景观生态学基础理论.ppt

第二章景观生态学基础理论、系统论和景观生态学-2等级理论和尺度效应-18景观生态学的核心概念-2、 一系统论和景观生态学1.1系统论概述1.1.1系统论中的基本概念系统论研究了所有系统普遍有效的原理，从系统的角度阐明了客观事物与现象的相互作用和相互关系的共同本质和规律。 基本概念是系统：具有由几个要素构成的新功能的有机整体层次：系统组织的等级秩序。结构：系统内部要素之间比较稳定的联系方式，组织秩序和时空表现形式功能：系统在外部环境中表现的性质。 能力与效果反馈：系统输入与输出的相互作用，是系统自我调节过程的信息：系统的组织程度与秩序，是物质、能量时空不均匀性的表现平衡：在一定条件下系统处于相对稳定的状态干扰：从系统稳定的平衡状态偏离， 称为干扰和噪音的突变：外部条件连续变化时系统在过渡临界点发生的不连续性自组织：系统自发趋向有序结构的性质和能力。 1.1.2系统论原则和研究方法系统论的基本原则是整体性原则、相关性原则、结构性原则、动态原则和开放性原则。 系统论的研究方法和程序：系统地提出问题，明确系统要素之间的相互关系，建立逻辑和数学模型，根据问题的性质和研究目标，分析系统的特征和采用方法，根据要求选择最佳方案，建立系统结构的构成和相互关系。 1.2景观生态学和系统论1.2.1景观生态学的综合思想是研究对象的复杂性，因此景观生态学必须采用综合分析方法进行研究。 景观生态综合分析包括三个层次：第一层次：由数学、系统生态学和经济学等基础科学系统方法组成。 第二个层次：景观生态系统构成的相关地学、土壤学、水文学、气象学、植物学、动物学和经济学等传统学科方法构成。 第三个层面：景观生态学本身发展中形成的技术和方法体系，具有较强的综合分析、表现、解释和预测能力。 同时，景观生态系统由相互作用的斑块构成，以类似的方式反复出现，是一个具有较高异质性的地区。 因此，景观系统由不同的生态系统构成为斑块镶嵌形式，处于比一般生态系统更高的水平。 景观生态系统具有特定的结构、功能，应作为整体进行研究。 1.2.2景观生态学的有机关联性思想景观生态系统是符合有机相关原则的开放系统，除了各要素之间的有机关联外，还可以与周围环境交换物质、信息、能源。 1.2.3景观生态系统动态景观生态系统的有机关联与时间有关，这种关联随着时间的推移而动态变化。 景观生态系统内部结构、各要素的分布位置、数量不一定，随时间变化，系统与外界进行物质、能量、信息的交换。 动态性保证了该物质的能量、信息交换的存在，在系统中可以表现得相对稳定，这种稳定性是系统动态性的表现。 1.2.4景观生态系统有序景观生态系统的发展是从无序到有序的生长，随着系统组织性的发展，景观生态系统中的生物、非生物成分的物质、能量等构成了有序的动态序列，与系列中的相关组成成分有机相关，这与景观生态系统的生物多样性能量流动方向和景观变化方式和速度有关人在秩序结构中占有核心地位。 1.2.5景观生态系统的目的景观生态系统的目的是达到系统整体的持续性。偶然因素导致其异质性增大，适度的异质性增大有利于系统向良好方向发展，过度的异质性本来就会破坏稳定的景观生态系统。 综合整体性、有机关联性、动态性、秩序性和目的性是一般系统论的最基本出发点，也是景观生态学最重要的基本特征。 二等级理论和尺度效应、尺度是研究对象的极限，是对象不同层次的细节(分辨率)反映，不同尺度反映的细节精度不同。 在景观生态学中等级和尺度效应更为重要。 2.1等级理论等级理论：自然界是具有多级层次结构的整个秩序，在整个秩序中，每个级别或级别的系统由较低级别或级别的系统构成，创建新的整体属性。 在等级系统中，每个子系统都具有自己的高级别归属关系，是高级别系统的构成部分，同时对低级别系统具有控制关系，即由低级别子系统构成。 分层结构系统的各阶层有整体结构和行动特征，有自我调节和控制机制。 例如，生物圈是多层次结构有序的整体。 由基本粒子构成原子核，原子核和电子一起构成分子，许多大分子构成细胞，细胞构成生物，生物构成种群，种群构成生物群落，生物群落与周围环境一起构成生态系统，生态系统与景观生态系统一起构成综合的人类生态系统。 等级理论最根本的作用是简化复杂的系统，实现对其结构、功能和行为的理解和预测。 许多复杂的系统被认为是类结构，包括景观系统。 按照一定的标准组合这些系统中许多山相互作用的成分，给出层次结构，是等级理论的重要一步。 对于一些复杂的系统是否能够由此简化或简化的理想程度通常被称为系统的分解性。 显然，系统的可分解性是应用等级理论的前提条件。 用于“分解”复杂系统的标准包括过程速度(周期、频率、反应时间等)以及由其他结构功能表现的边界和表面特征(不同类植被类型分布的温度和湿度范围、食物链关系、景观不同类型的斑块边界等)。 基于等级理论，在研究复杂系统时至少需要同时考虑3个相邻层，即核心层、上层和下层。 2.2尺度效应尺度是指研究系统过程中的空间分辨率(resolution )、时间单位(空间尺度和时间尺度)。 比例包括细节的理解水平。 时间和空间尺度包含在任何景观的生态过程中。 在景观生态过程中，小尺度表示研究的小面积和短时间间隔，分辨率高，但摘要能力低，大尺度研究的大面积和宽时间间隔，分辨率低，但摘要能力高。 生态过程和制约与尺度有关。 不同尺度的研究，揭示不同的内在规律。 长期的生态研究往往规模为几年、几十年或一个世纪，短期的研究还不足以揭示其变化发展规律。 生态系统时延效应明显，许多生态过程需要长期观测研究。 生态系统时延也主要由于以下几个主要原因：1，某些生物和物理过程需要时间，例如生物量的累积等。 虽然环境发生了变化，但是生态和生物量等的残留很多。 3 .物质、能源及生物在不同景观单元之间移动需要时间。 4、引起一个生态过程的一些必要条件很少同时发生。 5、一系列因果事件也增加了延误时间。 6、空间景观尺度的扩大也导致时间延迟。 生态系统和景观生态水平的长期生态研究需要扩大规模。单独监测研究点的结果常常隐藏在“可见场所”(invisibleplace )的研究结果中，导致研究结果的模糊性，生态网络研究提供更广泛的空间尺度研究。 长期生态研究分为几个层次：单元比例、面片比例、景观比例、区域比例、大陆比例和全局比例。 尺度的研究，根据研究内容和目的也不同。 景观尺度比较不同景观结构和功能，发现景观内物质迁移、生物运动和能量流动不同。 这些不同特征影响物种多样性、种群分布，研究环境变化、污染演变、土地利用、生物多样性等生态过程需要有足够的空间尺度。 注意：由于景观生态系统的复杂性，研究需要利用从某种尺度上获得的知识和信息来推断其尺度上的特征。 该方法称为尺度外推法，称为尺度上推法和尺度下推法。 景观生态系统的复杂性、外推非常困难，往往以计算机模拟和数学模型为工具。 尺度外推是景观生态学中最具挑战性的研究领域。3异质种群、异质性是景观生态学中的重要概念，描述系统和系统属性在时间和空间上的变异程度。 3.1景观异质性的意义景观异质性是景观尺度上景观因素的组成和空间格局上的变异和复杂性，是景观格局的重要特征和决定因素。 异质性对景观功能及其动态过程有重要影响和调控作用。 景观异质主要来源于环境资源异质性、生态演替和干扰。 甲虫生存景观和大象生存景观的个体尺度是什么？ 3.2异质性和景观稳定性景观是异质性景观要素以一定方式组合构成的系统，景观要素之间通过物质、能源和住宅流动的交换保持联系，决定了景观要素之间的相互影响和控制关系，也决定了景观的整体功能。 景观空间异质性提高了景观干扰的扩散阻力，减轻了一些灾难性压力对景观稳定性的威胁，通过景观系统不同景观要素之间复杂的反馈调整关系，将系统结构和功能变化幅度控制在系统可调范围内。 4景观生态学核心概念、景观生态学核心概念是由4.1景观系统整体性与景观要素异质性景观或景观要素有机联系构成的复杂系统，包括等级结构，具有独立功能特征和明显视觉特征，具有明显的边界和可识别的地理实体。 健康景观生态系统具有功能整体性和连续性，可以从系统整体性中研究景观的结构、功能和变化，补充分析和综合、归纳和演绎，深化研究内容，使结论更加逻辑正确。 采用景观生态系统结构分析、功能评价、过程监测和动态预测等方法，得到景观系统综合发展模式的最佳表现。 异质性是系统属性的变异程度，景观由异质因素构成，景观异质性是景观生态研究的基本问题之一。 异质性与抗干扰能力、恢复能力、系统稳定性和生物多样性密切相关。 景观格局异质性具体表现为景观要素分布的不确定性。 异质性的存在，通过人类从外部输入能量，改变景观结构，更适合人类的生存。 4.2景观研究的尺度是景观生态学研究的重要概念，已经被讨论。 空间尺度是所研究的生态系统面积的大小，时间尺度是动态变化的时间间隔。 大尺度主要反映大气气候的不同，中尺度主要反映地表构造的不同，小尺度主要反映土壤、植物和小气候的不同。 景观生态学的研究基本在中尺度范围内。4.3景观构造的马赛克性1系统的成分在空间构造上纠缠在一起构成整体的性质叫做马赛克性。 景观与区域空间异质性表现为梯度与镶嵌，镶嵌的特征是对象聚集形成明确的边界，连续空间中断或突变。 斑块廊道基质理论用镶嵌理论表达。 景观斑块是由地理、气候、生物和人文要素组成的有机集合体，具有特定的结构形态，表现为物质、能源和信息的输入输出单位。 斑块大小、形状不同，有规律性和不规则性，廊道曲直、宽窄不同，连接度也高，基质也从连续状到空隙状、从集合到分散状，构成了镶嵌的变化、丰富的景观构造。 景观镶嵌的测量包括多样性、边缘、中心斑块和整个斑块的结构测量等。 其测量指标包括多样性、优势度、相对均匀度、边缘数、维数、斑块隔离度、易到达性、斑块分散度、扩散度等指标。 4.4生态流的空间扩散和生物种类、营养物质与其他物质、能源各空间成分之间的流动叫做生态流，是景观中生态过程的具体表现。 在景观格局的影响下，生态流分别表现为集合和扩散，是生态系统之间的流动，以水平流为主。 这一趋势必须通过克服空间阻力来实现。 景观中的能量、物质、养分、物种等，可以从一个景观要素转移到另一个景观要素。 这些运动依赖于风、水、飞行动物、地上动物、人等5种媒介和传播机制。 景观水平有三个驱动力：首先是扩散，与景观异质性相关，在低能耗过程中，只能在小尺度上发挥作用。 其次，物质是沿着能量梯度流动的运输，最后运动，也就是说物质通过消耗自己的能量，从一个地方移动到另一个地方。 水流侵蚀、运输和沉积是景观中最活跃的生态过程，运动是飞行动物、地上动物和人运输大量物质的力量，这一过渡的最主要生态特征是在物体到达的景观要素中形成高度凝聚。 4.5景观的自然性和文化性根据人类活动对景观的影响将景观分为自然景观和人工景观。 在这两种景观中，生物活动是景观系统最重要的特征。 良好的景观是指具有高生物多样性和生产能力，维持在低能量下，且抗干扰性强的生态系统组合。 人工景观是自然界中不存在的景观，大量人工建筑物成为景观的基础，完全改变了原有景观的外观，人类成为景观的主要生态成分。 人工景观通常表现为规则化的空间布局，以穿越高度专门化的功能和景观的高强度能量流、物流为特征，在这种情况下，景观的多样性表现为文化。 由于景观所具有的自然性和文化性，景观生态学的研究也涉及到自然科学和人文科学的交叉。 4.6景观演化的不可逆性和人为主导景观的宏观运动过程是不可逆的，时间反演是不对称的。 景观的演化动力机制有自然干扰和人为活动两方面。 景观作为人类生存的环境，人类活动在其进化中发挥着主导作用。 景观