景观生态学-生态保护与恢复的新途径

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[e-mail]什么是景观？NiagaraFalls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：①相互作用的生态系统的异质性镶嵌；②地貌、植被、土地利用和人类居住格局的特别结构；③生态系统以上区域以下的组织层次；④综合人类活动与土地的区域系统；⑤一种风景，其美学价值由文化所决定；⑥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landscapeecology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（FromWu,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landscapepattern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(MacDowellandLikens,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(HTOdum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DiversityIndex镶嵌度指数PatchinessIndex距离指数DistanceIndex生境破碎化指数FragmentationIndex景观模型（傅伯杰等，2001）空间自相关(SpatialAutocorrelation)：地统计学(Goestatistics)格局周期性：谱分析(Spectralanalysis)尺度变化：聚块样方方差分析(BlockedQuadratVarianceAnalysis)、分形几何学(Fractalgeometry)和小波分析(Waveletanalysis)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(CellularAutomata)格局梯度特征：趋面分析(TrendSurfaceAnalysis)和亲合度分析(Affinityanalysis)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)：IntermediateDisturbanceHypothesis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landscapefragmentation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islandbiogeography－MacArthur＆Wilson（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-singlelargeorseveralsmall理想的自然保护区的功能分区(Noss等，1994)实验区缓冲区核心区异质种群理论MetapopulationtheoryLevins(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(mainlandandisland)2）斑块型(patchypopulation)3）卫星型(satellitepopulation)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Ecologicalrestoration恢复完全受损生态系统和退化生态系统。Recovery／Restoration／Rehabilitation／Rebuilt／Regeneration／Reconstruction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明确目的：增加现存生物的存活力和抗干扰的恢复力减少或转变土地或水质退化过程保持或提高生态系统生产潜力整合以上目标景观生态恢复步骤：V具体实施：从何处开始？哪里优先保护？应该提供走廊吗？恢复何种植被结构？投入何种和多少资源？区域生态安全格局设计流程(黎晓亚和马克明等，2004)NOYESNOYESYESNO景观格局与功能评价生态环境问题干扰分析区域生态分析生态系统综合评价生物多样性状况评价生态功能恢复对策区域景观生态系统重要物种干扰特征风险评价社会经济驱动干扰控制对策社会经济对策预案研究、规划方案评价比较确定总体规划目标和安全层次区域生态安全格局设计规划实施效果监测规划实施效果评价多样性评价生态系统评价景观生态评价社会经济评价满意新方法社会经济新需求制订安全评价新标准谢谢！