《Agricultural Systems》：Local food production could link food security and invasive plant control in Galapagos
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摘要：加拉帕戈斯群岛拥有世界上最独特的生态系统之一，然而这些陆地栖息地的大部分已被农业生产显著改变和取代。湿润的高地曾是本土和特有植物群落的关键栖息地，但由于其适宜作物种植的条件，自1940年代起便成为主要农业区。目前，四个有人居住岛屿上约251 km2的土地
摘要：加拉帕戈斯群岛拥有世界上最独特的生态系统之一，然而这些陆地栖息地的大部分已被农业生产显著改变和取代。湿润的高地曾是本土和特有植物群落的关键栖息地，但由于其适宜作物种植的条件，自1940年代起便成为主要农业区。目前，四个有人居住岛屿上约251 km2的土地被划为农业“农村区域”，与城市区域合计仅占全岛面积的3%，其余97%为国家公园保护区。农业扩张始于1960–1970年代，但1990年代以来旅游业的快速增长导致劳动力外流、农场废弃、农业生产下降，至2017年高达75%的生鲜食品依赖厄瓜多尔大陆进口，这种高度依赖使群岛在危机期间（如COVID-19疫情）面临严重粮食安全脆弱性。与此同时，农业活动减少引发了生态挑战：外来入侵植物（如Cedrela odorata、Psidium guajava和Rubus niveus）迅速占领废弃高地，威胁特有动植物。为解决这一耦合的社会-生态问题，研究人员开发了加拉帕戈斯土地利用模型（Galapagos Land Use model, GAL-LU），这是一个针对圣克鲁斯岛农村景观的农场级多目标数学优化模型。模型整合了农业生产、营养需求、劳动力和土地资源约束，并以保护剩余原生植被为前提，探索扩大本地粮食生产对入侵植物覆盖的影响。研究回答了三个相互关联的问题：（1）在不进一步丧失原生植被的条件下，农业部门提高粮食自给率的能力；（2）粮食生产变化如何影响土地利用分配和入侵植物覆盖动态；（3）当前本地生产的农产品能在多大程度上满足不同营养目标。研究采用共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathways, SSP）中的高人口情景（SSP3）进行模拟至2100年。结果表明，即使在人口增长压力下，通过将未管理土地转为耕地和牧场，可以在不损失更多原生植被的前提下满足大部分营养目标。扩大耕地面积会减少易受入侵植物侵占的未管理区域，从而间接抑制入侵植物覆盖。然而，实现营养均衡的膳食需要更多的耕地，这反过来又进一步压缩了入侵植物的生存空间。本研究并未旨在预测可能的发展，而是探索在加拉帕戈斯农村地区实现粮食自给、同时控制入侵植物和保护原生生态系统的可能性。
一、研究背景与问题提出
加拉帕戈斯群岛以其全球独有的生态系统闻名，但人类活动已对其陆地栖息地造成深刻改变。群岛湿润的高地凭借充沛的降水与优越的土壤条件，既是本土与特有植物群落的关键庇护所，也是历史上最适宜的农业耕作区。自1940年代首批永久定居点建立以来，高地逐渐转变为农业主产区。1998年立法划定圣克鲁斯、圣克里斯托瓦尔、伊莎贝拉和弗洛雷阿纳四岛共251 km2的“农村区域”，加上“城市区域”仅占全岛陆地面积的3%，其余97%为国家公园自然保护区。在圣克鲁斯和圣克里斯托瓦尔，农村区域占据了约97%的湿润高地，这使得农业生产与生物多样性保护之间存在固有冲突。
农业用地自1960–1970年代持续扩张，但1990年代后旅游业和政府就业的迅猛增长吸走了农业劳动力，大量农场被弃耕，农业生产下滑，食物进口依赖度攀升。2017年群岛高达75%的生鲜食品需从厄瓜多尔大陆进口，COVID-19疫情期间供应链严重中断，充分暴露了这种依赖模式的脆弱性。与此同时，农业衰退催生了严峻的生态问题：入侵植物物种（如Cedrela odorata、Psidium guajava和Rubus niveus）在废弃农田中快速蔓延，改变生态过程、同质化景观、威胁特有动植物。因此，本地粮食生产下降与原生生态系统完整性退化构成了加拉帕戈斯农村地区一个耦合的社会-生态难题。
现有研究虽已将数学优化方法应用于入侵物种管理，但尚未将其与粮食体系联系起来探讨协同效应。岛屿系统中农业与保护的权衡尤为尖锐：一方面岛屿物种因种群孤立、群落简化、功能冗余低而更为脆弱；另一方面岛屿农业因资源有限、生产成本高而发展不足，却迫切需要扩大本地生产以减少对大陆供应的依赖。为此，研究人员聚焦于圣克鲁斯岛——群岛中农业产量最大、人口最多的岛屿——构建了加拉帕戈斯土地利用模型（GAL-LU），旨在回答三个核心问题：（1）在不进一步丧失原生植被的条件下，农业部门提升粮食自给率的潜力；（2）粮食生产变化如何影响土地利用分配与入侵植物覆盖动态；（3）当前本地农产品能在多大程度上满足不同营养目标。
二、关键技术方法概述
研究人员构建了一个农场级的数学优化模型（GAL-LU），采用多目标线性规划框架，以农场净收益和营养供给量为双重目标函数，通过权重设定进行权衡求解。模型输入数据包括：2000年农业普查的作物面积、2019年国家农业研究所（INIAP）提供的作物单产与生产成本、基于共享社会经济路径（SSP3高人口情景）推算至2100年的圣克鲁斯岛人口预测、按性别与年龄组分层的能量及宏量/微量营养素膳食推荐量（来源于FAO、WHO、EFSA等权威机构）。土地利用–土地覆盖关系通过196个地理参考样地的卫星影像解译建立，并与Laso等人（2019）的土地覆盖图叠加分析获得。入侵植物基线数据同样来自该土地覆盖图，涵盖C. odorata、P. guajava和R. niveus三种主要入侵种。模型约束条件包括：保护现有原生植被面积不变、限制单个作物的最大面积份额以维持多样化生产、旅游农场（具备龟类观赏、熔岩管等资源的农场）的耕地与牧场面积锁定在2022年水平。模型输出包括最优土地利用分配、农产品产量、农场收入、营养自给率以及入侵植物覆盖面积的变化。
三、研究结果
（1）粮食自给能力评估
模拟显示，在不损失现有原生植被的前提下，通过将未管理的入侵植物覆盖土地转为耕地和牧场，圣克鲁斯岛的本地粮食产量可大幅提升。在高人口增长情景（SSP3）下，到2100年岛上人口预计达到34,989人，但大部分能量和营养素目标仍可通过本地生产满足。例如，能量（卡路里）自给率可维持在较高水平，蛋白质、碳水化合物等宏量营养素基本可实现自给。
（2）土地利用与入侵植物覆盖的动态响应
扩大耕地面积直接减少了未管理区域的面积，而这些未管理区域正是入侵植物最容易定殖和扩散的场所。因此，增加农业用地不仅提升了粮食产出，还间接抑制了入侵植物覆盖的扩展。模型结果显示，随着耕地和牧场面积的扩大，入侵植物覆盖面积相应缩减，形成了一种“以农控侵”的协同效应。但这一效应的前提是农业用地保持活跃管理状态，因为只有持续的耕作和放牧才能有效阻止入侵植物重新占据。
（3）营养目标的可达性分析
研究进一步考察了本地农产品能否满足多样化的营养需求。结果表明，仅靠当前品种范围，能量和多数宏量营养素（如蛋白质、碳水化合物）较易达标，但部分微量营养素（如维生素D、维生素B12、钙、硒等）的供给存在缺口。这是因为本地生产结构偏向某些作物和畜产品，而缺乏富含特定微量营养素的品类。要实现完全营养均衡的膳食，需要进一步调整作物种植结构和扩大耕地面积，而这又会进一步压缩入侵植物的生存空间。
四、讨论与结论
研究人员指出，本研究的核心贡献在于首次将粮食自给与入侵植物控制纳入统一的优化建模框架，揭示了二者之间潜在的协同关系。模型结果表明，在保护原生植被的前提下，积极管理并扩大农业用地可以同时提升粮食安全水平和遏制入侵植物蔓延。这一发现对于加拉帕戈斯乃至其他面临类似矛盾的岛屿系统具有重要的政策启示：与其将农业视为生态保护的负担，不如将其定位为生态系统管理的积极工具。
研究也承认了若干局限性。首先，模型假设未管理土地均适合农业转化，但实际上部分地块可能因坡度、土壤退化或水资源限制而不宜耕作。其次，气候变化对作物产量的潜在影响未被纳入，原因是加拉帕戈斯的气候数据不确定性较大，且常用作物模型对该地区多种关键作物缺乏参数化。此外，模型未考虑经济可行性以外的社会接受度、劳动力可得性等现实制约因素。最后，研究采用的是探索性而非预测性方法，旨在揭示可能性边界而非预言实际演变路径。
研究结论翻译：本研究应用优化建模方法，针对圣克鲁斯岛农村景观，探索了如何在保障剩余原生生态系统不受破坏的前提下扩大本地粮食生产，以及这一过程对入侵植物覆盖的影响。结果表明，即使在高人口增长情景下，通过将未管理土地转化为耕地和牧场，可以在不进一步损失原生植被的情况下满足大部分营养目标。扩大耕地面积减少了易受入侵植物侵占的未管理区域，从而间接降低了入侵植物覆盖。实现营养均衡的膳食需要更多耕地，这进一步压缩了入侵植物的生存空间。研究证实，本地粮食生产与入侵植物控制之间存在正向协同效应，为岛屿地区制定兼顾粮食安全与生态保护的土地利用策略提供了定量依据。
