中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室陈利顶研究员团队在土壤抗生素对作物生产风险的多尺度景观调控研究方面取得重要进展。相关研究以题为“Reducing risks of antibiotics to crop production requires land system intensification within thresholds”发表于《Nature Communications》。
随着社会经济发展对粮食需求的日益增加，通过农田扩张和土地集约化利用来增加作物产量已成为解决粮食问题的重要举措。然而农田的高强度利用和可持续性管理措施的缺乏，会导致抗生素通过农业活动等途径进入土壤，改变土壤环境和土壤—作物系统的相互作用，影响作物产量。明确土壤抗生素对作物产量影响的尺度效应，探讨如何通过土地系统的可持续性管理降低土壤抗生素对作物生产的风险是当前研究的重要挑战。
该研究基于全国土壤抗生素污染风险数据集，通过随机森林模型量化了全国范围内土壤抗生素污染对作物生长的风险，研究发现当土壤抗生素污染风险超过一定程度（8.30-9.98）时将会导致小麦、玉米、水稻和蔬菜产量的显著下降（图1）。土地集约化利用会有效促进作物产量的增加，但在高度集约化水平下，随着土壤抗生素污染风险的上升，其对作物生产的促进作用会被部分抵消，导致土地集约化对促进作物产量增加的相对效益逐渐下降。进一步通过将人口和经济指标作为协变量的多尺度分析发现，大尺度上土地的集约化管理对土壤抗生素污染风险具有重要影响（图2）；随着空间尺度下降，农业景观面积增加则是风险上升的主要原因，研究认为可以通过调控农业景观面积降低土壤抗生素污染对作物生产的风险。为指导农业景观可持续利用，进一步揭示了土壤抗生素污染和作物产量权衡关系随着土地集约化利用水平的变化趋势，研究发现其在不同尺度上均呈现明显的二次函数关系，这一关系可用于识别风险—产量权衡达到峰值时对应的土地集约化利用的阈值，为农业景观的可持续利用与管理提供了科学参考。
云南大学生态与环境学院副教授赵方凯（中心2021届博士毕业生）为该论文第一作者，陈利顶研究员为通讯作者。研究得到了国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、中国博士后科学基金、中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室开放课题和云南大学双一流建设项目的支持。
图1 全国土壤抗生素污染风险及其对作物生产的影响
图2 土壤抗生素污染和作物生产权衡关系随土地系统集约化的变化趋势（以大尺度为例）
全文信息：Zhao Fangkai, Yang Lei, Yen Haw, Feng Qingyu, Li Min, Chen Liding. Reducing risks of antibiotics to crop production requires land system intensification within thresholds. Nature Communications 14, 6094 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41258-x
城市与区域生态国家重点实验室
2023年10月5日