農田生態系統服務功能研究綜述

1農田生態系統服務功能的研究是開展農田生態系統服務功能的實踐對于解決農田生態系統服務功能的基農業生態系統是在自然基礎上由人工控制形成的農業生態系統的亞生態系統。這是世界上最重要的生態系統之一，提供著66%的世界糧食。由于其巨大的服務功能價值，它是人類社會生存和發展的基礎。然而，人類使用服務功能，以及通過非持續發展，農業生態系統的生態退化和破壞也是常見的。在過去的50年里，40%的世界農業用地退化。這不僅削弱了農業用地生態系統服務功能的能力，而且還帶來了環境生態安全問題，威脅到人類社會的發展。因此，可以持續使用耕地生態系統服務功能受到廣泛關注。只有深入研究耕地生態系統服務功能及其形成的規范機制和驅動力，才能從根本上認識到耕地生態系統服務功能的適應性、科學評價，合理規范，可持續利用耕地生態系統服務功能，為耕地生態系統的科學管理和耕地生態安全研究提供理論依據，為耕地生態系統的生存和可持續發展提供更多的效率。2農業系統服務功能的內涵和評價2.1農田生態系統的特點農田生態系統是人類為了滿足生存需要,積極干預自然,依靠土地資源,利用農田生物與非生物環境之間以及農田生物種群之間的關系來進行人類所需食物和其它農產品生產的半自然生態系統,是一個在人類參與及主宰下的,由社會-經濟-自然結合而成的,具有多種經濟、生態、社會功能和自然、社會雙重屬性的復合生態系統.與自然生態系統相比,農田生態系統具有以下特點:1)目的性.具有高度的目的性是農田生態系統的本質特點,也是其產生根源和存在基礎.農田生態系統最主要的目的是進行農產品生產,滿足人類社會生存和發展的需要,這是農田生態系統所有特點的根本所在.2)開放性.農田生態系統屬于開放性的生態系統,通過糧、油、飼等形式,系統向外界輸出大量能量,同時人類又通過化石燃料、人畜力、有機肥等輔助能向系統補充能量,使得農田生態系統具有獨特的、開放式的物質循環和能量流動過程.3)高效性.人類為了獲取更多的農產品,通過選育高產作物品種、施肥、灌水、防治病蟲草害等措施,創造作物適宜的生長環境,顯著提高了目標產品的產量,使農田生態系統具有比自然生態系統更多的初級生產力.4)易變性.農田生態系統的運行既要遵循自然生態規律,又要服從社會和經濟的共同需要.在國家農業政策和市場經濟規律的指導下,人類采取多種管理措施,以獲得最多的符合市場需要的農產品和最大的經濟效益,致使農田生態系統結構及生態過程的變動性遠高于自然生態系統.5)脆弱性與依賴性.農田植物區系主要由一個或少數幾個作物種群及田間雜草組成,再加上近些年大量使用殺蟲劑和除草劑,農田生態系統中生物多樣性較低,營養結構簡單,自我調節能力很小.所以,農田生態系統對人類管理活動的依賴性很大,只有進行連續不斷的、有目的的、科學合理的人為干預,才能保持農田生態系統的存在和正常運行.2.2人類生存發展的產品和服務總結前人研究可以發現,農田生態系統服務功能就是農田生態系統及其生態過程所形成和維持的人類賴以生存的產品和服務.它不但包括為人類的生存與發展提供堅實物質基礎和食物保障的產品服務功能,還具有巨大的環境服務功能價值和生態安全價值(表1).2.3自然生態系統服務功能評價對農田生態系統服務功能進行評價,是量化農田生態系統服務功能的重要環節,可以為農田生態系統管理和區域生態安全管理提供科學依據.但由于農田生態系統服務功能內涵豐富,各服務功能之間存在著多重聯系,以及人類活動頻繁干預等原因,目前還沒有成熟的農田生態系統服務功能評價框架和完善的評價指標體系.前人對此研究也較少.借鑒自然生態系統服務功能的評價指標和方法[1,2,16,25,31,45,46],結合農田生態系統的特點,部分農田生態系統服務功能的評價工作可參照表1進行.3農田生態系統服務功能的完善農田非生物環境特征(地理位置、坡度、溫度、降雨量、地下水位、溶解氧含量、土壤養分、pH的土壤物理性質等)、生物特征(植物區系、動物區系和微生物區系特征等)以及系統內在的生態過程(光合作用、呼吸作用、蒸騰、蒸發、有機質分解和生物地球化學循環等)是生態系統存在的基礎,三者之間相互作用的結果體現為生態系統功能.而生態系統功能是服務功能的基礎,生態系統服務功能是生態系統功能的表現,所以生態系統非生物環境特征、生物特征和生態過程及其相互作用是生態系統服務功能形成的內在機制.同時,人類活動是農田生態系統服務功能形成的最根本的驅動力.一方面,沒有人類活動的干預就沒有農田生態系統,也就談不上農田生態系統服務功能;另一方面,人們受國家政策及經濟規律驅使,不斷地采取各種管理措施,直接改變農田生態系統的生物和非生物環境特征,間接影響著系統生態過程,從而對服務功能的形成產生影響.3.1影響作物產量和品質的重要因素非生物環境特征對農田生態系統產品服務功能形成具有多重作用.首先,非生物環境特征在很大程度上決定了農田生態系統產品服務功能的類型.不同作物提供農產品和農副產品的類型不同,對環境生態條件要求和適應能力也不同,如果某個環境因子不能滿足作物的要求,就會成為該作物分布的限制因子,限制其提供產品服務功能.例如,干旱地區不能種植水稻、蓮藕等喜水忌旱作物,冬季最低溫度低于-20℃的東北地區不能種植冬小麥,日照短的南方地區不能種植以果實為產品的長日照作物等.其次,非生物環境特征在很大程度上還決定了農田生態系統提供產品服務功能的能力.在作物可種植區域內,非生物環境條件是影響作物產量和品質的重要因素.光照、溫度、降水、濕度、氣體環境、風速、土壤質地、容重、含水量、孔隙度、團粒結構、有機質含量、礦質營養種類和含量等因素都對作物產量和品質產生影響.作物發育階段不同對環境條件的要求也不同,只有當環境條件適時適量地滿足作物需要時,才能實現作物的優質高產,才能獲得最大的產品服務功能.同時,多熟制種植是提高農田提供產品服務功能能力的重要途徑,一個地區能不能進行多熟種植,進行什么樣的多熟制,最主要的就是看當地自然資源能不能滿足多熟種植的要求.非生物環境特征對農田生態系統環境服務功能形成也具有重要影響.在農田尺度上,氣候條件、土壤、地形是影響水土侵蝕與流失的主要環境因子;土壤質地、結構、孔隙度、容重、有機質含量等明顯影響著農田土壤涵養水分能力;有機質是土壤微生物、蚯蚓和其它無脊椎動物的生命物質來源,而土壤微生物和無脊椎動物在生物地球化學循環過程中有重大作用,所以土壤有機質含量和性質對于維持土壤肥力、養分供給、維持土壤生物多樣性等服務功能方面具有重大意義.在區域尺度上,非生物環境特征可以影響農田生態系統控制、降解污染物的能力.污水灌溉和大量農藥的使用,造成有機氯農藥、重金屬等污染物質大量殘留,它們可能通過作物和田間雜草的吸收進入農田生態系統,對生態系統和人體健康造成危害.土壤物理結構、粒徑、特別是有機質含量明顯影響著污染物對作物的生物有效性,影響著污染物進入食物鏈的速率.在全球尺度上,農田生態系統調節溫室氣體釋放的能力也受非生物環境影響.CO2、CH4和N2O是農田生態系統中重要的溫室氣體,三者的釋放都是田間生物、特別是微生物生命活動的結果,而生物生命活動過程受非生物環境條件的制約.例如,產甲烷微生物只有在適宜的溫度(35～37℃最適宜)和極端還原條件下(土壤氧化還原電位低于-150～-160mV)才開始明顯活動而排放出CH4;固氮微生物進行生物固氮、硝化細菌進行硝化作用和反硝化細菌進行反硝化作用等生命活動受氧氣的抑制等.3.2生物種類的配置農田生態系統各營養級內物種的豐富度、配置、物種間的相互作用以及不同營養級之間的相互作用都對服務功能的形成產生影響.維持生物多樣性本身就是農田生態系統的一項重要的服務功能,農田物種的豐富度及遺傳多樣性不僅是這一服務功能的體現,還可以影響生物控制、傳粉等其它服務功能的形成.雖然關于物種豐富度與生態系統功能之間的關系和作用機理的爭論由來已久,但對于農田植物區系而言,多樣化的作物物種可以提供多樣化的農產品和輕工業原料,表現出多樣化的產品服務功能.同時,農田物種豐富度對生態系統環境服務功能也有深刻影響.在一定響應范圍內,生態系統年平均初級生產力和保持營養元素的能力隨物種數目增加而增加,土壤有機物質分解的速度隨土壤微生物種類的增加而加快.同時,物種配置及物種間相互作用與某些生態過程關系密切.這是因為,雖然一些物種可能通過直接影響生態系統的物質流和能量流,或通過改變生物環境來影響生態過程,對某些生態系統環境服務功能產生較大影響,但一種生物是不能完成這些服務功能的.如土壤有機質的分解過程中,無脊椎動物通過活動可以破壞有機質的結構,使其變得多孔或破碎,便于土壤微生物的分解作用.同時,一種微生物只能提供一種或少數幾種酶類,只能完成有機質分解的一部分或一步工作,只有微生物區系協同工作,才能完成有機質的分解.而有機質的分解還只是生物地球化學循環的一小部分,所以生物種類的配置對于農田生態系統服務功能的形成具有十分重要的意義.就植物區系而言,作物之間合理配置可以提高農田生態系統服務功能.一種作物是不能充分利用光、溫、水、肥等自然資源的,對作物進行合理的間作和套種不僅可以提升作物群體利用自然資源、提供產品服務功能的水平,還有利于農田生態系統環境服務功能的提高.豆科作物與禾本科作物間作既能有效地增加農田生產的經濟收益,又能適當減少氮肥施用量,降低了養分淋溶的風險,最終可以提高農田生產的綜合效益;果糧間作可改善田間水、氣、熱、風的效應,改善田間小氣候,對災害性氣象條件有抵抗作用,可能實現增產增收.同時,作物地上部和地下部均能更充分利用空間、時間,增加了土壤覆蓋,提高了水土保持能力,使水土流失和養分損失減少,農田環境服務功能提高.但進行間作套種時,作物種群在共存期間會爭奪水、養分、光、氣等資源,如果作物配置不當,或管理措施不合適,也可能造成減產、水土流失加重、土壤養分淋溶流失增加等后果.物種間的相互作用可以改變系統中的能量流和物質流,也可以影響生態過程中關鍵物種的豐富度,從而對生態系統服務功能產生影響.植物化感作用是指植物(包括微生物)之間存在的一種化學相互作用,包括促進和抑制兩個方面,在農田中主要表現為作物、蔬菜等與田間雜草的克制作用、重茬和自毒現象.如黃瓜可以抑制周圍雜草的生長;自毒現象能造成葫蘆科作物在連作時產量和品質大幅度降低等.共生也是物種間相互作用的重要形式.VA菌根菌與果樹共生,可促進果樹對礦質元素的吸收、提高產量并改善果實品質;稻、鴨之間的共生明顯降低了病蟲害基數、增加了水體營養物質和溶解氧濃度,使稻米產量提高,品質得到改善,稻田生態系統綜合效益明顯增加.此外,有些服務功能只有通過物種間的相互作用才能實現.生物固氮可以增加土壤氮素營養,提高農田養分供給能力,但只有在豆科作物與根瘤菌發生共生現象時才能實現.3.3農業生態系統的環境服務功能在生態系統尺度上,生態過程主要涉及生物量的形成、養分與水分運動等方面.光合作用是太陽能進入農田生態系統的最主要途徑,呼吸作用是生物維持生存的生命活動.光合作用和呼吸作用是農田生態系統存在的生命基礎,也是農田生態系統服務功能形成的基礎.兩者不僅共同決定了農田生態系統提供農產品和農副產品的量,還決定了田間植物吸收CO2、釋放O2的量,對調節氣候和氣體組成具有重大影響.水分循環是農田生態系統另一個重要生態過程.作物生長發育過程中吸收的水分,直接用于光合作用的不足1%,而99%以上的水分由作物蒸騰和土壤蒸發所消耗,且以蒸騰為主.所以水分循環不僅維持了作物的生存和生長,生產了農產品,更重要的是可以增加農田環境濕度、降低環境氣溫、改善農田小氣候.同時,蒸騰還是作物被動吸水的主要動力,水分循環可以帶動養分循環,增加作物對養分的吸收利用.生物地球化學循環作為農業生態系統的主要過程及基本功能,是系統生產力及持久性的決定因素,也對生物圈化學環境有重大影響,它既可以提供農田生物生存所需的營養元素,增加作物產量和品質,又與養分的淋溶、溫室氣體的釋放相關聯,影響著農田生態系統環境服務功能.3.4推廣農業集約化對農田生態系統服務功能的影響.人類通過改變生境、生態系統結構和生物地球化學循環3種方式對生態系統服務功能產生影響.這在農田生態系統表現更為明顯.農田生態系統是在人類活動管理下的半人工生態系統,本身就是人類活動的產物,并將一直受人類活動的影響和支配.人類通過各種耕作、管理措施,直接改變著農田生態系統的生物和非生物環境特征,間接影響著系統生態過程,最終影響農田生態系統服務功能.由于人類對農田生態系統服務功能認識的局限性和片面性,除部分人類活動有利于農田生態系統服務功能的穩定與提高外,更多地導致了一系列危及農田生態系統及人類自身生存與發展的生態環境危機與災難.世界農業由粗放的傳統農業向集約現代農業的轉變是20世紀人類活動影響農業生態系統的最集中表現,其結果使得全球農田生態系統的產品服務功能得到極大的提高,解決了大多數人的溫飽問題.但在傳統自給農業向現代化集約農業轉變后,生態系統開放度增大,有效養分流及養分有效化過程加強,在社會經濟因素的刺激與制約下,養分輸入、輸出失衡,流失加劇,土壤養分大量進入水體,造成局部環境養分的富集,形成水體污染.集約農業的化學化,也使進入自然環境中的有毒元素、重金屬和化學毒物不斷增長,給自然環境帶來嚴重的不良后果.除草劑和殺蟲劑的大量使用不但降低了生物多樣性、削弱了農田生態系統生物控制的服務功能,還會造成空氣和水體的污染,威脅到人類和生態系統的健康.總體上講,農業集約化簡化了農業景觀格局,降低了其空間異質性及生物多樣性,對農田生態系統光合能力、土壤肥力、水質量、養分供給、生態承載量、傳粉、生物控制、野生動物保護和全球氣體調節等幾個方面均有重大影響,且多為負面影響,最終降低了農田生態系統服務功能總價值.引種是人類在農業生產中又一重大活動.在現有的農田生態系統中,引進某些新物種,往往可以使整個系統的功能發生變化.如果新物種引進得當,則可產生良好的效果,不僅可以擴大生產、提高效益、豐富本地物種、增強農田生態系統穩定性,還能豐富農業種質資源,提高當地生物多樣性,為農作物新品種的培育提供優良性狀基因.但引種不當,則會造成人力、物力和財力的損失,削弱農田生態系統服務功能,甚至可能遺患無窮.有害生物種入侵問題在很大程度上就是引種不當造成的.近些年來,侵入我國的危害較大的物種或病害有美洲斑潛蠅、稻水象甲、馬鈴薯甲蟲、美國白蛾、濕地松粉蚧、紫莖澤蘭、薇甘菊、水花生、毒麥、假高粱、互花米草、鳳眼蓮、水稻細菌性條斑病、馬鈴薯癌腫病、大豆疫病、棉花黃萎病和玉米霜霉病等,入侵物種由于缺乏制約因素而大量繁殖、迅速擴散,對我國農業生產、環境保護和社會經濟造成了巨大危害.4對耕地生態系統服務功能的研究4.1健全農田生態系統服務功能的評價體系針對區域類型進行系統研究,構建能體現農田生態系統特征的具有普遍意義的服務功能評價指標體系和框架,是今后研究的重點之一.我國是一個以農業為基礎的發展中國家,由于地域差異和長期的作物栽培歷史,形成了豐富多樣的農田生態系統類型.目前的研究主要是對各種農田生態系統服務功能進行案例分析,雖然在其內涵及評價方面取得了一些進展,但由于案例