（环境工程专业论文）基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究——以民勤县为例.pdf

兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 摘要 我国西部干旱区生态环境极为脆弱，人类活动诱发的土地沙漠化、水质恶 化、生物多样性减少等一系列生态环境问题日趋严重，景观生态学注重人类活动 对景观格局与过程的影响，为干旱区生态环境的研究提供了一条途径。景观格局 不仅体现着自然、生物和社会各种生态过程相互作用的结果，同时又决定着各种 自然环境因子在景观空间上的分布和组合，从而制约着各种生态过程。通过研究 同一地区不同时段景观空间格局的动态变化，揭示人类活动对景观的影响，找出 生态环境存在的问题，提出调控对策，最终实现景观生态的可持续发展。 本文选择在自然地理上有独特的空间分布格局，在生态上有显著的脆弱性生 境特征和演化规律的干旱区民勤县为研究对象，以景观生态学、可持续发展理论 为基础，3 s 技术为支撑，对两个时期景观空间格局及其动态变化进行量化分析。 根据景观格局分析结果，解释其中的生态过程，将景观格局分析和可持续发展评 价相结合，尝试从景观生态角度建立可持续发展评价指标体系，定量描述生态系 统所处的状态，并针对景观生态环境存在的问题，提出了对策与建议。 景观格局分析表明：民勤县整体景观呈现出沙地、戈壁景观为主体，旱地、 林地、草地、水库坑塘、农村居民点、盐碱地景观类型的斑块散布在其内的聚集 分布型的景观。斑块数和斑块面积分布不均匀，差异明显；低覆盖度草地、旱地 和沙地边界密度较高，对整个地区景观有较高程度的影响；由于人类活动的干扰， 农村居民点和建设用地的入侵，使景观形状变得较为复杂和不规则，景观整体多 样性较低，聚集度和破碎度较大。m a r k o v 预测表明，当景观的变化达到相对稳 定状态的时候，水体景观的比率偏低，农村居民点又过高，整体景观分布不协调。 景观生态可持续发展研究表明民勤县景观生态系统处于传统发展状态，尚存 在生态系统脆弱，景观多样性低、破碎化高，经济发展与维持景观稳定性相冲突 等问题，制约了景观功能的发挥，为了使系统摆脱困境向良性循环方向转变，有 效发挥景观功能，走上可持续发展的道路，最后针对以上问题提出了调控对策与 建议。对该区实现可持续发展和生态环境改善有着重要的意义，也望对类似干旱 区的相关研究产生积极影响。 关键词：景观格局；动态变化；可持续发展；民勤县 兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 a b s t r a c t t h ee c o l o g i ce n v i r o n m e n ti sv e r yf r a g i l ei nt h ew e s ta r i dr e g i o no fc h i n a ，a s e r i e so fe c o l o g i c a le n v i r o n m e n tp r o b l e m sw h i c hw e r ei n d u c e db yh u m a na c t i v i t i e s b e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s ，s u c ha sd e s e r t i f i c a t i o r t , w a t e rq u a l i t yd e t e r i o r a t i o n a n dd e c l i n ei nb i o d i v e r s i f y l a n d s c a p ee c o l o g yp a ya t t e n t i o nt ot h ei n f l u e n c ec a u s e d b yh u m a na c t i v i t yb e t w e e nl a n d s c a p ep a t t e r na n dp r o c e d u r e ，i tp r o v i d e saw a y t ot h e r e s e a r c ho fa r i da r e ae c o l o g i ce n v i r o n m e n t l a n d s c a p ep a t t e r nn o to n l ye m b o d i e st o t h er e s u l to fn a t u r e ，c r e a t u r ea n dv a r i o u ss o c i a li n t e r a c t i o no fe c o l o g i c a lp r o c e s s ，i t a l s od e c i d et h ed i s t r i b u t i o na n dc o m b i n a t i o no fv a r i o u sn a t u r a le n v i r o n m e n tf a c t o r so n l a n d s c a p es p a c e ，t h u si tc o n s t r a i nv a r i o u se c o l o g i c a lp r o c e s s i tc a n s h o wt h ei n f l u e n c e o fh u m a na c t i v i t yt h r o u g hr e s e a r c h i n go nt h el a n d s c a p ec h a n g ea td i f f e r e n tt i m e so f t h eo fs a m er e g i o n ，t h e nf i n do u tt h ee x i s t e dp r o b l e m s ，p u tf o r w a r dc o u n t e r m e a s u r e s t oa c h i e v el a n d s c a p ee c o l o g ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t b a s e do nt h et h e o r i e so fl a n d s c a p ee c o l o g ya n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tt h o u g h 3 st e c h n o l o g y ，t h ep a p e rc h o o s eat y p i c a la r i da r e a s m i n q i na st h em o d e lw h i c h h a v es p e c i a l s p a t i a lp a t t e mi np h y s i c a lg e o g r a p h ya n dd i s t i n c tf r a g i l e h a b i t a t c h a r a c t e r i s t i ca n de v o l u t i v el a wi nh a b i t a t i o n ，c a r r yo nq u a n t i t a t i v ea n a l y s i st ot w o p e r i o dl a n d s c a p ep a t t e r na n di t sd y n a m i cv a r i e t y a c c o r d i n gt ot h er e s u l to fl a n d s c a p e p a t t e r na n a l y s i st oe x p l a i nt h ee c o l o g i c a lp r o c e s s e s ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xs y s t e mo f l a n d s c a p ee c o l o g ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tw a se s t a b l i s h e dt h e nd e s c r i b e dt h es t a t e o fe c o l o g i c a ls y s t e m ，a n d - p u tf o r w a r ds o m es u g g e s t i o n sa n ds o l u t i o n si nc o n n e c t i o n w i t ht h ee x i s t e dp r o b l e m so fe n v i r o n m e n t ， t h ea n a l y s i so fl a n d s c a p ep a a e r ns h o wt h a tt h ew h o l el a n d s c a p ec h a r a c t e r sa l e d r yl a n d ，w o o d l a n d ，l a w n ，r e s e r v o i rp i tp o n d ，v i l l a g em o s t l yc o n g r e g a t e di nt h e m a i np a r to f d e n ea n dg o b i t h ep a t c hn u m b e ra n da r e au n e v e nd i s t r i b u t i o na n dt h e d i f f e r e n c ei so b v i o u s l y ；t h eb o u n d a r yd e n s i t yo fl o w o v e r l a yl a w n , d r yl a n da n dd e n e a r eh i g h e ra n dh a v eh i g h e ri n f l u e n c et ot h ew h o l er e g i o n ；b e c a u s eo ft h ei n t e r f e r e n c e o fh u m a na c t i v i t i e s ，t h ei n v a d eo fv i l l a g ea n dc o n s t r u c t i o n ，t h es h a p eo fl a n d s c a p e b e c o m ec o m p l e xa n di r r e g u l a r , t h el a n d s c a p ed i v e r s i t yi n d e xi sl o w e r ，l a n d s c a p e h 兰州大学硕士学位论文 基于景观格局分析的干早区可持续发展研究 d o m i n a n ti n d e xa n d f r a g m e n t a t i o ni n d e xa l eh i g h e r t h em a r k o vf o r e c a s t i n gs h o wt h a t t h er a t eo fw a t e ri sl o w e r ，t h er a t eo fv i l l a g ei sh i g h e ra n dt h ew h o l el a n d s c a p ei s d i s t r i b u t ed i s h a r m o n yw h e nl a n d s c a p ec h a n g ea t t a i n st os t a b i l i t yc o n d i t i o n t h er e s e a r c ho nl a n d s c a p ee c o l o g ys u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts h o wt h a tm i n q i n c o u n t yl a n d s c a p ee c o l o g i c a ls y s t e mi si ns t a t eo f t r a d i t i o nd e v e l o p m e n t ，a n ds t i l le x i s t m a n yp r o b l e m s ，s u c h a se c o l o g i c a ls y s t e mf r a i l t y ，l o w e rl a n d s c a p ed i v e r s i t y ，h i g h e r f r a g m e n t a t i o n ，e c o n o m i cd e v e l o p m e n tc o n f l i c tw i t hk e e pl a n d s c a p es t a b i l i t yw h i c h r e s t r i c t e dl a n d s c a p ef u n c t i o nt op l a y ，i no r d e rt om a k es y s t e mg e ta w a yf r o m p r e d i c a m e n tt ov i r t u o u sc y c l ed i r e c t i o na n dk e e pl a n d s c a p ee c o l o g ys u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ，s o m es u g g e s t i o n sa n dc o u n t e r m e a s u r e st os o l v et h e s ep r o b l e m sa r e p r o p o s e d i t si m p o r t a n tt oa c h i e v es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ta n di m p r o v ee c o l o g i c e n v i r o n m e n t ，a l s oh o p ei th a v ep o s i t i v ei n f l u e n c ef o rc o r r e l a t i o n a ls t u d yo fs i m i l a r a r i dr e g i o n k e y w o r d s ：l a n d s c a p ep a t t e r n ；d y n a m i c sv a r i a t i o n ； s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t ； m i n q i nc o u n t y l 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文h 是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塞：3 墨盈 日 期：型坌：主 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州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，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：盟墨函导师签名：墨殖日期：幽雩 兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 1 前言 1 1 立题背景及研究意义 干旱区存在的生态环境问题，可以归纳为人类活动强烈干扰自然生态系统的 过程中，生态环境体系出现不稳定波动而显著退化，在区域上出现两种密切相联 的不同景观格局变化，一方面在靠近水源和流域中上游地带，农耕发达，一般形 成集约化、灌溉系统完善的农田景观；另一方面，在远离水源或流域中下游地带， 则随水资源被袭夺程度的不断提高，天然生态体系破坏不断加剧，景观由高度破 碎化的天然植被向优势度高的荒漠化景观发展。这种区域上景观类型与格局的变 化，是干旱区生态环境演变的具体表现，如何控制这种演变，并使自然生态系统 与人类生态系统实现生物共生与可持续协调是干旱区可持续发展研究始终需要 解决的问题。 景观生态学注重人类活动对景观格局与过程的影响，为干旱区生态环境的研 究提供了一条途径。景观格局是复杂的物理、生物和社会因素相互作用的结果。 同时也影响着许多生态过程。对于某一区域景观格局的研究，是揭示该区域生态 状况及空间变异性特征的有效手段，还可以揭示与生态过程相关的区域资源环境 问题。对景观格局变化研究，是进行景观生态学评价、景观生态设计管理等的基 础，对于理解自然一经济社会复合生态系统的演变趋势，建立可持续发展模式， 具有重要理论与现实意义。 本论文以景观生态学、可持续发展理论为依据，以民勤县典型的于旱区为例， 利用1 9 8 0 年和2 0 0 0 年两期遥感资料( t m 数据) ，分析景观格局特征和动态变化 情况，进而描述其中的生态过程，尝试从景观生态角度建立评价指标体系，采用 集对分析模型对民勤县进行景观生态可持续发展定量评价，并针对景观生态环境 存在的问题，提出了调控对策及建议。从而为该区合理利用景观，调整人类活动 的力度和方式，保障生态安全提供科学依据，为该区进行景观设计、管理和景观 生态建设提供决策依据，对于该区实现可持续发展和生态环境改善都有着重要的 意义，也望对类似干旱区的相关研究产生积极影响。 兰州大学硕士学位论文基于录观格局分析的干旱区可持续发展研究 1 2 景观格局研究综述 1 2 1 国外景观格局研究进展 当前国外景观格局研究的相关文献以美国居多，主要包括：( 1 ) 对景观格局 理论问题的探讨如n a v e h 和l i e b e r m a n ，f o r m a n 和g o r d o n 卜3 】等为景观格局研 究提供了良好的概念基础，t 1 蛐e r 【4 】等对干扰主题进行了研究。( 2 ) 对景观格局 的尺度问题的研究，如k r u m m e l ，o n e i l l 以及t u r n e r t 4 6 】等对生态过程、尺度和 景观格局指数的关系进行研究，以确定在不同尺度上如何选取适宜的指数来描述 当前景观格局、生态过程和选用适当参数预测景观格局。( 3 ) 对新的研究手段与 技术的应用研究，如应用空间统计学方法研究景观格局与尺度问题，以s a n d r aj ， t u r n e r t 7 1 研究为代表对遥感和地理信息系统的研究，如i v e r s o n , m i l n e t 3 ，9 】等以遥 感和地理信息系统为工具，对景观格局的变迁过程进行了分析，其中对景观时空 变化的研究方法也是格局研究的重要方向。( 4 ) 对建立空间模型方法的研究，如 r o b e rh 、g a r d n e r 和r o b e r tv 、o n e i l t l o 川】建立了神经模型来研究景观格局对物 种丰富度的影响，其它如地理模型、人口和生态系统动态模型等均是景观格局与 生态过程的数量化方法。( 5 ) 随着科学和技术的迅速发展，尤其是遥感技术和地 理信息系统的发展，景观格局的动态变化研究已成为研究的重要领域。其中， o d u mep 和t u r n e rm g ( 1 9 9 0 ) 在g o r g i a 州5 0 年的景观动态变化进行研究( o d u m ep ，t u r n e rmg1 9 9 1 ) ； k i i r aa v i k s o o ( 1 9 9 3 ) 研究了e s t o n i a 泥炭地景观动态； k i e n a s tf ( 1 9 9 3 ) 运用地理信息系统分析了瑞士景观格局：l u q u ess 和l a t h r o p r g ( 1 9 9 4 ) 对美国新泽西州松林景观空间和时间的变化进行了研究；m e d l e rke 和o k e ybw ( 1 9 9 5 ) 对美国o h i o 州的农业景观进行了结构变化研究：v o sw 对意 大利s o l a n o 盆地1 9 3 5 1 9 8 5 年土地利用状况进行了对比研究( v o s w , 1 9 9 3 ) ；f o x j 通过量化分析热带雨林变化的时空格局，来说明白然、生物和社会经济参数对 泰国高地雨林的控制作用的研究( f o xj ，1 9 9 5 ) 。 1 2 2 国内景观格局研究进展 在我国，景观生态学的研究起步较晚，对景观格局、景观动态的研究居多， 2 兰州大学硕士学位论文 基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 内容基本涵盖美国景观格局研究的范围，但方法和手段相对落后，研究深度与国 际先进水平相比还存在相当的距离，比较典型的研究包括：高琼、李建东【1 2 】利用 多样性指数和空间格局指数来解释和预测景观发展动态及其对气候变化响应的 可能性、运用空间仿真的方法，对东北松嫩平原碱化草地景观动态变化进行了模 拟；傅伯杰【1 3 】用地理信息系统、分维分析和统计分析相结合，研究了黄土区农业 景观空间格局；傅伯杰、陈利顶【1 4 1 论述了景观多样性的生态意义，提出景观类型 多样性与物种多样性的关系呈正态分布：张金屯、邱扬、郑风英1 1 5 】提出景观格局 的数量研究方法；王宪礼、肖笃宁【1 6 1 利用r s 、g i s 手段对辽河三角洲湿地景观 的格局与异质性进行了研究；王仰麟【l 7 】着力于农业景观格局和过程的研究，提出 其研究趋势为：理论的规范化、方法的定量化及实证内容的广泛化；常学礼、邬 ，建引1 8 】用修改分维数、分维数和直观多样性指数方法、对科尔沁沙地不同沙漠化 土地景观空间格局进行了研究，认为修改分维数比分维数和景观多样性能更好的 描述景观和空间格局；宗耀光【1 9 1 以北京为例，研究了城市景观生态规划中的廊道 效应，对人工廊道效应和自然廊道进行了论述；程国栋、肖笃宁、王根绪 2 0 1 分析 了干旱区景观结构特点与景观生态过程的荃本特征，从景观生态学角度提出了干 旱区生态环境建设研究的理论与方法以及生态建设的策略；郭晋平、张云香 2 q 在a r c i n f o 支持下，对关帝山森林景观各景观要素空间关系进行了分析，从 一个侧面揭示了研究地区景观格局的控制因素，掌握了研究地区森林景观要素空 间分布的基本规律；田光进、张增祥 2 2 1 等根据1 9 8 6 、1 9 9 6 和2 0 0 0 年三期t m 遥 感图像得到海口市景观变化情况，利用景观生态学的数量方法，研究城市化过程 中城市及其外围区域景观结构的动态变化过程；宋治清、王仰麟 2 3 1 ，对城市景观 及其格局的生态效应进行了研究；彭建、王仰麟、张源1 2 4 1 选取2 4 种常用景观格 局指数，探讨了景观格局指数随土地利用分类系统变化的基本规律：李详、王心 源【2 5 】利用1 9 9 6 年和2 0 0 3 年2 个时期的l a n d s a t 。t m 假彩色合成影像作为信息源， 在遥感和地理信息系统的支持下，获取芜湖市景观类型的转化数据，确定相应的 转移概率矩阵，应用马尔科夫过程模拟士地类型景观的动态演变情况和未来演变 的趋势；王玉杰，李俊详【硐利用1 9 9 4 和2 0 0 0 年航空遥感影像资料解译的土地利 用与覆盖数据，在g i s 支持下，采用景观格局指数和梯度方法分析了上海市浦东 新区城市化过程中景观格局的变化。 3 兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 1 2 3 问题与不足 从景观格局研究内容看，研究中采用的数据来源主要包括土地利用图、植被 分布图等专题地图，航空像片，卫星数据等，并且随着遥感技术的发展，数据的 精度、时相呈越来越多样化的趋势，使得景观格局研究可在多个尺度上进行。 从研究方法看，采用景观指标法来定量研究景观格局的工作基本都采用了 g i s 、统计分析模型等先进手段，有的还采用t f r a g s t a t s 等专门软件。而采用景 观模拟和建模方法的研究还处于起步阶段【2 7 】。总体来说，我国目前景观格局方面 的研究总体上还不很成熟，从研究手段和方法上都尚需加强。 在景观格局研究中，还有一个值得注意的问题，就是已有的关于景观格局的 研究多是对格局几何特征的分析与描述，这种趋势因数字化景观数据的容易获取 和应用g i s 快速计算景观格局指数而日益明显，不与具体问题某一生态过程 相结合，使格局分析跳不出几何特征的研究范畴，这是目前景观格局研究进展缓 慢的主要原因。景观格局分析的目的不是描述景观，而是要解释和理解其中出现 的过程。景观格局作为景观生态学中的一个解释性参数( e x p l o r a t o r yv a d a b l e ) ，格 局的解释性价值比描述性价值更重要【2 川。只有针对特定的生态过程或特定的地理 位置，景观格局指数的含义与意义才能凸显出来。因此格局分析首先要明确所解 释的问题，在对某个生态过程进行考察的前提下，将景观结构与生态过程相结合 的格局分析是景观格局研究的发展方向。 1 3 可持续发展研究综述 自1 9 8 7 年w c e d 首次给出可持续发展的定义，国际社会对可持续发展的讨 论进入高潮。综观近1 0 年对可持续发展的研究，主要是在可持续发展理论基础 上进行的可持续发展实践研究和可持续发展测度研究。 1 3 1 可持续发展的实践研究 1 9 9 2 年在巴西召开的人类环境与发展大会，为全球寻求可持续发展制定了 行动框架，这标志着全人类开始了实践可持续发展的具体行动。围绕可持续发展 的实践问题，国内外各行业的专家学者不断进行了探讨。从2 0 世纪8 0 年代起， 4 兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 先后提出了可持续农业、可持续林业和可持续工业，并开展了研究 2 9 2 1 。美国 在可持续农业、可持续林业方面的研究比较深入，加拿大在可持续林业方面的研 究比较领先【3 五3 4 1 。 我国在可持续发展的实践研究方面也取得了一定的成果。赵景柱利用复合生 态系统的理论【3 5 】提出通过生态区划、生态规划、生态管理来实践伊春社会经济可 持续发展的思想p 6 】。潘存德提出“通过空间等级系统是实践可持续发展的途径”， 认为中国实践可持续发展，必须在兼顾行政区划的前提下，从概念上建立新的空 间系统框架，建立以流域单元为基础的3 级等级系统，即流域一省( 自治区) 一国 家【3 7 】。张瑛山认为“实现可持续发展必须落实到区域，研究人口、经济、社会、 环境与资源的协调发展，f 3 8 1 。 1 3 2 可持续发展的测度研究 可持续发展思想提出以后，如何测度区域发展的可持续性，成了可持续发展 研究中的焦点之一。我国许多学者对区域可持续发展的测度进行了研究，各自提 出了不同的评价指标体系【3 9 4 2 。由于研究者的测度目标和所用指标的选择有赖 于所处的自然、社会、经济和文化背景，构造的指标体系是建立在每个研究者对 可持续发展概念的理解和认识基础上，因此测度方法也千差万别，而且仍处在尝 试阶段。 1 3 3 问题与不足 从可持续发展研究动态可知，国内外学者对可持发展的实践和测度研究均取 得了一定的研究成果，但目前可持续发展的各种评价方法，尚未形成评价的基本 理论，尤其在指导评价对象单元的确定、指标的选取、指标与可持续发展总体目 标的具体关系和联系、指标的权重、指标的阈值、综合评价方法等仍需要进一步 清晰化。而且从景观生态学角度对可持续发展的研究极少。因此，从景观生态学 角度研究可持续发展问题将是一个新的研究领域和研究方向。 兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 1 4 本研究解决的问题 借鉴上述研究成果，本文尝试从景观生态学角度研究干旱区可持续发展问 题，核心思想是从各种景观要素空间格局分析入手，揭示这种格局下潜在的生态 过程。将空间格局分析与可持续发展评价结合，在充分考虑了景观格局变化影响 因子的前提下，从景观生态角度建立评价指标体系，鉴于可持续发展评价方法存 在的不足之处，采用集对分析模型对民勤县进行景观生态可持续发展定量评价， 揭示生态系统所处的状态，进而提出调控对策与建议。通过对景观格局的调整和 重新构建，以改善受胁迫生态系统的功能，提高其稳定性，将人类活动对景观变 化的影响导入良性循环，建立一种格局合理、功能高效、关系协调的景观生态系 统，实现可持续发展。 1 5 本研究的内容、目标及路线 1 5 1 研究内容 ( 1 ) 景观格局和可持续发展研究现状、动态及发展趋势。 ( 2 ) 分析总结景观格局分析可持续发展研究理论基础，主要包括景观格局 和可持续发展内涵、景观格局分析方法和可持续发展评价方法。 ( 3 ) 以典型干旱区民勤县为例，采用民勤1 9 8 0 年和2 0 0 0 年两期t m 影像， 利用地理信息系统软件r r c v i e w 3 2 和a r c i n f 0 7 1 进行处理和分析，采用 f r a g s t a t s 3 3 软件计算景观格局指数，应用a r c v i e w 3 2 和e x c e l 等软件，建立景 - 观类型的初始转移概率矩阵，利用m a t l a b 编程，预测不同步长的类型转移概率 矩阵和稳定状态下的景观组成，进行景观格局特征和动态变化分析。 ( 4 ) 根据民勤县景观格局分析结果，解释其中的生态过程，建立可持续发 展评价指标体系，采用集对分析模型进行定量评价，描述生态系统所处的状态， 并针对景观生态环境存尚存在的问题，提出了对策与建议。 ( 5 ) 总结研究成果并提出研究展望。 6 兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 1 5 2 研究目标 本文利用景观生态学、可持续发展等学科理论，应用3 s 技术从景观生态角度 对典型的干旱区民勤县进行可持续发展研究。研究目标为通过研究同一地区不同 时段景观空间格局的动态变化，对景观要素斑块之间的空间关系进行分析，反映 景观要素之间相互作用的性质、强度和方式，从无序的景观中发现潜在的有序或 规律，阐明景观要素斑块动态演替的方向，指出人类活动对现代景观格局形成的 影响。根据景观格局分析结果，解释其中的生态过程，尝试从景观生态角度建立 可持续发展评价指标体系，定量描述景观生态系统所处的状态，针对生态环境存 在的问题，提出调控对策，最终实现民勤资源的可持续利用和景观生态可持续发 展，也为相关研究提供参考。， 1 5 3 研究路线 本文研究路线见图1 1 。 7 q苫2舂oio量u3置2器研q鬣 繇瀣* 辎妖举 认摩噗越豁审口凶卧睁星嚣求喧寝鼷峨巾醐 认错掣扑书匿扑k篆州 兰州大学硕士学位论文 基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 2 理论体系 2 1 景观格局和可持续发展内涵 2 1 1 景观格局内涵 景观生态学中的格局是指空间格局，广义地讲，它包括景观组成单元的类型、 数目以及空间分布与配置【4 3 1 。1 景观格局是景观异质性的具体表现，同时又是包括干扰在内的各种生态过程 在不同尺度上作用的结果 4 4 1 。景观格局分析是揭示区域生态状况及空间变异特 征的有效手段，是研究景观功能和动态的基础，从看似无序的景观斑块镶嵌中， 发现潜在的有意义的规律【4 5 1 。景观格局是复杂的物理、生物和社会因素相互作 用的结果，同时景观格局也影响许多生态过程。 2 1 2 可持续发展内涵 目前国内同行普遍认可的可持续发展定义为：特定区域的需要不危害和削弱 其它区域满足其需求能力，同时当代人的需要不对后代人满足其需求能力构成危 害的发展p 丌。区域是地球表层人类从事社会经济活动的具有相对稳定性的地域 空间。区域可持续发展是国家乃至全球可持续发展的基础，我国干旱区约占全国 总面积的3l ，能源和矿产资源极为丰富，但支撑资源开发的生态环境极为脆 弱，由于人类活动对自然生态系统的强烈干扰，导致干旱区生态系统破坏严重， 威胁着人类赖以生存的环境，因此，对干旱区发展是否可持续研究显得尤为重要 2 2 景观格局分析方法 8 0 年代以前，景观格局分析主要是通过定性分析手段。如f o r m a n 4 6 1 在其著 作景观生态学( 1 9 8 6 ) 根据景观结构特征划分出4 种景观类型，即斑块散布 的景观、网络状景观、指状景观和棋盘状景观，4 种景观中斑块分布构型不同， 对应的基本生态过程也各异。 9 兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 8 0 年代以后，对景观格局的定量分析成为研究热点，很多定量分析方法得 以产生【4 7 9 1 ，如景观生态学指标法，转换矩阵，空间统计学方法( 如自相关分析、 r i p l e y 。sk 统计、k r i g g i n g 等) 、分形分析和半变异矩分析( s e m i v a r i o g r a ma n a l y s i s ) 等。最近引入景观生态学的方法还有小波分析和间歇度指数分析，前者用于测定 和描述空间格局在多个尺度上的特征，不要求系统平稳假设，后者不受边界的影 响，而与网格大小成分指数相关，对判别各种景观格局有显著效果【5 0 】。 近年来，在计算机上进行景观模拟研究，建立景观空间动态模型成为新的热 点。生物反馈或空间特征原理被引入，从而产生了如转移概率模型，渗透模型 ( p e r c o l a t i o nm o d e l ) ，细胞自动机模型( c e l l u l a ra u t o m a t i o nm o d e l ) 、马尔科夫模型 ( s p a t i a lm a r k o vc h a i nm o d e l ) 、梯度模型( g r a d i e n tm o d e l ) 等景观空间动态模型， 已被应用于景观格局和空间生态过程的研究【5 l ，5 2 】。 景观格局动态分析中最常用的分析方式是利用不同时段的景观资料直接进 行对比分析，从而确定研究时段内的景观特征变化情况( s k i n n e r ，1 9 9 5 ，k i e n a s t ， 1 9 9 3 ：h a l l ，1 9 9 0 ) 。其研究方法可以分为两类：一类是基于不同时段景观整体 结构的动态过程描述方法，另一类是基于景观动态变化机理的过程模拟方法。 目前，景观格局变化的分析方法主要有：转移矩阵法、景观格局指数法以及 主要以细胞自动机理论为基础的景观格局动态模拟，且这些方法主要以r s 和 g i s 为技术手段。 由于本文是从中尺度上分析景观格局变化，而细胞自动机模型的特点是把局 部小尺度上观察的数据结合到领域转化规则中，然后通过计算机模拟来研究大尺 度上系统的动态特征，因此，仅详细介绍景观格局指数和转移矩阵两种方法。 2 2 1 景观格局指数法 景观格局分析的目的不是描述景观，而是要解释和理解其中出现的过程。建 立格局与过程之间相互联系的首要问题是：如何将景观格局数量化，使景观格局 的表示更加客观、直观。要做到这点可通过3 条途径【5 3 】：( 1 ) 通过文字描述；( 2 ) 通过图、表描述：( 3 ) 通过景观指数。 景观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。通过景观指标描述景观格局具有使数据获得统计性质 1 0 兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 和能够比较分析不同尺度上的格局等优点，一直以来备受关注f 5 4 。5 1 。景观特征 可以在3 个层次上分析，一是单个斑块，二是由若干单个斑块组成的斑块类型， 三是包括若干斑块类型的整个景观镶嵌体。从而，景观格局指数也相应地分为斑 块水平指数、斑块类型水平指数和景观水平指数。斑块水平指数包括斑块的面积、 形状、边界特征等，常作为计算其它景观指数的基础，而其本身对了解整个景观 的结构并不具备很大的解释价值。斑块类型水平指数有斑块的平均面积、平均形 状指数、斑块密度、边界密度等，对描述和理解整个景观中不同类型斑块的格局 特征非常重要。景观水平指数除了各种类型指数外还有景观多样性指数、均匀度 指数i 优势度指数、聚集度指数和生境破碎化等等，这些都对整个景观特征分析 有很好的反映。 2 2 2 转移矩阵法 转移矩阵( t r a n s i t i o nm a t r i x ) 法是基于生态学中马尔可夫链的数学过程，在景 观变化中用来分析景观中各种镶嵌体的转移状况。 马尔可夫过程( m a r k o vp r o c e s s ) 是一种特殊的随机运动过程，它表明在一系 列特定时间间隔内，一个亚稳定系统由t 时刻状态向什l 时刻状态转化的一系列 过程，这种转化要求t + l 时刻状态只与t 时刻状态有关，而与以前状态无关。从 这点来说，马尔可夫过程用于分析景观格局的变化是合适的【5 6 1 。马尔柯夫模型 通过景观组分的转移矩阵，建立不同时段景观整体结构的动态联系，该方法对时 段样本的数量要求不很严格，因此成为景观动态研究中最常用的模型( t u r m e ：等， 1 9 8 8 b ；f u b 等，1 9 9 4 ：肖笃宁等，1 9 9 0 ) 。 马尔可夫模型在景观变化研究上应用，最关键在于转移概率的确定。景观的 转移概率并非恒定，往往随时间而变化。采用具有时间序列的遥感图像处理而得 到的转移概率，基本可以满足对这一概率获取的需要。由各类镶嵌体( 土地利用 类型) 的转移构成的，转移矩阵数学表达式为： 兰州大学硕士学位论文 基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 p = p n lp n 2p n 3 p n n 为景观类型i 转化为类型j 的转移概率。转移概率的每一项元素都有以下 特点： n o o 亟j _ u 。 一i ，x “0 ，s i 【2 ) 】。 x 【o ，s 1 ) 1 x s l i ，s i 2 ) 】 x 【s i ( 2 ) ，佃】 f f i ( 2 ) 的确定形式同麒( 1 ) 。 ( 2 ) 景观生态可持续发展评价指标处于级时： f 1 。 x 【s 靴s i 【2 ) 】； l 等导， 糕i s i ( 4 ) ， s i ( 3 ) ，： 2 1 l + 裂，州护一： 【 一i ， x i s i ( 1 ) ，佃域x 【o u i s4 ) 】 s 属于越小越优 x 【s i ( 2 ) 9 s i ( 3 ) 】 x 【s i ( 3 ) s i 4 ) 】 x 【s i o ，s i 2 ) 】 ； x 【o ，s i 1 ) 域x i s i 4 ) ，佃】 i ( 4 ) 的确定形式同“( 3 ) ( 3 ) 景观生态可持续发展评价指标处于v 级时： 1 3 兰州大学硕士学位论文基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 * i t 2 s 属于越大越优 1 ， x 【s q 升，s 酗) 】； 1 + 刿，x 【s i ( 4 ) ，s i ( ，) 】； 、s i ( 4 ) - - s i ( 3 ) 州7 叫。 一1 ， x i s i ( 3 ) ，+ a o 】或x 【o ，s i ( 5 ) ) s 属于越小越优 x 【s i 4 ) ，s 】 xe 【s i ( 3 ) ，s i 4 ) 】 ； x ( s i 5 ) ，+ o o l 或x 【0 ，s i ( 3 ) 】 式中：s i 0 ) 、s i ( 2 ) 、s i ( 3 ) 、s i ( 4 ) 、s i ( 5 ) 分别为景观生态可持续发展评价指标i 、 i i 、v 级的限值；x 为景观生态可持续发展评价指标的实测指标。 2 3 2 景观生态可持续发展评价级别的确定 由上述方法求得各个指标的联系度后，采用下式计算平均联系度： ，= 吉喜。 式中托表示景观生态可持续发展指标对于第j 个级别的平均联系度。 若心= m a x a 盖l 歹sm ，p 【1 ，2 ，5 】，则景观生态可持续发展评价结果为p 级。 2 43 s 技术在景观格局分析和可持续发展研究中的应用 2 4 13 s 技术在景观格局分析中的应用 景观生态学的研究对象一般为几平方公里至几百平方公里的中尺度异质性 地表区域蚴。对于这种范围较大的宏观生态学研究单元，涉及到的自然和人为 过程复杂，景观组分数量多，时空格局及变化过程复杂，故在研究中需要采集和 处理的数据量非常庞大，仅仅依靠传统的生态学调查方法难以完成。由于传统数 据采集方法具有覆盖面不全、定量化程度不高、管理困难、尺度不匹配等缺陷， 无法直接用于景观生态学研究。自上世纪八十年代以来，遥感( r s ) 、地理信 息系统( g i s ) 和全球定位系统( g p s ) 技术的引入解决了这一难题。 遥感是以物理手段、数学方法、地学分析为基础的综合性技术，具有宏观、 综合、快速的特点，强大的数据获取能力使其成为景观生态学研究中采集数据的 主要手段之一，并极大促进了景观定量研究的发展，为各种景观模型的建立与发 1 4 兰州大学硕士学位论文 基于景观格局分析的干旱区可持续发展研究 展提供了坚实的资料基础固。景观格局分析的基本过程是定量描述景观格局，建 立景观格局与功能问的相互关系。由于在分析过程中，需要大量的基础数据来全 面描述景观组分的特征，因而成为遥感技术应用最为广泛的一个领域【6 3 6 5 1 。 地理信息系统具有图形数字化、输入、查找、更新数据分析、输出信息等功 能能以地理空间数据库为基础，对空间相关数据进行管理、分析、模拟和显示。 景观生态学中常用的g i s 软件有a r c i n f o 、a r c v i e w 、m