景观生态学：第七章 景观动态课件

第七章第七章 景观动态景观动态第七章 景观动态2景观结构景观结构景观过程景观过程景观动态景观动态景观功能景观功能景观生态景观生态规划设计规划设计景观生态景观生态保护管理保护管理生态生态生态生态监测预警监测预警2景观结构景观生态规划设计景观生态保护管理生态生态监测预警3景观变化（景观变化（landscape changeslandscape changes）景观在各种内部外部驱动力作用下，其结构和功能随时间发生变化的过程、特征和规律。也作景观动态（landscape dynamics）3景观变化（landscape changes）n土地利用土地利用/覆盖覆盖变化变化 land-use/land-cover,LULCland-use/land-cover,LULC2001-2016东湖地区土地利用/覆盖变化 land-use/land-cover,5l城市化景观城市化景观l现代农业景观现代农业景观-1950l传统农业景观传统农业景观-18001950l历史乡村景观历史乡村景观-11001800l铁器时代末期景观铁器时代末期景观-约公元前约公元前1000l新石器及青铜时代新石器及青铜时代景观景观-l原始自然景观原始自然景观-景景观观土土地地利利用用变变迁迁过过程程自然自然人工人工5城市化景观现代农业景观-1950传统农业景观-18006本章内容本章内容提要提要1 1 景观稳定性景观稳定性什么是景观稳定性？稳定性的基本概念与特征、景观稳定性的测度2 2 景观变化景观变化什么是景观变化？景观变化的规律性及判断标准、变化驱动力、变化的空间过程及模式、景观变化的定量描述6本章内容提要1 景观稳定性7本章内容本章内容提要提要1 1 景观稳定性景观稳定性什么是景观稳定性？稳定性的基本概念与特征、景观稳定性的测度2 2 景观变化景观变化什么是景观变化？景观变化的规律性及判断标准、变化驱动力、变化的空间过程及模式、景观变化的定量描述7本章内容提要1 景观稳定性81 1 景观稳定性景观稳定性l景观景观的稳定性（的稳定性（stabilitystability）：）：景观保持原有状景观保持原有状态及其受干扰后回归该状态的能力态及其受干扰后回归该状态的能力可以归结为：持久性、恢复力和抵抗力可以归结为：持久性、恢复力和抵抗力81 景观稳定性景观的稳定性（stability）：景观保持91 1 景观稳定性景观稳定性l持久性（持久性（persistence)：指生态系统在一定边界范围内保持恒定或维持某一特定状态的历时长度l恢复力（恢复力（elasticity)：指生态系统缓冲干扰并仍保持在一定阈限之内的能力l抗性（抗性（resistance)：或称抵抗力，描述生态系统在受到扰动后产生变化的大小91 景观稳定性持久性（persistence)：指生态系统101 1 景观稳定性景观稳定性动态平衡理论动态平衡理论系统的稳定性是相对的，景观参数的长期变化成水平状态，并且在其水平线上下波动，波动幅度和周期具有统计特征，则认为是稳定的101 景观稳定性动态平衡理论111 1 景观稳定性景观稳定性亚稳定性亚稳定性（metastability)系统受一定干扰后发生变化并达到了可预测的波动状态不稳定性不稳定性（instability）指波动方式经常发生变化或不可预测111 景观稳定性亚稳定性（metastability)系统12（2 2）景观稳定性的衡量标准）景观稳定性的衡量标准 景观基本要素具有再生能力 景观中的生物组分保持物质平衡 景观空间结构的多样性和复杂性有助于保持功能的稳定性 人类干扰的影响未超过景观的承受力12（2）景观稳定性的衡量标准 景观基本要素具有再生能力13（3 3）景观）景观稳定性的测度稳定性的测度变变异异性性（variability)：描描述述系系统统在在受受到到扰扰动动后后种种群群密度随时间变化的大小密度随时间变化的大小变变幅幅（amplitude)：生生态态系系统统可可被被改改变变并并能能迅迅速速恢恢复原来状态的程度复原来状态的程度13（3）景观稳定性的测度变异性（variability)：14来源于物理系统的稳定性来源于物理系统的稳定性无序稳定？有序稳定？稳定建立在熵熵增的基础上14来源于物理系统的稳定性无序稳定？有序稳定？15景观熵值的计算S=S=logD logD =log2(P1 =log2(P1N)!N)!(P2(P2N)!N)!(P3(P3N)!N)!(Pk(PkN)!/NN)!/N！N景观内包含的所有植物种群数 PK是各斑块内植物种群数所占的百分比 S景观的熵值 15景观熵值的计算S=logD N景观内包含的16案例案例假定景观包含假定景观包含1616种植物种群，其不同聚集将景种植物种群，其不同聚集将景观分成不同斑块观分成不同斑块1 1，2 2，4 4，1616当当1616个物种均匀分布在一个斑块内，个物种均匀分布在一个斑块内，S=0S=0当当1616个物种均匀分布在两个斑块内，个物种均匀分布在两个斑块内，S=-10.48S=-10.48当当1616个物种均匀分布在个物种均匀分布在1616个小斑块内个小斑块内S=-44.25S=-44.2516案例假定景观包含16种植物种群，其不同聚集将景观分成不同17哪种情况下，景观更稳定？哪种情况下，景观更稳定？物种数量相同的情况下斑块类型越多，景观结构的异质性越高，熵值越低，景观越不稳定反之，斑块类型越少，结构越简单，熵值越高，景观越稳定17哪种情况下，景观更稳定？物种数量相同的情况下18思考：思考：人工景观和自然景观的稳定性比较，哪个更人工景观和自然景观的稳定性比较，哪个更稳定？稳定？18思考：人工景观和自然景观的稳定性比较，哪个更稳定？19本章内容本章内容提要提要1 1 景观稳定性景观稳定性什么是景观稳定性？稳定性的基本概念与特征、景观稳定性的测度2 2 景观变化景观变化什么是景观变化？景观变化的规律性及判断标准、变化驱动力、变化的空间过程及模式、景观变化的定量描述19本章内容提要1 景观稳定性20.1 .1 景观变化的规律及判断标准景观变化的规律及判断标准(1)(1)景观变化的规律景观变化的规律如果不考虑时间尺度，景观随时间变化的特征l 变化总趋势：上升、下降或水平势l 波动幅度：大范围或小范围l 波动的韵律：规则或不规则20.1 景观变化的规律及判断标准(1)景观变化的规律21FormanForman&Godron(1986Godron(1986）将景观随时间的变将景观随时间的变化规律总结为化规律总结为1212条曲线：条曲线：21Forman&Godron(1986）将景观随时间的22英国英国剑桥附近罗金厄姆林地面积剑桥附近罗金厄姆林地面积400年来的变化年来的变化变化总趋势：下降变化总趋势：下降波动幅度：大波动幅度：大波动的韵律：不规则波动的韵律：不规则22英国剑桥附近罗金厄姆林地面积400年来的变化变化总趋势：23(2)(2)景观变化的判断标准景观变化的判断标准l景观的基质发生变化l景观要素类型所占面积百分比发生变化，引起景观内部空间格局的改变l景观内产生新的景观要素类型，并达到一定覆盖范围23(2)景观变化的判断标准景观的基质发生变化242425.2 .2 景观变化的驱动力景观变化的驱动力大尺度上，主要起作用的是地貌、气候、人口、文化和区域社会经济环境等因素小尺度上，主要起作用的是植被、土壤等因素25.2 景观变化的驱动力大尺度上，主要起作用的是地貌、26（1 1）景观驱动力的类型）景观驱动力的类型自然因子：自然因子：气候、土壤、水文、植被人为因子：人为因子：人口变化、生产生活方式变化、技术进步、政治和经济体制变革、价值观念改变26（1）景观驱动力的类型自然因子：气候、土壤、水文、植被27（2 2）景观驱动力分析）景观驱动力分析1 1 典型相关分析典型相关分析多变量（驱动因子）对多变量（景观格局指数）的相关分析2 2 逐步回归分析逐步回归分析一次引入一个作用显著的因子，最终得到影响该区域景观格局变化的主导因子驱动力27（2）景观驱动力分析1 典型相关分析28主要问题主要问题各种景观格局指数可以定量计算，但是驱动力因子不一定能够定量化多数景观驱动力研究流于定性分析而不是定量分析了解驱动因素背后的作用方式与机制问题更重要28主要问题各种景观格局指数可以定量计算，但是驱动力因子不一案例：案例：1980198020082008年年间深圳市城市景深圳市城市景观变化化案例：19802008年间深圳市城市景观变化30.3 .3 景观变化的空间过程与模式景观变化的空间过程与模式（1 1）景观变化的空间过程）景观变化的空间过程穿孔穿孔分割分割破碎破碎收缩收缩磨蚀磨蚀30.3 景观变化的空间过程与模式（1）景观变化的空间过31穿孔与分割穿孔与分割 破碎化与缩小破碎化与缩小 消失消失31穿孔与分割破碎化与缩小消失32边缘式边缘式廊道式廊道式单核心式单核心式多核心式多核心式散布式散布式随机式随机式（2 2）景观变化的空间模式）景观变化的空间模式不同景观变化空间模式的生态学意义是什么？32边缘式廊道式单核心式多核心式散布式随机式（2）景观变化的33生态上最好的景观变化模式生态上最好的景观变化模式颌状模式颌状模式(jaws model)或口状模式或口状模式(mouth model)33生态上最好的景观变化模式颌状模式(jaws model)34优点优点一直维持原来的方形生境斑块，尤其是在镶嵌序列的最后阶段廊道连接性得到加强，小的残存斑块起中继站作用，使得大片而连续的新土地类型所产生的负作用最小明显增加了边界长度，为多生境物种和边缘种提供了更多的生境34优点一直维持原来的方形生境斑块，尤其是在镶嵌序列的最后阶35（3 3）景观变化动态模型）景观变化动态模型马尔珂夫马尔珂夫(Markovian)概率模型概率模型转移概率矩阵转移概率矩阵35（3）景观变化动态模型马尔珂夫(Markovian)概36Nt和Nt+t是由m个状态变量组成的状态向量在t和t+t时刻的值，P是由m Xm个单元组成的转移概率矩阵马尔科夫模型不考虑空间格局本身对转移概率的影响，反映的是总体景观类型面积比例的变化情况马尔珂夫马尔珂夫(Markovian)概率模型概率模型36Nt和Nt+t是由m个状态变量组成的状态向量在t和t+37案例：沈阳市西陵区土地利用格局变化案例：沈阳市西陵区土地利用格局变化37案例：沈阳市西陵区土地利用格局变化38案例：沈阳市案例：沈阳市西陵区土地利用格局变化西陵区土地利用格局变化38案例：沈阳市西陵区土地利用格局变化39案例：沈阳市西陵区土地利用格局变化案例：沈阳市西陵区土地利用格局变化39案例：沈阳市西陵区土地利用格局变化40细胞自动机模型细胞自动机模型 CA modelCA model 指一类由许多相同单元(细胞栅格)组成，根据一些简单的邻域规则即能在系统水平产生复杂的结构和行为的离散型动态模型40细胞自动机模型 CA model 指一类由许多41细胞自动机模型细胞自动机模型 CA modelCA modell细胞自动机模型的特征：栅格中所有细胞可具有的状态总数是有限的、已知的每一栅格细胞的状态由相邻细胞局部作用决定，也可是随机的局部性转化规则在任何位置都是一致的细胞状态的转化过程在时间上是离散的，不连续的41细胞自动机模型 CA model细胞自动机模型的特征42细胞自动机模型细胞自动机模型 CA modelCA model一一维细胞自动机模型的表达式为：维细胞自动机模型的表达式为：42细胞自动机模型 CA model一维细胞自动机模型的43细胞自动机模型细胞自动机模型 CA modelCA model二维细胞自动机模型的表达式为：二维细胞自动机模型的表达式为：优点优点:把局部小尺度的观测数据通过邻域转化规则把局部小尺度的观测数据通过邻域转化规则来模拟大尺度上系统的动态特征来模拟大尺度上系统的动态特征43细胞自动机模型 CA model二维细胞自动机模型的44细胞自动机模型的细胞自动机模型的应用应用19881988198819882000200020002000南昌市建设用地扩张情况示意图南昌市建设用地扩张情况示意图 南昌市城市格局特征对建设用地扩张速率的影响南昌市城市格局特征对建设用地扩张速率的影响44细胞自动机模型的应用19882000南昌市建设用地扩张情