我国农田生态系统生态安全分析

马丽君 杨学军 陈 杰

摘要农田生态系统是人类赖以生存的最基本物质生活来源。首次提出了农田生态系统生态安全的概念。分析了农田生态系统生态风险源及我国农田生态系统的现状，探索了农田生态系统生态安全评价的方法。

关键词农田生态系统；生态安全；生态风险；生态安全评价

中图分类号X171.1

文献标识码A

文章编号1007－5739(2009)16－0258－04

生态安全是当今国内外广泛关注的热点问题，涉及到政治安全、经济安全，是国家安全的重要组成部分。国际上对生态安全并没有公认的定义，一般有广义和狭义2种理解。广义的生态安全是以1989年美国国际应用系统分析研究所(IASA)为代表，提出生态安全是指在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序和人类适应环境变化的能力等方面不受威胁的状态，包括自然生态安全、经济生态安全和社会生态安全，组成一个复合人工生态安全系统。狭义的生态安全是指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康性的整体水平反映Ⅲ。曲格平提出，生态安全一般包括2层基本含义：一是防止由于生态环境退化对经济基础构成威胁，主要指环境质量状况低劣和自然资源的减少和退化削弱了经济可持续发展的支撑能力：二是防止由于环境破坏和自然资源短缺引发人民群众的不满，特别是环境难民大量影响社会安全。从而导致国家的动荡。

农田生态系统是以农作物为中心的生物群落与其生态环境间在能量和物质交换及其相互作用上所构成的一种人工建立的生态系统。其最重要的生产功能是提供足够的农产品以满足人类的需要，是人类最基本物质能量的来源。农田生态系统安全，保证提供稳定的食品供给，是国家安全与社会稳定的关键因素。目前我国农田生态系统的安全面临着危机，农田数量锐减，质量下降；农田污染严重，导致农产品中有毒物质超标、农业用水短缺等一系列的问题。本文从关注农田生态系统健康的角度出发，拟对农田生态系统生态安全的概念界定，分析影响农田生态系统生态安全的因素，并提出农田生态系统生态安全评价的内容。

1农田生态系统生态安全概念

农田生态系统生态安全是个新概念。之前并没有学者明确阐述其定义。随着生态安全研究的发展，学者们开始关注农田生态系统的生态安全分析。农田生态系统由农田内的生物群落和光、二氧化碳、水、土壤、无机养分等非生物要素所构成。农田生态环境中的生物与环境不断进行物质循环、能量流动和信息交换，形成相互影响、相互依赖、相互制约的关系。农田生态环境中水、土、气、生物等方面的环境健康状况，是导致农产品安全的重要因素。综合近年来学者的研究，笔者认为农田生态系统生态安全是指在一定的时空范围内，农田生态系统能够保持其结构与功能的完整性和稳定性，组成农田生态系统的自然资源、生态环境处于不受威胁、健康平衡的状况，农田生态系统能满足人类和生物群落持续生存与发展的需要，与经济社会处于可持续发展的良好状态。农田生态系统生态安全可分为3个层次：一是人的生存和健康安全，取决于农产品的安全；二是农产品的安全，取决于农田生产环境的安全；三是环境安全，取决于农田生态系统的要素：农田、生物、阳光、水分、大气等因素的安全。

2农田生态系统生态风险源

生态风险是指特定生态系统中所发生的非期望事件的概率和后果，如自然灾害或人类干扰对农田生态系统结果与功能的损害具有毁灭性的特点。农田生态系统是半自然的生态系统，其生态环境具有整体脆弱的特点，对于人类活动所释放废弃物的缓存能力，对各类有毒物质的自然降解能力，以及生态系统被破坏后的修复能力都很弱。因此，农田生态系统的稳定性与人类的活动密不可分。而全球的气候变化、农田生物的入侵等自然因素也会对农田生态系统有不确定性的影响。因此，引起农田生态系统生态安全风险源可以分为人为风险源与自然风险源。

2.1人为风险源

人类对农田生态系统的干预主要体现在对农田的利用以及对作物的耕作上。人类的这些活动建立起了农田生态系统，改善了农田生态系统的生态环境，但同时也对农田生态系统的自身稳定造成一定的影响。

2.1.1城镇化过程中占用大量的农田。随着我国城镇化、工业化的快速发展，小城镇建设和人口急剧增长。对土地的需求量越来越大，大片的农田被征用，变成楼房与工业区。同时还需要与城镇化建设配套的基础设施建设，这些都需要大量的土地，耕地被以各种方式和名义征用，使得耕地数量锐减。再加上大批农村青年外出打工，一部分农田抛荒，真正被利用的耕地资源在减少。据有关部门遥感显示，1988～2000年我国耕地转出因子中。大部分耕地是因为城市化、基础设施和住房建设而被占用，占耕地减少量的56％，林草地占21％，水域面积占16％。20世纪90年代末全国水土流失面积356万平方千米，水蚀面积为165万平方千米，风蚀面积为191km²，每年流失土壤总量达50亿吨，1／3耕地受到水土流失的危害。393万公顷农田受到沙漠化的威胁。土质恶化和土地肥力下降的情况也非常严重。有666.7万公顷耕地盐碱化，大量耕地腐殖质减少，受污染的农田在1000万公顷以上。我国中低产田占耕地面积的2／3。土地退化的农田达到总耕地面积的40％以上。耕地是农田生态系统中最重要的资源。耕地数量的减少，将直接导致农产品总产量的下降，使得农田生态系统的生态服务功能下降，威胁国家的粮食安全。

2.1.2耕作方式造成农田污染。为提高粮食产量，我国传统的耕作方式主要依靠施肥以提高土壤的肥力，喷洒农药预防病虫害，使用农膜保持农作物的温度。这些方法对提高粮食的产量确实起了很大的作用，然而过度、不适当的使用，也对农田土壤造成了污染。从而对整个农田生态系统的稳定造成威胁，影响农田生态系统的健康。

肥料污染：目前。我国农田中用的肥料主要是有机肥和化肥。就有机肥资源而言，大致可分为三大类：基本资源(粪尿、秸秆、绿肥、饼肥)、派生资源(厩肥、堆沤肥、草木灰、沼气肥等)和可利用资源(塘泥、河泥、泥炭、城镇垃圾、污水、污泥、植物性海肥等)。有机肥特别是畜禽粪肥、垃圾堆肥和污泥堆肥的成分非常复杂，不仅含有病原微生物、寄生虫卵，滋生蚊蝇。还可能引人各种重金属和有机污染物(抗生素、有机化学品、激素、持久污染物等)叫。畜禽粪便，尤其是猪粪直接排放地表，或施用粪肥造成土壤孔隙阻塞。造成土壤透气、透水性下降。引起土壤板结。有机肥中含的重金属、有机物、病菌被植物吸收后，使蔬菜、粮食、水果等农产品中的有害物质严重超标，人类食用后，将严重影响人体内脏器官的功能。目前，我国化肥生产和消费量均居世界第1位。据统计。2008年1月到11月。中国累计化肥产量是5350.1223万吨(折合氮)。农业部数据显示，国内化肥需求将保持5.96％的年增速，预计到2010年国内化肥的施用

量将达6076万吨。据联合国粮农组织(VAO)统计，化肥在对农作物增产的总份额中约占40％～60％。但过量、不合理地施用肥料会导致环境污染。农业生产中所使用的化肥主要是氮肥、磷肥、钾肥。长期施用氮肥、磷肥，会引起土壤中NO_3--N、磷素的积累，作物体内的硝酸盐含量增加，导致稻米外观和食味变差。有毒磷肥，如三氯乙醛磷肥，施入土壤后三氯乙醛转化为三氯乙酸，二者对植物产生毒害，作物受害严重时颗粒无收。当氯化钾或硫酸钾用量过多时，氯离子或硫酸根离子在土壤中过量积累。造成土壤中钙离子、镁离子等盐基离子的交换与淋失，使土壤板结。破坏土壤结构。长期施用氯化钾会导致土壤变酸。土壤中的重金属主要有铬、镉、汞、砷、铅、锌、铜、钼等，磷肥中含量最多。重金属可引起植物染色体失常、雄蕊丝变性。由于重金属在环境中移动性差，不能或不易被生物体分解转化，只能沿食物链逐级传递，在生物体内浓缩放大，当累积到较高含量时，粮食作物籽粒中重金属含量显著增加。将对生物体产生毒性效应。如过量的铬会使植物产生黄萎病和中毒症状。可使小麦籽粒粗淀粉、粗蛋白显著下降，氨基酸总量的赖氨酸等含量显著减少，降低小麦的品质。农业生产中长期大量不合理使用禽畜粪便等有机肥和化学肥料，会导致土壤污染逐年加剧，直接影响植物正常生长和农产品品质。土壤中的污染物可以随水流和风暴迁移到几百甚至上千千米之外。

农药污染：化学农药的使用，对防治农作物病虫草鼠害。促进农业高产稳产，具有极为重要的作用。但如果使用不合理，就会造成对环境及农产品的污染，进而影响人体健康。我国农药年产量达75.17万吨，平均施用量14kg／hm²。比发达国家高1倍，水稻过量施用达40％，棉花达50％。而农药的利用率只有100％～20％。比发达国家低10～20倍。残余部分直接对土壤造成污染，尤其是毒性犬、难降解、高残留类农药。土壤中的农药，除挥发和径流损失外，其余可被农作物直接吸收，在作物体内积累。这是农药进入植物体的主要途径之一。土壤中农药可造成农产品中硝酸盐、亚硝酸盐、重金属及其他有毒物质大量积累于农产品中，危害时间长。超负荷连年使用农药。残留量远远超过土。壤的目净和降解能力，导致土壤生产能力、调节、自净和载体功能受到严重损害。人食用了受农药污染的食品，毒物在人体内积累，对人类健康造成损害。

农膜污染：我国年产农膜超过100万吨。且以每年10％的速度递增。近1000万吨地膜用于超过666.7万公顷作物种植面积上。加上农产品保鲜膜、营养钵用塑料等共有2000万吨以上。根据目前的回收状况。每年约有1000万吨的塑料残余物遗留在农村地区，农田塑料年残留量在45kg／hm²左右。通常所用的农膜主要为聚乙烯、聚氯乙烯等高分子化合物。在自然条件下，分解速度极为缓慢：如聚乙烯、聚氯乙烯塑料薄膜，在土壤中约300～400年才能完全降解。农膜不易降解残留在土壤中，影响土壤的通气透水等物理性状，使土壤中养分的迁移受到影响，进而影响植物的生长。降低农作物的产量和品质。农膜分解后产生的有毒有害物质还会对土壤和水体造成直接危害，而且这种危害是持久性的。有研究表明，在土地有残膜15kg／hm²的情况下，造成减产幅度为：玉米11％～23％，水稻8％～14％，大豆5.5％～9.0％，蔬菜14.6％～59.2％，小麦约9％。

2.1.3农业用水与污水灌溉。水资源是农田生态系统中的重要因素。全国无灌溉条件的旱地有0.45亿公顷；约占耕地面积的47％。农业用水是我国的用水大户，约占70％，目前我国年灌溉用水量约为3900多亿立方米。在全国每年缺水近400亿立方米中农业缺水约300亿立方米。另外农业灌溉用水浪费惊人。由于我国农业灌溉方式落后，全国农业灌溉水的有效利用率只有40％，仅为发达国家的1／2左右。1m３水的粮食生产能力只有0.87kg左右，远低于2kg以上的世界平均水平。我国农业用水主要来源于农田附近的江河湖泊，而全国的江河湖泊污染形势严峻，目前江河湖泊有70％被污染，75％的湖泊出现不同程度的富营养化。为了解决农业用水资源短缺的问题，农民使用污水灌溉。污水中含有大量的有机物、N、P、K、Fe、Ca、Mg及植物需要的微量元素，灌溉后农作物增产效果显著，因此近年来污水灌溉的面积增大。我国从20世纪50年代就开始引用污水进行农田灌溉，1998年第2次污水灌溉普查中，我国利用污水灌溉的农田面积为361.84万公顷，占我国总灌溉面积的7.33％，约占地表水灌溉面积的10％。污水灌溉面积中，直接引用工业城市下水道污水的面积为51.2万公顷。但由于污水中还含有重金属、酚、氰化物等许多有毒有害的物质。如果没有经过必要的处理而直接用于农田灌溉，将会使污水中有毒有害物质被带至农田，污染土壤。并造成作物及地下水的严重污染。

综上所述，由于我国自身发展中的一些问题及传统的耕作方式，导致农田生态系统的一些生态安全问题。如：城市化进程的加速。长期大量使用肥料、农药、农膜。污灌，使得我国农田面积锐减，农田土壤重金属累积，有害微生物、虫卵增多，农田生态环境中不安全因素增加，威胁农田生态系统的安全。

2.2自然生态风险源

2.2.1气候变化。在全球气候变暖的大背景下，气候变化不稳定。极端天气情况出现的频率与强度增加。农田环境温度升高，使得作物需水量加大，土壤水分的蒸发量增大，造成土壤盐渍化。因此，农作物可以利用的水资源量减少，造成作物缺水，导致产量低，品质差。并且气候变化加剧了土壤有机质和氮的流失，削弱了农业生态系统抵御自然灾害的能力。

2.2.2自然灾害。我国是自然灾害频发的国家，每年平均受灾面积占播种面积的26％，成灾率为12％。史培军研究我国1980～1995年间粮食损失情况(包括水旱灾、风雹灾、霜冻、病虫害)，指出减产的比例占全国粮食比例的15.3％，其中气象灾害占40％。占总量的6％。农业自然灾害是造成我国农产品产量下降的主要因素，尤以旱灾为主。

2.2.3生物多样性。在农田生态系统中，形成了以农作物为主体，包括多种动物、植物和微生物在内的生物群落。其生物群落相对于其他生态系统来说，生物种类较少，比较单一。生长在农田生态系统的生物是经过人们选育的。具有产量多、生长能力强、抗虫性能强等优点，但这并不意味着农田生态系统中没有或不需要别的物种。农作物与多种动物、植物和微生物在内的生物群落在农田生态系统中自发的形成作物—害虫—天敌系统，作物一植物系统，作物一微生物系统和其他与作物生长有关的系统。形成农田生态系统的生物多样性。但是作为开放系统，外来物种的迁入是不可避免的，外来杂草如薇甘菊、紫茎泽兰等的入侵导致生境破坏和生物

多样性资源丧失，严重危害了农作物的生长。

3农田生态系统生态安全评价

农田生态系统是一个生态脆弱的系统，对其生态安全评价目前还没有具体的方法。由于农田生态系统具有半自然、脆弱性、区域性的特点，对其生态系统健康可以借鉴特定区域和特定生态系统的安全性评价方法。

3.1压力一状态一响应分析模式

该模式由国际上有关环境组织于20世纪80年代提出，是基于人与环境协调作用的影响，着重考虑人类在不破坏环境承载力的条件下，提高生活质量的一种生态安全状况。对于农田生态系统生态安全评价指标体系概念框架可概括如图1所示。

3.2综合指数法

是目前应用比较广泛的方法，其需要建立所有评价指标的临界值或等级评价准则。目前对于农田生态系统生态安全的指标体系研究还处于起步阶段，吴国庆提出了区域农业可持续发展生态安全指标体系，对于建立完善的农田生态系统生态安全指标体系具有指导作用。指标体系建立后，要确定指标的权重，再通过数学计算确定指标的安全阀值，设定评价等级准则，或者可以依据指标权重的距离来综合评价。近年来国际上兴起了基于模糊决策分析原理评价的方法(FDA)，是应用模糊综合评价方法与层次分析法(AHP)相结合，通过主成分分析法(PCA)引导AHP层次结构的建立，由模糊评判给出评价指标对目标的距离，然后用AHP完成评价。然而由于农田生态系统具有区域性，各个时期各个地方，因为一些不确定因素。其评价标准应该有所区别，因此该标准等级的确定有一定的困难。

3.3生态承载力分析法

生态承载力分析研究方法可分为状态空间法和生态经济法两大类。生态经济法中的生态足迹法是分析生态承载力最热门的方法。用生态足迹法分析农田生态系统生态安全，可以直接分析某区域或国家在给定时间所占用的农产品生产率的数量，通过地区或国家的资源与能源消费同自己所拥有的资源与能源比较，判断其是否处于生态承载力范围内，生态系统是否安全。生态足迹的方法定量化程度高，可用较少的因素定量测算生态承载力状况。但因无法考虑生态承载力复杂因素间的作用。同时单纯以人类对自然资源的占有与利用角度分析系统的承载力水平，显然有所偏颇刚。

4研究展望

农田生态系统生态安全是一个较新的概念，目前对其研究尚处于初级阶段，但是由于对其他生态系统如湿地、河流、草原等生态安全评价分析的研究，可对以后加强农田生态系统生态安全的研究有很大的借鉴作用。笔者认为可以从以下几方面加强对农田生态系统生态安全的研究。

(1)在生态风险评价中运用生态模型，建立农田生态系统安全预警系统。生态模型可用于设计或预测未来潜在的风险，如气候变化对于农田生态系统的影响；可模拟农作物健康突变的毒害界限和某一环境下系统健康要素的变化过程，对农田生态系统安全预警系统的建立提供依据。农田生态安全预警系统应包括农田土壤风险评价预警系统与农田气象预警系统等内容。通过对农田风险评价，对土壤的安全诊断指标进行对比分析，建立各地的土壤安全指标的数据库系统，划分农田生态安全等级，制定不同安全等级的预警标准。通过对大片农田区的气象实时监测预警，可以及时防止突发的自然灾害对农田造成损失；统计历年的气候变化可以对整个农田生态系统区域的气候变化趋势有大致的预判。在预警结果安全等级较低的研究区域内，通过对农田生态系统要素的控制，调整或构建新的安全农田土壤环境，使农产品的生长过程不受污染威胁。

(2)农田生态系统生态安全评价研究。农田生态系统生态安全评价研究正处于刚起步阶段，指标体系的建立，特别是生态安全评价标准值的确定是一项非常具有探索性的工作。从各个时期各个地方的农业发展特点出发，综合考虑各地各指标的背景值，根据各指标的特性和水平，确定其安全阀值。