基于放射源理论的区域生态系统评价方法

基于放射源理论的区域生态系统评价方法陈 平1, 2，罗 静3，李菲菲1，崔广柏21. 扬州大学水利科学与工程学院，江苏 扬州 225001；2. 河海大学水资源与环境学院，江苏 南京 210098；3. 江苏省淮安市水利勘测设计研究院，江苏 淮安 211700摘要：研究区域生态系统定量评价方法对区域生态系统的建设与保护具有十分重要的意义。从放射源理论出发，首次将生态影响距离、生态源及生态影响效应的概念引入分析评价中，提出了区域生态系统的定量评价方法，并建立了基于景观空间格局的区域生态系统生态影响的定量计算公式。甘垛镇新庄片和横泾镇沿荡片的应用实例表明，该方法原理简明、结果直观，为区域生态系统的科学评价提供了定量评价方法。关键词：区域生态系统；景观空间格局；生态影响距离中图分类号：X171.1 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2007）04-1299-05生态系统是指一定空间中的生物群落(动物、植物、微生物)与其环境组成的系统，其中各成员借助能量交换和物质循环形成一个有组织的功能复合体。生物群落与生境的统一性是生态系统的基本特征。具体的生物个体和群体生活地区内的生态环境称为“生境”(habitat) 1。景观是生境的重要组成部分，也是生物群落的栖息地。在人类活动占优势的景观内，大量人为干扰不断的改变着景观格局，在一定的时空尺度上产生新的景观格局。因此，景观可以被看作是处于不断变化中的斑块的集合，每一斑块都反映了它们不同的干扰历史，这种斑块集合就是所谓的景观“镶嵌体”（inlay）2。景观内不同斑块是各类物种的集聚地，也是景观中的生态流场所。斑块之间的空间关联性对生物多样性极为重要3。景观结构退化即景观破碎化(fragmentation)，是指景观中各生态系统之间的各种功能联系断裂(rupture)或连接度 (connectivity)减少的现象；而鲜受重视的与景观破碎化相反的过程景观聚集 (aggregation)在很多情况下同样具有造成景观退化的负面效应4。事实上，到目前为止人类的发展史就经历着由自然景观的破碎化再到景观的聚集两个阶段。第一阶段是自然景观在人类不断开垦利用情况下的逐步破碎，形成自然生态斑块与人工干扰斑块相混杂的破碎化生态系统，该生态系统是自然生态与农业生态的结合体；随着经济的发展，人类向自然的索取增多、改造自然的能力也进一步加强，又使破碎的景观逐步聚集，这种聚集形成了人为干扰更大的农业生态系统，使自然生态系统更加弱化，造成景观异质性退化的负效益。现阶段正是处于第二进展阶段，而对该阶段斑块聚集引起的生态改变研究还没有引起应有的重视。景观聚集实际是对区域空间异质性的弱化。空间异质性对生态过程的影响作用越来越被生态学家所重视5，已经广泛渗透到了生态学研究的各个方面。如一个区域的物种多样性可能与生境异质性紧密相关；种群动态以及捕食者与被捕食者的关系在异质性生境中可能更稳定、更持久；蔓延性干扰 (如火和疾病 )的传播可被不同斑块所改变，等等，都是在承认空间异质性的前提下产生的。空间理论及空间格局的研究表明，空间异质性可增加生态系统和生态过程的稳定性2。在人类活动占优势的景观内，不同土地利用方式和强度产生的生态影响具有区域和累积性的特征，并且可以直观地反映在生态系统的结构与组成上6。许多国内外学者利用空间格局或景观格局（结构）理论714从不同的侧面对区域生态风险6,1519和人为干扰度2022进行了分析研究。对区域生态的研究我国还刚刚起步，许多方法还仅局限于概念的或统计分析的原理，不能全面、定量地反映区域生态特征。本文以横泾镇与甘垛镇的两块小区域为例，将每块景观格局看成一个具有生态效应的放射源，提出了基于对景观破碎与景观聚集这一相反的人类干扰过程综合定量分析方法，按照放射源理论计算不同土地利用方式对生态影响的效应，可为区域生态系统的定量评价提供科学依据。1 研究区域与方法1.1 研究区域情况高邮市甘垛镇新庄片（E 1194329，N 325002）和横泾镇沿荡片（E 1193754，N 325615）相距仅12 km，同属于江苏省中部的里下河低洼圩区，地处北亚热带北缘，光热资源丰富，常年无霜期长达218 d，年平均温度15 ，年平均日照时数达2209 h，年辐射总量114.4 kW/cm2。大于0 的年积温5275.2 ，大于10 的积温为4670.4 ，地面温度平均为17.9 ，年平均降雨量1038 mm。甘垛镇新庄片区域总面积217.7 hm2；横泾镇沿荡片区域总面积251.4 hm2，气候与土壤条件相似。1.2 研究方法1.2.1 区域生态系统的景观空间格局区域生态系统中不同的土地利用方式即不同的景观斑块构成了景观的空间格局。区域生态系统主要由自然生态系统与农业生态系统这两大生态系统所组成；人类的发展就是不断向自然索取的过程，也是使自然生态系统不断弱化，农业生态系统不断扩大的过程；农业生态系统是从自然生态系统开发出来，并与自然生态系统重叠、交叉。目前，我国农业生态系统占据国土面积的50%左右。在人类活动占优势的景观空间内，农业生态系统中有许多农业的边际土地，如荒地、草地、林带、草滩、苇地、水域、农垦区湿地、小片山林地与园林地、路边灌丛、田埂等，其中许多是珍稀野生生物种相对集中的地域，作为生物多样性丰富的“野生生境岛屿”保存在农业生态系统中，它们构成了区域空间异质性。有什么样的生境就造就了什么样的生物群落，二者是不可分割的。如果说生物群落是生态系统的主体，那么，生境就是生物群落的生存条件。一个地区丰富的生境能造就丰富的生物群落，生境多样性是生物群落多样性的基础。相对于第二发展阶段而言，景观空间格局丰富性为区域生态的生境多样性、物种多样性和遗传多样性提供了良好的基础。区域生态系统中的农业区域是人类从事农业生产、进行着频繁农事活动的区域，所以农业生态系统是具有明显人为影响、输入与输出量较大的非闭合系统（开放型、耗散型的）。该系统是以种、养殖业为主，是半自然生态系统和人工生态系统的复合系统，它的形成受地形、地貌、气候、技术、经济和人文因素的影响，具有特定的生物群落和结构特点。农业生态系统的最大特点是，它的结构和功能取决于人类的需要，不像自然生态系统那样完全按照自然的规律去发展，而是要受人类需求的支配。此外，由于经济发展和人口增长，人类活动十分频繁，干扰强度加大，使区域生态系统内的工矿用地、居住用地、交通用地等建设性用地的增加，改变着景观空间格局，对区域生态系统健康发展起着不可估量的负效应。对景观空间格局的研究，Lord7认为，破碎化可在各种尺度、各种基质上发生，虽然在生物保护方面注意力主要集中于粗粒破碎或地理破碎（几公里），但细粒破碎或结构破碎（几米）对于许多过程和生物体同样具有重要意义。因此，在小尺度上基于景观空间格局理论进行区域生态人为干扰度研究也是十分必要的。人为干扰度反映了自然受人为影响的程度。生态环境多样性给野生生物提供了觅食、繁殖、隐蔽场所及安全条件，所以空间异质性越高，生物多样性越大。1.2.2 景观空间中斑块相对位置与生态影响距离景观空间的斑块反映在实际应用中就是土地利用的不同方式。根据土地利用方式及其对生态的影响性质，将区域土地利用类型分为水田、旱地、园地、林地、草地、水面、工矿用地、居住用地、其他建设用地、其它农用地以及未利用土地 11种斑块类型；其中其他建设用地包括公共设施用地、交通用地、水利设施用地等；其它农用地包括设施农业用地、谷场与田坎用地等；未利用地荒草地、盐碱地、沼泽地、苇地、滩涂等。实际情况是，这11种土地利用类型混合存在于同一区域，各自占据不同的面积比例与斑块数量，并在区域生态中按其自身权重的大小、生态影响力做出相应的贡献。1.2.3 斑块相对位置设区域内共有N块生境斑块（i=1, 2, N），斑块之间的相对空间位置可以用两个参数来定位：相邻或间隔斑块的数量；两斑块中心之间的地理距离。相邻或间隔斑块的数量用自然数m来表示：以其中一块为基础，其余N-1块斑块中与其相邻的斑块记为 m=1，间隔1个斑块记为m=2，间隔2个斑块记为m=3，m=N-1；任意两斑块之间的地理距离可以用斑块中心到中心之间直线距离表示。如图1（下页）所示，以任意第i斑块为对象，设第i斑块与第j斑块之间相对空间位置为mi,j，第i斑块到第j斑块间的地理距离为xi,j（单位以km计）。1.2.4 生态影响距离不同斑块内的生境是不相同的，从而其内部物群落也是不相同的。一个斑块对另一个斑块的生态是具有影响的，其影响力不仅与自身的生态效益有关，还与它们之间的距离有关。生态影响与距离并不是简单的线性关系，但与距离关系十分密切，为了表示这种斑块间的距离影响关系，我们可以用生态影响距离表示。生态影响距离与地理距离应该成反比例，两斑块相距越远或间隔的斑块越多，生物群落之间的各种功能联系断裂 (rupture)或连接性 (connectivity)减少的现象就越明显，所以区域内第i斑块与第j斑块之间的生态影响距离可以用下式表示：图1 斑块相对位置量化示意Fig. 1 Sketch map of relative sites quantification of habitats则第i斑块在区域内的生态影响总距离为：1.2.5 生态影响效应与区域生态评价（1）生态影响效应表1 区域生态系统内不同土地利用方式的生态源系数Table 1 Eco-source coefficients of all kinds of land use in regional ecosystem斑块土地利用方式水田旱地园地林地草地水面工矿用地居住用地其他建设用地其他农用地未利用地生态源系数k0.50.650.71.00.91.0-1.0-0.8-0.60.41.0对一个区域而言，不同斑块生境内的生物群落之间是相互影响的，任一斑块内的生物群落都可以看成是个生态源（eco-source），源都有自身固有的辐射强度与辐射性质。斑块生境内的生物群落之间相互作用而产生的生态影响强度与性质是不一样的，从而使得斑块相互间的生态影响（或称生态效益）是不可逆的，这是由景观异质性所决定的；设第i斑块内的生物群落对第j斑块内的生物群落的生态影响是正影响，而反之，第j斑块对第i斑块的生态影响可能是负影响即胁迫（stress）；即使相互间同为正影响或同为负影响，这种相互影响的强度也是不同的。生态源的性质与强度可用相对的生态源系数表示，生态源系数值是斑块土地利用形式对区域生态系统贡献强度与性质的反映，可以采用专家调查打分的方法在1,-1区间内确定。区域生态系统内11种（k=1,2,11）不同土地利用斑块生态源系数见表1。两个不同生境斑块间的相互生态影响效应是不可逆的，不可逆性可由生态源系数反映，负号代表该斑块对其它斑块产生的生态性质是不良效益与影响，系数值的大小表示影响的强弱。区域内第i斑块对第j斑块的真实影响力大小还与生态源的大小有关，源的大小可以用斑块面积表示，面积越大说明该生境内的生物群落对其它斑块的影响越大。对一个区域生态系统而言，生态源大小可以用面积权重表示，对第i斑块源可用第i斑块面积Ai占区域总面积A（hm2）的百分比表示，即：。由以上的分析可知，区域内任一斑块对区域生态系统形成的最终生态效果距离与生态源大小、生态效益距离有关。若第i斑块属第k类土地利用类型，则其在区域内的总生态效应（无量纲数）可以表示为：同一种土地利用类型内的生境是相同的，所以其内生物群落也具有相似性。若区域内同一种土地利用类型的斑块数量越多，表现为生境斑块的边界就增加，廊道断裂和廊道总长度增大，需要较多的连接破碎生境斑块的物种运动 “跳板 (stepping stone)”。例如当同种植物斑块之间的距离过大时，就会降低授粉机率，既影响种子的产量，也会降低后代的遗传多样性；所以若区域内第k种土地利用类型的斑块数为Gk块，则这种生境斑块的生态效应可表示为：整个区域生态系统若有K种土地利用类型斑块，则区域生态系统的总生态效应为：（2）区域生态评价表2 区域生境斑块统计数据Table 2 Statistical figures of regional habitat blocks斑块土地利用方式水田旱地园地林地草地水面工矿用地居住用地其他建设用地其他农用地未利用地总计新庄片斑块数/块14250002834041290面积/hm2137.513.100039.22.68.007.89.5217.7沿荡片斑块数/块16181008521081936339面积/hm261.95.81.800137.60.69.181.930.32.4251.4区域生态系统的演潜一般经过两个阶段，第一阶段自然生态系统的人为干扰使生境破碎化严重，人工斑块增多；第二阶段是人为的进一步干扰，使破碎的生境归一化、人工化，虽使破碎化向聚集化（整体性）演变，但这种整体性是完全人为干扰的聚集化，即大量向人工输入、输出较大的农田系统转变，进一步降低生境异质性，也严重影响了区域生物群落的多样性。区域生态系统的人为干扰度与区域生态系统的总生态效应有着密切的关系，它们之间呈现相反的关系，即区域生态系统内人为干扰度越大，自然生态系统向农业生态系统聚集越迅速，非生态系统占有比重也逐渐增大，总生态效应值就越小。区域生态系统的评价可用单位面积的生态影响效应值作为判断的依据，即：，D值的范围-1，1。单位面积生态影响效应值D越大，人为干扰度越小，即表明区域生态条件越好。2 结果与分析2004年4月对两片研究区域的土地利用现状与生态条件状况进行了实地踏勘与资料收集。区域景观格局根据土地利用状况分为11种类型，甘垛镇新庄片总斑块数N为90，横泾镇沿荡片总斑块数N为339，生境斑块统计数据见表2。两区域的图斑面积与相关数据均来源于当地土地管理部门的土地更新调查统计表和土地利用现状图。从两区域土地利用现状图上确定斑块间的相对位置数值xi,j和mi,j；再计算各斑块的生态影响距离与生态影响效应，从而得出区域单位面积生态影响总效应值。经分析计算，新庄片单位面积生态影响总效应值为：0.21；沿荡片单位面积生态影响总效应值为：0.32。可见，人为干扰程度新庄片要高于沿荡片，沿荡片的生态条件要好于新庄片，这与当地的实际情况是相吻合的。3 结语 （1）本文提出了基于放射源理论的区域生态系统定量评价方法。该方法概念明确，可以全面、定量地对区域生态系统作出评价分析。（2）运用该评价方法，不仅可以实现区域生态系统的纵向比较，还可以进行多区域生态的横向比较与排序。为区域生态系统的分析评价提供了理论基础，也为区域生态建设与保护提供一般的指导。（3）基于放射源理论的区域生态系统定量评价方法以景观空间格局为基础，分析资料采集方便，避免了以往生态评价方法通过先建立指标体系，再进行指标采样与量化的困难和数据误差，分析结果基本反映了区域的整体生态性特征。（4）分析方法中，有关生态源系数的确定对评价计算结果影响较大，今后需进一步研究和确定。（5）本方法仅适用于多景观空间格局的区域生态评价研究，对单一景观的区域生态系统（如森林生态系统、淡水生态系统、草原生态系统等）应采用专门的单一生态系统的评价方法。参考文献：1 董哲仁. 河流形态多样性与生物群落多样性J. 水利学报, 2003, 11: 1-6.DONG Zheren. Diversity of river morphology and diversity of bio-communitiesJ. Journal of Hydraulic Engineering, 2003, 11: 1-6.2 李小玉, 肖笃宁. 空间和平衡理论在景观生态学中的发展和应用J. 生态学杂志, 2004, 23 (2): 60-65.LI Xiaoyu, XIAO Duning. Development and application of the theory of space and equilibrium in landscape ecologyJ. Chinese Journal of Ecology, 2004, 23 (2): 60-65.3 潘玉君, 张谦舵. 区域生态环境建设补偿问题的初步探讨J 经济地理, 2003, 23(4): 520-523.PAN Yujun, ZHANG Qianduo. On problem of compensation of regional eco-environmental constructionJ. Economic Geography, 2003, 23(4): 520-523.4 关文彬, 谢春华, 马克明, 等. 景观生态恢复与重建是区域生态安全格局构建的关键途径J. 生态学报, 2003, 23(1): 64-73.GUAN Wenbin, XIE Chunhua, MA Keming, et al. A vital method for constructing regional ecological security pattern: landscape ecological restoration and rehabilitationJ. Acta Ecologica Sinica, 2003, 23(1): 64-73.5 GEORGE L, PERRY W. Landscapes, space and equilibrium: shifting view points J. Progressing Physical Geography, 2002, 26: 339-359. 6 曾辉, 刘国军. 基于景观结构的区域生态风险分析J. 中国环境科学, 1999, 19(5): 454-457.ZENG Hui, LIU Guojun. Analysis of regional ecological risk based on landscape structureJ. China Environmental Science, 1999, 19 (5): 454-457.7 LORD J M. Scale and the spatial concept of fragmentationJ. Biological Conservation. 1990,4:197-202.8 赵斌, 蔡庆华. 分形理论对水生态系统空间格局研究初探J. 水生生物学报, 2000, 24(5): 474-480.ZHAO Bin, CAI Qinghua. Preliminary study on fractal character of spatial pattern in freshwater ecosystemJ. Acta Hydrobiologica Sinica, 2000, 24(5): 474-480.9 郭中伟, 甘雅玲. 基于功能与空间格局的区域生态系统保育策略J. 生态多样性, 2002,10(4): 399-408.GUO Zhongwei, GAN Yaling. A strategy for ecosystem conservation based on function and spatial patternJ. Biodiversity Science, 2002, 10(4): 399-408.10 马克明, 傅伯杰, 黎晓亚, 等. 区域生态安全格局：概念与理论基础J. 生态学报, 2004,24(4): 761-768.MA Keming, FU Baiji, LI Xiaoya, et al. The regional pattern for ecological security(RPES) :the concept and theoretical basisJ. Acta Ecologica Sinica, 2004, 24(4): 761-768.11 俞孔坚. 生物保护的景观生态安全格局J. 生态学报, 1999,19(1): 8-15.YU Kongjian. Landscape ecological security patterns in biological conservationJ. Acta Ecologica Sinica, 1999. 19(1):8-15.12 章家恩, 骆世明. 农业生态系统模式的形成演潜及其空间分布格局探讨J. 生态学杂志, 2001, 20(1): 48-51.ZHANG Jiaen, LUO Shiming. Discussion on the main types of the formation and succession of agricultural ecosystem and their spatial distributionJ. Chinese Journal of Ecology, 2001, 20(1): 48-51.13 肖笃宁, 布仁仓, 李秀珍. 生态空间理论与景观异质性. 生态学报, 1997, 1 7(5): 453-461.XIAO Duoning, BU Rencang, LI Xiuzhen. Spatial ecology and landscape heterogeneityJ. Acta Ecologica Sinica, 1997, 17(5): 453-461.14 HOBBS R J. Effects of landscape fragmentation on ecosystem processes in the Western Australian wheatbelt J. Biological Conservation, 1993, 64(3):193-201.15 肖笃宁, 陈文波, 郭福良. 论生态安全的基本概念和研究内容J. 应用生态学报, 2002, 13 (3 ): 354-358.XIAO Duoning, CHEN Wenbo, GUO Fuliang. On the basic concepts and contents of ecological securityJ. Chinese Applied Ecology, 2002, 13(3): 354-358.16 左伟, 王桥, 王文杰, 等. 区域生态安全评价指标与标准研究J. 地理学与国土研究, 2002,18(1): 67-71.ZUO Wei, WANG qiao, WANG Wenji, et al. Study on regional ecological security assessment index and standardJ. Geography and Territorial Research, 2002, 18(1): 67-71.17 付在毅, 许学工. 区域生态风险评价J. 地球科学进展, 2001, 16(2): 267-271.FU Zaiyi, XU Xuegong. Regional ecological risk assessmentJ. Advance in Earth Science, 2001, 16(2): 267-271.18 PUNGETTI G. Anthropological approaches to agricultural landscape history in Sardinia J. Landscape and Urban Planning, 1995, 31(1): 47-56. 19 李晓文, 胡远满, 肖笃宁. 景观生态学与生物多样性保护J. 生态学报, 1999, 19(3 ): 46-53.LI Xiaowen, HU Yuanman, XIAO Duoning. Landscape ecology and biodiversity conservationJ. Acta Ecologica Sinica, 1999, 19(3): 399-407.20 王应刚, 李建梅, 李淑兰, 等. 人为干扰度对城市地区植物多样性的影响J. 生态学杂志, 2004, 23(2): 102-104.Wang Yinggang, Li Jianmei, Li Shulan, et al. Effect of artificial interference on plant diversity in urban areaJ. Chinese Journal of Ecology, 2004, 23 (2) : 102-104.21 ISPIKOUDIS I. Impact of human activities on Mediterrancan landscape in western Crete J. Landscape and Urban Planning, 1993, 24(1): 259-271.22 何念鹏, 周道玮. 人为干扰强度对村级景观破碎度的影响J. 应用生态学报, 2001, 12（6）: 897-899.HE Nianpeng, ZHOU Daowei. Impact of human disturbance on fragmentation of village-level landscapeJ. Chinese Applied Ecology, 2001, 12(6): 897-899.Method of quantitative assessment for regional ecosystembased on the theory of radioactive resource CHEN Ping1, 2, LUO Jing1, LI Feifei1, CUI Guangbai21. College of Hydraulic Science & Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China;2. College of Water Resources & Environment, Hohai University, Nanjing 210098, China;3. Huaian Surveying & Design Institute of Water Resources, Huaian 211700, ChinaAbstract: Study on the method of quantitative assessment for regional ecosystem is significant in constructing and protecting regional ecosystem. The concepts of eco-affecting distance, eco-source and eco-efficacy are led into regional ecosystem assessment for the first time based on the theory of the radioactive resource. The method of quantitative assessment for regional ecosystem is put forward, and the numerical formulas for impact of human disturbance analysis on regional ecosystem is established based on landscape spatial pattern. The analysis results from the Xinzhuang region in Ganduo Town and Yandang region in Hengjing Town suggest that the method is a valuable uncomplicated tool with concise of conception and intuitional results. It could be widely used for quantitatively scientific assessing the impact of human disturbance on regional ecosystem. Key words: regional ecosystem; landscape spatial pattern; eco-affecting distance