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1、景景观生生态学学生生态维护与恢复的新途径与恢复的新途径马克明马克明中国科学院生态环境研讨中心中国科学院生态环境研讨中心mkmmail.rcees.ac什么是景观？什么是景观？Niagara Falls景景观观landscape意意为为风风景景，源源于于德德语语landcraft，指一种直观的视觉感受。，指一种直观的视觉感受。19世世纪纪初初，现现代代地地植植物物学学和和自自然然地地理理学学先先驱驱洪洪堡堡A. Von. Humboldt提提出出景景观观由由气气候候、水水文文、土土壤壤、植植被被等等自自然然要要素素以以及及文文化化景景象象组组成成的地理综合体。的地理综合体。由地圈、生物圈和智慧圈
2、组成。由地圈、生物圈和智慧圈组成。Forman和和Godron1986：由由相相互互作作用用的的生生态态系系统统镶镶嵌嵌构构成成，并并以以类类似似方方式式反反复复呈呈现现，具具有有高度空间异质性的区域。高度空间异质性的区域。Forman1995：空空间间上上镶镶嵌嵌呈呈现现和和严严密密联联络络的的生生态态系系统统的的组组合合，在在更更大大尺尺度度的的区区域域中中，景景观观是是互互不不反反复复且且对对比比性性强强的的根根本本构构造造单单元元，它它的的主主要特征是可辨识性、空间反复性和异质性。要特征是可辨识性、空间反复性和异质性。肖肖笃笃宁宁1997：一一个个由由不不同同土土地地单单元元镶镶嵌嵌组
3、组成成，具具有有明明显显视视觉觉特特征征的的地地理理实实体体；它它处处于于生生态态系系统统之之上上，大大地地理理区区域域之之下下的的中中间间尺尺度度；兼兼具具经经济济、生态和美学价值。生态和美学价值。Moss1999总结了景了景观特征：特征：相互作用的生相互作用的生态系系统的异的异质性性镶嵌；嵌；地地貌貌、植植被被、土土地地利利用用和和人人类居居住住格格局局的的特特别构造；构造；生生态系系统以上区域以下的以上区域以下的组织层次；次；综合人合人类活活动与土地的区域系与土地的区域系统；一种一种风景，其美学价景，其美学价值由文化所决由文化所决议；遥感遥感图像中的像元像中的像元陈列。列。什么是景观生态
4、学？什么是景观生态学？1939年年德德国国生生物物地地理理学学家家特特罗尔Troll提提出出景景观生生态学学landscape ecology研研讨大大尺尺度度空空间格格局局与与生生态功功能能过程程的的关关系系及及其其开开展展动态的的科科学学，着着重重于于大大尺尺度度时空空异异质性性，并关注人并关注人类活活动的影响。的影响。结合合了了地地理理学学研研讨自自然然景景象象空空间关关系系的的“横横向向方方法法和和生生态学学研研讨生生态系系统功功能能关关系系的的“纵向方法。向方法。学科位置尺度角度学科位置尺度角度个体生态学个体生态学种群生态学种群生态学群落生态学群落生态学生态系统生态学生态系统生态学景
5、观生态学景观生态学区域生态学区域生态学全球生态学全球生态学内容：内容：景观格局景观格局 格局与过程关系格局与过程关系景观动态景观动态 景观管理景观管理工具：工具：RS 、GIS 、GPS 技术技术模型方法模型方法强调：强调：时空异质性时空异质性 尺度变化尺度变化 等级层次性等级层次性格局格局-过程过程-尺度尺度-等级等级From Wu, J.景观生态学实际景观生态学实际斑斑块廊道廊道基基质方式方式斑斑块patch最最小小的的异异质性性单元元，即即一一个个详细的的生生态系系统。廊道廊道corridor不同于两不同于两侧基基质的狭的狭长地地带。基基质matrix 是是景景观中中范范围宽广广、相相对
6、同同质且且连通通性性最最强的的背背景景地地域域，很很大大程程度度上上决决议着着景景观的性的性质。岷江干旱河谷岷江干旱河谷景观格局景观格局landscape pattern景观的构成组分及其空间分布方式。景观的构成组分及其空间分布方式。不不同同的的景景观观格格局局是是不不同同动动力力学学机机制制的的产产物物，也也是是不同景观功能的根底。不同景观功能的根底。在在缺缺乏乏景景观观发发生生开开展展历历史史资资料料的的情情况况下下，从从现现有有景景观观格格局局动动身身，可可以以对对景景观观格格局局与与功功能能过过程程之之间的关系进展描画。间的关系进展描画。景观异质性景观异质性heterogeneity区
7、区域域中中，景景观观要要素素类类型型、组组合合及及属属性性在在空空间间或或时时间上的变异程度。间上的变异程度。源于环境变异、植被内源演替和干扰。源于环境变异、植被内源演替和干扰。时时空空异异质质性性交交互互作作用用导导致致了了景景观观的的演演化化和和开开展展，景观格局和功能过程取决于其时空异质性。景观格局和功能过程取决于其时空异质性。尺度尺度scale任任何何自自然然景景象象和和生生态态过过程程均均具具有有明明显显的的时时空空特特征征尺度。尺度。确确定定适适宜宜的的研研讨讨尺尺度度以以及及相相顺顺应应的的研研讨讨方方法法，是是获得合理研讨成果的必要保证。获得合理研讨成果的必要保证。RS和和GI
8、S为尺度效应分析提供了技术根底。为尺度效应分析提供了技术根底。河流分支构造的生物体型分布河流分支构造的生物体型分布森林动态的时空尺度森林动态的时空尺度环境环境-生物生物-植被的时空尺度植被的时空尺度景观格局对生态过程的影响景观格局对生态过程的影响物种分布与迁徙物种分布与迁徙地表径流与侵蚀地表径流与侵蚀元素分布与迁移元素分布与迁移能量交换与转化能量交换与转化生物地球化学循环生物地球化学循环物种分布与迁徙物种分布与迁徙物质和营养在景观中的流动物质和营养在景观中的流动MacDowell and Likens, 1988 土地利用构造对土壤水分和营养的影响傅伯杰等，土地利用构造对土壤水分和营养的影响傅
9、伯杰等，1998黄黄土土高高原原地地域域坡坡面面上上不不同同土土地地利利用用构构造造对对土土壤壤营营养养和和水水分分的的影影响响。a,b,c表表示示了了三三种种15年年以以上上不不同同土土地地利利用用构构造造(自自上上至至下下)，研研讨讨发发现现，b是是一一种种较较好的坚持土壤水分和营养的土地利用构造。好的坚持土壤水分和营养的土地利用构造。城市景观的物流能流城市景观的物流能流H T Odum 蓝盛芳译，蓝盛芳译，1992格局与过程相互作用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是由于镶嵌体上的其它
10、过程产生景观格局与生态过程相互影响协同进化景观格局与生态过程相互影响协同进化景观生态学的义务景观生态学的义务描画景观描画景观解释和了解其中的生态过程解释和了解其中的生态过程跟踪景观动态跟踪景观动态分析不同文化背景下的景观格局分析不同文化背景下的景观格局, ,以便更好地了以便更好地了解景观本身的格局动态，并施行管理。解景观本身的格局动态，并施行管理。景观生态学数量方法景观生态学数量方法目的目的Turner & Gardner, 1991景景观组成和构造成和构造景景观空空间异异质性性景景观斑斑块的性的性质和参数的空和参数的空间相关性相关性空空间相互相互作用作用景景观格局的格局的趋向性向性空空间规律
11、性或梯度律性或梯度景景观格局在不同尺度上格局在不同尺度上变化化等等级构造构造景景观格局与生格局与生态过程的相互关系程的相互关系为什么需求新方法？为什么需求新方法？经经典典生生态态学学研研讨讨并并不不非非常常注注重重的的大大时时空空尺尺度度特特征征，以往的数量化模型不能完全适用；以往的数量化模型不能完全适用；研研讨讨多多变变量量和和复复杂杂过过程程，普普通通的的数数量量化化方方法法无无法法满足需求；满足需求；大大尺尺度度的的景景观观生生态态学学实实验验困困难难，跟跟踪踪调调查查时时间间长长破破费费大大。 RS、GIS和和模模型型方方法法的的提提高高，使使得得景景观观生生态态学学可可以以经经过过景
12、景观观数数量量方方法法来来描描画画和和预预测测景观格局和过程。景观格局和过程。FRAGSTATS景观构造数量化软件包景观构造数量化软件包 McGarigal Marks, 1995例如例如多样性指数多样性指数Diversity Index镶嵌度指数镶嵌度指数Patchiness Index间隔间隔 指数指数Distance Index生境破碎化指数生境破碎化指数Fragmentation Index景观模型傅伯杰等，景观模型傅伯杰等，2001空空间间自自相相关关Spatial Autocorrelation：地地统统计学计学Goestatistics格局周期性：谱分析格局周期性：谱分析Spec
13、tral analysis尺尺 度度 变变 化化 ： 聚聚 块块 样样 方方 方方 差差 分分 析析 Blocked Quadrat Variance Analysis、分分形形几几何何学学Fractal geometry 和和小小波波分分析析Wavelet analysis景景观观局局域域相相互互作作用用、部部分分因因果果关关系系的的多多体体系系统统所所表表现现出出的的集集体体行行为为及及其其时时间间演演化化：细细胞胞自自动动机机Cellular Automata格格局局梯梯度度特特征征：趋趋面面分分析析Trend Surface Analysis和和亲亲合合度度分分析析Affinity a
14、nalysis景观生态学与生物维护景观生态学与生物维护生态维护原因：生态维护原因：生物多样性丧失生物多样性丧失生态系统效力功能降低：稳定性和消费力生态系统效力功能降低：稳定性和消费力生态环境恶化：水、土、气生态环境恶化：水、土、气必需及时采取措施阻止退化、恢复生态系统必需及时采取措施阻止退化、恢复生态系统生态维护对策：生态维护对策：首先，维护残存生境首先，维护残存生境其次，生态系统管理其次，生态系统管理第三，生态系统恢复第三，生态系统恢复长期保管一个物种：长期保管一个物种：遗传学及其种群生态学特性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所在的生态系统及相关生态过程两种维护途径：两种
15、维护途径：以物种为中心的传统维护途径以物种为中心的传统维护途径以生态系统为中心的景观维护途径以生态系统为中心的景观维护途径斑块对生物多样性的影响斑块对生物多样性的影响斑块大小斑块大小s=f+生境多样性生境多样性-+干扰干扰+面积面积+年龄年龄+异异质性质性-隔离隔离-边境不延续性。边境不延续性。斑块外形斑块外形斑块外形经过边缘效应的构成间接的对生物多斑块外形经过边缘效应的构成间接的对生物多样性产生宏大的影响。样性产生宏大的影响。廊道廊道对生物多生物多样性的影响性的影响功能功能: : 通道、屏障、源通道、屏障、源汇、栖息地、栖息地影响着斑影响着斑块间物物质、能量和物种交流、能量和物种交流可以减少
16、甚至抵消景可以减少甚至抵消景观破碎化破碎化对生物多生物多样性的性的负面影响面影响可以加速疾病、外来物种和其他干可以加速疾病、外来物种和其他干扰的分散的分散有效性依有效性依赖于于许多要素：廊道内部生境构造、廊多要素：廊道内部生境构造、廊道的道的宽度度长度和度和衔接度、目的种接度、目的种习性等。性等。生态交错带生态交错带Ecotone对生物多样性的影响对生物多样性的影响特点：特点：过渡性过渡性 动态性动态性宏观性宏观性传统观念：边缘效应提高了生物多样性传统观念：边缘效应提高了生物多样性目前观念：生境破碎化导致物种消逝目前观念：生境破碎化导致物种消逝 干扰对生物多样性的影响干扰对生物多样性的影响干扰
17、干扰disturbance是一种自然景象是一种自然景象主要影响：主要影响：景观异质性景观异质性 景观稳定性景观稳定性景观破碎化景观破碎化 适度干扰会添加物种多样性适度干扰会添加物种多样性人类对自然干扰的人为再干扰，不只导致生物多人类对自然干扰的人为再干扰，不只导致生物多样性降低，也会损伤人文景观多样性样性降低，也会损伤人文景观多样性干扰与生物多样性的关系干扰与生物多样性的关系中度干扰假说中度干扰假说 Connell1978：Intermediate Disturbance Hypothesis中度干扰导致最大的多样性中度干扰导致最大的多样性/支持、反对支持、反对三个条件促使物种多样性提高：三个
18、条件促使物种多样性提高：假设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假设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假设普遍种组成的群落面积减少时，新的潜在的生物区系假设普遍种组成的群落面积减少时，新的潜在的生物区系biotopes可以占据这些面积时可以占据这些面积时假设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域时假设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域时景观破碎化景观破碎化landscape fragmentation一种栖息地不时变成碎片的过程一种栖息地不时变成
19、碎片的过程 一种破碎化过程的结果即格局形状一种破碎化过程的结果即格局形状导致生物多样性丧失：导致生物多样性丧失：它减少了某一类型生境的总面积和每一斑块的面它减少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积，影响到种群的大小和灭绝速率在不延续的片断中，残留面积的再分配影响物种在不延续的片断中，残留面积的再分配影响物种分布和迁移的速率分布和迁移的速率岛屿生物地理学岛屿生物地理学island biogeographyMacArthurWilson1967s=f+生境多样性生境多样性-干扰干扰+面积面积-隔离程度隔离程度+年龄年龄 提示了种面积关系提示了种面积关系岛岛屿屿的的物
20、物种种丰丰富富度度取取决决于于物物种种的的迁迁入入率率和和灭灭绝绝率率，而而迁迁入入率率和和灭灭绝绝率率与与岛岛屿屿的的面面积积及及隔隔离离程程度度有有关。关。SLOSS-single large or several small理想的自然维护区的功能分区理想的自然维护区的功能分区NossNoss等，等，19941994实验区实验区缓冲区缓冲区中心区中心区异质种群实际异质种群实际Metapopulation theoryLevins1969：斑块生境中同种部分种群集：斑块生境中同种部分种群集合体合体四种类型：四种类型：1大陆和岛屿型大陆和岛屿型mainland and island2斑块型斑块
21、型patchy population3卫星型卫星型satellite population4完全隔绝型非平衡型完全隔绝型非平衡型 non-equilibrium部分种群空间上隔离，经过个体分散联络部分种群空间上隔离，经过个体分散联络部分种群不时灭绝，又不时迁入重建部分种群不时灭绝，又不时迁入重建迁入重建率大于灭绝率时，异质种群才干续存迁入重建率大于灭绝率时，异质种群才干续存生物维护研讨的开展生物维护研讨的开展维护生物学：物种维护生物学：物种维护生态学：生态系统和景观维护维护生态学：生态系统和景观维护维护经济学、社会学、伦理学、哲学。维护经济学、社会学、伦理学、哲学。景观生态学与生态恢复景观生态
22、学与生态恢复生态恢复生态恢复Ecological restoration恢复完全受损生态系统和退化生态系统。恢复完全受损生态系统和退化生态系统。 RecoveryRestorationRehabilitationRebuiltRegenerationReconstruction多数生态恢复是局域性的。以点为根底的生态多数生态恢复是局域性的。以点为根底的生态恢复对处置大尺度的生态恢复问题是不够的。恢复对处置大尺度的生态恢复问题是不够的。区域生态恢复需求在特殊地点和景观尺度上同区域生态恢复需求在特殊地点和景观尺度上同时进展。时进展。景观生态恢复目的：景观生态恢复目的：使退化生态系统恢复某种外形使退
23、化生态系统恢复某种外形使之具有维护性、消费性和美学效应使之具有维护性、消费性和美学效应进一步开展成为一种可继续性生态系统进一步开展成为一种可继续性生态系统景观生态恢复原那么：景观生态恢复原那么：首先，维护形状良好的组分首先，维护形状良好的组分其次，促进景观要素的恢复其次，促进景观要素的恢复 最后，对片段化和残存景观进展重建最后，对片段化和残存景观进展重建需求思索的生态系统特征需求思索的生态系统特征组分：当前物种和它们的相对丰富度组分：当前物种和它们的相对丰富度构造：土壤和植物组分的垂直配置构造：土壤和植物组分的垂直配置格局：生态系统组分的程度配置格局：生态系统组分的程度配置异质性：特征异质性：
24、特征1-31-3的复杂变化的复杂变化功能：根本生态过程的表现能量、水分、和营功能：根本生态过程的表现能量、水分、和营养输运养输运种间作用：包括授粉，种子分布等种间作用：包括授粉，种子分布等动力学和恢复力：演替规律、恢复力动力学和恢复力：演替规律、恢复力景观生态恢复步骤：景观生态恢复步骤：I I发现问题：发现问题：生物分布变化：物种消逝、生物入侵生物分布变化：物种消逝、生物入侵景观流的变化：物种运动、水分和营养运动景观流的变化：物种运动、水分和营养运动美学价值变化：宜人景观类型的减少美学价值变化：宜人景观类型的减少景观生态恢复步骤：景观生态恢复步骤：IIII寻觅缘由：寻觅缘由：本地植被的消逝和破
25、碎化本地植被的消逝和破碎化景观的格局和多样性变化景观的格局和多样性变化能否存在人工管理的影响能否存在人工管理的影响 景观生态恢复步骤：景观生态恢复步骤：IIIIII目的物种：目的物种：物种数量受栖息地面积限制物种数量受栖息地面积限制物种迁移受栖息地衔接度限制物种迁移受栖息地衔接度限制物种数量受生态过程限制捕食、干扰和火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：景观生态恢复步骤：IVIV明确目的：明确目的：添加现存生物的存活力和抗干扰的恢复力添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减少或转变土地或水质退化过程坚持或提高生态系统消费潜力坚持或提高生态系统消费潜
26、力整合以上目的整合以上目的 景观生态恢复步骤：景观生态恢复步骤：V V详细施行：详细施行：从何处开场？从何处开场？哪里优先维护？哪里优先维护？应该提供走廊吗？应该提供走廊吗？恢复何种植被构造？恢复何种植被构造？投入何种和多少资源？投入何种和多少资源？区域生态平安格局设计流程区域生态平安格局设计流程黎晓亚和马克明等，黎晓亚和马克明等，2004结论结论景观生态学是具有宽广开展前景的学科景观生态学是具有宽广开展前景的学科开展了复杂的概念、实际和方法开展了复杂的概念、实际和方法为生物多样性维护、生态系统恢复、以及土地利为生物多样性维护、生态系统恢复、以及土地利用规划、景观管理提供了科学指点用规划、景观管理提供了科学指点从实际到实际从实际到实际 从科学到行动从科学到行动谢谢！谢谢！
