典景观生态学理论和方法,阐释农作物种植格局的社会-生态效应,可极大地促进农作物景观生态学的理论发展；最后,农作物种植格局与农业可持续性密切相关,是提升农业生态系统服务能力的对象,也是农业生态系统维持韧性的基础,通过评估农作物种植格局引起的生态系统服务变化,大规模调整农业种植结构[51],设计和规划可持续性的农业系统是关联农作物种植格局与农业可持续发展的景观生态学途径[52]。

2.2 农作物种植格局的社会-生态效应

农作物的社会-生态效应包含了其生态过程、资源环境效应和农作物多样性的效应等(图2)。全球变化、土地利用变化、局地环境变化及农业管理措施变化对农田生态系统产生了重要影响,改变农作物种植的生态过程[53](表1)。农业生态过程的研究,在农作物层级关注农作物的作物类型和种植模式,作物物候及生长过程、光合作用及植物群落聚集的生态功能[54]；在农田斑块层级,重点关注水量平衡、农田土壤过程、作物生长等生态过程的影响及机制[55- 56]；在农业生态系统层级,需要考虑施肥、病虫害治理、收割、灌溉等农田管理及其环境效应[57]；在农业景观层级,明晰农作物景观变化对生物多样性、农田生境破碎化、种群和群落过程、生态系统服务和农业景观多功能性的影响[58]；在农业区域层级,关注全球变化(极端气候、CO2和CH4排放、耕地变化)引起的农业经济过程变化[59]。气候变化过程对早期的农业景观起到主导性作用,而当前农业技术的进步,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过程和景观格局都有显著影响[60]。

耕地数量减少和质量下降,农业用水受限,农业劳动力数量锐减和农业环境污染加剧等资源环境问题一直是约束农业可持续发展的重要条件,转变农业土地利用方式,减少农业作物的生态足迹和温室气体排放,是通过改变农作物种植格局调控社会-生态效应的重要途径[61]。此外,农药使用格局特征与环境过程、有机废弃物循环利用带来的新型污染物(抗生素抗性基因、微塑料等)的生态过程响应及其环境效应等,与农业土壤健康和食品安全密切关联,也可以是农作物种植格局的社会-生态效应的主要内容。农作物随经济活动变化频繁,均质化和集约化是农业区的典型种植模式,对景观功能和生态过程都产生显著性的影响[62]。以提升耕地资源、水质和农业投入利用效率为切入点,构建健康、安全和可持续的农业资源环境系统[63]。

尽管与自然生态系统相比,农业生态系统服务能力有所下降, 但其在提供农产品的同时还在向人类提供大量的生态系统服务[64],其中粮食生产、土壤保持、授粉、病虫害控制、作物基因多样性维持、休闲娱乐和农业景观美学等多项生态系统服务都是农业生态系统的重要功能。研究表明农业区维系了全球约50%的野生濒危物种[61]。农业景观生物多样性丧失严重,特别是遗传资源保护、害虫生物控制、自然授粉及鸟类和昆虫类栖息地的功能丧失[61]；农田半自然生境面积减少,食物链网络简化,直接导致生物多样性的损失[65]。

2.3 农作物种植格局可持续性的景观生态途径

图3 农作物种植系统可持续性的景观生态途径Fig.3 An integrated landscape ecology approach for cropping system sustainability

“格局-过程-功能-服务-可持续性”的级联范式影响着当代景观生态学的理论与实践[66]。通过定量分析农作物种植格局的动态特性,评估其对农作物生态过程和功能的影响,提升农业生态系统服务能力,实现农业可持续发展,也可遵循 “格局-过程-服务-管理-可持续性”范式开展农作物景观生态研究(图3)。农作物种植格局的大规模变化与农业管理措施与政策如高标准农田建设、耕地质量建设、农业土地规模化经营密切相关,基于此开展农业生态修复、提升农业生态系统服务能力、保护生多样性是农业可持续发展的景观调控途径[62]。将农作物景观生态调控途径通过农作物景观格局、生态过程、生态系统服务、农田生产管理和农作物种植可持续性五个部分进行解构,开展方法集成,研究目标和内容有机结合,为实现农业生物多样性保护和粮食稳产增产的生态系统权衡与协同的多重目标实现双赢(图3)。

3 农作物景观生态研究的主要方向

基于农业景观等级结构及农作物景观生态研究框架的梳理,当前农作物景观生态研究可从农作物格局时空动态及其形成机理、农作物种植的多功能评价及权衡、景观农艺管理措施及情景模拟、可持续的农作物景观生态评价途径四方面入手开展农作物景观生态研究,其关联关系见图4。其中,农作物格局时空动态及其形成机理是数据与理论基础,为相关研究的前提；农作物种植的多功能评价及权衡是指导农业作物多样性战略规划及农业管理措施制定的依据；景观农艺管理措施制定及其情景模拟为政策制定者和农户生产者等依据格局和功能的变化及其空间结构优化提供实践应用和策略；可持续途径评价与设计是在格局、过程和服务规律基础上,基于管理措施情景,制定评判可持续能力的途径与设计,最终服务于调控农作物种植格局。

图4 农作物景观生态的近期研究方向Fig.4 The research directions of cropping landscape ecology

3.1 农作物格局时空动态及其形成机理

农业景观格局与生态过程是景观生态学研究的传统领域,是农作物景观受到农业综合布局和种植制度的结果,然而各尺度上的农作物种植格局变化规律及其形成机理尚不完全清晰。未来需要针对农作物的高动态性及均质性,开展农业景观格局方面的研究；重点探讨农作物组成、空间配置及其种植面积的变化,阐释农作物景观格局变化规律及其驱动机制。加强遥感监测能力与统计数据的精度,分析农作物景观的年内、年际动态特征,针对全国、区域及局地尺度的农作物组成特征,开展农作物格局动态分析及其驱动机制的关键自然条件变化、农业社会经济要素及市场要素对信息快速反映的农作物系统动态模拟,为进一步的农作物生态过程、生态系统服务及农业管理提供基础数据。

3.2 农作物种植的多功能评价及权衡

多功能农业景观是促进农业可持续发展与人类福祉提升的重要途径[22]。农业景观多功能评价,通过集成现有的农业生态系统服务评价模型,针对农业景观多功能的特性,开展粮食生产、土壤保持、自然授粉、病虫害控制、作物多样性基因维持、休闲娱乐及农业景观美学等生态系统服务的评价,提升农田生态系统生态服务能力[67]。目前,农业景观服务的权衡与协同尚未清晰。农业多种功能之间的关联,多功能农业景观的空间制图、农业多功能相互作用机理解析、动态演变及其趋势预测、情景模拟等尚待推进[68]。我国农业发展进入新阶段,绿色发展和集约化生产成为新趋势,高标准农田建设及农业土地整理,改变了区域农业的生态系统服务能力；授粉服务、调节服务和水土涵养等多方面的生态服务发生了变化,揭示多功能农业景观的权衡机理,实现农业景观功能的综合效益最大化,是当前农业景观多功能评价关键问题[69]。

3.3 景观农艺管理措施及情景模拟

农业管理主要开展农田土壤有机碳、种植模式、作物多样性管理等技术措施,以及施肥、浇水及病虫害管理等对农作物种植格局的影响。景观农学是明晰农作物格局的农业管理产生特征与通过探讨农业管理实践是如何影响景观格局,进而推进农业景观设计；开展农业管理、自然资源与景观格局之间的关系及其如何影响农业景观动态[26]。景观研究向决策者提供有关农业景观动态带来正面和负面影响需要面对的知识[26],以便促进对多功能景观设计的支持。以往,景观农艺忽视农田周边的局地景观,产生了不少的农业生态环境问题[70],需反思农业的增长模式,减少对自然资源的影响和提升农业生态系统服务的能力。提升作物空间异质性是增加营养多样性的有效方法,但利用农作物空间异质性制定粮食稳定增产的政策尚未引起决策者重视,需要制定管理措施情景模拟的方式,为决策者提供政策工具。

3.4 可持续的农作物种植系统的景观生态评价

维持农业可持续发展的一个关键问题是如何满足对初级产品日益增长的需求,同时保留甚至加强生态系统服务。农业可持续性考虑为当今人口提供充足的粮食、纤维和燃料供应,同时不损害向子孙后代提供同样服务的能力[14]。农业可持续性取决于多种因素,例如：分析的目的、生产和分配系统、政策条件、利益相关者的价值、位置、时间影响、空间尺度、基数和情景[14],在当地和不同的农业生态、经济和社会条件的具体限制范围内实现。农业生产涉及以合理的价格为所有人都提供高质量的饮食,维持农民的收入,维持农业系统的自然资源基础(如土壤质量),以及维持生态系统的支持和供给功能。农作物与人类福祉更多涉及粮食安全,解除饥饿,对主粮和蛋白质需求等等。因此,有必要基于长时序序列数据的农作物景观格局与农业生态系统服务动态变化规律,以人类需求与福祉为目标,调控农业生产活动和开展农业景观可持续性能力设计。

致谢：感谢湖南省农业科学院谭杰扬老师提供水稻影像与图片,感谢北京大学彭建教授，北京师范大学刘焱序博士对写作的帮助。