（道路与铁道工程专业论文）干扰及其景观生态学意义在公路工程中的应用研究.pdf

摘要 随着可持续发展的观念深入人心，人们已经意识到公路工程建设过程中对公路周边景 观生态的研究是极为重要的：然而，公路景观生态方面的研究在我国尚处于起步阶段，特 别是利用景观生态学方面的理论知识来研究公路对沿线景观生态的影响还非常浅显，因此 利用干扰及其景观生态学意义研究公路对沿线景观的影响是具有重要的理论价值和现实 意义。 本文首先阐述景观、景观生态学的基本概念、一般原理和核心理论，着重研究了干扰 的概念、性质及其景观生态学意义。其次，针对公路本身的特性，把公路作为一种人为的 干扰，研究它的景观生态学意义，分析它对沿线景观的异质性、稳定性、破碎化和生物多 样性这四方面的影响，并提出相应的治理办法。再次，通过研究公路干扰及其景观生态学 意义，明确把公路沿线景观的异质性、稳定性、破碎化和生物多样性作为评价的对象；在 明确景观生态评价对象的基础上，选择合适的评价指标，构建公路在选线阶段景观生态方 面的评价标准。最后，通过已经构建的评价标准，以兴泰公路( 2 3l 省道) 新建段为案例， 根据实测电子地形图和结合现场调查，利用所研究的评价指标，对公路沿线景观的异质性、 稳定性、破碎化和多样性作出评价，最终判断线位的合理性。 关键词：干扰；公路选线；景观生态学；评价指标 s t u d yo nt h ea p p k c a t i o n a b o u tt h ei n t e r f e r e n c e a n di t sm e a n i n go f l a n d s c a p ee c o s y s t e mi i lh i g h w a ye n g i n e e r i n g a b s t r a c t w i m 铂h cn o t i o no f 翻l s t a i l l a b l ed e 、他l o p m e n th 嬲g o n ed e 印m t 0t l l ep e o p l e - sm i n d ，t h e p e o p l ch a ：v ea h e a d yb e e na h 懈o f 1 ei i n p o r l a n c e 蛳1 es t i 】| 蚵o fh i g h w a ye n 幽血gb y i 加d s c a p ee c o s y s ：t e m m o u rc 0 眦h y 也es t u d yo fl l i g h w a yl 锄d s c a p e ：i sj u s ts n 俩n g ， e s p e c i a l l y ，m a k eu s eo f 也et h e o r i 懿o fl a l l d s c a p ee c o l o 留t 0s t u d y m e1 1 i g h 哪rw h i c h i i l t e 娟淝n c et h ei a n d s c a p ee c o s ) ，s t e mi ss t i uv e 巧p l 她t h e r e f o r e ，i ti sv e 巧证邺n a n tt 0s t u d y m el 柚小；c a _ p ee c o l o g ) rm 翩i l i i 玛a b o mt h ed i s t u r b 砒i c ew h c nd e s i 眺t 1 1 e1 1 i 曲w a 弘 觚t ：w ed e s c r i b et h eb a s i cc o n c e p to f t h el ：m d s c a p e ，e s p l e c i a l l yt 0s t u d y 也ec o n c c p ta n d n l em 翩n i n go ft h cl 习m ( 脚e c o s y s 舱m a n dt h e n ，t h et l i 曲w a yi su s e d 硒n l ea r t i f i c i a l d i s t u r b a n c c ，w es t u d yt h ei i l 把r l e r e n c eo f 呛l a n d s c a p e 7 sh e t c r d g e n e i t y 、s 组b i l i 够、 向咖n t a t i o n 、b i o d i v c r s i t ) r ，a n dm e n 谢n g o u tm em e 川o f c u r e m 乏岫c l 训ym eo 场e c to f 1 el 锄d s c a p cc c o s y s t e m 诚c hi si n t e r f e r e n c e db y 吐圮k g h 坝l y s e c o n d ，w ec 肌d h o o m e r i 出i n d e xs i 弘t 0 tu pl 越d s c a p ee c 0 s y s t e ms t a i m 盯do f t h ed e s i 弘灿u tt h el l i 娜r o u t e b ym a l 【王n gc 妇l y l eo b j e c to f m el 觚d s c a p ee c o s 肿训：l i c hi si r 她d i e r e n c eb ym em 曲w a y l 刁瞬，w e 啪u s et 1 1 ei n d c xs i 印t 0e 砌咽l et h e 血t a it l i 曲w a y sh m s c a p eo f h e t e f o g e n e 时、s 诎i l 时、的蛐e 似i o n 、b i o d i v e r s 咄a n dm e n ，w ed 啪s e 也er i 出r o 疵 k q 啊o r d s ：i n t e r f b r e n c e ；c h o o s el l i 曲w a yl i j l e ；l 锄d s c a p ce c o s y s t e m ；i i l d i c a t o r 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进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 撇珊瞅圳：竹枷确” 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密彰 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ：牟咖2 口口莎年f 月f 下日 指导 教师( 本人签名) 翻吾 加舯猡月日 指导教师( 本人签名 污) 吾 加舯猡月盯日 致谢 本论文是在导师李国芬副教授的悉心指导下完成的，在论文的整个写作过程中，李老 师给予了精心的指导，提出了宝贵的意见。在此刻，论文完成之际，我首先要表达对恩师 的深深谢意。在我研究生三年的时光里，李老师严谨的治学态度、渊博的专业知识、求实 的工作作风和诚恳的为人品格使我受益匪浅，我从老师身上不仅学会了专业知识，更懂得 了做人的道理，我的成长离不开李老师的教诲。这一切都会对我今后的学习和工作产生深 远的影响，是我一生受用不尽的宝贵财富。在此谨向李老师致以崇高的敬意和衷心的感谢! 感谢李老师在学习和生活上给予的帮助与支持! 同时，我要感谢南京先行交通工程设计有限责任公司的朋友，他们在我求学期间给予 的关怀和指导，也感谢在论文写作过程中我的同学、朋友及各位师兄弟姐妹们的帮助。在 此向大家表示诚挚的谢意。 华炜 2 0 0 8 年6 月1 5 日 1 绪论 1 1 研究的背景和意义 长期以来，许多人都认为，占地面积仅为整个区域百分之几的公路不会对周边环境产 生明显的影响。由于公路延伸距离较长，虽然其占地总面积不大，但工程往往穿越多个区 域，在贯穿土地的过程中，严重影响了周围的景观生态，产生的环境问题往往是长期的、 潜在的。近十几年来，交通设施飞速发展，以往公路工程引发的环境问题已经逐渐暴露出 来。景观生态破坏的现状提示我们：公路建设所产生的影响并没有得到应有的重视，其带 来的环境问题远远超出了我们的认识程度和预测，而且有些影响可能是巨大的、不可逆的。 在许多公路建成几年或十几年后的今天，就会有所发现：在于旱地区进行的公路留下片片 沙化的土地，加上施工时破坏地表结皮，激活沿途沙漠，是造成沙漠景观的潜在威胁；在 盘山公路修建中，由于公路大面积削切山体，严重破坏了几百年甚至千万年来形成的林木 及乔、灌草地，千万年来形成的表层熟土也随之丧失，植被无法恢复，产生了山区大面积 的水土流失，甚至增加了泥石流、特大洪涝灾害的发生频率，原有的景观也随之改变：黑 龙江省扎龙湿地的水源是以漫流性质养育了湿地和丰富的生物种群，在修建了东升水库之 后，由于八支干渠、湿地北部被3 0 1 国道切割，阻断了漫流性质的生态用水，造成的干 旱使扎龙湿地芦苇自燃而失火，湿地景观正在消失众多实例告诉我们：公路对景观生 态的影响是巨大的。 随着可持续发展的观念深入人心，人们已经意识到公路不仅要具有交通功能，还应当 从景观生态的角度来考虑公路修建对沿线景观的影响，因此，对于公路与景观生态二者之 间关系的研究势在必行，然而在我国关于公路景观生态方面的研究较少，道路与景观生态 方面的交叉性研究在许多方面尚处于起步阶段，在设计院从事公路设计两年来，深深的感 受到公路设计人员在公路设计阶段，特别是在公路选线的过程中过多的侧重对线形技术指 标的要求，而公路选线过程中对沿线景观生态的影响只进行了定性的阐述，无法从真正意 义上对公路选线时给沿线景观生态产生的影响作出定量的评价。通过对景观生态学的学习 和研究，我想从干扰及其景观生态学意义入手分析公路对沿线景观的破坏状况，并探讨在 公路选线时，通过定量的分析沿线景观破坏程度大小，最终选出合理的路线，为公路设计 人员找出一个简便丽较为准确的方法，因此研究意义十分重大。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对于景观生态观念在公路规划和设计方面的应用起步较早。在欧洲和北美，自上 个世纪7 0 年代人们就开始对线性基础设施建设的生态学影响开展了大量研究，包括公路 建设对植物种群产生的影响：如导致植物死亡和生境丧失、生态环境物理化学变化、路侧 植被改变。对动物种群产生的生态影响：如公路交通事故致死、道路回避巢区转移、迁移 路线改变及障碍作用导致生境和种群的破碎化，此外公路还强烈地改变景观的格局和过 程。 当前国外对道路生态学影响的研究已经提升到了景观的高度，人们不再局限于单一物 种和栖息地的研究，而转向多物种、多个生态系统( 景观) 的综合研究。近几年代表性的研 究有d a v i d e 用空间斑块指数和价值功能定量的评价了线状廊道对多个生态系统( 景观) 破 碎的影响，为规划选线提供了参考依据，在本论文中引用了他的空间斑块指数。然而其缺 点也是明显的：由于评价的是所有斑块，斑块的个性( 哪个受到影响，哪个不受影响以及影 响到什么程度) 也不能确定，在价值功能确定过程中完全依靠专家个人经验，可靠性不能得 到保证i 。 m a l i a m 等在评价交通网络的景观破碎影响时，从区域宏观( 立体交叉点、各等级道路 长度、道路密度) 和地方微观( 道路沿线地区自然人文特征和道路本身特征) 两种尺度来分析， 为道路破碎化分析提供了新思路1 2 l 。 2 0 0 2 年英国学者s h e r w o o d 等人在分析了道路路网对野生生物巨大的毁灭能力之后， 提出有必要全面进行生态道路网设计。同年，f 0 咖a n 等人的巨著道路生态学科学与解 答a d e c o l o g y ：s c i e n c ea n ds o i u t i o 玛2 0 0 2 ) 开始发行，在本书的1 4 个章节中，f o 咖锄教 授详细论述了道路生态学的形成基础、发展过程以及道路与各种景观要素、动植物区系相 互作用的关系。2 0 0 2 年，2 本道路生态学的专著路域生态学理论及实践r o a de c o l o g y s c i e n c ea n ds o l u t i o i l s 、道路生态学影响e c o l o g i c a le 胁so f r o a d s 的出版集中体现了 国外景观生态学在道路工程方面的最新研究成果【3 l 。 1 2 2 国内研究现状 国内关于道路生态和环境保护方面的研究起步比较晚，主要分为道路设计阶段道路线 形设计与环境协调方面的研究和道路建成之后，道路工程对生态环境的补偿效应的研究。 长期以来，我国将q 如i 成功地用于公路设计，但它在数据采集方法、数字化三维模 型的生成、动态全景透视仿真及综合分析功能等方面都存在着明显缺陷。要更好地发挥它 在现代空间信息时代的作用，必须解决对遥感信息、地下勘探数据的直接采集，各种专题 地图数字化问题，拥有多层管理、综合分析等，以满足于公路设计和环境保护的高质量、 高效率和高水平要求。一条好的设计路线不仅仅是一条工程技术线形优美的路线，更是一 条综合考虑了景观生态环境的生态路线，因此路线的必选需综合考虑拟建公路周围环境的 敏感性j 选择对景观生态环境影响最小路线方案。在g i s 和r s 环境下，既可考虑公路 周围环境的敏感性，又可引入影响程度系数，并考虑那些敏感点在沿线的分布和影响趋势 分析，理想的完成线路优选、公路景观设计和方案比较过程。 西安公路交通大学的黄淑琴在1 9 9 7 年利用模糊数学法引入了路线方案的多级评价模 2 型，确定了权重向量的模糊矩阵法、比较矩阵法，提出了定性指标隶属度的确定方法一 多相综合模糊统计法【4 】，来进行公路线形设计的方案比选，但是方法繁琐，且过多依赖于 专家评价，可靠性难以保证。 赵勇、李群和吴作明引入了生态影响综合评价指数法：从植被覆盖率的变化、生物量 影响比较、滞洪影响对比、对土壤影响比较、基本农田占用比较、以及对水土流失影响这 6 个方面进行分析，采用对比法和l e o p o l d 矩阵法计算生态综合影响评价指数【5 1 。具体过程 为1 ) 建立评价指标集；2 ) 确定各指标的权重；3 ) 确定指标评分值；( 4 ) 确定评价标准；5 ) 计算 综合指数。最终完成推荐路线和比较路线的分析。 南京林业大学赵康老师在前人的基础上归纳和总结了数学方法在道路线形设计方面 的成果。他认为受环境影响的公路路线方案优选是一个多因素、多层次、定性与定量指标 兼有的综合评价问题，适合这类评价问题的数学方法有：层次分析法，灰色关联度方法，模 糊数学等【6 1 。1 ) 层次分析法：层次分析法的基本过程是：把复杂问题分解成各组成元素， 按支配关系将这些元素分组，使之形成有序的递阶层次结构，在此基础上通过两两比较的方 法判断各层次中诸元素的相对重要性，然后综合这些判断确定诸元素相对重要性的排 序。2 ) 灰色关联度方法：灰色关联度方法是通过在各方案中选取最优指标函数，构成最优 方案，采用灰色关联度作为测度去评价各方案与最优方案的关联程度，从而得到各方案的优 劣次序。3 ) 模糊数学方法：确定了权重向量的模糊矩阵法、比较矩阵法，提出了定性指标 隶属度的确定方法一多相综合模糊统计法，来进行公路线形设计的方案比选。 1 3 、主要研究内容、目的及技术路线 1 3 1 研究目的 我国现阶段在公路选线过程中通常考虑的是公路本身的线形技术指标，对于所选路线 对沿线景观生态破坏的多少，一般仅做定性分析，很少通过定量分析进行判断，由于国内 现行的环境生态评价指标适用的数学方法较为繁琐，特别是模糊数学法、层次分析法和矩 阵法非常繁琐，且大多数指标依赖专家经验，人为因素影响较大，因此，难以直接应用于 设计行业。通过学习景观生态学的相关理论知识，利用干扰及其景观生态学意义来研究公 路对沿线景观异质性、稳定性、破碎化和多样性的影响，选取相应的评价指标，为道路设 计人员提供简便的路线景观评价方法，因此研究意义重大。 1 3 2 研究内容 一、景观生态学的基本概念及干扰的景观生态学意义 本论文从景观生态学着手，研究它的基本概念、一般原理和核心理论，介绍了现阶段 研究景观生态学主要的技术方法，为定量分析景观提供技术参考，并且着重研究了干扰的 基本概念、一般特性和其景观生态学意义，通过参阅文献资料数据，分析干扰对景观各个 3 方面的影响。 二、将公路作为一种干扰，研究它对景观各要素的影响 把公路本身作为一种人为干扰，分析公路干扰的景观生态学意义：1 ) 通过研究公路 对景观格局和景观过程的影响来分析公路建设对景观异质性的影响。2 ) 细致研究了公路对 景观内部土壤、水文、动植物以及大气的影响，分析公路对景观稳定性的影响。3 ) 通过 研究公路对景观斑块和斑块之间连通性的影响来分析公路产生的景观破碎化4 ) 分析公路 建设对遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性三方面的影响，评价公路对生态多样性 的破坏。 在研究了公路干扰的景观生态学意义基础上，根据公路建设的特殊性从公路设计和规 划、公路施工和景观保护、公路运营期的环境监测和公路沿线生态补偿这四方面入手，提 出公路景观生态的保护方法。 三、根据前面研究的结果选取相应的评价指标 根据前面研究，针对公路作为一种干扰对景观异质性、稳定性、破碎化以及生物多样 性的影响，在此基础上研究了与之相对应评价指标，其中利用熵的原理建立路域景观模型， 评价景观的稳定性，是本论文指标研究的重点。最终确立一套公路选线的评价指标。 四、工程实例的应用研究 通过前面确立的公路选线评价标准，本论文以2 3 l 省道改造工程为案例，对公路新 建段不同的路线作出相应的景观破坏评价，最终确定最佳路线。 4 1 3 3 技术路线 景观生态学及其相关理论研i 干扰及其景观生态学意义研究 5 公路对生物多样性的影响公路对景观破碎化的影响 公路对景观稳定性的影响公路对景观异质性的影响 2 干扰及其景观生态学意义的研究 2 1 景观生态学概念 2 1 1 景观的概念 景观是高于生态系统的自然系统，是生态系统的载体。目前，对景观概念的应用较为 混乱，多数人并没严格地按某一个特定的概念来使用。从科学意义上讲，景观应具有以下 几层含义： 一、景观是地球表面的组成部分，地球表面的各种特征均在景观上表现出来，是可以 测定的。 二、景观是一个特殊的物质系统，地球各圈层在该系统范围内发生相互作用。 三、景观是由岩石、土壤、水、气候、生物等组分构成，并在自然和人类活动干扰下 形成的自然综合体，它具有客观存在性，与人类的生活休戚相关。 四、从景观要素和结构的组成看，景观总是同高层次的要素相衔接，起码应该是生物 群落或生态系统可作为景观要素，其空间布局可作为景观的结构特征。 五、景观应是人类肉眼可以从地表辨认的多个生态系统的组合，并有一定特征的布局。 六、景观与土地的最大区别在于前者主要研究对象为地表面以上部分，能被人们直接 观察到的客体。所以可以说，“景观是土地的地表部分”。 七、地区( 或区域) 较景观包括的范围要广，前者取决于气候、水文、地质、生物、 地貌以及社会经济、文化、历史风貌、民族习俗等多种因素，因此，一个地区一般包含多 个景观，如大家熟知的沿海地区，就可能包括滨海湿地景观、农业景观、城镇景观等1 7 】。 2 1 2 景观生态学的概念 景观生态学的基本概念是德国植物学家t r o l l 在利用航片解译研究东非土地利用时提 出来的，用来表示对支配一个区域单位的自然一生物综合体相互关系的分析。z o n e v e l d 进一步发展了综合的景观概念。他认为景观生态学应将景观作为由相互影响的不同要素组 成的有机整体来研究【8 j 。n k 在讨论景观生态学在农业土地利用中的作用时强调，景观 作为生态系统的载体，是一个控制系统【9 1 。f o 衄2 u 1 等认为景观生态学探讨了诸如森林、草 原、沼泽、廊道和村庄等生态系统的异质性组合、相互作用和变化。虽然现在对景观生态 学的概念还没有一个系统的表述，但大多数人都认为景观生态学是用生态学的概念、理论 和方法来综合研究地表景观【1 0 1 。 景观生态学中的景观是由各种景观要素组成的。景观要素按其形状和作用可分为斑块 ( p a t c h ) 、廊道( c o r r i d o r ) 和基质( m a t r i x ) 3 种基本类型。 6 斑块：在以往的文献中，又称为“斑块”、“镶嵌体”、“嵌块体 等，实质上都是指组 成景观的基本要素，邸景蕊基本单元，这个单元应该是均匀的。生态学家对斑块的定义有 所不同。邬建国等把斑块定义为“依赖于尺度的，与周围环境( 基底) 在性质上或者外观 上不同的空间实体”。该定义强调斑块的空间非连续性和内部均质性。广义上，斑块可以 是有生命的和无生命的；蠢狭义的理解则认为，斑块是指动植物群落。 廊道：廊道是斑块的一种特殊形式，高速公路、传输电缆、河流、树篱等廊道形式较 为常见。基前尚没有一个公认的定量标准去区别廊道与斑块，一般来说，长宽比至少在 1 0 2 0 以上的斑块，且分割景观，又为斑块相连的可以认为是廊道。几乎所有的景观都会 被廊道分割，同时又被廊道连接在一起。廊道是线型的景观单元，具有通道和阻隔的双重 作用。此外，廊道还有其他重要功能，鲡物种过滤器、某些物种的栖患地以及对其周圈环 境与生物产生影响的作用。廊道的结构特征对一个景观的生态过程有着强烈的影响。 基质：有些文献中称为景观背景、矩质、模地、本底。基质是组成景观的三种基本要 素之一。基质在景观中表现为面积最大、连通性最好的景观要素。因此，基质在景观功能 上起着重要作用，它影响能流、物流、物种流。在整个景观区域内，基质的面积相对最大， 一般来说，它用鹜形边界籍其他景观要素包匿超来。整体基质对景观动态其有控制作用 【l i l 。 一、景观生态学的一般原理 对于景观生态学的一般原理，有许多学者做出过表述。解决生态环境问题所应用的理 论框架体系的构成可归纳为：景观整体性和景观要素异质性原理、时空尺度与等级组织原 ( 耋) 景观系统整体性和景观要素异质性原理 景观是由景观要素有机联系组成的复杂系统，含有等级结构，具有独立的功能特性和 明显的视觉特征。景观生态系统具有功能上的整体性和连续性。从系统的整体出发来研究 景观的结构、功能与变化，将分析与综合、归纳与演绎互相补充，可深化研究内容，使结 论更具有逻辑性和精确性。景观由异质要素组成，景观异质性一直是景观生态研究的基本 闳题之一。因为景晟异质性同抗干扰能力、恢复能力、系统稳定性和生物多样性有密切联 系。 ( 2 ) 时空尺度与等级组织原理 尺度( s c a l e ) 是研究客体或过程的空闻维和时闽维，它标志着对研究对象细节了解 的水平。景观生态学的研究基本上对应着尺度范围，即从几平方公里到几百平方公里，从 几年到几百年。时空尺度的对应性、协调性和规律性是一重要特征，通常研究的地域越大， 相关的时间尺度就越长。尺度性与持续性有着重要的联系。大尺度空问过程包括土地利用 和土地覆盖变化、生境破碎化、引入种的散布、区域性气候波动和流域水文变化等。景观 生态学应用怠括在入类可辨识的空闻尺度上分搋景蕊结构以及在入类世代生活的时闻尺 度上分析景观变化。 等级理论认失，任何系统豢属于一定的等级，并具有一定的时间和等级。整个生物圈 是个多重等级层次系统的有机整体，每一高级层次系统都是由具有自己特征的低级层次 组成的。如细胞组成有机体，有机体组成种群，种群又组成生物群落，生物群落与周围环 境一起组成生态系统，景观又电不同生态系统镶嵌丽成宣至整个生物圈。应用等级理 7 论解决实际问题，可以简化复杂的系统：在所研究对象的尺度低一等级的尺度上分析景观 要素的特征及变化，从而理解景观生态系统的亚稳定性和动态。 ( 3 ) 空间格局与生态过程原理 景观格局与过程是当代景观生态学研究的热点之一。结构和功能、格局与过程之间的 联系与反馈是景观生态学的基本命题。功能寓于结构之中，体现于生态学过程的运行之中； 景观的功能是系统结构特点、空间格局的外在体现，高效的功能取决于符合生态学规律的 组成结构与空间格局，从而获得稳定的结构和连续的运行过程。反之，当景观生态系统的 生态过程受到干扰而无法实现其功能时，其结构与格局也会发生相应改变。我们可以从功 能着眼，通过分析景观的组成结构和在一定空间格局上的生态过程来研究景观的变化。 ( 4 ) 镶嵌稳定性与生态控制原理 镶嵌也是景观异质性的一种表现形式，景观生态系统的组分在空间结构上互相拼接构 成整体。镶嵌在景观内的各要素的稳定性类型与格局决定了景观稳定性的类型。由于景观 结构的镶嵌性，其中若干空间要素( 廊道、障碍和高异质性区域) 的组合，决定了物种、 能量、物质和干扰在景观中的流动或运动，表现为景观的抗性作用。因此，景观的斑块一 廊道基质的组合结构和空间格局是景观功能流的主要决定因素，而功能流的畅通是景观 内实现生态控制并达到稳定的保障。 二、景观生态学的理论核心 景观异质性、景观格局、干扰构成了当今景观生态学的理论核心【1 3 】 ( 1 ) 异质性 异质性是系统( 景观) 或系统属性的变异程度。景观异质性指空间异质性、时间异质 性、多维空间异质性和时空耦合异质性。系统的结构、功能、性质和地位取决于其时间和 空间的异质性。所以，景观异质性原理不仅是景观生态学的核心理论，也是它方法论的基 础和核心。 景观生态学强调异质性的绝对性，也强调同质性的尺度性质。即在某一尺度上是异质 空间，而在比其低一层次的尺度上的单元可视为是同质的。， ( 2 ) 景观格局 景观格局是资源和物理环境空间分布差异的表现，是景观异质性的重要内涵。景观格 局是包括干扰在内的一切生态过程作用于景观的产物，同时景观格局控制着景观过程的速 率和强度。景观格局具有强烈的尺度特征，可以说，没有尺度就谈不上格局。同时，由于 不同的景观格局对不同的生态过程的影响不同，所以在研究景观格局时一定要注重研究在 特定尺度上对生态过程具有重要意义的格局。 ( 3 ) 干扰 干扰是相对来说非连续的事件，它改变系统的正常格局。干扰是景观异质性的一个主 要来源，它改变景观异质性的程度和景观格局，又制约于景观格局，是景观的一种重要的 生态过程，是景观得以维持和发展的重要因素。 干扰既可以对生态环境起到一种积极的正效应，也可以起到一种积极的负效应。长期 以来，干扰的生态学意义一直未引起生态学家的重视，主要是因为以前生态学家更多考虑 的是生态系统的平衡和稳定，关注生态演替中顶级群落的发展和形成。随着研究的深入， r 人们发现干扰在物种多样性形成和保护中起着重要作用，适度的干扰不仅对生态系统无 害，褥且可以促进生态系统的演化和更新，有利于生态系统的持续发展。干扰的结果还可 戳影响裂土壤中翡生耪循环、水分循舔、养分德环，改变景观格局。 三、景观生态学研究的技术方法 景观生态学是一门迅速发展麴学科，其理论和毂念在不凝地丰富和发展。许多尺度豹 生态环境问题，要求我们用景观生态学的观点去考虑。景观的格局决定景观的功能，近年 来，景观水平的生态研究更关、淀于自然过程和景观格局中的水平运动和流的关系，如营养 流、承循琢和物释运动等，并始默静态格局酶研究转囊动态研究。因此，不同景观格局和 过程对环境和资源的保护作用，以及空间效应理论研究也将获得发展。 新技术和方法的应用是景观生态学发展的大趋势。科学豹发震一般是通过两种途 径：一是认识水平的摊高，二是研究工其或方法的革新，景观生态学也不铡外，其发展得 益予传统研究方法的改进和新研究方法的出现。随着地理信息系统的发展，具有空间性质 蔚许多景观数据可豉通过航片和卫星图像处理获得，遥感影嫡及英解译与景蕊生态诵查密 不可分，把新技术手段和方法引入到理论与应用的研究中也是景观生态学的发展趋势。 现代高技术在景观生态学中鲢应用，对推动景观生态学原理在生态环境研究中的应用 超了臣大作用。对铁路、公路等囊然资源开发建设项匿的生态影响评价，崮于其空闻尺度 较大，更强调应用生态之途的方法开展工作和表达评价的成果，应用g i s ( 地理信息系 统) 、怒( 遥感) 和g p s ( 全球定位系统) 技术、多媒体技术黎传统的现场篮测褶结合 的方法，使评价成果综合性更强、准确性更高f 1 4 l 。 ( 羔) 地理信息系统( g l s ) 地理信患系统就爨地理蔷息学方法的种实蠛手段，地图可以被认先是一静最篱单的 地理信息系统。随着计算机技术的发展，为地理信息系统的发展提供了条件。地理信息系 统豹操作运算麓一个特殊功麓是对建理空闻数据或图像嚣影，热遥感影响、专题图等的处 理与叠加分析，可以较好地用于景观格局的分析过程中，如景观要素( 基质、斑块、廊 道) 的面积、周长、形状、不周斑块之润的空间关系等。透过对这些景观要素的分树，可 以获知一个景观遗区的基本生态环境特征。 ( 2 ) 遥感技术( 鹃) 遥感是揩不接熬调查霾标本身，从遴处通过探测器接受来鸯目标蕊信息。随羞遥感技 术的不断发展，很快成为进行野外考察、资源评价与更新、生物资源调查等方面强裔力的 工具。 遥感技术在景鼹生态磷究中的应用主要是对景躐类型的划分。南于遥感资料具有覆盖 范围广、资料更新速度快的特点，在景观格局和景观动态过程研究中起到了重要的作用。 全球定位系统( g p s ) 全球定位系统是现代进行导航和定位的一种域为科学的方法。它是建立在无线电定位 系统、导航系统和定时系统基础上的空间导航系统，以距离为基本观测量。在景观生态调 查中，g 醛精确酶定位功姥弥补了遥感技术静不足。遥感图像中普遍存在瑟钫巽谱 或“异物同谱的问题，给景观分析带来一定困扰。通过实地调查，应用g p s 的定位和 地物的确定，可以使遥感匿豫分耄蓐更轰精确，对景观的结构组成和动态变化掌握更翔准确。 擘 2 。 3 干扰的概念 干扰是非连续的事件，它改变系统的正常格局；干扰是景观异质性的一个主要来源， 它改变景观异质性的程度和景观格局，又铡约于景观格局，是景观的种重要的生态过程， 是景观得以维持和发展的重要因素。干扰既可以对生态环境起到一种积极的正效应，也可 以起到一种积极的负效应。长期以来，干扰的生态学意义直未弓| 起生态学家的重视，主 要是因为以前生态学家更多考虑的是生态系统的平衡和稳定，关注生态演替中顶级群落的 发展和形成。随着研究的深入，人们发现干扰在物种多样性形成和保护中起着重要作用， 适度酌子扰不仅对生态系统无害，而显可以促进生态系统的演化和更薪，有利于生态系统 的持续发展。其次，干扰的结果还可以影响到土壤中的生物循环、水分循环、养分循环， 进两促进景观格局的改变f i 卯。 一、干扰的类型 干扰类型的分类方法根据不同原则，干扰可以分为不同类型，般有4 种分类方法 l 塔l ：按干扰产生的来源可以分为自然干扰和人力干扰。自然予扰指无人为活动介入在 自然环境条件下发生的干扰，如火、风暴、火山爆发、地壳运动、洪水泛滥、病虫害等；人 为干扰是在人类有目的行为指导下，对国然进行的改造：如烧荒种地0 森林砍伐、放牧、 农田施肥、修建大坝、道路、土地利用结构改变等。从人类角度出发，人类活动是一种生 产活动，一般不称为干扰，但对于自然生态系统来说，人类的所作所为均是种干扰。 依据干扰的功能可以分为内部干扰和终部干扰。内部干扰是在褶对静止豹长时闻内发生的 小规模干扰，对生态系统演替起到重要作用。对此许多学者认为是自然过程的一部分，而 不是于扰；外部干扰( 如火灾、风暴、砍伐等) 是短期内的大规模干扰，打破了自然生态系 统的演替过程。依据干扰煎机制可以分为物理干扰、纯学干扰和生物干扰。物理干扰，如 森林退化引起的局部气候变化；土地覆被减少引起的土壤侵蚀、土地沙漠化等；化学干扰， 如土地污染、水体污染以及大气污染弓| 起的酸雨等。生物干扰主要为病虫害爆发、辨来种 入侵等引起的生态平衡失调和破坏。根据干扰传播特征，可以将干扰分为局部干扰和跨 边界干扰。前者指干扰仅在同一生态系统内部扩散，后者可以跨越生态系统边界扩散到其 他类型的斑块。 二、常见的干扰类型 火干扰火是一种自然界中最常见干扰类型，它对生态环境的影响早已为人们所关 注。一些研究表明火( 草原火、森林火) 可以促进或保持较高的第一生产力。北美的研究发 现火干扰可以提高生物生产力的机制在于消除了地表积聚的枯枝落叶层，改变了区域小 气撰、土壤结构与养分。同时火干扰在一定程度上可以影响物种的结构和多样性，主要取 决于不同物种对火干扰的敏感程度l l 。 放牧有人类历史以来，放牧就成必一种重要的人为干扰。不仅可以直接改变草地 的形态特征，而且还可以改变荜地的生产力和草种结构。m i l c h 诚a s 研究发现，放牧对于 那些放牧历史较短的草原来说是一种严重于扰，这是因为原来的草种组成尚未适应放牧 这静过程。丽对于已有较长放牧历史的草原，放牧已经不荐成蠹干扰，因为这种草地的物 种已经适应了放牧行为，对放牧这种干扰具有较强的适应能力，进一步的放牧不会对草原 l o 生态系统造成影响。相反那种缺少放牧历史的草场经常为一些适应放牧能力较差的草种所 控制，对放牧过程反映比较敏感。一些研究发现适度的放牧可以使草场保持较高的物种多 样性，促进草地景观物质和养分的良性j ) 蓠环，因此放牧也可以作为种管理草场、提高物 种多样性和草场生产力的有效手段。然诼放牧具有一定的针对性，对于某种物种适宜的， 对于其他物种也许不适宜。如何掌握放牧的规模和尺度成为生态学家研究的焦点。 土壤物理干扰土壤物理干扰包括土地的翻耕、平整等。一般为物种的生长提供了 空地和场所，改变了土壤的结构和养分状况，对于具有长期农业静植历史的地区，大多物 种已经适宜了这种干扰，其影响往往较小，对于初次受到土壤物理干扰的地区，自然生态 系统往往受到的影响较大。一垡研究发现土壤物理干扰可以导致地表粗糙度增加，为外来 物种提供一个安全的场所。地翻耕有利于外来物种的入侵，可以减少物种的丰富度。 土壤旌肥另外一种重要的干扰是对土壤中养分或化学成分的改变，如化肥和农药 的施用。纯照和农药施用除了在一定程度上可以导致淡水水体的富营养懿二外，结果是促进 了某些物种的快速生长，而导致其他物种的灭绝，往往造成物种丰富度的急剧减少。土壤 施肥对于本身养分比较贫缺的地区而言影响尤为突出，更为有利于外来物种的入侵。这种 干扰与放牧、火烧、割草相反，可以增加土壤中的养分，丽放牧、火烧和割草常常是带走 土壤中的养分，导致土壤养分匮乏。如何将上述几种干扰有机地结合起来，研究土壤中养 分的循环与平衡，对予土建管理和物释多样性保护具有重要意义。 外来物种入侵外来物种入侵是一种严重的干扰类型，它往往是由于人类活动或其 它一些自然过程丽有圈的或无意识的将一种物种带到一个新的地方。人类主导下的农作物 品种弓 进就是一种有嗣的的夕卜来种入侵，其结果是外来物种对本地种的干扰。如澳州对家 兔的引入，起初并未想到它们会很快适应新的生存环境，并在短时间内大面积扩散，最终 成为对当地生物造成熊害的一个物静，其形成的生态环境影响是深远酶，在较大程度上改 变了原来的景观面貌和景观生态过程。 其它干扰类型洪水泛滥、森林采伐、城市建设、矿山开发和旅游等也是人们比较 熟悉的人为干扰，它们对生态系统、景观格局和过程的影响具有较大的人为性。 三、干扰的性质 予扰具有多重性。对生态系统的影响表现为多方瑟。干扰的分布、频率、尺度、强 度和出现的周期成为影响景观格局和生态过程的重要方面。干扰的一般性质可以概括为表 2 1 【1 8 l 。 表2 1 干扰的一般性质与特点 t a b l e2 1t h eg e n e r a lk i n do fi n n u e n c ea n di t sc h a r a c t e r i s t i c s 干扰的性质含义 分布空间分布包括地理、地形、环境、群落梯度 频率一定时间内干扰发生的次数 重复间隔频率的倒数，从本次干扰发生到下一次干扰发生的时间长短 周期与上述类同 预测性有干扰的重复间隔的倒数来测定 面积大小受干扰的面积，每次干扰过后一定时间内景观被干扰的面积 规模和强度干扰事件对格局与过程，或生态系统结构与功能的影响程度 影响度对生物有机体、群落或生态系统的影响度 协同性对其他干扰的影响 干扰具有较大的相对性。自然界中发生的同样事件，在某种条件下可能对生态系统形 成干扰，在另外一种环境条件下可能是生态系统的正常波动。是否对生态系统形成干扰不 仅仅取决于干扰的本身，同时还取决于干扰发生的客体。对干扰事件反映不敏感的自然体， 或抗干扰能力较强的生态系统，往往在干扰发生时，不会受到较大影响，这种干扰行为只 能成为系统演变的自然过程。 干扰具有明显的尺度性。由于研究尺度的差异，对干扰的定义也有较大差异。如生态 系统内部病虫害的发生，可能会影响到物种结构的变异，导致某些物种的消失或泛滥，对 于种群来说，是一种严重的干扰行为，但由于对整个群落的生态特征没有产生影响，从生 态系统的尺度，病虫害则不是干扰而是一种正常的生态行为。同理，对于生态系统成为干 扰的事件，在景观尺度上可能是一种正常的扰动。干扰往往与生态系统的正常扰动相混 淆。其实，干扰与扰动在空间尺度和对生态系统的影响程度上均有较大差异。扰动一般是 指系统在正常范围内的波动，这种波动只会暂时改变景观的面貌，但不会从根本上改变景 观的性质。干扰是指系统中一些发生的不可预知的突发事件，它对生态系统的影响可能是 大范围的或局部的，但这种影响均超出了系统正常波动的范围，干扰过后，自身无法恢复 到原有的景观面貌，系统的性质将或多或少地发生变化。扰动往往具有一定的规律可循， 具有可预测性；而干扰是不可预测的。n e i l s o n 将二者归为一类，认为二者的区别在于前 者为破坏性的，后者为一般意义上的环境波动行为a 在自然界，干扰的规模、频率、强度 和季节性与时空尺度高度相关。通常，规模较小、强度较低的干扰发生频率较高，而规模 较大、强度较高的干扰发生的周期较长。前者对生态系统的影响较小，而后者所产生的生 态环境影响较大。 1 2 干扰又可以看作是对生态演替过程的再调节。通常情况下，生态系统沿着自然的演替 轨道发展。在干扰的作用下，生态系统的演替过程发生加速或倒退，干扰成为生态系统演 替过程中的一个不协调的小插曲。最常见的例子如森林火灾，若没有火灾的发生，各种森 林从发育、生长、成熟一直到老化，经历不同的阶段，这个过程要经过几年或几十年的发 展，一旦森林火灾发生，大片林地被毁灭，火灾过后，森林发育不得不从头开始，可以说 火灾使森林的演替发生了倒退。但从另一层含义上，又可以说火灾促进了森林系统的演替， 使一些本该淘汰的树种加速退化，促进新的树种发育。干扰的这种属性具有较大的主观性 主要取决于人类如何认识森林的发育过程。另一个例子是土地沙化过程，在自然环境影响 下，如全球变暖、地下水位下降、气候干旱化等，地球表面许多草地、林地将不可避免地 发生退化，但在人为干扰下，如过度放牧、过度森林砍伐，将会加速这种退化过程，可以说 干扰促进了生态演替的过程。然而通过合理的生态建设，如植树造林、封山育林、退耕还 林、引水灌溉等，可以使其向反方向逆转。 干扰经常是不协调的。干扰常常是在一个较大的景观中形成一个不协调的异质斑块， 新形成的斑块往往具有一定的大小、形状。干扰扩散的结果可能导致景观内部异质性提高， 未能与原有景观格局形成一个协调的整体。这个过程会影响到干扰景观中各种资源的可获 取性和资源结构的重组，其结果是复杂的、多方面的。 干扰在时空尺度上具有广泛性。干扰反映了自然生态演替过程的一种自然现象，对于 不同的客体，干扰的定义是有区别的，但干扰存在于自然界的各个尺度和各个空间。在景 观尺度上，干扰往往是指能对景观格局产生影响的突发事件，而在生态系统尺度上，对种 群或群落产生影响的突发事件就可以看作干扰，而从物种的角度，能引起物种变异和灭绝 的事件就可以认为是较大的干扰行为。 2 2 干扰的景观生态学意义 长期以来，干扰的景观生态学意义一直未引起生态学家的重视，主要是因为以前生态 学家更多考虑的是生态系统的平衡和稳定，关注生态演替中顶级群落的发展和形成。随着 研究深入，发现干扰在物种多样性形成和保护中起着重要作用，适度的干扰不仅对生态系 统无害，而且可以促进生态系统的演化和更新，有利于生态系统的持续发展。在这种意义 上，干扰可以看作是生态演变过程中不可缺少的自然现象。干扰的生态影响主要反映在景 观中各种自然因素的改变，例如火灾、森林砍伐等干扰，导致景观中局部地区光、水、能 量、土壤养分的改变，进而导致微生态环境的变化，直接影响到地表植物对土壤中各种养 分的吸收和利用，这样在一定时段内将会影响到土地覆被的变化。其次，干扰的结果还可以 影响到土壤中的生物循环、水分循环、养分循环，进而促进景观格局的改变。 2 2 1 干扰与景观异质性 景观异质性与干扰具有密切关系。从一定意义上说，景观异质性可以说是不同时空尺 度上频繁发生干扰的结果。每一次干扰都会使原来的景观单元发生某种程度的变化，在复 杂多样、规模不一的干扰作用下，异质性的景观逐渐形成。f 0 m m 和g 0 r d o n 认为，干 1 3 扰增强，景观异质性将增加，但在极强干扰下，将会导致更高或更低的景观异质性。而一 般认为，低强度的干扰可以增加景观的异质性，而中高强度的干扰则会降低景观的异质 性。例如山区的小规模森林火灾，可以形成一些新的小斑块，增加了山地景观的异质性，若 森林火灾较大时；可能烧掉山区的森林、灌丛和草地，将大片山地变为均质的荒凉景观。 干扰对景观的影响不仅仅决定于干扰的性质，在较大程度上还与景观性质有关，对于干扰 敏感的景观结构，在受到干扰时，受到的影响较大，丽对干扰不敏感的景观结构，可能受 到的影响较小。干扰可能导致景观异质性的增加或降低，反过来，景观异质性的变化同样 会增强或减弱干扰在空间上的扩散与传播。景观的异质性是否会促进或延缓干扰在空间的 扩散，将决定于下列因素：干扰的类型和尺度；景观中各种斑块的空间分布格局； 各种景观元素的性质和对干扰的传播能力；相邻斑块的相似程度“9 1 。 2 2 2 千扰与景