生態(tài)學(xué)-第六章 景觀生態(tài)學(xué)

1、第六章第六章 景觀生態(tài)學(xué)系統(tǒng)景觀生態(tài)學(xué)系統(tǒng)n第一節(jié) 景觀生態(tài)學(xué)n第二節(jié) 景觀生態(tài)學(xué)中的一般概念和理論n第三節(jié) 景觀生態(tài)學(xué)的研究方法n第四節(jié) 景觀生態(tài)學(xué)的應(yīng)用第一節(jié)第一節(jié) 景觀和景觀生態(tài)學(xué)景觀和景觀生態(tài)學(xué)n一、景觀生態(tài)學(xué)的研究內(nèi)容n二、景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展簡史n一般意義上的“景觀 即陸地景色，包含著畫面和美的含義。 常用的詞匯如：草地景觀、荒漠景觀、森林景觀等。 與之相關(guān)的詞 Seascape 海景也有類似的含義。一、景觀生態(tài)學(xué)的研究內(nèi)容一、景觀生態(tài)學(xué)的研究內(nèi)容n科學(xué)意義上的景觀 科學(xué)中的術(shù)語需要嚴(yán)格定義其內(nèi)涵和外延。 但景觀生態(tài)學(xué)的核心概念“景觀”還沒有一致公認(rèn)的定義。這反映出作為一門新興學(xué)科，它還

2、處于發(fā)展時期，各種學(xué)術(shù)思想并存，定義也隨著研究內(nèi)容的演變而演變。Von Humboldt(19世紀(jì)初)首先把“景觀”一詞引入地理植被科學(xué)中，定義為“自然地理綜合體”貝爾格（1931）：一定區(qū)域上物體和現(xiàn)象的組合，是地形、氣候、水文、土壤、植物、動物、人類活動的統(tǒng)一的、協(xié)調(diào)的整體，典型地重復(fù)在一定地域內(nèi)。Zonneveld(1979): 地球表面的一部分，由空氣、水、植物、動物和人組成的系統(tǒng)的復(fù)合體，并可通過外貌特征進(jìn)行辨識。Naveh(1984): 自然、生態(tài)、地理之綜合體Haber(1990)： 生物或者人類綜合感知的土地。Forman(1986)：以類似方式重復(fù)出現(xiàn)的相互作用的若干生態(tài)系統(tǒng)

3、簇構(gòu)成的異質(zhì)性土地地域。并建議將其空間范圍限定在幾公里到幾百公里。Forman (1995)：空間上鑲嵌出現(xiàn)的緊密聯(lián)系的生態(tài)系統(tǒng)組合。它具有可辨識性、空間重復(fù)性和異質(zhì)性。鄔建國(2000)：狹義景觀和廣義景觀 狹義景觀：將空間范圍限定在幾公里到幾百公里的景觀。 廣義景觀：沒有空間范圍限制的，只強(qiáng)調(diào)空間異質(zhì)性的景觀。 從近幾年的文獻(xiàn)看，景觀生態(tài)學(xué)突破了空間范圍的限制，廣義景觀為多數(shù)生態(tài)學(xué)家所接受。景觀與景觀生態(tài)學(xué)定義景觀與景觀生態(tài)學(xué)定義景觀景觀: 由若干生態(tài)系統(tǒng)組成的異質(zhì)區(qū)域(或由不同生態(tài)系統(tǒng)所組成的異質(zhì)性地理單元)。 這些生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成景觀中明顯的斑塊， 這些斑塊稱景觀要素。景觀生態(tài)學(xué)景觀生態(tài)學(xué)

4、： 研究景觀單元的類型組成、空間格局及其與生態(tài)學(xué)過程相互作用的綜合性學(xué)科。景觀生態(tài)學(xué)研究對象和內(nèi)容可概括為3個方面，即景觀結(jié)構(gòu)、景觀功能和景觀動態(tài)。景觀結(jié)構(gòu)景觀結(jié)構(gòu)：景觀組成單元的類型、多樣性及其空間關(guān)系；景觀功能景觀功能：景觀結(jié)構(gòu)與生態(tài)學(xué)過程的相互作用或景觀結(jié)構(gòu)單元之間的相互作用；景觀動態(tài)景觀動態(tài)：景觀結(jié)構(gòu)和功能方面隨時間推移發(fā)生的變化。景觀生態(tài)學(xué)的基本概念和理論景觀生態(tài)學(xué)的基本概念和理論空間異質(zhì)性空間異質(zhì)性景觀結(jié)構(gòu)景觀結(jié)構(gòu)景觀動態(tài)景觀動態(tài)景觀功能景觀功能島嶼生物地理學(xué)理論島嶼生物地理學(xué)理論生物控制論觀點(diǎn)生物控制論觀點(diǎn)景觀生態(tài)學(xué)景觀生態(tài)學(xué)景觀連接度景觀連接度生態(tài)過渡帶理論生態(tài)過渡帶理論滲透理

5、論與閾限現(xiàn)象滲透理論與閾限現(xiàn)象尺度尺度等級理論等級理論格局與過程格局與過程斑塊廊道基底模式斑塊廊道基底模式斑塊動態(tài)理論斑塊動態(tài)理論復(fù)合種群理論復(fù)合種群理論二、景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展簡史二、景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展簡史n景觀生態(tài)學(xué)起源于中歐和東歐200年前，著名德國地理學(xué)家von Humboldt提出了科學(xué)上的景觀概念，為景觀生態(tài)學(xué)產(chǎn)生作了準(zhǔn)備。1939年，德國地理學(xué)家Carl Troll 首次將景觀與生態(tài)學(xué)聯(lián)系在一起，提出了景觀生態(tài)學(xué)，標(biāo)志著景觀生態(tài)學(xué)的誕生。同時，前蘇聯(lián)生態(tài)學(xué)家發(fā)展了生物地理群落學(xué)，其研究內(nèi)容與歐洲早期的景觀生態(tài)學(xué)相似，對歐洲景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。荷蘭生態(tài)學(xué)家Zonneveld和以色列

6、生態(tài)學(xué)家Naveh在上個世紀(jì)七十年代發(fā)表了一系列的論文論著，將歐洲景觀生態(tài)學(xué)在二戰(zhàn)后的發(fā)展作了系統(tǒng)性的總結(jié)和發(fā)展，標(biāo)志歐洲景觀生態(tài)學(xué)的形成標(biāo)志歐洲景觀生態(tài)學(xué)的形成。代表人物還有：Buchwald, Tuxen, Vink, Ruzika. Naveh在其很有影響的教科書中提出：“景觀生態(tài)學(xué)是基于系統(tǒng)論、控制論和生態(tài)系統(tǒng)學(xué)之上的跨學(xué)科的生態(tài)地理學(xué)，是整體人類生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)是整體人類生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)”。 歐洲景觀生態(tài)學(xué)強(qiáng)調(diào)整體論的思想，以及人類影響方面。1982年10月，捷克捷克召開的六屆景觀生態(tài)學(xué)國際研討會上，國際景觀生態(tài)學(xué)會成立（IALE), 景觀生態(tài)學(xué)成為一個國際性的學(xué)科。n美國后來逐漸成為景觀生

7、態(tài)學(xué)的主流1981-1983年間，美國生態(tài)學(xué)家Forman通過一系列文章介紹了歐洲景觀生態(tài)學(xué)的概念，將景觀生態(tài)學(xué)的思想引進(jìn)到美國。并提出了并提出了“斑塊斑塊-廊道廊道-本底本底”模式模式，為北美景觀生態(tài)學(xué)奠定了基礎(chǔ)。1983年在美國Allerton公園召開的景觀生態(tài)學(xué)討論是北美景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展的里程碑里程碑。會議參加人都是美國著名生態(tài)學(xué)家，會議對當(dāng)時景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行了分析，提出強(qiáng)調(diào)空間異質(zhì)性和尺度提出強(qiáng)調(diào)空間異質(zhì)性和尺度的重要性的重要性。為北美景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展指明了方向。后來也成為了國際景觀生態(tài)學(xué)的主流。1986年，F(xiàn)orman出版了非常有影響的“景景觀生態(tài)學(xué)觀生態(tài)學(xué)”專著，成為

8、景觀生態(tài)學(xué)的經(jīng)典教科書。n1987年，國際國際“景觀生態(tài)學(xué)景觀生態(tài)學(xué)”雜志在美雜志在美國創(chuàng)刊國創(chuàng)刊，成為景觀生態(tài)學(xué)的主要論壇。n之后，北美涌現(xiàn)了一大批著名景觀生態(tài)學(xué)家，在等級理論、尺度觀、中性理論、景觀格局?jǐn)?shù)量化、景觀模型等方面取得了重要成果，使景觀生態(tài)學(xué)成為生態(tài)學(xué)的新生長點(diǎn)和前沿領(lǐng)域。一、尺度及其有關(guān)的概念二、格局與過程三、空間異質(zhì)性和斑塊性四、種面積關(guān)系和島嶼生物地理學(xué)理論五、斑塊廊道基底模式六、邊緣效應(yīng)七、Meta-種群理論八、景觀連接度、滲透理論和中性模型九、等級理論十、斑塊動態(tài)理論第二節(jié)第二節(jié) 景觀生態(tài)學(xué)的一般概念和理論景觀生態(tài)學(xué)的一般概念和理論一、尺度及其有關(guān)的概念一、尺度及其有關(guān)

9、的概念n尺度：一般指對某一研究對象或現(xiàn)象在空間或時間上的量度，分別稱為空間尺度和時間尺度。n粒度和幅度：尺度往往以粒度和幅度來表達(dá)。空間粒度空間粒度指景觀中最小可辨識單元所代表的特征長度、面積或體積。時間粒度時間粒度指某一現(xiàn)象或某一干擾事件發(fā)生的頻率。幅度幅度是指研究對象在空間或時間上的持續(xù)范圍，研究區(qū)域的總面積決定該研究的空間幅度；研究項(xiàng)目持續(xù)多久則確定其時間幅度。n尺度和比例尺：大尺度大尺度指較大空間范圍內(nèi)的景觀特征，往往對應(yīng)于小比例尺、低分辯率小比例尺、低分辯率；小尺度小尺度指較小空間范圍內(nèi)的景觀特征，往往對應(yīng)于大比例尺、高大比例尺、高分辯率分辯率。二、格局與過程二、格局與過程n格局格局

10、：往往指空間格局，即斑塊和其他組成單元的類型、數(shù)目以及空間分布與配置等。n過程：過程：過程則強(qiáng)調(diào)事件或現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展的程序和動態(tài)特征。 景觀生態(tài)學(xué)常常涉及到的生態(tài)過程包括種群動態(tài)、種子或生物體的傳播、捕物和捕食者的相互作用、群落演替、干擾擴(kuò)散、養(yǎng)分循環(huán)等。三、空間異質(zhì)性和斑塊性三、空間異質(zhì)性和斑塊性n空間異質(zhì)性一般可理解為空間斑塊性斑塊性和梯梯度度的總和。n空間異質(zhì)性表現(xiàn)對尺度的依懶性?？臻g異質(zhì)性空間異質(zhì)性是指生態(tài)過程和格局在空間分布上的不均勻性及其復(fù)雜性。四、種面積關(guān)系和島嶼生物地理學(xué)理論四、種面積關(guān)系和島嶼生物地理學(xué)理論n景觀中斑塊面積的大小、形狀以及數(shù)目對生物多樣性和各種生態(tài)學(xué)過程都會有

11、影響。n考慮景觀斑塊的不同特征，種-面積關(guān)系一般為： 物種豐富度f(生境多樣性、干擾、斑塊面積、演替階段、基底特征、斑塊隔離程度)n一般來說，斑塊數(shù)量的增加常伴隨著物種的增加。n島嶼生物地理學(xué)理論將生境斑塊的面積和隔離程度與物種多樣性聯(lián)系在一起，對斑塊動態(tài)理論及景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展起了重要的啟發(fā)作用。n島嶼生物地理學(xué)理論的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為： dS/dt=I-ES為物種數(shù)，t為時間，I遷居速率（是種源與斑塊間距離D的函數(shù)），E絕滅速率（是斑塊面積A的函數(shù)）五、斑塊廊道基底模式五、斑塊廊道基底模式n美國生態(tài)家R.Forman和法國生態(tài)學(xué)家M.Godron (1986) 認(rèn)為，組成景觀的結(jié)構(gòu)單元景觀的結(jié)構(gòu)

12、單元不外有三種：斑塊、廊道和基底。n斑塊斑塊泛指與周圍環(huán)境在外貌或性質(zhì)上不同，但又具有一定內(nèi)部均質(zhì)性的空間部分，具體包括植物群落、湖泊、草原、農(nóng)田、居民區(qū)等。n廊道廊道指景觀中與相鄰兩邊環(huán)境不同的線性或帶狀結(jié)構(gòu)，如農(nóng)田間的防風(fēng)林、河流、道路、峽谷等。n基底基底指景觀中分布最廣、連續(xù)性最大的背景結(jié)構(gòu)，常見的有森林基底、草原基底、農(nóng)田基底、城市用地基底等等。n斑塊、廊道、基底的劃分是相對，與觀察的尺度相聯(lián)系，實(shí)際劃分是十分困難的。n近年來，斑塊、廊道、基底為核心的一系列概念、理論和方法已逐漸形成了現(xiàn)代景觀生態(tài)學(xué)的一個重要方面。 R.Forman（1995）稱之為斑塊廊道基底模式。六、邊緣效應(yīng)六、邊

13、緣效應(yīng)n邊緣效應(yīng)指斑塊邊緣部分由于受外圍影響而表現(xiàn)與斑塊中心部分不同的生態(tài)學(xué)特征的現(xiàn)象。斑塊中心部分在氣象條件、物種組成以及生物地球化學(xué)循環(huán)方面都可能與其邊緣部分不同。n許多研究表明，斑塊周界部分常常具有較高的物種豐富度和初級生產(chǎn)力。斑塊周界部分常常具有較高的物種豐富度和初級生產(chǎn)力。n有些物種需要較穩(wěn)定的生物條件，往往集中分布在斑塊的中心部分，稱內(nèi)內(nèi)部種部種；而另一些物種適應(yīng)多變的環(huán)境條件，主要分布在斑塊邊緣部分，則稱為邊緣種邊緣種。n斑塊的結(jié)構(gòu)特征對系統(tǒng)的生產(chǎn)力、養(yǎng)分循環(huán)和水土流失等過程都有重要的影響n斑塊的形狀多種多樣，其特點(diǎn)可用長寬比、周界面積比等來描述。七、七、Meta-種群理論種群理

14、論nMeta-種群(metapopulation) :美國生態(tài)學(xué)家R.Levins(1970)采用了metapopulation一詞，并定義為“由經(jīng)常局部性絕由經(jīng)常局部性絕滅，但又重新定居而再生的種群所組成的種群滅，但又重新定居而再生的種群所組成的種群”。換言之，它是由空間上相互隔離，但又有功能聯(lián)系的二個或二個以上的亞種種組成的種群斑塊系統(tǒng)。nMeta-種群理論的兩個基本要點(diǎn)： 亞種群頻繁地從生境斑塊中消失（斑塊水平的局部性滅絕）； 亞種群之間存在生物繁殖體或個體的交流（斑塊間和區(qū)域性定居過程），從而使Meta-種群在景觀水平上表現(xiàn)復(fù)合穩(wěn)定性。nMeta-種群動態(tài)模型（斑塊動態(tài)模型）： dP/

15、dt = mP(1-P)-eP 其中，P-被某一物種個體占據(jù)的斑塊比例，t-時間，m-與所研究物種的定居能力有關(guān)的常數(shù)，e-與所研究物種的滅絕速率有關(guān)的常數(shù)。Meta-種群理論的意義種群理論的意義nMeta-種群理論的意義：生境片斷化之后，形成隔離的生境斑塊，種群個體在不同的斑塊之間擴(kuò)散，個體在亞種群之間遷移，影響種群持久性和穩(wěn)定性。在保護(hù)生物學(xué)上具十分重要的意義。八、景觀連接度、滲透理論和中性模型八、景觀連接度、滲透理論和中性模型n景觀連接度景觀連接度:是對景觀空間結(jié)構(gòu)單元相互之間連續(xù)性的量度，它包括結(jié)構(gòu)連接度和功能連接度。前者指在空間上直接表現(xiàn)出的連續(xù)性，可通過衛(wèi)片、航片、或視學(xué)器官觀察來

16、確定；后者是以所研究的對象或過程的特征尺度來確定。n滲透理論滲透理論:當(dāng)媒介的密度達(dá)到一臨界值時，滲透物突然能夠從媒介一端達(dá)到另一端。在生態(tài)學(xué)中，有許多臨界閾值現(xiàn)象，如植被覆蓋度達(dá)到多少時流動沙丘得以固定？生境面積占整個景觀面積多少時，某一物種才能幸免于生境破碎化作用而長期生存？n中性模型中性模型:指不包含任何具體生態(tài)學(xué)過程或機(jī)理，只產(chǎn)生數(shù)學(xué)或統(tǒng)計學(xué)上所期望的時間或空間格局的模型。滲透理論基于簡單的隨機(jī)過程，并有顯著的而且可預(yù)測的閾限特征，因此是非常理想的景觀中性模型。九、等級理論九、等級理論n等級理論是20世紀(jì)60年代以來逐漸發(fā)展形成的、關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)的系統(tǒng)理論關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的

17、結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)的系統(tǒng)理論。根據(jù)等級理論，復(fù)雜系統(tǒng)具有離散性等級層次。一般來說，處于等級系統(tǒng)中高層次的行為或動態(tài)常表現(xiàn)現(xiàn)大尺度、低頻率、慢速度特征；而低層次行為或過程常表現(xiàn)出小尺度、高頻率、快速度的特征。n許多復(fù)雜系統(tǒng)包括景觀系統(tǒng)可視為等級結(jié)構(gòu)，可將繁雜的相互作用的組分按照某一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組合，賦之于層次結(jié)構(gòu)。如不同等級植被類型分布的溫度和濕度范圍。n研究復(fù)雜系統(tǒng)時一般到少需要同時考慮3個相鄰的層次，即核心層次、其上一層次和下一層次。十、斑塊動態(tài)理論十、斑塊動態(tài)理論J.Wu和Loucks(1995)在總結(jié)前人研究工作基礎(chǔ)上，提出了斑塊動態(tài)范式。其要點(diǎn)包括：(1)生態(tài)系統(tǒng)是由斑塊鑲嵌體組織的等級系統(tǒng)

18、；(2)生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)是斑塊個體行為和相互作用的總體反映；(3)格局過程尺度觀點(diǎn)，即過程產(chǎn)生格局，格局作用于過程，而二者又依賴于尺度；(4)非平衡觀點(diǎn)，即非平衡現(xiàn)象在生態(tài)學(xué)系統(tǒng)中普遍存在，局部尺度上的非平衡態(tài)和隨機(jī)過程往往是系統(tǒng)穩(wěn)定性的組成部分；(5)兼容機(jī)制和復(fù)合穩(wěn)定性，兼容是指小尺度上、高頻率、快速度的非平衡態(tài)過程被整合到較大尺度上穩(wěn)定過程的現(xiàn)象。而這種在較大尺度上表現(xiàn)出來的“準(zhǔn)穩(wěn)定性”往往是斑塊復(fù)合體的特征，因而稱之為“復(fù)合穩(wěn)定性”。第三節(jié)第三節(jié) 景觀生態(tài)學(xué)的研究方法景觀生態(tài)學(xué)的研究方法一、遙感和地理信息系統(tǒng)在景觀生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用二、景觀結(jié)構(gòu)分析的數(shù)量方法三、景觀模型1 1、遙感、遙感n遙

19、感遙感指不直接觸目標(biāo)而收集信息的過程和方法，主要是和處理目標(biāo)發(fā)射和反射的電磁波。n遙感衛(wèi)星通過光電傳感器將描述多個波段的電磁波信號轉(zhuǎn)變成電信號，再轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，用這些數(shù)字來構(gòu)建圖像。一、遙感和地理信息系統(tǒng)在景觀生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用n將這些圖像給景觀生態(tài)學(xué)家，并為其提供了極其有價值的信息(如植被類型及其分布，植被類型內(nèi)部斑塊的空間分布、土地利用類型及其面積、生物量分布、土壤類型、水分特征、蒸發(fā)蒸騰、葉面積指數(shù)等)。n遙感在景觀生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用價值：n植被和土地利用分類n生態(tài)系統(tǒng)和景觀特征定量化(1)景觀動態(tài)及生態(tài)系統(tǒng)管理方面的研究2 2、地理信息系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)(GIS)(GIS)nGIS是一個用于

20、對地理數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、管理、查詢、計算、分析與可視表現(xiàn)的計算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。nGIS的基本功能：地圖數(shù)字化和數(shù)據(jù)可視化數(shù)據(jù)查詢空間分析(基本圖形運(yùn)算、緩沖區(qū)分析、空間疊加、網(wǎng)絡(luò)分析、柵格數(shù)據(jù)的空間分析)nGIS在景觀生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用價值： 分析景觀空間變化；確定不同環(huán)境和生物學(xué)特征相關(guān)性；確定斑塊大小、形狀、毗鄰性和連接度；分析景觀中能量、物質(zhì)和生物流的方向和通量；景觀變量的圖象輸出等。二、景觀結(jié)構(gòu)分析的數(shù)量方法二、景觀結(jié)構(gòu)分析的數(shù)量方法1、景觀指數(shù)(1)、景觀相對豐富度指數(shù) R=N/NmaxN-景觀中斑塊類型數(shù)目Nmax-景觀中可能出現(xiàn)的斑塊類型總數(shù)的最大值1(ln)nkkkHpp (2)、景觀多樣

21、性指數(shù)pk- 斑塊k在景觀中出現(xiàn)的概率n- 景觀中斑塊類型的總數(shù)(3)、景觀聚集度指數(shù)max11(ln)nnijijijCCppn同上，Pij-斑塊類型i與j相鄰的概率，Cmax=2ln(n)C小、景觀由許多小斑塊組成，具有較大的隨機(jī)特性，C大、斑塊聚集而形成少數(shù)大斑塊2、其他分析方法地統(tǒng)計學(xué)分析、波譜分析、趨勢面分析、分形分析等三、景觀模型1、景觀格局變化的概率模型(馬爾柯夫隨機(jī)模型)2、景觀格局-過程動態(tài)模型1(,)mijijijijkkdYfYXZQdt景觀格局-過程動態(tài)模型：主要用于描述景觀的空間格局、動態(tài)變化與生態(tài)學(xué)過程之間相互關(guān)系景觀過程模型景觀過程模型是把景觀按空間異質(zhì)性(生態(tài)系統(tǒng)類型)分成許多空間單元，然后將結(jié)構(gòu)上完全相同或相似的單元模型 “移植”到這些空間單元中