2021, Vol. 29
2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部面源污染控制重点实验室 北京 100081;
3. 农业农村部农业生态与资源保护总站 北京 100125;
4. 河南省 安阳市农业科学研究院 安阳 455000;
5. 河北工程大学园林与生态工程学院 邯郸 056038
2. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100081, China;
3. Rural Energy & Environment Agency, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100125, China;
4. Anyang Academy of Agricultural Sciences, Henan Province, Anyang 455000, China;
5. School of Landscape and Ecological Engineering, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China
由于人口的增长和消费水平的提高, 我国大力发展集约化农业以保证粮食供给。但集约化农业生产是导致生态环境污染和农业生物多样性丧失的重要原因之一[1]。随着生态保护观念的深入人心, 农业生产也越来越注重可持续发展, 而保护生物多样性、提升与生物多样性相关生态系统服务被认为是保障粮食安全、保护生态环境以及促进农业可持续发展的重要途径[2-3]。同时, 粮食需求的持续增长及生物多样性丧失使得农业生产需要探寻粮食生产和生物多样性保护共赢的管理措施[4]。
为协调粮食生产和生物多样性、生态环境保护之间的矛盾, 国际上提出了土地分离(land sparing)和土地分享(land sharing)两种土地利用策略。土地分离强调留出特定的土地用于自然环境保护, 如构建自然保护区、保留非农作半自然生境或生态用地, 其他用地则进行高集约化的农业生产。土地分享则强调采取环境友好型的生产方式, 如有机农业, 即在同一地块上实现粮食生产和生物多样性保护。然而, 在土地分离策略中, 用于集约化生产的土地可能影响用于自然环境保护的土地, 同时集约化生产也需要生物多样性提供的生态系统服务才可能实现持续发展。而土地分享的策略, 虽然可能会对生物多样性和生态环境造成较小的影响, 但粮食产量往往较低, 若要保持同样的粮食产量, 就需要开垦更多土地, 这同样会对生物多样性造成威胁[5]。针对上述困境, 一些学者指出实现生物多样性保护和农业生产协调发展, 可以采取分区管理策略[6]。在生态脆弱和环境敏感区, 尽可能采取低集约化的有机农业模式, 而在适宜农业的区域, 则仍然可以发展高集约化的农业生产以保证较高的粮食产量[7]。
为满足日益增长的粮食需求, 我国有广大的丘陵地区被大量开垦, 用于农业生产。这些区域一方面由于地形复杂不容易实现机械化, 存在土地贫瘠、灌溉困难、管理相对粗放、农产品产量较低等生产问题[8]; 另一方面存在着农业土地开发有可能造成生物多样性降低的问题。因此, 在这些地区往往推广低集约化的农业生产模式, 如有机农业等。然而, 这种低集约化生产模式是否能在尽可能适度维持产量的同时维持生物多样性, 仍然需要进一步验证。
农田生态系统中蜘蛛种类数量繁多[9], 是一类重要的捕食性天敌[10], 对农田生态系统的害虫控制有重要作用。同时蜘蛛对环境变化较为敏感, 因此常被作为评价农田生物多样性的指示生物[11-13]。早期研究指出, 平原地区有机管理可提高农田蜘蛛密度[14], 可增加周围景观蜘蛛的β多样性[15]。此外, Gallé等[16]通过总结108个研究发现, 半自然农田边界的蜘蛛多样性显著高于农田内部。因此, 保留农作物周围的半自然生境对维持整个景观中蜘蛛多样性、提高相邻农田蜘蛛密度具有重要作用。然而, 迄今为止, 很少有研究探讨丘陵山区有机管理以及半自然农田边界——植物篱保护对蜘蛛多样性影响。
为探讨丘陵山区有机管理模式以及农田周围半自然生境对农田中蜘蛛多样性的影响, 本研究以河南安阳南部汤阴县丘陵山区的玉米(Zea mays L.)地作为研究对象, 研究丘陵和平原地区有机、常规管理以及植物篱对玉米地生态系统中蜘蛛多样性的影响, 为探索丘陵地区是否可以通过采取不同管理模式、修建并保护半自然生境来提升农田天敌多样性, 协调生物多样性保护和粮食生产的关系提供科学依据。
1 研究区概况和研究方法 1.1 研究区概况研究区位于河南省安阳市南部汤阴县宜沟镇。宜沟镇位于汤阴县南部, 总面积127.63 km2, 耕地面积7133.69 hm2, 地势西高东低, 西部为丘陵地区, 东部为平原地区, 气候属于温带季风气候, 雨热同期。年均气温为12.7~13.7 ℃, 年均日照为4431.8~ 4432.3 h, 平均无霜期为201 d, 适合多种作物生长。农田常见的种植模式为小麦(Triticum aestivum L.)-玉米轮作, 通常每年6月小麦收割后立即播种玉米, 10月玉米收割后再播种小麦。除大田作物外, 还有丰富的蔬菜、果树等经济作物。
1.2 取样点设计试验区设5个处理组: (1) CM: 丘陵地区、无植物篱、常规管理; (2) CMH: 丘陵地区、有植物篱、常规管理; (3) OM: 丘陵地区、无植物篱、有机管理; (4) OMH: 丘陵地区、有植物篱、有机管理; (5) PCM: 平原地区、无植物篱、常规管理。每个处理选择4个60 m×25 m的玉米地作为重复样地。为避免取样样地之间蜘蛛分布存在空间自相关性, 各样地之间距离不小于200 m。丘陵地区植物篱主要为农田开辟过程中残留的农田边界, 宽度通常在1~ m左右, 灌木层植物主要为构树[Roussonetia papyrifera (L.)LHér. ex Vent.]、刺槐(Robinia pseudoa L.)等乡土植物, 植物篱平均高度1.5 m左右。
丘陵地区及平原地区的常规农田种植管理方式相同, 通常秋季在小麦播种整地前施入复合肥600 kg∙hm−2, 播种前用种衣剂拌种, 12月中旬使用1次除草剂(主要成分甲基二磺隆), 返青时追施尿素40~75 kg∙hm−2。4月下旬抽穗时喷施叶面肥+杀虫剂+杀菌剂+生长促进剂复配, 以控制麦蚜并促进小麦生长, 并根据情况间隔10~15 d二次施用(磷酸二氢钾+吡虫啉+三唑酮+芸苔素)。玉米播种时种肥同播, 约施用复合肥600 kg∙hm−2, 播后用除草剂进行封闭(主要成分乙草胺、莠去津), 以后除特别干旱灌溉外, 玉米生长期基本不需要管理。有机农田则不施用化肥及农药, 仅秋季小麦播种前施用有机肥做底肥。因受丘陵地区条件限制, 有机农田全年无灌溉, 或仅灌溉1次。无论常规还是有机管理, 小麦、玉米收割后秸秆全部还田。
1.3 蜘蛛多样性调查取样时间为2019年8—9月, 考虑到节肢动物活动的季节性以及6—7月小麦收割后、玉米刚播种时田间食物资源匮乏, 故主要在玉米生长旺盛、气温最高、农田节肢动物数量可能最丰富的8月、9月取样。采用地表陷阱法每月各进行2次取样, 每次取样持续7 d, 累计取样28 d。沿农田边界向玉米地内部设置60 m×25 m的样方为取样点, 每个样方取样陷阱杯放置位置设计如图 1所示, 其中丘陵地区在距离试验玉米地边界0 m、5 m、15 m处分别设置1条样带, 平原区域在距玉米地边界5 m、15 m处设置样带, 每条样带用高13.5 cm、口径为7.3 cm的塑料杯设置5个陷阱, 相邻陷阱间隔10 m (保证蜘蛛的样品来源广泛)。陷阱杯中加入滴有洗涤剂的饱和盐水, 防止蜘蛛逃脱或腐烂。陷阱设置后7 d取回并更换溶液, 同时带回实验室挑选蜘蛛, 放入装有75%酒精的离心管中保存, 蜘蛛标本请相关专家鉴定到种。
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图 1 丘陵地区(左)和平原地区(右)取样点陷阱分布 Fig. 1 Traps distribution in sampling site in hilly area (left) and plain area (right) |
α多样性是指一个特定区域或生态系统内的物种多样性, 为了综合反映蜘蛛群落的丰富度和均匀度, 采用最常用α多样性指数——香农威纳指数(Shannon-Weiner index)来衡量各样地的物种多样性, 并利用SPSS17.0采用单因素方差分析比较不同处理下的蜘蛛多样性的差异。同时, 物种稀疏指数(rarefaction index)可比较不同取样强度或不同取样个体数量情况下的物种丰富度差异, 并通过创建稀疏曲线(rarefaction curve)直观展示取样个体数相同时物种丰富度差异, 故同时采用此方法比较不同处理物种丰富度的差异。此外, 采用PAST软件进行非度量多维尺度(NMDS, non-metric multi-dimensional scale)分析, 比较不同类型玉米地各取样点之间蜘蛛群落结构差异[17]。
2 结果与分析 2.1 研究区蜘蛛群落组成2019年8—9月, 研究区共捕获蜘蛛5213头, 分属47个种, 优势种为星豹蛛(Pardosa astrigera L. Koch)、波氏狂蛛(Zelotes potanini Schenkel)和小狼逍遥蛛(Thanatus miniaceus Simon), 分别占捕获样本总数的44.87%、12.87%和9.61%。其中, 丘陵地区CM处理组共捕获蜘蛛1599头, 分属32个种; CMH处理组共捕获蜘蛛1263头, 分属33个种; OM处理组共捕获蜘蛛1025头, 分属32个种; OMH处理组共捕获蜘蛛551头, 分属于39个种。4个处理组中, 星豹蛛、波氏狂蛛、小狼逍遥蛛均为优势种(波氏狂蛛为OMH处理组常见种)。平原地区, PCM处理组共捕获蜘蛛775头, 分属于23个种, 优势种为星豹蛛、小狼逍遥蛛, 而丘陵地区优势种波氏狂蛛为PCM处理组稀有种。此外, 丽亚蛛(Asianellus festivus C. L. Koch)为丘陵地区常见蜘蛛物种, 但在平原地区PCM处理组取得的样本数为0 (表 1)。
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表 1 研究区不同类型玉米地蜘蛛群落组成 Table 1 Composition of spider communities in different types of maize fields in the study area |
采用稀疏曲线分析比较丘陵和平原地区常规管理、无植物篱下玉米地(CM、PCM)蜘蛛的物种多样性, 结果显示个体数相同的情况下, 丘陵地区比平原地区具有更多的物种数, 即丘陵地区的物种多样性高于平原地区(图 2a)。同时丘陵地区蜘蛛群落的香农威纳指数显著高于平原地区(P=0.003)(图 2b)。而非度量多维度分析可以看出, 平原地区的样点多位于轴2的上侧, 而丘陵地区的样点多位于轴2的下侧, 即不同处理组的样点彼此分散, 说明平原地区和丘陵地区的蜘蛛群落结构有较大差异(图 2c)。
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图 2 丘陵地区和平原地区玉米地蜘蛛群落稀疏曲线(a)、香农威纳指数(b)和非度量多维度(c) Fig. 2 Rarefaction curves (a), Shannon-Weiner indices (b) and non-metric multi-dimensional scaling based on the Chord indices (c) of spiders at maize fields in hilly and plain areas |
采用稀疏曲线分析丘陵地区有植物篱和无植物篱下玉米地中蜘蛛的物种多样性, 在取到相同个体数时, 有植物篱处理组较无植物篱处理组有着更高的物种数, 即有植物篱处理组有更高的物种多样性(图 3a)。基于香农威纳指数的方差分析显示, 有植物篱处理的蜘蛛群落多样性更高, 但两者间没有显著性差异(P=0.138)(图 3b)。非度量多维度分析可以看到无植物篱处理组主要分布在轴1的左侧, 有植物篱处理组主要分布在轴1的右侧, 两个处理组的样点彼此分散, 说明两者的蜘蛛群落结构有较大差异(图 3c)。
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图 3 无植物篱和有植物篱玉米地蜘蛛群落稀疏曲线(a)、香农威纳指数(b)和非度量多维度(c) Fig. 3 Rarefaction curves (a), Shannon-Weiner indices (b) and non-metric multi-dimensional scaling based on the Chord indices (c) of spiders at maize fields without and with hedge |
采用稀疏曲线分析丘陵地区常规管理和有机管理下玉米地中蜘蛛的物种多样性, 在取到相同个体数时, 有机管理处理组较常规管理处理组有更多的物种数, 即有机管理处理组有着更高的物种多样性(图 4a)。基于香农威纳指数的方差分析显示, 有机管理的处理组有着更高的蜘蛛群落多样性, 但两者之间没有显著性差异(P=0.625)(图 4b)。非度量多维度分析可以看到常规管理处理组的样点多分布在轴1的左侧和轴2上侧, 有机管理处理组的样点多分布在轴1的右侧和轴2下侧, 即两个处理组的样点彼此分散, 说明两者的蜘蛛群落组成有较大差异(图 4c)。
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图 4 常规管理和有机管理蜘蛛群落玉米地稀疏曲线(a)、香农威纳指数(b)和非度量多维度(c) Fig. 4 Rarefaction curves (a), Shannon-Weiner indices (b) and non-metric multi-dimensional scaling based on the Chord indices (c) of spiders at conventionally and organically managed maize fields |
和早期的研究结果一致, 本研究发现丘陵地区较平原地区维持了更高的蜘蛛多样性, 并且具有不同于平原地区的蜘蛛群落组成[8, 18], 在丘陵地区发现了大量平原地区较少发现的蜘蛛稀有物种, 如波氏狂蛛和丽亚蛛, 需要在丘陵地区开发过程中进行重点保护。这可能是因为: 1)相对于平原地区农业景观而言, 丘陵地区具有大面积受人为干扰较小的自然生境, 且景观异质性更高, 因此, 可能原本就维持着较平原地区更高的蜘蛛种库[19]; 2) 从农田生产的角度而言, 丘陵地区的农业景观中, 生产的便利性和产出相对平原低, 较多的沟壑及陡坡不能从事农业生产, 进而形成了较多的非农作生境, 降低了整个景观的农业集约化程度, 从而使得农业生产对生物多样性的影响相对较小, 有利于农田中蜘蛛多样性的维持[20]。因此, 未来有必要全面调查丘陵地区重要物种的组成与分布, 以更好地促进丘陵物种的保护。同时, 未来农业发展和生物多样性保护中应当重视丘陵和平原地区的这种差异性, 在土地利用和生产管理策略的制定过程中加强空间规划和分区管理。
3.2 植物篱对农田蜘蛛多样性的影响植物篱是农业景观中半自然生境的重要组成部分, 本研究发现其具有维持较高蜘蛛多样性的功能。大量研究表明, 农田中蜘蛛多样性与周围景观中半自然生境的比例呈正相关关系[14, 16], 即使是特别小的半自然生境也可以提高相邻农田中蜘蛛的多样性[21]。相对于农田生境而言, 农田边界的植物篱较少受到人为活动的影响, 形成了较为稳定和丰富的植被结构, 可以为农田中的有益生物提供稳定的栖息环境、避难所、越冬场所、迁徙路径和充足的食物来源[22-24]。Gallé等[25]、Mestre等[26]的研究指出, 即使是适应于农田生境的农田物种, 也会倾向于选择农田周围的半自然生境作为越冬场所进行越冬, 到第2年作物生长季节再迁移至农田进行捕食。因此, 在农田周围保留一定面积构建植物篱对于提供农田中蜘蛛的多样性具有十分重要的作用。本研究中调查的植物篱为自然演替生成, 很好地适应当地的气候和环境, 并无需额外的人工管理。未来可以进一步研究植物篱的植被组成, 探索该地区模拟自然的植物篱建设方式并加以推广, 以更好地推动研究区的农田生物多样性保护和生态系统服务提升。
3.3 常规管理和有机管理农田的蜘蛛多样性差异在农业生产中管理措施是极为重要的部分, 包括水肥管理、病虫害防治等, 其中农药和化肥的施用在农业生产中又是最受关注的部分。大量研究表明化肥的施用量和施用方式会影响农田杂草种子、生长、密度等, 进而影响农田的生物多样性[11, 27]。而农药虽然在控制农田的病虫害中有非常重要的作用, 但大量捕食性天敌等有益生物同样对农药具有敏感性, 在农田中大量施用农药会大幅降低捕食性天敌多样性。因此农药的施用虽然可在短期内控制病虫害, 但从长远角度来说, 其危害远大于短期内的利益, 可能会使害虫产生抗药性, 增加农田虫害防治难度。因此不施用农药化肥而采取生物防治和有机肥的有机管理措施对农田生物多样性能够起到恢复和提高的作用[27-28]。许多研究证实有机农业相较于常规农业具有更高的步甲和植物多样性[29-30]。以往的研究也显示, 蜘蛛作为农田中常见的天敌类群, 同样受到农药的负面影响[31-32]。本研究结果同样证明, 采用有机管理的玉米地较常规管理的玉米地维持了更高的蜘蛛物种多样性。因此为了协调生态环境保护和农业生产, 在丘陵或平原的生态敏感区, 应当加大有机农业的发展力度; 而在生态环境问题突出的平原地区, 应当科学施用农药化肥, 改用秸秆还田和生物防治等绿色农业生产措施, 推动绿色生产和生物多样性保护。
4 结论丘陵区农田较平原区农田可维持更高的蜘蛛物种多样性; 保留植物树篱等半自然生境和采取有机生产是维持农田蜘蛛物种多样性的重要措施; 而丘陵与平原、有机与常规管理下农田蜘蛛群落结构均显著不同, 显示高度的异质性。因此, 结合农业生产发展和生态保护的需求, 农田生物多样性保护可以首先在区域尺度上制定合理的土地利用规划和分区管理的策略, 然后在景观尺度通过构建植物篱等半自然生境推动景观多样化和生态系统服务提升, 并进一步在地块尺度采取优化农业化学品投入管理。丘陵地区由于具有更加原始的生态环境, 具有更高的蜘蛛物种多样性, 可维持更加丰富的生物物种库。因此, 丘陵区土地在农田开发利用过程中需要更加谨慎, 要发展有机农业等低集约化农业, 维持或新增植物篱, 进一步协同丘陵农业发展和生物多样性保护。在平原区, 在维持原来集约化生产、保障农业产量的同时, 可以适当规划建设植物篱和发展有机农业, 提升农业景观害虫生物防控功能、降低对化学农药的依赖, 促进农业绿色发展。
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