蟲害對草地生態(tài)系統(tǒng)生物量危害損失評估

李林懋，歐陽芳，戈 峰，丁 楠，門興元*

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學院 植物保護研究所/山東省植物病毒學重點實驗室，山東 濟南 250100；2.中國科學院 動物研究所/農(nóng)業(yè)蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室，北京 100101)

0 引 言

草地生態(tài)系統(tǒng)是地球三大陸地生態(tài)系統(tǒng)之一，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[1]，也是我國陸地面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類型[2-3]。草地生態(tài)系統(tǒng)在生態(tài)、生產(chǎn)和生活功能之間形成了密切相互作用的邏輯關系，具有調(diào)節(jié)、支持、生產(chǎn)和信息服務功能。草地是牧民賴以生存的直接生產(chǎn)資料。保護草地生態(tài)功能，對維護生態(tài)屏障安全和保護生物多樣性具有重要意義[4]。我國草地面積從2000年的2.78億hm2，逐年增加，其中在2002年增加最快到3.90億hm2，之后緩慢增加，到2010年的3.92億hm2，約占國土面積的40.8%，占世界草地面積的13%[5],居世界第2位。草原上致災因子種類多樣，有害生物主要有327種，其中蟲害就有69種（農(nóng)業(yè)部文件[1988]農(nóng)[牧]字第77號發(fā)布，根據(jù)1997年12月25日農(nóng)業(yè)部令第39號修訂）。草原的害蟲分廣布，數(shù)量多，危害大，給草原畜牧業(yè)生產(chǎn)帶來了嚴重的威脅。害蟲在草原生態(tài)系統(tǒng)中處于重要的地位,它們的活動強烈地影響著草原生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡。由于我國幅員遼闊，地勢多樣，加大了有害生物對草地生態(tài)系統(tǒng)所造成危害損失的評估難度。定量評估草地生物災害，掌握災害變化趨勢、空間分布規(guī)律，可為防災減災策略提供依據(jù)。

劉興元等[6]在草地生態(tài)系統(tǒng)服務價值評估方面，系統(tǒng)全面綜述了國內(nèi)外學者從不同角度和區(qū)域，利用多種方法開展廣泛的研究，此類研究對人類認識草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能的重要性和完善草地生態(tài)服務價值評估方法具有重要的作用。但我國目前與農(nóng)林業(yè)相結合的有害生物災害損失評估方法主要是直接經(jīng)濟損失評估方法和森林生態(tài)服務價值損失估算方法。前者采用傳統(tǒng)的實物量價值核算方法，即采用各種指標直接計算損失的實物量價值[7]。森林生態(tài)效益損失評估方法主要分為2大類：①替代市場技術類評估方法；②模擬市場技術類評估方法[8-9]。草地生物災害損失評估目前國內(nèi)主要是依靠對于有害生物發(fā)生面積、發(fā)生等級及發(fā)生次數(shù)等方面的測報，不足在于只能定性，非定量，所提供的信息不足。草原蟲害的防治，在一定程度上就是調(diào)整和恢復草原生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，提高草原生產(chǎn)能力，因此對有害生物所造成草原生態(tài)系統(tǒng)生物量損失的評估具有重要意義。

生物量（biomass）是指某一特定觀察時刻、某一空間范圍現(xiàn)有的個體數(shù)量、重量（狹義的生物量）或者含能量，它是一種現(xiàn)存量，生物量在生態(tài)系統(tǒng)的研究中占有重要地位。生態(tài)系統(tǒng)的主要研究對象是系統(tǒng)中和系統(tǒng)之間的能量流動和物質循環(huán)，這是生態(tài)系統(tǒng)兩大功能和過程。目前生態(tài)系統(tǒng)的概念和原理已被許多研究拿來解決密切相關的問題。生態(tài)效率（ecological efficiencies）是指各種能流參數(shù)中的任何一個參數(shù)在營養(yǎng)級之間或營養(yǎng)級內(nèi)部的比值關系，這種比值關系也可以應用于種群之間或種群內(nèi)部以及生物個體之間或生物個體內(nèi)部[10]。在生態(tài)學研究中，可以利用對各個環(huán)節(jié)間的傳遞效率來估計能流的傳遞情況，現(xiàn)代生態(tài)學通常利用生態(tài)效率和生物量來估計有害生物對生態(tài)系統(tǒng)的損失量。本研究首次利用有害生物對生態(tài)系統(tǒng)所造成損失的生態(tài)能學估算方法，根據(jù)2000年至2010年全國植保統(tǒng)計資料、農(nóng)業(yè)和林業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，分別以全國和省為評估單元，分析評估區(qū)域主要草地害蟲空間分布特征和變化趨勢，評估了我國蟲害對草地生態(tài)系統(tǒng)生物量的損失，以期為分析受災區(qū)的成本投入和制定防治策略，及單元內(nèi)蟲害對草地生態(tài)系統(tǒng)的影響評估提供數(shù)據(jù)支持和方法借鑒，為全國減少生物災害脅迫影響的宏觀戰(zhàn)略措施的制定提供支撐。

1 材料與方法

根據(jù)草地被害量與害蟲攝入量的相關性，以及生態(tài)學效率數(shù)據(jù)和野外調(diào)查數(shù)據(jù)，采用生態(tài)效率估算，可得草地主要害蟲的攝入量，再估算草地損失量。

1.1 草地生物量損失估計公式

表1 生態(tài)效率估算損害量參數(shù)

種群生產(chǎn)量P為其生長生產(chǎn)量Pg和生殖生產(chǎn)量Pr的之和。當生殖生產(chǎn)量Pr很小時，可以忽略，重點估算種群生長生產(chǎn)量Pg。凈生態(tài)學效率NEE為生產(chǎn)量與同化量的比值P/A，同化效率AEE為同化量與攝入量的比值A/I。表1提供了估算過程中涉及的英文字母代表的參數(shù)名稱。L為草地損害量，損害系數(shù)Dc值因不同有害生物的為害方式與作用類型而異。為害葉片如食葉性咀嚼式害蟲（狹翅雛蝗） 和貯糧害蟲（粉斑螟），攝入量估算為損害量，即損害系數(shù)Dc為1；而為害根部，莖干或者花果等有害生物，除去其攝入量造成的損失，還會造成其他某些器官或部位的損害，以致增加了其對植物的為害程度，此類有害生物的損害系數(shù)Dc大于1。這里用損害系數(shù)Dc為1計算?；谝陨瞎浪氵^程，將植物損害量L和挽回損失量RL簡化為：

圖1 中國草地蟲害發(fā)生范圍

k為參數(shù)，可以通過文獻資料數(shù)據(jù)估算。植物損害量L與種群密度PD、發(fā)生面積OA和個體生物量IB相關。從而通過獲取這 3個指標變量，可以計算出確定時間段草地蟲害損害量，即生物量損失。同理，挽回損害量RL與種群密度PD、控制面積CA和個體生物量IB相關。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 蟲害發(fā)生面積 圖1為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，顯示全國草地覆蓋區(qū)域，即草地蟲害發(fā)生范圍。表2列出的昆蟲是草地害蟲中主要類群，為小型蝗蟲、中型蝗蟲、草原毛蟲和草地螟。所列6種蝗蟲為我國草地常見蝗蟲中的優(yōu)勢種[11]。其防治指標作為種群密度估算。草原害蟲主要類群及防治指標均來自草原治蟲滅鼠實施規(guī)定（修正）（農(nóng)業(yè)部文件[1988]農(nóng)[牧]字第77號發(fā)布，根據(jù)1997年12月25日農(nóng)業(yè)部令第39號修訂）。

表2 草地幾種主要害蟲的防治標準

表3 主要害蟲的部分參數(shù)值

1.2.2 評估參數(shù) 草地主要害蟲的部分參數(shù)值見表3，估算所用參數(shù)數(shù)據(jù)通過查閱文獻得到。選擇昆蟲的鮮重作為生物量（狹義），均來自文獻[12-14]。采用用蝗蟲和鱗翅目昆蟲的同化效率和昆蟲凈生態(tài)效率平均值[15]計算生態(tài)效率。

圖2 全國三大部和七大區(qū)平均每年蟲害造成草地損失量

1.3 分析步驟

利用不確定分析方法估算生物災害對受害對象損失值的范圍，或損失值的置信區(qū)間[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

文中數(shù)據(jù)是由ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件和Excel 2003軟件分析，圖1和圖5是由ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件制作，其他圖均由Excel 2010制作。

圖3 2000—2010年全國中、東、西部蟲害對草地造成的損失量

2 結 果

全國2000年至2010年平均每年由于蟲害造成草地的損失量為 230.9萬t，其中東部所占比例較少為4%，西部和中部分別占35%和61%，共占比例高達96%，占了全國草地損失的絕大部分（圖2）。

全國分區(qū)中，華北地區(qū)所占比例最大，西北和華北地區(qū)共占損失總數(shù)的86.94%；東北和西南區(qū)共計12.56%；由于華東、華中、華南各地區(qū)所占比例很小分別為 0.01%、0.18%、0.02%，因此忽略不計，未在圖中顯示。

圖4 2000—2010年全國七大區(qū)蟲害對草地造成的損失量

圖5 中國草地蟲害損失分級

全國因蟲害損失的草地生物量自2000年175.9萬t逐年增加到2004年286.1萬t，11年間損失量呈現(xiàn)先上升后下降后上升再下降的趨勢。2004年之后損失量下降，2005—2007年出現(xiàn)損失量低谷，2006年為除2000年之外10年的最低值，年損失量降至177.0萬t，2008年達11年損失量峰值328.5萬t，2009—2010年又呈現(xiàn)下降趨勢。全國中、東、西部，中部地區(qū)損失量走勢與全國走勢基本相同；西部呈緩慢上升趨勢，東部年損失量最少，峰值和最小值分別為2002年 13.1萬 t和2001年5.5萬t，各年損失量變化趨于平穩(wěn)，見圖3。

全國七大區(qū)中，華北地區(qū)損失自2000年后逐年升上，至2004年上升至 190.1萬 t，2005年驟降為11年最小值85.7萬t，之后兩年趨于平穩(wěn)，2008年驟升為峰值197.5萬t，之后兩年逐年下降，至2010年達109.2萬t。西北地區(qū)損失逐年增加，2008年為11年峰值94.3萬t；東北，西南兩區(qū)損失量相差較小，逐年變化小，均呈波動上升趨勢，見圖4。

將全國范圍內(nèi)蟲害所造成草地損失量分為5級，各地區(qū)蟲害發(fā)生強度分布如圖5所示。其中內(nèi)蒙古省年均損失量占全國總損失量的53.47%，其他各省占比例較少，天津、上海、浙江、江西、貴州五省幾乎無損失，見圖6。

圖6 中國各省份草地蟲害年均損失量

3 結論與討論

3.1 草地生物災害危害損失評估的價值

占地球陸地總面積 52.17%的草地生態(tài)系統(tǒng)蘊藏著巨大的生物量。它不僅是發(fā)展國民經(jīng)濟的物質基礎，還是維護陸地生態(tài)系統(tǒng)的天然屏障[17]。它不僅為人類提供了大量產(chǎn)品，而且提供了多種生態(tài)服務，如每公頃草坪每天吸收二氧化碳900 kg, 釋放氧氣600 kg[18]。由于人類對草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能的利用的不斷開發(fā)，人為干涉造成的草地退化、沙化、鹽堿化——“三化”現(xiàn)象受到重視，但蟲害造成的草地生物量的損失受關注程度相對較低。中國草原生態(tài)系統(tǒng)結構復雜, 不同類型的草地其生態(tài)功能各異, 就同一種功能在不同的草地類型中所產(chǎn)生的價值也是相差甚遠。因此, 要構建一套真正適合我國草地實際情況的評估體系任重道遠。

草地生態(tài)系統(tǒng)服務功能體現(xiàn)在3個方面，即生態(tài)功能、生產(chǎn)功能和生活功能。蟲害所造成草地生物量的損失直接影響其生產(chǎn)功能，而草地的生產(chǎn)功能是對草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)屬性的具體反映，主要表現(xiàn)在初級經(jīng)濟植物產(chǎn)品的開發(fā)（草產(chǎn)品、藥材、菌類和燃料等）和次級產(chǎn)品（奶、肉、毛、皮等）的輸出。遼闊的草原除長有種類繁多的優(yōu)良牧草，還蘊藏著十分豐富的經(jīng)濟植物（包括藻類、菌類、蕨類、裸子植物和被子植物等），它為飲食業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、工業(yè)、環(huán)境保護及美化等國民經(jīng)濟領域提供了大量的原料和成品，同時帶來很高的經(jīng)濟效益。謝高地等[19]利用生物量對Costanza等[20]的服務功能單位面積價值進行了校正后，對中國18個草地類型的生態(tài)服務價值估算結果為1 497.9億美元，青藏高原高寒草地生態(tài)服務價值為2 571.78億元。資料顯示，我國每年的牧草需求量為1 000萬t[21]，本研究利用生物量的方法估算出蟲害造成達年均230.9萬t草地損失，占全國牧草總需求量的23.1%，危害損失巨大。由于我國草地分布范圍廣，分布不均衡，波動性大，應加強重點區(qū)域的草原蟲害監(jiān)測和預報，并制定應對草原蟲害治理策略。

3.2 生態(tài)能學評估法優(yōu)勢和不足

本文所提出的基于有害生物生物量評估生態(tài)系統(tǒng)損失的方法，利用全國植保統(tǒng)計資料、農(nóng)業(yè)和林業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，即刻定量蟲害等生物災害對草地等受災對象造成的損失，及危險性、受災區(qū)損失程度等，從而估計受災區(qū)應災能力的成本投入和防治措施，將為全國草地蟲害影響的宏觀戰(zhàn)略措施的制定提供支撐。

局限性在于本文用于評估蟲害對草地生態(tài)系統(tǒng)損失的方法，采用了防治指標作為種群密度進行估算，由于全年草地蟲害發(fā)生量可能高于防治指標所提出的程度，因此用防治指標作為密度計算在某些程度上低估了有害生物造成的損失。另有主要害蟲參數(shù)，如鮮重、生態(tài)效率等仍需要繼續(xù)測定補充完善，使估算結果更加貼近實際。

從評價結果來看，該研究是利用了植保統(tǒng)計資料、農(nóng)業(yè)和林業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)利用生態(tài)系統(tǒng)能流的特性，經(jīng)過科學合理的估算方法，得到草原有害生物對草原所造成直接的損失量。這種估算方法簡單易行，具有一定程度的可操作性。它為我國草原生態(tài)功能價值核算體系的構建、我國草原生態(tài)系統(tǒng)服務價值的核算以及草地有害生物造成的損失核算體系的構建提供了可鑒的數(shù)據(jù)和估算方法, 同時也為草地資源的科學管理與合理利用敲響警鐘。

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