農(nóng)作物景觀生態(tài)研究：概念框架與研究方向

劉珍環(huán),陸曉君

中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院, 廣州 510275

作為地球表層景觀的組成部分之一,農(nóng)業(yè)景觀是人類社會(huì)賴以生存的基礎(chǔ),尤其是農(nóng)作物格局在不同時(shí)空尺度上的變化,直接影響全球作物產(chǎn)量、農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易、糧食安全和可持續(xù)發(fā)展[1]。全球農(nóng)業(yè)利用的土地面積約占陸地面積的25%—30%,占可利用土地的比例接近50%[2]。農(nóng)業(yè)景觀的形成與區(qū)域歷史、自然、人文等因素有密切關(guān)系,比自然景觀具有更大的變異性[3],而農(nóng)作物是農(nóng)業(yè)景觀的組成核心。據(jù)FAO統(tǒng)計(jì),全球規(guī)模種植的農(nóng)作物大約有300種[4],農(nóng)業(yè)種植形成許多獨(dú)特的景觀,如中國(guó)的水稻、美國(guó)的玉米帶、馬來(lái)西亞的橡膠林和菲律賓的椰子林景觀[5]。農(nóng)作物系統(tǒng)包含單一作物的空間分布特征和多種作物組合形成的種植制度特征,其實(shí)質(zhì)反映了由人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和自然環(huán)境構(gòu)成的復(fù)雜耦合系統(tǒng)[6]。隨著人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)與自然環(huán)境之間不斷融合,如何充分認(rèn)識(shí)人類社會(huì)-自然生態(tài)耦合作用下的農(nóng)作物種植格局變化,量化格局變化的空間響應(yīng)是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的問(wèn)題[7]。

農(nóng)業(yè)景觀是人類經(jīng)營(yíng)的近自然景觀類型,其演變受到自然條件和人類活動(dòng)的雙重影響。農(nóng)業(yè)景觀生態(tài)研究可揭示農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,指出農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整方向,推動(dòng)區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[8]。國(guó)際上,農(nóng)業(yè)景觀研究從最初景觀格局[9- 10]和過(guò)程[11]方向開展農(nóng)業(yè)景觀生態(tài)管理[12- 13]、農(nóng)業(yè)生物多樣性保護(hù)及農(nóng)業(yè)景觀可持續(xù)性研究[14],到近期關(guān)注農(nóng)作物變化對(duì)人類福祉的影響[15]。國(guó)內(nèi),農(nóng)業(yè)景觀方面研究從農(nóng)業(yè)景觀規(guī)劃與設(shè)計(jì)視角設(shè)計(jì)生態(tài)農(nóng)業(yè)[16]、休閑和都市觀光農(nóng)業(yè)[17]和開展農(nóng)業(yè)景觀優(yōu)化[18],部分研究農(nóng)業(yè)景觀的格局與生態(tài)過(guò)程[19- 20],農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[21],資源環(huán)境效應(yīng)[22],但尚較少開展農(nóng)作物可持續(xù)性研究[23- 24]。

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和集約化生產(chǎn)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)景觀均質(zhì)化現(xiàn)象,農(nóng)田中自然、半自然生境的減少導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)多樣性、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力降低,也導(dǎo)致農(nóng)業(yè)景觀與其他景觀要素間功能聯(lián)系減弱[25]。亟待借助景觀生態(tài)學(xué)科理論,構(gòu)建農(nóng)作物管理策略,促進(jìn)農(nóng)作物管理及保護(hù)生物多樣性、提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、減少農(nóng)業(yè)污染物排放及緩解和適應(yīng)氣候變化的影響。為此,本研究在梳理農(nóng)業(yè)景觀生態(tài)研究的基礎(chǔ)上,面向從地塊到農(nóng)業(yè)區(qū)的多尺度研究耦合趨勢(shì),構(gòu)建從農(nóng)業(yè)景觀深入到農(nóng)作物景觀的研究框架,為農(nóng)作物景觀生態(tài)研究提供理論支撐。

1 農(nóng)業(yè)景觀的等級(jí)結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)景觀是農(nóng)民通過(guò)管理其田地和相關(guān)特征(如田間邊緣和半自然生境區(qū))與自然和社會(huì)資源互動(dòng)的系統(tǒng)[26]。農(nóng)業(yè)景觀比自然景觀具有更大的變異性,既受到自然環(huán)境的制約,又受到人類活動(dòng)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件的影響和干預(yù)[4]。農(nóng)業(yè)景觀與森林景觀、城市景觀[27]一樣具有很強(qiáng)的空間異質(zhì)性和等級(jí)結(jié)構(gòu)。農(nóng)業(yè)景觀等級(jí)結(jié)構(gòu)可分為從農(nóng)業(yè)區(qū)到農(nóng)作物的五個(gè)等級(jí)(圖1),對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的景觀格局、生態(tài)過(guò)程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、農(nóng)業(yè)管理政策及研究尺度(表1)。農(nóng)業(yè)區(qū)的景觀生態(tài)研究主要針對(duì)種植區(qū)劃、作物分布界線、作物熟制影響下的景觀格局形成機(jī)制,關(guān)注氣候變化、土地利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)過(guò)程對(duì)農(nóng)業(yè)景觀的影響,制定生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)與布局,農(nóng)業(yè)資源開發(fā)與利用及生產(chǎn)基地建設(shè)等方面的農(nóng)業(yè)管理政策的影響,通常時(shí)間和區(qū)域跨度大。景觀層級(jí)由多個(gè)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)組成,研究農(nóng)業(yè)土地利用斑塊的空間格局及其環(huán)境變化,關(guān)注作物布局、生物多樣性保護(hù)策略、非點(diǎn)源污染治理策略及生態(tài)觀光農(nóng)業(yè)規(guī)劃等政策措施,尺度以區(qū)域和年際變化為主。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是由多個(gè)農(nóng)田斑塊組成的,研究關(guān)注農(nóng)作物類型與生態(tài)系統(tǒng)類型的組成格局,注重土壤有機(jī)碳管理、病蟲害管理及其環(huán)境效應(yīng)。農(nóng)田斑塊層級(jí),關(guān)注農(nóng)作物類型組成及其管理機(jī)制,生長(zhǎng)期間的水量平衡、土壤過(guò)程和作物生產(chǎn)過(guò)程等。農(nóng)作物層級(jí),關(guān)注作物混種、輪種和休耕等管理措施下的作物種植模式及作物群落的生態(tài)功能；光合作用、水及營(yíng)養(yǎng)物吸收等生態(tài)過(guò)程下的農(nóng)作物格局。從農(nóng)業(yè)景觀層級(jí)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)研究尺度深入到農(nóng)作物層級(jí),有助于理解農(nóng)業(yè)區(qū)的從高頻動(dòng)態(tài)到低頻動(dòng)態(tài)的多尺度等級(jí)結(jié)構(gòu)。

圖1 景觀圖例Fig.1 Images of landscape

表1 農(nóng)業(yè)景觀的等級(jí)結(jié)構(gòu)

2 農(nóng)作物景觀生態(tài)研究框架

農(nóng)作物景觀生態(tài)學(xué)是通過(guò)認(rèn)識(shí)和改善農(nóng)作物景觀格局與生態(tài)過(guò)程關(guān)系而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的交叉學(xué)科。農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有很多維度,但實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的根本目的仍是維持和改善農(nóng)業(yè)景觀中糧食生產(chǎn)能力和保障人類福祉。因此,農(nóng)作物景觀生態(tài)學(xué)研究可以由三個(gè)相互作用的部分構(gòu)成：量化農(nóng)作物種植格局及其形成機(jī)制,評(píng)估農(nóng)作物格局的社會(huì)-生態(tài)效應(yīng),以及理解和提升農(nóng)作物種植格局的可持續(xù)性(圖2)。

圖2 農(nóng)作物景觀生態(tài)的研究框架Fig.2 A framework of cropping landscape ecology

2.1 農(nóng)作物種植格局時(shí)空變化

農(nóng)作物景觀格局研究通過(guò)描述農(nóng)作物的時(shí)空格局和驅(qū)動(dòng)機(jī)制,識(shí)別關(guān)鍵的社會(huì)經(jīng)濟(jì)因子和資源環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子,開展農(nóng)作物的時(shí)序變化監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè),從農(nóng)作物分布理解農(nóng)作物格局-過(guò)程關(guān)系。近些年,農(nóng)作物空間格局在農(nóng)業(yè)學(xué)者和地理學(xué)者的共同努力下,應(yīng)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)極大地推進(jìn)了農(nóng)作物分布制圖[28]。通過(guò)作物種植結(jié)構(gòu)、熟制與種植方式的空間表達(dá)[29],推動(dòng)農(nóng)作物的高頻動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和空間變化研究[30- 31]。隨著遙感技術(shù)的興起,大量作物被遙感識(shí)別和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[32],多傳感器、多時(shí)間分辨率、多空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)在農(nóng)作物空間分布研究中廣泛應(yīng)用[33]。Xiao等[34-35]運(yùn)用水稻特有的物候信息建立了指數(shù),獲取了中國(guó)和東南亞等地的單、雙季水稻的中低分辨率空間分布制圖[36]；Dong等[37]進(jìn)一步結(jié)合Google Earth Engine平臺(tái)提供的遙感大數(shù)據(jù)源,改進(jìn)了水稻提取算法,推進(jìn)到中高分辨的水稻制圖。除了水稻作物之外,大量的其他種類作物也通過(guò)遙感技術(shù)開展空間制圖,如小麥[38-39]、玉米[40]和經(jīng)濟(jì)作物[41]。

經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物空間制圖[42- 43]、多作物一張圖[44]等時(shí)效性數(shù)據(jù)越來(lái)越受到重視,多源空間數(shù)據(jù)被大量應(yīng)用到農(nóng)作物時(shí)空動(dòng)態(tài)分布與預(yù)測(cè)研究中[45-46]。美國(guó)通過(guò)建立作物遙感制圖,逐年更新全國(guó)作物種植面積統(tǒng)計(jì)的計(jì)劃[47]。雖然已有大量的農(nóng)作物空間制圖研究,但缺乏農(nóng)作物景觀格局及其變化相關(guān)研究。究其原因首先是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域沒(méi)有認(rèn)識(shí)到農(nóng)作物景觀格局變化的重要性；其次,農(nóng)作物景觀的高動(dòng)態(tài)性和作物單一性也使景觀格局分析難以顯現(xiàn)效益。未來(lái)需要在國(guó)家和農(nóng)業(yè)區(qū)尺度上加強(qiáng)高時(shí)空動(dòng)態(tài)特性的農(nóng)作物景觀制圖及預(yù)測(cè)能力[48]。通過(guò)構(gòu)建機(jī)理模型解析農(nóng)作物景觀動(dòng)態(tài)變化的原因[49],模擬未來(lái)農(nóng)作物動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化[50]。

農(nóng)作物景觀以田塊為基礎(chǔ),作物在田塊中分布較為規(guī)則、類型相對(duì)一致,適合開展景觀生態(tài)研究(圖2)。首先,聚焦農(nóng)作物種植格局、形成及驅(qū)動(dòng)機(jī)理、農(nóng)作物種植面積動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)預(yù)測(cè),通過(guò)高頻率、大范圍、多種類的農(nóng)作物監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)、土地利用變化的動(dòng)態(tài)模擬等結(jié)合有效地推進(jìn)農(nóng)作物景觀格局變化研究；然后,運(yùn)用景觀梯度分析,格局-過(guò)程耦合以及格局-功能耦合等經(jīng)典景觀生態(tài)學(xué)理論和方法,闡釋農(nóng)作物種植格局的社會(huì)-生態(tài)效應(yīng),可極大地促進(jìn)農(nóng)作物景觀生態(tài)學(xué)的理論發(fā)展；最后,農(nóng)作物種植格局與農(nóng)業(yè)可持續(xù)性密切相關(guān),是提升農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的對(duì)象,也是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)維持韌性的基礎(chǔ),通過(guò)評(píng)估農(nóng)作物種植格局引起的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化,大規(guī)模調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)[51],設(shè)計(jì)和規(guī)劃可持續(xù)性的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是關(guān)聯(lián)農(nóng)作物種植格局與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的景觀生態(tài)學(xué)途徑[52]。

2.2 農(nóng)作物種植格局的社會(huì)-生態(tài)效應(yīng)

農(nóng)作物的社會(huì)-生態(tài)效應(yīng)包含了其生態(tài)過(guò)程、資源環(huán)境效應(yīng)和農(nóng)作物多樣性的效應(yīng)等(圖2)。全球變化、土地利用變化、局地環(huán)境變化及農(nóng)業(yè)管理措施變化對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了重要影響,改變農(nóng)作物種植的生態(tài)過(guò)程[53](表1)。農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程的研究,在農(nóng)作物層級(jí)關(guān)注農(nóng)作物的作物類型和種植模式,作物物候及生長(zhǎng)過(guò)程、光合作用及植物群落聚集的生態(tài)功能[54]；在農(nóng)田斑塊層級(jí),重點(diǎn)關(guān)注水量平衡、農(nóng)田土壤過(guò)程、作物生長(zhǎng)等生態(tài)過(guò)程的影響及機(jī)制[55- 56]；在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)層級(jí),需要考慮施肥、病蟲害治理、收割、灌溉等農(nóng)田管理及其環(huán)境效應(yīng)[57]；在農(nóng)業(yè)景觀層級(jí),明晰農(nóng)作物景觀變化對(duì)生物多樣性、農(nóng)田生境破碎化、種群和群落過(guò)程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和農(nóng)業(yè)景觀多功能性的影響[58]；在農(nóng)業(yè)區(qū)域?qū)蛹?jí),關(guān)注全球變化(極端氣候、CO2和CH4排放、耕地變化)引起的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)過(guò)程變化[59]。氣候變化過(guò)程對(duì)早期的農(nóng)業(yè)景觀起到主導(dǎo)性作用,而當(dāng)前農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,農(nóng)業(yè)人口密度、農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格、經(jīng)濟(jì)效益、市場(chǎng)因素以及區(qū)域農(nóng)業(yè)政策等對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程和景觀格局都有顯著影響[60]。

耕地?cái)?shù)量減少和質(zhì)量下降,農(nóng)業(yè)用水受限,農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力數(shù)量銳減和農(nóng)業(yè)環(huán)境污染加劇等資源環(huán)境問(wèn)題一直是約束農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要條件,轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)土地利用方式,減少農(nóng)業(yè)作物的生態(tài)足跡和溫室氣體排放,是通過(guò)改變農(nóng)作物種植格局調(diào)控社會(huì)-生態(tài)效應(yīng)的重要途徑[61]。此外,農(nóng)藥使用格局特征與環(huán)境過(guò)程、有機(jī)廢棄物循環(huán)利用帶來(lái)的新型污染物(抗生素抗性基因、微塑料等)的生態(tài)過(guò)程響應(yīng)及其環(huán)境效應(yīng)等,與農(nóng)業(yè)土壤健康和食品安全密切關(guān)聯(lián),也可以是農(nóng)作物種植格局的社會(huì)-生態(tài)效應(yīng)的主要內(nèi)容。農(nóng)作物隨經(jīng)濟(jì)活動(dòng)變化頻繁,均質(zhì)化和集約化是農(nóng)業(yè)區(qū)的典型種植模式,對(duì)景觀功能和生態(tài)過(guò)程都產(chǎn)生顯著性的影響[62]。以提升耕地資源、水質(zhì)和農(nóng)業(yè)投入利用效率為切入點(diǎn),構(gòu)建健康、安全和可持續(xù)的農(nóng)業(yè)資源環(huán)境系統(tǒng)[63]。

盡管與自然生態(tài)系統(tǒng)相比,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力有所下降, 但其在提供農(nóng)產(chǎn)品的同時(shí)還在向人類提供大量的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[64],其中糧食生產(chǎn)、土壤保持、授粉、病蟲害控制、作物基因多樣性維持、休閑娛樂(lè)和農(nóng)業(yè)景觀美學(xué)等多項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的重要功能。研究表明農(nóng)業(yè)區(qū)維系了全球約50%的野生瀕危物種[61]。農(nóng)業(yè)景觀生物多樣性喪失嚴(yán)重,特別是遺傳資源保護(hù)、害蟲生物控制、自然授粉及鳥類和昆蟲類棲息地的功能喪失[61]；農(nóng)田半自然生境面積減少,食物鏈網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化,直接導(dǎo)致生物多樣性的損失[65]。

2.3 農(nóng)作物種植格局可持續(xù)性的景觀生態(tài)途徑

圖3 農(nóng)作物種植系統(tǒng)可持續(xù)性的景觀生態(tài)途徑Fig.3 An integrated landscape ecology approach for cropping system sustainability

“格局-過(guò)程-功能-服務(wù)-可持續(xù)性”的級(jí)聯(lián)范式影響著當(dāng)代景觀生態(tài)學(xué)的理論與實(shí)踐[66]。通過(guò)定量分析農(nóng)作物種植格局的動(dòng)態(tài)特性,評(píng)估其對(duì)農(nóng)作物生態(tài)過(guò)程和功能的影響,提升農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,也可遵循 “格局-過(guò)程-服務(wù)-管理-可持續(xù)性”范式開展農(nóng)作物景觀生態(tài)研究(圖3)。農(nóng)作物種植格局的大規(guī)模變化與農(nóng)業(yè)管理措施與政策如高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、耕地質(zhì)量建設(shè)、農(nóng)業(yè)土地規(guī)?；?jīng)營(yíng)密切相關(guān),基于此開展農(nóng)業(yè)生態(tài)修復(fù)、提升農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力、保護(hù)生多樣性是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的景觀調(diào)控途徑[62]。將農(nóng)作物景觀生態(tài)調(diào)控途徑通過(guò)農(nóng)作物景觀格局、生態(tài)過(guò)程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、農(nóng)田生產(chǎn)管理和農(nóng)作物種植可持續(xù)性五個(gè)部分進(jìn)行解構(gòu),開展方法集成,研究目標(biāo)和內(nèi)容有機(jī)結(jié)合,為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生物多樣性保護(hù)和糧食穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)權(quán)衡與協(xié)同的多重目標(biāo)實(shí)現(xiàn)雙贏(圖3)。

3 農(nóng)作物景觀生態(tài)研究的主要方向

基于農(nóng)業(yè)景觀等級(jí)結(jié)構(gòu)及農(nóng)作物景觀生態(tài)研究框架的梳理,當(dāng)前農(nóng)作物景觀生態(tài)研究可從農(nóng)作物格局時(shí)空動(dòng)態(tài)及其形成機(jī)理、農(nóng)作物種植的多功能評(píng)價(jià)及權(quán)衡、景觀農(nóng)藝管理措施及情景模擬、可持續(xù)的農(nóng)作物景觀生態(tài)評(píng)價(jià)途徑四方面入手開展農(nóng)作物景觀生態(tài)研究,其關(guān)聯(lián)關(guān)系見圖4。其中,農(nóng)作物格局時(shí)空動(dòng)態(tài)及其形成機(jī)理是數(shù)據(jù)與理論基礎(chǔ),為相關(guān)研究的前提；農(nóng)作物種植的多功能評(píng)價(jià)及權(quán)衡是指導(dǎo)農(nóng)業(yè)作物多樣性戰(zhàn)略規(guī)劃及農(nóng)業(yè)管理措施制定的依據(jù)；景觀農(nóng)藝管理措施制定及其情景模擬為政策制定者和農(nóng)戶生產(chǎn)者等依據(jù)格局和功能的變化及其空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供實(shí)踐應(yīng)用和策略；可持續(xù)途徑評(píng)價(jià)與設(shè)計(jì)是在格局、過(guò)程和服務(wù)規(guī)律基礎(chǔ)上,基于管理措施情景,制定評(píng)判可持續(xù)能力的途徑與設(shè)計(jì),最終服務(wù)于調(diào)控農(nóng)作物種植格局。

圖4 農(nóng)作物景觀生態(tài)的近期研究方向Fig.4 The research directions of cropping landscape ecology

3.1 農(nóng)作物格局時(shí)空動(dòng)態(tài)及其形成機(jī)理

農(nóng)業(yè)景觀格局與生態(tài)過(guò)程是景觀生態(tài)學(xué)研究的傳統(tǒng)領(lǐng)域,是農(nóng)作物景觀受到農(nóng)業(yè)綜合布局和種植制度的結(jié)果,然而各尺度上的農(nóng)作物種植格局變化規(guī)律及其形成機(jī)理尚不完全清晰。未來(lái)需要針對(duì)農(nóng)作物的高動(dòng)態(tài)性及均質(zhì)性,開展農(nóng)業(yè)景觀格局方面的研究；重點(diǎn)探討農(nóng)作物組成、空間配置及其種植面積的變化,闡釋農(nóng)作物景觀格局變化規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。加強(qiáng)遙感監(jiān)測(cè)能力與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的精度,分析農(nóng)作物景觀的年內(nèi)、年際動(dòng)態(tài)特征,針對(duì)全國(guó)、區(qū)域及局地尺度的農(nóng)作物組成特征,開展農(nóng)作物格局動(dòng)態(tài)分析及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制的關(guān)鍵自然條件變化、農(nóng)業(yè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素及市場(chǎng)要素對(duì)信息快速反映的農(nóng)作物系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬,為進(jìn)一步的農(nóng)作物生態(tài)過(guò)程、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及農(nóng)業(yè)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 農(nóng)作物種植的多功能評(píng)價(jià)及權(quán)衡

多功能農(nóng)業(yè)景觀是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與人類福祉提升的重要途徑[22]。農(nóng)業(yè)景觀多功能評(píng)價(jià),通過(guò)集成現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)模型,針對(duì)農(nóng)業(yè)景觀多功能的特性,開展糧食生產(chǎn)、土壤保持、自然授粉、病蟲害控制、作物多樣性基因維持、休閑娛樂(lè)及農(nóng)業(yè)景觀美學(xué)等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)價(jià),提升農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)能力[67]。目前,農(nóng)業(yè)景觀服務(wù)的權(quán)衡與協(xié)同尚未清晰。農(nóng)業(yè)多種功能之間的關(guān)聯(lián),多功能農(nóng)業(yè)景觀的空間制圖、農(nóng)業(yè)多功能相互作用機(jī)理解析、動(dòng)態(tài)演變及其趨勢(shì)預(yù)測(cè)、情景模擬等尚待推進(jìn)[68]。我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)入新階段,綠色發(fā)展和集約化生產(chǎn)成為新趨勢(shì),高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)及農(nóng)業(yè)土地整理,改變了區(qū)域農(nóng)業(yè)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力；授粉服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和水土涵養(yǎng)等多方面的生態(tài)服務(wù)發(fā)生了變化,揭示多功能農(nóng)業(yè)景觀的權(quán)衡機(jī)理,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)景觀功能的綜合效益最大化,是當(dāng)前農(nóng)業(yè)景觀多功能評(píng)價(jià)關(guān)鍵問(wèn)題[69]。

3.3 景觀農(nóng)藝管理措施及情景模擬

農(nóng)業(yè)管理主要開展農(nóng)田土壤有機(jī)碳、種植模式、作物多樣性管理等技術(shù)措施,以及施肥、澆水及病蟲害管理等對(duì)農(nóng)作物種植格局的影響。景觀農(nóng)學(xué)是明晰農(nóng)作物格局的農(nóng)業(yè)管理產(chǎn)生特征與通過(guò)探討農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐是如何影響景觀格局,進(jìn)而推進(jìn)農(nóng)業(yè)景觀設(shè)計(jì)；開展農(nóng)業(yè)管理、自然資源與景觀格局之間的關(guān)系及其如何影響農(nóng)業(yè)景觀動(dòng)態(tài)[26]。景觀研究向決策者提供有關(guān)農(nóng)業(yè)景觀動(dòng)態(tài)帶來(lái)正面和負(fù)面影響需要面對(duì)的知識(shí)[26],以便促進(jìn)對(duì)多功能景觀設(shè)計(jì)的支持。以往,景觀農(nóng)藝忽視農(nóng)田周邊的局地景觀,產(chǎn)生了不少的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[70],需反思農(nóng)業(yè)的增長(zhǎng)模式,減少對(duì)自然資源的影響和提升農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的能力。提升作物空間異質(zhì)性是增加營(yíng)養(yǎng)多樣性的有效方法,但利用農(nóng)作物空間異質(zhì)性制定糧食穩(wěn)定增產(chǎn)的政策尚未引起決策者重視,需要制定管理措施情景模擬的方式,為決策者提供政策工具。

3.4 可持續(xù)的農(nóng)作物種植系統(tǒng)的景觀生態(tài)評(píng)價(jià)

維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何滿足對(duì)初級(jí)產(chǎn)品日益增長(zhǎng)的需求,同時(shí)保留甚至加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。農(nóng)業(yè)可持續(xù)性考慮為當(dāng)今人口提供充足的糧食、纖維和燃料供應(yīng),同時(shí)不損害向子孫后代提供同樣服務(wù)的能力[14]。農(nóng)業(yè)可持續(xù)性取決于多種因素,例如：分析的目的、生產(chǎn)和分配系統(tǒng)、政策條件、利益相關(guān)者的價(jià)值、位置、時(shí)間影響、空間尺度、基數(shù)和情景[14],在當(dāng)?shù)睾筒煌霓r(nóng)業(yè)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件的具體限制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)涉及以合理的價(jià)格為所有人都提供高質(zhì)量的飲食,維持農(nóng)民的收入,維持農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的自然資源基礎(chǔ)(如土壤質(zhì)量),以及維持生態(tài)系統(tǒng)的支持和供給功能。農(nóng)作物與人類福祉更多涉及糧食安全,解除饑餓,對(duì)主糧和蛋白質(zhì)需求等等。因此,有必要基于長(zhǎng)時(shí)序序列數(shù)據(jù)的農(nóng)作物景觀格局與農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,以人類需求與福祉為目標(biāo),調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)和開展農(nóng)業(yè)景觀可持續(xù)性能力設(shè)計(jì)。

致謝：感謝湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院譚杰揚(yáng)老師提供水稻影像與圖片,感謝北京大學(xué)彭建教授，北京師范大學(xué)劉焱序博士對(duì)寫作的幫助。