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东江流域景观格局沿河流变化规律初探 东江流域景观格局沿河流变化规律初探 专业：植物学 硕士生：任文韬 导师：彭少麟教授 摘要 河流连续体理论认为河流中的非生物环境和生物多样性从源头到河口有梯 度变化的现象，本文假设河流两岸的景观从源头到河口也有一定的变化规律，并 以东流流域的河流为例，分析了河流沿岸景观格局从源头到河口的变化情况。东 江干流方面，利用东江流域d e m 数据提取代表东江流域上游、中游和下游的3 个集水区，基于1 9 9 1 、1 9 9 8 、2 0 0 6 年t m 影像，主要分析了东江流域不同位置 集水区城市化程度与进程的差异以及这种差异对集水区景观格局造成的影响；支 流方面，利用d e m 提取水系并对对东江支流秋香江和西枝江做2 k m 缓冲带， 用f r a g s t a t s 的移动窗分析技术分析了1 9 9 1 年和2 0 0 6 年两条河流缓冲带内景 观格局沿河流的连续变化趋势。主要研究结果如下： 1 东江干流3 个集水区从上游到下游的城市化程度和进程依次增加。城市 化对水体和植被的影响较大，城镇用地面积与水体面积呈显著正相关，城镇用地 面积总体上与森林面积呈显著负相关，但当城市化发展到相对较高水平时( 对应 本文c 集水区1 9 9 8 2 0 0 6 年间) 可能促进森林恢复。1 9 9 1 2 0 0 6 年间，上游的a 集水区、中游的b 集水区的景观格局均呈复杂化趋势；1 9 9 1 1 9 9 8 年间，下游的 c 集水区景观格局呈复杂化，而1 9 9 8 2 0 0 6 年间，则趋于简单，表明随着城市化 的进行，景观格局呈简单复杂简单的变化趋势。了解东江流域上、中、下游城 市化程度和进程的差异及这种差异对景观格局造成的影响，对于整个流域的协调 管理与可持续发展有一定的指导意义。 2 东江两条支流秋香将和西枝江的缓冲带研究表明西枝江景观破碎 中文摘要 度、景观形状和景观多样性沿河流从上到下均表现出先上升而后下降的趋势，相 对1 9 9 1 年时，西枝江缓冲区2 0 0 6 年的变化趋势更加明显。1 9 9 1 秋香江景观格 局沿河流没有明显的变化趋势，但到2 0 0 6 年时景观破碎度和景观多样性也开始 呈现先上升再下降的趋势。总的来说以斑块密度、分维数指数和香农多样性指数 体现的景观格局沿河流从上到下存在着“倒u 形 的变化趋势，且随着时间的 推移，这种趋势会越来越明显，人为干扰及缓冲带地形从源头到河口的差异的强 弱可能是造成这种变化趋势的主要因素。这种“倒u 形变化趋势的发现对于 了解自然规律有很大的意义。 关键词：景观格局，变化规律，东江流域，集水区，河岸带 东江流域景观格局沿河流变化规律初探 p r i m a r yr e s e a r c ho nv a r i a t i o nr u l ea b o u tl a n d s c a p ep a t t e r n a l o n gt h er i v e r i nd o n g j i a n gw a t e r s h e d m a jo r ：b o t a n y n a m e ：髓nw r e n t a o s u p e r v i s o r ：p r o f p e n gs h a o l i n a b s t r a c t i h er i v e rc o n t i n u u mc o n c e p tb e l i e v e dt h a tt h ea b i o t i ce n v i r o n m e n ta n dt h e b i o d i v e r s i t yi nt h er i v e rp r e s e n t e dac o n t i n u o u sg r a d i e n t 舶mh e a d w a t e r st om o u t h , s o t h i sp a p e ra s s u m e dt h a tt h el a n d s c a p ep a t t e r na l s op r e s e n t e dc e r t a i nv a r i a t i o nr u l e a l o n gt h ef i v e ra n ds t u d i e dt h ev a r i a t i o nr u l ea l o n gt h em a i nc h a n n e lo fd o n g j i a n g r i v e ra n di t sb r a n c hr i v e r b a s e do nt mi m a g e si n19 9 1 ，19 9 8a n d2 0 0 6 ，w ea n a l y z e d t h ea r e ao fd i f f e r e n tl a n d 哪t y p e sa n dl a n d s c a p ei n d i c e so ft h r e ec a t c h m e n t s ( c a t c h m e n t 毛ba n dcr e p r e s e n t i n gu p p e rr e a c h e s ，m i d d l er e a c h e sl o w e rr e a c h e s r e s p e c t i v e l y ) t os t u d yt h eu r b a n i z a t i o na l o n gd o n g j i a n gr i v e ra n di t si m p a c t so n l a n d s c a p ep a t t e r n q i u x i a n g j i a n gr i v e ra n dx i z h i j i a n gr i v e rw a sc h o s e na st h e b r a n c hr i v e ro fd o n g j i a n gr i v e r w ec r e a t e dab u f f e rz o n ea l o n gt h e s et w or i v e r sw i t h ab u f f e rw i d t ho f2 k ma n da n a l y z e dt h el a n d s c 印ec h a n g i n gp a t t e r na l o n gt h e s et w o r i v e r si n19 9 1a n d2 0 0 6b ym o v i n gw i n d o wm e t h o do ff r a g s t a t s t l l em a i n r e s u l t so f t h i ss t u d ya r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h el e v e lo fu r b a n i z a t i o nw a sh i g h e ra n dc i v i l i z a t i o ns p e e dw a sf a s t e ri nl o w e r r e a c h e st h a nt h o s ei nu p p e rr e a c h e so fd o n g j i a n gr i v e rw a t e r s h e d u r b a nl a n da r e a w a sp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t hw a t e rb o d ya r e a , w h i l ei tw a sn e g a t i v e l yc o r r e l a t e d w i t hf o r e s tl a n da r e a h o w e v e r , u r b a n i z a t i o n , t os o n 圮e x t e n t ，m i g h tb e n e f i tf o r e s t w h e ni ts t e p p e di n t oar e l a t i v e l yh i g hl e v e l l a n d s c a p ep a t t e r no fc a t c h m e n t aa n d m 英文摘要 c a t c h m e n t - bk e p tc o m p l i c a t i n gf r o m1 9 9 1t o2 0 0 6 h o w e v e r , l a n d s c a p ep a r e mo f c a t c h r n e n t - cw a sg e t t m gc o m p l e xf r o m19 9 1t o19 9 8t h e nb e c o m i n gs i m p l ef r o m 19 9 8t o2 0 0 6 ，i n d i c a t i n gt h a tl a n d s c a p ep a t t e r np r e s e n t e da “s i m p l e - c o m p l e x - s i m p l e ” t e n d e n c yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n u n d e r s t a n d i n gt h er u l eo fl a n d s c a p e p a t t e r nd y n a m i ca l o n gd o n g j i a n gr i v e rw i l lb e n e f i tt h em a n a g e m e n ta n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to f t h ew a t e r s h e da saw h o l e 2 t h e r ew e r ed i f f e r e n ts i t u a t i o n si nt h e s et w or i v e r s i nb u f f e rz o n eo f x i z h i j i a n g r i v e r , t h ev a l u eo fp d ，p a f r a ca n ds h d lw e r ea l lp r e s e n t e da “l o w - h i g h - l o w t r e n da l o n gt h er i v e r , a n dt h i st r e n dw a sm o r eo b v i o u si n2 0 0 6t h a ni ti n19 91 i n q i u x i a n g j i a n gr i v e r , t h e r ew e r en or e m a r k a b l et r e n d so ft h el a n d s c a p ep a r e m v a r i a t i o na l o n gt h er i v e ri n19 91 i n2 0 0 6 ，h o w e v e r , t h ev a l u eo fs i - i d i ，e s p e c i a l l y p db e g a nt op r e s e n tt h es a m et r e n di nx i z h i j i a n gr i v e r i nc o n c l u s i o n , l a n d s c a p e p a t t e r na l o n gt h ef i v e rp r e s e n t e da n i n v e r t e d uc u r v e t r e n da n dt h i st r e n db e c o m e m o r eo b v i o u sa st i m eg o e sb y t h i s i n v e r t e d uc u r v e p a r e r nm a yb em a i n l y c a u s e db yt h ed i f f e r e n tt e r r a i na n dh u m a nd i s t u r b a n c ea l o n gt h ef i v e r t h ed i s c o v e r y o fl a n d s c a p ep a r e m i n v e r t e d - uc u r v e t r e n da l o n gt h ef i v e rh a sg r e a tm e a n i n g si n u n d e r s t a n d i n gt h en a t u r a ll a w k e yw o r d s ：l a n d s c a p ep a t t e r n , v a r i a t i o nr u l e ，d o n g j i a n gw a t e r s h e d , c a t c h m e n t ， r i p a r i a nb u f f e rz o n e i v 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：了名望事昆 日期：叩年r 月刁日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者盘名：巧名 导师签名： 日期：彳年r 其1 1 e j 东江流域景观格局沿河流变化规律初探 第一章引言 地域分异规律是自然地理学重要的基本理论，是指地球表层自然环境及其组 成要素在空间分布上的变化规律，即地球表层自然环境及其组成要素，在空间上 的某个方向保持特征的相对一致性，而在另一方向表现出明显的差异和有规律的 变化( 范中桥，2 0 0 4 ) 。地域分异规律包括地带性和非地带性规律，广义的地带 性规律包括纬度地带性、经度地带性和垂直地带性规律( 黄秉维，1 9 5 9 ) ，即自 然地理综合体沿纬度、沿经度、沿垂直方向的分异规律，这种观点认为，只要是 呈带状分布的现象，都可归于地带性规律( 景贵和，1 9 6 2 ) ；而狭义的地带性规 律则只包括纬度地带性，地带性规律的形成因素只是太阳辐射能在地表的纬度分 布差异，而由地球内能引起的地势起伏等造成的分异规律不应属于地带性分异规 律( 景贵和，1 9 6 2 ) 。非地带性是由于地球内能作用而产生的海陆分布、地势起 伏、构造运动、岩浆活动等决定的自然综合体的分异规律( 范中桥，2 0 0 4 ) ，而 有老一辈的学者认为非地带性规律仅指自然综合体随地质地貌发生变化的规律 ( 景贵和，1 9 6 2 ) 。虽然对地带性学说的不同理解和由此产生的争议至今尚未结 束( 郑度等，2 0 0 2 ) ，非地带性规律究竟包括哪些范畴也无确切的定论，但是地 域分异规律已是大家公认的真理，并成为了自然地理区划和生态区划中最基本的 理论依据( 杨勤业等，2 0 0 2 ) 。 景观除具有整体性外，同时也具有地域分异的规律性( 陈传康等，1 9 9 3 ) ， 景观格局随地形的垂直分异规律就是很好的例证。景观格局垂直分异现象包括景 观类型分布和各景观类型空间格局在不同高程上的分布差异。胡志斌( 2 0 0 4 ) 等 在研究岷江上游典型时期景观格局变化就指出景观类型具有明显的垂直分异性， 并对不同时期各高程带中各景观类型的面积及变化情况做了相应探讨。张明阳等 ( 2 0 0 5 ) 应用各种景观指数对白洋淀流域景观格局地形分异规律进行了研究，改 善了以往研究中基于景观类型面积与高程之间关系进行分析的空间特征不明显 的问题。张志等( 2 0 0 5 ) 使用q u i c kb i r d 卫星遥感影响研究了蔡家川流域景观格 局，指出地形因素是形成该区域景观分异的首要主导因素。张嫒媛等( 2 0 0 7 ) 的 研究表明，浙西低山丘陵区景观格局演变具有明显的高程分异特征，不仅表现为 景观类型分布的变化与高程变化相关，而且景观格局指数的变化也有一定的规律 第一章引言 性，景观水平上所有指数变化的剧烈程度大致与高程呈负相关关系，景观类型水 平上各景观类型的破碎度、和斑块密度变化程度随海拔升高趋于缓和。 在城市景观中，景观格局分异的现象也很明显，主要是城市不同区域城市发 展程度的不同导致了城市景观空间格局的异质性。城市景观分异的研究中大多采 用梯度分析的方法，王辉等( 2 0 0 6 ) 对甘肃省平凉市以城市中心为原点分别在东 西和南北方向上布设了3 0 k m 长，3 k m 宽的生态样带，分析了景观格局梯度变化 的规律，结果表明，市区与市郊的过渡地带，景观在组分上表现出多样化，斑块 形状复杂，破碎化程度高，但不同土地利用类型随梯度变化的空间格局并不唯一。 张利权等( 2 0 0 4 ) 在上海的研究表明，上海城市景观格局比较符号同心圆论的城 市发展理论，不同的土地利用类型沿景观格局梯度确实表现出明显的空间特征， 用景观指数能够准确地、定量地指示城市景观梯度分异的特征。孙娟等( 2 0 0 6 ) 则用圈状缓冲带的方法研究了广西贵港市景观梯度变化特征，发现该城市的双中 心城市形态日益明显。 关于水平方向的景观分异现象，在大的空间尺度上也有例证。甄霖等( 2 0 0 5 ) 计算了泾河流域3 1 个县景观格局的特征，首次以景观特征值为基础将研究区各 县景观进行了分类，结果表明各指数值在研究区域之间的变异很大，位于黄土丘 陵沟壑区和黄土高塬沟壑区的县土地利用较多样化，优势度和聚集度较低：属于 冲积平原区的陕西省咸阳市优势度、聚集度较高；分维数高的县位于泾河流域中 游的黄土高原沟壑区，分维数低的县位于下游河谷阶地和关中平原和黄土高原交 界处。许多和曹银贵( 2 0 0 8 ) 分析了三峡库区近3 0 年来2 1 个县( 市) 的景观格 局的分异特征，不同的县( 市) 间景观格局存在差异。在更大的研究尺度上，学 者们以景观的空间分异现象为基础，以景观为对象进行了景观区划的理论和应用 的研究( 杨国良，2 0 0 0 ；李正国等，2 0 0 6 ：叶延琼和陈国阶，2 0 0 6 ) 。 在大尺度的生态研究方面，流域越来越受到学者们的重视。流域是指一条河 流或水系的集水区域，河流或水系从这个集水区域上获得水量补给( 邓红兵等， 1 9 9 8 ；尚宗波和高琼，2 0 0 1 ) 。流域有着明确的地理学上的边界，是一种完整的 自然地理单元，涵盖了淡水生态系统、陆地生态系统和海岸生态系统。每一条河 流从其源头到河口都是一个整体，但一个流域往往跨越若干个行政区域，以行政 区为单位进行科学研究或管理可能会割裂流域的自然属性。2 0 世纪3 0 年代，最 2 东江流域景观格局沿河流变化规律初探 早的流域管理机构美国田纳西流域管理局成立，其职责是把田纳西流域作为一个 统一的整体进行管理，为全世晃建立了流域水资源管理的典范。此后，许多国家 和地区都尝试着把流域与行政区相结合进行管理，2 0 0 0 年召开的第1 0 届世界水 大会就把流域水资源综合管理列为四大议题之一。人们对流域日渐重视，国内外 大量学者以流域作为对象进行大尺度的生态学研究以至产生了流域生态学这样 一个生态学的分枝学科( 邓红兵等，1 9 9 8 ；尚宗波和高琼，2 0 0 1 ) 。河流从上到 下发生着能量、物质的流动，是连接流域的纽带。河水与陆地交界处的两边，直 至河水影响消失为止的地带称为河岸带，而广义河岸带的定义则为靠近河边植物 群落，包括其组成、植物种类及土壤湿度等同高地植被明显不同的地带( g r e g o r y 甜a 1 ，1 9 9 1 ；m a l a n s o n ，1 9 9 3 ；陈吉泉，1 9 9 6 ) ，河岸带是能量、物质以及生物 通过景观的重要通道并且也是陆地区域与水生区域之问的生境和廊道( f o r m a n ， 1 9 9 7 ) ，其生态功能主要有四个方面：保护功能，提供生物栖息地、保持物种多 样性、稳定河岸复合生态系统等；作为廊道的连接功能；缓冲功能，即河岸植被 带的过滤、渗透、吸收、拦截功能；提供丰富的生物、土地及景观观赏等资源功 能( 岳隽和王仰麟，2 0 0 5 ) 。 河流在纵向上是一个贯穿于多种景观的线状连续体。河流连续体理论 ( v a n n o t ee ta 1 ，1 9 8 0 ) 认为，由源头集水区第一级溪流起，向下流经各级河流 流域，形成了一连续的、流动的、独特而完整的系统，河流生态系统有着纵向的 梯度规律，非生物环境从源头到河口也呈一种连续的梯度。随着河流等级的这种 变化，河流两侧的地貌、岩性、土壤、植被，河岸附近的土地利用类型、面积、 格局，河流内的各种生物( 包括水生生物和陆地生物) 及河流的各种属性( 河床物 质、水流特性等) 也随之而呈等级式的梯度变化( s w a n s o ne ta 1 ，1 9 8 8 ：n i l s s o n 订a 1 ，1 9 8 9 ：s h a n k m a n ，1 9 9 3 ；m i c h a e le la 1 ，1 9 9 7 ：h u g h e sa n dc a s s ，1 9 9 7 ： w a r d ，1 9 9 8 ；) 。河流生态系统和河岸带生态系统是紧密相连的，故河岸的景观 类型以及其空间的格局从上到下也有可能存在着定的梯度变化。郑国强等 ( 2 0 0 3 ) 对长江下游近1 5 年来土地利用区域结构演化进行了研究，以7 7 个县( 市) 为样本单元，运用g i s 手段将长江下游沿线土地利用结构的时空演化划分成为 了五大类型；龙花楼和李秀彬( 2 0 0 1 ) 等分析了整个长江沿线样带土地利用格局 的时空变化情况；这些研究从一定程度上反映了景观格局沿河流是有一定的分异 3 第一章引言 现象的。基于这种分异现象，学者们倡导要针对河流的不同位置进行特定的管理。 王成等( 2 0 0 1 ) 以河北太行山地区的7 条河流为对象，用调查的方法研究了河谷 土地的空间分异规律，以洪水干扰为主导因素，提出由上至下在纵向上把河谷分 为5 个区段，即上游侵蚀区、上中游侵蚀堆积区、中游侵蚀堆积区、中下游堆 积侵蚀区以及下游堆积区，由河道向两侧在横向上则可分为弹性利用带、脆弱 利用带和稳定利用带。彭镇华和王成( 2 0 0 2 ) 指出，要根据河流特征的地域分异 来确定不同河流、不同河段的利用模式，在河流沿线纵向上要分上、中、下游实 施人为干扰程度不同的管理对策。 综上所述，地域分异规律普遍存在，景观格局同样存在着地域分异现象。河 流中与河岸带的生态系统从上游到下游都有一定的梯度变化，河岸带从上游到下 游景观格局也有所不同。那么，景观格局随河流纵向变化的具体情况如何? 本文 假设景观格局沿河流存在着一定的变化规律，以东流流域的河流为例，分析了景 观格局沿河流纵向变化的情况，这对深入了解自然规律有很大的意义。 4 东江流域景观格局沿河流变化规律初探 第二章景观格局研究综述 1 1 景观生态学相关概念 2 1 1 景观生态学的起源与发展 景观一词的使用最早见于希伯来文圣经旧约全书，用来描述耶路撒冷的 美丽景象( n a v e h ，1 9 8 4 ；俞孔坚，1 9 8 7 ) 。1 9 世纪初，德国地理学家洪堡德最 早将景观作为科学名词引入了地理学，提出将景观作为地理学的中心问题，探索 由原始自然景观变成人类文化景观的过程，之后由苏联地理学家贝尔格等发展成 为景观地理学派( 肖笃宁，2 0 0 4 ) 。景观的定义有着多种表述，但一般讲是指反 映内陆地形、地貌或景色的图像( 如草原、森林、山脉、湖泊等) ；或是某一地 理区域的综合地形特征；或者是人们眼中的自然景色( 邬建国，2 0 0 0 ) 。 景观生态学是研究景观单元的类型组成、空间配置及其与生态学过程相互作 用的综合性学科( 邬建国，2 0 0 0 ) 。景观生态学起源于欧洲，最初由德国著名的 地植物学家t r o n 于1 9 3 9 年在利用航空照片研究东非土地利用问题时提出，他认 为景观生态学是两种科学观点相结合的产物：一种是地理学的( 景观) ，另一种 是生物学的( 生态学) 。2 0 世纪6 0 年代，景观生态学在欧洲蓬勃发展起来，其 中德国与荷兰的研究比较多( n a v e h ，1 9 9 1 ) ，到了2 0 世纪8 0 年代后期，景观 生态学在北美兴起，1 9 8 6 年，美国景观生态学会正式成立，1 9 8 7 年，景观生态 学杂志在美国创刊，使得景观生态学研究人员有了发表研究成果、进行学术交 流的园地。 相对国际景观生态学研究而言，我国景观生态学研究起步较晚，从8 0 年代 初期开始，我国的学术刊物上才正式出现景观生态学方面的学术文章，但以介绍、 翻译国外文献居多，此为景观生态学在我国的引入与起步阶段。1 9 9 0 年，肖笃 宁等参照北美学派的研究方法研究了沈阳西郊景观结构的变化( 肖笃宁等， 1 9 9 0 ) ，从此我国学者开始从事自己的景观生态学研究。9 0 年代后期，3 s ( r s ， g i s ，g p s ) 技术的大量应用、数字定量和模拟技术、人工智能与神经网络的发 展大大推进了我国景观生态学研究的进程。景观生态学的研究主要集中在景观生 态学理论与自身建设研究，模型与方法研究，景观结构、功能与景观变化研究， 5 第二章景观格局研究综述 尺度研究，景观格局与生物多样性相关性研究，人文景观和人文生态系统与自然 生态系统的研究上( 李团胜和肖笃宁，1 9 9 7 ) ，它以景观生态系统的空间关系为 研究重点，注重空间结构与生态过程的相互影响，强调尺度的重要性以及时空异 质性。随着时间的推移，景观生态学在应用方面的研究大大增加，在区域规划、 土地利用、城乡建设、资源的开发与管理等方面都包含着景观生态学的原理和方 法。 2 1 2 景观异质性与景观格局 景观异质性是指景观或生态系统中对一个种或更高级生物组织的存在起决 定作用的资源( 或某种性状) 在空间( 或时间) 上的变异程度( 或强度) ( 李哈 滨等，1 9 8 8 ) 。在开放系统中，能量由一种状态流向另一种状态，伴随着新结构 的建立而增加了异质性，景观异质性的产生就是基于这种热力学原理；外动力因 子对景观形成的自然干扰、生态系统的演替以及人为活动的影响都是产生景观异 质性的重要原因( 肖笃宁等，1 9 9 7 ) 。景观异质性首先是由于系统本身的差异所 引起的，但景观异质性产生时又受到内部因子和外部因子的综合作用，而各因子 即有自己的运行机制，又有相互问的交叉作用( 赵玉涛等，2 0 0 2 ) 。当景观中只 存在着某一种景观要素时，这时景观可以看作是均质的；单另一景观要素出现时， 景观异质性就体现出来了，且随着该景观要素的比重的增高而升高；单这一景观 要素的比重不断增高达到主导地位后，景观异质化程度又开始下降。因此，景观 总是处在一种变化的动态异质中，绝对的均质是不存在的。景观本质上就是一个 异质系统，正是因为异质性才形成了景观内部的物质流、能量流、信息流和价值 流，才导致了景观的演变、发展与动态平衡( f o r m a n ，1 9 8 7 ；赵玉涛等，2 0 0 2 ) 。 景观异质性可分为空间异质性与时间异质性。景观的空间异质性又可分为空 间组成( 生态系统类型、数量及面积比例) ，空间型( 各生态系统的空间分布、 斑块大小、景观对比度以及景观连接度) ，空间相关( 各生态系统的空间关联程 度、整体或参数的关联程度、空间递度和趋势度等) 三个组分( 伍业钢和李哈滨， 1 9 9 2 ) ；空间异质性既包括二维平面的空间异质性，又包括垂直空间异质性及由 二者组成的三维立体空间异质性( 李团胜，1 9 9 8 ) 。时间异质性指的是同一景观 在不同的时期内也是彼此异质的。有学者提出景观异质性还应包括景观功能的异 6 东江流域景观格局沿河流变化规律初探 质性( 方向京，2 0 0 6 ) 。景观异质性是有尺度依赖性的，一个景观单元在小尺度 上是异质的，而在大尺度上可能变成相对均质的，n i k o r a 在新西兰岛屿景观异质 性的研究中发现，随观测斑块尺度的降低，斑块性质趋于等同( n i k o r a ，1 9 9 9 ) 。 景观异质性是由景观格局体现出来的，景观异质性是景观格局的根本，景观 格局是景观异质性的具体表现形式。景观格局是景观生态学的核心研究内容之 一，是指大小和形状各异的景观元素在空间上的排列形式，它既是景观异质性的 具体体现，又是各种生态过程在不同尺度上作用的结果( 傅伯杰等，2 0 0 1 ) ，空 间格局、生态学过程与尺度之间的相互作用是景观生态学研究的核心，景观格局、 景观功能和景观动态是景观生态学家主要研究的景观的三个特征。景观空间格局 分析是景观生态学研究的核心问题( 肖笃宁，1 9 9 9 ；邬建国，2 0 0 0 ) ，对景观格 局的研究是进行景观功能和动态研究的基础和关键。景观格局动态变化是指景观 在外界干扰和其自身演变的作用下，景观的结构和功能随时间变化的情况。具体 地讲，景观格局动态变化包括景观结构单元的组成成分如景观斑块的类型、数目、 大小、形状、分布构型和空间关系等方面的变化，以及由此导致的能量、物质以 及生物分布与运动上的差异。由于景观格局既是景观异质性的体现，又是各种生 态过程在不同尺度上作用的结果( 傅伯杰等，2 0 0 1 ) ，因此景观空间格局分析不 但是景观生态学研究的核心问题( 肖笃宁，1 9 9 9 ；邬建国，2 0 0 0 ；傅伯杰等，2 0 0 1 ) ， 也是景观生态学研究的基本内容，贯穿了景观生态学发展的历史过程，是进一步 研究景观功能和动态的基础( 马克明和傅伯杰，2 0 0 0 ) 。 2 2 景观格局的相关研究 2 2 1 景观格局的研究方法 景观格局分析是一系列生态学问题分析的前提( t u r n e ra n dg a r d n e r ，1 9 9 0 ) ， 因此景观格局成了景观生态学家重点关注的课题之。目前对景观格局的一般研 究方法是通过收集和处理景观数据( 遥感图像，地形、土壤类型等图像资料的数 字化) ，建立景观类型图，再通过景观面积动态变化、景观类型变化、模型动态 模拟、景观格局指数计算等，比较不同景观的结构特征，揭示景观空间配置以及 动态变化趋势( l ia n dr e y n o l d s ，1 9 9 5 ) 。在5 0 年代学者们就对景观格局进行 7 第二章景观格局研究综述 了大量的描述性研究( f o r m a na n dg o d r o n ，1 9 8 6 ) ，但是定性的描述往往不能 很好地反映景观格局，7 0 年代起，景观格局的量化研究逐渐开始受到重视。近 年来景观格局的数量研究有了很大的发展，出现了大量的数量研究方法( 张金屯 等，2 0 0 0 ) 。 通过景观指数来定量的反映景观格局，相对于定性的描述，能更好地反映景 观格局。景观格局指数是指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( 邬建国，2 0 0 0 ) ，包括三个层次上的指数：单 个斑块、由若干单个斑块组成的斑块类型以及包括若干斑块类型的整个景观镶嵌 体。从指数所描述的性质上来看，景观格局指数总体上包括两个方面，即景观单 元特征指数和景观异质性指数( 傅伯杰等，2 0 0 1 ) ，其中，景观单元特征指数是指 用于描述斑块面积、周长和斑块数等特征的指标，景观异质性指数包括多样性指 数、镶嵌度指数、距离指数及生境破碎化指数等。目前有许多专门的软件可以用 来计算景观指数，如a r e v i e w 的p a t c ha n a l y s t 分析模块，f r a g s t a t s ，s i m m a p ， r u l e ，a p a c k 等，其中使用较多的是f r a g s t a t s 。f r a g s t a t s 是一个定量分析景 观结构组成和空间格局的计算机程序，该软件有用于矢量数据和栅格数据分析的 两个版本，前者是商业软件，可以接受a r c l n f o 的c o v e r a g e 数据，后者是免费 软件，可以处理a r c g r i d 、a s ci i 、e r d a s 等格式的数据，f r a g s t a t s 一共可以 计算斑块、景观类型、景观水平三个级别共5 7 个景观指数。 但是景观指数在描述景观格局上也有它不足的地方。许多景观指数的计算基 础是斑块的周长和面积，因此各种景观指数之间可能在反映景观信息上带有一定 的重复性，同时采用多个指数( 尤其是同一类型的指数) 进行比较往往并不增加新 的信息( 张明，1 9 9 4 ；邬建国，2 0 0 0 ；r e e n b e r g ，2 0 0 1 ) 。彭建等( 2 0 0 6 ) 在深 圳市宝安区的研究表明，土地利用分类对景观格局指数的确具有显著影响，同时 也重申了数据源的准确度以及尺度效应显著影响景观格局指数。因此不管使用何 种指数，都应该以理解其所代表的生态学意义为前提，要结合生态学过程慎重选 择和解释，避免陷于数字游戏( 李秀珍等，2 0 0 4 ) 。另外，景观格局指数通常只 是对景观结构空间分布特征变化的描述，不能很好地反映生态过程的。发展能够 反映生态过程的景观格局指数，对其进行比较，或将景观格局变化与其所引起的 生态过程变化相结合进行景观格局指数变化的解释性的深入研究会使景观格局 8 东江流域景观格局沿河流变化规律初探 指数的比较更有理论与实践意义( 张秋菊等，2 0 0 3 ) 。 景观格局指数常用来分析空间非连续型变量，如景观类型图、植被图、土壤 图、土地利用图等。然而在景观中，异质性在空间上往往是连续的，即斑块与斑 块之间的变化总是不能截然分明的，而同一斑块内部也并非是完全均质的。景观 格局指数对这些过渡的、连续变化格局的分析往往不够精确，空间统计学方法( 或 称地统计学方法) 就是在这种需求下发展起来的，即通过比较景观格局的空间统 计特征来解释景观格局演变的时空规律。目前应用得较多的空间统计学方法有空 间自相关分析、斑块样方方差分析、小波分析、尺度方差分析等。空间自相关方 法可以用于检验空间变量的取值是否与相邻空间上的变量取值的大小有关，若空 间变量在一点上的取值与相邻点的取值变化趋势相同，则为空间正相关，反之则 为负相关。常用的空间自相关指数有m o r a n 的i 系数和g e a r y 的c 系数。空间 统计学方法在探讨景观格局与生态过程的关系上有一定的应用。曾辉等( 2 0 0 0 ) 应用空间自相关分析法，对深圳市龙华地区快速城市化过程中的景观格局空间自 相关特征进行了比较，表明地形条件的差异是景观空间格局的背景性因素，而人 类活动的影响是景观随时间变化的根本性影响因素。张峰等( 2 0 0 4 ) 基于t m 影 像分析了北京昌平区的景观空间自相关关系，表明空间粒度的变化对于景观分析 有着显著的影响，人为干扰大的景观其空间自相关性较小。 模型的方法在景观格局的研究中也很常见。在景观格局演变( 即景观格局的 时间异质性) 的研究方面，马尔柯夫转移矩阵应用较为广泛。景观中基质、斑块 和廊道间的相互转化可以采用生态学中的马尔柯夫转移矩阵模型来确定其变化 的方向和速度( 张明，2 0 0 0 ) ，很多学者在研究景不同时期观斑块动态中用到了 马尔柯夫转移矩阵( 史培军等，2 0 0 0 ；陈浮等，2 0 0 1 ；田关进等，2 0 0 1 ) 。除 了对景观现有格局的研究，学者们已经开始对景观格局演变的过程进行模拟和预 测( l a g r oa n dd e g l o r i a ，1 9 9 2 ：v e l d k a m pa n df r e s c o ，1 9 9 6 ：w ua n dw e b s t e r ，1 9 9 8 ) ， 这些模拟大多是以细胞自动机理论为基础。细胞自动机是指一类许多相同单元组 成的，根据一些简单的邻域规则及能在系统水平上产生复杂结构和行为的离散性 动态性模型( w o l f r a m ，1 9 8 4 ) 。在景观格局变化研究中，细胞自动机能够利用邻 域规则，根据局部小尺度上的数据信息进行模拟较大尺度的景观动态变化特征。 目前，细胞自动机在城市增长、扩散模拟中取得了很多研究成果( c l a r k ee ta 1 ， 9 第二章景观格局研究综述 1 9 9 7 ；w 硫ee ta 1 ，1 9 9 7 ) ，但对非城市的土地利用演变模拟还较少( 葛方龙等， 2 0 0 8 ) 。r s 与g i s 技术的发展与其在景观生态学研究中的广泛应用，将给细胞自 动机在景观格局动态模拟上带来便利，近来，已有学者尝试把细胞自动机功能结 合到g i s ，或者把g i s 功能结合到细胞自动机模型中( i t a m i ，1 9 9 4 ；w u ，1 9 9 8 ) 。 虽然现在这些模型都还比较简单，但随着技术不断的成熟，景观格局演变模拟研 究的准确度会增加，对大尺度景观格局动态的预测将为景观规划与管理提供依 据。 2 2 2 景观格局研究进展 2 2 2 1 森林景观格局研究 f o r m a n 等( 1 9 7 9 ) 对美国新泽西州濒海平原松栋林景观组成与格局进行研 究，较为系统和全面地阐述和分析了这一地区森林景观的特点，并对景观管理和 规划得出了一些有益的结论，在森林景观生态研究中具有开创性意义。t u r n e r 等( 1 9 8 8 ) 曾用m a r k o v 模型对美国佐治亚洲的一个地区进行空间模拟，选择三 个不同的时期，用各类镶嵌体的景观转化比例作为矩阵中的元素，以年为单位求 得转移矩阵，最后预测出到2 0 0 0 年该地区的发展情况。r i p p l c 等( 1 9 9 1 ) 在研 究o r e g o n 州森林景观动态变化时，利用影像分析森林斑块大小、组成、结构等 特征依权属变化趋势。马克明等( 1 9 9 9 ) 对北京东灵山地区森林的物种多样性和 景观格局多样性进行研究，揭示了物种多样性的差异与环境因子的关系及其空间 分布规律。管东生等( 2 0 0 1 ) 分析了广州市城市森林的景观类型、格局和斑块破 碎度等特征因子，进而说明了城市化与森林景观格局的相关性。杨学军和姜志林 ( 1 9 9 9 ) 应用g i s 技术，研究了溧阳地区森林景观空间格局的动态变化特点， 郭晋平等对关帝山次生林景观恢复过程中森林景观动态及其群落生态效应进行 了比较全面、系统和深入的研究( 郭晋平等，1 9 9 9 ；郭晋平和张芸香，1 9 9 9 ) 。 张丽珍和张芸香( 2 0 0 3 ) 等分析了关帝山天然次生林区森林恢复过程中各类景观 要素异圆指数和类斑边界分维数的动态，为研究森林景观结构与功能的关系和变 化规律提供了基础。在机理方面，彭少麟提出了森林景观中的边缘效应影响问题 ( 彭少麟，1 9 9 1 ) 。景观格局和生态过程关系是森林景观生态核心和关键内容， 1 0 东江流域景观格局沿河流变化规律初探 但目前大多的研究还停留在格局的描述分析阶段，有待向过程研究深入( 姜艳等， 2 0 0 8 ) 。 2 2 2 2 湿地景观格局研究 湿地的景观格局也是景观生态学家们研究的重点对象之一。k u z i l a 等( 1 9 9 1 ) 通过两个不同时期的土壤类型图研究了在1 9 2 7 1 9 8 1 年期间内布拉斯加州的湿地 景观与非湿地景观之间的转化关系，研究表明在该时段内有1 1 4 7 公顷的湿地景 观转化为非湿地景观，4 7 7 公顷的非湿地景观转化为湿地景观。白军红等采用土 地利用土地覆被类型的变化过程分类方法研究了霍林河流域湿地景观类型的转 化过程，结果表明湿地景观与非湿地景观之间存在渐变过程与转化过程两种类型 的转换关系，其中渐变过程是指一种土地覆被类型的某些属性发生变化，而转换 过程则指一种覆被类型转变为另一种土地覆被类型( 白军红等，2 0 0 3 ；白军红等， 2 0 0 4 ) 。王红娟等( 2 0 0 7 ) 在r s 和g i s 的支持下，通过多种景观指数对东洞庭 湖1 9 8 9 和2 0 0 l 两个时期的湿地景观格局进行了研究，结果表明东洞庭湖部分湿 地景观逐渐从以小斑块、多种景观类型共同控制的格局向大斑块、类型单一的景 观格局演变。周亮进和由文辉( 2 0 0 7 ) 对闽江河口湿地景观格局的动态变化进行 了研究，并分析了其格局变化的驱动力，结果表明，随着人为活动的增强，自然 湿地景观的斑块数增加，而斑块面积减少，而人工湿地和非湿地景观的斑块数目 和面积均有增加。在湿地景观格局演变模拟预测方面，b r o w d e r ( 1 9 8 5 ) 运用斑 块模型分别模拟了路易斯安那州沼泽湿地中陆地和水域的边界长度和生境条件 的潜在变化，王学雷和吴宜进( 2 0 0 2 ) 利用1 9 9 0 和1 9 9 6 年2 个时期的卫星影像 对四湖地区湿地景观格局的动态变化进行了动态模拟和趋势预测，指出只有通过 控制围垦和实施退田还湖措施才能实现湖泊面积增加。 2 2 2 3 城市景观格局研究 城市化的发生和发展是当今世界发展的必然趋势，关于城市景观格局的演变 和发展是人们关注的焦点，学者们对北京、深圳、广州、上海、沈阳等城市的景 观格局进行了大量的研究( 高峻和宋永昌，2 0 0 3 ；李卫锋等，2 0 0 4 ；张峰和张新 第二章景观格局研究综述 时，2 0 0 5 ：郭泺等，2 0 0