土地／景观动态过程及模型

第五章土地／景观动态过程及模型第一节土地／景观变化的空间模式一、人类活动对土地／景观变化的影响在人类历史时期，土地／景观变化已在不同的时间和空间发生。刀耕火种时期，人类对土地利用与景观的影响较小。农业文明时期，开始吧林地、草地转化为农田，引进农业技术、过程，自然的景观转化为农业景观，以及出现了一些田园化景观和可持续农业景观。工业化与人口的扩张，导致大量的自然与人文景观退化，从而不可避免地出现了全球性的生态环境问题。人为活动是影响景观变化的主要因素。人类活动对土地／景观的影响是多时间尺度的。二、景观变化的空间过程１.景观破碎化定义：指由于自然或人为干扰所致的景观有简单趋于复杂的过程，即由单一、均质和连续的整体趋于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体的过程。主要表现：斑块数量增加而面积减少，斑块形状趋于不规则，内部生境面积缩小，廊道被截断以及斑块彼此隔离。２.景观变化的空间过程在自然景观和人类无计划活动作用下所产生的景观变化包括五种空间过程：穿孔、分割、破碎、缩小和消失三、景观变化的空间模式Ｆｏｒｍａｎ提出景观变化的６种空间模式，即边缘式、廊道式、但核心式、多核心式、散布式、随机式。边缘式是指新的景观类型从一个边缘向另一个单向地呈平行带状蔓延，景观变化从一个边缘开始。廊道式是指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张。单核心式是指从景观的一点或一个核心处蔓延。多核心式是指从景观中的几个点蔓延，如居民点或外来物种的入侵。散布式是指新的斑块广泛散布。四、土地利用／覆盖变化１.土地利用／覆被变化研究框架土地利用和土地覆盖变化是影响景观结构、功能及动态变化的最普遍的主导因素之一，涉及对人类活动影响的量化评价。土地利用与覆盖变化已成为景观生态学和全球生态学中极重要和具有挑战性的研究领域之一。２.ＬＵＣＣ生态效应研究主要主题包括：区域／全球粮食保障；全球气候变化对区域土地／水资源利用的影响；气候的可变化性及区域脆弱性；后京都协议中的碳问题；区域生物多样性的丧失；社会和环境中的脆弱区。第二节土地／景观变化模型一、模型的含义是某种对现实系统或现象的抽象或简化；具体地说，模型是对真实系统或现象最重要的组成单元及其相互关系的表述。•模型的定义预测增强理解诊断现有知识中的重要环节或薄弱环节简化和综合的工具转化“信息”为“知识”支持管理和决策•模型的重要作用二、模型的种类根据计算机在建模中的作用解析模型与模拟模型根据时间上和空间上的连续性连续型模型和离散型模型根据数学方法微分方程、差分方程和矩阵模型根据是否含有随机变量或参数随机型模型和确定型模型根据模型所涉及的生态学过程和机制的多少现象学模型和机制或过程模型根据模型的内容干扰传播模型、复合种群模型、植被动态模型、土地利用变化模型以及生物地球化学循环模型等根据模型所涉及的生态学组织层次生理生态模型、种群模型、群落模型、生态系统模型，景观模型以及全球模型等根据模型包含空间异质性的程度或处理空间信息的方式点模型或非空间模型，半空间模型或准空间模型，以及空间显式模型或空间模型三、生态学建模的一般原理和过程生态学建模的一般原理生态学模型是科学和艺术的结合“艺术”成分是指整个建模过程包含许多人为或主观因素，决定了同样的一个真实系统可以用不同的风格或不同类型的模型来描述。“科学”成分指反映系统或现象的客观现实。但模型的目的不是“复制”现实，而是为理解和预测复杂的现实系统提供一个有效的代替。Levins（1966）提出了关于生态学建模的“三分”观点：普遍性准确性真实性Levins（1966）提出了关于生态学建模的“三分”观点：普遍性指其能够代表的系统或现象的总数Levins（1966）提出了关于生态学建模的“三分”观点：普遍性准确性指模型输出结果与真实系统观察值的吻合程度Levins（1966）提出了关于生态学建模的“三分”观点：普遍性准确性真实性指模型的结构（包括变量、参数、定量关系以及假设）与真实系统的相似程度。生态学建模的一般过程建立概念模型（1）明确地定义所研究的问题（2）确定建模目的（3）确定系统边界（4）建立因果关系图建立定量模型（或概念模型的定量化）（1）选用适当的数学方法（2）确定变量间的函数关系（3）估计参数值（4）编写计算机程序（5）确定模拟的时间步长（6）运行模型，获得最终结果模型检验模型确认（modelverification）：仔细检查数学公式和计算机程序模型验证（modelvalidating）：（1）对模型结构和变量间关系合理性的检验（2）模型输出结果与实际值的直接比较（3）模型的敏感性分析（sensitivityanalysis）（4）模型的不确定性分析（uncertaintyanalysis）注：这并非意味着一个模型必须要经过上述多种方法的检验，但多种方法为模型检验提供了必要的选择余地（详见Rykiel，1996）。模型的应用（1）设计和执行模拟实验（2）分析、综合和解译模型结果（3）与生态学同行或应用领域的对象交流模型结果并征求改进意见，发表论文和专著。•数据库的建立•遥感图像：航空像片、卫星图像•空间数据：包括植被图、土地利用图、土壤图、地形图等，以及由此生成的一些图，如坡度图、坡向图。一般以矢量或栅格形式储存。•文献数据和统计资料：文献数据主要是与所要模拟的景观过程有关的变量数据和参数值；统计资料包括工农业统计数据、年鉴、森林资源清查数据等。•气象数据：主要有温度、降水量和太阳辐射等。1．景观模型的重要性和必要性受时间、空间以及设备和资金的限制，在景观水平上进行实验和观测研究往往困难重重。在实际景观研究中，很难找到两个在时间和空间上相同或相似的景观，重复性研究往往不可能。景观格局和过程在多重尺度上相互作用、不断变化。景观模型可以综合不同时间和空间尺度上、不同学科、不同格局与过程的信息，成为环境保护和资源管理的有效工具。四、景观模型的主要类型及特征2景观模型的主要类型非空间景观模型：完全不考虑所研究地区的空间异质性结构或假定空间均质性或随机性。准空间景观模型：通常考虑空间异质性的统计学特征。空间显式景观模型：明确考虑所研究对象和过程的空间位置和它们在空间上的相互作用关系。3．景观空间模型的类型及其特征景观空间模型可以根据其处理空间信息的方式分为两大类：（1）栅格型景观模型（grid-basedlandscapemodel）（2）矢量型景观模型（vector-basedlandscapemodel）格式（栅格或矢量）栅格的大小或分辨率模型变量变化的算法建立景观空间模型必须确定第三节土地利用／覆盖变化的生态效应分析土地利用和土地覆盖变化所引起的环境变化及后果，即生态环境效应，已成为ＬＵＣＣ研究的主要研究内容。一、数据与方法土地利用／覆盖变化所导致的土地退化过程评价框架包括五部分：辨识中国土地退化过程、构建土地退化过程评价指标体系，建立土地退化指数，中国土地退化发展趋势分析和中国土地退化的防治对策。１.数据利用遥感数据获得的土地利用／土地覆盖变化的信息，可以监测到土地退化的发生或发展情况。２０世纪８０年代中后期，以县为单位的，遥感资料和大比例尺地形图。２.土地资源退化过程辨析土地退化的质变过程是生产力或生态服务功能高的土地资源类型向难以利用或生产力极低的沙地、裸土地、盐碱地和非农用地等类型的转化过程，另外还包括陆地“三大”生命支持系统——森琳、天然草地和湿地资源的丧失过程。３．土地退化评价指标层次结构体系４.土地资源退化指数单一土地利用类型的退化指数：１００％ＳＣ＝Ｐｉｉｉ每种土地资源退化过程指数Bi，Bi反映某一土地退化过程，如沙漠化的状况，计算公式为：１００％Ｐ＝Ｂｎｉ＝１ｉｉ土地资源总体退化指数：１００％）－Ｋ（ＢＡ＝ｊｍｊ＝１ｊ５．土地资源退化空间分析利用ARCGIS软件进行空间分析。二、结果与讨论１.土地资源退化总体演变特征及趋势1991-2003年中国土地资源退化趋势1991-2003年中国土地利用类型退化比例２．土地资源退化时空变化特征沙漠化过程石漠化过程次生盐渍化过程非农建设用地占用森林砍伐过程天然草地退化过程湿地萎缩过程３．防治对策保护天然草地节约、集约利用非农建设用地适度开发土地后备资源继续实施和加强生态退耕政策