景观生态学理论与人类对生态系统的利用

关于景观生态学理论与人类对生态系统的利用1第1页，课件共47页，创作于2023年2月Z.Naveh(以色列)：景观是自然、生态、地理综合体。美国景观生态学家Forman和Godron(1986)：景观是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。肖笃宁(1997)将景观概念表述为：景观是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。代表性定义第2页，课件共47页，创作于2023年2月傅伯杰等（2001）在综合国内外有关景观的概念的基础上，总结了对景观的五个方面的理解：第3页，课件共47页，创作于2023年2月景观生态学一词由德国学者Troll于1939年首次提出，他将景观生态学定义为：研究某一景观中生物群落之间错综复杂的因果反馈关系的科学。Weins(1993)：景观生态学主要研究一系列生态现象中镶嵌体空间格局的效应。Forman(1983)指出，景观生态学集中于以下三方面的研究：①景观单元或生态系统间空间关系的研究。②景观单元间的能量流、物质流和物种流。③景观镶嵌体随时间而变化的生态动态。景观生态学景观生态学是研究景观单元的类型组成、空间配置及其与生态学过程相互作用的综合性学科（邬建国，2000）第4页，课件共47页，创作于2023年2月二、景观生态学研究的对象和内容主要是研究景观的结构、功能和动态变化以及景观的规划与管理。1.景观结构不同景观要素之间的空间关系。2.景观功能各种景观要素之间的相互作用，不同生态系统之间的能量流、物质流和物种流。3.景观变化景观的结构和功能上随时间的变化。4.景观管理通过分析景观特征，提出景观利用管理最优化方案。第5页，课件共47页，创作于2023年2月三、景观生态学中常用基本术语及定义结构：即指空间单元的特殊配置，通常与空间结构或斑块结构同义。连接度：一个景观内一种生境或覆盖类型的空间连续性。强调景观中各要素在功能上和生态过程上的联系。廊道：指与其两侧相邻区域有差异的相对呈狭长形的一种特殊景观类型。覆盖类型：在一个景观中，根据不同的分类标准划分出的某些生境、生态系统或植被类型中的一类。边缘：一般指一个生态系统或覆盖类型的周边部分，其内部的环境条件可能与该生态系统的内部区域有一定差异；有时也用于表示在一个景观中不同覆盖类型间邻接宽度的计量。第6页，课件共47页，创作于2023年2月破碎化：一个生境或覆盖类型破碎为更小的，不相连的小块。异质性：包含不同景观要素的性质或状态，如一个景观中包含的各种生境类型或覆盖类型，与同质性相对，同质性是指一个景观内的要素是相同的。基质：在景观中的本底覆盖类型，通常具有高覆盖率和高连接度；并不是所有的景观中都可以划分出确定的基质。斑块：在性质或外貌上不同于周围单元的块状区域。尺度：对象或过程的时空维度，具有粒度（分辨率）和幅度（范围）的特征。三、景观生态学中常用基本术语及定义第7页，课件共47页，创作于2023年2月四、斑块（一）斑块的起源按照起源，可将斑块分为四类：环境资源斑块、干扰斑块、残余斑块和引入斑块。环境资源斑块环境异质性导致环境资源斑块产生。特点：存留时间长、周转率低。第8页，课件共47页，创作于2023年2月干扰斑块基质内的各种局部干扰都可形成干扰斑块。

原因：由于局部干扰而产生的。采伐后的森林，草原烧荒，地表煤矿干扰是引起生态系统格局显著偏离其常态的事件。举例：风、火、冰雹、山崩、虫害等。干扰内、外因（如火灾）短期、长期短期特点：具有最高的周转率、持续时间最短、消失最快的斑块类型。第9页，课件共47页，创作于2023年2月残余斑块成因与干扰斑块刚好相反，它是生物群落在受干扰基质内的残留部分。如火灾大火过后残留的一片森林。原因:由大范围干扰活动，如森林砍伐、城市化等造成局部范围内幸存或残存的自然与半自然生态系统片段包围着一小块未受干扰地区的大范围干扰造成的。引进斑块当人们把生物引进某一地区时，就随之产生了引进斑块。如种植斑块、聚居地、高尔夫球场等。第10页，课件共47页，创作于2023年2月不同斑块的大小、形状、边界以及内部均质程度都会表现出很大的不同。斑块的的结构特征对生态系统的生产力、养分循环和水土流失等过程都有重要影响。如大型植被斑块具有多种重要的生态功能；小的植被斑块可以作为物种迁徙的歇脚地，保护分散的稀有种类和小生境有利于提高景观的异质性。景观中不同类型和大小的斑块可导致其生物量在数量和空间分布上的不同。一般来说，斑块越小，越易受到外围环境或基质中各种干扰的影响。对斑块的影响的大小不仅与斑块的面积有关，同时也与斑块的形状及其边界特征有关。（二）斑块大小和形状的生态学意义第11页，课件共47页，创作于2023年2月斑块大小的生态学意义物种丰富度（或种数）＝f（生境多样性，干扰，斑块面积，演替阶段，基质特征，斑块隔离程度）物种多样性与景观斑块的大小密切相关。理论上，斑块中物种丰富度与斑块面积成正比。在进行自然保护区设计时应考虑如何保持：①较高的当地物种多样性。②稀有种和濒危种。③稳定的生态系统。自然保护区面积是要考虑的主要因素。第12页，课件共47页，创作于2023年2月斑块形状的生态学意义斑块形状多种多样，一般来讲，自然过程造成的斑块（如自然生态系统）常表现出不规则的复杂形状，而人为斑块（如农田、居民区、城市等）往往表现出较规则的几何形状。形状分析可了解物种动态；斑块的形状对生物的散布和觅食具有重要作用。斑块的形状与环境变化及更新过程有关。园林设计，采取不同斑块形状，收到不同的艺术效果。第13页，课件共47页，创作于2023年2月斑块的边缘效应边缘是指两个不同的生态系统相交而形成的狭窄地区。斑块的边缘部分有不同于内部的物种组成和过渡，这就是通常所说的边缘效应。换言之，边缘效应是指斑块边缘部分由于受外围影响而表现出与斑块中心部分不同的生态学特征的现象。许多研究表明，斑块周界部分常常具有较高的物种丰富度和初级生产力。第14页，课件共47页，创作于2023年2月五、廊道与本底有所区别的一条带状土地，可以看作是一个线状或带状的斑块。简单的说是指线形的景观单元。例如:树篱、公路景观中的廊道是指与其两侧相邻区域有差异的相对呈狭长形的一种特殊景观类型。第15页，课件共47页，创作于2023年2月（一）廊道结构特征弯曲度或通直度：其生态意义与生物沿廊道的移动有关。连通性：廊道如何连接或在空间上怎么连续的量度。连通性高低决定了廊道的通道和屏障功能。第16页，课件共47页，创作于2023年2月（二）廊道的功能生境如河边生态系统、植被条带传输通道如植物传播体、动物以及其他物质随植被或河流廊道在景观中运动过滤和阻抑作用如道路、防风林道及其他植物廊道对能量、物质和生物（个体）流在穿越时的阻截作用作为能量、物质和生物的源或汇如农田中的森林廊道，一方面具有较高的生物量和若干野生动植物种群，为景观中其他组分起到源的作用，而另一方面也可阻截和吸收来自周围农田水土流失的养分与其他物质，从而起到汇的作用。第17页，课件共47页，创作于2023年2月（三）廊道的分类三种类型：线状廊道、带状(窄带)廊道和河流(宽带)廊道1.线状廊道廊道是一条很窄的带，植被类型基本上是边缘占优势。一般有7种：道路、铁路、堤堰、沟渠、输电线、草本或灌丝带、树篱2.带状廊道廊道是一条很窄的带，其宽度是可以造成一个内部环境，含有内部种，每个侧面都存在边缘效应。3.河流廊道是指由于河流分布而不同于周围基质的植被带，通常包括河流边缘、河漫滩、河堤和部分高地。第18页，课件共47页，创作于2023年2月六、基质（一）基质的判定相对面积的大小、连通性和对景观动态的控制作用是判定基质的三个基本标准。相对面积基质面积在景观中最大，超过现存的任何其他景观要素类型的总面积，基质中的优势种也是景观中的主要种。连通性基质的连通性较其他景观要素高。控制程度基质对景观动态的控制较其他景观要素大。基质是面积最大、连通性最好、在景观功能上起控制作用的景观要素第19页，课件共47页，创作于2023年2月斑块在本底中称为孔。单位面积的斑块数目称为孔隙度。它是本底中斑块密度的量度。与斑块大小无关。（二）基质的孔隙度第20页，课件共47页，创作于2023年2月孔隙度的生态意义1）它提供了一个了解物种隔离程度和植物种群遗传变异的线索。2）孔隙度是边缘效应总量的指标，是一个对野生生物管理、对能流物流指导意义的因素。孔隙度低表明景观中有边远地区存在，这对需要边缘生境的动物很重要。第21页，课件共47页，创作于2023年2月第二节第22页，课件共47页，创作于2023年2月岛屿生物地理学的核心是研究物种丰富度与栖息地面积及岛屿与外界隔离程度的关系。MacArthur和Wilson的岛屿生物地理理论首次从动态方面阐述了物种丰富度与面积及隔离距离之间的关系。该理论认为，岛屿的物种丰富度决定于物种的迁入率和灭绝率。因此，岛屿生物地理学广泛应用于岛状生境的研究，成为自然保护区规划、设计的理论基础。一、岛屿生物地理学理论第23页，课件共47页，创作于2023年2月物种数量与岛屿面积的关系(种-面积曲线)在气候条件相对一致的一定区域内，岛屿上物种数目会随着岛屿面积的增加而增加，开始增加迅速，当物种接近该生境所能承受的最大数量时，增加逐渐停止。随着面积的增加，物种多样性增加的效果在岛屿要比连续生境内明显。Preston(1962)提出著名的种－面积方程：S＝cAzLogS=zLogA+logc式中，S是种丰富度，A是面积，c和z常数。c为物种的分布密度，即单位面积内的物种数目；z为某个统计指数，理论值为0.263，实际通常在0.18与0.35之间。c和z值常采用统计回归方法获得。物种数目的对数与面积对数呈线性关系第24页，课件共47页，创作于2023年2月物种

数

岛屿的面积

空间面积每增加10倍，物种数目平均增加1倍。这里，十分重要的是c的数值。大量研究证明，c的取值从0.05~0.37，最大值约为最小值的7~8倍,其变幅之大是惊人的。就全球陆地植物而言，c的平均值为0.22,它决定着物种数目的基础动态变化状况。z值的生物学意义：当z=0.5时，只需要将岛屿面积增加4倍，物种数即可加倍。第25页，课件共47页，创作于2023年2月平衡理论平衡理论认为，岛屿生物种类的丰富程度取决于新物种的迁入和原有物种的灭绝，当物种的迁入率和灭绝率相等时，岛屿物种的数目达到动态平衡。理论要点：①每个岛屿的物种数都有一个平衡密度,岛屿越大，物种平衡密度越高；②不管目前物种数多于平衡密度还是少于平衡密度，岛屿上的物种数总是不断地趋向于平衡密度；③任何岛屿上的物种数都处于一种动态的平衡之中，这种动态平衡是由于新物种不断迁入和原有物种不断消失所维持的；④岛屿上的物种数在年与年之间是相对稳定的，但是他的组成成分是不断变化的。第26页，课件共47页，创作于2023年2月第三节第27页，课件共47页，创作于2023年2月一、景观异质性与稳定性（一）景观异质性和景观破碎化景观异质性Li(1995)：系统或系统属性在空间上的复杂性恶化变异性，是产生空间格局的主要原因。Risser等(1984)认为，景观生态学的具体研究内容包括：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。景观异质性的研究，侧重于空间异质性、时间异质性和功能异质性（研究景观结构的功能指标，如物质、能量和物种流等空间分布的差异性）三个方面。第28页，课件共47页，创作于2023年2月景观异质性重点用于描述景观组分的空间分布差异。景观组分大致有三种比较典型的空间分布格局：聚集分布：导致景观组分出现的内在驱动因素在空间分布上是不均匀的，某种景观结构特征（或组分类型）只在一些特殊地段出现。随机分布：导致景观组分出现的内在驱动因素在空间分布上是非常均匀的，无显著的空间作用力类型和强度差异。规则分布：导致景观组分出现的内在驱动因素在空间分布遵循一定的规则，最后组分也呈显著的规则分布。第29页，课件共47页，创作于2023年2月景观异质性的意义：1.有利于保持物种多样性2.有利于提高景观的多样性和复杂性3.对景观设计、规划与管理具有重要意义第30页，课件共47页，创作于2023年2月（一）景观异质性和景观破碎化景观破碎化主要表现为斑块数量增加而面积减少，斑块的形状趋于不规则，景观内部生境面积缩小，作为物质、能量和物种交流的廊道被切断，景观斑块彼此被隔离，形成岛屿状。第31页，课件共47页，创作于2023年2月景观异质性与景观破碎化是具有显著区别但又有一定联系的两个概念。景观异质性的形成与自然干扰有关，轻度的人为干扰也可能会增加景观异质性；人为干扰尤其是强度大、频度较高的干扰会加剧景观的破碎化，景观破碎化的结果会使景观的异质性下降，不利于生态系统的健康、稳定以及各种生态功能的维持。（一）景观异质性和景观破碎化第32页，课件共47页，创作于2023年2月可从两个方面理解，一是依据景观变化的趋势来分析和判定其稳定性，二是从景观对干扰的反应来认识其稳定性。Forman和Godron按照下述三个参数来研究景观变化曲线的特点：①曲线总趋势：分为水平趋势、上升趋势和下降趋势三种类型。②围绕总趋势的相对波动大小，分为波动较小和波动较大两类。③波动的节律：分规则和不规则两类。景观稳定性还可以从景观对干扰的不同反应来描述。抵抗力恢复力（二）景观稳定性第33页，课件共47页，创作于2023年2月二、人类对生态系统的利用及影响第34页，课件共47页，创作于2023年2月 三、景观变化的驱动因子（一）自然驱动因子景观变化的自然驱动因子包括地貌因子、气候因子、生命的定居、土壤因素以及自然干扰等。（二）人为驱动因子景观变化的人为驱动因子包括人口因素、技术因素、政经体制及决策因素、文化因素等。第35页，课件共47页，创作于2023年2月（三）景观变化对生态和环境影响对区域气候的影响主要是由于地表土地利用／土地覆被改变后引起了太阳辐射能在地表分配的变化。对土壤的影响主要体现在土壤侵蚀和土壤养分流动方面。对水环境的影响主要体现在对区域水文过程和水循环的影响上，由于城市聚居区的扩大及农业生产的需要等增加的大量用水，另外还包括对水质的影响。第36页，课件共47页，创作于2023年2月第四节第37页，课件共47页，创作于2023年2月一、干扰及其特征（一）干扰的定义（1）“显著地改变系统正常格局的事件”Forman和Godron（2）“景观基本表现单元的突然变化，并通过种群反映的明显改变而表述出来”。Bazzaz（3）“相对来说非连续的事件，它破坏生态系统、群落或种群的结构，改变资源、养分的有效性或者改变物理环境。”Pickett和White从生态学角度考虑，干扰的定义是：群落外部不连续存在、间断发生的因子的突然作用或连续存在因子的超“正常”范围的波动，这种作用或波动能引起有机体、种群或群落发生全部或部分明显变化，使其结构和功能受到损害或发生改变。第38页，课件共47页，创作于2023年2月（二）干扰的特性干扰体干扰类型、作用频率和强度等特性在某一时间过程的总和被称为干扰体。(1)干扰范围指干扰体作用的空间范围的分布特点，它常与地理、地形和环境梯度有关系。(2)频率和周期指同一空间范围或同一组织水平内，单位时间某一干扰发生的次数。其倒数称为干扰周期，即某一干扰两次发生的时间间隔。(3)干扰强度干扰发生时，干扰因素所表达出的能量值。由于干扰因素的差异，这一特性的定量分析要视具体干扰类型来确定强度衡量的具体单位。(4)时间尺度指干扰发生的具体时刻及其时间跨度，不同时间的干扰作用，会产生不同的干扰效果。第39页，课件共47页，创作于2023年2月是指由于人类生产、生活和其他社会活动形成的干扰体对自然环境和生态系统施加的各种影响。自然干扰人为干扰人为干扰从伤害强度、作用范围、持续时间、发生频率、潜在危害、诱发性等都高于自然干扰。（1）按干扰动因划分（三）干扰的类型不可抗拒的自然力的干扰作用，包括大气干扰、地质干扰和生物干扰等。第40页，课件共47页，创作于2023年2月（2）按干扰来源划分外源干扰的动因源于系统外部，它的影响与生态系统自身特点有关，干扰作用