景观生态学部分课件.pptx

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1、景观生态学,郑州大学校园景观,郑州大学校园景观,上海宝山绿龙公园景观规划设计,上海宝山绿龙公园景观规划设计,泰山医学院新校区规划设计,第一节 景观的概念第二节 景观生态学第三节 景观生态学的理论基础第四节 景观生态学中的几个重要概念,第一章 绪 论,第一节 景观的概念,1 美学上的意义,2 地理学上的理解,3 景观生态学对景观的理解,景观(Landscape)一词的使用最早见于希伯来语“圣经”旧约全书，原意是自然风光、地表形态和风景画面。汉语中的“景观”一词涵义丰富，反映“风景、景色、景致”之意。景观没有明确的空间界限，主要突出一种综合直观的视觉感受。,1 美学上的意义,景观的一般理解常见的宏

2、观景观举例 A.桂林山水景观；B.位于美国亚利桑那洲 大峡谷景观；C.美国威斯康辛大学 Curtis草地景观；D.内蒙古草原景观；E.北美的Sonoran 荒漠景观；F.亚洲温带 荒漠景观一角,2 地理学上的理解,景观作为科学名词被引人地理学，具有地表可见景象的综合与某个限定性区域的双重含义。,“自然地域综合体”的代名词,景观是由地球表面气候、土壤、地貌、生物各种自然要素以及文化现象组成的地理综合体。,20世纪30年代,cTroll 将景观的概念引人生态学，是希望将地理学家采用的表示空间的“水平”分析方法和生态学家使用的表示功能的“垂直”分析方法结合起来研究景观整体的结构、功能和变化。,3 景

3、观生态学对景观的理解,景观的定义：景观是一个由不同土地单元镶嵌组成，具有明显视觉特征的地理实体；它处于生态系统之上，大地理区域之下的中间尺度；兼具经济、生态和文化的多重价值。,人类与自然共同作用影响下的不同景观,过度利用造成严重退化的草地景观,黄土高原梁峁梯田景观,第二节 景观生态学,一、概念,景观生态学（Landscape Ecology）是研究景观的结构、功能和变化，以及景观的科学规划和有效管理的一门生态学新分支（属于宏观生态科学）。,二、景观生态学的产生与发展,第一阶段从19世纪初到20世纪30年代，是学科综合思想的萌芽期。洪堡的综合景观概念与思想的形成，为景观生态学的诞生奠定了基础。,

4、1、景观生态学的发展阶段,第二阶段由20世纪30年代后期到60年代中期，是学科思想的巩固阶段。1939年，德国地植物学家特罗尔（Troll）通过航空相片研究东非土地利用问题时，首次提出景观生态学的概念。景观生态学是一种综合研究的新观点。,第三阶段由20世纪60年代后期到80年代初，是学科的初创时期。1968年在德国召开了“首届景观生态学国际学术讨论会”。荷兰景观生态协会 捷克斯洛伐克景观生态学协会,第四阶段开始于20世纪80年代初的国际景观生态联合会成立之后，是学科的全面发展时期。1982年10月在捷克斯洛伐克召开的”第六次景观生态学国际学术讨论会”上，正式成立了“国际景观生态学协会”.协会成

5、立后，景观生态学的发展显示出三个特点：一是研究和教学活动普遍化，二是国际学术活动频繁，三是出版物大量涌现。,2、我国的景观生态学研究,80年代：起步阶段，侧重于国外文献的介绍90年代：迅速发展阶段,景观生态学的专著：郭晋平，周志翔主编。景观生态学，中国林业出版社，2007许慧、王家骥编著的景观生态学的理论与应用董雅文编著的城市景观生态宗跃光编著的城市景观规划的理论与方法徐化成主编的景观生态学教材（1995）傅伯杰,陈利顶,马克明,王仰麟等编著的景观生态学原理及应用（2001）邬建国编著的 景观生态学格局、过程、尺度与等级（2000）赵羿，李月辉编著的 实用景观生态学（2001）肖笃宁，李秀珍，

6、高 峻等编著。景观生态学，科学出版社，2003,主要会议,1989年10月，首届景观生态学学术讨论会，出版论文集景观生态学理论、方法与应用1996年5月，第二届景观生态学学术讨论会，北京，成立“国际景观生态学会中国分会”1998年，亚洲及太平洋地区景观生态学国际会议 沈阳2001年9月23 25日，第二届亚太地区景观生态学国际研讨会 兰州2003年12月，全国第四届景观生态学学术研讨会“中国的景观生态学：问题机遇发展”北京大学2005年12月，全国城市景观生态学学术研讨会在北京大学深圳研究生院召开2007年11月，第五届全国景观生态学学术研讨会，北京,3、景观生态学的发展趋势,（1）三个研究方

7、向静态研究：着重对特定景观的结构和在一定结构控制下的功能进行研究。动态研究：对特定景观的动态变化历史过程、趋势及其控制机制进行研究。应用研究：是在静态研究与动态研究的基础上，为人类合理利用、开发、管理与保护和建设景观而制定规划、设计及其实施技术和实践活动。,（2）景观生态学的整合,3个研究方向的整合时空尺度的匹配多学科的整合三者的结合,三、景观生态学的研究对象和内容,1、研究对象：作为复合生态系统的景观。把地理学家研究自然现象的空间相互作用的横向研究和生态学家研究一个生态区的机能相互作用的纵向研究结合为一体，通过物质流、能量流、信息流及价值流在地球表层的传输和交换，通过生物与非生物以及人类之间

8、的相互作用与转化，运用生态系统原理和系统方法研究景观结构和功能、景观动态变化以及相互作用的机理、研究景观的美化格局、优化结构、合理利用和保护。,2、景观生态学的研究内容,1）、景观结构：斑块大小、形状、类型、异质性、连接性，斑块间的空间关系,2）、景观功能：空间要素间的相互作用，如动物移动、水分移动等。,4）、景观规划与管理：制定景观恢复、保护、建设和管理的计划和规划，确定相应的目标、措施与对策。,3）、景观变化：结构和功能随时间的改变。,3、景观生态学的特点,整体观和系统观异质性和尺度性综合性和宏观性目的性和实践性,第三节 景观生态学的理论基础,一 景观生态学的基本理论二 景观生态学的基本原

9、理,一、景观生态学的基本理论,每一门学科都有自身的理论体系与方法论景观生态学的基本理论与原则来自于:来自母体学科，特别是生态学与地理学来自相关学科，特别是系统科学与信息科学景观生态学领域具有普遍意义的研究成果的抽象和提高,基本理论：,耗散结构和自组织理论等级系统理论空间异质性与景观格局时空尺度空间镶嵌与生态交错带景观连接度与渗透理论岛屿生物地理学理论复合种群理论与源汇模型,二、景观生态学的基本原理,景观的系统整体性原理景观生态研究的尺度性原理景观生态流与空间再分配原理景观结构镶嵌性原理景观的文化性原理景观演化的人类主导性原理景观多重价值原理,第四节、景观生态学中的几个重要概念,一、尺度二、景观

10、异质性三、景观多样性四、干扰,1、尺度的概念 尺度(scale)：通常指在观察或研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位，同时又可指某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围。尺度可分为空间尺度和时间尺度。,一、尺度,尺度往往以粒度(grain)和幅度(extent)来表达。空间粒度指景观中最小可辩识单元所代表的特征长度、面积或体积。时间粒度指某一现象或某一干扰事件发生的频率。,2、尺度的表达,幅度是指研究对象在空间或时间上的持续范围或长度。空间幅度：所研究区域的总面积。时间幅度：研究项目持续的时间。,空间粒度和空间幅度,A、C、D、E具有同样的空间粒度。A、B、E具有同样的空间幅度。,在生

11、态学中，尺度的用法往往不同于地理学或地图学中的比例尺（Scale），并且表现为相反的含义。,景观生态学的研究基本对应着中尺度范围，即从几十公里到几百公里，从几年到几百年。,人类尺度,3、景观生态学的尺度研究,尺度转换的重要性,4、尺度转换(尺度推绎）,生态学中大多数研究是在小范围和短时间内完成的，而且缺乏重复性。,然而，大尺度上的现象往往是很重要的。,因此，尺度转换在研究景观的格局和过程时非常重要。,尺度外推 尺度外推（scaling）：利用某一尺度上所获得的信息和知识来推测其它尺度上的特征，或者通过在多尺度上的研究探讨生态学结构和功能跨尺度特征的过程。包括尺度上推（scaling up）和尺

12、度下推（scaling down）。,将小尺度上的信息转换到大尺度上的过程。,将大尺度上的信息转换到小尺度上的过程。,二、景观异质性,异质性：景观内部事物或者其属性在时间或空间分布上的不均匀性或非随机性特征。侧重于三方面：空间异质性：景观结构在空间分布的复杂性时间异质性：景观空间结构在不同时段的差异性，景观动态变化功能异质性：景观结构的功能指标，如物质、能量和物种流等空间分布的差异性。,景观异质性存在的意义,异质性是地球上多种多样景观形成的原因异质性利于生态系统内生物的共生异质性利于景观生态系统中对资源的充分利用异质性可影响景观的功能过程,三、景观多样性,1、定义 景观多样性：指由不同类型的景

13、观要素或生态系统构成的景观在空间结构、功能机制和时间动态方面的多样性或变异性。,2、景观多样性类型斑块多样性：指景观中斑块的数量、大小和斑块形状的多样性和复杂性。类型多样性：景观中类型的丰富度和复杂度。格局多样性：指景观类型空间分布的多样性及各类型之间以及斑块与斑块之间的空间关系和功能联系。,3、景观多样性的意义,是生物多样性的重要组成部分。保障景观功能的正常发挥，保证景观稳定性的前提。保护物种多样性与遗传多样性的基础。,四、干扰,1干扰的定义 干扰（disturbance）：是一个偶然发生的不可预知的事件，是发生在一定地理位置上，对生态系统结构造成直接损伤的、非连续性的物理作用或事件。,2、

14、干扰类型,按干扰产生的来源分：自然干扰和人为干扰依据干扰的功能分：内部干扰和外部干扰依据干扰的形成机制分：物理干扰、化学干扰和生物干扰,3、几种常见的干扰现象,火干扰放牧土壤物理干扰土壤施肥践踏外来物种入侵人类干扰,4、干扰的性质,干扰具有多重性，对生态系统影响表现为多方面 干扰具有较大的相对性 干扰具有明显的尺度性 干扰可以看作是对生态系统演替过程的再调节 干扰经常是不协调的干扰在时空尺度上具有广泛性,（1）干扰与景观异质性 一方面，干扰对景观的影响决定于干扰的性质。一般认为，低强度的干扰可以增加景观的异质性，但在极强干扰下，将会导致更低的景观异质性。另一方面，干扰对景观的影响在较大程度上还

15、与景观的性质有关。对干扰敏感的景观结构，在受到干扰时，受到的影响较大，而对干扰不敏感的景观结构，可能受到的影响较小。,5、干扰的生态学意义,（2）干扰与景观破碎化,A、一些规模较小的干扰可以导致景观破碎化。B、大规模的干扰可能导致景观的均质化，而不是进一步的破碎化；但也可能导致更强的破碎化。,（3）干扰与物种多样性,适度干扰下生态系统具有较高的物种多样性，在较低和较高频率的干扰作用下，生态系统中的物种多样性均趋于下降。,第二章 景观结构,景观生态学的研究内容,景 观 结 构斑块间的空间关系,景 观 功 能空间要素间的相互作用,景 观 动态结构和功能随时间的改变,景观结构：景观组成单元（景观要素

16、）的类型、多样性及其数量关系特征。,各生态系统或亚系统、土地利用类型,景观和景观要素的关系是相对的。景观：强调的是异质镶嵌体。景观要素：强调的是均质同一的单元。,尺度,第一节 斑块,斑块：依赖于尺度的，外观上不同于周围环境（基质）的非线性地表区域，具有一定内部均质性的空间实体。,一、斑块起源,一场大火后的早晨，我们迫不及待地去考察漆黑一片的景观。这是一个可怕的景象！但最令人感兴趣的是景观上零星分布的许多种斑块，两处孤立的火已燃起。附近一处小斑块已化为灰烬，而且大火已向远处蔓延。经对其考察，发现随有火焰跃过但依然保留着植被的几个斑块。我们返回未燃烧的地区时，要穿过小片沼泽。这个斑块由于土壤过湿，

17、具有完全不同的动植物。随后，来到一片开垦地，并眺望一块微风吹拂的谷物斑块。,主要成因机制或起源包括：自然干扰环境异质性人类种植,根据斑块的起源或成因机制将常见的景观斑块类型分为4种：干扰斑块残存斑块环境资源斑块引进斑块,起源：自然干扰和人类干扰。一般由短期局部性干扰形成；也可由长期持续干扰形成，主要是由人类干扰引起的；有时，长期自然干扰也能够形成干扰斑块。特点：基质未受干扰，而斑块受到干扰。具有最高的周转率，持续时间最短，通常是恢复最快的斑块类型。,1 干扰斑块,起源：基质受到大面积自然干扰和人类干扰的影响，在其局部范围内幸存的自然或半自然生态系统或其片断，其成因机制与干扰斑块相同。特点：基质

18、受干扰，而斑块未受到干扰。与干扰斑块在外部形式上似乎有一种反正对应关系。,2 残存斑块,起源：根本原因是景观内环境资源分布的空间异质性。特点由于资源的分布相对持久，所以斑块也相对持久而稳定，抗干扰能力强，而且斑块的周转率相当低，能长期地存在于与基质相异的环境中。,环境资源斑块,（1）种植斑块 起源：人们有意或无意地将植物引入某些地区而形成的局部生态系统。,4 引进斑块,特点：在斑块内，物种动态和斑块周转速率主要取决于人类的管理活动。,起源：人类干扰。特点：聚居地内的生态结构取决于代替自然生态系统的生物类型，包括人、引进的动物、不慎引入的害虫和从异地移入的本地种。聚居地高度人文化，其持续性部分取

19、决于人类管理的程度和恒定性。,（2）聚居地,二 斑块大小（斑块规模）,1 对物质和能量的影响 一般，斑块内的能量或养分总量与斑块的面积成正比。然而，斑块内的能量和养分含量不仅与斑块的大小有关，还与斑块内部和边缘带的比例（内缘比）有关。受斑块大小影响的内部区域和边缘带,一般地说，物种多样性随斑块面积的增加而增加。,2 对物种多样性的影响,景观中斑块面积的大小、形状以及数目对生物多样性和各种生态学过程都会有影响。,3 对生境适宜性的影响,作为生物栖息地的斑块，斑块大小对不同物种的意义差别很大。,三 斑块形状,不同形状斑块周长、面积和边缘值,内缘比,斑块形状的意义：,对生物多样性影响较大对生物的扩散

20、和觅食有重要影响园林美学的意义,第二节 廊道,又称走廊，指景观中与相邻两边环境不同的线性或带状结构。,一 廊道的起源,环境资源廊道：由环境资源在空间上的异质性线性分布形成。如河流廊道。干扰廊道：由带状干扰所致。残存廊道：是周围基质受到干扰后的结果。种植廊道：由于人类种植形成。,二 廊道的作用,双重作用:将景观分离、将景观连接 1.传输通道功能 2.过滤和屏障功能 3.生境功能 4.资源或产品功能 5.美学观赏功能,三 廊道的结构特征,曲度：常用廊道中两点间的实际距离与他们之间的直线距离之比来表示。宽度：宽度变化对物种沿廊道或穿越廊道的迁移具有重要意义。连接度（连通性）：可以用单位长度廊道中的断

21、点数来表示。廊道的一个重要特点,三 廊道的类型,线状廊道 带状廊道河流廊道,线状廊道：是一条很窄的，主要由边缘物种组成的狭长条带。,线状廊道与带状廊道的对比,指景观中与相邻两边环境不同的带状结构。包含一个内部环境；除有边缘种外，内环境中还含有较丰富的内部种。,带状廊道,如：高速公路、宽林带、宽动力线等。,含义：指沿河流分布而不同于周围基质的植被带，包括河床边缘、河漫滩、堤坝和部分高地。,河流廊道,河流廊道,河流廊道的结构与功能,功能：它控制着河水及周围陆地进入河流的物质流动。它影响河流本身的运输。侵蚀、养分流、地表径流、洪水、沉积作用、水的质量都与廊道的宽度有关。它为物种的迁移和栖息提供了条件

22、。为人类运输航道、物质资源、保护作用。,第三节 基 质,景观中分布最广、连续性最大的景观要素类型。如：森林基质、草原基质、农田基质,对景观动态具有控制作用,范围广、连接度最高，并且在景观功能上起着优势作用的景观要素类型。景观中的背景地域。,相对面积空间上的连接度动态控制作用,基质的判定,三个景观基质的例子：例一：大兴安岭满归林业局原始林景观要素类型,例二：极端的均匀广阔类型（科左后旗）（表）；科左后旗土地利用现状表（1995）,例三：整个景观均是由彼此不同的小斑块 组成，看起来象由碎片构成的一幅镶嵌画（双台子河口自然保 护区）（表）。,通常基质的面积超过现存的任何其它景观要素类型的总面积。如果

23、某种景观要素占景观面积的50%以上，那么它很可能就是基质。,相对面积,基质是景观中连接最好的景观要素，并包围其它景观要素。但基质通常并不完全连接在一起，而是被分成几块地段。,空间上的连接度,如果某一空间在延续途中未被其它边界所穿插、隔离，就认为该空间是完全相连的。,面积最大、连接度最好的景观要素类型往往也控制景观中的流。基质中的优势种也是景观中的主要种。基质主要是通过产生未来景观来控制景观动态。,对景观总体动态的控制程度功能指标,基质的结构特征：,孔隙率：单位面积基质中的斑块数目，即斑块密度。边界形状：基质与其他景观结构成分之间边界的形态。连通性：,第四节 网 络,1 网络的概念,景观要素之间

24、的空间联系有两种方式：网络结构：廊道网络，斑块网络。,生态交错带,由廊道相互连接形成,由同质和（或）异质性景观斑块通过廊道的空间联系形成,廊道网络,概念 廊道网络由结点（node）和连接廊道构成。,分枝网络：树状的等级结构 环形网络：封闭环路结构,两种形式：,网络结构特征,结点网络格局网眼大小,农田防护林网,农田防护林网的结构和功能农田防护林网结构的测度,城市绿地网络系统,城市绿地网络系统的结构：由公园绿地、生产绿地、防护绿地、附属绿地和其他绿地五大类构成。城市绿地网络系统的属性,2 生态交错带,概念：不同景观斑块空间邻接会产生与斑块特征不同的边缘带。,（1）生态交错带具有边缘效应（2）生态交

25、错带阻碍物种分布（3）生态交错带的敏感性（4）生态交错带的生态风险,生态交错带的特征,生态交错带的结构,生态交错带的等级结构特征生态交错带的空间格局生态交错带空间结构分析指标,生态交错带的功能,（1）通道或廊道：景观中的许多流(物流、能流、信息流、物种流等)是沿生态交错带流动的，此时交错带相当于廊道。（2）过滤或屏障：穿越生态交错带的流在质、量和速度上大都会受到不同程度的影响，此时的交错带相当于个半透膜；（3）生境：生态交错带有其持有的物种和环境特征，因此也成为一种栖息地类型。,重要的生态交错带,河岸带农牧交错带城乡交错带森林边际带,边缘效应,边缘效应:斑块边缘部分由于受外围影响而表现出与斑块

26、中心部分不同的生态学特征的现象。,边缘效应的影响因素,边缘带宽度边缘带面积内缘比正效应和负效应,第五节 景观功能,景观要素内部及其之间的能量和物质流动，以及景观要素的相互作用是景观过程的基本功能。景观的一般功能包括景观的生产功能、生态功能、美学功能和文化功能。,景观的生产功能：指景观能够为人类社会和生态系统提供物质产品和生物生产的功能。景观的美学功能：是一个范围广泛、内涵丰富、比较难于确定的问题。,景观的文化功能,自然景观的文化功能1）自然景观是艺术创作的来源之一。2）自然景观陶冶人的情操。3）自然景观是人类学习的源泉。,人文景观的文化功能1）提供历史见证，是研究历史的好材料。2）提高景观作为

27、旅游资源的价值。3）丰富世界景观的多样性。,景观的生态功能,指对人类生存和生活质量有贡献的生态系统服务。服务指不能在市场上买卖，但具有重要价值的生态系统的性能，如净化环境、保持水土、减轻灾害等。,Castanza根据已出版的研究报告和少数原始数据进行最低估计，获得全球生态系统提供的服务总价值为：每年平均33万亿（1654万亿）美元，与之相比，全球GNP的年总量为18万亿美元，即全球生态系统服务总价值大约为全球GNP的1.8倍。,BioScience1997年的一篇报道认为生物多样性的恢复与保育对每个国家都很重要，它提供经济和环境效益。估计美国每年从生物多样性，如有机废物处理、土壤形成和生物固氮

28、等方面可以获得3000亿美元。我国国家环保局估计我国生物多样性的直接使用价值每年达2000亿美元，间接使用价值达4万亿每年。,八种生态系统服务的价值比较，单位面积价值最高的是湿地（14785美元），其次是湖泊河流（8494美元），近海水域（4052美元），热带森林（2007美元），其他森林（302美元），海洋（252美元），草地（232美元），而农田最低（92美元）。,从生态系统类型看，全球总价值中大约63来自海洋；有37来自陆地生态系统，主要来自湿地、热带森林，然后是湖泊河流，其他森林和草地，而农田比较少。,树木与草坪生态效益及投资比例,植树和种草坪的投资比例为，而产生的生态效益比高达,第三

29、章 景观动态变化,一 景观稳定性的概念,1 景观参数的变化曲线若不考虑时间尺度，景观参数随时间变化曲线的特点可以由3个独立参数来描述：变化的总趋势（上升、下降和水平趋势）；围绕总趋势的相对波动幅度（大范围和小范围）；波动的韵律（规则和不规则）。,第一节 景观稳定性,景观变化的12条变化曲线,（a）美国田纳西洲阿巴拉契亚硬木林在1000年内预测的生物量变化（b）英国剑桥附近罗金厄姆林地面积400年来的变化（c）夏威夷冒纳罗亚山上空22年间大气中CO2含量的变化,2.对景观稳定性的理解,从景观变化的趋势认识：持久性：表示系统或某些成分的生存时间。恒定性或变异性：表示系统某些特征的波动频率和幅度。从

30、景观对干扰的反应来认识：恢复性或弹性：表示系统发生变化后恢复到原来状态的能力。（恢复性可用系统回到原状态所需的时间来度量。）抗性阻力：表示系统抵抗外界变化的能力。,二 影响景观稳定性的基本因素,气候变化地貌形态岩石和土壤流水和水文变化植被变化干扰,三 景观稳定性的生态机制,景观生态系统普遍存在的异质性景观生态系统的开放性景观生态系统的生物进化过程,第二节 景观变化的驱动因子,一、自然驱动因子 指在景观发育过程中，对景观形成起作用的自然因素。较大的时空尺度上作用于景观，它可以引起大面积的景观发生变化。,1 地貌的形成气候的影响3 生命的定居4 土壤的发育5 自然干扰,二、人为驱动因子,包括人口、

31、技术、政治经济体制、政策和文化等因子，对景观的影响十分重要。,第三节 景观变化中人的作用,一、人类对自然景观的干扰作用1、干扰方式主要有：旅游、狩猎、采集、污染等2、人类干扰对景观的破坏 裸地，采伐迹地，弃耕地，沙漠化土地，采矿废弃地，垃圾堆放场，水域污染,二、人类对管理景观的改造作用,改造作用的方式：开垦与农业种植农田防护林建设森林采伐与更新人工造林围栏草场,三、人类对人工景观的构建作用,水利工程建设围湖造田与梯田建设河堤建设城市建设,第四节 景观变化的生态环境影响,一、景观变化对气候的影响,通过以下三方面来实现：土地表面性质的变化地表反射率的变化温室气体和痕量气体的变化,二、景观变化对土壤

32、的影响,对土壤有关生态过程的影响 能量交换 水交换 侵蚀和堆积 生物循环和农作物生产 对土壤养分流动的影响,不同土地利用结构对土壤水分和养分的影响（傅伯杰等，1998）a，b，c表示了黄土坡地上三种15年以上不同土地利用结构。a：林地-耕地-草地；b：林地-草地-耕地；c：草地-林地-耕地。,三、景观变化对水环境的影响,对水量的影响 水资源短缺森林变化的影响 草地变化的影响耕地的影响（包括灌溉和农业集水区）聚居地和其它非农用影响 对水质的影响 非点源污染,四、景观变化带来的生态环境问题,大气质量下降 景观变化可以改变大气中气体的组成和含量，从而影响大气的质量。土壤侵蚀和土地沙化 水资源短缺 河

33、水断流：黄河断流 海水入侵：我国的大渤海地区由于水资源紧缺，地下水超采，地面下沉，造成沿海地区的海水入侵。湿地减少,第五节 景观变化的动态模拟,一、景观变化动态二、景观变化模拟的步骤三、景观变化动态模型四、景观动态模拟的发展趋势,一、景观变化动态,1、概念 景观变化动态：是指景观变化的过去、现在和未来趋势。,2、类型,根据关注景观变化的侧重点不同，景观变化动态可分为两种：景观空间变化动态，景观过程变化动态。,3、景观变化的动态模拟需要考虑的问题,景观的初始状态 景观变化的方向：趋势 景观的变化率：过程 景观变化的可预测性：结果 景观变化的可能性和程度：机制,（一）、数据库的建立（二）、模拟模型

34、的建立（三）、模拟结果的分析（四）、模拟结果的验证,二、景观变化模拟的步骤,1、遥感图像：航空像片、卫星图像 航空像片是景观变化中使用很广的数据来源，根据它，可以直接得到土地利用类型和景观变化率。一般为15m分辨率。卫星影像数据有 AVHRR数据（1.1km分辨率）、MSS数据（70m分辨率）、TM数据（30m分辨率，ETM15m分辨率）、SPOT数据（515m分辨率）、QUICKBIRD（IKNOS）（2m分辨率）等。,（一）、数据库的建立,深圳地区城市化过程示意图,2003年卫星影像图（下）,1988年卫星影像图（上）,遥感数据选择需要考虑的几个数据属性 1）类型：遥感平台类型、数据表达类

35、型 2）范围：地表覆盖范围、目标客体涵盖范围 3）分辨率水平：目标细节的表现水平 4）时段：数据获取的时间、不同时段的分布情况,2、空间数据 包括植被图、土地利用图、土壤图、地形图等，以及由此生成的一些图，如坡度图、坡向图、NDVI（归一化植被指数）图。一般以矢量或栅格形式储存。,3、文献数据和统计资料 文献数据主要是与所要模拟的景观过程有关的变量数据和参数值；统计资料包括工农业统计数据、年鉴、森林资源清查数据等。,4、气象数据 主要有温度、降水量和太阳辐射等。,（二）、模拟模型的建立,1、统计相关模型（1）统计相关建模目的 变量间相关性研究 形成科学的成因假设 预测 数据简化或结构简化,（2

36、）模型分类根据统计相关模型的应用目的，将模型分为三类：1）相关分析：相关分析模型研究变量间的相互关系并进行信度检验。2）回归分析：使用统计回归方法，建立解释变量与因变量之间的关系表达式。3）因子分析：是使用数学方法建立起来的关于变量之间组合关系的方法。,（3）建模步骤,数据整理 数据预处理 模型计算 模型检验 模型解释和应用,2、生理生态学过程模型,包含一些生理生态学机理，机理意义更明确，普适性更强，但实际应用上更多地还是采用半理论半经验模型，因而这一领域的模型仍处于迅速发展的阶段。,3、遥感模型,遥感模型由地形模型、物理模型和数学模型构成，是用遥感信息和地理信息影像化的方法建立的一种模型，它

37、是形象模型与抽象模型结合的一类可视化模型。,（三）、模拟结果的分析,运用GIS手段进行空间数据的处理、分析和显示。,（四）、模拟结果的验证,模型的模拟结果必须得到一定程度的验证，才能确定其精度和可行性。,三、景观变化动态模型,1、景观整体变化模型 将景观作为一个整体，模拟景观整体某一值或某一属性的变化情况。用微分方程表示：dx/dt=f(x)；用差分方程表示：xt+1=f(xt)。x是景观整体的变化量，f(x)是变量x的函数，t是时间。,2、景观分布变化模型,景观分布变化模型着眼于景观一系列变量值的分布，对景观各变量占景观的比例变化进行模拟；不提供景观中各要素的实际位置和构型，所包含的信息不十

38、分全面，但它比景观空间模型简单，易于使用和发展。,3、景观空间模型,是景观变化中最重要的模拟，不仅可以模拟景观要素变化的数量，而且可以模拟景观要素空间位置的变化。,四、景观动态模拟的发展趋势,1、从景观空间变化到景观过程变化2、从单纯景观现状模拟到通过驱动因子模拟景观变化3、从单一尺度到多尺度的景观变化4、从宏观变化到个体反应机制的模拟 5、与地理信息系统结合6、与社会经济模型结合7、模型的可视化,第四章 景观格局分析方法,第一节 概念第二节 景观格局分析的基本步骤第三节 景观指数第四节 空间统计学方法第五节 景观格局分析中的误差问题,一、景观格局(景观空间格局)的概念 景观要素在景观空间内的

39、配置和组合形式。,第一节 概念,二、景观格局的基本类型,1）规则或均匀分布格局2）聚集（团聚）型分布格局3）线状格局4）平行格局5）特定的组合或空间联结格局,1）规则或均匀分布格局：指某一特定类型景观要素间的距离相对一致的一种景观。,美国华盛顿洲贝克山山坡针叶林中砍伐斑块的规则分布格局,2）聚集（团聚）型分布格局,同一类型的景观要素斑块相对聚集在一起，同类景观要素相对集中，在景观中形成若干较大面积的分布区，再散布在整个景观中。如：在丘陵农业景观中，农田多聚集在村庄附近或道路的一端。,3）线状格局,指同一类景观要素的斑块呈线性分布。如：沿公路零散分布的房屋，干旱地区（或山地）沿河分布的耕地。,4

40、）平行格局,指同一类型的景观要素斑块呈平行分布。如：侵蚀活跃地区的平行河流廊道，以及山地景观中沿山脊分布的林地。,5）特定的组合或空间联结格局,指不同的景观要素类型由于某种原因经常相联结分布。空间联结可以是正相关，也可以是负相关。如：稻田总是与河流或渠道并存是正相关空间联结的实例；平原的稻田区很少有大片林地出现是负相关的实例。,三、景观格局分析概念 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,确定产生和控制空间格局的因子及其作用机制；比较不同景观镶嵌体的特征和它们的变化；探讨空间格局的尺度性质；确定景观格局和功能过程的相

41、互关系；为景观的合理管理提供有价值的资料。,第二节 景观格局分析的基本步骤,二 景观格局分析的基本步骤,以研究目的和方案为指导，收集和处理景观数据 将真实的景观系统转换为数字化的景观，选用适当的格局研究方法进行分析,最后对分析结果加以解释和综合,栅格化数据矢量化数据,收集景观数据,野外考察、测量（获得植被、森林、土壤等相关资料）遥感数据：航空遥感 卫星遥感,景观格局分析图示,在进行景观格局分析时，实际景观首先要经过取样、数字化过程转化为栅格型或矢量型数字地图,第三节 景观指数,一、景观指数,能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置某些方面特征的简单定量指标。,二、景观要素斑块特征分析

42、,1 景观要素斑块规模,A:斑块面积B:内部生境面积,2 景观要素斑块形状 A:景观要素斑块形状指数 B:景观要素斑块分维数,A:斑块面积,类斑块平均面积：景观中某类景观要素斑块面积的算术平均值。,式中：Ni第i类景观要素的斑块总数；Aij第i类景观要素第i个斑块的面积。,最大和最小斑块面积：指景观中某类景观要素最大和最小斑块的面积。,类斑面积标准差(Si)和变动系数(Ci)：是指景观中某类景观要素斑块面积的统计标准差和变动系数。,B:内部生境面积,类斑块内部生境总面积：该类生境全部斑块内部面积之和。,式中 AIi第i类生境的内部生境总面积；Aij第i类生境的斑块平均内部生境面积；EAij第i

43、类景观要素第j斑块的边际带面积；,平均内部生境面积：该类生境全部斑块内部面积算术平均值。,A:景观要素斑块形状指数,斑块形状指数D：通过计算某一斑块形状与相同面积的圆或正方形之间的偏离程度来测量其形状的复杂程度。以圆为参照：,以正方形为参照：P为斑块周长；A为斑块面积。斑块的形状越复杂或越扁长，D的值就越大。,B:景观要素斑块分维数,分形维数（fractal dimension）分形：不规则的非欧几里德几何形状可通称为分形。组成部分以某种方式与整体相似的形体称分形。分形维数或分维数：不规则几何形状的非整数维数。,对于单个斑块：P是斑块的周长，A是斑块的面积，D是分维数，k是常数。对于栅格景观而

44、言，k=4。一般地说，欧几里德几何形状的分维为1，具有复杂边界斑块的分维则大于1，但小于2。,三 景观异质性指数,1）景观斑块密度和边缘密度A:景观斑块密度B:景观边缘密度2）景观多样性A:多样性指数与均匀度B:景观要素优势度,A:景观斑块密度,式中:PD景观斑块密度 PDi景观要素的斑块密度 M研究范围内某空间分辨率上景观要素类型总数 A研究范围景观总面积。,B:景观边缘密度（边界密度）,Pij景观中第i类景观要素斑块与相邻第j类景观要素斑块间的边界长度。,A:多样性指数与均匀度,景观多样性指数Shannon多样性指数：,Pk为斑块类型k在景观中出现的概率；m为景观中斑块类型总数。Simps

45、on多样性指数：,景观均匀度指数 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。,B:景观要素优势度,描述景观由少数几类斑块控制的程度。通常，较大的D（RD）对应于一个或少数几个斑块类型占主导地位的景观。优势度指数D：D=Hmax H相对优势度RD：RD=1-E=1（H/Hmax）,景观指数应用举例,通过计算一些景观指数，可以比较两个景观的结构特征（图）两个具有不同空间格局的景观及其相应的一些景观指数,景观指数可以用来定量地描述和监测景观结构特征随时间的变化（图）美国本土的原始森林由于人类活动从1620

46、年1990年间锐减的情形美国亚利桑那洲凤凰城地区从1912年到1995年城市扩张的情形,景观格局变化的定量描述 以10个景观指数举例说明美国凤凰城地区从1912年至1995年土地利用变化的情形,第四节 空间统计学方法,景观格局的最大特征就是空间自相关性被称为是地理学第一定律，指在空间上越靠近的事物或现象就越相似，即景观特征或变量在邻近范围内的变化往往表现出对空间位置的依赖关系。,空间自相关分析,空间自相关分析：检验某一空间变量的取值是否与相邻空间上该变量的取值大小相关，以及相关程度如何。空间自相关系数：度量物理或生态学变量在空间上的分布特征及其对其邻域的影响程度。若某一空间变量的值随着测定距离

47、的缩小而变得更相似，则这一变量呈空间正相关；若所测值随距离的缩小而更为不同，则这一变量呈空间负相关；若表现出任何空间依赖关系，则这所测值变量表现出空间不相关性或空间随机性。,空间自相关分析的步骤,对所检验的空间单元进行取样计算空间自相关系数（Moran的I系数和Geary的c系数）进行显著性检验,景观格局分析中误差的来源,原始数据收集过程引入的误差：技术方法本身和与观察者有关的种种原因造成。数据处理和分类过程引入的误差：空间分析过程本身所引入的误差：各种景观指数和空间统计学方法的局限性和非确定性；采用这些方法的人的实际操作水平和对结果的解译能力。,第五节 景观格局分析中的误差问题,景观空间分析

48、中的误差,这些不同阶段所产生的误差还可能相互作用，不断放大，即所谓的误差繁衍（error propagation）现象。多层空间数据分析的精确度,第五章 土地景观动态过程及模型,第一节土地景观变化的空间模式,一、人类活动对土地景观变化的影响 在人类历史时期，土地景观变化已在不同的时间和空间发生。刀耕火种时期，人类对土地利用与景观的影响较小。农业文明时期，开始吧林地、草地转化为农田，引进农业技术、过程，自然的景观转化为农业景观，以及出现了一些田园化景观和可持续农业景观。工业化与人口的扩张，导致大量的自然与人文景观退化，从而不可避免地出现了全球性的生态环境问题。人为活动是影响景观变化的主要因素。人

49、类活动对土地景观的影响是多时间尺度的。,二、景观变化的空间过程,.景观破碎化定义：指由于自然或人为干扰所致的景观有简单趋于复杂的过程，即由单一、均质和连续的整体趋于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体的过程。主要表现：斑块数量增加而面积减少，斑块形状趋于不规则，内部生境面积缩小，廊道被截断以及斑块彼此隔离。,.景观变化的空间过程,在自然景观和人类无计划活动作用下所产生的景观变化包括五种空间过程：穿孔、分割、破碎、缩小和消失,三、景观变化的空间模式,提出景观变化的种空间模式，即边缘式、廊道式、但核心式、多核心式、散布式、随机式。,边缘式是指新的景观类型从一个边缘向另一个单向地呈平行带状蔓延，景观变化从

50、一个边缘开始。廊道式是指新的廊道在开始时把原来的景观一分为二，从廊道的两边向外扩张。单核心式是指从景观的一点或一个核心处蔓延。多核心式是指从景观中的几个点蔓延，如居民点或外来物种的入侵。散布式是指新的斑块广泛散布。,四、土地利用覆盖变化,.土地利用覆被变化研究框架土地利用和土地覆盖变化是影响景观结构、功能及动态变化的最普遍的主导因素之一，涉及对人类活动影响的量化评价。土地利用与覆盖变化已成为景观生态学和全球生态学中极重要和具有挑战性的研究领域之一。,.生态效应研究,主要主题包括：区域全球粮食保障；全球气候变化对区域土地水资源利用的影响；气候的可变化性及区域脆弱性；后京都协议中的碳问题；区域生物