景观空间结构与景观异质性.ppt

第六章 景观空间格局与景观异质性,景观的异质性决定了景观空间格局研究的重要性。景观空间格局（landscape pattern）：特定尺度上，大小和形状各异的景观元素在空间上的排列形式。景观格局分析的目的是从看似无序的景观斑块镶嵌中，发现潜在的有意义的规律性。,要更加深入地理解景观格局，最好的方式是把它与一些运动过程和变化联系起来，也就是说现在见到的景观格局是过去景观生态流形成的，同时景观格局也影响各种景观生态流，它们是相互作用的。通过格局分析，最终目的是为了确定产生和控制景观格局的因子和机制，比较不同景观的空间格局及其效应，探讨空间格局的尺度性质。,第一节 景观空间格局,一、景观空间格局类型 景观空间格局既可以是某一景观要素类型（或基质）的空间结构特征，也可以是景观内各种景观要素的空间结构特征。景观中若干要素间的组合方式尽管都是随机的，但经常表现一定的规律性。对景观空间格局的认识没有一定的标准，不同目的、不同角度可以将景观格局分成不同的类型。刘茂松将其分为：均匀、聚集和随机三种格局类型。Forman和Godron将其分为：均匀、聚集、线状、平行和特定组合五种格局类型。,理查德T.T.福尔曼(Richard T.T.Forman)是哈佛大学景观生态学教授，他主要的学术研究是将空间格局和科学联系起来，以使自然和土地上的人和谐相处。他常常被称为景观生态学和道路生态学之父，帮助促进了城市区域生态和规划学的出现。其他研究领域包括变化的土地镶嵌类型、土地保护和利用规划、城市建成空间和绿地类型以及斑块廊道基质模型。,肖笃宁：认为不同大小和内容的斑块、廊道、基质、网络共同构成了异质景观。景观的总体结构对景观中的各种生态过程产生一定影响，各种生态过程反过来也影响景观的总体结构，并从实践应用的角度总结景观格局的类型。总体看来，景观空间格局有均匀格局、聚集格局、随机格局和组合格局四大类型。,1、均匀格局景观 景观要素间的距离相对一致或表现出一定渐变规律的景观类型。具体结构类型有：1）点阵格局：由分布距离一致的点状（或小斑块）景观要素构成的景观格局，如城市街心花坛 2）渐变格局：由分布距离有一定渐变规律的点状景观要素（或小斑块）构成的景观格局，如从农村到城郊、山区到平原的村落分布。,3）带状格局：有平行带状分布的景观要素构成的景观格局，如城市中的平行主干道及其绿带等 4）交替格局：不同景观交替出现的带状格局，如农田和森林的带状格局 5）棋盘格局：有块状景观要素相间分布构成的景观格局，如如平原湖区稻田景观中的鱼塘等,6）网状格局：有线状景观要素相互交织围合而成的景观格局，如如防护林网 7）环状格局：有线状景观要素圈层叠积而形成的景观格局，如城市环道及其绿带8）楔状格局：楔状景观要素相对均匀地由周围同向延伸而形成的景观格局，如郊区楔状绿地向城市延伸形成的市域绿地景观格局。,2、聚集格局景观 是指景观要素向某一点或线聚集的景观类型，也包括景观要素由某一点或线向外扩张形成的景观。具体的结构类型有：,1）群集格局：指一类景观要素向某一点聚集的景观格局，如在许多热带地区，农田多聚集在村庄或道路的一端，在丘陵地区，村庄多聚集在较大的山谷内。2）线状格局：某一景观要素向某一线聚集的景观格局，如城市建筑沿公路零散分布。3）交错格局：由于斑块之间的边界呈不规则状，从而使得景观要素之间出现相互交叉的景观格局，如遭受切割的山坡，受破坏的林缘。,4）放射格局：指某类斑块由中心向四周放射状延伸的景观格局，如城市对外交通干道。5）水系格局：各级河流廊道向流域延伸所组成的一种特殊的网状格局。6）指状格局：一类景观要素由中心向某一方向或四周延伸的景观格局，如城市周边森林区以指状斑块和廊道向城市内部延伸等。,3、随机格局景观 所有或某一景观要素在景观内按一定的统计规律呈随机分布的格局景观。具体的结构类型有：1）散点布局:有点缀在基质里的点状地物随机分布构成的景观格局。如平原里的村庄，油田上散布在农里的油井 2）散斑布局：少数景观要素随机分布在占优势的基质内所形成的的景观格局。如沙漠化景观中的残余森林斑块,3)镶嵌布局:由大小相差不多，形状不规则的斑块随机分布构成的景观格局。如平原上的耕作农田，块状混交的森林等 4、组合格局景观 两种或两种以上的格局类型同时存在的格局景观。分为两种情况：1）同类景观要素形成的格局景观（少）：其各种形式的斑块、廊道间的组合分布形式。如，城市绿地景观（环状格局和放射状格局、环状格局和楔状格局等）2）不同景观要素形成的格局景观（多）：是各类、各种形式的斑块、廊道及其基质间的组合分布形式。如城市景观,二、Forman的理想景观格局模式 Forman按“集中与分散相结合的原则”，基于空间生态理论设计的一种景观生态规划格局理想的景观格局模式。格局模式强调（中心思想）：将相似的用地类型集中起来，但在建成区保留一些自然廊道和小的自然斑块，在大型自然植被斑块边缘也布置一些小的人为活动斑块。,这种模式具有以下7种景观生态属性（优点）：1、包含大型自然植被斑块：大型自然植被斑块用以涵养水源，维持关键物种的生存，为多种野生动物提供栖息地；2、粗粒与细粒要素结合：既有大斑块又有小斑块，满足景观整体的多样性和局部点的多样性；3、风险分散：为了分散可能的风险，如大风或病虫害，可以多布局几个大型农业斑块或自然斑块；,4、基因变异：小斑块可能发生的基因变异可以使某些物种在大斑块遭到破坏时幸存部分个体，为大斑块提供种源，从而为生态系统的恢复提供可能；5、边界过渡带：交错带减少边界抗性；6、小型自然植被斑块：作为临时性栖息地或避难所；7、廊道：用于物种的扩散及物质和能量的流动。,这一“理想景观模式”适用于从沙漠到林区、从城市到乡村的各种景观，也适用于从大到小的各种不同尺度。在规划中还可以根据实际情况对不同用地类型的相对面积、位置做适当调整，因此具有很大的弹性。但在此模式中缺少中等大小的斑块，因为Forman认为中等斑块的优点不明显，既然是理想景观，就可以不考虑它的存在。,三、景观生态安全格局 俞孔坚等在“理想景观模式”的基础上提出了景观生态安全格局的理论和方法，他将景观中某些潜在的空间格局，称为景观生态安全格局或景观安全格局，它们是由景观中的某些关键性的局部、位置和空间关系所构成。在一个明显的异质性景观中，景观生态安全格局组分是可以凭经验判别的，如一个盆地的水口、廊道的断裂处或瓶颈、河流交汇处的分水岭等。但是，在许多情况下生态安全格局组分并不能直凭经验识别。这种情况下，对景观战略性组分的识别必须通过对生态过程动态和趋势的模拟来实现。,景观生态安全格局组分对控制生态过程的战略意义可以体现在以下 3个方面：1）主动优势：景观生态安全格局组分一旦被某种生态过程占领后就有先入为主的优势，有利于景观全局或局部控制；2）空间联系优势：景观生态安全格局组分一旦被某种生态过程占领后，有利于孤立的景观元素间建立联系；3）高效优势：景观生态安全格局组分一旦被某种生态过程占领后，就使生态过程控制在安全或局部景观，在物质、能量上达到高效和经济。,以生物保护为例，一个典型的景观生态安全格局包含以下几个景观组分1）源：现存的乡土物种栖息地，它们是物种扩散和维持的源点；2）缓冲区：环绕源的周边地区，是物种扩散的低阻力区；3）源间连接：相邻两源之间最易联系的低阻力通道；4）辐射道：由源向外围景观辐射的低阻力通道；5）战略点：对沟通相邻源之间联系有关键意义的“调班”。,景观生态安全格局是一种理想的景观空间格局优化模式，它寻求从理论到实践的突破，为景观生态学应用提供了一种理论模式。基于这种模式，许多学者发展了针对区域生态系统安全的区域生态安全格局，以及针对重大项目生态安全格局的理论与实践。,生态安全格局 从上世纪90年代开始，北京大学俞孔坚教授及其研究团队，针对中国严峻的人地关系矛盾，首次在国际上提出了生态安全格局的理论和方法，并持续地在多个尺度上进行了国土“生态安全格局”的研究，明确提出：应对快速城市化带来的各种问题，最核心的解决途径是建立国土生态安全格局，在各个尺度上维护国土生态安全格局。出版了包括：国土生态安全格局：再造秀美山川的空间战略以及 区域生态安全格局：北京案例，“反规划”途径等著作。行至今日，已经形成了一套完善的理论和方法体系以及丰硕的研究成果。,生态安全格局是指对维护生态过程的健康和安全具有关键意义的景观元素、空间位置和联系，包括连续完整的山水格局、湿地系统、河流水系的自然形态、绿道体系，以及中国过去已经建立的防护林体系等，它是一个多层次的、连续完整的网络，包括宏观的国土生态安全格局、区域的生态安全格局和城市及乡村的微观生态安全格局。宏观对应的是全国尺度，生态安全格局被视为水源涵养、洪水调蓄、生物栖息地网络、等维护自然生态过程的永久性地域景观，用来保护城市和家园的生态安全，定义城市空间发展格局和城市形态。,2007年，受国家环境保护部（原国家环境保护总局）的委托，北京大学景观设计学研究院开展了国土生态安全格局规划，研究针对我国面临的水资源短缺、洪涝调节、水土流失、沙漠化、生物多样性维护等问题，以景观生态学为基本理论、采用景观生态安全格局的分析方法，对上述主要自然生态过程进行了系统分析，辨识出了维护这些过程所必须的关键的空间位置及其空间联系。中观对应的是区域和城市尺度，在这个尺度上，生态安全格局能够以生态基础设施的形式落实在城市中，一方面用来引导城市空间扩展、定义城市空间结构、指导周边土地利用；,另一方面，生态基础设施可以延伸到城市结构内部，与城市绿地系统、雨洪管理、休闲游憩、非机动车道路、遗产保护和环境教育等多种功能相结合。这个尺度上的生态安全格局边界更为清晰，其生态意义和生态功能也更加具体。微观对应的是城市街区和地段尺度，生态基础设施作为城市土地开发的限定条件和引导因素，落实到城市的局部设施中，成为进行城市建设的修建性详细规划的依据，将生态安全格局落实到城市内部，让生态系统服务惠及每一个城市居民。,秦皇岛红飘带 秦皇岛汤河公园于2006年7月建成。设计师用最少的投入，将地处海港区的一条普通的河流廊道，改造成一处魅力无穷的城市生态休憩地，使这一昔日令路人侧目的城郊荒地和垃圾场变成令人流连忘返的生态绿廊。最大限度地保留了原有河流生态廊道的绿色基底，引入一条以玻璃钢为材料的“红飘带”。“红飘带”生态 景观，最近被国际知名旅游 杂志康德纳特斯旅行家评为“世界建筑 新七大奇迹”之一，是中国唯一入选的建筑。,这条用玻璃钢打造成的“红飘带”，在汤河公园内曲折蜿蜒621米，因地形和树木的存在而发生宽度和线型的变化，从而最大限度地保证了景观 的原生态。该景观 先后获“中国环境范例奖”、“2007年度美国景观设计师协会设计荣誉奖”。康德纳特斯旅行家在评价“红飘带”时称，“这一构思保留了原有河流生态 廊道的绿色基底，将城乡结合部的一条脏、乱、差的河流，改造成一处魅力无穷的城市休憩地。”“红飘带”生态景观的主要设计方为北京土人景观与建筑 规划 设计研究院。感觉在较好的原生态条件中，应该最大限度地与人结合在一起。于是，设计了一条绵延灵动、随意赋形的“红飘带”，寓意着汤河奔流不息的生命力。,沈阳建筑大学的校园景观是一个用水稻、作物和当地野草，用最经济的途径来营造一个校园环境的景观设计，景观中应用了大量的水稻和庄稼，并通过旧材料的再利用，试图对庄稼、野草和校园做一个重新的认识。在大面积均匀的稻田中，便捷的步道串连着一个个漂浮在稻田中央的四方的读书台，每个读书台中都有一棵大树和一圈坐凳，让书声溶入稻香。在这个设计中，“园林结合生产”有了新的解释。在一个大城市的建筑大学里，对大多数来自城市的学生来说，自然和耕作是那么遥远。他们对农作物的播种、管理和收获感到陌生，他们甚至不知道农作物和乡土物种的名字。,该校园的环境设计力图使当代学生有机会回到真实的土地，感受农作物自然生长和管理、采收过程,使学生在学习课本的间接知识的同时，也能从真实世界中获得真知。将农业与劳动教育融入一个建筑大学的校园绿化，时刻提醒我们的年青一代：粮食和土地永远是中国这个13亿人口大国的头等大事。快乐的劳动已成为校园的一道风景，收获的稻米“建大金米”目前已被作为学校的礼品，赠送给来访者。这个项目歌颂土地之美，用最经济的途径，实现当代中国最迫切需要的绿化和美化。重拾起“园林结合生产”的精神。,以生物保护为例，一个典型的景观生态安全格局包含以下几个景观组分：1 源(source)：现存的乡土物种栖息地，他们是物种扩散和维持的元点。2 缓冲区(buffer zone)：环绕源的周边地区，是物种扩散的低阻力区。3 源间联接(inter-source linkage)：相邻两源之间最易联系的低阻力通道。4 辐射道(radiating routes)：由源向外围景观辐射的低阻力通道。5 战略点(strategic point)：对沟通相邻源之间联系有关键意义的“跳板”(stepping stone)。,第二节 景观空间格局分析一、景观格局分析的一般过程 景观格局是生态学家研究最多的课题之一，早在50年代就进行了大量的描述性研究，但数量化研究是70年代才逐渐重视起来，近年来景观格局数量研究有了重大发展，出现了大量的数量化方法。自20世纪80年代以来，空间统计学和地统计学方法亦越来越广泛地应用在景观格局分析中。景观格局分析：用来研究景观结构组成特征和空间配置关系的分析方法。通过研究空间格局可以更好地理解生态学过程。,（一）景观格局研究的目的,1、确定产生和控制空间格局的因子及其作用机制；2、比较不同景观镶嵌体的特征和它们的变化；3、探讨空间格局的尺度性质；4、确定景观格局和功能过程的相互关系；5、为景观的合理管理提供有价值的资料。,（二）景观空间格局分析的一般过程 1、以研究目的和方案为指导，收集和处理景观数据（1）数据类型 养分、水、光、温度、土壤类型、生物量、种群密度、植被镶嵌体、地形、土地利用等（2）数据来源 野外考察、大地测量、现有地图、航空照片、卫星遥感图像、雷达图像等,2、将真实的景观系统转换为数字化的景观 景观的数字化有两种表达形式（1）栅格化数据：以网格表示景观表面特征，每一个网细胞对应于景观表面的某一面积，而一个缀块可由一个至多个网细胞组成。（2）矢量化数据：以点、线和多边形表示景观的单元和特征，如，一个缀块对应于一个多边形，而线段往往表示道路或河流。,3、选用适当的格局研究方法进行分析 景观格局分析的方法有多种，既包括一些传统的统计学方法，也包括一些新的、专门解决空间问题的格局分析方法，它们分别适应于不同的研究目的和数据类型。总体上这些方法可分为两类：格局指数方法和空间统计学方法。空间格局的统计分析分为两类，一类主要用于检测大尺度的空间趋势是否显著区别于随机结构，常用的计算分析反映景观组成与结构特征的代表性指数包括方差均值比、聚集度指数、最近距离指数等,这些统计方法可以确定某研究区域整体的空间格局分布是聚集、均匀还是随机的；另一类可以定量确定小尺度空间格局和尺度，即点格局分析。这些指数本质上都是通过检测方差与均值的关系来反映空间格局。4、最后对分析结果加以解释和综合,景观格局分析图示,二、景观格局分析空间取样方法,由于景观生态研究的宏观性和尺度性，逐个地、全面地实测和分析几乎不可能，一般按一定规则和要求通过取样获得一定数量的样本用以推测整体。但样本要有有效性和代表性。通常采用的方法有：典型取样、机械取样、分层取样法。,三、景观空间格局的数量研究方法,景观格局数量研究方法分为三类：1、用于景观要素特征分析的景观空间格局指数 斑块隔离度、斑块可及性、廊道环度、廊道曲度等。2、用于景观整体分析的景观格局分析模型 3、用于模拟景观格局动态变化的景观模拟模型,景观格局数量研究方法迅速发展，新方法不断涌现，目前应用比较广泛的模型主要包括聚块样方方差分析、空间自相关分析等,（一）聚块样方方差分析要求：景观上的样方在空间上相互连接。观点：随聚块所包含的样方数目的增加（指数级增加），聚块间的方差值随之改变，通过方差值的变化了解景观要素的某一性质在景观中的空间结构特征。,结论：结果通常用坐标图表示：纵坐标为均方差，横坐标为聚块所含样方数。用途：确定景观中某一类型斑块出现的尺度大小与等级结构的变化特征。,（二）空间自相关分析,用途：确定景观中某景观元素与相邻景观元素之间的依赖关系。数据类型：类型变量、序数变量、数量变量等。数值来源：直接观测、样本统计，但需满足正态分布，且是随机抽样而来。步骤：取样、计算自相关系数（建立函数）、检验自相关结果：负相关、一定程度负相关、不相关、一定程度正相关、很强正相关、完全正相关。,第三节 景观异质性一、景观异质性理论景观异质性研究已经成为当代生态学，尤其是景观生态学中的一个重要研究课题。（一）景观异质性的概念景观异质性是指景观系统特征在空间和时间上的不均匀性及复杂程度景观异质性可以根据两个方面来定义，即所研究的景观系统特征的复杂性和变异性。景观系统特征可以是具有生态学意义的任何变量，如基质、斑块、廊道等景观结构成分，或者,植物、动物、生物量、土壤养分、温度、湿度、水分等景观组分，以及景观格局、功能、决定景观格局与功能的生态过程的特征及其时空差异与变化。景观异质性是绝对的，因为所有景观系统特征都是异质性的，他们的属性存在着显著的空间、时间分异。成因：景观异质性的成因首先是组成景观生态系统的物质与能量存在原生的空间与时间差异；其次是景观生态系统的运动发展具有不平衡性。此外，影响景观系统特征的外来或外界干扰也是复杂的和非均匀的。,（二）景观异质性的类型1、空间异质性：指景观系统特征在空间分布上的不均匀性和复杂性。通常空间异质性指水平方向二维面的异质性。当然也可以分析垂直面上的异质性，即三维空间的异质性2、时间异质性：指景观系统特征在时间变化过程中分布的不均匀性和复杂性。时间只是一个维度，景观系统特征在时间上的变化具有周期性。,（三）景观异质性的形成机制 对景观异质性形成机制的研究成果不多，全面分析还很困难，一般从资源环境异质性、生态演替和干扰三个方面来讨论。亦即景观异质性来源于：1）景观自然地理特征和气候因素的空间分异；2）生物群落的定居和内源演替；3）自然干扰以及人为活动的影响。,1、资源环境的空间分异 地理分布、地形地貌、海陆分布、地质水文等自然物理条件的空间变异。是景观异质性形成的基础，也是其他因素叠加的基础。是异质性的决定因素。2、生态演替 异质性形成的重要动力机制，导致景观要素类型的多样性和空间关系的多样性。是景观异质性的重要来源。3、干扰 改变景观格局又受制于局格局。自然干扰有规律，可预测，可通过干扰格局来描述；人为干扰规模大、缺乏规律、难以预测。景观异质性的主要来源之一。,（四）景观异质性与生物多样性 1、生物多样性概述生物多样性是生物与环境相互作用的一种自然现象。是生命进化的产物。生物是一个确切的概念，而生物多样性是生物的一个特征（数量与差异）表达。,（1）生物多样性的定义,生物多样性一般是指“地球上生命系统中的所有变异”。简单地说，生物多样性是生物和它们组成的系统的总体多样性和变异性。,四个层次：遗传（基因）多样性、物种多样性、生态系统多样性、景观多样性。基因多样性：主要指种内不同群体间（两个隔离地理种群间）及单个群体（种群）内不同个体间遗传变异的总和，也称基因多样性 物种多样性：是指地球上动物、植物、微生物等生物种类的丰富程度。,（2）生物多样性的层次,生态系统多样性：指特定地域内生态系统的类型及其生态过程和生态关系的多样化和复杂化。景观多样性：指特定地域内景观要素及其空间结构类型、格局、过程的变异性和复杂性。,2、景观异质性与生物多样性的关系（1）景观异质性导致生物多样性 1）与遗传多样性：景观处于初始化状态时（异质化程度低）对遗传多样性的影响不大；在一定程度内，随景观异质性增加，生境多样性将提高，种群丰富度增加，物种基因交流频繁，遗传多样性增加。2）与物种多样性：景观异质性越高，物种多样性也愈高。,3）与生态系统多样性：景观异质性增加，生境多样性随之增加，生态系统多样性也随之增加。另外，景观异质性与生物多样性存在相互促进的关系，即景观异质性高有利于生物多样性保持，而生物多样性高也有利于景观异质性的维持。,二、景观破碎化与多样性 1、景观破碎化 是指由于自然或人为因素的干扰所导致的景观由简单趋于复杂的过程，即景观由单一、均质和整体趋向于复杂、异质和不连续的斑块状镶嵌体的过程。景观的破碎化过程是降低生物多样性最重要的过程之一，破碎的斑块愈小，种群密度减低愈大，灭绝的速率越大。景观的破碎意味着地理学上的隔离。,景观破碎化与景观结构、景观功能、景观动态之间关系密切。景观破碎化分析已成为当前景观生态学研究的热点之一。通过对景观破碎化的分析，可以从一定角度对景观的稳定性和干扰，尤其是人类活动的干扰程度进行客观评价，为景观管理和规划设计提供依据。另外，景观破碎胡与自然保护密切相关，对生物和资源保护具有重要意义。,2、景观多样性 景观多样性是景观在结构、功能、动态方面的多样性，反映景观的复杂性。它是景观水平上生物多样性的表征，是客观层次上的生物多样性。大量研究表明，生物多样性的丧失主要是由于生境的多样性遭到各种原因尤其是人类活动的破坏与干扰，因此，生物多样性保护主要取决于生境多样性的保护。所以，景观多样性的研究日益受到重视。,三、景观异质性测度 景观总体异质性可以通过景观多样性、景观优势度、景观均匀度和景观破碎化等指数来测定 1、景观多样性指数 景观多样性指数的大小反映组成景观的景观组分的多少和各景观组分所占的比例。当某一景观由单一景观组分组成时，景观多样性最小，景观多样性指数是0，说明景观是均质的；当某一景观由两种以上的景观组分组成，且各景观组分所占比例相等时，其景观多样性指数最大，景观多样性最高。随着景观组分所占比例的差异的增大，景观多样性指数变小，景观多样性下降。,景观多样性指数（landscape diversity index）Shannon多样性指数：Pk为斑块类型k在景观中出现的概率（斑块类型k的面积占景观总面积之比）；m为景观中斑块类型总数。Simpson多样性指数,2、景观均匀度指数（landscape evenness index）反映景观中各斑块类型在面积上分布的均匀程度。以Shannon多样性指数为例：E=1，当E趋于1时，景观斑块类型分布的均匀程度也趋于最大。,3、景观要素优势度景观优势度指数（landscape dominance index）：描述景观由少数几类斑块控制的程度。通常，较大的D对应于一个或少数几个斑块类型占主导地位的景观，与景观多样性指数相反。优势度指数D：D=Hmax H相对优势度RD：RD=1-E=1（H/Hmax）,4、景观破碎化指数 反应景观破碎化的指标较多，具有代表性的主要有斑块密度、廊道密度指数等。斑块（廊道）指数越大，景观的破碎化程度越高。,第四节 景观异质性分析案例：广州城市绿地系统景观异质性分析,