《景观动态》PPT课件.ppt

第五讲景 观 动 态,景观动态是景观生态学的基本研究内容之一。景观动态包括景观的结构和功能随时空发生的变化。具体变化包括有：景观组分的变化、景观要素的形状及空间格局的变化，以及由此而引起的能量、物质、物种分布及循环的变化。景观变化既受自然因素的影响，也受人为因素的影响。,变化速度：缓慢过程草地退化、土壤侵蚀等 快速过程地震、火灾等。景观动态有时是一个缓慢的过程，如植被演替过程通常可持续几年到几个世纪，地貌形成过程需要数年或更长的时间，而主要生物类群的进化则需要经历几百万年。景观动态有时则表现为突发性的灾变。如1976年的唐山大地震，在瞬间彻底改变了城市的景观。,城市化景观,现代农业景观-1950,传统农业景观-18001950,历史乡村景观-11001800,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-,景观土地利用变迁过程,自然人工,河北坝上景观用变化（1987-1996）,深圳市景观变化,主要内容:,一、景观稳定性二、景观变化的生态反应三、景观变化定量分析四、景观变化的驱动因子五、景观变化的生态影响,一、景观稳定性,景观无时无刻在发生着变化，绝对的稳定性是不存在的，景观稳定性只是相对于一定时段和空间的稳定性。景观是由不同组分组成的，这些组分稳定性的不同影响着景观整体的稳定性；景观要素的空间组合也影响着景观的稳定性，不同的空间配置影响着景观功能的发挥。人类本身就是景观的一个有机组成部分，而旦是景观组分中最复杂、又最具活力的部分。同时景观稳定性的最大威胁恰恰是来自于人类活动的干扰，因而人类同自然的有机结合是保证景观稳定性的决定因素。,1、稳定性概念,在现代生态学领域，有关稳定性的概念都是和特定的研究相联系的。纯粹的稳定性在生态学上没有实际意义，它只是生态系统所有特点的一个综合术语。自从20世纪50年代生态系统稳定性理论被提出以后,稳定性概念便被各国生态学家频繁地使用，而且随着研究的深入，不在满足于其原有含义，更多的关于描述稳定性的概念被引入。目前，有关稳定性术语不下40多个，有的侧重于描述，有的则强调稳定性的动态属性。多种相关术语的出现足以说明生态系统稳定性问题的复杂。,由于不同的作者提及生态系统稳定性时，都是从不同的研究角度出发的，加之系统对外界干扰的反应和恢复过程各不相同，所以产生了许多看来相似却具有不同内涵和外延的稳定性概念。,具有不同内涵的稳定性概念：,恒定性(constancy)：指生态系统的物种数量、种类组成、群落生态型或物理环境的特性等不发生变化。从定义可以看出这是一种绝对稳定的概念,但在自然界几乎不存在。持久性(persistence)：指系统或系统某些组分在一定空间范围内保持恒定或持续存在的时间。一种群如果达到灭绝的时间比另一种群长，则认为前者更稳定。这是一种相对稳定的概念，因研究对象而异。抗性(resistance)：或称抵抗力，描述系统受到干扰后产生变化的大小。它是衡量系统受外界干扰而保持原状的能力。弹性(resilience)：或称恢复力。指系统受到干扰后恢复到原来平衡状态的速度。弹性与持久性概念类似，但更强调生态系统受到扰动后恢复原状的速度，即对干扰的缓冲能力。,惯性(inertia)：指生态系统受到外界干扰（如干旱、风、火、病虫害、啃食等）时保持恒定和持久的能力。该定义与恒定性概念基本相同。恢复力(elasticity)：指生态系统受到干扰后回到以前状态的速度。变幅(amplitude)：指生态系统被改变后能恢复原来状态的程度。变异性(variability)：指系统受到干扰后，种群密度随时间变化的大小。,由以上概念可以看出，稳定性内涵包含了两个方面的内容：一是系统保持现状的能力，即抗干扰的能力；二是系统受到干扰后恢复到原来状态的能力，即扰动后的恢复能力。从这些定义可以看出，它们之间有很大的相似性，但也并非完全兼容。例如一个有较高抗性的森林生态系统，其弹性就很小；而一个草原生态系统抗性较差，但其弹性却很高。,具有不同外延的稳定性概念：,局部稳定性(local stability)：或称邻近稳定性(neighborhood stability)，是指生态系统受到较小干扰后仍能恢复到原来的平衡点，而受到较大的扰动后则无法恢复到原来的平衡点，则称该平衡点的稳定为局部稳定，或邻近稳定。全局稳定性(global stability)：系统受到较大的扰动后远离平衡点，但最终仍能恢复到原来的平衡点，则称系统是全局稳定性。,相对稳定性(relative stability)：是反映系统稳定程度的量化概念。绝对稳定性(absolute stability)：是反映局部稳定和全局稳定的质的概念。阻尼稳定性(resistant stability)：系统遭到干扰时，自行增强抗干扰的能力，系统状态只发生微小的振荡，便迅速恢复原状。,物种丧失稳定性(species deletion stability)：系统丧失一个物种后，所有其它物种将维持在一个新的局部稳定的平衡点。循环稳定性(cycle stability)：指系统围绕一个中心点或区域循环或振动。循环稳定是一种重要的生态学过程。轨道稳定性(trajectory stability)：指一个系统不管其起点如何，总是向着某终点或终极域移动的特性。脆弱性(fragility)：能在环境改变不大条件下保持稳定的状态。强壮性(robustness)：能在急剧的大变化中保持稳定的状态。,综上所述，尽管关于稳定性概念的描述较多，但从目前的研究来看，生态学家比较一致地将系统受到干扰时抵抗偏离初始状态的能力和受到干扰后返回初始状态的能力作为生态系统稳定性的定义。我们也可以通过这些概念进一步总结出：稳定性是受到外界干扰的生态系统振荡的幅度和频率，是其对恢复的过程和时间的辨识；也指受到外界干扰后，系统抵抗偏离初始状态的能力和通过内部调节恢复到初始状态的能力。它是生态系统生产力可靠性和恒定性的反映，也是系统缓冲能力的反映，还是系统自组织、自调节和自适应性的集中反映。,如果我们用恢复和抗性二个指标结合起来衡量景观的稳定性，在某些时候会出现混淆。例如两个景观，如果其中一个抗干扰能力强，且受到干扰后又能很快恢复，我们很容易判别该景观稳定性强。然而，如果其中一个景观抗干扰能力强，但遭破坏后恢复慢；另一个景观抗干扰能力弱，但受干扰之后恢复快，我们就很难准确地判别哪一个景观稳定性强。所以，有关表征景观稳定性的术语、仅是表示了景观稳定性的某一个方面的特征，并不能对景观的稳定性作出总体的估价。这是我们在利用上述各术语时所必须注意的。,另外，我们一般所研究的景观的稳定性多是指有植被覆盖的景观类型、这里具有相当多的生物量，是远离平衡态的耗散结构，通过外界输入的能流和物流来维持其有序结构的稳定性。而对一些生命稀少的沙漠地区、岩漠地区，那里的景观不具备有序结构，是一种物理稳定性，二者不能相提并论。,2、景观变化与景观稳定性,景观随时间变化的趋势可用3个独立参数来表征：变化总趋势（上升、下降、水平）围绕总趋势的相对波动幅度（大、小）波动的韵律（周期性有规则的、无规则）Forman(1990)认为，景观稳定性是景观的各种参数的长期变化呈现水平状态，或是在水平线上下摆动的幅度和周期性具有统计特征。他为此总结出生态变化的12条曲线(景观随时间变化的一般规律)。,上图中景观参数是指景观生产力、总生物量、斑块的形状、面积、廊道的宽度、基质孔隙度、生物多样性、网络发育、营养元素含量、演替速率和景观要素间的流等景观的重要特征值。可以采用视觉观测和简单的统计分析(如时间序列分析)来确定某种景观变化是属于上述12条曲线的哪一种。一般来说，首先应找出景观参数的观测值是否能用一条回归直线来表示，也就是确定景观变化的大致趋势，然后确定波动幅度的大小以及直线上下观测值的变化是否规则等。,由于所有景观都受气候波动的影响，在不同的季节，许多景观参数会上下波动。另外，多数景观具长期的变化趋势，例如在演替过程中生物量的不断增加或随人类影响增强景观要素间的差别增大等。因此，从全球来讲，如果景观参数的长期变化呈水平状态，并且其水平线上下波动幅度和周期性具有统计特征，那我们就可以说景观是稳定的。可见，只有呈水平趋势、小范围(或较大范围)但有规则波动的变化曲线是稳定的。,3、景观组分的稳定性,景观稳定性本质是景观各组分的稳定性，即气候、地貌、岩石、土壤、植被、水文等组分稳定性的综合体现。但是各组分的变化往往是不一致的。气候具有两种变化，一是周期性变化，这种变化规律性极强。所以人们多用平均温度、平均湿度、年平均降水量等指标来表示其变化的均值。另一种变化是不规则的，如第四纪冰川，该变化对景观的影响具有异常性。,地貌形态的变化时间尺度相当长，一般以地质年代来计算。除河口、海岸带、活火山、山前的冲洪积扇等地质活动强烈的地区外，地貌的形成需数百万年乃至数千万年才形成旋回，在人类生存的时间尺度内看不到大地升降、沧海桑田的巨变。所以，在人们的心目中，地貌是稳定的，在研究景观的变化时一般不予考虑。,岩石和土壤是经长期的地质过程逐步形成的。地球遭受风化的历史已超过30亿年。已发现的岩石表面风化壳的最大厚皮不超过150m，生成1cm厚的土壤大约需上千年或更多的时间，现代保留的土壤的生成时间一般不超过2万年。在没有植被覆盖的地区、土壤的抗侵蚀能力极弱，撒哈拉沙漠平均每一年要吹掉1mm的细土层。流水对土壤的侵蚀更为剧烈。我国的黄土高原地区仅数千年的侵蚀，现在形成的沟壑深已达数百米。除了上述一些地区外，岩石与土壤在植被的覆盖下，同样属稳定的景观组分之列。,植被在景观组分中生命周期相对较短，也容易受到干扰和破坏。植被的变化同样有周期性和非周期性两种情况。不同的植物完成其生命周期需一年、多年或更长的时间。按某种时间节律作周期性的稳定变化，遭受人为或自然干扰后，植被发生改变，需经相当长一段时间才能得到恢复，这时认为该植被失去了稳定性。对农业景观来说，通常只有在土地生产力大幅度降低的情况下才认为失去了景观的稳定性。景观中的动物多数情况下仅作为干扰因素出现，只是在某持定物种大量聚集时，才作为景观组分要素，一般不予考虑。,水文(主要指地表水)是景观中最为活跃的组分。水流在景观中连接各斑块，在某些时候作为强大的自然干扰力量出现，对景观的变化最具影响力。如一场洪水瞬间可吞没城镇、农田，改变一个地区的景观面貌，然后又很快消失。景观组分的稳定性既与景观的稳定性有一定的联系，也有一定的区别。为此评价景观的稳定性应考虑到景观组分间的相互联系与相互作用。一般来讲，在实际评价景观的稳定性时，主要考虑的是植被组分的变化。,4、干扰与景观稳定性,景观稳定性可以看作是干扰条件下景观的不同反应。在这种情况下，稳定性就是系统的两种特征恢复性和抗性的产物。一般来说，景观的抗性越强，也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。,景观之所以是稳定的，是因为建立起了与干扰相适应的机制。不同的干扰频度和规律下形成的景观稳定性不同。如果干扰的强度很低，而且干扰是规则的，景观能够建立起与干扰相适应的机制，从而保持景观的稳定性；如果干扰比较严重，但干扰经常发生并且可以预测，景观也可以发展起适应干扰的机制来维持稳定性；,但如果干扰是小规则的，而且发生的频率很低，景观的稳定性最差。因为这种景观很少遇到干扰，不能形成与干扰相适应的机制，这种景观遇到干扰就可能发生重大变化。理论上讲、在干扰经常发生，而且在有一定干扰规律下形成的景观稳定性最高。这种景现在形成适应正常干扰的机制的同时也可以适应间或的非预测性干扰。,5、景观稳定性的尺度问题,景观稳定性的尺度问题包括景观稳定性的时间尺度和景观稳定性的空间尺度。景观稳定性的时间尺度是指人们衡量景观变化时假定的一个变化速率。景观稳定性的空间尺度主要是指景观的异质稳定性。,景观稳定性是相对的，任何景观都是连续变化中的瞬时状态。这些状态可以看作是时间的函数。我们评价景观是否稳定是先根据自己假定的一个时间尺度，或者说是一个变化速率，当所观察的景观的运动速率大于假定的运动速率时，我们认为景观是变化的；当所观察景观的运动速率小于假定的运动速率时，我们认为景观是稳定的。因此，景观稳定性取决于我们观察景观时所选择的时间尺度。,景观与人类的生活密切相关，景观概念也来自于人对世界的观察。人们观察景观的变化只是在其有限的生命周期中，所以，对一般的景观研究，景观动态尺度以人一生的生命周期为好，实际上我们所谈到的景观稳定与否通常也是假设了这样一个生命周期。在100年左右的时间间隔内，如果观察到的景观有本质的变化，我们说景观失去了稳定性。,在景观尺度上，稳定性实际上是许多复杂结构在立地水平上不断变化和大尺度上相对静止的统一。我们把这种稳定性称为景观的异质稳定性。显然流域尺度的两岸的植被要比沿河流渠道各段植被的稳定性要高。异质稳定性存在于每一景观中。大尺度上景观结构和要素组成的变化需要很长的时间才发生，而小尺度上景观的变化在短期就可以发生。,6、景观稳定性的特性,（1）景观流有利于提高景观的稳定性景观系统对物质流和物种流的开放性可加强系统的抗性，促进其恢复过程。每个景观要素可接受相邻其它景观要素的物质流动和生物有机体的迁移，同时，也可将本身的物质和生物种输送到后者。不管什么原因造成景观中的局部的生物种群大量死亡时，形成的裸地都会有从相邻未受破坏或破坏较轻的有机体来侵入，从而使这块裸地的生物种群得以恢复。,（2）景观异质性可促进景观的稳定性景观的异质性可为系统在环境变化下或在发生干扰时的可塑性增加，并且在遭受干扰后容易恢复原状。一般认为，同质性可促进干扰的蔓延。如大面积种植同一种农作物会导致发生严重的病虫害。大面积栽植同一树种的人工林可使森林抗病虫害和抗火的能力减低。,（3）多样性有利于景观稳定物种的多样性和遗传多样性有利于景观稳定。不同物种的生态位不同，对环境变化和干扰的反应也不同。这种差异性对于整个群落、生态系统甚至景观的稳定性都是有利的。同一物种中不同基因型的存在，有利于物种的保存，同时，也就有利于景观整体的稳定。同样，物种多样性和遗传多样性也有助于生物系统在干扰后的恢复。,景观变化的作用力种类：人力 比如：采伐、造林、灌溉等 自然力物理力（比如：地震、洪水、台风）生物力（比如：病害、虫害）,二、景观变化的生态反应,不同强度作用力的生态反应：,作用力强度分为四级：弱度、中度、强度、极度。弱度的作用力会使景观产生围绕着中心点的波动。但总的趋势不变，只是产生波动，这是稳定性的基本特点。例如小的森林火灾。中度作用力可使景观发生很大变化，它可产生超出平衡的波动，但是一旦停止干扰仍可使景观恢复到原有的平衡状态。例如连续几年干旱可使河流干涸，使景观发生很大的变化。但如果一旦气候恢复正常，景观就会恢复。,强度作用力会使景观产生新的平衡。旧的平衡被打破，新的平衡建立起来。但原有的景现成分还未发生绝对变化，只是它们的相对地位或某些属性有显著变化，但最终还未达到建立新景观的程度。比如：耕作极度作用力会产生新景观。地震使城市变成废墟，现代的建筑技术使农田区在短期内变成高楼大厦。这都是与原景观截然不同的。,四种作用强度产生四种景观变化结果：弱度波动中度恢复强度建立新的平衡极度景观替代,衡量某一景观变成另一景观的标准是：某一景观要素成为本底；几种景观要素所占面积的百分比发生了非常大的变化；景观内产生了一种新的景观要素类型。,三、景观变化定量分析,景观动态是一个复杂的多尺度的过程，对绝大多数生物体具有极为重要的意义。景观作为一个系统与其它自然系统一样，在内外力的作用下发生变动，并对自然和人类产生的营力有不同表现。影响景观动态有如下因素：(1)干扰频率；(2)恢复速率；(3)干扰的强度和范围；(4)景观的大小或空间范围,研究景观动态可从多方面着手，如景观各种要素类型所占面积的变化、斑块大小、数量与格局的变化以及景观功能(如水流、气流、物种流)、生物量和生产力的变化。其中，最起码要考虑的，是各种景观要素类型的变化。在这方面，人们关心的不仅是各种景观要素类型在一定时期中面积的增减，并且要查清那种景观要素类型在一定时期中分别向其余各种景观要素类型转变的百分率是多少，这个转变百分率称之为转移概率。,为求景观转移概率，需要有不同时期的图面资料。常用转移矩阵的方法研究各种景观要素类型的互相转化速率。不同地区的研究实例说明在人为干扰下，各种类型的景观都有自己的变化发展规律。研究景观动态可为景观规划提供重要的实际价值。,景观变化动态是指景观变化的过去、现状和未来趋势，它需要回答：景观是怎样变化的；为什么有这样变化；变化的结果。根据关注景观变化的侧重点不同，景观变化动态可分为两种：一种是景观空间变化动态，一种是景观过程变化动态。,景观空间变化动态是指景观斑块数量、斑块大小、廊道的数量和类型、影响扩散的障碍类型和数量、景观要素的配置等变化的情况。景观过程变化动态是指在外界干扰下，景观中的物种的扩散、能量的流动和物质的运移等变化情况。它一般要涉及到：系统的输入流、流的传输率和系统的吸收率、系统的输出流、能量的分配等。,景观空间变化和景观过程变化是同一变化中的两个方面。过程变化是空间变化的原因，比如景观中某物种在当地灭亡的可能性增加，很可能是物种从一个斑块移动到另一个斑块的廊道被切断。空间变化反过来又影响过程变化。如许多鸟类对小的、破碎的斑块的反应十分敏感。尽管森林仍保持整体的面貌，但在班块的尺度、森林的破碎化越大，斑块的环境越远离森林，鸟类的活动越受影响。,景观变化的动态模拟是通过建立模型来实现的，模型的建立需要了解景观变化的机制和过程，一般来说，至少需要考虑以下几点：景观的初始状态任何景观变化的动态模拟，都需要建正一个初始状态，用来同以后的景观相比较。但是事实上任何景观都是文化的景观，都保留着过去管理的痕迹并体现当今的实践活动。所以人类对景观的影响只是一种程度。,景观变化的方向景观变化的方向揭示着景观变化的大量信息。景观的变化速率 景观变化速率也是十分重要的。非常快的变化率可能使当地和区域的物种灭亡，改变区域的生物多样性。,四、景观变化的驱动因子,景观变化的驱动因子般分为两类，一类是自然驱动因子，一类是人为驱动因子。自然驱动因子常常是在较大的时空尺度上作用于景观，它可以引起大面积的景观发生变化。人为驱动因子包括人口、技术、政经体制、政策和文化等因子，它们对景观的影响十分重要。,自然驱动因子：,景观变化的自然驱动因子主要指在景观发育过程中，对景观形成起作用的自然因素。如地壳运动、流水和风力侵蚀、重力作用等，它们形成景观中不同的地貌类型；气候的影响可以改变景观的外貌特征；景观的变化同时伴随着生命的定居，植物的演替，土壤的发育等过程中；火烧、洪水、飓风等自然干扰也能够引起景观大面积的改变。,在人口、技术、政治经济体制、政策以及不同文化的影响下，景观的变化主要表现为土地利用土地覆被的变化。土地覆被是同自然的景观类型相联系的，而土地利用本身就包含了人类的利用方式及管理制度，所以在讨论景现变化的人为驱动因子时，我们更关心在这些因子作用下，同人类密切相关的土地利用土地覆被的变化。,主要的自然驱动因子：地貌的形成气候的影响生命的定居土壤的发育自然干扰主要的人为驱动因子：人口因素技术因素政治体制及决策因素文化因素,五、景观变化的生态影响,当前全球环境变化和可持续发展已成为世界各国政府和科学家所关注的问题。景观变化所带来的生态影响也自然成为大家关心的热点。具全球影响的两大国际组织“国际地圈与生物圈计划”和“全球变化人类影响和响应计划”共同制定了“土地利用土地覆被变化科学研究计划”，将其列为全球环境变化的核心项目。景观变化对生态的影响极为深刻，景观变化结果不仅改变了景观的空间结构，影响景观中能量分配和物质循环，而且不合理的土地利用造成土地退化、非点源污染、海水入侵等严重的生态环境问题，对社会经济产生着严重影响。,1、景观变化对区域气候的影响,景观和气候的影响是双向的。通常气候的变化会引起景观的变化，反过来，改变了的景观又对气候造成一定的影响。景观对气候的影响是通过景观表面性质的变化，反射率的变化以及随景观变化而改变的温室气体和痕量气体量实现的。,土壤表面性质的变化地表及其覆盖的植被决定着太阳辐射在地表的分配，这种分配形成了不同尺度上气候系统的边界环境。土地表面性质发生变化时引起能量的重新分配，从而影响着气候变化。例如：景观变化极大地影响了城市气候和城市水资源的供给。在城市化过程中，几乎所有地表大气环境都发生了变化，如太阳辐射、温度、湿度、能见度、风速、风向及降雨等。城市对水分的影响是它的下渗能力和树木的截流能力比非城市土地利用形式要小得多。,地表反射率的变化土地利用变化改变了地表反射率，从而影响温度和湿度的变化。总的来说，基于人类利用力向的土地利用变化倾向于增加反射率，使得更多的能量返回到大气中。温室气体和痕量气体的变化景观变化对气候的影响还在于土地表面是温室气体和痕量气体如CO2、CH4、N2O等的重要来源。如森林面积减小后大气中的CO2量增加，农业化、城市化、工业化使大气中CH4量增加等。有人分析认为，湿地是CH4的最大来源地，草地能释放大量的CH4和N2O。,2、景观变化对土壤的影响,影响土壤的能量交换、水分循环和分配、侵蚀和堆积、生物循环和农作物产量等生态过程。影响土壤的养分流：景观利用方式和景观类型的空间组合影响着土壤养分的流动规律，不同的土地单元对营养成分的滞留和转化有不同的作用。,3、景观变化对水环境的影响,影响水量：森林和草地的减少使其涵养水源能力降低，而农业化、城市化和工业化增加了大量的水分消耗。影响水质：景观变化对水质影响的途径有3种：一是地表景观类型的变化直接影响到水质；二是景观变化引起的区域或全球气候变化间接影响水质；三是景观变化引起气候变化，变化了的气候反过来引起景观变化，进一步影响到水质。,4、景观变化带来的生态环境问题,大气质量下降土壤侵蚀和土地沙化湿地减少水资源短缺非点源污染,温室气体：破坏大气层与地面间红外线辐射正常关系，吸收地球释放出来的红外线辐射，阻止地球热量的散失，使地球发生可感觉到的气温升高的气体。地球的大气中重要的温室气体包括下列数种：水蒸气H2O、臭氧O）、二氧化碳CO）、氧化亚氮N2、甲烷CH4等。由于水蒸气及臭氧的时空分布变化较大，因此在进行减量措施规划时，一般都不将这两种气体纳入考虑。痕量气体：气中浓度低于10-6的粒种。如大气中的CO、N2O、SO2、O3、NO、NO2、CH4、NH3、H2S、卤化物、有机化物等等都属于痕量气体。它们中有一些是天然排放的，但由于人类活动大量排放各种痕量粒种，这些痕量粒种受到各种物理的、化学的、生物的、地球过程的作用并参与生物地球化学的循环，对全球大气环境及生态引起重大的影响，例如光化学烟雾、酸雨、温室效应、臭氧层破坏等无不与痕量气体有关。点源污染：具有固定排放口和地点的环境污染 非点源污染：狭义各种没有固定排放口或地点的环境污染；广义难于按点污染源进行管理的污染源的统称。,