【环境课件】 景观的动态变化

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,景观生态学,主讲：王紫生,山东建筑大学管理学院,教学用书及参考书：,1.傅伯杰等.景观生态学原理及应用.科学出版社，,2.?土地生态学?吴次芳 主编 中国大地出版社,3.?土地生态利用理论研究与案例分析? 梁留科 主编 科学出版社,4. ?景观生态学? 余新晓主编 高等教育出版社,景观生态学内容结构图,第五章景观动态变化,复习提问,景观稳定性,景观变化的驱动因子,景观变化的生态环境影响,思考题,复习提问,简述,:1、,怎样认识景观连接度与生物多样性、景观设计和规划的关系,。,2、,景观结构,与水分和养分运动的,关系,，考虑这种关系用,动态模型,进行定量的分析。,重点和难点,本文内容,重点和难点：引起景观变化，包括土地利用和土地覆被变化的社会驱动因子；景观变化对大气、土壤、水等各种生态过程的影响以及不合理的景观变化所带来的生态环境问题；模拟景观变化的方法、步骤及模型。,一、景观稳定性,辩证法的思想,:,运动是绝对的,静止是相对的。相对应：景观是时时刻刻在变化的，稳定性是相对于一定时间和空间上的稳定性。,(一)景观稳定性的概念,稳定性概念,解释,恒定性,(constancy),生态系统的物种数量、群落的生活型或环境的物理特征等参数不发生变化。这是一种绝对稳定的概念，几乎不存在。,持久性,(persistence),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。这是相对稳定的概念，且随研究对象不同而不同。,惯性,(inertia),生态系统在风、火、病虫害以及食草动物数量剧增等扰动因子出现时保持恒定或持久的能力。,弹性,(resilience),生态系统缓冲干扰并保持在一定阈界之内的能力。,恢复性,(elasticity),与弹性同义,抗性,(resistance),描述系统在外界干扰后产生变化的大小，即衡量其对干扰的敏感性。,变异性,(variability),描述系统在给予搅动后种群密度随时间变化的大小。,变幅,(amplitude),生态系统可被改变并能迅速恢复原来状态的程度。,景观变化与景观稳定性,Forman和Godron(1990)在本书中将景观随时间的变化总结为12条曲线(图5-1)。如果不考虑时间尺度，景观随时间变化的趋势可以由3个独立参数来描述：变化的总趋势(上升、下降和水平趋势)；围绕总趋势的相对波动幅度(大范围和小范围)；波动的韵律(规那么和不规那么)。,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)但有规那么波动的变化曲线是稳定的(图5-1中所示的LT-SRO和LT-LRO曲线)。,景观变化与景观稳定性：,景观变化与景观稳定性：,图5-1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。,干扰与景观稳定性：,景观稳定性是系统的恢复和抗性两特征的产物，一般来说，景观的抗性越强，那么景观就越稳定；景观的恢复性越强，景观也越稳定。,景观稳定性也可看作是干扰的产物。景观之所以稳定，是因为建立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。,(二)景观要素的稳定性,景观是由不同的景观要素组成的，景现整体的稳定件是由组成其各要素的稳定性所决定的，景观各要素的稳定件千差万别，为此在对景观稳定件做总体评价时，应考虑到各要素在景观稳定性中的作用及其相互联系。景观是由,气候、地貌、岩石和土壤、植被、水文,5,大要素,构成的，景观的动态也是其中各要素的变化，但各要素的变化显然是,不一致,的,(P114),。,(三)景观稳定性的尺度问题,回忆尺度的概念(P22),景观稳定性的时间尺度：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：景观稳定性的空间尺度主要是指景观的异质稳定性,(metastability),。,尺度及其相关概念,尺度Scale：在研究某一对象或现象时所采用的空间或时间单位，或指某一现象或过程在空间和时间上所涉及的范围和发生的频率，包括空间尺度和时间尺度。常用粒度Grain和幅度Extent来表达。,从生态学的角度来说,尺度是指所研究的生态系统的面积大小(即空间尺度),或者指所研究的生态系统动态的时间间隔(即时间尺度)。,四景观稳定性的定量探讨,熵理论,作为自然现象不可逆与无序的量度。可以很好地解释景观的稳定性。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。,草地景观灌木草地景观最后转化为乔,灌,草组合的景观类型：,物种,斑块,(,由大变小,最后转化成混杂均匀分布,),有序无序,.,人工建筑景观、农业景观、白然景观,:,有序无序,熵值从低到高,.,保持城市和农田的结构，不得不向城市和农田输入大量负墒。,物理系统中不同时刻分子的相应空间分布,(,作为气体的热力学概率,),可由宏观状态和微观的比率来表达。公式如下：,四景观稳定性的定量探讨,物种均匀分布时，没有结构的形成，系统的,熵值,最高；物种各自聚集，形成斑块结构，景观,熵值,最低，应取负值计算景观,熵值,：其式如下：,四景观稳定性的定量探讨,我们假设景观包含有,16,种物种，将景观分成不同的斑块,(,图,52),，抽象化为几种特殊的类型。用上述公式来计算景观的,熵值,。,图,(a),代表,16,种植物均匀地混杂分布，仅有一个斑块，没有形成任何结构，景观,熵值,为：,该结构景观,熵值,最高，稳定性最好,.,图,(b),代表,16,种物种分别聚集于两个斑块，每块,8,种。形成了简单的结构，景观的,熵值,为：,图,(c):,图,(d):,P117(,结论,),二、景观变化的驱动因子,一自然驱动因子,地貌形成,气候变化,生命定居,土壤发育,自然干扰(回忆教材P74),二人为驱动因子,人口因素,技术因素,政经体制及决策因素,文化因素,对土地利用的直接影响,对土地利用的间接影响,40亿年前地球上没有生命图，景观仅仅是火山爆发震动形成的大量岩块和隆起的山脉。这时景观的差异仅在于地形的变化。有3个主要过程可产生地表自然地貌特征：一是地壳构造运动，即地壳在地球内营力作用下，本身的物质和能量不断发生循环和转化，造成其外表形态不断发牛变化。大的构造地貌单元有大陆块、大洋盆及大的山脉、平原、高原和盆地等，小的构造地貌单元可形成单面山、向斜谷、断层崖、火山等。第二个主要过程是风和流水作用。由风对地表作用而形成的地貌叫做风成地貌，由流水作用形成的地貌为流水地貌。风和流水是塑造地貌最重要的外动力，它们除了对地表具有侵蚀的能力。还有搬运和沉积物质的能力在风和流水的不断作用下，常常使陡峭的山脉变得平缓，形成更加圆滑的地形和平坦的地势。第三个过程是重力和冰川作用。前者是指坡面上的岩层、岩体、岩屑或土体在重力的作用下，并有一定水分的参与，发生不同形式的位移而产生的独持地貌，它常常改变局部景观特征。冰川运动是改造地球外表形态的巨大动力，由于冰川的侵蚀和搬运，可以形成冰蚀地貌、冰渍地貌和冰积地貌等。,国际贸易体系,(,例子,、,定义,、,意义,),国际财政体系,官方发展机构,市场扩展,人口变化,财产,技术革新,国家,市场,非官方组织,个人当地区域国家,景观（土地）,调整,破碎化,改变,国际体制,干预途径,影响因子,管理实体,变化结果,同景观变化相联系的政经体制,三、景观变化的生态环境影响,(一)景观变化对区域气候的影响,影响土地外表性质,改变地表的反射率,影响温室气体和痕量气体的排放,(二)景观变化对土壤的影响,影响土壤中的有关生态过程P128,影响土壤养分的流动P128-129,(三)景观变化对水环境的影响,对水量的影响,对水质的影响,大气痕量气体,英文名称：,atmospheric trace gases,说明,:,大气中浓度低于,10-6,的粒种。指总数为,106,个分子中只有一个待研究分子，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。,(四)景观变化带来的生态环境问题,大气质量下降世界酸雨区,土壤侵蚀和土地沙化,湿地减少,水资源短缺,非点源污染P132,温室气体,CO,2,CH,4,N,2,O,CFC(,氟氯化碳,),工业化前的浓度（,l/L,）,280,0.8,0.288,1990,年的浓度（,l/L,）,353,1.72,0.31,0.0002-0.0003,年均增加（,%,）,0.5,0.9,0.25,4,滞留时间（,a,）,100,10,150,65-130,吸收辐射能力（相对于,CO,2,）,1,32,150,10000,对全球温暖化的贡献率（,%,）,60,15-30,5,12,主要温室气体的变化特点,酸雨,腐蚀后的森林,环境污染之一酸雨图片,淮河上游被化工厂排出物污染；,早春时节的酸雨酸雪污染了河川，造,成一场致命的“酸流，令溪鳟纷纷,死于鳃部伤害；,工业污染导致水养鱼类的大量死亡,卫星拍到的我国的地图,震惊,!,卫星拍到的我国的地图,震惊,!,这是两张让我感到震惊和沉痛的图片，是太空卫星拍摄的并加以分析的图片，图片给我的印象就是：沙漠化的中国！从图片上我们可以清晰看到我国大局部土地没有被绿色植被所覆盖，而是以赤裸裸的黄色直接面向宇宙，多年的干旱和毫无节制的滥砍滥伐使我们的绿色极度匮乏！,(五)运用模型研究景观变化带来的生态环境问题,现阶段对景观带来的环境问题大多是定性的描述，很难有统一的模型对这种问题的景观影响因素进行定量的分析和比较，所以模型的研究将是我们进一步研究的方向。比方检验各种土地管理方式及其与气候变化的关系P128、模拟水流和水体中的非点源污染物的变化模型P132。,四 景观变化的动态模拟,(一)景观变化动态,(二)景观变化模拟的步骤,(三)景观变化动态模型,(四)几个景观动态模拟的实例研究,(五)景观动态模拟的开展趋势,(一)景观变化动态,景观变化动态是指景观变化的过去、现状和未来趋势。它需要答复景观是怎样变化的，为什么这样变化以及变化的结果。,根据关注景观文化的侧重点不同，景观变化动态可分为两种：,景观空间变化动态；,景观过程变化动态。,。,(一)景观变化动态,景观空间变化动态是指景观中：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：系统的输人流； 流的传输率和系统的吸收率；系统的输出流；能量的分配等图5-4下一页。,(一)景观变化动态,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：,1景观的初始状态,2景观变化的方向,3,景观的变化率,4景观变化的可预测性,5景观变化的可能性及程度,笔者根据式3-8和式3-10得以下流水流经邻近各个栅格流速 和所需的流经时间 的数学公式：,(3-13),(3-14),式3-13、式3-14中，n为糙率系数， 为栅格数据的分辨率，a是根据式3-8增加的一个经验指数熊立华，郭生练，2004，在本文中a是由水量分配比例决定的水流速度量纲的参数，k为一常量，是通过与本文中的测量数据比照得出的比例系数，其他参数同式3-10的参数意义相同。,(,二,),景观变化模拟的步骤,1,数据的来源,(1),航空像片,IKONOS,影像,(,二,),景观变化模拟的步骤,1,数据的来源,(2),数字遥感,卫星遥感图像,(二)景观变化模拟的步骤,1数据的来源,(3)公开出版的数据和统计资料,2景观分类系统的建立,Land-Use and Land-Cover Change )(LUCC),3空间数据根底,4. 数据分析,(,三,),景观变化动态模型,景观整体变化模型；,变化的集合程度： 景观分布变化模型；,景观空间变化模型,采用的数学方法：微分和差分两种方法,详见,P136(表52),(,三,),景观变化动态模型,1整体景观变化模型,整体景观变化模型的焦点是将景观作为一个整体，研究某一个值(如景观要素值)的变化情况。用微分方程表示为：dxdt=f(x),其中，x是景观整体的变化量，f(x)是变量x的函数，t是时间。,整体景观变化模型本身并没有多大的实际作用，它只是作为景观空间变化模型的子模型；但是运用景观整体变化模型可以模拟景观某些属性(如,连接性,、多样性)的变化情况。,A,B,r,L/L,max,L/,3(V,2),式中，,L,为连接廊道数，,V,为节点数，,L,max,为最大可能的连接廊道数，,r,的变化范围为,01,r,A,12/3(V,2),12/3(13-2),r,B,18/3(V-2),18/3(13-2) ,连通性,：在一个系统中所有交点被廊道连接起来的程度，有,r,指数表示，即一个网络中连接廊道数与最大可能连接廊道数之比。,(三)景观变化动态模型,2景观分布变化模型,(1)微分方程模型,(2)差分方程模型,马尔科夫链模型。,半马尔科夫链模型。,预测模型P137。,3景观空间模型,(1)斑块模型,(2)要素模型,(,四,),几个景观动态模拟的实例研究,1.,一个模拟森林演替的微分方程模型,(,四,),几个景观动态模拟的实例研究,2,美国佐治亚洲景观变化研究,3,基于景观过程的,CELSS,模型,4,计算机模拟的森林动态模型,总结：从以上情况分析，不管什么样的模型都离不开对景观参数或者因子的量化，可能你会觉得影响因素太过于复杂，用数学模型表达几乎不可能，我这里有一个关于数学模型 能,预测种族冲突,的报道，也许对你有所启发。,(五)景观动态模拟的开展趋势,1从景观空间变化到景观过程变化,2从单纯景观现状模拟到通过驱动因子模拟景观变化,3从单一尺度到多尺度的景观变化,4从宏观变化到个体反响机制的模拟,思考题,1、表达景观变化带来的生态环境问题，你认为我们应采取什么样的措施保护我们的生态环境？我们能在哪些方面发挥我们专业的优势？见邮箱,2、结合本章内容，任选一研究对象进行景观动态模拟的研究，你想怎么样设计这一动态模型包括你想实现什么样的效果和解决什么样的问题？ 见邮箱,通过对本课程的学习，但愿对您们以后的学习和研究有所帮助和启发。谢谢大家！,