景观的动态变化

第五章景观动态变化一、景观稳定性（一）景观稳定性的概念**有关生态系统稳定性的概念:恒定性（constancy）：指生态系统的物种数量、群落的生活型或环境的物理特征等参数不发生变化。这是一种绝对稳定的概念，在自然界几乎不存在。持久性（persistence)：指生态系统在一定边界范围内保持恒定或维持某一特定状态的历时长度。这是一种相对稳定概念，且根据研究对象不同，稳定水平也不同。惯性（inertia）：生态系统在风、火、病虫害以及食草动物数量剧增等扰动因子出现时保持恒定或持久的能力。弹性（resilience）：指生态系统缓冲干扰并保持在一定闭界之内的能力。恢复性（elasticity）：与弹性同义。抗性（resistance）：描述系统在外界干扰后产生变化的大小，即衡量其对干扰的敏感性。变异性（variability）：描述系统在给予搅动后种群密度随时间变化的大小。变幅（amplitude)：生态系统可被改变并能迅速恢复原来状态的程度。景观稳定性特征类型图抗性：是指系统在环境变化或潜在干扰下抗变化的能力；阻抗值可用系统偏离其初始轨迹的偏差量的倒数来量度。偏离较大就意味着抗性较低。恢复性(或弹性)：是指系统发生变化后恢复原来状态的能力。恢复性可用系统回到原状态所需的时间来度量。（二）景观要素的稳定性景观要素是由：气候、地貌、岩石和土壤、植被、水文构成的。气候：周期性变化：如地球围绕太阳公转形成的春夏秋冬、地球自转产生的白天黑夜，这种周期性的变化极为有规律，所以人们多用平均温度、年均降水量等来表示其变化的均值，这种变化人们习以为常。不规则变化：如第四纪冰川，其形成原因尚有较大争论，但冰川活动引起的地球表面地貌、生物等的巨变为人所共识。这种变化对景观动态的影响具有异常性。地貌：大时间尺度：大面积的高山、平原地貌的变化时间尺度相当长，一般按地质年代来计算；属稳定的。小时间尺度：河口、海岸等洪冲积、海积作用和风积和风蚀活跃的地区和活火山地貌变化较为明显。是属不稳定的。岩石和土壤：岩石：地球表面岩石遭受风化的历史已超过30亿年，但发现的岩石表面风化壳的厚度最大不超过150m（非洲热带地区第三纪铝铁岩）。土壤：生成1cm厚的土壤大约需上千年或更多的时间，现代形成的土壤一般不超过2万年。但土壤的抗侵蚀力极为脆弱，撒哈拉沙漠平均一年要被吹掉1mm厚的细土层，(从地球化学研究成果)科学家已认定亚马逊河流域热带雨林的土壤主要来自撒哈拉的风积土。流水侵蚀对土壤的破坏更为剧烈。植被：稳定：植物的变化同气候一样也具有周期性和异常变化两种情况。不同植物从种子发芽，到花开花落，经历一年、多年或更长的时间，形成某种时间节律，这种变化节律，可以认为是稳定的。不稳定：遭受某种自然或人为干扰后，植物不能按正常周期变化，需经一相当长时间的恢复，人们通常认为这时的植物失去了稳定性。水文：流水（主要指地表水）是景观中较为活跃的组成要素，水在景观中起连接各斑块的廊道作用，水是强大的自然干扰力量，是景观的变化最具影响力的干扰因素。水的稳定性最差，其变化又很难预测；一场洪水可瞬间吞没城镇、农田，改变一个地区的景观面貌，然后又很快消失了。干旱的气候可以使河流、湖泊干枯，新疆的罗布泊现在呈现在人们面前的就是湖水干涸后，盐分积于地表，一片白茫茫荒凉的景观。（三）景观稳定性的尺度问题1．景观稳定性的时间尺度景观稳定性是一个相对的概念，任何景观都是连续变化中的瞬时状态，这些状态可以看作是时间的函数，评价景观是否稳定要有假定时间尺度，或者说是一个变化速率，当所观察的景观的运动速率大于假定的运动速率时，我们认为景观是变化的；当所观察景观的运动速率小于假定的运动速率时，我们认为景观是稳定的。景观时间尺度与人类的生活密切相关，景观概念也来自于人对世界的观察。人们观察景观的变化只是在其有限的生命周期中，所以，对一般的景观研究，景观动态尺度以人一生的生命周期为好，实际上我们所谈到的景观稳定与否通常也是假设了这样一个生命周期。在100年左右的时间间隔内，如果观察到的景观有本质的变化，我们说景观失去了稳定性。2.景观稳定性的空间尺度景观稳定性：实际上是许多复杂结构在立地水平上不断变化和大尺度上相对静止的统一。我们把这种稳定性称为景观的异质稳定性。流域尺度上两岸的植被要比沿河流渠道各段植被的稳定性要高，异质稳定性存在于每一景观中。总的来说，大尺度上景观结构和要素组成的变化需要很长的时间才发生，而小尺度上景观的变化在短期就可以发生。例如，沿河两岸的植被，雨季来临时，洪水很容易冲走其根部的沉积物；但是在森林，一场火只能破坏一些植物，并且这种干扰也很容易恢复。（四）景观稳定性的定量探讨熵理论作为自然现象不可逆与无序的量度，可以很好地解释景观的稳定性。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。主要现象有：1.物种：景观内的物种在不断地增加，2.斑块：植物群落组成的斑块由大转小，最后转化成混杂均匀分布，有序变成无序。3.景观异质性：当看不到景观异质性时，植物群落变为顶极群落，相应的景观也进入了稳定阶段，此时景观的熵值达到最大。在没有外界能量输人，即没外界干扰时，此过程是不可逆的。岳天样（1991）将热力学的稳定性原理引人生态系统的相应研究，为生态系统稳定的定量研究提出了新的途径。波尔兹曼在研究物质的分子运动时，借助于热力学原理来探讨分子行为的微观现象，1896年他提出熵可以作为微观的分子运动和宏观的热力机这两种不同尺度连接起来的媒介。物理系统中不同时刻分子的相应空间分布（作为气体的热力学概率）可由宏观状态和微观的比率来表示。公式如下：式中，N为观察到的系统中气体分子的总数目，P1,P2,P3,“‘,Pk为系统中1,2,3,---,k为各室空间气体分子所占百分比。系统的总熵为：式中的K为绝对温度条件，0℃=273.15KD为系统宏观状态的热力学概率。景观中自然植被的自发演替过程是由非均匀化逐渐趋向均匀化，不同物种的聚集形成斑块，进而形成某种结构，必须对上式进行某些修正来计算熵值：景观中自然植被的自发演替过程是由非均匀化逐渐趋向均匀化，不同物种的聚集形成斑块，进而形成某种结构，必须对上式进行某些修正来计算熵值：景观熵值仅取相对含义，KS系数可设为1;以景观的斑块作为各室，以植物种群的数量取代气体分子总数目；为计算方便，以2为底的对数取代自然对数；物种均匀分布时，没有结构的形成，系统的熵值最高；物种各自聚集，形成斑块结构，景观熵值最低，应取前式的倒数，故为负值，计算景观熵值。其式如下：式中，N是景观的物种数，Pk是各斑块内植物种群数所占的百分比。我们假设景观包含有16种物种，将景观分成不同的斑块（图5一2)，抽象化为几种特殊的类型。用上述公式来计算景观的熵值。图（a)代表16种植物均匀地混杂分布，仅有一个斑块，没有形成任何结构，景观熵值为：该结构景观熵值最高，稳定性最好。图（b）代表16种物种分别聚集于两个斑块，每块8种。形成了简单的结构，景观的熵值为：图（c）代表16种物种分别集中于4个斑块，每块4个物种，形成较为复杂的结构，景观的熵值为：图（d)代表景观结构最为复杂的情况，一般的农田就属于该种情况，每块仅有1种物种，景观的熵值为：二、景观变化的驱动因子景观变化的驱动因子一般可分为两类，一类是自然驱动因子，一类是人为驱动因子。自然驱动因子常常是在较大的时空尺度上作用于景观，它可以引起大面积的景观发生变化；人文驱动因子包括人口、技术、政经体制、政策和文化等因子，它们对景观的影响十分重要，但还需要进一步研究它们同景观作用的方式、影响景观的程度、以及确定它们和景观之间关系的研究方法。（一）自然驱动因子景观变化的自然驱动因子主要指在景观发育过程中，对景观形成起作用的自然因素。比如地壳运动、流水和风力侵蚀、重力和冰川作用等，它们形成景观中不同的地貌类型；气候的影响可以改变景观的外貌特征；景观的变化同时伴随着生命的定居，植物的演替，土壤的发育等过程中；火烧、洪水、咫风等自然干扰也能够引起景观大面积的改变。1．地貌的形成2．气候的影响(1)赤道景观(2)热带气候下的景观(3)荒漠景观(4)温带景观(5)寒冷地区景观3．生命的定居4．土壤的发育5．自然干扰（二）人为驱动因子1．人口因素把人口作为独立的变量，它同景观作用的方式有以下几种：①人口增加导致耕地等农业景观的增加，同时使林业等其他资源流失；若没有相应的体制和技术的改变会导致环境的恶化。在人口聚集密集区和城市边缘带，经常由于人口扩张而破坏了生态平衡。②人口增长导致了生产的密集化，包括人类投人的加大以及新的生产技术方式出现。从历史上看，生产密集化是进步的、乐观的，它促进形成了复杂的土地管理系统；并引起景观更复杂变化，如导致地下水污染，土壤肥力下降等，从中长期发展来讲是不可持续的。③人口增长可以对区域甚至全球产生影响。一个地区在资源无法满足其人口增长时，要么从其他地区调人资源，要么将人口输送到外地，这样不可避免地影响其他地区的土地资源。④人口增长意味对粮食的需求增大。人们根据自己的意愿引种，培育新的物种；一旦新物种培育成功，就大面积种植；同时通过各种土地利用方式限制和消灭了许多自然物种，总的结果是导致景观异质性下降。⑤人口同景观变化形成相互作用的反馈环，人口增长导致景观周围环境变化，改变的环境可以影响人口的出生率、死亡率、迁移率，在景观承受能力的限度内，这种影响是有利的，但超出景观的承受范围，对人口产生不利影响。2．技术因素历史上，科学技术在世界各地的发展极不平衡，20世纪40年代，工业技术才开始走向全球化，也就在这段时间，农业生产力超过了人口增长率。我们假设如果以1950年的生产力供养1980年的世界人口，那么世界耕地面积将不得不比1980年实际面积超出5000万公顷，这就是我们十分关注技术对全球土地利用变化的原因。科学技术同土地利用变化的关系有3点：①科学技术进步导致了农业用地的巨大变化，科学技术和工艺的发展提高了土地生产力，阻止了由于人口增加带来的农业用地的扩张；同时使更多的农民摆脱土地的束缚，可以从事其他经济活动，促进了城市化发展。②科学技术进步带来了运输革命。随着技术的提高，运输系统有了长足的发展，它提高了社会劳动力的空间分布，扩大了大尺度上商品出口、粮食及其他农产品等物资的交流，并加速了城市地区人口的密集化。③新的运输技术缩短了土地之间的距离，原来以天、月、甚至年来计算的距离（功能距离），现在可以用小时、分钟计算；世界变得越来越小，系统变得越来越大。今天世界经济都在趋向一体化，某种科学技术的诞生可能会产生世界范围的景观变化。3．政经体制及决策因素土地利用/土地覆被的结构、功能和变化等特征在各种层次上的作用过程几乎都要受到政治、经济和社会因素的制约。政经体制对景观变化的影响至少集中在3个层次：一是国际水平，国际之间的贸易、国家之间的关系、世界财政体系以及非官方的世界性组织等决定着土地利用／土地覆被变化的总体方向。二是国家水平，国家的政经体制和决策因素可以直接影响土地的变化，还可以通过市场、人口、技术等因素影响土地现状。国家水平起着呈上起下的作用，国际水平通过国家水平来施加影响，国家水平又控制着当地水平的变化。三是当地水平，当地水平是国家水平的具体体现，具体引起当地土地利用／土地覆被的调整、破碎和完全变化。以前研究政经体制引起的景观变化只局限于一个国家内，由于世界经济一体化的迅速发展，只从国家角度分析是远远不够的。进一步的研究可能要考虑这样几点：①在国际水平上寻找与之相对应的土地利用／土地覆被变化的全球指示因子；②在一个给定的体制系统内，建立对区域变量敏感性的国家和区域实例；③确定不同尺度上政经因子对大尺度驱动因子的敏感性；④选取指示案例研究外来管理变化下改变当地体制的重要性。4．文化因素(1)公众的意见(2)思想体系(3）法律(4）知识三、景观变化的生态环境影响（一）景观变化对区域气候的影响1．土地表面性质的变化（二）景观变化对土壤的影响1．景观变化对土壤有关生态过程的影响2.景观变化对土壤养分流动的影响（三