第六章-景观生态学的基本理论

第六章景观生态学的基本理论第一节概述每一门学科都有自身的理论体系与方法论景观生态学的基本理论与原则来自于:来自母体学科，特别是生态学与地理学来自相关学科，特别是系统科学与信息科学景观生态学领域具有普遍意义的研究成果的抽象和提高基本理论（一）系统论与景观生态学（二）时空尺度理论（三）岛屿生物地理学理论（四）异质种群（复合种群）（五）景观连接度和渗透理论（六）等级理论和景观复杂性（七）等级斑块动态范式第二节景观生态学中的一些基本理论一、系统论1、系统论：是一门运用逻辑学和数学方法研究一般系统运动规律的理论，从系统的角度揭示了客观事物和现象之间相互联系、相互作用的共同本质和内在规律性。2、系统的主题：阐述对于一切系统普遍有效的原理，不管系统组成元素的性质和关系如何，任何学科的研究对象都可看作一个系统。3、系统论的基本概念：系统、层次、结构、功能、反馈、信息、平衡、涨落、突变和自组织等。4、系统论的原则：整体性、关联性、结构性、开放性、动态性5、景观生态学与系统论的关系A、综合整体性思想B、有机关联性思想C、动态性思想D、有序性思想E、目的性思想综合整体性、有机关联性、动态性、有序性和目的性是一般系统论最基本的出发点，同时也是景观生态系统最重要的5个基本特征，从而使系统论成为研究景观生态系统的强有力工具。二、尺度性原理景观学中的尺度常指研究对象时间和空间的细化水平。尺度(scale)：通常指在研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位，同时又可指某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围。尺度可分为空间尺度和时间尺度。1、尺度的概念•尺度往往以粒度(grain)和幅度(extent)来表达。空间粒度：指景观中最小可辩识单元所代表的特征长度、面积或体积。时间粒度：指某一现象或某一干扰事件发生的频率或时间间隔。2、尺度的表达幅度是指研究对象在空间或时间上的持续范围或长度。空间幅度：所研究区域的总面积。时间幅度：研究项目持续的时间。•空间粒度和空间幅度A、C、D、E具有同样的空间粒度。A、B、E具有同样的空间幅度。一般而言，从个体、种群、群落、生态系统、景观到全球生态学，粒度和幅度呈逐渐增加趋势。大尺度（或粗尺度，coarsescale）:是指大空间范围或时间幅度，往往对应小比例尺、低分辨率（因局部信息被忽略）地理学或地图学中的比例尺（Scale）不同于景观生态学中的尺度的用法，并且表现为相反的含义。大比例尺-分辨率高，如1：10万（大比例尺）分辨率高；1：100万分辨率低景观生态学的研究基本对应着中尺度范围，即从几十公里到几百公里，从几年到几百年。3、景观生态学的尺度研究尺度转换的重要性4、尺度转换(尺度推绎Scaling）生态学中大多数研究是在小范围和短时间内完成的，而且缺乏重复性。然而，大尺度上的现象往往是很重要的。因此，尺度转换在研究景观的格局和过程时非常重要。尺度推绎尺度推绎（scaling）：利用某一尺度上所获得的信息和知识来推测其它尺度上的特征，或者通过在多尺度上的研究探讨生态学结构和功能跨尺度特征的过程。尺度上推（scalingup）和尺度下推（scalingdown）将小尺度上的信息转换到大尺度上的过程。将大尺度上的信息转换到小尺度上的过程。尺度推绎的相关术语粗粒化（coarse-graining）：指当粒度增加时的信息转化过程，属于尺度上推的一种。细粒化（fine-graining）：指当粒度减小时的信息转化过程，属于尺度下推的一种。外推（extrapolation）:将信息从一个小的幅度转化到一个更大的幅度上的过程，属于尺度上推的一种。空间内插值（spatialinterpolation）:当涉及的空间数据不能覆盖整个研究区域时，需要用已测点的信息来估计未测点的数值，这一过程称为空间内插值。5、尺度推绎的途径和方法第一种方法：简单聚合法（lumping）通过同时增加模型的粒度和幅度，利用小尺度上的变量或参数的平均值来推出大尺度上的变量或参数平均特征。粒度不变增加幅度第二种方法：直接外推法(directextrapolation)把局部小尺度模型应用到景观中适合此模型的所有斑块，然后计算各种类型的所有斑块的（面积加权）输出总和，并作为对整个景观的估计。粒度不变增加幅度第三种方法：期望值外推法(extrapolationbyexpectedvalue)先利用小尺度斑块模型对景观中不同类型的斑块进行模拟，然后根据其输出结果计算所研究景观特征的期望值，最后将期望值乘以景观的总面积而获得景观尺度的结果。第四种方法：显示积分法（explicitintergration）通过对小尺度模型在空间上的显示积分来实现。该方法要求小尺度模型是空间显示的数学函数，而且能够积分。三、岛屿生物地理学理论岛屿：是一种假设，被称作重要的自然实验室。如沙漠中的绿洲、陆地中的水体、开阔地包围的林地和自然保护区等.岛屿生物地理学理论岛屿生物地理学理论定量阐述了岛屿上物种的丰富度与面积的关系,其关系式如下:S=CAZ(1)式中,S代表物种丰富度,A代表岛屿面积,C为与生物地理区域有关的拟合参数,Z为与到达岛屿难易程度有关的拟合参数。岛屿生物地理学理论物种丰富与面积、隔离程度的关系：岛屿上物种的丰富度取决于两个过程：物种迁入和物种绝灭岛屿生物地理学理论距离效应：由于不同种在传播能力方面的差异和岛屿隔离程度相互作用所引起的现象称为“距离效应”。面积效应：岛屿面积越小，种群则越小，由随机因素引起的物种绝灭率将会增加。该现象称为“面积效应”。岛屿上的物种数目由两个过程决定：物种迁入率和绝灭率;离大陆越远的岛屿上的物种迁入率越小（距离效应）；岛屿的面积越小其绝灭率越大（面积效应）。图1岛屿生物地理学动态模型面积较大而距离较近的岛屿比面积较小而距离较远的岛屿的平衡态物种数目大。面积较小和距离较近的岛屿分别比大而遥远的岛屿的平衡态物种周转率要高。岛屿生物地理学理论意义1、丰富了生物地理学理论和生态学论；2、促进了我们对生物种多样性地理分布与动态格局的认识和理解。3、岛屿生物地理学理论的简单性及其适用领域的普遍性使这一理论长期成为物种保护和自然保护区设计的理论基础。四、复合种群（metapopulation）复合种群：是由空间上彼此隔离，而在功能上又相互联系的两个或两个以上的亚种群（subpopulation）或局部种群（localpopulation）组成的种群缀块系统。--邬Levins（1970）提出复合种群：由经常局部性灭绝，但又重新定居而再生的种群所组成的种群。复合种群必须满足的条件一是频繁的亚种群（或生境斑块）水平的局部性灭亡二是亚种群（或生境板块）间的生物繁殖体或个体的交流（迁移和再定居过程）复合种群动态的两个空间尺度亚种群尺度或斑块尺度（subpopulationorpatchscale）：生物个体通过日常采食和繁殖活动发生频繁的相互作用，形成局部范围内的亚种群单元；复合种群和景观尺度（metapopulationorlandscapescale）:不同亚种群之间通过植物种子和其他繁殖体传播或动物运动发生较频繁的交换作用。复合种群的类型一般的来说，复合种群分为五种类型：A经典型（或Levins复合种群）B大陆---岛屿型复合种群（或核心---卫星复合种群）C缀块性种群D非平衡态复合种群E中间型或混合型复合种群经典型（或Levins复合种群）由许多大小或生态特征相似的生境缀块组成。主要特点：每个亚种群具有同样的绝灭概率；整个系统的稳定必须来自缀块间的生物个体交流或繁殖体交流，并且随生境缀块的数量变大而增加。大陆---岛屿型复合种群由少数很大的和许多很小的生境缀块所组成。或由少数质量很好的和许多质量很差的生境缀块组成的复合体或虽然没有特大缀块，但缀块大小的变异程度很大的生境系统。主要特点：特征为“源---汇”动态种群系统。大缀块起到“大陆库”的作用，基本上不经历局部绝灭现象，小缀块种群频繁消失，来自大缀块的个体或繁殖体不断再定居，使其得以持续。缀块性种群指由许多相互之间有频繁个体或繁殖体交流的生境缀块组成的种群系统。特点：空间非连续，缀块间的生物个体交流频繁或繁殖体交流发生在同一生命周期，功能于一体。非平衡态复合种群空间结构上非连续，与经典型或缀块性复合种群相似。特点：再定居过程不明显或全然没有，从而使系统处于不稳定状态。除非有足够数量的新生境斑块不断产生，否则这种复合种群随着生境总量的减少而趋于绝灭。中间型或混合型复合种群不同空间范围内这些复合种群表现不同结构特征。特点：处于中心部分的斑块相互作用密切，而外围的斑块间的交流渐渐减弱，以至于局部种群绝灭率增高。在这5种类型中，从生境斑块之间种群交流强度来看：非平衡态型最弱，斑块型最强；从生境斑块大小分布差异或亚种群稳定性差异来说:大陆---岛屿型高于其他类型。复合种群理论与岛屿生物地理学理论的区别复合种群理论：强调过程研究，从种群水平上研究物种的消亡规律，侧重遗传多样性，对濒危物种的保护更有意义。岛屿生物地理学理论：注重格局研究，从群落水平上研究物种的变化规律，对物种多样性的保护更有意义。五、景观连接度与渗透理论1.景观连接度（landscapeconnectivity）：是指景观空间结构单元之间的连续性程度。abcd从a到b连接度依次降低景观连接度可分为：结构连接度：景观在空间上表现出的表观连续性它要受研究的特定景观要素的空间分布特征和空间关系的控制，可通过对景观要素图进行拓扑分析加以确定功能连接度：景观对象或过程表现出的特征连续性景观连接度对研究尺度和研究对象的特征尺度有很强的依赖性，不同的尺度上景观空间结构特征、生态学过程和功能都有所不同，景观连接度的差别很大；结构连接度和功能连接度之间有着密切的联系，许多景观生态过程功能与景观的功能连接度依赖于景观的结构连接度，但也有许多景观生态过程和功能的连接度与结构连接度没有必然联系。仅考虑景观的结构连接度，而不考虑景观生态过程和功能关系，不可能真正揭示景观结构与功能之间的关系及其动态变化的特征和机制，也就不可能得出能够确实指导景观规划和管理的可靠结论。渗透理论最初是用以描述胶体和玻璃类物质的物理特性，并逐渐成为研究流体在介质中运动的理论基础，一直用于研究流体在介质中的扩散行为。其中的临界阈值现象也常常可以在景观生态过程中被发现，例如，种群动态、水土流失过程、干扰蔓延、动物的运动和传播等2.渗透理论（percolationtheory）临界阈现象（criticalthresholdcharacteristic）:是指某一事件或过程（因变量）在影响因素或环境条件（自变量）达到一定程度（阈值）时突然地进入另一种状态的情形。也就是一个由量变到质变的过程，从一种状态过渡到另一种截然不同状态的过程。渗透理论:是研究临界阀现象的。其最突出的要点就是当媒介的密度达到某一临界密度时，渗透物突然能够从媒介材料的一端到达另一端。景观连接度对生态学过程（如种群突发性衰减、水土流失、干扰蔓延）的影响表现出临界阈特征。渗透理论中的一些概念连通生境斑块：特大生境斑块是单个生境细胞（即最小的生境斑块）互相连接而形成的生境通道，故称为连通生境斑块，或连通斑块。连通斑块的形成标志着景观从高度离散状态突然转变为高度连续状态。渗透阈值：在渗透理论中，允许连通斑块出现的最小生境面积百分比称为渗透阀值或临界密度，或临界概率。对于二维栅格景观，渗透阈值（Pc）的四邻规则为0.5928，八邻规则为0.4072。渗透阈值（Pc）的影响因素栅格细胞的几何形状例如，三角形细胞组成的栅格景观的大值为0.50，而六边形细胞组成的栅格景观的Pc则为0.70。生境班块在景观中的空间分布特征渗透理论假定生境细胞在空间上呈随机分布;但当其分布呈非随机型时，生境细胞的聚集程度会显著地影响渗透阈值（见Gardner和O‘Neill,1991)