密西根州立大学扩展

景观结构和生态系统服务

21世纪将挑战农业饲料和燃料世界日益增长的同时保护environbob体育合法吗ment1、2。现代生产技术有了巨大的提高作物产量,允许农民养活世界的很大一部分。然而,这些增加的产量严重依赖于密集地使用化肥和pesticides1已污染地面和地表水(http://water.usgs.gov/nawqa)。同时,农业的足迹已经扩大到覆盖地球的无冰surface2近40%。bob体育合法吗这同时强化和扩大农业生物多样性和栖息地减少造成的损失等有益生物昆虫传粉者和predators3, 4。bob体育合法吗越来越多,我们的社会也要求农田生产生物能源作为一种清洁、国内的能源。例如,美国能源独立和安全法案》集的目标到2022年生产460亿加仑的生物燃料。这就引发了一个问题:农业生产生物能源,如何满足不断增长的世界人口bob体育合法吗,以可持续的方式这样做?答案可能是增加的一个关键部分的全套农业景观提供的生态系统服务。

各种生物和生态过程提供生态系统服务在农田作物生产的关键和社会(表1)5。例如,蜜蜂授粉作物植物,食肉昆虫和蜘蛛杀死农作物害虫,水流通过土壤补给河流和湖泊,和游戏的动物和其他野生动物被猎人和自然爱好者喜欢。大多数这些生物和流程跨越距离大于单个包裹的土地。例如,昆虫和鸟类之间移动多个补丁的森林和农田谋生,和雨水和灌溉用水进入地下水流经英里去溪流,湖泊和河流。因此,保护这些服务需要关注比个体更广泛的农田;它需要一个景观视角。

但什么是风景,不同的风景描述吗?在密歇根州中西部或更大的你的旅行,您可能已经注意到,农田包含各种各样的生境类型,不断重复,但改变的地区。如果你看到这个,你有一个直观的定义一个景观。首先,景观大;您需要通过多个农场在许多英里去欣赏它的性格。第二,景观包含多种类型的栖息地;如果被要求描述一个农场景观,你可能不只是提到玉米和大豆,农舍,谷仓、草原、灌木篱墙和流。这个集合多个栖息地,重复在数万英里,landscape6。而农业景观包含典型特征,没有两个景观是完全相同的(图1)。例如,更大比例的农田在密歇根覆盖着森林相比,爱荷华州的草原地区。换句话说,风景不同成分。 Further, landscapes with similar composition could still differ. For example, in hilly areas farmers may adopt contour farming, while in flatter areas farmers are more likely to grow crops in large rectangular fields. Both areas may contain similar types of crops (that is, they may be similar in composition), but in different physical configurations. Together, landscape composition and configuration describe landscape structure.

图1所示。农田以不同形状为人类与周围环境互动。例如,条常年可以穿插农田植被减少水土流失(左上),创建一个与狭窄的农田景观与不规则的边缘。另外,在水限制的地区,使用中央枢轴灌溉作物可能生长,创造大,圆形字段(中左),而在其他领域作物可能生长在矩形土地(右)。最后,小多年生植被仍在一些农场景观(左和右),而在其他地区一年生作物字段在森林与草原(左上角)和(左下角)。生物能源生产无疑会改变这些景观的形状影响生态系统服务,无论是好是坏。

如何以及为什么景观结构影响生态系统服务?要回答这个问题,有必要考虑景观和个人的栖息地,使它们。在农场的规模,选择管理土地以特定的方式将影响它所支持的类型的生物和它所提供的服务。例如,本地草原支持比cornfields7蜜蜂。然而,这并不是故事的全部,因为蜜蜂在多个栖息地转移到寻找食物,发现新巢网站和授粉的植物。这意味着提供多个补丁的蜜蜂栖息地景观有利于蜜蜂,让他们轻松地定位嵌套和食物资源在他们的旅行,而种植一个小补丁是不够的。此外,这也意味着觅食蜜蜂并不局限于自然区域,但授粉作物可以增加和维持生产。最后,它意味着授粉服务在农场不仅取决于农民管理各自的领域,但也在邻居的行为几英里远。授粉只是一个例子的一个生态系统服务变化作为生物能源生产转换我们的农业景观。

景观变化和生物能源生产

渐渐地,我们的国家正在寻找化石燃料的替代品,包括从植物燃料生产。这些生物燃料可以产生多种草本和木本生物能源作物,从现有的作物如玉米、大豆、油菜籽和杨树单一栽培或多年生牧草和鲜花的polycultures(图2)。例如,柳枝稷(黍virgatum)可以在单一种植,而混合草原(原生草和花的种植)也可以用于生产燃料。目前的证据表明,这些不同的生物能源作物体系之间的选择可以改变景观结构和影响生态系统服务在积极或消极的方面(表1)。在一个农场的规模,某些作物可能提供更好的栖息地物种保护关心的或提供关键服务。例如,混合草原支持繁殖的种群的几个威胁草原birds8,提供停留fall9栖息地迁徙南方时,支持促进繁殖pollinators7鲜花,并包含多样的植物群落提供栖息地作物pests10食肉昆虫和蜘蛛的攻击。相反,证据表明作物如玉米、集中管理和含有植物的多样性较低,贫穷对所有这些生物的栖息地。

图2。生物能源可以产生许多不同的作物,包括,从左到右:玉米谷物和干草、单一物种种植的本地草像柳枝稷(黍virgatum),本机草原的多品种种植花和草,非草芒草,油菜、大豆(新兴通过玉米渣)和杨树。种植不同的作物将改变农业景观以不同的方式影响生态系统服务。

在景观尺度,部署这些不同的作物可能会改变景观结构影响跨多个土地生态系统服务。例如,能源政策的能源独立和安全法案》(2007年)最初支持乙醇来自玉米。这增加了对玉米的需求和价格,导致玉米作物耕地农民转变。bob体育登录研究人员发现的证据表明,这风景是否适合减少有益昆虫攻击大豆蚜虫,自然虫害控制和减少造成的损失估计为5800万美元的四个中西部states11。bob体育登录研究人员还估计,增加玉米种植面积,以满足我们的能源政策的目标可能会增加溶解无机氮出口到10 - 34 percent12墨西哥湾。这些额外的氮可能加剧现有的赤潮问题减少氧的可用性和创造“死区”,渔业是沮丧。然而,这个问题可以部分减轻通过改善氮管理年度作物如玉米。例如,2005 - 2009年的平均总氮负荷比基线少16%,表明提高玉米产量helping13氮管理。替代玉米、木本或草本多年生植物可以在边际土地种植生产生物能源。证据表明边际耕地种植多年生栖息地可以增加鸟diversity14,食肉动物提供栖息地的农作物害虫,减少害虫问题和创建除去runoff15营养的河岸缓冲区。 All this suggests that bioenergy production will profoundly affect ecosystem services. These effects could be positive or negative, depending on the types of crops that are grown, how they are managed and the resulting structure of the landscape.

表1。农田提供了各种各样的生态系统服务对人类可能减少(-)或增加(+),这取决于类型的作物种植生物能源,如何管理和它们是如何部署在景观。注意,许多常年生物能源作物的好处可能减少与强化管理。

生态系统服务	服务人类的价值	生物能源燃料和纤维的影响
提供粮食、燃料和纤维	•谷物、水果和蔬菜从农田食品和动物饲料。 •从植物纤维用于生产纸或木材。 •植物可以转化为液体燃料或能源燃烧。	−生物能源作物与粮食作物生产力的土地。 +生物能源作物可能生长在边际耕地生产燃料,减少对粮食生产的影响。
水净化	•湿地、森林和草原之前从水中去除污染物进入河流,河流和地下水。	−生物能源作物,需要密集的肥料和杀虫剂的使用将减少水质。——种植森林、湿地和草原与年度作物可以减少自然水净化。 +常年生物能源作物(例如,原生草)可以用来缓冲流边缘,减少地表径流。
侵蚀的监管	•灌木篱墙,森林和根深蒂固的多年生作物减少土壤风蚀和稳定。	−生物能源可以从传统耕作,每年农作物容易受到侵蚀。 +木本生物能源作物和多年生牧草可以帮助稳定土壤,减少水土流失。 +覆盖作物可能纳入免耕种植生物能源系统来减少水土流失。
气候调节	•农业土壤生产和捕获温室气体。 •作物封存温室气体通过捕获二氧化碳(CO2)。	−生物能源作物可能严重受精增加从土壤中释放的温室气体。 +多年生作物可能支持不同社区的土壤细菌比一年生作物,捕捉更多的温室气体。 +根深蒂固,常年生物能源作物可能削减碳和长期储存。
授粉和害虫的监管	•昆虫授粉需要各种粮食作物的生产。 •食肉昆虫,蜘蛛和鸟,吃和杀死害虫的农作物,减少作物损失。	景观由缺乏多样性,生物能源作物年度将提供传粉者和食肉动物的栖息地。 +种植多样化,多年生作物农田可以提供筑巢和食物资源传粉者和食肉动物。
土壤养分循环	•土壤细菌和真菌分解死去的植物和植物提供养分。 •与共生真菌和细菌可以固氮植物。	−传统耕作的年度生物能源作物可以减少土壤有机质。 +多年生牧草和木本作物可以增加土壤有机质。 +豆类可以纳入多年生或一年生生物能源作物氮添加到土壤里去的。
生物多样性保护	•农田是由多种类型的支持许多不同的物种的栖息地,其中一些濒临灭绝。	−种植多年生栖息地每年作物可以减少农田生物多样性。 +多样化,常年生物能源作物可能会增加农业景观和提供关键栖息地多样性,提供娱乐和保护稀有物种的机会。

新兴的生物能源景观的设计原则

农民可以加强生物多样性和生态系统服务通过管理生物能源作物,促进稳定和植物多样性。如果协调,这些努力可以反馈来提高整个景观生物多样性和服务。下面我们提供一些科学发现(表1),可以使用由农民管理生物能源作物领域和政策制定者建立激励机制,促进景观,生态系统服务提供支持。

栖息地的稳定性和四季不断。传统,每年种植制度破坏社区的土壤有益微生物和昆虫通过每年耕作和营养物质和杀虫剂的使用,减少这些生物周期营养的能力,消除大气中的温室气体和抑制害虫。稳定和全年可能以两种方式被包括在生物燃料的风景。首先,农民可以使用减少或免耕种植年度生物能源作物和低营养和农药应用创造更稳定的条件,有利于增加生物多样性和生态系统services16, 17岁。第二,农民可以种植多年生生物能源作物如柳枝稷、草原或快速增长的树种。这些栖息地比一年生作物更加稳定,因为他们种植植被持续多年。

植物多样性很重要。与多个植物物种栖息地的支持更大的生物多样性和生态系统服务相比,栖息地由一个单一的植物。生物能源生产商可以将植物多样性纳入年度作物通过使用不同的作物轮作和crops18封面。另外,生物燃料的生产可能来自不同的草原(例如,混合草原),结合多种植物物种。

景观全年和多样性。农业景观包含一年生作物和常年的栖息地将支持更多的物种和更大的利率相比,许多生态系统服务景观主要由一个或几个年度作物。常年种植生物燃料作物可以增加景观的多年生栖息地的面积。因为这些栖息地是罕见的在一些农业景观,种植它们会增加景观多样性,这是很重要的,因为不同的生物可能有不同的需求。这些不同的风景可以支持更多类型的生物,确保一个物种的下降所抵消的存在另一个可以填写提供服务。此外,任何给定的物种可能满足他们不同的需求通过使用不同的栖息地内(例如,一些食肉甲虫提要麦田winter19但住所在长满青草的利润率);多样化的景观可以提供这些需求。

战略实施生物能源作物。给定的耕作制度对生态系统服务的好处将上下文dependent15。这对生物能源的战略设计认为景观在哪些特定的栖息地位于将产生最大的价值。例如,条草原和森林可以拦截径流从种植作物。在其他条件保持不变的情况下,这些条将为水质提供最大的好处当他们种植在山坡上或streams15。同样,连接现有的自然区域和条常年栖息地可能增加传粉者的运动,整个景观提供corridors6食肉动物和野生动物。相反,种植一个孤立的多年生栖息地可能没有好的如果生物体从现有的自然区域不能达到它。经验与保护等项目储备计划表明,有效的政策和激励程序可以奖励农民部署作物位置他们会提供最适合水质和wildlife20,允许他们生产生物燃料等大宗商品时支付提高生态系统服务。

挑战去克服

实现多样化的景观是具有挑战性的。多个农民需要共同努力,塑造景观。与此同时,这些农民需要平衡作物生产力、经济、市场准入、可用性和成本的设备和一整套的其他因素在决定种植何种作物,。生态系统服务之间的权衡和作物生产力将挑战能力的农民种植作物生产力和生态系统服务的支持。特别是,最有发展潜力的生物能源作物增加生态系统服务经济产量和最大的缺点是没有与玉米一系列prices21竞争。多年生作物可能还需要农民收获投资新设备和生产延误的回报。例如,木本作物杂交杨树需要不同的收割设备比其他作物和收获每隔3到6年,这可能导致现金流问题的农民,因为他们将承担预先建立成本但获得收入较长间隔。最后,一般缺乏经验可能会导致一些农民选择熟悉的作物而不是小说多年生植物,促进生态系统服务。这些因素表明,社会将对生态系统服务价值,必须创建政策和奖励农民提供他们的市场。

五大湖生物能源研究中心情节在凯洛格生物站在胡桃木,Mbob体育登录I。

生物能源生产的多个服务

生物能源生产提供了一个机会,为社会创造多功能景观生产食品和能源同时支持其它生态系统服务。例如,缓冲快速增长的树木和多年生草地沿着水道可以种植。这些缓冲区可以减少径流流,增加水的质量(改善鱼类栖息地)并提供通道,让野生动物之间移动的森林。行生物能源作物的树木也可以种植在开放区域减少风蚀和提供栖息地农作物害虫的天敌。传统耕作可以替换为免耕系统和覆盖作物可以使用更广泛,支持控制害虫捕食昆虫和蜘蛛,减少水土流失和提高土壤质量。和次优的农田(例如,干燥的角落中心主字段或边际土壤)可以种植多年生草地增加土壤有机质,为蜜蜂提供栖息地,鸟类和掠夺性的昆虫。从长远来看,创造这些风景可能增加农业支持农作物授粉的生产力和自然虫害控制除了支持多种生产之外的其他有价值的服务。bob体育合法吗总之,生物能源生产提供了一个机会来塑造农业景观提供食物和燃料,同时促进各种各样的服务。

术语表术语用于文本

生物多样性——各种各样的生物居住在一个给定的地方(物种、品种或基因菌株)

生物能源,能量来源于当代生物材料(化石燃料源于古代生物材料)

生物燃料——液体和固体燃料来自当代生物材料,可以燃烧,会产生能量

覆盖作物——作物种植来维持植被土壤抑制杂草,增加营养和减少水土流失时期耕地闲置时(例如,深秋,冬季和早春)

生态系统服务——人类从生态系统获得的好处包括食品、燃料、纤维,干净的水,娱乐等无形的东西,自然美景,有时被称为“大自然的好处”

景观——景观面积的土地是由重复的多种类型的栖息地在大规模的(例如,数万英里)

景观组成,构成景观的类型的栖息地,最好描述每个栖息地的面积(例如,英亩的玉米、英亩的草地,英亩的森林)

在风景景观配置,栖息地是如何安排,所描述的生境斑块的大小和形状以及它们如何与其他栖息地互连

景观多样性,不同景观包含各种各样的生境类型混合;你会看到更多类型的栖息地(和更多不同类型之间的转换)每英里旅行在一个多样化的景观

景观结构的组成(栖息地存在)和配置(栖息地是如何安排在空间)的格局

边际土地——活跃或废弃农田土壤(例如,岩石或低生育率)和其他条件生产粮食作物的产量不佳