森林景观生态原理

第十一章森林景观生态原理 本章提要 理解并掌握 景观的美学 地理学 生态学概念及森林景观的概念 斑块的类型 形态特征及功能 廊道的起源 类型 功能 本底的特征及其意义 网络的特征及其意义 了解 景观生态学的主要特点及景观要素类型 景观异质性及景观格局 森林景观结构指标 景观过程与景观功能 景观生态过程 学习方法在于 知识累积 思维方式的深化 一种能力 一种方法 11 1景观和景观生态学11 1 1景观和森林景观的概念11 1 2景观生态学及其特点11 2景观要素11 2 1景观要素的概念和类型11 2 2斑块11 2 3廊道11 2 4本底11 2 5网络和结点 11 3景观结构和格局11 3 1景观异质性和格局11 3 2森林景观结构11 4景观过程和景观功能11 4 1景观生态过程11 4 2景观功能11 5景观动态11 5 1景观稳定性11 5 2景观变化的动力 景观 景观 Landscape 是一个非常大众化的词汇 同时也是一系列相关学科的研究对象 景观在英语中多含义 有美学的 文化的 地理 专业的 空间上 大尺度 小尺度 毛虫相片 11 1 1景观和森林景观的概念 1 1 1景观的美学概念景观 landscape 最早的概念属于视觉美学意义上的概念 一片或一块乡村土地 陆地上的自然景色 描述自然人文景象 美学风景 感知的景观 山水 美学意义上的景观概念 直接从人类美学观念和身心享受出发来认识客体的特征 进行景观要素的分类 美学评价 并探索协调性的变化和维护 1 1 2景观的地理学概念 源于德国德国洪堡德 AlexanderHumboldt 地球表面一个特定区域的总体特征 贝尔格 C Beepr 类型方向和区域方向 群落之群落 佐讷维尔德 Zonneveld landscape land人类的栖息地 地理学 是地球表面地貌 气候 土壤 生物所形成的综合体 发生上是立的 是地表在地带性和非地带性方面最一致的地域地段 具有自己的形态 单位的质和量的对比关系 并以此与其相邻景观区别 1 1 3景观的生态学概念 创始人 德国著名生物学和地理学家特罗尔 CarlTroll 1939 将地圈 生物圈和智慧圈的人类建筑和制造物综合在一起的 供人类生存的总体空间可见实体 福尔曼 Forman 和戈德伦 Godron 认为 景观是指由一组以类似方式重复出现的 相互作用的态系统所组成的异质性陆地区域其空间尺度在数千米到数十千米范围 狭义的景观 是指一般在几平方千米到数百平方千米范围内 由不同类型的生态系统以某种空间组织方式组成的异质性地理空间单元 广义的景观 没有地域空间范围的原则性限定 表示由不同类型的生态系统组成的异质性地理空间单元 要科学准确科学地理解景观的现代概念必须把握以下4个关键特征 1 景观是一个生态学系统 2 景观是具有一定自然和文化特征的地域空间实体 3 景观是异质生态系统的镶嵌体 4 景观是人类活动和生存的基本空间 1 1 4森林景观 森林景观是以各种类型或不同演替阶段的森林生态系统为主体构成的一类景观 森林景观是集参观 游览 娱乐 科教于一身 融人文与自然于一体的森林 将森林要素按美学观点完美结合而构成的画面 通过人的感官给予的美的感受 就是森林景观 11 1 2景观生态学及其特点 景观生态学发展简史1 萌芽阶段 酝酿阶段 史前阶段 19世纪80年代至20世纪30年代2 形成阶段20世纪40年代至70年代3 发展阶段以1982年国际景观生态学会IALE的成立为标志进入起发展阶段 1 2 1景观生态学的概念德国地理学家特罗尔 是生物学和地理学的结合福尔曼 R T T Forman 与戈德伦 G R Godron 景观生态学是以景观为对象 研究其结构 功能及变化的生态学科 徐化成 研究内容不仅包括景观的结构 功能和变化 还包括景观的规划管理 景观生态学是以景观为研究对象 重点研究景观的结构 功能和变化以及景观的科学规划和有效管理的一门宏观生态学科 其研究内容包括4个方面 景观结构 即景观组成单元的类型 多样性及其空间关系 景观功能 即景观结构与生态学过程的拓扑作用或景观结构单元之间的拓扑作用 景观动态 即景观在结构和功能方面随时间推移发生的变化 景观规划与管理 即根据景观结构 功能和动态及其相互制约和影响机制 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 措施和对策 图1 景观生态学研究的主要对象 内容及一些基本概念和理论 1 2 2 景观生态学的特点 1 整体观和系统观 强调研究对象的整体特征和系统属性 2 异质性和尺度性 空间复杂性和变异性 研究对象的时间和空间维度 分辨率 范围 3 综合性和宏观性 宏观尺度问题 高度的空间综合能力 4 目的性和实践性 来源于现实景观管理中的实际问题 研究成果须在实践中得到应用 11 2景观要素 2 1景观要素的概念和类型2 1 1景观要素景观要素 生态学和自然地理学性质各异 而形态特征和空间分布特征相似的景观结构单元 注意 景观和景观要素的区别 表1景观和景观要素异同 2 1 2景观要素的类型 福尔曼 Forman1995 提出的斑块一廊道一本底模型中 将各类景观要素归结为 斑块 patch 廊道 corridor 本底 matrix 三类景观结构成分 用来描述和分析景观的结构和景观要素的功能性特征 表2人类文明演进与景观结构演变 11 2 2斑块 2 2 1斑块的概念 1 Levin Paine 1974 一个均质背景中具有边界的连续体的非连续性 2 Wiens 1976 一块与周围环境在性质上或外观上不同的表面积 3 Roughgarden 1977 环境中生物或资源多度较高的部分 4 Pickeet White 1985 斑块意味着相对离散的空间格局 其大小 内部均质性及离散程度不同 5 Forman Godron 1986 强调小面积的空间概念 为 外观上不同于周围环境的非线性地表区域 它具有同质性 是构成景观的基本结构和功能单元 6 Kotliar Wiens 1990 与周围环境不同的表面积 7 邬建国等 1992 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 2 2 2斑块的起源环境资源斑块 景观中环境资源的异质性而形成的斑块干扰斑块 在一个同质的景观本底内由于发生局部干扰所形成的斑块就是干扰斑块 残存斑块 当同质景观的本底发生大面积干扰时 只有局部地段得以保持原有状态或受到的干扰较轻 与其周围地段形成明显差异 即形成残存斑块 引入斑块 人类有意识地对景观进行改造和建设 将当地原来没有的景观要素引入到景观中来 并通过人类活动的干预或物质 能量的投入使其得以保存 这类斑块属于引入斑块 引入斑块包括种植斑块和聚居地 环境资源斑块 环境资源斑块 干扰斑块 残存斑块 引入斑块 2 2 3斑块的形态特征 1 斑块大小斑块大小是指斑块的面积 对于同一类型景观要素斑块来说 可以用斑块的平均面积 斑块面积结构 粒级结构 和斑块面积的各种统计量加以描述和分析 2 斑块形状 圆形和扁长形斑块 环状斑块 半岛 内缘比率 interiorratio 斑块面积与周长的比值 2 2 4斑块的功能斑块的功能主要取决于斑块作为景观要素的属性 对于同一类型的景观要素斑块 其功能还受斑块大小 形状的影响 更为重要的是它还要受斑块在整个景观中的空间分布模式及其与其他景观要素的空间配置关系的影响 11 2 3廊道 也称为廊带 廊道是斑块的一种特殊形式 是指与两边的景观要素或本底有显著区别的带状地段 廊道既可以是孤立的 也可以与某种类型斑块相连接 既可以是天然的 也可以是人工的 2 3 2廊道的起源 三纵四横廊道 干扰廊道 残余廊道 环境资源廊道 种植廊道 2 3 3廊道的特征及其意义 1 廊道的类型按起源分 人工廊道和自然廊道 按功能分 为河流廊道 输水廊道 渠道 物流廊道 能流廊道按廊道宽度分 线状廊道和带状廊道 2 廊道的功能 廊道的功能 纵向的通道功能 横向的屏障功能 过滤功能 观赏美学功能 其他社会经济功能 3 廊道的结构 曲度 宽度 连接度或连通性 内环境 11 2 4本底 本底 基质 模地或背景 其中面积最大 连接度最高 对景观功能的控制作用最强的景观要素 2 4 2本底的特征及其意义 1 相对面积最大 2 连通性最高 3 动态控制作用最强 11 2 5网络和结点 2 5 1网络的概念廊道的相互连通或交叉就可以形成网络 道路 沟渠 防护林带 树篱等均可形成网络 2 5 2网络的起源人工网络 防护林网 道路网 灌溉渠道网自然网络 河流 动物通道 2 5 3结点结点是网络中网带的交点 连接点或者终点 2 5 4网络的特征及其意义 1 网络格局和网络连通性方格状网络和树枝状网络是最为常见和普遍分布的网络景观类型 连通性是网络的重要特征 是反映网络连接关系和网络复杂度的一个指标 2 网眼大小在研究中人们把网带间的平均距离或网络所包围的景观要素的平均面积称为网眼的大小 网眼大小与物种之间的关系比较复杂 物种对网眼大小相当敏感 3 结点特征和网带结构结点特征和网带结构都属于生态系统水平上的问题 都属于特定类型的生态系统 具有组成结构 垂直结构 发育阶段等方面的特点 同时 结点斑块的大小和形状 网带的宽度和横向纵向结构都对整个网络的结构和功能有显著影响 11 3景观结构和格局 3 1 1景观异质性 1 概念空间异质性是指某种生态学属性或变量在空间分布上的不均匀性及复杂性 景观空间异质性包含景观空间构成异质性 空间构型异质性和空间关系异质性 高度异质的景观是由丰富的景观构成和对比度高的分布格局共同决定的 2 来源和意义来源 主要是环境资源异质性 生态演替和干扰 意义 不仅是景观结构的重要特征和决定因素 而且对景观的功能及其动态过程有重要影响和控制作用 决定着景观的整体生产力 承载力 抗干扰能力 恢复能力 对景观的生物多样性也有重要影响 景观异质性可以影响资源 物种 或干扰其在景观上的流动与传播 进而对景观功能过程产生显著影响 异质性与稳定性的关系 在一定范围内 增加系统的多样性将有利于提高其稳定性 这一点在景观尺度上有更明显的表现 由于景观的空间异质性能提高景观对干扰的扩散阻力 缓解某些灾害性压力对景观稳定性的威胁 并通过景观系统中多样化的景观要素之间的复杂反馈调节关系使系统结构和功能的波动幅度控制在系统可调节的范围之内 景观的异质性和同质性景观异质性是绝对的 它存在于任何等级结构的系统内 同质性 homogeneity 是相对的 在某一尺度上的异质空间 而在比其低一层次 或小一尺度 上的空间单元 或斑块 是相对同质的空间单元 3 景观异质性的测度 3 1 2景观格局 1 概念景观格局 landscapepattern 景观生态学中的格局是指空间格局 一般指大小和形状不一的景观斑块在空间上的配置 景观格局和景观异质性是一个问题的两个方面 景观异质性重点说明景观具有的这种属性 而景观格局则重点说明这种属性的具体表现形式 2 景观格局类型斑块镶嵌格局 网状格局 指状交错格局和棋盘状格局 3 景观格局分析常用的分析方法有 趋势面分析法空间自相关分析法地统计分析法空间关联度分析法梯度分析法 11 3 2森林景观结构 3 2 1森林景观结构指标森林在景观水平上的理想结构 是当今森林资源经营管理和森林生态学研究的热点问题 在森林可持续经营研究领域也受到重视 并逐步提出一些理论 原则和模型 3 2 2森林景观结构特点与破碎化森林景观的林分类型结构 年龄结构和粒级结构是森林景观的重要结构特征 1 林分类型结构 2 林分年龄结构 3 森林景观粒级结构 4 森林景观破碎化与森林经营 1 林分类型结构森林景观中林分斑块类型结构就是森林景观的树种结构 由自然立地条件和自然干扰状况决定的森林景观树种结构一般是适宜于景观自然地理过程和生态过程的异质性动态镶嵌稳定结构 在人为经营管理下的森林景观则更多地取决于经营措施 2 林分年龄结构在未受人为干扰的原始林中 森林景观的年龄结构决定于自然干扰的种类及其特点 在人为经营的地区 森林的年龄结构决定于轮伐期的长短和整个轮伐期中森林采伐量的时间分配 经典法正林模型广义法正林模型 3 森林景观粒级结构森林景观的粒级结构就是森林景观中森林斑块大小的结构 在原始天然林中 环境资源的异质性 自然干扰类型和景观的自然植被演替阶段共同决定着森林景观的粒级结构 在人为经营的森林景观中 森林采伐方式是对景观粒级结构影响最大也最直接的森林经营活动 4 森林景观破碎化与森林经营森林是全球重要的陆地生物栖息地 包含着大量的生物多样性 森林破坏和采伐对生物多样性保护的严重威胁不仅在于森林面积的净减少使生境面积减少 还由于生境破碎化使生境质量下降 乃至由于生境斑块面积太小而失去作为某些物种生境的作用 11 4景观过程和景观功能 11 4 1景观生态过程4 1 1生态过程的概念生态过程 从生态系统内部诸要素相互作用和维持生态系统运行的角度把各种活动 作用或者过程叫做生态过程 生态系统的过程强调事件或现象的发生 发展的动态特征 可以用不同的途径对生态过程进行分类 但一般来说生态系统功能都可以归结为5类主要过程 即获取 输入 生产 循环 贮存和输出 获取 输入 生态过程 生产 循环 贮存 输出 资源进入系统的过程 资源在系统内被加工或制造的过程 资源在系统内部的输送过程 资源在系统内的保存和保持 资源离开系统的过程 物质 能量和物种 信息 流动过程 4 1 2景观流的基本原理 1 景观流的动力景观水平上的生态流基本驱动力包括扩散 重力和运动3种 扩散扩散是溶质或悬浮质通过溶剂或介质由高浓度区向低浓度区的移动 属于分子的热运动 基本溶剂或介质 大气 水体基础 景观异质性 重力 物质流 重力使地球上任何质量的物质朝着降低势能的方向运动 通过势能的下降 转化为动能 推动物质沿重力梯度方向运动 运动运动是物体通过消耗自身能量从一处向另一处的移动 结果 导致高度聚集的景观格局 2 景观流的媒介风 可以携带热能 水分 气溶胶 尘埃 烟 污染物 雪 声音 种子 孢子和小昆虫等 水 包括雨 冰 地表径流 地下水 河流 洪水等 可以运输矿质养分 种子 昆虫 污泥 肥料和有毒物质 飞行动物 包括鸟类 蝙蝠 蜜蜂等 它们在羽毛上和脚上可以携带种子 孢子 昆虫 内脏也可携带种子 并通过粪便传播 地面动物 许多哺乳动物和爬行动物也可以通过表面和内脏传播种子 功能同于飞行动物 人 可以携带种子 不仅靠直接接触而粘附 因吃饭从粪便排出 并且可采用各种容器和运输工具来运输 规模可以很大 3 景观流的模型渗透模型渗透模型是研究流体在介质中运动的理论模型 临界值 渗透概率 Pc 0 5928当PPc时 流体就会发生渗透 临界阈限 criticalthreshold 景观中景观单元之间生态连接度的这个关键值 由于景观阻力的存在 随机扩散过程变成渗透过程 物质 能量和物种行为方式会有显著的不同 源汇模型 是针对生物种群动态与异质性生境斑块格局的关系提出的一个概念模型 汇斑块 sinkpatch 经常靠外来繁殖体或个体维持生存的亚种群所在的斑块 源斑块 sourcepatch 而把那些为汇斑块提供生物繁殖体和个体的斑块 11 4 2景观功能 4 2 1景观功能的多样性 木材 食品燃料 药材 4 2 3山地森林和河岸林的流域功能 1 维持景观稳定性和保持水土 2 物质和能量的输送 过滤和调节功能 3 维持河流良好的水文状况和水质 4 2 4林带对农田的保护功能 1 改善农田小气候 2 调节水分状况 3 提高作物产量 4 增加生物多样性 11 5景观动态 11 5 1景观稳定性景观稳定性问题是基于生态系统稳定性概念提出的 景观的稳定性可以从两个方面来理解 一种是从景观变化的趋势看景观的稳定性 另一种是从景观对干扰的反应来认识景观的稳定性 表3有关生态系统稳定性的概念 5 1 2景观变化与景观稳定性 景观随时间的变化模式一般可以用变化趋势 上升 下降和水平趋势 波动幅度 大范围和小范围 波动韵律 规则和不规则 3个独立参数来描述 5 1 3干扰与景观稳定性抗性 指系统在环境变化或干扰压力下不改变其原来变化特征的能力 景观受到外界干扰时变化较小 景观的抗性越强 景观的稳定性高 反之 则稳定性差 弹性 指系统属性在环境和干扰压力下会发生变化 而压力解除后系统恢复其原来状态的能力 可用系统回到原状态所需的时间来度量 恢复时间越短 景观的弹性 恢复力 越强 如果恢复时间很长 甚至无法恢复 则说明景观弹性 恢复力 差 不同的干扰状况 包括干扰源 干扰性质 干扰强度 干扰频率或周期 干扰持续期和间隔期等 会形成不同的景观结构或格局 干扰与景观格局之间的关系包括干扰在景观中的传播和扩散 干扰对景观变化的影响 不同干扰格局下的景观结构 景观格局对干扰的消除和吸收以及景观变化对干扰的适应机制等 5 1 4时空尺度与景观稳定性在景观生态学中 无论空间尺度或时间尺度 一般都包含范围 extent 和分辨率 resolutionratio 两方面的意义大尺度 粗尺度 coarsescale 常指较大空间范围内的景观特征 往往对应于较小的比例尺和较低的分辨率 小尺度 细尺度 finescale 则常指小空间范围内的景观特征 往往对应于较大的比例尺和较高的分辨率 1 景观稳定性的时间尺度时间尺度 temporalscale 是指某一过程和事件的持续时间长短和考察其过程和变化的时间间隔 即生态过程和现象持续多长时间或在多大的时间间隔上表现出来 2 景观稳定性的空间尺度空间尺度 spatialscale 一般是指研究对象