【有机课堂】PNAS:景观环境影响有机农业系统的可持续性

期刊： PNAS

中文题目： 景观环境影响有机农业系统的可持续性

英文题目： Landscape context affects the sustainability of organic farming systems

作者： Olivia M. Smith, Abigail L. Cohen, John P. Reganold, Matthew S. Jones, Robert J. Orpet, Joseph M. Taylor, Jessa H. Thurman, Kevin A. Cornella, Rachel L. Olsson, Yang Ge, Christina M. Kennedy, and David W. Crowder

景观环境对生物群落的影响。有机农业对生物丰富度和丰富度的好处最好通过景观中的平均农田大小进行预测（图3 A-D）。对于所有丰度模型，田块大小的Akaike权重（ω）大于0.67，对于所有丰富度模型，Akaike-weight（ω）大于0.85，并且田块大小在所有模型中的回归系数都不重叠0；丰度和丰度的最受支持模型（ΔAICc<2.0）中也包括了田块大小。其他景观指标，包括耕地百分比（包括二次项）、Shannon多样性指数和斑块丰富度，在所有情况下均ω值<0.39；这些变量也没有包括在支持良好的模型中，但丰度模型中的耕地百分比除外。总的来说，与传统系统相比，平均农田面积每增加一个单位，生物丰度或丰富度分别增加3.1%和2.3%（图3A和B）。与传统系统相比，农田大小对有机物丰度的影响在不同的生物群、生物群落、作物类型，发展水平。同样，农田大小对有机系统和常规系统之间丰富度差异的影响在不同的生物类群、功能类群、大洲、生物群落、作物类型和发育水平之间是一致的。

农田规模可能反映了农业集约化，因为农田面积较大的地区通常具有较大的农业投资、机械化和劳动强度。我们表明，农田面积也与耕地百分比呈正相关。但与作物斑块丰富度（图4B）、作物多样性（图4C）和自然栖息地多样性呈负相关（图4D）。这表明种植面积较大的地区种植面积更大。北美的农田面积最大，亚洲最小，南美和欧洲的农田面积中等。与欠发达国家相比，发达国家的农田面积也较大，与热带或沙漠生物群落相比，温带地区的农田面积较大。这些趋势与观察结果相吻合，即农业集约化在北美等温带地区和较发达国家发生得最为广泛。这一点可能很重要，因为更大的传统作物田往往与更多使用合成投入物（化肥和农药）有关，这可能会损害生物群落。由于有机农场通常比传统农场使用更少的杀虫剂，我们的结果可能反映出，有机农业在生物群落受到农业集约化危害的景观（即大农田景观）中最有利于提高生物多样性。换言之，我们的研究结果表明，有机农业可能为强化景观中的生物提供避难所。我们的地图表明，与传统系统相比，美国中西部、东欧和西亚的有机农业可最大程度地促进生物多样性（图3 C和D），尽管我们的数据范围使得很难将这些结果外推到热带或欠发达地区。

图4：农田大小与景观环境各种指标之间的关系。相关性（和90%CI）显示了平均农田面积与（A）耕地百分比、（B）作物斑块丰富度、（C）作物多样性（香农多样性指数，SHDI）和（D）更广阔景观中自然栖息地多样性（SHDI）之间的关系。

景观环境对产量的影响。实证研究表明，农场生物多样性的增加可以促进作物产量的提高。反过来，与传统农场相比，有机农业对生物多样性的积极影响可能转化为有机产量的提高。如果有机农场含有更多的天敌物种，或者如果传粉昆虫多样性更大的有机农场增加了座果率，这可能是由于更有效的害虫控制。此外，农业生态系统中植物多样性的增加通常与害虫密度的降低有关。然而，尽管有机系统提高了生物丰度和丰富度，特别是在大农田景观中，有机系统和传统系统之间的产量差距并没有受到简单模型中景观指标的强烈影响。然而，在包含成分异质性指标的更复杂模型中，田块大小的二次项具有显著的负系数，表明一条向下的曲线，在简单和复杂的模型集合中，字段大小度量的ω最高，并且包含在大多数支持良好的模型中。农田大小对产量的影响在各大洲、生物群落、作物类型和发育水平都很强。

景观环境对财务绩效的影响。虽然产量差距不受景观背景的强烈影响，但有机系统的相对盈利能力与作物田面积呈显著负相关（图5）。在简单模型和复杂模型中，平均农田面积ω>0.79。农田大小也是最受支持的模型中保留的唯一因素。耕地百分比、Shannon多样性指数、斑块丰富度以及这些变量与田间面积之间的相互作用总是ω<0.27。谷物和油料作物的田间面积对盈利能力的影响大于蔬菜，对水果和豆类作物的影响为中等。

双赢–双赢场景和知识差距。我们发现，与成对的常规系统相比，大田面积与有机物的生物丰度和生物丰度效益更大相关（图3），但产量和盈利效益更低（图5）。然而，尽管有机农业对生物多样性的好处在有大农田的景观中最大，但有机农业在所有分析的景观环境中促进了生物多样性（任何农田大小的影响大小>0；图3A和B）。在有机农场和传统农场之间，作物面积较小的地区的产量差距最小，盈利效益最大。因此，种植面积较小的地区有机农业可能会促进“双赢”的局面，与传统农业相比，有机农业以最小的产量差距促进生物多样性和盈利能力。

最近的研究呼吁采用多生态系统服务方法来研究可持续农业。虽然文献表明，农业景观与有机农业与传统农业对生物群落的影响之间存在密切联系，但很少有研究评估景观环境对有机农场相对产量或盈利能力的影响。我们的结果表明，在有机农业和传统农业之间，调节生物丰度和生物丰度差异的景观因素不一定是影响产量或盈利能力差异的因素。因此，我们的结果表明，这些过程可能在很大程度上是解耦的，这进一步支持了不同的可持续性指标可以响应不同的景观指标，或者在相反的方向上响应相同的景观指标。此外，我们的结果提供了证据，表明一些可持续性指标可能对农场实践而非景观背景做出强烈响应。越来越需要同时检查多种可持续性指标的研究，以确定全世界实施有机农业的不同景观中农民的潜在“双赢”情景。