第二章 景观要素1-斑块.ppt

1、第二章 景观要素类型,景观是由景观元素组成，景观元素是地面上相对同质的生态要素或单元。 景观元素主要有三种类型： 1 斑块(patch) 2 走廊(corridor) 3 基质(matrix),思考下面的景观要素类型，它们的成因与特点？,第一节 斑块(patch),定义：斑块是一个在外观上与周围环境明显不同的非线性地表区域。 例：天空的云、嵌花路面的石子。,实际上，所有定义都是在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；而狭义的理解则认为，斑块是指动植物群落。 将斑块定义为一种可直接感观的空间实体便于实际测量，利于比较研究。 斑块的属性有：斑块面积的大小和数量（

2、patch size and number）；斑块的边界和边缘（boundaries and edges）；斑块的形状（shape）。斑块的属性对生产力、生物多样性、土壤、水分有着重要的影响。,（一）斑块的起源与类型,（一）起源 由于不同斑块的起源和变化过程不同，它们的大小、形状、类型、异质性以及边界特性变化较大，因而对物质、能量和物种的分布和流动产生不同的作用。 根据起源将斑块划分为五类： 干扰斑块（disturbance patch） 残余斑块（remnant patch） 环境斑块（environmental patch） 更新斑块（regenerated patch） 引入斑块（int

3、roduced patch）,1.干扰斑块（disturbance patch）,1）成因 干扰斑块的形成来自于基质内的各种局部干扰。 2）干扰因素：可分为自然干扰和人为干扰两大类。 自然干扰：火灾、风倒风折、洪水、侵蚀、沉积、地滑、山崩、雪崩、冰川、火山活动、动物危害、病虫害等。 人为干扰：采伐、更新、用火等。,干扰,内、外因（如火灾）,短期、长期,短期特点：具有最高的周转率、持续时间最短、消失最快的斑块类型。,4）具体类型 单一干扰 长期干扰,3）干扰后的变化速度快，持续时间短 种群的变化 引发植被的演替过程； 干扰斑块的变化速度取决于单一还是重复干扰。,2.残余斑块（remnant pa

4、tch）,1）成因：由包围着一小块未受干扰地区的大范围干扰造成的. 2）干扰后的变化 演替在本底中发生； 是物种的避难所 环境也有所改变，灭绝率增加,举 例: 寒冷过后阳坡上留下的鸟巢、火灾大火过后残留的一片森林 松弛期：某些种群灭绝速率升高的时期。 调整期：物种变动速率增高的时期。,原因：由于环境资源的空间异质性或镶嵌分布而引起。 例如：长白山植物垂直分布、森林中的沼泽 特点：存留时间长、周转率低、稳定性强：沼泽、樟子松、白桦林,3.环境资源斑块（environmental patch ）,4 引进斑块(introduced patch) 原因：人类将生物引进一个地区，就产生了引进斑块。,（

5、1）种植斑块(planted patch) 原因：由人种植植物而产生的。如人工林、农田、果园、高尔夫球场等 特点：人维护、存留时间长,（2）聚居地(homes habitation) 特点：受人干扰的景观中最显著并无处不在的景观成分之一。 物种：人、引进的动植物、不慎引入的害虫、从异地移入的本地种 例如：村落、城镇,4. 引进斑块(introduced patch),5.更新斑块（regenerated patch）,是在以前干扰的生境上已经更新起来，但还没有恢复到原来的植被，与原植被相似，多为天然更新而成。 变化速度较快,（二）斑块的动态与持久性（ dynamics and persiste

6、nce）,依赖于斑块的起源、干扰的频度、面积的大小等方面。,斑块的持久性与稳定性,（三）斑块类型（Patch Types）,在不同的景观中，依据研究的需要，斑块类型有不同的划分方法。 斑块划分的依据： 斑块的面积 群落类型 地形特征 斑块的外貌特征 景观的类型,1.森林景观（forest landscape） 研究原始林的变化，可划分为：原始林斑块、次生林斑块、采伐迹地、火烧迹地等 研究森林类型之间的影响，可划分为：侧柏林斑块、麻栎林斑块、油松林斑块、刺槐林斑块、灌木林斑块等 2.农村景观（rural landscape） 农田斑块、水库斑块、果园斑块、村庄等,3.农林交错景观（rural-f

7、orest landscape） 森林、草地、农田、果园、村落等 4.城郊景观（suburban landscape） 城镇、农田、果园、村庄 5.城市景观（urban landscape） 住宅区、商业区、工厂、公园、绿地、广场等,二、 斑块的大小,（一）斑块面积的大小对生态系统的影响（Size effect on ecosystem） （二）斑块面积的大小对生物多样性的影响 （Size effect on biodiversity） （三）种的丰富度方程（Equations for species richness）,（一）斑块面积的大小对生态系统的影响 （Size effect on e

8、cosystem）,1.生态系统过程（Ecosystem processes） 主要是对能量和物质的影响。 斑块内部和边缘带的能量和养分存在差异，小斑块的边缘比例高于大斑块。加上其它因素的综合，具体表现在： 1）生产力和生物量（productivity and biomass） 生态系统：植被高度、草食动物、肉食动物 自然条件：气候（风）、地形 人类活动：运输、种植、收获等 2）侵蚀和矿质养分（erosion and mineral nutrients） 风、水、地形 3）水分和水生系统（water and aquatic system） 溪流的保护、水源涵养、水质,2.大斑块的生态价值（ec

9、ological values of large patch） 水域和湖泊的水质保护； 低级河流网络的连接，为鱼类在陆地上的移动； 维持斑块内部种种群的生境； 为大居住范围的脊椎动物提供核心生境和活动范围； 成为散布通过本底的种源； 为多生境种提供近似的微生境； 提供一些近似自然的干扰，许多种与干扰相关或需要干扰； 在环境改变期间，对种的灭绝起着缓冲的作用。,3.小斑块的生态价值（ecological values of small patch） 为物种的散布和内部种在本地灭绝后的移植提供生境和阶梯（过渡）环境； 为边缘种提供高种群密度和高种群数量； 加大基质异质性以减少传输距离和侵蚀，为食肉

10、动物提供逃避区； 为只适应小斑块环境而不适应大板块环境的物种提供生境； 保护零星分布的小生境和稀有物种。,4.讨论与思考,在面积相等的情况下，比较下列三种斑块的生态价值？ 1. 一个大斑块 2. 几个相距不远的小斑块 3. 几个距离较远的小斑块,（二）斑块面积的大小对生物多样性的影响 （Size effect on biodiversity）,1.种面积曲线（Species-area-curves） 2.岛屿生物地理学理论（Island biogeographic theory） 3.森林岛与海岛的比较（comparison between forest island and island）

11、4.森林破碎化及其生态后果 5.斑块与自然保护区,1.种面积曲线（Species-area-curves）,S=CAZ S-多样性 A-面积 C-比例常数 Z-一般为0.180.35,分析表明，大致的规律是面积增加10倍，物种增加2倍；面积增加100倍，物种增加4倍；即面积每增加10倍， 所含的物种数量成2的幂函数增加，2是个平均值，通常在1.43.0之间。这种关系的另一层含义表明，如果原生生态系统保存10%的面积，将有50%的物种保存下来。如果保存1%的面积，则会有25%保存物种被保存。 1967年麦克阿瑟和威尔逊创立岛屿生物地理学理论。他们认为岛屿钟的多样性取决于物种的迁入率和灭绝率，而迁

12、入率和灭绝率与岛屿的面积、隔离程度及年龄等有关。,S=f（+生境的多样性，-干扰，+面积，-隔离程度，+年龄）,2.岛屿生物地理学理论（Island biogeographic theory）,大岛屿物种多 稀有种多 小岛近亲繁殖,陆地景观与岛屿有所不同，斑块的边界并不明确，并且隔离程度的重要性降低。 S=f（+生物多样性，-（+）干扰，+面积，+年龄，+本底异质性，-隔离程度，-边界不连续性）,区别： 障碍物不同 海岛的隔离是与大陆相对而言 岛屿与陆地景观的形成时间大相径庭 与边缘的作用,3.森林岛与海岛的比较 （comparison between forest island and is

13、land）,1） 森林岛和海岛的类似之处 都是一个被隔离开来的具有动植物的土地单元 因为生境的变异和大小受到限制，可以预期岛上的一些种将灭绝,3.森林岛与海岛的比较,2）森林岛和海岛的区别 水和开旷地是两种很不相同的障碍物，隔离作用不同； 海岛的隔离是相对大陆而言的，而大陆是具有无限迁入者的一个大库； 海岛和森林到形成的时间差异很大，海岛需要几千年，而森林岛只有几十年或几百年； 森林岛群落的成员与周围其他陆地群落成员之间相互作用的程度要大于海岛和周围水域之间的作用。,4.森林破碎化及其生态后果,1）造成物种生存环境的危机（内部种），meta-population的形成 2）使树木的死亡率增加（

14、迎风侧、干热风） 3）大型动物消失 4）鸟类数量下降 5）昆虫：蜜蜂下降；蝴蝶增加,5. 斑块与自然保护区,1975年，Jared Diamond将岛屿生物地理学的理论应用于保护区设计，提出了6条设计原理： 1）一个大的自然保护区要比小的自然保护区保存的物种多 2）一个单一的大的自然保护区要比总面积与其相等的几个小保护区为好 3）如果必须设计多个小保护区，应使它们尽量靠得近一些，以减少隔离程度 4）使几个保护区成簇状配置，要比线状配置好 5）将几个保护区用走廊连接起来，可便于很多物种的扩散 6）应尽可能使保护区成圆形,在确定自然保护区的面积时还要考虑的问题是： 1）在考虑各种动物的要求时，要把

15、大型哺乳动物和鸟类置于首位，而不能对所有种平等对待。 2）必须使保护区达到一定面积才能使其与干扰状况相适应,设计保护区时，面积比较关键。 主要保护：1 较高的当地物种多样性 2 稀有种和濒危种 3 稳定的生态系统,（三）种的丰富度方程（Equations for species richness）,1.指数或对数分布： Ss=c+z logA Ss=一个群落的样本中的种类数量； A=样本面积；c=垂直轴上的截距；z=斜率； 在对数纸上，以A得对数标出Ss。 对数的系列概念与指数分布相关。,2.幂函数： logSs=logc+z logA 3.岛屿生物地理学理论：面积影响 Si=cAz Si=一

16、个岛上的种数 Ss=一个群落的样本中的种类数量； A=样本面积；c=垂直轴上的截距；z=斜率；,4岛屿生物学理论：两个关键变量：面积与隔离 Si= area（+）, isolation（-） 5景观镶嵌体中的斑块： Sp= habitat diversity（+）, disturbance（-or+）, area of interior（+）, age（+ or -）, matrix heterogeneity（+）, isolation（-）,三、斑块的边界与边缘 （Boundaries and edges）,在景观中，斑块的边界应用于： 野生动物管理：沿着或穿过边界的动物异常丰富； 在生物

17、多样性和土地破碎化问题中，边缘生境和内部生境的比率有着关键性的意义； 在美学上景色中经常边缘占主导地位； 在林业上，森林的边缘经常出现弯曲的树干和风倒木；,在农业上，边缘常是有害动物和害虫的源，也出现控制这类有害生物的食肉动物； 在土壤侵蚀控制中，边界导致风速改变和形成湍流； 在公园和自然保护区管理中，边界有可能成为人类过度利用资源的障碍； 在监测全球气候变化中，边界经常作为敏感的指示器。,（一）边界的类型与变化,1.边界的变化方式 1）渐变（as a gradient）：边界不明显 2）突变（as a mosaic）：具有明显的边界 2.植被边界的产生机制 1）斑块状的物理环境（patchy

18、 physical environment），如土壤类型或地形的镶嵌； 2）自然干扰（natural disturbances），包括野火和龙卷风 3）人类活动（human activities），如开垦、建房等。在许多情况下，自然干扰和人类活动使已有的边界清晰，增加景观的对比度（contrast）。,3.边界的类型（types of boundaries）,1）曲线（curvilinear boundaries）、（凸凹convex and concave border）边界和直线边界（straight boundaries），生态交错区（ecotone）； 2）硬边界（hard bound

19、aries，高对比度，如森林与农田）和软边界（soft boundaries，低对比度，如低强度火烧形成的曲线状的动物植物相互侵入的复杂的边界）；,4. 边界中的边缘（Edges in a boundaries）,4. 边界中的边缘（Edges in a boundaries）,边缘是指两个不同的生态系统相交而形成的狭窄地区。 1）交错区（ecotone）：boundary zone 2）斑块：edges, interior or core 3）boundaries: border, edge 4）三维边界（three dimensions of edge）： widthbetween the

20、 border and interior; verticalincluding height and stratification（分层） lengthalong the boundary 边缘的类型： 固有边缘（inherent edge）：环境资源上的差异造成的边缘。 特点：过渡缓慢、连续性强、变化很小。 举例：森林和沼泽之间的边缘 诱导边缘（induced edge）：天然或人为干扰造成的边缘。 特点：过渡显著、存在时间短。 举例：森林与火烧迹地之间的边缘。,5. 不同尺度的边界（boundaries at different scales）,景观现象主要出现的时间尺度可达几千年，空间尺

21、度从10m到1000km。研究的空间尺度越大，相对应的时间尺度也越长。 1）生态系统之间有三个重要空间尺度： fine-scale boundaries，如森林中风倒或采伐形成的边界、草地中开垦的农田、道路； intermediate-scale boundaries，地形、土地应用，如山脊与谷底的交叉等； broad-scale boundaries，气候区、生物群落或地质构造。 2）产生不同尺度边界的原因有： environmental discontinuities； natural disturbance； frequently human activities,（二）边缘的发展与控制

22、 （Edge development and controls）,1.控制机制 （controlling mechanisms） 1） 边缘小气候（edge microclimate）： 阳光（太阳辐射，图3.5a）、蒸发； 森林林缘的方向； 森林和农田边界中农田有较宽的边缘（照度，图3.5b） 风的变化（水平风速和湍流，图3.6）,2）边缘土壤（soil in edges）： 土壤类型的变化（软边界）； 养分含量的变化（N、P含量上升）； 相关机制：拖拉机、风、水传输和侵蚀、雪、火 3）食草动物和食肉动物（herbivore and predation）： 食草动物在边缘较多，而食肉动物在内

23、部较多； 边缘食草动物增多为食肉动物提供了丰富的美食：鹰、鼠、犬等； 食肉动物控制着食草动物的数量,4）人类（humans）： 维护，如修枝、割草等； 边界可控制人的进入； 有三个过滤器层次抵抗人的压力：外边缘、行政界限、内边缘（图3.8）。,2.森林边界结构剖析和发展（anatomy and development of forest edges）,1）saum, mantal（披风）, veil（幕） 2）chronic disturbance慢性（长期）干扰 drip line 3）森林和农田在高度上明显不同，在气流、光辐射、营养物质沉积、脊椎动物的可视性都不同 4）mammals in

24、side and outside mantal 5）南北边缘的saum和mantal不同,（三）边界的功能（functions of boundaries）,1.膜理论（membrane theory） 膜在不同的位置、时间，通过不同的物质，经过不同的机制： 小分子的被动扩散通过； 由能量驱动分子通过，并维持一定的梯度； 大颗粒由“bulk transfers”带入； 分子接收器的附着和作用,2. 边界的五个基本功能（five basic functions）,生境（habitat）； 过滤器（filter）； 管道或通道（conduit）； 源（source）； 汇（sink）,2. 边界的

25、五个基本功能1）边缘影响或生境（edge effect or habitat）,斑块的边缘部分有不同于内部的物种组成和过渡，这就是通常所说的边缘效应。 特点： 由一种环境条件组合、过渡为另一种环境条件组合，由一类动植物组合过渡为另一类动植物组合，不仅包括两个生态系统内部的成分并且有其特有的成分。,（1）在边缘多数种类在景观中是常见的，在边缘没有稀有种 （2）一般是多生境种，有很强的适应性 （3）边缘种（edge species）与内部种（interior species）有明显差异 （4）无差别种（indifferent species）在边缘和内部有相同的丰富度 （5）tiny gaps（空

26、隙）, clearings（清耕）, clumps（丛生）, objects（物体）创造的微小异质性也含有边缘，成为内边缘（interior edge），和外边缘（exterior edge）构成复合体,2）过滤器功能（the filter function）,（1）边界影响生态系统之间流的移动和速率： objects such as seeds, silt, wood, and even heat are carried across landscape boundaries by six vectors（动力、媒介）: wind, water, flying animals, terres

27、trial animal（陆生动物）, humans, and machines. 流的速率不同携带的物体量不同，如落叶、演替、风、水携带量等 （2）决定渗透性的因素： 多样的景观边界；干扰；结构 应用：自然保护区的设计和管理，如核心区、缓冲区边界的设计等。污染物质,3）管道或通道（conduit） 4）源（source） 5）汇（sink）,（四）边缘宽度（Edge width）,1. 边缘宽度的一般格局 具有较高动能的方向性外力产生较宽的边缘，使一个斑块的边缘的不同部位具有不同的边缘宽度。 1）在北半球，由于太阳高度不同，南林缘（equator-facing edges）的宽度大于北林缘（

28、pole-facing edges），随着纬度增大，这种差异逐渐增大，如北美和欧洲的落叶林；而在赤道附近的热带林则差异不大。,2）相类似，迎风一侧的边缘（windward-facing edge）宽度大于背风一侧的边缘（leeward edges）宽度。 3）uphill and downhill edges受水流的影响而不同 4）边缘的鸟群因阳光和风的暴露程度而不同有差异 5）Savanna中森林斑块。由于火的频繁发生和动物啃食压力有较宽的边缘。,2.受小气候影响的森林和田野的边缘变化范围在25h0.5h 1）森林或林带下风的田野边缘 2）森林或林带上风的田野边缘 3）上风森林边缘 4）下风

29、森林边缘,3.Mantel（灌丛）在决定森林边缘宽度中有重要的作用 Mantel影响风、光、热 1）农耕地接壤的林缘，经过几十年的平衡，有较密的mantel，边缘较窄，几米到十几米 2）相反，新采伐和修路而形成的边缘，有稀疏的mantel，有较宽的边缘，1.53h,4.放牧和人类活动强烈影响边缘宽度 1）rabbits, deer, Wallaroos（大袋鼠）引起树木的小枝上移，这通常作为过度放牧的指示物 2）家畜（livestock）产生同样的影响 3）砍柴、修枝、割灌也可引入小气候入侵 4）相反，在英国被农田包围的林木自然保护区，已通过加强mantel的发展而收到保护，如多刺的灌木和树木

30、、堆积的枝条等,5.边缘宽度也依赖于测量方法和研究对象,边缘宽度的影响因子： a 太阳角向赤道方向超过向极地方向的宽度。 b 温带超过热带 c 主风超过其他风向 d 斑块与本底垂直结构差异越大，边缘宽度差异越大。 根据对边缘或内部的反应，将生物分为： 边缘种(edge species)和内部种（interior species) 边缘种和内部种将动物分成三类： a 对两个生态系统均有要求 b 对边缘的特殊生境有特殊的要求 c 主要与一种生态系统有关系，但可扩展到边缘,确定边缘宽度可采用一些研究植被的方法，如盖度、密度、生物量、stratification（分层）、物种丰富度或者树种组成、灌木、

31、藤本、草本等。类似的方法也用于各种动物，如mammals, birds, insects。从这些方法中得到的结果不同： 1）以昆虫密度或丰富度，几米到十几米 2）人类影响，几十米 3）小气候、食虫鸟类，几十到几百米 4）butterfly（蝴蝶）、mammal，大于几百米 5）large mammal, 如deer, tiger, bear，几百米到几千米,6.边缘宽度的确定 1）以对斑块大小敏感的种的分布来确定，几百到几千米 2）border和小气候无明显变化点之间的距离，几十米。这个方法更有用。,（五）边界的曲线度（Curvilinearity of boundaries）,1.边界曲线类

32、型 1）总体曲线可划分直线和曲线,2）边界曲线的8个类型：,cove, concave, straight, convex, lobe, corner, finely wavy, coarsely wavy,Lobe function: peninsula effects（半岛效应） Cove function: funnel effects（漏斗效应）,（六）边界的移动（moving boundaries）,1.边界移动的力 wind, fire, herbivore, plant dispersal 2.边界移动趋势 1）趋于形成lobes2）趋于形成coves3）the remnant

33、patch tends to expand4）the disturbance patch tends to contract,3.稳定的边界需要人为来维持,五、斑块的形状（Patch shape）,形状对生物的扩散和觅食具有重要作用。 例如，通过林地迁移的昆虫或脊椎动物，或飞跃林地的鸟类，容易发现垂直于迁移方向的狭长形采伐迹地，但却经常遗漏圆形采伐迹地。 相反，他们也可能错过平行与迁移方向的狭长采伐迹地。 因此，斑块的形状和走向对于穿越景观扩散的动植物至关重要。,（一）常见的斑块形状及形成原因,1.各种形状,2.形状变量 1）曲线或变形和几何形状（不规则和规则） 2）紧凑和长形（长宽比） 3）

34、圆形和卷绕（存在的凸角数量） 3.形成原因 1）自然形成： 无方向的力； 定向力：风、水、冰流等 2）人工创造：城市、乡村、耕作等 形状：几何、多变 人类活动强度,（二）形状属性与生态流 （Shape attributes and ecological flows）,1.形状分类和属性（classification approaches and attributes for patch shape） 1）分类：椭圆、近似方形、星形、长形、卷曲形 2）属性：elongation（延伸率）、convolution（卷绕度）、interior（内部生境面积）、perimeter（周长）,2.圆形和方

35、形斑块 内部生境面积大 3.长形斑块（Elongation of a patch） 1.内部生境少；2.与流的方向有关,圆形斑块与长条形斑块的生态比较,4.卷曲形和星形斑块（Convolution and of a patch） 1）异质性：小生境 2）凸角：半岛效应 3）流的通道 5.环状斑块,形状很特殊的斑块 特点：内部/边缘低，内部种少 举例：环绕北极地区分布格局 高山环绕山体 绕湖周围,半岛（peninsula） 定义：指的是一个斑块中狭长的外延部分。 漏斗效应：人们常见的在半岛顶端，动物路径密度高的现象。,鸟类、维管束植物减少,物种多样性递减,内部/边缘比解释,半岛（peninsul

36、a） 定义：指的是一个斑块中狭长的外延部分。 漏斗效应：人们常见的在半岛顶端，动物路径密度高的现象。,鸟类、维管束植物减少,物种多样性递减,内部/边缘比解释,6.斑块的内部生境（Interior of patch） 1）斑块的大小 2）长形、卷曲有很少的内部生境 7.斑块的周长（Perimeter of a patch） 卷曲周边长,（三）斑块的移动（Moving patches）,1.过去、现在和将来的斑块形状变化 （Predicting the past, present, and future based on shape）,2.影响因素 1）时间； 2）自然力； 3）人类活动强度 4）

37、斑块种类 3.变化趋势,1）直线-直线 2）凸角-更凸 3）角-加长 4）凹-变凸角，林缘下种,（四）斑块形状的测量 （Measurements of patch shape）,1.测量要素（Key measurements for ecological effects） 1）长度和宽度（Elongation and width） 2）卷曲度（Convolution）：凸角的数量 3）内部生境（Interior） 4）周长（Perimeter）,2.形状方程（Equation for measuring patch shape） 1）根据轴的长度 形状（长宽比）： 延伸率： 圆形性：,2）根据周长和面积 紧密度： 海岸线进展（Pattons diversity）： 圆形性：,3）根据面积 圆形性： 圆形率： 4）根据半径