景观变化-精选

第七讲：景观变化景观生态学第七讲：景观变化景观演化的不可逆性和人类主导性景观变化过程模型景观变化格局景观的等级斑块动态理论（选）一、景观演化的不可逆性和人类主导性黄河三角洲的景观变化：1986——1993.1.1景观演化的不可逆性景观系统如同自然系统，其宏观运动过程是不可逆的，它通过开发，从环境中引入负熵而向有序发展。系统演化遵循从混沌到有序再到混沌的循环式发展。假如人类从地球上消失，自然20万年抹去人类所有痕迹——英国：《新科学家》，2019，11假如地球上真的没有了人类，地球会自己设计未来的空间，自然之母会重新主导地球，田地和牧场重新成为草原和森林，空气和水再次得到净化，公路和城市化为乌有……首先，人类消失后20年，大街和农作物将接着消失，乡村道路会被野生植物覆盖，田野中将杂草丛生。城市街道的消失将花费更长时间，但即使像伦敦这样的城市街道，最后消失也用不了50年。如果人类突然从地球上消失，地球上15589种濒危动物中的大多数都将迅速扩张，恢复到令人惊异的数量，而所有人类企图驯养的动物都退化到原始状态。人类从地球上消失后，几乎所有人类留下来的文明遗迹都将在2万年中消失殆尽，5万年后，地球上所有人类的遗迹都将成为难以追寻的考古性线索，因为玻璃和塑料将全部消解，只有放射性物质和少数几种人造化学污染物会存在更久……1864年，法国著名物理学家克劳修斯提出热力学第二定律：△S=△Q/T式中：△Q为热量，T为热力学温度（K）。孤立系统，如果没有外部的热量输入，熵值（△S）总是不断增加，当达到热平衡时，熵值最高。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。景观内物种不断增加，植物群落组成的斑块由大转小，最后均匀分布，变为顶极群落，此时景观熵值最大。人工建筑景观熵值最低，农业景观较高，自然景观最高，从有序向无序变化。人类为了自身的生存，需要保持城市和农田的结构，不得不向城市和农田输入大量负熵。熵（entropy）1.2景观演化的人类主导性人类活动和人类文明的发展，一方面对自然景观产生了巨大的破坏作用，另一方面人类活动对自然景观进行有目的的改造和修饰，将自然景观改造为利于人类生存的格局。由于当今世界上人类活动影响的广泛性和深刻性，人类活动在景观演化过程中的主导地位日益突出，通过控制景观演化的方向和速率来实现景观的定向演变和可持续发展。城市化景观现代农业景观-1950~传统农业景观-1800~1950历史乡村景观-1100~1800铁器时代末期景观-约公元前1000新石器及青铜时代景观-原始自然景观全球土地形态改变趋势干扰：通常是指某种人类活动过程对其相邻景观产生影响，这种影响的程度一般是有限的。如道路建设对其相邻生物栖息地的影响，水库建设对其周边地区景观结构的影响。改造：是指人类为了一定的生存目的，针对某一景观客体，通过增加或减少一些景观要素，对景观格局进行适当的改造，以达到人类生存的目的，与干扰相比，它对景观的影响程度要大，如防护林建设、自然保护区设计与建设。构建：可以说是一种破坏性的干扰行为，一般是为了人类某种特殊的目的，彻底改变原来的景观结构，在原地重新进行建造，如乡村建设、城市建设等。人类对自然景观的影响的三种方式三峡水库：末端位于重庆市江津市羊角滩，水库长度为662.9公里、水面面积为1045平方公里。水库将淹没632平方公里陆地，是全世界淹没面积最大的水库。三峡水库的平均宽度为1576米，没有一个“大肚子”库段，是一个典型的狭谷型水库，又称河道型水库。三峡水库淹没区涉及重庆、湖北两省的19个县市区，淹没线以下人口84.26万人。考虑到人口增长因素，规划动迁人口共计约为120万人。三峡水库将淹没各类农业用地约47万亩，各类工矿企业1599个。此外还有为数众多的输电、通讯、广播线路以及公路、码头、中小水电站、泵站等。水土保持林人工景观：城市澳门城市发展变化横琴岛1912年澳门面积11.6平方公里1936年澳门面积13.8平方公里1957年澳门面积15.1平方公里1986年澳门面积16.6平方公里1991年澳门面积18.1平方公里2019年澳门面积21.3平方公里2019年澳门面积23.8平方公里澳门凼仔路环珠海景观系统演化方式的正负反馈负反馈有利于系统的自适应和自组织，保持系统的稳定，是自然景观演化的主要方式；而不稳定则与正反馈相联系，由自然景观向人工景观的转化以正反馈居多，如围湖造田、毁林开荒、城市扩张等。人类活动打破了自然景观中原有的生态平衡，放大了干扰，改变了景观演变的方向，并创造出新的平衡，重新实现景观的有序化。因而，可以将人类活动按其对景观的影响分为有序和无序两类，以突出政策的导向性。强调景观演化的人类主导性，就是要将人类活动由无序更多地转化为有序。人类与自然共同作用影响下的和谐景观欧洲著名的黑天鹅城堡非洲的自然保护区内的建筑中国著名的桃花源深圳地区城市化过程：无序还是有序？2019年卫星影像图（下）1988年卫星影像图（上）二、景观变化的驱动力干扰和景观的稳定性景观变化的空间过程生境破碎化及其效应景观变化的判定：1某一不同的景观要素类型成为基质；2几种景观要素类型所占景观表面百分比发生了足够大的变化；3景观内产生一种新的景观要素类型，并达到一定的覆盖面积。2.1干扰和景观稳定性干扰(disturbance)：一种明显改变景观结构、功能和动态变化过程的事件。干扰具有以下特点：1）干扰是一种突发性非连续事件；2）干扰一般对景观格局具有强烈改造作用；3）干扰可能会中断景观中一些甚至全部生态过程；4）干扰具有强烈尺度效应；5）干扰可以是自然的，也可以是人工的。自然干扰和人为干扰自然干扰是指无人为活动介入的在自然环境条件下发生的干扰，如火、风暴、火山爆发、地壳运动、洪水泛滥、病虫害等；人为干扰是在人类有目的的行为指导下，对自然进行的改造或生态建设，如烧荒种地、森林砍伐、放牧、农田施肥、修建大坝、道路、土地利用结构调整等。•从人类活动角度出发，人类活动是一种生产活动，一般不称为干扰，但对于自然生态系统来说，人类的所作所为均是一种干扰。自然干扰自然干扰人为干扰人为干扰不同尺度的干扰机制和生态反应稳定性是系统的两种特征——恢复和抗性的产物抗性是系统在环境变化或潜在干扰下抗变化的能力，阻抗值可以用系统偏离初始轨迹的偏离差的倒数来度量，偏离越大意味着抗性较低。恢复是指系统发生变化后恢复原来状态的能力，可以用状态发生变化的系统回到原来状态所需要的时间来度量。一般说来，景观的抗性越强，就是说景观受到外界干扰时变化较小，景观越稳定；景观的恢复性（弹性）越强，也就是说景观受到外界干扰后，恢复到原来状态的时间越短，景观越稳定。但有时也会出现一些混乱的情况。景观稳定性：景观系统对干扰的反应生态系统总稳定性(抵抗力与恢复力)关系示意图生态系统功能时间干扰抵抗力的量度：当一次干扰的强度和作用时间一定时，此区域的面积越大(轨迹偏离正常范围越晚和幅度越小)，生态系统的抵抗力越强功能轨迹曲线正常作用范围生态系统总稳定性(抵抗力与恢复力)关系示意图生态系统功能时间干扰恢复力的量度：当一次干扰的强度和作用时间一定时，此区域的面积越大(轨迹回复到正常范围越早)，生态系统的恢复力越强功能轨迹曲线正常作用范围亚稳定思想:没有一种平衡是完全稳定的景观中不同强度作用力的生态反应自然弱度干扰：低强度的作用力，会使景观发生波动。即较小的环境变化可能致使景观特性发生变化，但仅仅是围绕中心位置波动而已，景观仍处于平衡状态。中度（适度）干扰：干扰停止，景观可恢复到原来的平衡状态。如，干旱使土地干枯，河水断流，如果气候变为正常，景观开始恢复，但速度快慢不一。强度（严重）干扰：会使景观产生新的平衡，在这种情况下，作用力大于阈值N，景观不能在恢复到原来的平衡状态。如多年干旱，人口迁移，景观要素比例发生变化。极度（突变性）干扰：可导致景观替代，当作用力超过R时，原有的景观消失，并在同一地面范围被新的景观所替代。如乡村变为城市。2.2景观变化的空间过程穿孔:生境或者土地类型中形成孔洞的过程。如一大片林地会被伐木而产生的空地所穿孔分割:用宽度相等的带来划分一个区域，如公路穿过热带雨林，将景观分割成许多部分破碎化:将一个大的生境或土地类型分成小块生境或小块地缩小:研究对象如斑块规模减小，如林地部分用于耕种或盖房，那么残余的林地就会缩小消失:意味着物体如斑块和廊道的消失，如大部分斑块的性质发生变化主要空间过程及其对空间属性的效应（＋表示增加，－表示减少，0表示无变化）空间过程斑块数量斑块平均大小总的内部生境区域的连接性边界总长度生境丧失生境孤立穿孔0--0+++分割＋---+++破碎化＋---+++缩小0--0-++消失-+-0-++例子：美国威斯康星州凯迪兹镇空间过程模型a普遍的空间过程模型，表现各阶段的最多存在和重叠b美国威斯康星州凯迪兹镇的实例.没有穿孔或者分割过程的相关信息，代表了土地转化一般模型（图a）中靠近末端的四分之一范围的情况.缩小和消失引起生境丧失和孤立（左为20世纪80年代的照片）18世纪中叶的几十年中林地被迅速移除之后，穿孔和破碎化过程本质上已经结束了.在随后的一百年里，缩小和消失成为了影响林地斑块的主要空间过程。这个以林地为主的景观大部分都转化成了农田。区分模型与现实比较特定的土地转化历史与普遍空间过程模型的区别可以发现更多的信息。例如，如果农业沿着一个早期公路网络的所有公路均匀扩散，那么破碎化可能很早就达到最高点，可能就象在某个亚马逊地区那样。如果在序列的晚期在已经破碎化的斑块中建设公路的话，那么分割过程很可能会两次达到最高点。同样，在一个特定的土地转化过程中，空间过程模型中的5个过程并不是必须都出现。加宽带状区或带状发展可能导致不经过穿孔过程而直接从分割过程向破碎化过程转化。在带状区中从一个边界向对侧边界进行的伐木过程并不会引起任何的破碎化。凯迪兹的实例也告诉我们土地转化并不以一个恒定的速率进行。一段稳定时期之后发生突变，这才是真理。方向反转是可能发生的，就象在一个整体已经去森林化的格局中的进行的重新造林阶段。而且新的方向也会出现。几个世纪以来，（瑞典的）农业用地一直在增长，土地越来越开敞。在19世纪中，许多平原区域的草地变为农田。至20世纪末，平原区的农业越来越集约化，在那里凡有碍大规模农业发展的障碍—土丘、渠道、泥炭沼等—统统被清除。相比之下，森林区域星散分布的农田在经历了19世纪的扩张后20世纪开始退耕，并逐渐回归为森林覆被。三、景观变化的空间动态土地转化主要有六个主要原因：森林砍伐、郊区化、廊道建设、荒漠化、发展农业和重新造林。此外还有若干“瞬时的”转化类型，如湿地排水或由长期空气污染造成的土地退化，火山喷发等。每个变化的格局都是一个镶嵌体序列，即一定时间内一系列的空间格局。确定镶嵌体序列是发展可在生态学上直接比较的空间模型的关键。3.1景观变化的空间过程与模式边缘式。它是指新的土地类型从一个边缘单向地呈大致平行带状蔓延。土地转化的来源，例如一个区域城市化或高吹沙这种天气现象，都是从景观的边缘开始的。廊道式。它是指象公路或灌渠这样的新的廊道在开始时把原来的土地类型一分为二，从廊道的两边向外扩展。单核心式。它是指从景观（如城镇或重新造林斑块）的一点或一个核心处蔓延，放射状发展并留下初始土地类型的一个收缩环。多核心式。它是指从景观的几个点开始蔓延，如居民点或外来物种入侵，所产生的新的区域朝彼此放射状的扩展。散布式。它是指新的斑块广泛散布，如在散布斑块中伐木或者在大块土地上以住宅的形式郊区化，会迅速消除原始土地类型中的大斑块，将新土地类型中大斑块的出现机会减到最小，并产生原始土地类型的临时网络。基于几何学变化的简单空间模型(Forman,2019)常见的五种景观变化模式。深灰色表示原始土地类型，浅灰色表示10％转换为新土地类型，白色表示40％转换为新土地类型.随机式为参考模型。几种景观