第五章景观变化

第四章反映景观功能的生态流内容回顾1通过景观的流有三种:1）能量流

2）养分流

3）物种流

2导致景观元素之间相互作用的5种媒介物（风、水、飞行、地面动物、人）3影响三种流运动的力(扩散、重力和运动）第四章反映景观功能的生态流内容回顾概述生态流分类包括空气流、水流、养分流、动物流和植物流。景观元素通过流的相互作用（斑块与本底、廊道与本底等)动植物在景观中的运动（动物流、植物流)流与景观结构（流的空间扩散过程）

空间扩散过程有的物体在空间的扩散是均匀扩散，也有的是跳跃的，两者的结合可能是生态学中更常见的运动形式。物体以一个结点跳跃到周围几个结点，如果结点的等级是明显的，这个扩散过程则市等级式扩散。方向性是等级扩散的一个重要特性。

膨胀扩散与易位扩散也很重要。扩张(膨胀)扩散：物体在继续占据原位基础上，扩大面积的扩散。例：热量在无风天气下向四周的散布，树木根系的繁殖。移位扩散：物体离开某一地方到达新的地方。例：洪水从山上流到山下一群猴子从原来的丛林到另一个丛林第五章景观变化景观动态(landscapedynamics)系指景观的结构和功能随时间而发生的变化。变化既有自然的因素，也有人为的因素，以及两者的复合驱动；变化有快有慢。比如：1976年唐山的大地震，2008年汶川地震。一夜间。1978年的大兴安岭大火，435万公顷。荷兰的围海造田、沙漠化、滥伐森林等。城市化景观现代农业景观-1950~传统农业景观-1800~1950历史乡村景观-1100~1800铁器时代末期景观-约公元前1000新石器及青铜时代景观-原始自然景观-景观土地利用变迁过程自然→人工遥感数据准备阔叶林针阔混交针叶林灌丛草甸裸地雪云阴影深圳地区城市化过程示意图2003年卫星影像图（下）1988年卫星影像图（上）南昌市景观分类图19882000

19882000南昌市建设用地扩张情况示意图南昌地区城市化过程示意图1988年卫星影像示意图2003年卫星影像示意图01年北京市热岛分布图

这节课学习的内容景观变化与稳定性景观变化的驱动力景观变化的空间模式景观变化时空动态模型第一节景观变化与稳定性景观始终不断变化，但同时又具有相对稳定性。将景观稳定性作为景观变化的一个特征加以综合研究，旨在掌握景观变化的基本规律，保持其相对稳定性。一、景观稳定性的概述若干基本概念稳定性:群落或生态系统在一定时间维持物种间相互组合及各物种数量关系的能力，和在内外干扰下恢复原平衡状态的能力。稳定性、准稳定性和不稳定性

1）LT-SRO和LT-LRO稳定曲线生物系统的稳定性（stability）是相对的，景观参数的长期变化成水平状态，并且在其水平线上下波动，波动幅度和周期具有统计特征的，我们认为是稳定的。

2）有人用准稳定性（metastability)来表达这种稳定状态

因为它并不是固定不变的，而是处于动态平衡之中，说它是动态的，是因为它还在变化，说它是平衡的，因为从较长的尺度来说，它又是不变的。3）不稳定性指的是波动方式经常发生变化或不可预测不稳定性可能出现两种情况：一是受到干扰后打破原有平衡后立刻建立新的平衡。即以新的平衡代替原有的平衡。二是旧的平衡被打破后，新的可预测的稳定状态并未出现。比如：干旱的草地一经耕垦，就会不稳定。2、关于稳定性的其他重要概念（p75）

1）持久性（persistence)

指一个系统或它一些分量的持续存留时间。

2）抗性（抵抗力）（resistance)

指一个系统对某种干扰就地抵制的能力。3）恢复力（resilience)

指一个系统在受到干扰破坏后恢复其功能的能力。稳定性包括两个方面的含义：一是系统保持原有状态的能力；二是系统受干扰后回归该状态的倾向，即受干扰后的恢复能力。4）关于景观特性与稳定性关系的基本原则：岩石、水泥路面等无生物定居地，具有物理系统的稳定性。随生物量的增加准稳定性增加。顶级群落的准稳定最大，中间演替阶段次之，先锋阶段最小。从抵抗力来说，顶级群落大于先锋群落；从恢复力来说，先锋群落大于顶级群落。3.景观的亚稳定性生态学系统的稳定性是暂时的，不稳定性是永恒的，不稳定性不断为稳定性创造条件。亚稳定性(metastability):系统受一定干扰后发生变化并达到可预测的波动状态。亚稳定性并非介于稳定性和非稳定性之间的一种状态，而是两者的结合，具有新的特性。亚稳定性增加，生态系统抗干扰能力增强。如，景观演替过程中生物量不断累积．会提高景观的稳定性，而多数的外部干扰会降低景观的生物量，影响景观的稳定性。4.影响景观稳定性的基本因素涉及：气候、地貌、岩石和土壤、流水、植被和干扰等因素。5.景观稳定性的内在机制1)景观生态系统普遍存在的异质性2)景观生态系统的开放性3)景观生态系统的生物进化过程二、景观随时间变化的趋势

景观变化的一般规律

景观变化曲线-----

1、景观变化的基本参数描述景观变化过程和趋势的属性指标:景观生产力、总生物量、斑块形状、斑块大小、廊道宽度、基质孔隙度、生物多样性、网络发育特征、营养物质储量、演替速率和景观流等景观参数。景观随时间变化的趋势可用3个独立参数表征

Forman&Godron

用3个独立参数表征所有变化曲线：变化的总趋势（上升、下降和水平趋势）；围绕总趋势的相对波动幅度（大范围和小范围）；波动的韵律（规则和不规则）景观变化的描述：基于趋势分水平、递增和递减，波动周期分规则和不规则周期，幅度分大幅度和小幅度，可组合出12种类型。

（a）美国田纳西洲阿巴拉契亚硬木林在1000年内预测的生物量变化（b）英国剑桥附近罗金厄姆林地面积400年来的变化（c）夏威夷冒纳罗亚山上空22年间大气中CO2含量的变化2、景观变化的判断景观变化速率有快有慢，规模有大有小，总是一个渐进的过程。但一个景观变成另一个景观总需要一些判别的标准或条件。Forman认为，一个景观的更替，可从3个方面来判断：①某一不同类型景观要素取代原来景观基质；②几种景观要素类型所占景观面积比例发生足够大变化；③景观内出现一种新类型的景观要素，且覆盖一定范围。衡量某一景观变成另一景观的标准：某一景观要素成为本底几种景观要素所占面积的百分比发生了非常大的变化景观内产生了一种新的景观要素类型。一、景观变化的作用力1）作用力的种类人力比如：采伐、造林、灌溉等自然力物理力（比如：地震、洪水、台风）生物力（比如：病害、虫害）第二节景观变化的驱动力2）不同强度作用力的生态反应按照作用的强度分为四级：极度：产生新景观。比如：地震强度：使景观产生新的平衡。景观成分未发生绝对变化，只是相对地位有所改变。比如：耕作中度：使景观发生很大变化，可产生超过平衡的波动，但是一旦停止干扰仍可使景观恢复到原有的平衡状态。比如：连续几年干旱，河流干涸，气候正常，恢复原有景观。弱度：使景观产生围绕中心点的波动。比如：小的森林火灾。四种强度产生四种结果：波动、恢复、建立新的平衡和景观替代。由于景观自身弹性，作用力的大小对景观系统产生不同的影响。（p77)二、自然干扰1）有关干扰的概念

干扰是使生态系统、群落或种群的结构遭到破坏和使资源、基质的有效性或物理环境发生变化的任何相对离散的事件。比如：火灾、洪水、地震干扰状况指的是某个地区或某种特定立地上，某种干扰因素各种参数的综合，可以从时间和空间的分布格局来说明干扰状况。空间上：干扰斑块的大小、形状、分散程度等时间上：干扰重现期、干扰频率、干扰轮回期等干扰重现间隔期：指的是一个地点相邻两次干扰之间相互作用的年数。干扰频率：是重现间隔期的倒数。干扰轮回期：指的是将与一个研究面积相等大小的一块土地全部干扰一遍的时间。干扰强度：是从干扰因素本身来看，在一定时期，一定面积上，该事件的物理力。比如：火灾时，单位面积单位时间释放的热量。干扰烈度：从对有集体、群落或生态系统的影响来表示。比如：火烧死的株数。2）关于自然干扰的假说关于干扰的生物学意义有两种假说：中等干扰假说：一个群落经历的干扰呈某种中等水平时，种的丰富度最大。比如森林中的干扰。关于干扰频率与种的丰富度的关系的表达：只有干扰发生得比竞争排斥所需要的时间更加频繁时，才能维持种的丰富度。3）干扰发生及其后果的影响因素（1）群落结构不同的生活型和外貌，对干扰发生及造成的后果有显著的影响。比如火灾对森林和草原。对森林来说，树种、年龄与干扰有关。比如老龄林易发生火灾，针叶树比阔叶树易发生火灾。（2）立地条件比如草原和沼泽（3）生活史对策

指在进化过程中形成的，遗传上决定的生长速率和光合产品的分配以及生活周期中各种事件发生的时间。比如r对策和k对策（4）景观特征景观特征指的是景观要素的类型、大小、分布、隔离程度以及构图等。比如林区火灾的蔓延与溪流的分布相关。4）干扰对景观的影响中等干扰有利于形成景观的异质性。比如林中的火灾。景观格局与干扰状况相对应。比如大兴安岭森林格局与火灾。三、人类对景观的影响1、人类活动造成的环境问题1）全球气候变暖化工燃料，CO2排放，工业化以前280ppm，1990年353ppm，预计2030年450ppm，CO2使地表升温2~4.2℃

，冰山融化，海平面上升。2）大气污染和酸雨危害大气污染主要是SO2，固体悬浮颗粒，氮氧化物和各类芳烃化合物。酸雨欧洲1.41亿公顷森林，有5000公顷受酸雨危害，瑞典18000个湖泊酸化，加拿大、美国。我国西南、华南严重。酸雨：SO2含量过高酸雨直接危害植物的叶和芽，使农作物和树木死亡人们一般把pH值小于5．6的降水称为酸雨。说明：酸雨不单指“雨”，也包括雪、雹、雾等各种酸性的降水形式。3）森林和其它天然植被减少据FAO公布，80年代热带国家森林以0.6%速度消失，90年代1.2%，30年后不再有热带森林。4）土地退化土壤侵蚀、土地沙化。我国水土流失面积160万km2,占全国面积16.7%,严重地区，西辽河上游，黄土高原，长江中上游。沙漠化，全球有100多个国家，1/3陆地面积面临沙化，主要分布非洲北部、东部和南部，亚洲大陆中部、南部、西部，我国主要东北、西北和华北，由于盲目开荒、超载放牧和过度樵采。5）水资源短缺、水污染淡水仅占地球水量的1%，20世纪后，用水量剧增农用增加7倍，工用增加20倍。6）生物多样性降低目前3950种濒临灭绝，3647种濒危，7240种成为稀有种。松花江水污染2、景观类型与生态属性1）按照人为干扰状况将景观分为五种类型：天然景观：由于天然干扰产生的天然植被，不存在人为干扰。管理景观：有人定居，并对天然植被进行管理。农田景观：大多数是农田，也有一部分管理植被。城郊景观：由农业、城市化和管理植被组成的混合体。城市景观：城市化和工业化为本底，存在少数植被。生态属性天然景观管理景观农田景观城郊景观城市景观水平结构对比度小，曲线对比度大，直线热力学性质相对闭合开放性强生物分布学粘滞性强流动性强引入外来种世界性的营养循环较快快更快，施肥污染净生产量接近于0正值显著增加负值种的对策K≥rK≈rr≥K变化不定抵抗性类型抗衰老抗干扰抗病虫害抗污染2）景观类型与生态属性3、基于人类管理程度对景观的划分

自然景观、管理的自然景观、乡村景观、城乡过渡景观、城市景观。4、人类对管理景观的改造方式

1）管理景观的特点管理景现中人类活动：自然资源的利用与开发，其方式有开垦与农业种植、森林采伐与更新、荒山造林、围栏草场等。人类活动主要影响景观的非稳定组分——植被，严重时影响景观较稳定的组分——土壤。其中，农田景观与郊区景观的特点如下：(1)可再生资源的生产性，谋求比自然生态系统更高的生物生产力，设计能发挥最大功能的景观结构。(2)调控景观变化方向和速率，实现可持续发展目标。(3)协调人类与自然的关系，维持其生存环境的稳定性。2）改造作用的方式1)开垦与农业种植2)农田防护林建设3)森林主伐与更新4)人工造林5)围栏草场1）对斑块结构的影响（1）斑块类型

随着干扰活动的加剧（如农业活动增强、城市化加剧），使得环境资源斑块的数量在五种类型中逐渐降低。干扰斑块在管理景观中最多，随着农田与城镇的出现又逐渐减少。残余斑块的数目较小，当大部分地面为农田和城镇时，它的块数最多，但又进一步减少。四、人类活动对景观结构的影响引入斑块在天然景观中不存在，当干扰达到第二级时才出现，但以后增加。干扰斑块类型相对块数变化的趋势是：环境资源斑块和干扰斑块逐步让位于引入斑块和残余斑块。（2）斑块的大小在自然景观中，斑块的平均面积大，主要是因为所受干扰小，主要由环境资源斑块所组成。在城市景观中，斑块的平均面积小，主要因为受农业和城市化的发展破坏。随景观变化水平（干扰程度的加大）平均斑块大小和方差均趋于降低。（3）斑块形状

在自然景观中，以环境资源斑块和干扰斑块为主，其形状多不规则，在农田与城市景观中，多为人为控制，以引入和残余斑块为主，形状规则。斑块的长宽比，在农田景观时较低，而在自然景观和城市景观时较高，因为在自然景观中，由于气候、植物侵入等因素，多形成长条形状斑块，城市中，由于路网的建设也多形成长条形斑块。（4）斑块密度

在自然景观中，斑块密度中等，随农业化与城市化，斑块密度加大。景观结构特征变化的总的趋势：一般来说，自然景观中，斑块面积大、形状不规则、数目较少，主要是由于环境资源斑块与干扰斑块引起的。在城市景观中，一般斑块较小、较窄、形状规则、数目多，主要由引入斑块和残余斑块引起的。2）对走廊、网络和本底的影响在天然景观中，线状走廊较小，在定居水平的第二、三级，人为引入的道路增加，在第四、五级，林带、沟渠等线状走廊进一步增加。带状走廊主要是人为活动的产物，以中等定居水平时数量最多。当干扰加强时，和本底融合到一起。在天然景观中，河流走廊居多，第二、三级水平河流减少，到四、五级时大为减少。网络的情况类似于线状走廊聚居地的数量随干扰增强增加，但如果以聚居地的周边或其他周围景观结构如本底、斑块和走廊的界面来说，则似乎应以农田和城郊景观为最高。在城市景观中，聚居地彼此相连，因此与其他景观成分的界面降低。对于本底的连接度来说，随干扰的增加而降低，与网络变化相反。总之，除斑块外的其他特征受人类的影响更大。线状、带状走廊、网络和聚居地均随人的干扰增加而增加，而河流走廊和本底在天然景观中丰富，在人类干扰下减少。第三节景观变化的空间模式1.景观破碎化(碎裂化)概念指景观中景观要素斑块的平均面积减小、斑块数量增加的景观变化过程。成因：人为和自然干扰。破碎化过程取决于人类生产活动和对土地利用。如公路、铁路、渠道、居民点建设，大规模垦殖活动，森林采伐等加剧了景观破碎化过程。一、景观变化的空间过程2.景观破碎化的空间过程在自然过程和人类无计划活动作用下，出现：1).景观变化的五种空间过程a.穿孔(perforation);b.分割（dissection）;c.破碎化(fragmentation);d.缩小(shrinkage);e.消失(attrition)

景观破碎化的五种空间过程

2)景观破碎化不同空间过程生态效应

具体表现在生物多样性、侵蚀和水化学特征等穿孔、分割和破碎化过程影响整个景观，亦可影响其中的一个斑块；缩小和消失过程影响单一斑块和廊道；内部生境的总数量随上述五种空间过程的增强而减少；在连续的廊道或基质中，整个景观的连接性随分割和破碎化过程的增强而减少。3)土地转化过程的五种过程重要性差异土地转化初期，穿孔和分割过程相对重要；而破碎化和缩小过程在景观变化的中间阶段更为重要；消失过程是景观变化的最后阶段。4）景观变化空间过程与其空间模式相关

景观变化空间过程与景观变化空间模式穿孔过程多出现在散布模式中，亦出现在单核心和多核心模式中；分割过程和破碎化过程多出现在廊道模式；所有模式都有缩小过程，且在最后阶段才出现消失过程。边缘模式的优点对大斑块属性，边缘模式最好，对连接性有利；无穿孔、分割或破碎化过程。1、景观变化空间模式的常见类型不同干扰因素以及干扰方式会产生不同的景观空间格局变化，可归纳为6种空间模式。即边缘式(edgepattern)、廊道式(corridorpattern)、单核心式(nucleuspattern)、多核心式(nucleipattern)、散布式(dispersedpattern)和随机式(randompattern)。二、空间变化的空间模式景观变化的空间模式图示说明

边缘式：新的景观类型从一个边缘单向地呈平行带状蔓延；廊道式：新的廊道在开始时把原来的景观一分为二，从廊道的两边向外扩散；单核心式：从景观中的一点处蔓延；多核心式：从景观中的几个点蔓延；散布式：新的斑块广泛散布；随机式：新的斑块呈随机分布状态，生境丧失速度低于多核心式和散布式。2）“颌状颌状”空间模式空间模式与边缘模式相比，其优点：一直维持原来方形的生境斑块，特别是在镶嵌序列的最后阶段；廊道连接性得到加强；明显增加边界长度，为多生境物种和边缘种提供更多的生境。上节课内容回顾景观稳定性的概念景观变化的规律性和判断标准景观变化的驱动力（自然干扰和人类活动）景观变化的空间模式景观变化的空间过程（5种）景观变化的空间模式（6种）景观变化时空动态模型第四节景观变化时空动态模型1.生态学模型很多，其分类方法多种多样，如：解析模型—模拟模型连续模型—离散模型确定性模型—随机模型现象模型—机理模型—过程模型非空间模型—准空间模型—空间显式模型2.景观生态学模型多为准空间模型或空间显式模型

景观生态学中频繁应用的3种模型：马尔科夫模型、复合种群动态模型、中性模型。一.景观变化动态模型的特点

运用模型方法旨在解决景观尺度上难以进行的实验研究。景观动态模型在建模时增加了地理现象的空间分异规律并考虑大的空间尺度，主要体现在：a.在空间动态分析模型的基础上引入生态学的建模方法；b.引入空间坐标变量。景观动态模型可表述为：Xt+m=f(Xt,Yt)式中：Xt+m示从t至t+1时景观空间格局的变化；Xt是t时的空间形式；Yt为空间坐标变量。二..景观动态模型的分类

基于景观变化的集合程度分为：景观整体变化模型、景观分布变化模型和景观空间变化模型基于数学方法分为：微分方程模型和差分方程模型基于空间异质性的处理方式分为：非空间模型、准空间模型和空间显式模型基于信息处理方式：栅格型景观模型和矢量型景观模型差分模型运用实例例：黄土高原植被覆盖变化在空间上的差异

年际变化趋势的空间差异

方法：差分先使用遥感软件ENVI求取1982～2003年1～12月的NDVI影像的平均值，用此值来表征研究区植被覆盖的年变化状况。使用矢量化软Raster2Vector矢量化研究区的边界，用之截取黄土高原NDVI数字影像，显示研究区植被分布状况，由暗到亮表明植被覆盖度由差到好的基本状况。1982年

1984年1985年

1986年1992年

1996年

2003年再采用简单差分分析方法，利用不同年份NDVI年平均值图像，分别生成黄土高原地区NDVI百分比变化图像（图4-10）：百分比变化图像=（NDVI年份2－NDVI年份1）／NDVI年份1（4.7）表4-2不同等级NDVI变化及其定性描述Table4-2ClassificationandqualitativediscriptionofNDVI等级Grade差分百分比Differencepercent植被状况描述Discribeofvegetationcondition颜色Corlour1-5%～5%没有变化或者变化很小，无植被或少植被覆盖绿色2-5%～-9%植被退化、减少蓝色3-10%～-30%植被严重退化黑色46%～30%植被部分增加，植被活性中等红色530%～70%