景观生态学-生态保护与恢复的新途径.ppt

景观生态学 生态保护与恢复的新途径,马克明 中国科学院生态环境研究中心 ,什么是景观？,Niagara Falls,景观landscape意为风景，源于德语landcraft，指一种直观的视觉感受。 19世纪初，现代地植物学和自然地理学先驱洪堡（A. Von. Humboldt）提出景观由气候、水文、土壤、植被等自然要素以及文化现象组成的地理综合体。 由地圈、生物圈和智慧圈组成。,Forman和Godron（1986）：由相互作用的生态系统镶嵌构成，并以类似形式重复出现，具有高度空间异质性的区域。 Forman（1995）：空间上镶嵌出现和紧密联系的生态系统的组合，在更大尺度的区域中，景观是互不重复且对比性强的基本结构单元，它的主要特征是可辨识性、空间重复性和异质性。 肖笃宁（1997）：一个由不同土地单元镶嵌组成，具有明显视觉特征的地理实体；它处于生态系统之上，大地理区域之下的中间尺度；兼具经济、生态和美学价值。,Moss（1999）总结了景观特征： 相互作用的生态系统的异质性镶嵌； 地貌、植被、土地利用和人类居住格局的特别结构； 生态系统以上区域以下的组织层次； 综合人类活动与土地的区域系统； 一种风景，其美学价值由文化所决定； 遥感图像中的像元排列。,什么是景观生态学？,1939年德国生物地理学家特罗尔Troll提出景观生态学landscape ecology 研究大尺度空间格局与生态功能过程的关系及其发展动态的科学，着重于大尺度时空异质性，并关注人类活动的影响。 结合了地理学研究自然现象空间关系的“横向”方法和生态学研究生态系统功能关系的“纵向”方法。,学科地位尺度角度 个体生态学 种群生态学 群落生态学 生态系统生态学 景观生态学 区域生态学 全球生态学,内容： 景观格局 格局与过程关系 景观动态 景观管理 工具： RS 、GIS 、GPS 技术 模型方法 强调： 时空异质性 尺度变化 等级层次性,格局-过程-尺度-等级（From Wu, J.）,景观生态学理论,斑块廊道基质模式 斑块patch最小的异质性单元，即一个具体的生态系统。 廊道corridor不同于两侧基质的狭长地带。 基质matrix 是景观中范围广阔、相对同质且连通性最强的背景地域，很大程度上决定着景观的性质。,岷江干旱河谷,景观格局landscape pattern 景观的构成组分及其空间分布形式。 不同的景观格局是不同动力学机制的产物，也是不同景观功能的基础。 在缺乏景观发生发展历史资料的情况下，从现有景观格局出发，可以对景观格局与功能过程之间的关系进行描述。,景观异质性heterogeneity 区域中，景观要素类型、组合及属性在空间或时间上的变异程度。 源于环境变异、植被内源演替和干扰。 时空异质性交互作用导致了景观的演化和发展，景观格局和功能过程取决于其时空异质性。,尺度scale 任何自然现象和生态过程均具有明显的时空特征尺度。 确定合适的研究尺度以及相适应的研究方法，是取得合理研究成果的必要保证。 RS和GIS为尺度效应分析提供了技术基础。,河流分支结构的生物体型分布,森林动态的时空尺度,环境-生物-植被的时空尺度,景观格局对生态过程的影响 物种分布与迁徙 地表径流与侵蚀 元素分布与迁移 能量交换与转化 生物地球化学循环,物种分布与迁徙,物质和养分在景观中的流动(MacDowell and Likens, 1988),土地利用结构对土壤水分和养分的影响（傅伯杰等，1998）,黄土高原地区坡面上不同土地利用结构对土壤养分和水分的影响。a,b,c表示了三种15年以上不同土地利用结构(自上至下)，研究发现，b是一种较好的保持土壤水分和养分的土地利用结构。,城市景观的物流能流(H T Odum 蓝盛芳译，1992),格局与过程相互作用 景观单元的空间配置影响其内部的生态过程 景观格局是由于镶嵌体上的其它过程产生 景观格局与生态过程相互影响协同进化,景观生态学的任务 描述景观 解释和理解其中的生态过程 跟踪景观动态 分析不同文化背景下的景观格局,以便更好地理解景观本身的格局动态，并实施管理。,景观生态学数量方法,目的（Turner & Gardner, 1991） 景观组成和结构景观空间异质性 景观斑块的性质和参数的空间相关性空间相互作用 景观格局的趋向性空间规律性或梯度 景观格局在不同尺度上变化等级结构 景观格局与生态过程的相互关系,为什么需要新方法？ 经典生态学研究并不十分重视的大时空尺度特征，以往的数量化模型不能完全适用； 研究多变量和复杂过程，一般的数量化方法无法满足需要； 大尺度的景观生态学实验困难，跟踪调查时间长花费大。 RS、GIS和模型方法的进步，使得景观生态学可以通过景观数量方法来描述和预测景观格局和过程。,FRAGSTATS 景观结构数量化软件包 (McGarigal Marks, 1995) 例如 多样性指数Diversity Index 镶嵌度指数Patchiness Index 距离指数Distance Index 生境破碎化指数Fragmentation Index,景观模型（傅伯杰等，2001） 空间自相关(Spatial Autocorrelation)：地统计学(Goestatistics) 格局周期性：谱分析(Spectral analysis) 尺度变化：聚块样方方差分析(Blocked Quadrat Variance Analysis)、分形几何学(Fractal geometry) 和小波分析(Wavelet analysis) 景观局域相互作用、局部因果关系的多体系统所表现出的集体行为及其时间演化：细胞自动机(Cellular Automata) 格局梯度特征：趋面分析(Trend Surface Analysis)和亲合度分析(Affinity analysis),景观生态学与生物保护,生态保护起因： 生物多样性丧失 生态系统服务功能降低：稳定性和生产力 生态环境恶化：水、土、气 必须及时采取措施阻止退化、恢复生态系统 生态保护对策： 首先，保护残存生境 其次，生态系统管理 第三，生态系统恢复,长期保存一个物种： 遗传学及其种群生态学特性 所在的生态系统及相关生态过程 两种保护途径： 以物种为中心的传统保护途径 以生态系统为中心的景观保护途径,斑块对生物多样性的影响 斑块大小 s=f(+生境多样性-(+)干扰+面积+年龄+异质性-隔离-边界不连续性)。 斑块形状 斑块形状通过边缘效应的形成间接的对生物多样性产生巨大的影响。,廊道对生物多样性的影响 功能: 通道、屏障、源汇、栖息地 影响着斑块间物质、能量和物种交流 能够减少甚至抵消景观破碎化对生物多样性的负面影响 能够加速疾病、外来物种和其他干扰的扩散 有效性依赖于许多因素：廊道内部生境结构、廊道的宽度长度和连接度、目标种习性等。,生态交错带Ecotone对生物多样性的影响 特点： 过渡性 动态性 宏观性 传统观点：边缘效应提高了生物多样性 目前观点：生境破碎化导致物种消失,干扰对生物多样性的影响 干扰disturbance是一种自然现象 主要影响： 景观异质性 景观稳定性 景观破碎化 适度干扰会增加物种多样性 人类对自然干扰的人为再干扰，不仅导致生物多样性降低，也会伤害人文景观多样性,干扰与生物多样性的关系,中度干扰假说 Connell(1978)：Intermediate Disturbance Hypothesis 中度干扰导致最大的多样性/支持、反对 三个条件促使物种多样性提高： 如果干扰减少的只是由普遍种组成的群落的面积，但不减少普遍种和稀有种的群落类型时 如果普遍种组成的群落面积减少时，新的潜在的生物区系(biotopes)能够占据这些面积时 如果在新的可供生境中能建立新群落的物种包含在当地的植物区系中或存在于附近地区时,景观破碎化landscape fragmentation 一种栖息地不断变成碎片的过程 一种破碎化过程的结果即格局状态 导致生物多样性丧失： 它缩小了某一类型生境的总面积和每一斑块的面积，影响到种群的大小和灭绝速率 在不连续的片断中，残留面积的再分配影响物种散布和迁移的速率,岛屿生物地理学island biogeography MacArthurWilson（1967） s=f(+生境多样性-干扰+面积-隔离程度+年龄) 揭示了种面积关系 岛屿的物种丰富度取决于物种的迁入率和灭绝率，而迁入率和灭绝率与岛屿的面积及隔离程度有关。 SLOSS-single large or several small,理想的自然保护区的功能分区(Noss等，1994),异质种群理论Metapopulation theory Levins(1969)：斑块生境中同种局部种群集合体 四种类型： 1）大陆和岛屿型(mainland and island) 2）斑块型(patchy population) 3）卫星型(satellite population) 4）完全隔绝型(非平衡型 non-equilibrium) 局部种群空间上隔离，通过个体扩散联系 局部种群不断灭绝，又不断迁入重建 迁入重建率大于灭绝率时，异质种群才能续存,生物保护研究的发展 保护生物学：物种 保护生态学：生态系统和景观保护 保护经济学、社会学、伦理学、哲学。,景观生态学与生态恢复,生态恢复Ecological restoration 恢复完全受损生态系统和退化生态系统。 RecoveryRestorationRehabilitationRebuiltRegenerationReconstruction 多数生态恢复是局域性的。以点为基础的生态恢复对解决大尺度的生态恢复问题是不够的。 区域生态恢复需要在特殊地点和景观尺度上同时进行。,景观生态恢复目标： 使退化生态系统恢复某种外形 使之具有保护性、生产性和美学效应 进一步发展成为一种可持续性生态系统 景观生态恢复原则： 首先，保护状态良好的组分 其次，促进景观要素的恢复 最后，对片段化和残存景观进行重建,需要考虑的生态系统特征 组分：当前物种和它们的相对丰富度 结构：土壤和植物组分的垂直配置 格局：生态系统组分的水平配置 异质性：特征1-3的复杂变化 功能：基本生态过程的表现（能量、水分、和养分输运） 种间作用：包括授粉，种子散布等 动力学和恢复力：演替规律、恢复力,景观生态恢复步骤：I 发现问题： 生物分布变化：物种消失、生物入侵 景观流的变化：物种运动、水分和养分运动 美学价值变化：宜人景观类型的减少,景观生态恢复步骤：II 寻找原因： 本地植被的消失和破碎化 景观的格局和多样性变化 是否存在人工管理的影响,景观生态恢复步骤：III 目的物种： 物种数量受栖息地面积限制 物种迁移受栖息地连接度限制 物种数量受生态过程限制（捕食、干扰和火）,景观生态恢复步骤：IV 明确目