第六七章 景观空间结构与景观异质性

第六章景观空间格局与景观异质性,第一节：景观空间格局的概念和意义第二节：景观空间格局类型第三节：景观空间格局分析第四节：景观异质性第五节：景观异质性分析,第一节：景观空间格局概念和意义,1、概念景观空间格局（landscapepattern）：特定尺度上，大小和形状各异的景观元素在空间上的排列形式。两种理解：单一要素的空间格局、景观内各种景观要素的总体空间格局。2、形成景观形成因素与各种生态过程在不同尺度上的长期相互作用结果。作用结果又反应景观形成过程和景观生态功能的外在属性。,3、景观空间格局内容景观空间格局主要包含三个方面：空间异质性、空间相关性和空间规律性。相关研究包括5个方面：P86。4、研究景观空间格局的目的从看似无序的景观斑块镶嵌中，发现潜在的有意义的规律性，最终目的是为了确定产生和控制景观格局的因子和机制，探讨格局效应。,5、意义,景观格局反应景观基本属性，与景观生态过程和功能密切相关。1）景观空间格局与景观生态过程景观空间格局一般比景观过程和功能更易把握，分析景观空间格局，是揭示景观生态过程的根本途径。通过建立景观格局与景观生态过程之间的关系模型，预测景观过程特征，开展生态监测评价，进而指导景观规划设计和建设。,景观生态学常涉及的生态学过程包括：种群动态、物种传播、捕食者和猎物的相互作用、群落演替、干扰扩散、养分循环、水分流动、物质移动等。比如河岸林的规划设计，涉及养分保持、有机碳库、河流生境保护、污染物的吸收和过滤、土壤侵蚀拦截等许多生态过程，都和河岸带景观的格局密切相关，揭示这些过程可以直接为河岸带的景观规划设计、保护管理和恢复建设提供指导。所以，景观格局与过程的关系始终是景观生态学的核心内容。,2）景观格局与尺度景观格局与过程都具有尺度依赖性，过程产生格局，格局作用于过程，两者都依赖于不同的尺度。不同尺度上表现出不同的格局，不同的尺度上发生不同的生态过程。在小尺度上探讨景观的成因机制和变化动力，在大尺度上整合其功能属性。,第二节：景观空间格局类型,1、种群空间格局(spatialpattern)：组成种群的个体在其生活空间中的位置状态或布局，称为种群空间格局或内分布型（internaldistributionpattern）。,2、空间格局的类型均匀分布（uniformdispersion）随机分布（randomorregulardispersion）成群分布（clumpedoraggregateddispersion),普通生态学上对种群分布格局的理解,随机分布:每一个体在种群领域中各个点上出现的机会是相等的，并且某一个体的存在不影响其他个体的分布。随机分布比较少见，出现随机分布的原因主要有1）环境条件比较一致；2）某一主导因子成随机分布；3）繁殖体首次入侵另一新的地点时，常形成随机分布。,均匀分布：种群内的各个体在空间的分布呈等距离的分布格局。自然界中很少会出现均匀分布。植物均匀分布主要原因：1）虫害；2）种内竞争；3）优势种成均匀分布而使其伴生植物也成均匀分布；4）地形或土壤物理性状（如水分）的均匀分布；5）自毒现象(autotoxin）等。,成群分布：种群内个体在空间分布极不均匀，呈块状或呈簇、成群分布。动物成群分布的原因：1）局部生境差异；2）气候节律性变化；3）动物的社会行为。植物成群分布形成的原因是：1）微地形的差异；2）植物种群本身的特性和与生境间的相互影响；4）繁殖特性和种子的传播方式所致；5）动物和人为活动的影响；6）植物分泌物的影响。,*Theeffectofquadratesize,Theeffectofquadratesizeontheanalysisofdispersion.(a)实际分布(b)大区块的样区，结果呈现是clumped(c)小区块的样区，结果呈现的是random,(a)WinterdistributionoftheAmericacrow,(b)Winterdistributionofthefishcrow,Populationdistributiononlargescale,Summary:Onlargerscales,individualswithinapopulationareclumped.So,itletstohotspots.,Populationdistributionpatternonsmallscale,Onsmallscales，individualswithinpopulationsaredistributioninpatternthatmayberandom，regular，orclumped.,、空间分布格局的度量分散度指标（S2）：其中，n为样方数，x为各样方中实际的个体数，m为每个样方个体平均数。如果S2=m，则为随机分布；如S2m则为集群分布；如S2=0，则为均匀分布。,扩散指标（indexofdispersion）I：I指标是现在国外学者最常用的分析种群格局的指标之一。其中,q为样方数，ni为第i个样方中出现的某物种的个体数，N为所有样方中出现的该物种个体数的总和。若物种呈随机分布，则I1.0；若物种呈聚集分布，则I1.0；若物种呈均匀分布，则I1.0。,一、景观空间格局类型对景观空间格局的认识没有一定的标准，不同目的、不同角度可以将景观格局分成不同的类型。刘茂松将其分为：均匀、聚集和随机三种格局类型。Forman和Godron将其分为：均匀、聚集、线状、平行和特定组合五种格局类型。肖笃宁：看作一个总体的异质结构。Zonneveld则划分为：镶嵌、网状、散点、点阵、带状、交替和渐变七大类格局类型，实际上属于景观格局以下的结构类型，而不属于景观格局。,本书作者在概括的基础上将其分为四大类格局，17种类型。1、均匀格局景观景观要素的间距相对一致或表现出一定渐变规律的景观。具体结构类型有：（P87-88图）1）点阵格局5）棋盘格局2）渐变格局6）网状格局3）带状格局7）环状格局4）交替格局8）碶状格局,2、聚集格局景观同一类型的景观要素斑块相对聚集在一起，在景观中形成若干较大面积的分布区，再散布在整个景观中的格局景观。可以是向某一点，或者线聚集，或者由某一点或线向外扩张的类型。具体的结构类型有：1）点集群格局4）放射格局2）线状格局5）水系格局3）交错格局6）指状格局（掌状）,3、随机格局景观所有或某一景观要素在景观内按一定的统计规律呈随机分布的格局景观。具体的结构类型有：1）散点布局2）散斑布局3）镶嵌布局4、组合格局景观两种或两种以上的格局类型同时存在的格局景观。分为两种情况（P91-93图）：1）同类景观要素形成的格局景观（少）。城市绿地景观2）不同景观要素形成的格局景观（多）。城市景观,二、Forman的理想景观格局模式Forman按“集中与分散相结合的原则”，基于空间生态理论设计的一种景观生态规划格局理想的景观格局模式。格局模式强调（中心思想）：1）集中使用土地，保持大型自然植被斑块的完整性，充分发挥其生态功能；2）引导和设计自然斑块以廊道或小型斑块形式分散渗入人为活动控制的建筑地段或农耕地段，同时在人类活动区沿自然植被斑块和廊道周围地带设计一些小的人为斑块。,这种模式具有以下7种景观生态属性（优点）：大型自然植被斑块用以涵养水源，维持关键物种的生存，为多种野生动物提供栖息地；粒度大小，既有大斑块又有小斑块，满足景观整体的多样性和局部点的多样性；注重干扰时的风险扩散；基因多样性的维持；交错带减少边界抗性；小型自然植被斑块作为临时性栖息地或避难所；廊道用于物种的扩散及物质和能量的流动。,三、景观生态安全格局不论景观是均质的还是异质的，景观中的各点对某种生态的重要性都不是一样的。其中有一些局部，点和空间关系对控制景观水平生态过程起着关键性的作用，这些景观局部，点及空间联系构成景观生态安全格局。安全格局组分对控制生态过程的战略意义可以体现在以下3个方面：1）主动优势：有利于景观全局或局部控制2）空间联系优势：有利于孤立的景观元素间建立联系3）高效优势：在物质、能量上达到经济、高效。,第三节景观空间格局分析,一、景观格局分析概念用来研究景观结构组成特征和空间配置关系的分析方法。通过研究空间格局可以更好地理解生态学过程。,1、景观格局研究的目的,确定产生和控制空间格局的因子及其作用机制；比较不同景观镶嵌体的特征和它们的变化；探讨空间格局的尺度性质；确定景观格局和功能过程的相互关系；为景观的合理管理提供有价值的资料。,二、景观格局分析的基本步骤,2、景观格局分析的基本步骤,收集和处理景观数据,数据类型养分、水、光、温度、土壤类型、生物量、种群密度、植被镶嵌体、地形、土地利用、等等数据来源野外考察、大地测量、现有地图、航空照片、卫星遥感图像、雷达图像等,景观的数字化有两种表达形式栅格化数据：以网格表示景观表面特征，每一个网细胞对应于景观表面的某一面积，而一个缀块可由一个至多个网细胞组成。矢量化数据：以点、线和多边形表示景观的单元和特征，如，一个缀块对应于一个多边形，而线段往往表示道路或河流。,景观格局分析图示,三、景观格局分析空间取样方法,由于景观生态研究的宏观性和尺度性，逐个地、全面地实测和分析几乎不可能，一般按一定规则和要求通过取样获得一定数量的样本用以推测整体。但样本要有有效性和代表性。通常采用的方法有：典型取样、机械取样、分层取样法。,四、景观空间格局的数量研究方法,景观格局数量研究方法分为三类：1、用于景观要素特征分析的景观空间格局指数斑块隔离度、斑块可及性、廊道环度、廊道曲度等。2、用于景观整体分析的景观格局分析模型3、用于模拟景观格局动态变化的景观模拟模型,聚块样方方差分析,要求：景观上的样方在空间上相互连接。观点：随聚块所包含的样方数目的增加（指数级增加），聚块间的方差值随之改变，通过方差值的变化了解景观要素的某一性质在景观中的空间结构特征。结论：P102。结果通常用坐标图表示：纵坐标为均方差，横坐标为聚块所含样方数。用途：确定景观中某一类型斑块出现的尺度大小与等级结构的变化特征。,空间自相关分析,用途：确定景观中某景观元素与相邻景观元素之间的依赖关系。数据类型：类型变量、序数变量、数量变量等。数值来源：直接观测、样本统计，但需满足正态分布，且是随机抽样而来。步骤：取样、计算自相关系数（建立函数）、检验自相关结果：负相关、一定程度负相关、不相关、一定程度正相关、很强正相关、完全正相关。P104,第四节景观异质性（Landscapeheterogeneity）,一、概述景观异质性研究已经成为当代生态学，尤其是景观生态学中的一个重要研究课题（Kereiva,1994）。Farina(1998)认为景观异质性包括3种类型：空间异质性、时间异质性和功能异质性。目前以前者为主，后两者还有待深入。Li（1995）定义为：系统或系统属性在空间上的复杂性和变异性。空间异质性包括：水平异质性和垂直异质性，但景观生态学主要集中在水平异质性的研究。景观异质性表现为空间分布的不均匀性而产生的时空耦合异质性。,二、景观异质性的概念和类型1、概念一般认为，景观异质性是指在景观中对一个物种或更高级生物组织的存在起决定作用的资源在空间或时间上的变异程度或强度。（本质上）书上：指景观系统特征在空间和时间上的不均匀性及复杂程度。（表型上）,概念的理解：1）景观系统特征不同，包括景观结构组分和景观组分（植物、动物、生物量、土壤养分等），即要素异质性。2）格局、功能以及生态过程的的时空差异与变化，即空间分布异质性。3）景观异质性随景观组分出现的频率的变化而变化P109图。,2、景观异质性的类型基于不同出的发点有不同的分类类型：1）宏观异质性（空间端点上的异质）、微观异质性（内部生态因子的异质）；2）空间异质性、时间异质性、时空耦合异质性和边缘效应异质性；3）空间异质性、时间异质性、功能异质性和基质异质性。一般来说，主要侧重于研究空间异质性和功能异质性，时间异质性一般归为景观动态来讨论。空间异质性包括3个方面：空间组成、空间构型和空间相关异质性。,三、景观异质性的形成机制对景观异质性形成机制的研究成果不多，全面分析还很困难，一般从资源环境异质性、生态演替和干扰三个方面来讨论。亦即景观异质性来源于：1）景观自然地理特征和气候因素的空间分异；2）生物群落的定居和内源演替；3）自然干扰以及人为活动的影响。,1）资源环境的空间分异地理分布、地形地貌、海陆分布、地质水文等自然物理条件的空间变异。是景观异质性形成的基础，也是其他因素叠加的基础。是异质性的决定因素。2）生态演替异质性形成的重要动力机制，导致景观要素类型的多样性和空间关系的多样性。是景观异质性的重要来源。3）干扰改变景观格局又受制于局格局。自然干扰有规律，可预测，可通过干扰格局来描述；人为干扰规模大、缺乏规律、难以预测。景观异质性的主要来源之一。,四、景观异质性与生物多样性（一）生物多样性概述生物多样性是生物与环境相互作用的一种自然现象。是生命进化的产物。生物是一个确切的概念，而生物多样性是生物的一个特征（数量与差异）表达。,1生物多样性的定义biodiversity,Heywood（1995）、孙儒泳（2001）：生物多样性一般是指“地球上生命系统中的所有变异”。新华社：生物多样性是指地球上的生物所有形式、层次和联合体中生命的多样化。简单地说，生物多样性是生物和它们组成的系统的总体多样性和变异性。,四个层次：遗传（基因）多样性、物种多样性、生态系统多样性、景观多样性。基因多样性：主要指种内不同群体间（两个隔离地理种群间）及单个群体（种群）内不同个体间遗传变异的总和，也称基因多样性(genediversity)。物种多样性：是指地球上动物、植物、微生物等生物种类的丰富程度。,2生物多样性的层次,生态系统多样性：指特定地域内生态系统的类型及其生态过程和生态关系的多样化和复杂化。景观多样性：指特定地域内景观要素及其空间结构类型、格局、过程的变异性和复杂性。,（二）景观异质性与生物多样性的关系1、景观异质性导致生物多样性1）与遗传多样性：景观处于初始化状态时（异质化程度低）对遗传多样性的影响不大；在一定程度内，随景观异质性增加，生境多样性将提高，种群丰富度增加，物种基因交流频繁，遗传多样性增加。2）与物种多样性：景观异质性越高，物种多样性也愈高。,3）与生态系统多样性：景观异质性增加，生境多样性随之增加，生态系统多样性也随之增加。另外，景观异质性与生物多样性存在相互促进的关系，即景观异质性高有利于生物多样性保持，而生物多样性高也有利于景观异质性的维持。,五、景观破碎化1、概念是指景观中各生态系统之间的功能联系断裂或连接性减少的现象。2、对遗传多样性的影响1）小种群增加，个体数量减少，遗传漂变突出；2）种内近交增大：3）种间隔离增大，影响基因交流。3、研究的意义1）分析和评价景观稳定性，并对干扰进行评价；2）为管理和规划提供依据；3）对自然保护区的资源保护具有重要的意义。,六、景观异质性测度景观异质性可以通过以下因子测定。1、多样性指数与均匀度景观丰富度指数（landscaperichnessindex）景观丰富度R：景观中斑块类型的总数，R=m，m是指景观中斑块类型数目。相对丰富度Rr：Rr=m/mmaxmmax为景观中斑块类型数的最大值，即景观最大可能丰富度。,景观多样性指数（landscap