农田生态系统服务功能及其形成机制

农田生态系统作为人类社会存在和发展的基础,其服务功能对人类的可持续发展具有现实而深远的影响.本文综述了农田生态系统服务功能的内涵及评价方法,从农田生态系统非生物环境特征、生物特征、生态过程和人类活动影响等4个方面对农田生态系统服务功能形成机制的研究现状进行了归纳和分析,认为：1)农田生态系统除具有巨大的产品服务功能价值外,还具有巨大的环境服务功能价值和维持区域生态安全价值;2)农田生态系统非生物环境特征、生物特征和生态过程及其相互作用是农田生态系统服务功能形成的基础,人类活动是其形成的最根本的驱动力;3)应加快构建能体现农田生态系统特征的服务功能评价指标体系.同时,应加强人类活动对农田生态系统非产品服务功能形成机制影响方面的研究.     

农田生物多样性快速评价方法及应用

采用合理的评价指标和方法是实现生物多样性快速评价的前提。从农田尺度的生物多样性保护与管理的需求出发,建立农田生物多样性评价体系, 以力求客观真实反映农田生物多样性的基本特征和变化规律。评价体系包括: 农田生物多样性评价的指标及其权重、数据采集和处理、计算方法、等级划分等内容。在该评价体系研究的基础上, 以湖北省荆州市太湖农场为应用实例, 对评价结果进行了分析。表明, 此评价方法可快速确定农田生态系统的生物多样性状况和提出管理建议, 并进一步为农业生态系统服务功能和健康评价提供参考。     

农业活动及转基因作物对农田生物多样性的影响

农田生物多样性是生态系统生物多样性的重要组成部分,但较少受到关注.近50年来,由于农业活动引起的环境污染、生境破碎和单一化种植等严重威胁着农田生物多样性.为了了解各因素对农田生物多样性的影响程度,优化农田管理措施,以提高农作物产量并降低环境影响,本文综述了种植方式、地膜覆盖、农药和化肥使用等农业活动及转基因作物对我国农田生物多样性的影响.农药和化肥的过度使用对农田生物多样性的影响最大;而转基因作物对农田生物多样性的影响受诸多因素影响,如携带的转基因性状等.需要加强转基因作物生态环境影响评价研究,特别是对农田生物多样性的潜在影响.农业生产活动应当与农田生物多样性保护密切结合,不仅有利于提高农作物产量,同时也可减少对环境的负面影响.     

农田景观格局变化对昆虫的生态学效应

景观格局变化是全球变化的一个重要内容。农田是由人类赖以生存所种植的人工栽培作物组成的生态系统。在该景观系统中,多种植物-害虫-天敌相互作用、相互制约,形成有机整体。研究农田景观格局对害虫和天敌种群动态影响,不仅在害虫生物防治的实践中有重要意义,而且对于揭示人类活动对生物多样性结构与功能的影响,阐明农田景观中生物多样性整合、维持机理有重大的理论意义。本文从农田景观格局的"质、量、形、度"4个方面,系统地论述了农田景观格局变化对害虫和天敌的作用,分析了农田景观的生物控制服务功能,指出了未来研究发展的方向。     

多尺度空间下害虫生态调控理论与应用

不同尺度空间下农田生态系统具有不同的生境斑块组成结构,尺度性也是生态系统的重要特征之一.近年来,北美和欧洲等地区用农田生境管理与区域性景观设计相结合的研究方法实施多尺度空间下害虫生态调控,实现复合生态系统服务.其核心思想是以大区域景观设计和农田作物布局与农事管理的有机结合,通过农业景观格局的空间配置,调节种植模式、管理技术、乃至改变农业景观格局的空间配置等以切断害虫种群的生活史,建立和恢复天敌种群库与转移通道,从而最大程度地提高农业生态系统自身的控害功能.近年来,北美和欧洲对多尺度空间下农业复合生态系统服务功能都做了大量工作,尤其是田间尺度与景观尺度相结合的研究方法更是当前生境管理研究的重要内容.本文总结了多尺度空间下生态系统环境条件与天敌种群间的作用机制及假说,包括田间尺度上主要通过轮作与间套作、覆盖作物、减免耕及发展有机农业等方式提高天敌种群,景观尺度上通过生境斑块的空间配置来改变植物资源布局,最终提高天敌的控害作用.以期为深入地解析景观格局及复杂性对生物多样性的影响,揭示农业景观变化对昆虫种间关系的作用机制,在实践上为利用农田景观格局控制害虫种群发生提供新的途径与方法.     

间套作体系作物-土壤铁和锌营养研究进展

间套作能够提高对土地、光、水和养分等资源的利用,对增加农田生物多样性、发展可持续生态农业具有重要的理论和实践意义.间套作有助于改善土壤中微量元素铁和锌的活化、吸收和植株体内微量元素营养状况,实现微量元素的生物强化.本文综述了禾本科/双子叶植物间套作（主要以玉米/花生间作为例）对双子叶植物铁和锌营养的改善效应,从种间根际分子和生理过程、根系形态、分布及根际微生物变化方面详细阐述了可能的机理,同时综述了铁和锌在间套作植株体内累积、转运和分配方面的研究进展,对影响间套作体系铁和锌营养的可能因素进行了简单分析.从土壤养分活化吸收、植株体内养分累积分配和栽培管理措施及环境因子等方面指出目前研究中存在的问题,提出以后应加强间套作体系铁和锌营养田间试验、定量化、动态性和系统化方面的研究.     

农田景观格局对害虫天敌生态控害功能的调控作用

如何提升农田景观的生态服务功能是当前景观生态学和害虫防治学的前沿研究热点.基于区域农田景观格局可显著调节植物-植食性昆虫-天敌之间相互关系的理论基础,本文系统概括总结了农田景观格局及其变化对农田重要天敌多样性与生态控害功能的影响.从不同天敌类群的角度,分析了农田景观格局对捕食性天敌、寄生性天敌、有益微生物及其生态控害功能的调控作用.同时,对优化农田景观作物布局、采取合理的植被生境管理策略进行了展望.本文可为应用植被生境管理提升农田景观中天敌的生态系统服务功能提供参考,进一步促进区域生态农业响应"化学农药减量施用"的战略目标提供理论支撑.     

利用农业生物多样性持续控制有害生物

农业生物多样性对保障全球粮食安全和农业可持续发展至关重要.人类在多样性的形成上发挥了关键作用,人类结合自然进化创造了遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性.农业生物多样性发挥了很多社会经济和环境功能:保障粮食安全;维持农业生态系统可持续发展;赋予农村经济适变性.但当前人类毁灭农业生物多样性的速度更为惊人.在总结石油农业单一化种植的生态负效应、传统农业提倡“天人合一”的生态正效应的基础上,分析讨论了利用农业生物多样性持续控制有害生物的必要性和可行性,从生态系统多样性、物种多样性和种内遗传多样性3个层次,归纳了构建和恢复农田生物多样性的基本方法.基于病理学、生态学、营养学和生理学等学科领域,从群体异质效应、稀释效应、微生态效应、诱导抗性效应、物理阻隔效应、生理学效应和化感效应等7个方面,归纳了利用农业生物多样性持续控制有害生物的基础原理.寻求低投入、高效益、多样化和可持续的农业生产系统是当今世界许多科学家、决策者和生产者共同关心的问题.农业生物多样性具有重要的生态作用,在现代农业框架下,是合情合理构建持续、稳定、健康、高产的农田生态系统,持续控制有害生物的金钥匙.为此必须加强四方面的课题研究:各种作物之间的相生相克关系及其作用机理;各种有害生物的主要天敌种类、生物学、生态学特性及其适生环境;利用农业生物多样性全面、持续控制有害生物的农业生产模式;与其相配套的农艺措施与农业机械.     

生物多样性与森林生态系统健康的几个关键问题

生物多样性和生态系统健康问的关系,是生态学领域的一个重大科学问题,近年来已成为关注的热点.首先,生物多样性在复杂的时空尺度上维持着生态系统过程的运行,是生态系统功能得以维持的生物基础;其次,生物多样性是生态系统抗干扰能力、恢复能力及适应环境变化能力的物质基础.生态系统健康的维持取决于系统的生物多样性、可再生能力和生产力,维护生物多样性是生态系统管理计划中不可缺少的部分;第三,对生态系统健康程度的评价,很大程度上依赖于对生态过程的认识,而生物多样性及其生态系统功能又是认识和了解生态过程的基础.本文通过对森林生态系统异质性、种间关系及关键种、外来物种入侵、"绿色沙漠"等问题的论述,阐述了生物多样性与森林生态系统健康之间的关系,提出了我国所面临的问题和相应的对策.     

种间互作网络的结构、生态系统功能及稳定性机制研究

生态群落中不同物种间发生多样化的相互作用, 形成了复杂的种间互作网络。复杂生态网络的结构如何影响群落的生态系统功能及稳定性是群落生态学的核心问题之一。种间互作直接影响到物质和能量在生态系统不同组分之间的流动和循环以及群落构建过程, 使得网络结构与生态系统功能和群落稳定性密切相关。在群落及生态系统水平上开展种间互作网络研究将为群落的构建机制、生物多样性维持、生态系统稳定性、物种协同进化和性状分化等领域提供新的视野。当前生物多样性及生态系统功能受到全球变化的极大影响, 研究种间互作网络的拓扑结构、构建机制、稳定性和生态功能也可为生物多样性的保护和管理提供依据。该文从网络结构、构建机制、网络结构和稳定性关系、种间互作对生态系统功能的影响等4个方面综述当前种间网络研究进展, 并提出在今后的研究中利用机器学习和多层网络等来探究环境变化对种间互作网络结构和功能的影响, 并实现理论和实证研究的有效整合。     

基于生态系统评价的山水林田湖草生态保护与修复体系构建研究——以乌梁素海流域为例

山水林田湖草系统保护与修复工程实施的重要目标是维护和提升区域生态系统服务。从乌梁素海流域山水林田湖草的生态现状与功能出发,对乌梁素海流域水土流失、土地沙化等生态敏感性及土壤保持、水源涵养、生物多样性等生态功能重要性进行系统评价,形成基于生态敏感性和生态功能重要性相结合的空间格局评价结果。以维护和提升人类福祉所需的重要生态系统服务为目标,以乌梁素海流域生态敏感性和生态功能重要性相结合的空间格局评价结果为基础,制定了“一中心、二重点、六要素、七工程”的乌梁素海山水林田湖草生态保护与修复体系,并基于此将乌梁素海流域生态保护修复分为6个主要治理区域,形成“四区、一带、一网”的生态安全格局,通过具体工程实施,流域生态环境质量和生态服务能力将取得明显提升,防风固沙能力有效增强,生物多样性持续改善,水环境质量稳定达标,生态系统的稳定性明显加强。通过乌梁素海流域的分析案例为流域山水林田湖草生态保护与修复关键区域的识别提供了定量分析方法,为流域尺度构建生态安全格局、实现山水林田湖草系统保护和修复提供思路和途径。     

城市化对土壤生态环境的影响研究进展

城市土壤是城市生态系统中最重要的组成部分之一,发挥着重要的生态系统服务功能。在全球快速城市化的背景下,城市土壤受到人类活动的强烈干扰,土壤物理、化学性质发生改变,土壤退化与污染日益加重。城市土壤退化导致土壤动物生态特征与行为模式发生变化,城市景观格局与土地利用类型的变化强烈影响了土壤动物的栖息地,为土壤动物的生存与生物多样性带来潜在威胁;另一方面,城市化过程改变了土壤微生物群落组成与功能特征。城市化直接影响了城市土壤维持植物生长、土壤自然消减能力以及碳储存功能等重要的生态系统服务功能。针对城市化过程对土壤生态环境产生的一系列影响,需要采用科学的管理方式,改善土壤理化性质,提高土壤环境质量,保护和恢复土壤生物多样性,从而增强城市土壤的生态系统服务功能。     

间作豆科作物对山药田土壤化学和生物学性质的影响

采用田间小区试验方法,探讨了山药与苜蓿和三叶草两种豆科绿肥作物间作对土壤化学性质和生物学性质以及土壤综合肥力的影响.结果表明: 与山药单作相比,间作苜蓿和三叶草提高了0～20 cm和20～40 cm土层硝态氮、速效磷和速效钾含量,降低了山药根茎膨大初期和膨大盛期土壤pH和电导率.间作有助于提高山药整个生育期0～20 cm和20～40 cm土层土壤脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性以及土壤呼吸,但对蔗糖酶和脱氢酶活性影响不明显.采用隶属函数模型和主成分分析相结合的方法对间作山药收获期的土壤肥力进行综合分析,结果表明,间作两种豆科作物均具有显著提高山药田0～20 cm和20～40 cm土层土壤综合肥力的效果.通过间作豆科绿肥作物增加山药田的生物多样性是培肥山药田土壤、改善山药田土壤生态环境、缓解连作障碍的有效途径.     

祁连山东段高寒地区土地利用方式对土壤性状的影响

祁连山东段是典型的高寒地区,自然环境脆弱而敏感,探讨该区域土地利用方式对土壤性状的影响有助于高寒地区土地合理利用和生态恢复。在实验区内选取了天然草地(NG)、退耕自然恢复地(NRAC)、坡耕地(SC)和人工草地(SG)4种土地利用方式,研究了不同土地利用方式对土壤物理和化学性状的影响。结果表明,高寒地区不同土地利用方式下土壤理化性状差异显著。不同土地利用方式下土壤含水量表现为:NG>SG>NRAC>SC;土壤容重表现为:NRAC>SG>SC>NG;土壤紧实度表现为:SC>SG>NRAC>NG;总孔隙度为NG>SC>SG>NRAC。在4种土地利用方式中NG有机质含量(116.438 g/kg)显著高于其他土地利用方式(P<0.05);NRAC土壤有机质含量(28.541 g/kg)显著低于其他土地利用方式(P<0.05);全N含量NG最大;SC全P和全K含量最大;NG土壤速效N、P、K含量均最高。研究表明,NG在保持和维护土壤性状方面表现出了较好的效果,SC和SG土壤性状相对较差;退耕4 a的NRAC土壤性状仍然较差,反映出在高寒地区土壤生态系统一旦遭到严重破坏,在自然条件下较难恢复,恢复所需时间也较长。     

西北干旱区利用间套作促进能源植物的高产高效

在全球性能源紧缺和我国能源植物大规模种植困难等大背景下,优质、充足的原料供应已成为制约生物质能源产业发展的主要限制因素。在确保能源植物高效生产和克服"与粮争地、与人争粮"现实的同时,挖掘我国边际土壤高产高效生产能源植物的土地优势和增产潜力。通过筛选评价适宜西北干旱地区高抗逆的新型能源植物种类,开发应用能源植物与粮经作物间套作栽培技术,实现新型能源植物对逆境资源的高效利用和可持续规模化种植,提高能源植物的生产力和优化能源物种的区域配置,增加土地产值和农民收入,缓解能源紧缺,达到经济、生态和社会效益多赢,为我国能源和粮食安全提供技术支撑。     

生态系统服务对人类福祉的影响——以浙江省桐庐县为例

近年来,生态系统变化与人类福祉间的关系成为生态学领域的研究热点。基于桐庐县农业生产及土地利用情况,采用谢高地提出的生态系统服务价值当量表,对其进行了较有针对性地修正,据此计算桐庐县生态系统服务价值,以HDI(人类发展指数,Human Development Index)作为衡量人类福祉的指标,最后分析两者之间的相关关系,以探究生态系统服务对人类福祉的影响。研究结果显示:2005—2008年,生态系统服务价值平均每年减少0.157%,2009—2014年生态系统服务价值平均每年减少0.0948%,且两个时期的生态系统服务价值减少速率均都呈现逐年减少的趋势。人类发展指数一直在升高,其中2006年增长最多,达3.15%,2013年最少仅为0.64%,其中教育、预期寿命和经济这3个维度中经济指数增长最快,发展势头最为明显。但总体看来,2005—2014年期间桐庐县HDI的增长速度在不断减缓。表明桐庐县经济发展势头迅猛,经济社会快速发展。因此构成HDI的经济指标增长比较显著,从而促使HDI逐年增长。但随着桐庐县各行业用地需求不断增大,可耕作和建设的土地资源更加紧缺,保护与建设耕地难度越来越大,以致生态系统服务价值进一步缩减。生态系统服务价值与HDI及构成HDI的经济指数都呈现负相关关系,其中2005—2008年在控制经济指数的情况下,各项生态系统服务价值与教育指数均呈现显著正相关关系,随着生态系统服务价值的减少,HDI的增长速率不断降低。表明经济因素的高度发达,在一定程度上减缓了生态系统服务价值减少对人类福祉的负面影响,且生态系统服务对人类福祉的影响具有一定的滞后性。在特定的社会经济条件下,生态系统服务价值与教育会产生积极的相互作用。根据变化趋势,随着生态系统服务价值不断减少,人类福祉最终还是会受到负面影响。     

广东土壤科学的发展历程与展望

土壤是农业生产的基础,是人类赖以生存的基石,也是人类食物与生态环境安全的保障。土壤学是解决人口-资源-环境-粮食矛盾的重要学科之一。广东土壤科学发展历史悠久,在食物安全、环境保护、减少贫困、退化土地恢复重建和生态系统稳定性维持等事关全省发展方面取得了许多重要的成绩,但目前我省面临着人均耕地面积少、后备土壤资源匮乏、土壤肥力下降、土壤环境日趋恶化以及水土流失依然严重等问题,因此我省土壤科学研究也将从生产农学和基础土壤发生学拓展到包括高效持续农业生产、土壤变化与全球气候变化相互关系、土壤可持续利用、数字化与信息化土壤、土壤污染监测及其修复等多功能的研究领域。     

黄河三角洲盐碱地花生根层土壤菌群结构多样性

花生属豆科固氮作物,具较强的抗旱耐盐性,土壤微生物在盐碱土生态系统中具有重要的生态功能。以花生平作、花生/棉花间作为对象,通过16S rRNA基因克隆文库技术分析了黄河三角洲滨海盐碱地花生旺盛生长期不同含盐量盐碱地和非盐碱地0—40cm根层非培养土壤微生物群落组成及其多样性,分析了盐碱地花生根层土壤细菌群落与非盐碱地花生根层土壤细菌群落的差异,为揭示盐碱地花生根层土壤微生物的多样性以及土地利用变化与生态环境效应间的关系奠定基础。利用免培养技术直接从土壤样品提取总DNA,针对细菌基因组16S rRNA基因的V3高变区进行PCR扩增;利用焦磷酸测序的方法对V3高变区PCR产物进行高通量测序,并对测序数据进行生物信息学分析。结果表明,(1)黄河三角洲滨海盐碱土较高含盐量土壤中根层土壤微生物种类、优势种群数量和群落功能多样性较非盐碱土壤较为丰富。(2)盐碱土花生平作或花生//棉花间作两种种植方式基本不影响二者0—40cm根层土壤微生物优势类群;不同土壤类型和种植模式下,花生和棉花根层土壤中优势菌群均为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)和酸杆菌门(Acidobacteria) 4种菌群,其总丰度为80%—90%。非盐碱土壤中花生根层的酸杆菌门(Acidobacteria)丰度是盐碱土壤中的3倍以上,嗜热油菌纲(Thermoleophilia)和放线菌纲(Actinomycetales)丰度远高于各种盐碱土壤花生平作和花生//棉花间作两种植模式下的花生根层土壤;非盐碱土平作花生0—40cm土层中Rubellimicrobium、Pontibacter和Lamia细菌则显著缺失。(3)土壤类型对土壤微生物菌群类型影响较大,聚类分析表明,10个土壤样本依据土壤含盐量高低和根系分布深度聚为3类,即非盐碱土壤归为1类,盐碱土壤根系密集分布层0—20cm、20—40cm各归为1类。     

新银合欢篱对紫色土坡地土壤有机碳固持的作用

土壤有机碳的固持对保持土壤肥力以及缓解全球温室效应具有重要意义。本研究通过田间定位试验,探讨了新银合欢（Leucaena Leucocephala）篱对10和15的紫色土农耕地（玉米地）和经济林地（油桃地）表层（0-20cm）土壤有机碳积累的影响。结果表明：种植3年的新银合欢篱的10和15农耕地、10经济林地土壤有机碳密度分别比相应的无植物篱的对照地提高41.53%、43.29%、32.15%。经济林处理土壤有机碳含量、有机碳密度、呼吸强度显著大于农耕地处理;10比15农耕地更有利于土壤有机碳、呼吸速率及微生物量碳提高;农耕地比经济林地更利于微生物生物量维持。各处理下坡比上坡更利于土壤有机碳蓄积,且土壤呼吸强度提高,但土壤微生物商基本相同。不同处理下,土壤有机碳与土壤理化性质相关性各不相同：定植新银合欢篱的10和15农耕地、10经济林地土壤有机碳与有机质含量、土壤微生物碳有极显著的相关性,与全钾呈正相关,与pH负相关;定植新银合欢篱的10和15农耕地呼吸强度与有机碳相关关系均达到了极显著性,10经济林地呼吸强度与有机碳显著相关;土壤微生物指标变化与有机碳的变化趋势一致,能反映土壤质量变化。阐明定植新银合欢篱利于土壤有机碳固持,且能增强土壤微生物活性,提高土壤质量。     

Spatio-temporal assessment of urbanization impacts on ecosystem services: Case study of Nanjing City,China

Rapid urbanization is a global phenomenon that has altered many ecosystems, causing a decline in many ecosystem services, generating ecological risks such as water shortages, air pollution, and soil pollution. Here, we present a conceptual framework quantifying how urbanization influences the ecosystem services in a typical city (Nanjing) of China. Between 2000 and 2010, we separated the city into three urbanization categories (developing urban, developed urban, and rural areas) and quantified the status of six critical ecosystem services (food supply, carbon sequestration, soil water storage, air pollution removal, habitat suitability, and recreation potential). Our results show that urbanization significantly impacted all ecosystem services, with detected changes in ecosystem services being spatially heterogeneous due to urban expansion and population mobility. Developed areas contained greater amounts of green infrastructure, which improved carbon storage and reduced air pollution. In contrast, the rapid expansion of urban and industrial land in developing urban areas led to lower food supply, carbon sequestration, soil water storage, and habitat suitability. The expansion of rural residential areas led to lower soil water storage, carbon sequestration, and food supply, while greater amounts of abandoned cropland resulted in increased carbon sequestration, but decreased food supply in rural areas. Analysis of the interactions between pairs of ecosystem services identified urbanization development problems, including abandoned cropland and the expansion of rural residential land. Lastly, we proposed four key urban planning measures to mitigate the loss of ecosystem services during rapid urbanization. Acquiring quantitative knowledge about how rapid urbanization drives changes to ecosystem changes may help guide sustainable urban planning with respect to ecosystem service use, urban development, and human welfare benefits.