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1、第七讲：景观变化,景观生态学,第七讲：景观变化,景观演化的不可逆性和人类主导性景观变化过程模型景观变化格局景观的等级斑块动态理论（选）,一、景观演化的不可逆性和人类主导性,黄河三角洲的景观变化：19861993.,1.1 景观演化的不可逆性,景观系统如同自然系统，其宏观运动过程是不可逆的，它通过开发，从环境中引入负熵而向有序发展。系统演化遵循从混沌到有序再到混沌的循环式发展。,假如人类从地球上消失，自然20万年抹去人类所有痕迹 英国：新科学家，2006，11,假如地球上真的没有了人类，地球会自己设计未来的空间，自然之母会重新主导地球，田地和牧场重新成为草原和森林，空气和水再次得到净化，公路和城
2、市化为乌有首先，人类消失后20年，大街和农作物将接着消失，乡村道路会被野生植物覆盖，田野中将杂草丛生。城市街道的消失将花费更长时间，但即使像伦敦这样的城市街道，最后消失也用不了50年。如果人类突然从地球上消失，地球上15589种濒危动物中的大多数都将迅速扩张，恢复到令人惊异的数量，而所有人类企图驯养的动物都退化到原始状态。人类从地球上消失后，几乎所有人类留下来的文明遗迹都将在2万年中消失殆尽，5万年后，地球上所有人类的遗迹都将成为难以追寻的考古性线索，因为玻璃和塑料将全部消解，只有放射性物质和少数几种人造化学污染物会存在更久,1864年，法国著名物理学家克劳修斯提出热力学第二定律：S=Q/T
3、式中：Q为热量，T为热力学温度（K）。孤立系统，如果没有外部的热量输入，熵值（S）总是不断增加，当达到热平衡时，熵值最高。自然景观之所以发生变化，由初始景观发育成终极景观，本质上取决于熵的累积，即熵的升高过程。景观内物种不断增加，植物群落组成的斑块由大转小，最后均匀分布，变为顶极群落，此时景观熵值最大。人工建筑景观熵值最低，农业景观较高，自然景观最高，从有序向无序变化。人类为了自身的生存，需要保持城市和农田的结构，不得不向城市和农田输入大量负熵。,熵（entropy）,1.2 景观演化的人类主导性,人类活动和人类文明的发展，一方面对自然景观产生了巨大的破坏作用，另一方面人类活动对自然景观进行有
4、目的的改造和修饰，将自然景观改造为利于人类生存的格局。由于当今世界上人类活动影响的广泛性和深刻性，人类活动在景观演化过程中的主导地位日益突出，通过控制景观演化的方向和速率来实现景观的定向演变和可持续发展。,全球土地形态改变趋势,干扰：通常是指某种人类活动过程对其相邻景观产生影响，这种影响的程度一般是有限的。如道路建设对其相邻生物栖息地的影响，水库建设对其周边地区景观结构的影响。改造：是指人类为了一定的生存目的，针对某一景观客体，通过增加或减少一些景观要素，对景观格局进行适当的改造，以达到人类生存的目的，与干扰相比，它对景观的影响程度要大，如防护林建设、自然保护区设计与建设。构建：可以说是一种破
5、坏性的干扰行为，一般是为了人类某种特殊的目的，彻底改变原来的景观结构，在原地重新进行建造，如乡村建设、城市建设等。,人类对自然景观的影响的三种方式,三峡水库：末端位于重庆市江津市羊角滩，水库长度为662.9公里、水面面积为1045平方公里。水库将淹没632平方公里陆地，是全世界淹没面积最大的水库。三峡水库的平均宽度为1576米，没有一个“大肚子”库段，是一个典型的狭谷型水库，又称河道型水库。三峡水库淹没区涉及重庆、湖北两省的19个县市区，淹没线以下人口84.26万人。考虑到人口增长因素，规划动迁人口共计约为120万人。三峡水库将淹没各类农业用地约47万亩，各类工矿企业1599个。此外还有为数众
6、多的输电、通讯、广播线路以及公路、码头、中小水电站、泵站等。,水土保持林,人工景观：城市,澳门城市发展变化,横琴岛,1912年澳门面积11.6平方公里,1936年澳门面积13.8平方公里,1957年澳门面积15.1平方公里,1986年澳门面积16.6平方公里,1991年澳门面积18.1平方公里,1996年澳门面积21.3平方公里,1999年澳门面积23.8平方公里,澳门,凼仔,路环,珠海,景观系统演化方式的正负反馈,负反馈有利于系统的自适应和自组织，保持系统的稳定，是自然景观演化的主要方式；而不稳定则与正反馈相联系，由自然景观向人工景观的转化以正反馈居多，如围湖造田、毁林开荒、城市扩张等。人类
7、活动打破了自然景观中原有的生态平衡，放大了干扰，改变了景观演变的方向，并创造出新的平衡，重新实现景观的有序化。因而，可以将人类活动按其对景观的影响分为有序和无序两类，以突出政策的导向性。强调景观演化的人类主导性，就是要将人类活动由无序更多地转化为有序。,人类与自然共同作用影响下的和谐景观,欧洲著名的黑天鹅城堡,非洲的自然保护区内的建筑,中国著名的桃花源,深圳地区城市化过程：无序还是有序？,二、景观变化的驱动力,干扰和景观的稳定性景观变化的空间过程生境破碎化及其效应,景观变化的判定：1 某一不同的景观要素类型成为基质；2 几种景观要素类型所占景观表面百分比发生了足够大的变化；3 景观内产生一种新
8、的景观要素类型，并达到一定的覆盖面积。,2.1 干扰和景观稳定性,干扰(disturbance)：一种明显改变景观结构、功能和动态变化过程的事件。干扰具有以下特点：1）干扰是一种突发性非连续事件；2）干扰一般对景观格局具有强烈改造作用；3）干扰可能会中断景观中一些甚至全部生态过程；4）干扰具有强烈尺度效应；5）干扰可以是自然的，也可以是人工的。,自然干扰和人为干扰,自然干扰是指无人为活动介入的在自然环境条件下发生的干扰，如火、风暴、火山爆发、地壳运动、洪水泛滥、病虫害等；人为干扰是在人类有目的的行为指导下，对自然进行的改造或生态建设，如烧荒种地、森林砍伐、放牧、农田施肥、修建大坝、道路、土地利
9、用结构调整等。从人类活动角度出发，人类活动是一种生产活动，一般不称为干扰，但对于自然生态系统来说，人类的所作所为均是一种干扰。,自然干扰,自然干扰,人为干扰,人为干扰,不同尺度的干扰机制和生态反应,稳定性是系统的两种特征恢复和抗性的产物抗性是系统在环境变化或潜在干扰下抗变化的能力，阻抗值可以用系统偏离初始轨迹的偏离差的倒数来度量，偏离越大意味着抗性较低。恢复是指系统发生变化后恢复原来状态的能力，可以用状态发生变化的系统回到原来状态所需要的时间来度量。一般说来，景观的抗性越强，就是说景观受到外界干扰时变化较小，景观越稳定；景观的恢复性（弹性）越强，也就是说景观受到外界干扰后，恢复到原来状态的时间
10、越短，景观越稳定。但有时也会出现一些混乱的情况。,景观稳定性：景观系统对干扰的反应,生态系统总稳定性(抵抗力与恢复力)关系示意图,生态系统功能,时 间,干扰,抵抗力的量度：当一次干扰的强度和作用时间一定时，此区域的面积越大(轨迹偏离正常范围越晚和幅度越小)，生态系统的抵抗力越强,功能轨迹曲线,正常作用范围,生态系统总稳定性(抵抗力与恢复力)关系示意图,生态系统功能,时 间,干扰,恢复力的量度：当一次干扰的强度和作用时间一定时，此区域的面积越大(轨迹回复到正常范围越早)，生态系统的恢复力越强,功能轨迹曲线,正常作用范围,亚稳定思想:没有一种平衡是完全稳定的,景观中不同强度作用力的生态反应,自然弱
11、度干扰：低强度的作用力，会使景观发生波动。即较小的环境变化可能致使景观特性发生变化，但仅仅是围绕中心位置波动而已，景观仍处于平衡状态。中度（适度）干扰：干扰停止，景观可恢复到原来的平衡状态。如，干旱使土地干枯，河水断流，如果气候变为正常，景观开始恢复，但速度快慢不一。强度（严重）干扰：会使景观产生新的平衡，在这种情况下，作用力大于阈值N，景观不能在恢复到原来的平衡状态。如多年干旱，人口迁移，景观要素比例发生变化。极度（突变性）干扰：可导致景观替代，当作用力超过R时，原有的景观消失，并在同一地面范围被新的景观所替代。如乡村变为城市。,2.2 景观变化的空间过程,穿孔:生境或者土地类型中形成孔洞的
12、过程。如一大片林地会被伐木而产生的空地所穿孔 分割:用宽度相等的带来划分一个区域，如公路穿过热带雨林，将景观分割成许多部分破碎化:将一个大的生境或土地类型分成小块生境或小块地缩小:研究对象如斑块规模减小，如林地部分用于耕种或盖房，那么残余的林地就会缩小 消失:意味着物体如斑块和廊道的消失，如大部分斑块的性质发生变化,主要空间过程及其对空间属性的效应（表示增加，表示减少，0表示无变化）,例子：美国威斯康星州凯迪兹镇,空间过程模型,a 普遍的空间过程模型，表现各阶段的最多存在和重叠b 美国威斯康星州凯迪兹镇的实例.没有穿孔或者分割过程的相关信息，代表了土地转化一般模型（图a）中靠近末端的四分之一范
13、围的情况.,缩小和消失引起生境丧失和孤立（左为20世纪80年代的照片）18世纪中叶的几十年中林地被迅速移除之后，穿孔和破碎化过程本质上已经结束了.在随后的一百年里，缩小和消失成为了影响林地斑块的主要空间过程。这个以林地为主的景观大部分都转化成了农田。,区分模型与现实,比较特定的土地转化历史与普遍空间过程模型的区别可以发现更多的信息。例如，如果农业沿着一个早期公路网络的所有公路均匀扩散，那么破碎化可能很早就达到最高点，可能就象在某个亚马逊地区那样。如果在序列的晚期在已经破碎化的斑块中建设公路的话，那么分割过程很可能会两次达到最高点。同样，在一个特定的土地转化过程中，空间过程模型中的5个过程并不是
14、必须都出现。加宽带状区或带状发展可能导致不经过穿孔过程而直接从分割过程向破碎化过程转化。在带状区中从一个边界向对侧边界进行的伐木过程并不会引起任何的破碎化。凯迪兹的实例也告诉我们土地转化并不以一个恒定的速率进行。一段稳定时期之后发生突变，这才是真理。方向反转是可能发生的，就象在一个整体已经去森林化的格局中的进行的重新造林阶段。而且新的方向也会出现。,几个世纪以来，（瑞典的）农业用地一直在增长，土地越来越开敞。在19世纪中，许多平原区域的草地变为农田。至20世纪末，平原区的农业越来越集约化，在那里凡有碍大规模农业发展的障碍土丘、渠道、泥炭沼等统统被清除。相比之下，森林区域星散分布的农田在经历了1
15、9世纪的扩张后20世纪开始退耕，并逐渐回归为森林覆被。,三、景观变化的空间动态,土地转化主要有六个主要原因：森林砍伐、郊区化、廊道建设、荒漠化、发展农业和重新造林。此外还有若干“瞬时的”转化类型，如湿地排水或由长期空气污染造成的土地退化，火山喷发等。每个变化的格局都是一个镶嵌体序列，即一定时间内一系列的空间格局。确定镶嵌体序列是发展可在生态学上直接比较的空间模型的关键。,3.1 景观变化的空间过程与模式,边缘式。它是指新的土地类型从一个边缘单向地呈大致平行带状蔓延。土地转化的来源，例如一个区域城市化或高吹沙这种天气现象，都是从景观的边缘开始的。廊道式。它是指象公路或灌渠这样的新的廊道在开始时把
16、原来的土地类型一分为二，从廊道的两边向外扩展。单核心式。它是指从景观（如城镇或重新造林斑块）的一点或一个核心处蔓延，放射状发展并留下初始土地类型的一个收缩环。多核心式。它是指从景观的几个点开始蔓延，如居民点或外来物种入侵，所产生的新的区域朝彼此放射状的扩展。散布式。它是指新的斑块广泛散布，如在散布斑块中伐木或者在大块土地上以住宅的形式郊区化，会迅速消除原始土地类型中的大斑块，将新土地类型中大斑块的出现机会减到最小，并产生原始土地类型的临时网络。,基于几何学变化的简单空间模型(Forman,1995),常见的五种景观变化模式。深灰色表示原始土地类型，浅灰色表示10转换为新土地类型，白色表示40转
17、换为新土地类型.随机式为参考模型。,几种景观变化的典型空间模式(Forman,1995),本地植被的大斑块对于保护以下特征是很重要的:（a）蓄水层和湖泊；（b）上游源头和下游支流网状结构的连通性；（c）斑块内部物种的栖息地；d）大范围居住物种的栖息地；（f）自然干扰因素。小斑块对以下几点是很重要的：（a）物种分散的栖息地和踏脚石及内部种消亡之后的迁移；（b）增强了基质的差异性，因此减少了侵蚀；（c）局限于特殊小斑块的物种栖息地。,对几种变化模式的空间属性变化分析：*斑块大小，连通性，边界长度三种属性具有特殊的生态学重要性1、斑块大小,2、连通性,高廊道连通性可以增强（a）本地资源消失后的迁移；
18、（b）增加基因漂流以对抗斑块内的近交衰退；（c）减少基质的侵蚀。低廊道连通性会导致（a）减少有害物，非本地物种和干扰因素的扩散；（b）如果它们不能学会去避开不适宜的廊道，那么就会减少死亡率对内部物种的影响。,3、边界长度,较高的边界和边缘可以促进（a）边缘上的猎物和其它物种，如果增加的边界长度是由于弯曲增多的话，这会比长的直线边缘要好。（b）少数动物沿边缘活动。（c）更多的动物穿越在栖息地之间的边界。（d）沿边界上分布的侵蚀会明显减少。较短的边界长度会（a）减少边缘面积和非本地物种，如果减少的边界长度是由于取直作用的话。（b）更多的动物会沿边界活动。（c）会有很少的动物穿越边界。（d）侵蚀明显
19、增加。,分析结果：边缘模型被认为是六种模型中最好的，它没有穿孔，切割或分割。它对于大斑块属性是最好的，对连通性也不错。,三种性质的高水平或低水平是有其各自生态学益处的。所以同时拥有大小斑块才是最适宜的。缺失大斑块在生态学上是严重的损失，小斑块的缺失产生的影响就比较小，因为廊道和大斑块的构造都能提供大部分小斑块的益处。同样地，高连通性也是被考虑得最多的，但它并不是全部，生态学家们认为高连通性比低连通性具有更多的益处。高连通性或低连通性分布在景观的不同部分才是最适宜的。但只拥有低连通性分布的后果确是十分严重的。边界长度很难加以分类，因为多边界长度在生态学上所体现出的优势仅比低边界长度略多一些。,生
20、态最佳的土地转化模型颌状模型(jaws model),土地转化中的颌状模型。（a）（b）（c）分别显示了土地从黑色类型转变到白色类型的三个不同阶段：10%，50%，90%的景象。圆点是小斑块，曲线是廊道。白色土地类型围绕着景观。,与边缘模型相比，颌状模型提供了三种生态学益处。第一，总是保持有一个初始的正方形栖息地斑块。它的大斑块效益得到了改进，特别是在镶嵌次序的最后阶段。第二，廊道连通性在此模型中被加强，小的剩余斑块作为物种的踏脚石使它们穿过新陆地类型。廊道和小斑块使广阔而连续的新陆地类型区域的负面影响降到了最低。第三，颌状模型与边缘模型相比增加了边界长度，为多栖息地的物种提供了更多的栖息地。
21、,改进：颌状-大斑块模型,颌状模型也可以被进一步改进，在一定范围内，几个大斑块提供的生态学益处要比一个超大斑块提供的多。最基本的优势是随时间维持景观更高物种丰富度的能力。如果大多数的主要干扰因素会影响到一个斑块内的小部分区域，物种就会持续地受到干扰。此情况下“风险分散”变成了需要考虑的主要问题。拥有一定数量的大斑块要好得多，两个或几个大斑块（取决于斑块物种数量和景观物种总数的比值）被认为是目前最适宜的大斑块数量。,在一个生态上不太适宜的陆地类型取代了生态上更适宜的陆地类型的地区，颌状-大斑块模型被认为是最适宜陆地转化的镶嵌模型。这个模型为边缘模型和颌状模型又加入了一个生态学益处，它是个等待实验
22、验证的假说。这个概念的一部分正在被纳入到瑞典管理森林的计划之中。,景观变化动态是指景观变化的过去、现状和未来的趋势。景观空间变化和景观过程变化是同一变化中的两个方面。过程变化是空间变化的原因，空间变化反过来又影响过程变化，如许多鸟类对小的、破碎的斑块的反应十分敏感。,3.2 景观变化的动态模型,1.随机景观模型：不涉及空间格局变化机制，把空间信息与概率分布相联系，模拟空间变化结果，如空间马尔可夫模型.,深圳市土地利用转化率及预测,2.元胞自动机：被认为是简单的动态系统在这个系统中，n维空间的每一个细胞的状态取决于它以前的状态和邻域的细胞状态，即根据一系列细胞状态及一定的转换规则变化。,A Si
23、mple Landscape Model,An interesting heuristic toy,Forest fire spread model:MetaFor,景观机制模型PathMod:空间直观的斑块动态模型,3.基于过程的景观模型:根据一定原则，把景观划分成具有一定几何形状的空间区域，通过计算这些空间区域之间产生的各种生态过程和相应的生态流的变化，来模拟其景观空间结构特征及其动态变化。,Landis模型结构大尺度的空间直观模型,如何管理森林景观，如何采伐森林？,四、景观的等级斑块动态理论（邬建国）,等级理论斑块动态理论等级斑块动态理论内容,等级理论,等级理论认为：任何系统都属于一定等
24、级，并具有一定的时间和空间尺度。等级结构任何等级的生物系统，它们都是由低一等级水平上的组分组成，每一组分又是该等级水平上的整体，由更低一等级水平的组分组成。等级理论能够解释存在于某一尺度内的不同组分是如何与另一分辨率尺度上的其他组分发生联系的。,约束和推绎（略）,一般而言，处于等级系统中高层次的行为或动态常表现出大尺度、低频率、慢速度特征；而低层次行为或过程的行为或动态则表现出小尺度、高频率、快速度的特征。不同等级层次之间还具有相互作用的关系，即高层次对低层次有制约作用，而低层次则为高层次提供机制和功能。由于其低频率、慢速度的特点，高层次的制约在分析研究中往往可表达为常数；另一方面，由于其快速
25、度、高频率的特点，低层次的信息则常常只需要以平均值的形式来表达（滤波效应）。各等级水平靠信息传递和联系来维持等级结构的整体性质，跨水平推测往往是困难的。,斑块动态理论,1947年英国生态学家A.S.Watt提出的格局与过程学说，他认为，生态系统是斑块镶嵌体，斑块的个体行为和镶嵌体的综合特征决定生态系统的结构和功能。1970年代后，受岛屿生物地理学理论和复合种群理论启发，1985年Pikett&White编辑出版了自然干扰生态学和斑块动态，奠定了斑块动态理论重要的基础。斑块动态是指斑块个体本身的状态变化和斑块镶嵌体水平上的结构和功能变化。生态系统可以看做是具有这种特征的动态斑块镶嵌体（shift
26、ing mosaic）。斑块动态理论是对传统的、基于组织层次途径的一个重要补充（形成一个巢式等级系统，利于尺度推绎）。,shifting mosaic steady state,能够最好地代表斑块动态理论的模型首先应该是Levin 和Paine(1974，1981)发展的斑块景观模型。他们提出，要建立关于斑块镶嵌系统的模型，必须首先从空间异质性的产生过程入手，将斑块作为群落结构的基本空间单元，明确认识到斑块水平的非平衡动态特征，将干扰斑块动态和种群变化和群落生态学结合在一起。Levin 和 Paine(1974，1975)认为，生物群落可以看作是由许多相互作用的小斑块组成的空间和时间上的镶嵌体
27、；干扰常常阻止群落达到所谓的平衡顶级，成为产生和维持斑块镶嵌体的主要过程；因此，群落水平的统计特征是斑块水平的随机事件的整体反映。,斑块动态模型（略）,等级斑块动态范式（Wu&Loucks,1995）,等级斑块动态范式是生态学中的一个新范式，以斑块动态理论和等级理论的高度综合为特征，其要点如下：1、从结构上强调了生态系统是由具有不同性质、不同大小的斑块镶嵌体组成的巢式等级系统。2、状态上强调了生态学系统是一个不断变化的动态过程，且该动态过程是各个尺度上斑块个体行为和相互作用的总体反映。3、从研究方法上强调了格局、生态学过程与时空尺度的关系。4、从内在机制上强调了生态系统的非平衡观点，非平衡与稳定之间的联系和区别，从而在一定程度上揭示了自然界中所存在的各种生态学现象。,Concept-10:土地利用变化如何研究？,
