05土地／景观动态过程及模型

第五章土地景观动态过程及模拟【教学目的】 通过本章的学习，掌握土地/景观变化的空间模式，土地利用覆盖变化的生态效应分析，了解土地景观变化模型及其利用。【重点难点】教学重点是土地/景观变化的空间模式，土地利用覆盖变化的生态效应分析景观动态是景观遭受干扰时发生的现象，是一个复杂的多尺度过程，对绝大多数生物体具有极为重要的意义。景观动态分析是景观结构和功能随时间的变化过程，实质上包括了不同组分之间复杂的相互转化，是目前景观生态学研究中的一个新热点。景观动态研究涉及复杂的自然和人为影响因素，并因此产生更加复杂的景观格局和功能变化过程。对景观动态的研究可以了解景观变化的驱动因素和机理，建立土地景观辩护模型，预测未来景观变化方向和趋势，并通过对变化方向和速度的调控实现景观的定向演变和可持续发展。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。而了解人类干扰对景观动态变化的影响，成为合理规划和利用土地的基础。人类活动对土地景观变化影响包括土地利用、大型工程建设、城市化规模扩展、诱发自然灾害等方面。人类活动对土地景观的影响是多时间尺度的。大时间尺度上表现为不同历史时期对土地覆被的改造。工业革命后的百余年，人类活动在较短的时间尺度上对生态环境造成巨大的影响。二、景观变化的空间过程 .景观破碎化人类活动造成景观变化结果就是景观破碎化，而景观破碎化导致生物的生境破碎化，是生物多样性丧失的主要原因之一。景观破碎化是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。景观破碎化主要表现为：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。景观破碎化会对物种带来一系列影响，如引起外来物种的入侵、改变生态系统结构、影响物质循环、影响种群的大小和灭绝速率、种群遗传和变异、种群存活力等；改变生态系统中的一些列重要关系，捕食关系等，还会影响景观的稳定性，即景观的干扰阻抗和恢复能力。. 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（表7-1）。穿孔是景观开始变化的最普遍方式，如一大片林地由于伐木而产生的空地，成为穿孔。分割是另一种景观转化的方式，他是用宽度相等的带来划分一个区域，如我国是三倍地区的防护林网络。破碎化是将一个生境或土地类型分成小块生境或小块地。缩小在景观转化中较普遍，他意味着研究对象（如斑块）规模的减小，如林地的一部分被用于耕种或建房屋，那么残余的林地就会减小。不同的空间过程对生物多样性、侵蚀和水化学等生态特征具有重要影响。穿孔、分割和破碎化等过程可以整个区域，也可以影响区域中的一个斑块。而缩小与消失主要是影响单个斑块或廊道。在土地转化过程中，这五种过程的重要性不同，开始时，是穿孔和分割过程重要，而破碎化和缩小在景观变化的中间过程更显重要。三、景观变化的空间模式 不同原因所产生的景观空间格局变化是不同的。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（图7-）。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。提出，的理论框架体系：压力：驱动因子，包括人类的社会经济环境，对土地资源的需求、土地利用方式和土地利用变化机制等；状态：土地利用和土地覆盖部分，包括土地利用和土地覆盖类型变化、土地条件的变化、土地综合质量的变化、土地覆盖变化的资源与生态环境效应以及土地覆盖的相互作用机制及效应。响应：人类为维持土地生态系统稳定而采取的相应措施，包括被动响应和主动响应以及对人类的响应措施进行评估。.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；区域生物多样性的丧失；社会和环境中的脆弱区。第二节 土地景观变化模型用模型的方法研究景观生态系统已成为现代景观生态学研究的热点问题之一。遥感、计算机技术以及生态学理论的不断成熟和应用生态学的发展，使得计算机模拟真实生态系统的愿望成为现实。景观动态模型与其他生态模型的主要区别是在模型中增加了地理现象的空间分异规律并涉及广大的空间尺度，表现的建模思想上：在空间动态分析模型的基础上把生态学的建模方法引进来；在生态学中引入空间坐标变量。1、 模型的含义.模型的定义：是某种对现实系统或现象的抽象或简化； 具体地说，模型是对真实系统或现象最重要的组成单元及其相互关系的表述。.模型的重要作用, 预测, 增强理解, 诊断现有知识中的重要环节或薄弱环节, 简化和综合的工具 转化“信息”为“知识” , 支持管理和决策二、模型的种类, 根据计算机在建模中的作用 解析模型与模拟模型, 根据时间上和空间上的连续性 连续型模型和离散型模型, 根据数学方法 微分方程、差分方程和矩阵模型, 根据是否含有随机变量或参数 随机型模型和确定型模型, 根据模型所涉及的生态学过程和机制的多少 现象学模型和机制或过程模型, 根据模型的内容 干扰传播模型、复合种群模型、植被动态模型、土地利用变化模型以及生物地球化学循环模型等, 根据模型所涉及的生态学组织层次 生理生态模型、种群模型、群落模型、生态系统模型，景观模型以及全球模型等, 根据模型包含空间异质性的程度或处理空间信息的方式 点模型或非空间模型，半空间模型或准空间模型，以及空间显式模型或空间模型三、生态学建模的一般原理和过程 生态学建模的一般原理 生态学模型是科学和艺术的结合 “艺术”成分是指整个建模过程包含许多人为或主观因素，决定了同样的一个真实系统可以用不同的风格或不同类型的模型来描述。 “科学”成分指反映系统或现象的客观现实。但模型的目的不是“复制”现实，而是为理解和预测复杂的现实系统提供一个有效的代替。Levins（1966）提出了关于生态学建模的“三分”观点： 普遍性：指其能够代表的系统或现象的总数准确性：指模型输出结果与真实系统观察值的吻合程度真实性：指模型的结构（包括变量、参数、定量关系以及假设）与真实系统的相似程度。生态学建模的一般过程 数据库的建立 遥感图像：航空像片、卫星图像 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。一般以矢量或栅格形式储存。 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。 气象数据：主要有温度、降水量和太阳辐射等。4、 景观模型的主要类型及特征景观模型的重要性和必要性 受时间、空间以及设备和资金的限制，在景观水平上进行实验和观测研究往往困难重重。 在实际景观研究中，很难找到两个在时间和空间上相同或相似的景观，重复性研究往往不可能。 景观格局和过程在多重尺度上相互作用、不断变化。 景观模型可以综合不同时间和空间尺度上、不同学科、不同格局与过程的信息，成为环境保护和资源管理的有效工具。.景观模型的主要类型 非空间景观模型：完全不考虑所研究地区的空间异质性结构或假定空间均质性或随机性。 准空间景观模型：通常考虑空间异质性的统计学特征。 空间显式景观模型：明确考虑所研究对象和过程的空间位置和它们在空间上的相互作用关系。.景观空间模型的类型及其特征 景观空间模型可以根据其处理空间信息的方式分为两大类： （1）栅格型景观模型 （grid-based landscape model） （2）矢量型景观模型 （vector-based landscape model）.建立景观空间模型必须确定F 格式（栅格或矢量）F 栅格的大小或分辨率F 模型变量F 变化的算法第三节 土地利用覆盖变化的生态效应分析土地利用和土地覆盖变化所引起的环境变化及后果，即生态环境效应，已成为研究的主要研究内容。 一、数据与方法 土地利用覆盖变化所导致的土地退化过程评价框架包括五部分：辨识中国土地退化过程、构建土地退化过程评价指标体系，建立土地退化指数，中国土地退化发展趋势分析和中国土地退化的防治对策。.数据利用遥感数据获得的土地利用土地覆盖变化的信息，可以监测到土地退化的发生或发展情况。世纪年代中后期，以县为单位的，遥感资料和大比例尺地形图。.土地资源退化过程辨析土地退化的质变过程是生产力或生态服务功能高的土地资源类型向难以利用或生产力极低的沙地、裸土地、盐碱地和非农用地等类型的转化过程，另外还包括陆地“三大”生命支持系统森琳、天然草地和湿地资源的丧失过程。 土地退化评价指标层次结构体系层次分析法.土地资源退化指数模型和指数被广泛应用于土地利用和土地覆被变化的程度、速度、趋势的研究分析中。单一土地利用类型的退化指数：式中i为土地利用类型；Ci为研究时段内土地利用类型i退化面积；Si为土地利用类型i研究时段初期的面积。每种土地资源退化过程指数Bi，Bi反映某一土地退化过程，如沙漠化的状况，计算公式为：i土地利用类型数目，Pi为单一土地利用类型的退化指数。土地资源总体退化指数：j土地退化类型数目,Kj土地资源总体退化中土地变更转化过程存在重复部分。. 土地资源退化空间分析 利用ARCGIS软件