景观生态系统的空间结构_概念_指标与案例

1、第14卷第3期1999年6月地球科学进展ADVANCEINEARTHSCIENCESVol.14No.3Jun.,1999景观生态系统的空间结构:概念、指标与案例王仰麟,赵一斌,韩荡(北京大学城市与环境学系,北京100871)摘要:空间结构分析是景观生态学研究的重要内容和基本特色之一。讨论了景观生态系统的空间结构概念,提出斑、廊、基、缘是空间结构的四个主要元素。认为对景观生态系统空间结构的分析,可以分三个不同的等级层次进行,一是宏观尺度的整体空间构架;二是中观尺度几种典型的空间组合型;三是空间元素的基本形态特征。进而设计出景观生态系统空间指标体系简要框架。最后以冀西北涿鹿盆地区为例,进行了案例

2、实践。关键词:景观生态系统;空间结构;指标;涿鹿盆地区中图分类号:X171;Q948文献标识码:A文章编号:10012(1999)032景观生态系统的结构分析是景观生态学基本理论研究的重要组成部分8,划、5。景观、元素的相互联系和互相作用是整体性形成的“纽带”,这种纽带的特征又决定于元素、要素的秩序,即结构状况。可以说,景观生态系统的结构就本质地体现其整体性特征。1景观生态系统是个泛地域尺度的多层次水平地域综合体概念的统称。景观生态系统结构是指其组成要素、部分的规律性的组合形式,表现为它们之间的数量比例与时空方面的关联方式。对其组成部分或子系统的不同分割,构成不同的结构内容。本质上,这是从不同

3、侧面反映同一事物现象,结果通常具有互补作用。空间结构是不同层次水平或者相同层次水平景观生态系统在空间上的依次更替和组合,直观地显现景观生态系统纵向横向的镶嵌组合规律。景观生态系统研究的核心之一在于综合分析整体功能、结构及组织过程,空间结构研究正是通过直观全面的方式透视其中的秩序关联。系统的整体特征,决定于其各子系统的相互关联。景观生态系统空间结构的研究就在于以直观、方便又有效的方法途径探析系统的整体性状,达到综合研究的目的。在目前对各种要素之间关联无法确定和定量分析时,空间结构研2景观生态系统的空间结构元素景观生态系统空间结构在很大程度上控制其功能的特征及其发挥,影响着其中物质、能量和信息各种

4、流过程及其形式2。对这方面的研究因而成为景观生态学的基本内容。景观生态系统空间结构的研究,首先是对个体单元空间形态的考察。从空间形态、轮廓和分布等基廊(Corridor)、本特征入手,可以区分出斑(Patch)、基(Matrix)及缘(Edge)四种空间类型。这四种类型反映了各级各类景观生态系统个体单元最基本的空间特性,称之为空间结构元素。元素类型不同,空间形态不同,基本的功能性质和特征也不同。斑,又称斑块、拼块、嵌块体等,指不同于周围背景的非线性景观生态系统单元。斑的内容一般是很丰富的,其间区别表现在大小、形状、边界线、异质(编号:49671036)资助。国家自然科学基金项目“半干旱农业景观

5、的格局、过程与持续利用模式研究”第一作者简介:王仰麟,1963年8月生,副教授,主要从事自然地理学、应用景观生态学等方面的研究。收稿日期:1998209228;修改稿:1998212207。地球科学进展第14卷236性、复杂性等多个方面。面积大小是最基本而重要的特征,直接影响甚至控制着系统单元抗干扰、过程及产出功能。应用研究中,通常对两个问题最为关注,其一是完成一定功能、达到特定目的所要求的最小面积多大,如何确定?斑的轮廓形状,由边界线控制,斑之间的相互关联程度与它们之间交界线长短相关,相邻边界越长,相关性越高。一般地,边界线越曲折,斑块形状越复杂,受周围环境的影响就大,受扰几率就高。边界线越

6、简单,即越趋于圆形,与外界环境接触机会最少,受扰几率就小,单元稳定性就增强。斑内部的同质异质性特征,与涉及尺度关系最密切。尺度小,实际面积小,同质性强。反之,尺度大,斑实际面积大,包容内容多,异质性相应增大。同等尺度上,斑的内部同质异质性取决于所处地域的背景基础及组成要素间的相互作用状况。如寒冷、干燥、平坦而人迹稀少的地区,斑内部过程单一而活动性差,加上物质基础均一,其同质性强。与之相反的特征,则趋于提高异质性。相似于生态学领域中多样性与稳定性的关系,斑内部的同质异质性与其稳定性也是相关的。具体相关关系因干扰的形式、属性及环境背景的不同而不同。,是功能特征,还可细分为线廊、带廊及河谷廊三种。线

7、廊呈线状,内部分异不明显,主要受环境背景的影响,如道路、树篱、渠系等,结构功能均比较单一。带廊基本呈带状,有一定长宽比,具有较线廊相对复杂和多样性的内部特征和功能,受背景环境的影响也大,黄土高原区的梁地、冲积平原上的条带状构造洼地等即为典型代表。河谷廊道,受制于河流大小及研究所及尺度,具有规律性的内部分异和综合功能。宽度和宽长比是廊最为基本的空间形态指标,具有结构和功能的综合指标意义,宽度较大的廊具有相对复杂的内部特征,稳定性高,对环境冲击的抗性强。在整体景观生态系统中,廊的功能一般表现为隔离作用、流的加强和辐散作用、过程关联作用等。海拔高程高于或低于环境背景的廊,也表现出不同的功能特征,对干

8、扰的反映不同。海拔较低的廊,具有较强的物能聚集功能,稳定性好。显然,线廊的特征深受周围基质和邻接斑的深刻影响。基是一定区域内面积最大、分布最广而优质性很突出的景观生态系统,往往表现为斑、廊等的环境背景。基的空间形态及特征,主要取决于其中斑、廊分布状况,基的特征在很大程度上制约着整个区域的发展方向和管理措施选择。基最基本的空间指标是区域中基面积比重与多孔度单位面积上其它空间元素单元出现的频度。在特别强调基的重要性的同时,不能忽视的是,斑、廊面积虽小,但在整体水平上,它们对于维持区域的异质多样性、稳定性、生态整体性及保证基功能持续发挥方面具有不可替代的重要意义1。缘,又称过渡带、脆弱带、边缘带等,

9、是指景观生态系统之间有显著过渡特征的部分。景观生态系统在地球表层上的渐变特征,是缘的发生基础。从空间角度看,缘所占面积比重小,边界形态不确定。但其特殊的空间位置,决定了一系列独特的性质:可替代几率大,竞争程度高;复原几率小;抗扰能力弱;空间运移能力强,变化速率快;是非线性关系的集中表现区、非连续性的显现区及生物和功能多样性区。牛文元在对生态交错带(Ecotone),总结出其基:、农牧交替、梯度联结,Ecotone不等于生态环境,只是在生态环境的改变速率上、在抵抗外部干扰的能力上、在生态系统的稳定性上、在相应于全球变化的敏感性上,包括在资源竞争、空间竞争程度上,表现出相当明显的易变性和脆弱性。景

10、观生态系统是个多层次水平的等级体系,低层次水平单元是高层次水平系统的组成部分。层次水平不同、涉及尺度不等,系统及其部分的概念就有相应转化。表现景观生态系统空间基本形态特征的斑、廊、基、缘概念,在不同的空间尺度和等级层次水平上,能够相互转化。在各种动力、干扰作用下景观生态系统空间形态及结构的变异,也能使几个空间元素概念相互转化。空间尺度与系统的稳定和变异性构成空间元素概念互化的关键因素,这里的互化是针对具体地段或实际的空间范围而言的。3景观生态系统的空间组合形式景观生态系统及其空间结构的基本特点之一,是其等级层次性。实际工作中对景观生态系统结构的分析,可以从三个不同的等级组织水平入手,一是宏观尺

11、度的整体空间构架;二是中观尺度的典型空间组合型;三是空间元素的基本形态特征。空间元素及其种类是景观生态系统个体单元形态特征的抽象总结,空间组织形式则是指群体系统单元的镶嵌布局规律。从应用角度看,如果说空间元第3期王仰麟等:景观生态系统的空间结构:概念、指标与案例237素及其功能特征在很大程度上影响并控制具体单元的利用设计和管理方式,空间组织形式则能影响一定区域生态规划的总体方向3。景观生态系统是多种要素的有机统一体,其个体单元及其空间组合的分异也是多个因素,并且具有尺度区别。通常情况下,大尺度地域范围内,气候与地质构造分异能够控制景观生态系统群体空间格局。在中等尺度地域范围内,地貌类型、水系格

12、局及地方气候基本控制了景观生态系统的空间格局。小尺度地域范围内,地貌形态及部位、地面物质组成、人文因素等成为景观生态系统的空间分异因素。景观生态系统空间组合形式随尺度的不同变化很大,但只就空间形态特征考察,还是可以总结出有不同特征的组合形式11。如斑散布型、格状组合型、交错替代型、环带组合型、平行条带组合型、中轴对称型等。各自均有独特的发生过程和整体功能特征。斑散布型,指具有突出的优势基,其中散布一种或几种类型不同的斑或廊的组合型。如散布绿洲的沙漠景观,散布居民点的广旷农田景观等。其基本的空间特点包括:斑的分布规律、斑的多度、积及总比重、斑间距离等。体稳定性、示意义。,斑的变异面积对比与接触程

13、度。面积对比与斑数量和斑平均面积有关,接触关联度主要取决于斑形状及个体数量。根据斑的具体空间分布特点,能够细分出斑聚集散布、斑随机散布、斑规则散布三种。格状组合型,是由具较规则矩形单元镶嵌组合而成的。往往由人的主观有目的的活动导致。如面积广大的平原地区的各类集约经营性农田,牧草地区由灌丛或石块等隔离成的不同类型轮牧区等。以平行垂直断裂为基础的地区,由矩形块状地、格式水系分割的景观生态系统的不同种类组合形式也表现为格状式。该型具有规则而清晰的边界线,基本空间特征包括,矩形斑或廊带的大小及数量、格状单元的完备性、单元类型的多样性等。根据基的存在与否,又可细分出完备与不完备两种格状组合型。交错替代型

14、,是沿一定方向由两种或两种以上类型单元重复交替出现而组成。通常出现在两个高层次水平景观生态系统的交接过渡地带。如秦岭北坡洪积扇地与溪沟地沿东西向的交替、黄土塬边梁与沟的交替等。基本的空间特征是单元类型种数及其面积对比、交替类型间的边缘特征等。环带组合型,几种景观生态系统以环带形式相联接组合而成。从中心到外圈,各种类型特征有逐步过渡的特点。基本的空间特点包括:组合型的面积、带的数目及宽度、带边界特征、带的完备性等。如从大型盆地、构造洼地中心向外围单元类型的更替,以城市为中心向外围市区、城郊蔬菜、远郊农副业的分布。根据物质、能量流的主要方向,可划分出内聚式环带与辐散式环带型两种。条带对称组合型,是

15、以主廊道为轴向两侧依次对称出现相应呈条带状的斑或各种廊的组合形式,如各条大河,由河床向两侧依次出现河滩、阶地、高阶地、分水岭等类型。主廊道的存在是该型的基础,根据廊道特点,主要是物质、能量的流向特点,能区分出物能辐聚式和物能辐散式。该型的基本空间特征:高程替变规律、各单元的长宽比、各边界的特征等。枝状组合型,是最为常见的组合型。发育在树枝状水系基础上。,、单位面积、。景观生态系统空间结构的量度及其指标体系4.1景观生态系统空间结构量度的指标体系对景观生态系统空间特征的量度及其指标体系的建立,是空间结构研究的深化方向。近几年,越来越多的学者开始了这方面工作4,10。作者认为,从建立一套指标体系出

16、发,景观生态系统的空间结构特征至少应包括个体单元空间形态、群体单元的空间组合状况、单元间的空间关联指数、结构的空间变化规律几个方面。针对各个空间特征,可以设计不同的量度指标。实际上,同一个量度指标通常会有不同的具体计算方法。4.2景观生态系统空间结构度量的主要指标4.2.1景观多样性指标(1)多样性(diversity)指数。该指数的大小反映景观类型的多少和各景观类型所占比例的变化。当景观是由单一类型构成时,景观是均质的,其多样性指数为0;由两个以上类型构成的景观,当各景观类型所占比例相等时,其景观的多样性指数最高;各景观类型所占比例差别增大,则景观的多样性下降。选取Shannon2Weave

17、r公式计算,即H=-i=12(Pk)ln(Pk)m地球科学进展第14卷238C=-22P(i,j)lnP(i,j)i=1j=1mm其中,P(i,j)表示同j类型元素相邻的i类型元素所占的比例(本文用相邻元素个数占第i类元素总数比来替代),m是景观类型的总数,C为复杂性指数,Cmax是C的最大可能值。RC为相对聚集度指数(01取值),取值大表明景观由少数团聚的大斑块组成,取值小表明景观由许多分散的小斑块组成4。(2)分离度(isolation)指数。景观分离度是指某一景观类型中不同元素个体分布的分离程度。分离度越大,表明景观在地域分布上越分散。其计算公式为:图1景观生态系统空间特征与指标示意Fi

18、g.1ThespatialstructuralindicesoflandscapeecosystemFi=Di SiSi=Ai ADi=A其中,H为景观多样性指数,m为景观元素数目,Pk为第k类景观元素所占的面积比例7。(2)均匀度(evenness)指数。描述景观中各组分的分配均匀程度,其值越大,表明景观各组成成分分配越均匀。计算公式为:E=H HmHm)7式中,Fi为景观类型i的分离度n表示景观类型i,Aii,A为研究9。(tation)指数。破碎度是指。它在一定程度上反映了人为对景观的干扰程度。计算公式为:FN1=(NP-1) NCFN2ln(k)2i=1其中,m,Hmax为给定丰富度条

19、件下景观最大可能均匀度。(3)优势度(dominance)指数。优势度指数表示景观多样性对最大多样性之间的偏差。表明景观组成中某种或某些景观类型支配景观的程度。计算公式为:D=Hmax=MPS (NF-1) NC式中,NC是用栅格个数表示的研究区景观总面积(该数字由最小斑块面积去除景观总面积得到),NP是景观内各类元素的总数,MPS是景观内各类元素的平均斑块面积,NF是景观中某一景观类型总数。为整个区域的景观破碎化指数,FN2为区域内某一类景观的破碎度。FN1、FN2(0,1),0是FN1+2Pi ln(Pi)i=1m式中,Pi为景观类型i所占面积比例,m为景观类型总数,Hmax=ln(m)。

20、优势度大,表明各景观类型所占比例差别大,其中某一种或某几种景观类型占优势;优势度小,表明各类型所占比例相当。优势度为0即H=Hmax时,表明各景观类型所占比例相等,没有一种景观占据优势4,7。4.2.2景观空间构型指标(1)聚集度 蔓延度(contagion)指数。聚集度或蔓延度描述景观中不同类型成分的团聚程度。其计算公式为:RC=1-C CmaxCmax=mln(m)表示景观完全未被破坏,1表示被完全破坏7。4.2.3斑块特征指标(1)斑块的分形维数(fractaldimension)。景观斑块的分形维数采用周长与面积的相关关系进行计算,公式为:FD=2kln(L 4)=k ln(S)+C其

21、中,FD为分形维数,L为周长,S为面积,C为截矩,k为回归方程中自变量的系数(斜率)。实际计算中,FD值一般均处于12之间。其实际意义有两方面:其一,FD越趋近于1,斑块的自相似性越强,斑块形状越有规律;其二,FD值越趋近于1,斑块的几何形状越趋近于简单,表明受干扰第3期王仰麟等:景观生态系统的空间结构:概念、指标与案例239的程度越大,这是因为,人类的干扰所形成的斑块一般几何形状较为规则,因而易于出现相似的斑块形状。如果仅从分形维数本身的数学公式出发,它只代表斑块的自相似性程度4,7。5.1.2中观尺度的空间组合型是空间结构分析中的主要内容,其在等级层次结构中起承上起下的地位也决定了在研究内

22、容中的承上起下。从发生角度看,空间组合型的形成可以是局地性的自然地域分异,也可以是人文因素的作用后果6。(1)斑散布型。最典型的河川耕地、山前台耕地背景上零散分布居民点、果园、林粮间作地等斑状类型。(2)同心环带组合型。典型的如以城镇为中心,受区位作用制约,向外围集约菜地、集约耕地(水田、水浇地)、普通耕地的环带依次更替。(3)重复交替状组合型。典型的如黄羊山南麓洪积冲积扇地与其上河沟地、沟谷地沿东西向的交替出现。(4)条带枝状组合型。典型地发育以各河流干支流系统为格局的河床、川平地等条.2,在CITYSTAR支持下提1997年7月遥感影像各景观类型数据,各类型斑块的数目、周长、面积如表1。根

23、据提取的基本数据,在GIS软件和统计软件包EXCEL支持下进行各景观格局指数的运算,结果如表2。5涿鹿盆地区景观生态系统的空间结构5.1研究区景观生态系统的基本空间格局景观生态系统及其空间结构的基本特点之一,是其等级层次性。在涿鹿盆地区,对景观生态系统结构的分析,是从三个不同的等级层次水平入手,一是宏观尺度的整体空间构架;二是中观尺度几种典型的空间组合型;三是空间元素的基本形态特征。5.1.1宏观尺度的整体空间构架涿鹿盆地区地处我国半干旱半湿润过渡带,景观生态系统的整体空间结构具有盆地环带的基本特点。从南北向中部,由低山丘陵、苔原、冲积平原依次下降,东部较西部宽阔,物能流呈现中轴辐聚单流向特点

24、,是一个不完备的盆地环带组合结构。在区域内大尺度水平上,统类型为:、冲积平原耕地、山前洪积冲积扇、低山丘陵等类型。表1景观类型基本数据表Table1Thebasicdataoflandscapetypes建成斑块总计1132.90109水体291.323870.1042230.0456080.4580090.00153655.64121.9186623.66884813.5040.176水田849.693390.3812780.0110342.8262140.001536134.72591.5850013.78179926.3690.176旱田7313.36690.680410.1831084

25、.8542650.0015200.66532.748848.63.464150.16298园地5318.31780.9166230.3456194.506890.001856151.90952.9716875.40087232.6560.24林地14725.5010.677300.173477.087930.0016359.0462.442615.2634140.8160.176裸地13142.5031.521450.3244514.86880.00153619.7954.7316217.9755163.3920.192山地21022.82400.421590.108684.437240.00

26、166407.0541.938355.1916547.9860.176总计841136.10.773970.1161714.86880.001532007.132.386608.49456163.3910.16298面标准差0.0318430.025673均值0.241318积axin0.00153675.423660.6674660.3984522.4089430.176总计周均值标准差长最大最小地球科学进展第14卷240表2景观生态系统的景观格局指数Table2ThespatialstructuralindicesoflandscapeEcosystems建成多样性最大多样性优势度均匀度分

27、离度破碎度(FN1)21.3601水体23.717水田5.7957旱田3.72725林地2.31751园地2.77255裸地1.57028山地3.70253总计1.785182.079440.294260.788740.009486.166E2061.48850.019.225E2051.261910.0680.000161.20640.098270.000191.187070.134670.000281.228010.187480.000191.331820.312480.000281.342210.16779破碎度(FN2)2.845E205分维面积比聚集度1.036090.021331.

28、2574210.80829由以上表格可知,本区多样性指数为1.78518,同最大多样性指数(2.07944)接近。在本区景观类型确定的情况下(为8类),这一结果表明各种景观类型所占比例比较接近,整体景观多样性程度高。这是因为所选区域范围内除了中部盆地外,为增加对比性还选取了较大面积的盆地周围的山区,类型所占比例较为均衡,支配地位(为),说明景观分配较为均匀,。不难发现,上述几个景观多样性指标的计算结果一致。充分说明本区景观分布均匀,各类型地位大体相当,总体多样性程度高。值得注意的是水田、水浇地和园地均属农业景观的范畴,如果将它们当作一种景观类型,则本区明显由农业景观支配。这与本区的实际情况相符

29、。本区景观整体破碎度为0.00948,表明景观整体较为完整,无明显破碎化现象。各景观类型的破碎度亦很低;分形维数以建成景观1.03609最低,水体1.48853最高。这是因为建成景观是人文干扰最大景观为特色,水资源不丰富的特点。从对各指数的分析中可以发现,总体上各指数都与人为活动有很强的相关关系。1anRTT,GodronM.LandscapeEcology.NewYork:Willey,1986.2RoyHY,MarkC.Quantifyinglandscapestructure:areviewoflandscapeindicesandtheirapplicationtoforestedla

30、nd2scapes.ProgressinPhysicalGeography,1996,20(4):418445.3WangYanglin,FuBojie.Landscapeecology:thetheoreticalfoundationofsustainableagrolandscapeplanninganddesign.296.JournalofEnvironmentalSciences,1995,7(3):2894TurnerMG.Spatialandtemporalanalysisoflandscapepat230.terns.LandscapeEcology,1990,4(1):215

31、王仰麟.农业景观格局与过程研究进展.环境科学进展,1998,6(2):2934.6王仰麟.景观生态系统及其要素的理论分析.人文地理,1997,7(1):15.7王宪礼,肖笃宁,布仁仓,等.辽河三角洲湿地的景观格局分析.生态学报,1997,17(3):317323.8肖笃宁,布仁仓,李秀珍.生态空间理论与景观异质性.生态学报,1997,17(5):453461.9陈利顶,傅伯杰.黄河三角洲地区人文活动对景观结构的影响分析.生态学报,1996,16(1):3742.10傅伯杰.黄土区农业景观空间格局分析1生态学报,1995,15(2):336341.的地区,在人文干扰下的土地利用一般都是按照一定的

32、规划原则进行的,所以其形状很规则,而人文干扰对于水体(在该区主要为桑干河和洋河)形状的改变是微乎其微的,所以水体的分形维数最大。分离度指数呈现出水体和建成景观最大,其他几类农业景观类型间比较接近的状况。说明研究区也体现了农业区域建成景观离散的普遍规律,同时具有以农业11傅伯杰,陈利顶.景观多样性的类型及其生态意义.地理学报,1996,51(5):454462.第3期王仰麟等:景观生态系统的空间结构:概念、指标与案例241THESPATIALSTRUCTUREOFLANDSCAPEECO-SYSTEMS:CONCEPT,INDICESANDCASESTUDIESWANGYanglin,ZHAOYibin,HANDang(DepartmentofCityandEnviromentSciences,BeijingUniversity,Beijing100871,China)Abstract:LandscapeSpatialStruct