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景观生态学的基本原理和方法-卢涛


景观生态学的基本原理 及方法
卢涛 中科院生物所
John A. Wiens John A. Wiens Sally A. Tinker Kimberly With

Monica G. Turner

Dennis H. Knight

R.T.T. Forman

邬建国

傅伯杰

俞孔坚

景观(Landscape)
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Zonneveld (1979): 地球表面的一部分,由空气、水、植物、动物和人组成的系统的复合体,并可通 过外貌特征进行辨识。 Naveh (1984): 自然、生态、地理之综合体 Haber (1990): 生物或者人类综合感知的土地。

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Forman (1986):以类似方式重复出现的相互作用的若干生态系统组构成的异质性土地地域。并建议 将其空间范围限定在几公里到几百公里(中尺度)。
Forman (1995):空间上镶嵌出现的紧密联系的生态系统组合。在区域尺度上,景观是不重复的且 对比性强的结构单元。它具有可辨识性、空间重复性和异质性。 ? (全球、区域、景观、生态系统、群落、种群、个体、生理)

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Farina (1998):景观至少存在三种不同的视角:人的视角、动物的视角和植物的视角。
邬建国 (2000):狭义景观和广义景观 狭义景观:以Forman 为代表的将空间范围限定在几公里到几百公里的景观。(暗含着人类视角的观 点) 广义景观:以Wiens和Risser为代表的,没有空间范围限制的,只强调空间异质性的景观。(暗含生 物感知的观点)

从近几年的文献看,景观生态学突破了空间范围的限制,广义景观为多数生态学家所接受。

景观生态学(Landscape Ecology)
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Forman: 景观生态学是以景观结构、功能和动态特征为主要研究对象的一门新兴宏观生态学分支学 科。 关键词:结构,功能,动态,宏观生态学
Naveh: 景观生态学是地理学与生态学之间的一门中间学科,是对人类生态系统进行整体论研究的 新兴学科。 关键词:地理学,生态学,中间学科,人类生态系统,整体论

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理解空间异质性和生态过程关系

与 其 它 生 态 学 分 支 的 关 系

研 究 目 标

发展历程(国际)
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1939年,德国著名的地植物学家特罗尔,在利用航片中研究东非土地利用问题时提出了景观生态学 一词 二战后,由于人口、粮食、环境问题,景观生态学得到蓬勃发展,中欧(例德国、荷兰、捷克等) 成为景观生态学研究的主要地区 1981年,在荷兰召开“第一届景观生态学大会” 1982年,国际景观生态学协会(IALE)成立 1984年,Naveh和Lieberman出版《景观生态学的理论和应用》,第一本景观生态学专著 1986年,Forman和Godron出版《景观生态学》教材,标志景观生态学发展进入了一个全新阶段 1987年,国际性杂志《景观生态学》出版 90年代,景观生态学全球化普遍提高,技术、手段更为先进(例GIS、遥感等) 21世纪,水域景观生态学、景观遗传学、多功能景观研究、景观综合模拟、景观生态与可持续性科 学发展迅速,成为新的学科增长点

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发展历程(国内)
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从80年代初开始,1989年10月在沈阳召开首届景观生态学学术讨论会

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1998年在沈阳举行“亚洲及太平洋地区景观生态学国际会议”
21世纪,提出从中国自身的特色出发,关注受人类影响的和以人为主导的景观,以景观格 局与生态过程的多尺度、多维度耦合研究为核心 中科院生态环境研究中心、北京大学、中科院沈阳生态研究所处于领先地位

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学科特点
(一)宏观学科特色
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个体→种群→群落→生态系统→景观→区域→生物圈(全球) 主要研究层次:生态系统、景观和区域。 学科特色:宏观生态学研究 认识论特点:整体论途径 问题切入点:格局与过程 传统学科的涉及范畴:生态学、地理学、社会学、人类学、资源学等 问题解析角度选择:时间+空间(空间关系)

学科特点
(二)异质性
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强调异质性研究是景观生态学的显著学科特色,特别是关于空间异质性研究, 是所有生态学分支学科中,景观生态学所特有的。
异质性(heterogeneity):景观内部事物或者其属性在时间或空间分布上的不均匀性或非随机性 特征。与异质性相反的景观特征被称为均质性。

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Risser甚至认为景观生态学主要研究景观的空间异质性: 1)景观空间异质性的发展和动态; 2)异质性景观的相互作用和变化; 3)空间异质性对生物和非生物过程的影响; 4)空间异质性的管理。

学科特点
(三)强调时空分异
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景观生态学是生态学学科群中唯一将时空分异特征作为自身研究重点的分 支学科,涉及的重点研究领域包括:异质性、等级特征、景观格局、尺度 效应、干扰扩散等。
尺度(scale):在观察景观现象或过程时一个特定的空间分辨率或标准时间单元。 尺度效应(scale effect):优势景观现象或过程特征随尺度变化而变化的现象。

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学科特点
(四)注重人为活动
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景观的宏观性特征使其成为很容易与人为活动研究进行衔接的生态学分支学 科(城市景观、人为景观、干扰等)

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Naveh认为景观生态学是生态学和人类生态学研究的桥梁

研究的主要对象、内容及基本理论
景 观 生 态 学

斑块 - 廊道 - 基底模式 岛屿生物地理学理论 空间异质性和斑块性 复合种群理论 景 观 功 能 等级理论 斑块动态 景 观 结 构 景观连接度 临界阈理论和渗透理论 地域分异理论 景 观 动 态 人类活动和影响

格局 - 过程 - 尺度

基本概念
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景观结构(landscape structure):景观组分的数量构成及空间组合与分布特征,其中 景观组分的空间结构特征又被称为景观格局(landscape pattern) 景观功能(landscape function):景观对自身内部及其他相关生命系统生存和发展所 能提供的支撑作用; 景观动态(landscape dynamic):景观在各种内外部驱动因素作用下其结构和功能的 时间变化过程与特征。 景观组分(landscape elements):构成景观的不同生态系统类型被称为景观组分
斑块(patch):一个与周围环境不同的相对均质性非线性区域。 廊道(corridor):不同与两侧相邻土地的一种特殊的带状要素类型。 基质(matrix):景观镶嵌内的背景生态系统或土地利用类型 网络(network):是指一个相互连接的廊道系统。

景观生态学研究的核心问题
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空间格局与生态过程(Spatial Pattern)

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空间与时间尺度(Scale)
空间异质性对与流和干扰的作用(Heterogeneity / Disturbance) 格局动态(Evolution) 景观结构与功能

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生物多样性
物种流、能量流 养分再分配 景观元素间的作用

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复合种群动态(Meta-population)
景观抗性(resistance) 系统的等级组织(Hierarchy) 生态交错带(Ecotone)

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中性模型(Neutral model)

景观生态学的主要研究方法 -数据获取
(1 )样地调查

乔木调查

灌木调查

草本调查

数据获取
(2) 样线调查

数据获取
(3 )区域定点普查

数据获取
(4 )资料收集
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土地利用资料 道路、水体、居民点和地形图

遥感影像、数字高程图
社会经济资料

数据整合

数量分析方法
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景观组分分析
主要分析内容:类型、数量、面积(总面积、平均面积、面积谱分布 等)、形状(边型特征、分维特征)、边界分析(类型、数量、长度、 复杂性程度等)、个体碎裂化特征。

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景观格局分析
主要分析内容:多样性特征、异质性特征、相邻度特征、空间分异特征。

景观动态分析
主要分析内容:多时段比较分析、组分转移特征分析、动态模拟分析等。

重点领域及现状 -景观格局
景观格局的成因
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非生物因素:强烈控制生物地理格局的气候和产生地貌、土壤格局的地形 非生物因素 生物因素:生物的相互作用 (如竞争、草食和捕食) 以及关键种和建群种的 生物因素 作用 干扰和演替是时空异质性的关键驱动因素(许多干扰有强烈的气候驱动, 干扰和演替 还有地形的相互作用) 人类的土地利用方式是景观格局的主要驱动力 人类的土地利用方式

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景观格局
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结构:景观组分的类型组成和数量构建特征 格局:景观组分的空间分布及组合特征 结构与格局研究需要大量组分属性数据加以 描述,以发现其无序表象下的内在特征。遥 感技术作为数据源的优势明显。 格局分析只是一种工具,提出空间格局的性 质以及解释为何会造成这种格局才是它的首 要目的。

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功能
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功能:主要指景观内部的各种生态流研究,集中在能流、物流和物种流 研究上。该研究是景观生态学研究中遥感技术应用比较薄弱的一个领域, 主要是利用遥感技术的一些传感特点研究各种生态流。

成功案例: 1)红外遥感数据进行能流研究 2)利用示踪电子设备和雷达等对动物迁徙进行研究 3)利用遥感面状数据结合地面调查进行特定物质循环研究 4)未来发展方向:遥感数据与地面数据结合,总结规律性模式

动态
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特征:50年左右尺度的动态研究中,遥感数据优势得天独厚
1)一般研究:不同时段遥感数据的对比研究和转移概率研究 2)动态模型研究:景观空间明晰化模型构建的必要资料基础 3)长时间尺度研究:与其他资料相结合

尺度效应
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所有研究只在特定尺度下有效,不可进行外推,生态学 还能称为科学吗? 人类解决环境问题急需科学的尺度方法
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全球气候变化、生物多样性丧失等环境问题,它们的特征 尺度都很大,而传统的生态学观测一般都在较小的尺度上 进行,存在着尺度鸿沟(scale gap), 用生态学原理解决 环境问题急需合理的尺度方法。观测设计和数据处理方法 离不开尺度方法。

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技术进步为尺度科学发展提供了条件
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遥感技术的飞速发展,为解决人类环境问题提供了充足的 数据来源,不同范围,不同分辨率的遥感数据为解决各种 尺度上的问题提供了可能性。但如何处理和整合这些不同 来源的数据是一个迫切需要解决的问题。尺度科学是解决 这一问题的关键。

应用研究
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生物多样性保护
1)生物多样性调查:遥感资料结合地 面调查数据进行生物属性特征描述(如 树高、树冠监测,动物示踪等); 2)生境调查与评估:利用遥感资料结 合地面调查进行; 3)生物与生境关系分析:利用遥感资 料结合相关学科的知识进行综合,包括 一般规律分析和模型建设等; 4)监测:直接利用遥感手段进行动态 连续监测。

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应用研究
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景观规划
1)基础调查:组分类型及分布、数量统计; 2)评价:根据规划目标,基于遥感数据特性进行相关方法论建设和应用实践; 3)预测研究:多时段数据构建预测基础; 4)决策支持:专用系统构建,结合GIS技术组合使用。

展望
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汶川地震

Dajun Wang et al., Conserv Biol 2008

展望
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汶川地震

Weihua Xu et al., Front Ecol Environ 2009

展望
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牧民定居

Tao Lu et al., Conserv Biol 2009

lutao@cib.ac.cn


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