土地／景观动态过程及模拟

第五章土地／景观动态过程及模拟

【教学目的】

通过本章的学习，掌握土地/景观变化的空间模式，土地利用／覆盖变化的生态效应分析，了解土地／景观变化模型及其利用。

【重点难点】

教学重点是土地/景观变化的空间模式，土地利用／覆盖变化的生态效应分析

景观动态是景观遭受干扰时发生的现象，是一个复杂的多尺度过程，对绝大多数生物体具有极为重要的意义。景观动态分析是景观结构和功能随时间的变化过程，实质上包括了不同组分之间复杂的相互转化，是目前景观生态学研究中的一个新热点。景观动态研究涉及复杂的自然和人为影响因素，并因此产生更加复杂的景观格局和功能变化过程。对景观动态的研究可以了解景观变化的驱动因素和机理，建立土地／景观辩护模型，预测未来景观变化方向和趋势，并通过对变化方向和速度的调控实现景观的定向演变和可持续发展。

第一节土地／景观变化的空间模式

一、人类活动对土地／景观变化的影响

在人类历史时期，土地／景观变化已在不同的时间和空间发生。

刀耕火种时期，人类对土地利用与景观的影响较小。

农业文明时期，开始吧林地、草地转化为农田，引进农业技术、过程，自然的景观转化为农业景观，以及出现了一些田园化景观和可持续农业景观。

工业化与人口的扩张，导致大量的自然与人文景观退化，从而不可避免地出现了全球性的生态环境问题。

人为活动是影响景观变化的主要因素。而了解人类干扰对景观动态变化的影响，成为合理规划和利用土地的基础。

人类活动对土地／景观变化影响包括土地利用、大型工程建设、城市化规模扩展、诱发自然灾害等方面。

人类活动对土地／景观的影响是多时间尺度的。

大时间尺度上表现为不同历史时期对土地覆被的改造。

工业革命后的百余年，人类活动在较短的时间尺度上对生态环境造成巨大的影响。二、景观变化的空间过程

１.景观破碎化

人类活动造成景观变化结果就是景观破碎化，而景观破碎化导致生物的生境破碎化，是生物多样性丧失的主要原因之一。

景观破碎化是指由于自然或人为干扰所致的景观有简单趋于复杂的过程，即由单一、均质和连续的整体趋于复杂、异质和不连续的斑块镶嵌体的过程。

景观破碎化主要表现为：斑块数量增加而面积减少，斑块形状趋于不规则，内部生境面积缩小，廊道被截断以及斑块彼此隔离。景观破碎化会对物种带来一系列影响，如引起外来物种的入侵、改变生态系统结构、影响物质循环、影响种群的大小和灭绝速率、种群遗传和变异、种群存活力等；改变生态系统中的一些列重要关系，捕食关系等，还会影响景观的稳定性，即景观的干扰阻抗和恢复能力。

２.景观变化的空间过程

在自然景观和人类无计划活动作用下所产生的景观变化包括五种空间过程：穿孔、分割、破碎、缩小和消失（表7-1）。

穿孔是景观开始变化的最普遍方式，如一大片林地由于伐木而产生的空地，成为穿孔。

分割是另一种景观转化的方式，他是用宽度相等的带来划分一个区域，如我国是三倍地区的防护林网络。

破碎化是将一个生境或土地类型分成小块生境或小块地。

缩小在景观转化中较普遍，他意味着研究对象（如斑块）规模的减小，如林地的一部分被用于耕种或建房屋，那么残余的林地就会减小。

不同的空间过程对生物多样性、侵蚀和水化学等生态特征具有重要影响。穿孔、分割和破碎化等过程可以整个区域，也可以影响区域中的一个斑块。而缩小与消失主要是影响单个斑块或廊道。

在土地转化过程中，这五种过程的重要性不同，开始时，是穿孔和分割过程重要，而破碎化和缩小在景观变化的中间过程更显重要。

三、景观变化的空间模式

不同原因所产生的景观空间格局变化是不同的。Ｆｏｒｍａｎ提出景观变化的６种空间模式，即边缘式、廊道式、但核心式、多核心式、散布式、随机式（图7-２）。

边缘式是指新的景观类型从一个边缘向另一个单向地呈平行带状蔓延，景观变化从一个边缘开始。

廊道式是指新的廊道在开始时把原来的景观一分为二，从廊道的两边向外扩张。

单核心式是指从景观的一点或一个核心处蔓延。

多核心式是指从景观中的几个点蔓延，如居民点或外来物种的入侵。

散布式是指新的斑块广泛散布。

四、土地利用／覆盖变化

１.土地利用／覆被变化研究框架

土地利用和土地覆盖变化是影响景观结构、功能及动态变化的最普遍的主导因素之一，涉及对人类活动影响的量化评价。土地利用与覆盖变化已成为景观生态学和全球生态学中极重要和具有挑战性的研究领域之一。

提出ＬＵＣＣ，ＬＵＣＣ的理论框架体系：

压力：驱动因子，包括人类的社会经济环境，对土地资源的需求、土地利用方式和土地利用变化机制等；

状态：土地利用和土地覆盖部分，包括土地利用和土地覆盖类型变化、土地条件的变化、土地综合质量的变化、土地覆盖变化的资源与生态环境效应以及土地覆盖的相互作用机制及效应。

响应：人类为维持土地生态系统稳定而采取的相应措施，包括被动响应和主动响应以及对人类的响应措施进行评估。

２.ＬＵＣＣ生态效应研究

主要主题包括：区域／全球粮食保障；全球气候变化对区域土地／水资源利用的影响；气候的可变化性及区域脆弱性；后京都协议中的碳问题；区域生物多样性的丧失；社会和环境中的脆弱区。

第二节土地／景观变化模型

用模型的方法研究景观生态系统已成为现代景观生态学研究的热点问题之一。遥感、计算机技术以及生态学理论的不断成熟和应用生态学的发展，使得计算机模拟真实生态系统的愿望成为现实。

景观动态模型与其他生态模型的主要区别是在模型中增加了地理现象的空间分异规律并涉及广大的空间尺度，表现的建模思想上：在空间动态分析模型的基础上把生态学的建模方法引进来；在生态学中引入空间坐标变量。

一、模型的含义

１.模型的定义：是某种对现实系统或现象的抽象或简化；

具体地说，模型是对真实系统或现象最重要的组成单元及其相互关系的表述。

２.模型的重要作用

预测

增强理解

诊断现有知识中的重要环节或薄弱环节

简化和综合的工具

转化“信息”为“知识”

支持管理和决策

二、模型的种类

根据计算机在建模中的作用

解析模型与模拟模型

根据时间上和空间上的连续性

连续型模型和离散型模型

根据数学方法

微分方程、差分方程和矩阵模型

根据是否含有随机变量或参数

随机型模型和确定型模型

根据模型所涉及的生态学过程和机制的多少

现象学模型和机制或过程模型

根据模型的内容

干扰传播模型、复合种群模型、植被动态模型、土地利用变化模型以及生物地球化学循环模型等

根据模型所涉及的生态学组织层次

生理生态模型、种群模型、群落模型、生态系统模型，景观模型以及全球模型等

根据模型包含空间异质性的程度或处理空间信息的方式

点模型或非空间模型，半空间模型或准空间模型，以及空间显式模型或空间模型