北京昌平農(nóng)業(yè)景觀傳粉服務(wù)供給和需求評估研究*

宋 瀟, 伍盤龍, 王 飛, 李 想, 孫仁華, 張旭珠, 夏博輝, 劉云慧,3**

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北京昌平農(nóng)業(yè)景觀傳粉服務(wù)供給和需求評估研究*

宋 瀟1, 伍盤龍1, 王 飛2, 李 想1, 孫仁華2, 張旭珠1, 夏博輝1, 劉云慧1,3**

(1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 北京 100193; 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)生態(tài)和資源保護總站 北京 100125; 3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物多樣性與有機農(nóng)業(yè)北京市重點實驗室 北京 100193)

近年來全球范圍內(nèi)蜜蜂多樣性的下降引起了各國科學(xué)家與政府對與農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)密切相關(guān)的傳粉服務(wù)的關(guān)注。為了認(rèn)識和了解區(qū)域傳粉服務(wù)的供給和需求狀況, 為制定區(qū)域傳粉管理策略奠定基礎(chǔ), 本研究在2016年對北京昌平7種常見生境的野生蜂多樣性、植被組成、土壤緊實度、作物種植面積等數(shù)據(jù)進行了調(diào)查, 根據(jù)野生蜂的物種組成、飛行距離、筑巢偏好和活動季節(jié), 生境的植物資源數(shù)據(jù)和筑巢適宜性數(shù)據(jù), 結(jié)合InVEST模型對研究區(qū)傳粉服務(wù)的供給進行了評估; 根據(jù)研究區(qū)傳粉依賴作物種植面積和各種作物對傳粉服務(wù)的依賴程度, 對研究區(qū)傳粉服務(wù)的需求進行了評估; 通過疊加傳粉服務(wù)供給和需求分級圖, 評估了研究區(qū)的傳粉服務(wù)供需匹配狀況。結(jié)果顯示, 自然林是最適宜野生蜂的生境, 其次是人工林、荒草地和邊界生境; 果園既是野生蜂的生境, 也對傳粉服務(wù)有較高的需求; 大棚幾乎不供給傳粉服務(wù), 但對傳粉服務(wù)有較高需求。對傳粉供需等級匹配的結(jié)果顯示, 昌平區(qū)供給等級高于需求等級的區(qū)域占34.2%, 大部分分布于山區(qū), 有較高的傳粉服務(wù)供給和較低的傳粉服務(wù)需求, 具有較高保護價值; 供給等級低于需求等級的區(qū)域占13.9%, 多分布于靠近山區(qū)的平原地區(qū), 雖然具有較高的傳粉服務(wù)供給, 但也具有最高的需求等級; 供給等級與需求等級持平的區(qū)域占51.9%, 遠離山區(qū)的平原地區(qū)由于具有較多半自然生境, 傳粉服務(wù)的供需基本是匹配的。最后, 文章對研究區(qū)傳粉服務(wù)提升提出了管理建議: 對于高供給-中/低需求的區(qū)域(重點保護區(qū)), 建議發(fā)展低管理強度的有機農(nóng)業(yè), 保護區(qū)域內(nèi)的生境; 對于中/低供給-高需求的區(qū)域(重點提升區(qū)、一般提升區(qū)), 建議使用養(yǎng)殖蜜蜂提升傳粉服務(wù), 同時在景觀尺度上增加自然/半自然生境比例, 建立生態(tài)廊道以增加生境之間的連通度; 對于供需等級較為一致的區(qū)域(重點維持區(qū)、一般維持區(qū)), 建議降低農(nóng)業(yè)區(qū)域的管理強度, 同時增加生境間的連接度, 以實現(xiàn)傳粉服務(wù)的可持續(xù)供給。

農(nóng)業(yè)景觀; 生境; 野生蜂多樣性; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 傳粉供給; 傳粉需求

動物傳粉是關(guān)系農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食安全的重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之一[1-2], 全球約1/3的農(nóng)作物生產(chǎn)依賴生物的傳粉作用而實現(xiàn)[3]。自1961年以來, 全球依賴動物傳粉的作物(主要是溫帶和熱帶的水果和堅果)的產(chǎn)量和種植面積大幅上升, 對傳粉服務(wù)的需求也極大提高[4]。隨著集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來的環(huán)境壓力與全球人口增長帶來的對糧食需求的增加, 提升傳粉服務(wù)被認(rèn)為是未來緩解集約化生產(chǎn)與糧食安全矛盾、通過可持續(xù)生產(chǎn)方式提升作物產(chǎn)量重要措施之一[5]。但是, 目前很多地區(qū)對于傳粉服務(wù)的供給和需求狀況尚缺乏深入的評估和認(rèn)識, 本文以此為基礎(chǔ), 展開相關(guān)研究, 為傳粉服務(wù)提升管理措施的制定提供指導(dǎo)和依據(jù)。

早期的傳粉服務(wù)評估方法大多是基于經(jīng)濟價值的定量化評估, 但在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理的過程中, 僅計算服務(wù)的價值并不能帶來更多的幫助。近年來, 以土地利用為基礎(chǔ), 并結(jié)合生態(tài)過程的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)制圖方法受到了更加廣泛的關(guān)注[6-8]。Kremen等[9]提出的以土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ), 使用傳粉者類群數(shù)據(jù)、不同土地利用類型的筑巢資源及植物資源數(shù)據(jù)等進行評估的傳粉服務(wù)評估模型成為了后來許多傳粉服務(wù)評估研究的基礎(chǔ)模型。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估通過供給和需求兩方面進行[10-11]。在傳粉服務(wù)的評估中, 供給是由傳粉者類群特征(多度、物種豐富度、功能性等)而實現(xiàn)的; 服務(wù)的需求則是體現(xiàn)在人類對服務(wù)的“使用”上, “使用”的過程指的是傳粉者類群多度/豐富度等對作物傳粉的貢獻[11-12]。但是, 當(dāng)前大多數(shù)研究只關(guān)注傳粉服務(wù)的供給, 較少從需求方面對傳粉服務(wù)進行評估; 在對傳粉服務(wù)的評估中使用的數(shù)據(jù)多來自于專家意見和文獻, 而較少使用實際測得的數(shù)據(jù)。

膜翅目中的蜜蜂總科是自然界傳粉昆蟲中種類最多、數(shù)量最大的類群, 是最主要的授粉生物[13]。在農(nóng)業(yè)集約化程度不斷加強的今天, 傳粉服務(wù)需求可能無法僅通過養(yǎng)殖蜜蜂得到滿足[14], 因此, 研究者將目光轉(zhuǎn)向了種類更多、分布更廣、具有更高傳粉效率的野生蜜蜂[15]。加強對野生蜂資源多樣性的認(rèn)識, 并對其所提供的傳粉服務(wù)進行評估能夠幫助更好地利用野生蜂資源, 對制定傳粉服務(wù)保護和管理策略、保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和人類糧食安全具有重要參考和借鑒價值。

針對國內(nèi)在傳粉服務(wù)的供給、需求方面的認(rèn)識和研究的不足, 以及在評估過程中較少采用實測數(shù)據(jù)的情況, 本研究以北京市昌平區(qū)為例, 1)使用實際測得的生境適宜性數(shù)據(jù)和野生蜂功能群數(shù)據(jù)在InVEST模型中計算傳粉服務(wù)的供給, 使用作物種植面積統(tǒng)計數(shù)據(jù)和作物對生物傳粉的依賴程度計算研究區(qū)傳粉服務(wù)的需求; 2)分析揭示了區(qū)域傳粉服務(wù)的供需平衡狀況; 3)此外, 基于區(qū)域傳粉服務(wù)供需狀況的評估, 探討了區(qū)域傳粉服務(wù)的管理和維持的策略。研究將為區(qū)域傳粉服務(wù)供給、需求的評估及傳粉服務(wù)的區(qū)域管理提供方法參考。

1 研究區(qū)和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市昌平區(qū)(40°2′~40°23′N, 115°50′~116°29′E), 面積1 343.5 km2。地勢西北高、東南低, 山地海拔800~1 000 m, 平原海拔30~100 m。60%的面積是山區(qū), 40%是平原。該區(qū)主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型為果樹和蔬菜種植, 2015年, 昌平區(qū)水果總產(chǎn)值為53 347.4萬元, 占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的68.9%, 蔬菜總產(chǎn)值為21 592.0萬元, 占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的27.9%。果樹種植面積7 000 hm2。因此, 該區(qū)域?qū)鞣鄯?wù)的提升有著較大的潛在需求。

1.2 研究方法

在獲取研究區(qū)土地利用圖的基礎(chǔ)上, 通過對典型生境中的野生蜂多樣性進行掃網(wǎng)調(diào)查, 結(jié)合生境中植物資源可用性、筑巢適宜性及野生蜂的生境需求等指標(biāo), 使用InVEST3.3.2的Pollination模塊進行傳粉服務(wù)供給的評估; 通過研究區(qū)依賴傳粉的作物的種植情況, 進行傳粉服務(wù)需求的評估; 對比研究區(qū)傳粉服務(wù)的供需分布狀況, 對研究區(qū)提出傳粉服務(wù)的管理建議。技術(shù)路線見圖1。

1.2.1 土地利用解譯

采用2015年8月及10月研究區(qū)高分2號遙感影像, 進行特征提取、目視解譯等多種方法綜合的計算機解譯(圖2), 將研究區(qū)的山區(qū)和平原區(qū)域分為自然林、人工林、荒草地、果園、大棚、道路邊界、農(nóng)田邊界和非生境8種類型。分類結(jié)果顯示, 自然林、人工林、荒草地、果園、大棚、道路邊界、農(nóng)田邊界和非生境分別占研究區(qū)面積的47.62%、11.84%、2.80%、7.18%、1.06%、0.18%、0.09%和29.22%。昌平區(qū)北部和西部有較多的山區(qū), 因此該區(qū)域自然林所占面積比例較高; 靠近山區(qū)的地區(qū)及山區(qū)的溝壑地區(qū)分布有大量的果園; 東部平原地區(qū)有較高比例的人工林, 同時還有較密集的大棚區(qū)域; 荒草地以零星塊狀分布于平原地區(qū); 道路邊界分布于平原地區(qū)的道路兩側(cè); 農(nóng)田邊界分布于東南部為數(shù)不多的大塊農(nóng)田周圍。以2014年在昌平區(qū)進行的實地景觀調(diào)查結(jié)果為真實參考源, 使用混淆矩陣方法對分類結(jié)果進行精度檢驗。檢驗結(jié)果顯示, 山區(qū)地區(qū)的分類總體精度為76.9%, 平原地區(qū)的分類總體精度為78.1%, 分類的準(zhǔn)確性較高。

圖1 昌平區(qū)傳粉服務(wù)供需評估技術(shù)路線圖

圖2 昌平區(qū)遙感(RS)影像分類方法

1.2.2 研究區(qū)傳粉服務(wù)供給評估

本研究使用InVEST3.3.2中的Pollination模塊進行傳粉服務(wù)供給狀況的分析。傳粉服務(wù)的供給以野生蜂的相對多度指數(shù)表征, 需要輸入的參數(shù)有: 劃分為10 m柵格的土地利用數(shù)據(jù); 各土地利用類型的筑巢適宜性、植物資源可用性; 各野生蜂物種的筑巢偏好、活動季節(jié)和飛行距離。使用以下公式來計算柵格內(nèi)的物種的相對多度指數(shù):

這里模型所計算出的結(jié)果是一個0~1之間的相對多度指數(shù), 代表柵格內(nèi)野生蜂多度的多寡, 而不是實際的多度值。

評估所需的參數(shù)通過以下方式獲取:

1)野生蜂物種數(shù)據(jù)

通過野外調(diào)查的方式獲取研究區(qū)野生蜂物種組成信息, 并據(jù)此查詢和計算野生蜂筑巢偏好、活動季節(jié)、飛行距離等參數(shù)。

①野生蜂物種組成: 在2016年4—9月每個月的24—29日(4月對果園的取樣在果樹盛花期進行), 使用掃網(wǎng)法[16]對自然林、人工林、荒草地、果園(包括蘋果園、桃園和櫻桃園)、大棚、農(nóng)田邊界和道路邊界7種潛在生境進行野生蜂多樣性調(diào)查, 每種生境選擇5個樣點, 共45個樣點; 每個樣點選擇3條長50 m, 寬2 m的樣帶(邊界及大棚選擇一條樣帶), 在天氣晴朗溫暖、風(fēng)速較小的日子, 在每條樣帶內(nèi)行走10 min, 用網(wǎng)捕獲見到的野生蜂, 保存到75%酒精中, 帶回實驗室進行鑒定和分類。

②野生蜂飛行距離: 通過查閱《中國動物志》[17-18]及其他文獻獲得蜜蜂體長數(shù)據(jù)(通常取某蜜蜂物種的雌性的體長平均值作為該物種的體長數(shù)據(jù)), 并根據(jù)Gathmann等[19]的研究中的公式計算野生蜂的最大覓食距離():

③傳粉者類群筑巢偏好和活動季節(jié): 筑巢偏好根據(jù)《中國動物志》[17-18]及其他文獻[20-22]確定。野生蜂類群的活動季節(jié)根據(jù)取樣結(jié)果中不同物種的季節(jié)分布確定。

2)植物資源可用性數(shù)據(jù)

通過野外調(diào)查方式獲取各生境植被組成的信息, 并據(jù)此計算研究區(qū)不同土地利用類型的植物資源可用性。

①植被狀況調(diào)查: 在2016年5月和9月的15—20日利用五點取樣法對上述45個樣點的植被狀況進行調(diào)查。在每個樣點選擇1個20 m′40 m的區(qū)域(通常包含在掃網(wǎng)樣方當(dāng)中), 在區(qū)域的中心及四角各取1個1 m′1 m的樣方, 對樣方當(dāng)中草本植物的物種和蓋度進行調(diào)查; 若樣地中有灌木, 則在區(qū)域中心及四角選擇5 m′5 m的樣方進行灌木物種和蓋度的調(diào)查; 若樣地中有喬木, 則統(tǒng)計區(qū)域中所有喬木的物種及蓋度。線性要素樣點選擇5 m′40 m的條狀區(qū)域, 并在區(qū)域的兩端選擇草本或灌木的樣方進行調(diào)查; 若線性要素樣地中有喬木, 則統(tǒng)計條狀區(qū)域中所有的喬木物種及蓋度。取某一樣地所有樣方中的某一種植物的蓋度最大值作為這種植物在這塊樣地中的蓋度; 取某一生境所有樣地的該植物蓋度的平均值作為這種植物在這類生境中的蓋度。

3)筑巢適宜性數(shù)據(jù)

研究從地面、枯木或植物莖稈、廢棄的洞穴或巢穴3個方面來評價生境對野生蜂的筑巢適宜性。地面筑巢適宜性通過實際測量的土壤緊實度(soil compactness)來評價, 在5月15日至20日對上述45個樣點進行土壤緊實度測量, 每個樣點選擇3個點, 使用IB型號的手動土壤表面緊實度測量儀來測量該點土壤深度10 cm處的土壤緊實度, 通常在樣地的外側(cè)樣帶的不同端點及中間樣帶的中點, 及線性單元樣帶的兩端選擇測量點。其他筑巢適宜性參考Lonsdorf等[27]研究中的數(shù)據(jù)。

4)模型驗證

在傳粉者相對多度分布圖中, 截出各樣地的樣方(50 m′30 m, 綠色線性單元為50 m′10 m), 計算樣方內(nèi)柵格的相對多度平均值, 并與實際測得的多度值進行Pearson相關(guān)性分析, 對模型得到的相對多度值進行驗證。研究雖然對不同生境的野生蜂多度進行了調(diào)查, 但是由于InVEST模型的結(jié)果能夠涵蓋更多的土地利用信息, 且實際測量值與InVEST模型的計算值顯著線性相關(guān)(Pearson correlation=0.570,=0.000 04), 因此研究仍采用模型的結(jié)果作為傳粉服務(wù)供給的評估結(jié)果。

1.2.3 研究區(qū)傳粉服務(wù)需求評估

1)作物種植面積

作物種植面積指標(biāo)從昌平區(qū)統(tǒng)計局2016年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)中獲得, 分為果樹和蔬菜兩部分。數(shù)據(jù)顯示, 昌平區(qū)的蔬菜種植方式中, 普通溫室(大棚)所占面積最大, 因此, 蔬菜的種植面積數(shù)據(jù)選擇普通溫室中4—10月蔬菜種植面積的平均值。

2)作物對傳粉的依賴程度

本研究中主要采用劉朋飛等[28]的研究作為生物傳粉依賴度數(shù)據(jù)(表1), 其研究結(jié)果計算了包含提升產(chǎn)量和改善作物質(zhì)量兩方面作用的作物對傳粉服務(wù)的依賴程度值:

上述研究中缺少數(shù)據(jù), 通過查閱其他文獻[29-30], 以相同的公式進行計算。

表1 昌平區(qū)主要蔬菜與水果對傳粉的依賴度

3)傳粉服務(wù)需求評估

傳粉服務(wù)的需求計算以行政鎮(zhèn)為單位, 分果樹與蔬菜兩類進行, 分別賦值給各鎮(zhèn)中的果園和大棚兩類土地利用類型。則鎮(zhèn)中作物對傳粉服務(wù)的需求D的計算公式為:

1.2.4 研究區(qū)傳粉服務(wù)供需匹配

由于供需平衡是基于對傳粉服務(wù)有需求的區(qū)域討論的, 因此, 將傳粉服務(wù)供給分布圖中的果園與大棚區(qū)域進行提取, 得到農(nóng)業(yè)區(qū)域的傳粉服務(wù)供給圖, 再使用自然間斷點法對傳粉服務(wù)供給分為高供給、中供給、低供給3個等級; 使用同樣的方法將傳粉服務(wù)的需求分布圖分為與供給相對應(yīng)的高需求、中需求、低需求3個等級; 將分為3個等級的供給與需求分布圖進行疊加, 進行研究區(qū)的傳粉服務(wù)供需匹配。

1.2.5 研究區(qū)傳粉服務(wù)管理分區(qū)分析

由于野生蜂的飛行距離大多在1.5 km以內(nèi), 以此為依據(jù), 研究將需求區(qū)域(果園與大棚)周圍1.5 km緩沖區(qū)的范圍內(nèi)設(shè)為需要進行傳粉服務(wù)管理的區(qū)域, 并根據(jù)供需狀況劃定不同的傳粉服務(wù)管理區(qū)。分區(qū)后, 使用Fragstats 16.0計算各管理區(qū)的自然/半自然生境比例、耕作區(qū)域比例及生境連接度, 以對各分區(qū)提出相應(yīng)的管理建議。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季節(jié)野生蜂取樣情況

在整個取樣季共捕獲了646頭野生蜂, 分別屬于82個種, 其中, 優(yōu)勢物種為銅色隧蜂(), 數(shù)量為75頭, 所占比例為11.7%。不同季節(jié)取樣結(jié)果如下: 春季177頭, 共43個種, 優(yōu)勢物種為黃蘆蜂(), 數(shù)量為18頭, 所占比例為10.2%; 夏季316頭, 共43個種, 優(yōu)勢物種為黃胸彩帶蜂(), 數(shù)量為63頭, 所占比例為19.9%; 秋季153頭, 共41個種, 優(yōu)勢物種為領(lǐng)分舌蜂(), 數(shù)量為26頭, 所占比例為17.0%。

2.2 研究區(qū)傳粉服務(wù)供給評估結(jié)果

InVEST輸出的植物資源可用性分布圖(圖3a)顯示, 自然林、人工林、農(nóng)田邊界生境及其周圍柵格的植物資源可用性較高, 荒草地、果園、道路邊界及其周圍柵格的植物資源可用性為中等, 非生境區(qū)域靠近自然/半自然生境的邊緣部分有較低的植物資源可用性, 中心區(qū)域幾乎沒有植物資源可用性。筑巢適宜性分布圖(圖3b)顯示, 山區(qū)自然林生境及東部人工林生境中均有較高的筑巢適宜性, 荒草地及果園生境的筑巢適宜性為中等, 非生境區(qū)域幾乎沒有筑巢適宜性; 綠色線性單元中, 農(nóng)田邊界具有極高的筑巢適宜性, 道路邊界的筑巢適宜性為中等。

野生蜂相對多度圖(圖3c)顯示, 山區(qū)的自然林生境中有較高的野生蜂相對多度, 東部的人工林中野生蜂相對多度也較高, 荒草地生境及山區(qū)附近的果園生境中的野生蜂相對多度為中等, 在非生境區(qū)域, 幾乎沒有野生蜂的出現(xiàn)。在綠色線性單元中, 農(nóng)田邊界具有相當(dāng)高的野生蜂相對多度, 僅次于自然林生境, 道路邊界的相對多度為中等。

圖3 InVEST模型計算出的昌平區(qū)傳粉服務(wù)供給空間分布

a 植物資源可用性; b 筑巢適宜性; c 傳粉者相對多度。a: flora resource; b: nesting suitability; c: pollinator abundance index.

2.3 研究區(qū)傳粉服務(wù)需求評估結(jié)果

將果樹與蔬菜傳粉服務(wù)需求的值分別賦到各行政鎮(zhèn)當(dāng)中, 并與遙感分類結(jié)果中的果園與大棚進行疊加, 獲取各行政鎮(zhèn)的果園與大棚傳粉需求的分布(圖4)。其中, 低需求區(qū)域集中在昌平區(qū)東南部平原地區(qū), 包括北七家鎮(zhèn)、東小口鎮(zhèn)、沙河鎮(zhèn)東部、百善鎮(zhèn)東部、馬池口鎮(zhèn)東部和北部、崔村鎮(zhèn)南部、興壽鎮(zhèn)南部和小湯山鎮(zhèn)的部分地區(qū); 中需求區(qū)域位于昌平區(qū)西部和東北部的山區(qū)及平原的少部分地區(qū), 包括流村鎮(zhèn)、南口鎮(zhèn)、興壽鎮(zhèn)北部、馬池口鎮(zhèn)東部、百善鎮(zhèn)中部及小湯山鎮(zhèn)大部分地區(qū); 高需求區(qū)域集中在昌平區(qū)中部靠近山區(qū)的平原地區(qū), 包括十三陵鎮(zhèn)、南邵鎮(zhèn)北部和崔村鎮(zhèn)北部。

2.4 研究區(qū)傳粉服務(wù)供需匹配分析

2.4.1 供需匹配結(jié)果

將使用自然間斷點法分為3個等級的供給與需求分布圖進行疊加后, 得到傳粉服務(wù)供需匹配圖(圖5)。各供需關(guān)系的面積及所占比例見表2。

圖4 昌平區(qū)傳粉服務(wù)需求分布圖

表2 昌平區(qū)不同供需關(guān)系區(qū)域面積及比例

其中, 供給等級高于需求等級的區(qū)域面積為37.55 km2, 所占比例為34.2%; 供給與需求等級一致的區(qū)域面積為57.06 km2, 所占比例為51.9%; 供給等級低于需求等級的區(qū)域面積為15.25 km2, 所占比例為13.9%。

2.4.2 昌平區(qū)傳粉服務(wù)供需匹配及傳粉管理分區(qū)分析

在山區(qū)面積比例比較高的地區(qū)(流村、興壽、南口), 傳粉服務(wù)供給等級均較高, 基本可以達到供需相等, 或高/中供給-低需求的狀態(tài); 在距離山區(qū)較近, 同時有較多果園的地區(qū)(十三陵、崔村、南邵), 雖然傳粉服務(wù)供給較高, 但需求也相應(yīng)較高; 在東南部有較多人工林而沒有太多果樹或蔬菜種植的地區(qū)(北七家、東小口、沙河、小湯山南部), 傳粉服務(wù)較高但需求相對較低, 有的地區(qū)甚至是高供給-低需求; 在平原中城鎮(zhèn)化較高的一些地區(qū)(城南街道、城北街道、百善、小湯山北部、馬池口), 雖然傳粉服務(wù)供給不高, 但由于僅有少量蔬菜種植, 傳粉需求也較低; 在陽坊鎮(zhèn)東部, 有部分地區(qū)種植的蔬菜果樹較多, 但傳粉服務(wù)供給程度低, 因此處于低供給-高需求狀態(tài)。根據(jù)傳粉服務(wù)供給和需求的狀況, 可以將研究區(qū)分為如下幾個管理分區(qū)(圖6)。

1)一般提升區(qū)為低供給-低需求和低供給-中需求集中的區(qū)域, 主要包括興壽鎮(zhèn)南部、崔村鎮(zhèn)南部、百善鎮(zhèn)、小湯山鎮(zhèn)東部和西部、馬池口鎮(zhèn)北部、城北街道南部和城南街道。

圖5 昌平區(qū)傳粉服務(wù)供需匹配圖

圖6 昌平區(qū)傳粉服務(wù)管理分區(qū)

2)一般維持區(qū)為中供給-中需求和中供給-低需求集中的區(qū)域, 主要包括南口鎮(zhèn)東南部、馬池口鎮(zhèn)西南部、流村鎮(zhèn)東部、沙河鎮(zhèn)西北部、小湯山鎮(zhèn)中部、北七家鎮(zhèn)和東小口鎮(zhèn)。

3)重點提升區(qū)為低供給-高需求和低供給-中需求集中的區(qū)域, 主要為陽坊鎮(zhèn)。

4)重點維持區(qū)為高供給-高需求和中供給-高需求集中的區(qū)域, 主要包括十三陵鎮(zhèn)南部的大部分區(qū)域、城北街道北部、南邵鎮(zhèn)北部和崔村鎮(zhèn)北部。

5)重點保護區(qū)為高供給-中需求和高供給-低需求集中的地區(qū), 主要包括流村鎮(zhèn)的大部分區(qū)域、南口鎮(zhèn)的北部和中部、興壽鎮(zhèn)的北部。

6)潛在價值保護區(qū)為未劃入昌平區(qū)傳粉服務(wù)管理區(qū)域, 但具有較高的自然林生境比例, 具有潛在的傳粉服務(wù)供給價值的區(qū)域, 包括流村鎮(zhèn)南部和北部、南口鎮(zhèn)北部、十三陵鎮(zhèn)北部、崔村鎮(zhèn)北部和興壽鎮(zhèn)中部。

7)其他區(qū)域為對傳粉服務(wù)幾乎無需求, 亦無較高供給的區(qū)域, 包括沙河鎮(zhèn)西部和回龍觀鎮(zhèn)。

對各區(qū)的景觀特征分析(表3)顯示, 一般提升區(qū)和一般維持區(qū)的自然/半自然生境比例相近, 但一般提升區(qū)的耕作區(qū)域比例較高, 生境連接度也較高; 重點提升區(qū)雖然耕作區(qū)域比例低, 但自然/半自然生境比例明顯較低, 生境連接度較高, 可能是由于區(qū)域內(nèi)有較多邊界生境; 重點維持區(qū)自然/半自然生境比例較高, 同時耕作區(qū)域比例高, 生境連接度中等; 重點保護區(qū)的自然/半自然生境比例高, 耕作區(qū)域比例較低, 生境連接度高。

表3 昌平區(qū)傳粉服務(wù)管理區(qū)景觀指數(shù)

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果顯示, 自然林是最適宜的野生蜂生境, 其次是人工林與荒草地, 同時邊界生境(農(nóng)田邊界與道路邊界)的作用也是不可忽視的; 果園作為一類重要的野生蜂生境, 同時也是對傳粉服務(wù)有需求的農(nóng)業(yè)用地, 大棚對野生蜂來說并非重要的生境, 但對傳粉服務(wù)有較高需求。傳粉服務(wù)供需評估的結(jié)果顯示, 供給等級高于需求等級的區(qū)域占34.2%, 大部分分布于山區(qū), 具有較高的傳粉服務(wù)供給和較低的傳粉服務(wù)需求, 是有較高價值的保護區(qū); 供給等級低于需求等級的區(qū)域占13.9%, 多分布于靠近山區(qū)的平原地區(qū), 雖然具有較高的傳粉服務(wù)供給, 但也具有最高的需求; 供給與需求等級一致的區(qū)域占51.9%, 遠離山區(qū)的平原地區(qū)由于具有較多半自然生境, 傳粉服務(wù)的供需基本是匹配的。

一般來說, 提高區(qū)域傳粉服務(wù)的主要措施有: 1)在局部尺度上, 減少農(nóng)業(yè)集約化程度, 盡量少用農(nóng)藥和化肥[31-32], 推廣環(huán)境友好的有機種植模式[33-34]; 采用間套作、輪作等方式種植一些蟲媒作物[35]; 在需要傳粉的農(nóng)田周圍放置巢管、巢箱等材料, 吸引野生蜂筑巢[36]。2)在景觀尺度上, 增加農(nóng)業(yè)景觀中的自然/半自然生境比例[9,37], 保護原有的自然生境、利用休耕地提供補充生境、利用農(nóng)田邊界等零散地塊創(chuàng)建小型生境、改善景觀的空間配置等[38]。結(jié)合研究區(qū)的情況, 建議采用如下措施: 1)對于高供給-中/低需求(重點保護區(qū))的區(qū)域, 建議發(fā)展低管理強度的有機農(nóng)業(yè), 保護區(qū)域內(nèi)的生境; 2)對于中/低供給-高需求的區(qū)域(重點提升區(qū)、一般提升區(qū)), 建議放置蜂箱、管巢等, 使用養(yǎng)殖蜜蜂提升傳粉服務(wù), 同時在景觀尺度上增加自然/半自然生境比例, 建立生態(tài)廊道以增加生境之間的連通度; 3)對于供需等級較為一致的區(qū)域(重點維持區(qū)、一般維持區(qū)), 建議降低農(nóng)業(yè)區(qū)域的管理強度, 同時增加生境間的連接度, 以實現(xiàn)傳粉服務(wù)的可持續(xù)供給。

研究從供給和需求兩方面對傳粉服務(wù)的區(qū)域分布進行了更加全面的評估, 提出了更加科學(xué)的管理意見; 使用了較多研究區(qū)實際調(diào)查所獲得的數(shù)據(jù)進行指標(biāo)計算, 而不是以專家意見或文獻數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源, 提高了評估的準(zhǔn)確性[11]。但是仍需在如下方面作進一步完善: 1)數(shù)據(jù)的完整性和可靠性有待提升。本研究中植物提供花粉或花蜜資源的多寡是以養(yǎng)蜂業(yè), 即以意大利蜜蜂為代表的養(yǎng)殖蜜蜂種群為標(biāo)準(zhǔn)來衡量的, 因此, 這個標(biāo)準(zhǔn)作為野生傳粉昆蟲食物資源的衡量標(biāo)準(zhǔn)是否準(zhǔn)確, 有待進一步的驗證。2)蜜蜂飛行距離的計算使用了Gathmann等[19]研究中的公式, 即飛行距離與其體長關(guān)系的公式, 但Greenleaf等[39]提出, 使用翅間距作為體型指標(biāo)來計算蜜蜂的飛行距離可能是更為準(zhǔn)確的, 但因為翅間距數(shù)據(jù)難以獲得, 最終仍然使用了Gathmann的公式。3)由于無法準(zhǔn)確地在遙感影像中解譯出各種作物的分布情況, 文中只將以鎮(zhèn)為單位計算的需求值賦給果園和大棚土地利用類型(即果樹和蔬菜兩種作物),其他如觀賞花卉、油料作物等未進行計算, 需要傳粉的非作物植物也未能考慮在內(nèi), 這些需要將來在進一步改進分類精度后加以補充和完善。如果有更加詳細的土地利用圖和作物種植狀況, 所得到的評估結(jié)果可能更為精準(zhǔn)。4)本研究劃定的供需等級僅是一個定性的劃分。在供需關(guān)系評估中所用到的描述都是基于各自的等級進行比較的, 是否能夠真正地反映區(qū)域的傳粉服務(wù)供需匹配狀況仍舊有待討論。除了等級匹配[10]以外, 還有研究使用廣義相加模型(GAM)來分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與需求之間的非線性關(guān)系[40], 但依然是一種定性的分析方法。更加定量的分析應(yīng)當(dāng)在了解更多野生蜂和作物的生物學(xué)特性的基礎(chǔ)上進行。因此, 未來需要加強對野生蜂的生物學(xué)及生態(tài)學(xué)特征的研究, 獲取野生蜂的覓食偏好、筑巢偏好、生物性狀等數(shù)據(jù), 進行更加準(zhǔn)確的生境適宜性評估, 提高對傳粉服務(wù)評估的準(zhǔn)確性; 同時也需要更多來源和更高精度的土地利用信息, 有利于對區(qū)域傳粉服務(wù)的供需分布進行更加準(zhǔn)確的制圖。

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Evaluation of pollination service supply and demand of agricultural landscape in Changping District, Beijing*

SONG Xiao1, WU Panlong1, WANG Fei2, LI Xiang1, SUN Renhua2, ZHANG Xuzhu1, XIA Bohui1, LIU Yunhui1,3**

(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Rural Energy & Environment Agency, Ministry of Agriculture, Beijing 100125, China; 3. Beijing Key Laboratory of Biodiversity and Organic Farming, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

The diversity of bees has declined in recent years around the world. This has raised concerns about pollination service, which is closely linked with sustainable agricultural production. To understand the supply and demand of regional pollination service and laid the basis for developing a regional pollination management strategy, we investigated seven common habitat types, which were forest, woodland, grassland, orchard, greenhouse, road boundary, field margin, and one non-habitat land in Changping District of Beijing in 2016. The data including bee (species, flying distance, nesting preference and active season), vegetation (vegetation composition, flowering season, nectar/pollen resources), nesting suitability (soil compaction) and crop area were collected. The supply of pollination service in the study area was evaluated by using the InVEST model, which was based on species composition, flight distance, nesting preference and activity season of wild bees. The model also used data of plant resources and nesting suitability in the habitat to estimate the dependent degree of crops on pollination. The demand for pollination service was evaluated based on planting area and dependence on pollination service of crops. Furthermore, the match between pollination service supply and demand was studies by stacking the levels of supply and demand. The results showed that natural forests were the most suitable habitat for wild bee production, followed by woodlands, grasslands and border habitats. Orchards too were wild bee habitats and also had high demand for pollination service. Greenhouse barely provided pollination service, but had a high demand for it. The supply and demand match results showed that in Changping area, pollination service supply exceeded demand. The areas where supply level was higher than demand level accounted for 34.2%, mostly distributed in mountain areas. The areas with the highest supply and lower demand for pollination service was worthy for protection. The areas with lower supply than demand accounted for 13.9% and were distributed in plain regions near mountains. Although such areas had a relatively high supply, demand was the highest. Areas with the same supply-demand accounted for 51.9%, distributed in plain areas far from mountains. In these areas, the supply and demand for pollination service were basically in balanced match because of the high proportion of semi-natural habitats. Finally, some management strategies were suggested to improve pollination service in the study area. For the areas with higher supply and medium/lower demand (key protected region), it was suggested to develop organic agricultural with less management to protect habitat. For medium/lower supply and higher demand areas (key improved and generally improved regions), it was necessary to improve pollination service by breeding bee and increase natural/semi-natural habitat, and strengthen connectivity among habitats through ecological corridor construction. For the area with balanced supply and demand (key maintained, and generally maintained regions), decreasing management intensity of agricultural area and increasing connectivity among habitats were important for keeping sustainable pollination service supply.

Agricultural landscape; Habitat; Wild bee biodiversity; Ecosystem service; Pollination supply; Pollination demand

Corresponding author, E-mail: liuyh@cau.edu.cn

Jun. 20, 2017; accepted Jul. 19, 2017

10.13930/j.cnki.cjea.170566

S4; S8

A

1671-3990(2018)01-0016-11

通信作者:劉云慧, 主要從事景觀生態(tài)與土地可持續(xù)利用研究。E-mail: liuyh@cau.edu.cn 宋瀟, 主要從事傳粉生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究。E-mail: songxiao0517@163.com

2017-06-20

2017-07-19

* This study was supported by the Beijing Natural Science Foundation (5162017) and the National Natural Science Foundation of China (31470514).

*北京市自然科學(xué)基金項目(5162017)和國家自然科學(xué)基金項目(31470514)資助

宋瀟, 伍盤龍, 王飛, 李想, 孫仁華, 張旭珠, 夏博輝, 劉云慧. 北京昌平農(nóng)業(yè)景觀傳粉服務(wù)供給和需求評估研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(1): 16-26

SONG X, WU P L, WANG F, LI X, SUN R H, ZHANG X Z, XIA B H, LIU Y H. Evaluation of pollination service supply and demand of agricultural landscape in Changping District, Beijing[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(1): 16-26