ppt-景观格局与生态水文过程耦合方法

景观格局与过程
景观格局是指不同生态系统和景观单元的空 间关系。如：大小、形状、数量、类型及空 间组合； 过程：自然过程（元素和水分的分布与迁 移、物种的分布与迁徙、径流与侵蚀、能量 的交换与转化…...）；社会文化过程（交 通、人口、文化的传播…...） 格局影响过程，过程改变格局。
中国科学院生态环境研究中心
研究重点
1）格局--过程--尺度相互作用 2）自然--经济--社会相互联系 3）地貌--水文--生态过程相互耦合 4）生态过程与资源环境效应相结合 5）区域综合
中国科学院生态环境研究中心
Research Center for Eco-Environmental Sciences
景观格局研究
空间统计分析 景观格局指数分析 格局动态模型 不足
基本科学问题
格局与过程
结构 功能 动态 驱动力 过程 机制 要素相互作用 格局与过程相互作用
综合与集成
要素集成---自然、经济、社会 过程集成---物理、化学、生物 区域集成---尺度转换与效应
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景观格局指数生态学意义缺乏深入探讨，缺乏与 生态过程的紧密联系 景观格局模型仅通过确定景观转移概率或邻域规 则，模拟预测景观格局动态，常常忽略生态过程
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生态过程研究
实地观测 模型模拟 不足
降雨事件前后取样分析 0~200cm各土层土壤含水量
坡5 坡4
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小流域土壤水分监测
刺槐：55 柏树：1 杨树：4 林灌：23 草灌：6 灌丛：8 草地：11 坡耕地:1 梯田：7 果园：21 裸地：1 坝地：15
土地利用结构与土壤水分和养分
b:林地-草地-耕地有机质(% Nhomakorabea Organic matter (%)
18 17 17 16 16 15 a b c
土壤含水量 Soil m oist ure (%)
1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 a b c
0.066 全 氮 (%) Total N(%) 0.062 0.058 0.054 0.05 a
小尺度观测的可控性与代表性 过程模型参数化的尺度较小，景观 格局和空间异质性的量化集成尚显 薄弱
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景观格局与生态过程耦合
耦合途径：直接观测、系统分析与模拟
基于直接观测的耦合通常在较小的空间尺度上开展，观 测成果可以作为较大尺度系统分析与模拟的基础 模型或模型系统的建立是系统分析和模拟的关键内容。
0.058 全磷 Total P (%) 0.056 0.054 0.052
b c
类 型
a:林地-耕地-草地 b:林地-草地-耕地 c:草地-林地-耕地
a
b
c
林地－草地－耕地具有较好的土壤水分和养分保持能力。每年全氮少 流失17％，有效氮少流失12.5%；有机质少流失15%；全磷少流失 7.4%。
Fu et al. Catena, 2000
自然环境和人类活动特征均表现为空间异质性，研究 这些异质性环境下的区域生态过程和效应是地理学和 生态学研究的前沿。 景观生态学强调空间格局与过程的相互作用,发展格局 与过程耦合方法是其重点。 研究格局与过程的关系为综合自然地理学拓展了新的 方向,也是地表过程研究的突破点。
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一、基于土壤侵蚀过程的景观指数研究
景观格局与土壤侵蚀
景观生态学
景观格局
水文学
地貌学
土壤侵蚀过程
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基于土壤侵蚀过程的景观指数研究
景观格局与土壤侵蚀研究方法
景观格局分析
过程模拟
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格局对过程的影响
格局变化 情景
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过程对格局的影响
过程变化 情景
中国科学院生态环境研究中心
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坡面尺度土地利用与土壤固碳
1998-2006年，坡面I、II、III 土壤有机碳分别增加24.6%， 21.4%和8.6%； 坡耕地退耕向荒草地和灌木 林地的转变，荒草地类型随着 系统的顺行演替，都能显著提 高土壤有机碳固定能力。
尺度变异
中国科学院生态环境研究中心
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Liu, Fu. et al., 2011. Geomorphology, doi10.1016
不同生态系统组合的水土保持功能评价
坡面尺度土地利用结构与水土流失137Cs示踪
景观格局动态变化与空间异质性
小流域土地利用变化
1984
1996
2006
中国科学院生态环境研究中心
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2011 1998 2006
不同生态系统组合的水土保持功能
景观尺度不同植被格局的水土流失效应
植被格局
产流产沙
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雨季前（6月中下旬）、雨季（8月下旬）和雨季后（10月中下旬）采样分析 0-10cm, 10-20cm, 20-40cm, 40-60cm, 60-80cm, 80-100cm土层土壤含水量 Research Center for Eco-Environmental Sciences
中国科学院生态环境研究中心
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径流和侵蚀监测
单一覆被类型的微型小区 不同覆被类型和退耕年限的径流小区 不同覆被格局的径流小区
中国科学院生态环境研究中心
Research Center for Eco-Environmental Sciences
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1998
2006 Wang & Fu et al, Catena, 2011
小流域尺度土地利用与土壤固碳
0-5cm深度内，土地利用对SOC存在显著性影响； 小流域综合治理和生态恢复，土壤表层有机碳固定功能提高19%， 固碳速率为19.92 tC y-1 km-2。
土壤水分监测（点尺度）
典型植被类型土壤水分和温度的实时监测
（0~1m深度，10min采集1次数据）
刺槐林
绣线菊
铁杆蒿
须芒草
玉米
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土壤水分监测（坡面尺度）
坡1
不同土地利用结构坡面
坡1：成熟林—幼林—荒草 坡2：幼林—灌丛—荒草 坡3：荒草—成熟林 坡4：成熟林—灌丛—荒草 坡5：荒草—幼林 坡3 坡2
北京师范大学地表过程讲座
景观格局与
生态水文过程耦合方法
傅伯杰
中国科学院生态环境研究中心
2012年5月
报告提纲
引言 基于直接观测的格局-过程耦合 基于模型的格局-过程耦合
中国科学院生态环境研究中心
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景观格局与生态过程耦合是 地理学和生态学研究的前沿
2006
1984年，1996年，2006年流域平均土壤侵蚀强度分别为：6007.8 t•km-2•a-1 、 5553.7 t•km-2•a-1和4370.0 t•km-2•a-1 土壤侵蚀强度逐渐减小，由强度侵蚀变为中度侵蚀，土地利用是影响土壤侵蚀 的最主要因素。
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Research Center for Eco-Environmental Sciences
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时间尺度
景观 生态 研究
中国科学院生态环境研究中心
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空间尺度
景观 生态 研究
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报告提纲
引言 基于直接观测的格局-过程耦合 基于模型的格局-过程耦合
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报告提纲
引言 基于直接观测的格局-过程耦合 基于模型的格局-过程耦合
中国科学院生态环境研究中心
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Wang & Fu et al, Quaternary Research, 2010
陕北地区人工造林对土壤水分的影响
沿着大致南北向的生态梯度，通过野外调查和取样测试，研究了造 林地土壤水分随恢复年限的变化规律，以及区域造林对土壤水分的影响 。
中国科学院生态环境研究中心
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坡中部位林地和草地结构能够抑制土壤侵蚀，侵蚀量较小； 坡面土壤侵蚀量受土地利用类型分布和坡位共同影响；
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Fu, B.J. et al., 2009. Progress in Physical Geography, 33：793-804
2012年5月23日星期三
基于土壤侵蚀过程的景观指数研究
传统的景观指数
基于离散斑块镶嵌景观范式（Fragstat软件）景观指数 （如边界/斑块密度、形状、连接性、多样性等指数 ） 是对景观的空间或非空间特征的描述，大部分针对生物 过程建立，在应用于土壤侵蚀过程研究时，其存在很大 的局限性。 在景观水平上，景观指数难以明确指示景观格局及其变 化的土壤侵蚀效应。但在类型水平上，这些指数在指示 景观格局的土壤侵蚀效应上具备一定的潜力。
格局与过程观测与调查
小区观测 流域采样
对比观测
样带调查
延河流域
流域观测
梯度对比
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坡面和小流域尺度生态水文过程监测与分析
研究区域： 陕西省延安市羊圈沟小流域（延河流域二级子流域）
年平均降雨量： 535mm 主要降雨期： 6~9月 主要土地利用类型： 荒草地、灌木地、 林地和农田
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2012年5月23日星期三
基于土壤侵蚀过程的景观指数研究
景观指数方法
优点：数据要求低，方便快捷 需注意的问题： 景观指数与过程变量间的统计关系 景观指数变化的过程意义
中国科学院生态环境研究中心
Research Center for Eco-Environmental Sciences
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Wang & Fu et al, Quaternary Research, 2010
流域尺度土地利用与水土流失评价
（1）小流域尺度土地利用变化与水土流失的137Cs示踪
1984
1996