源汇理论及其应用

“源-汇”景观理论及其应用CollegeofResourcesandEnvironment内容提要一、景观格局分析与问题提出二、”源-汇”景观理论与特点三、”源-汇”景观理论的应用价值四、案例研究：景观空间负荷比指数景观生态学的概念以区域为对象，通过研究异质景观中的物质流、能量流、信息流与价值流，运用生态系统原理和方法揭示景观结构和功能演变及其相互作用机理，研究区域景观格局对生态过程的影响，探讨景观空间格局的优化、合理利用和保护途径。一、景观格局分析与问题提出园林的景观景观生态学的景观景观生态学的核心基质－斑块－廊道模式：用来描述景观空间格局的基本模式。这种模式的识别有利于揭示景观结构与功能之间的相互作用，比较它们在时间上的演变规律。景观异质性：包括时间异质性和空间异质性。一、景观格局分析与问题提出景观生态学的研究重点尺度效应：尺度效应是生态学和地理学中非常重要的一个内容,更是景观生态学关注的重点。景观格局与生态过程：景观的组分构成及其空间分布对生态过程（生态功能）的影响。一、景观格局分析与问题提出景观生态学的目的景观生态学的目的不是描述景观类型及其空间格局，而是要解释和理解其中包含的各种生态过程或生态现象。景观生态学使生态学家的视野超越了物种水平和理想的生态系统尺度，进而认识到景观是人类和各种野生物种相互作用的空间实体。一、景观格局分析与问题提出景观生态学的特色一系列景观格局指数的提出，极大地推动了景观生态学的研究景观格局指数作为刻画格局方法,可以描述不同地区景观格局的特征，但是它的大小如何说明生态学过程？一、景观格局分析与问题提出景观格局：指大小和形状不同的景观类型在空间上的排列，包括景观类型组成和空间构型。景观组成：指不同景观类型在景观中所占的比重景观构型：指不同景观类型的形态特征和空间排列方式。景观异质性：指景观格局在空间和时间上的复杂性和变异性,即景观要素组成和构型在时空尺度上的变化景观格局一、景观格局分析与问题提出研究景观的结构组成特征及其空间配置关系，并借助一定手段（如文字、图表、景观格局指数等）对其进行描述。景观格局分析的目的是从看似无序的景观要素中,发现潜在的有意义的规律，确定产生和控制景观空间格局的主控因子和形成机制,并揭示不同格局所代表的生态功能。景观格局分析一、景观格局分析与问题提出泛景观格局分析：针对一定研究区域,利用传统的景观格局指数分析格局特征。这类景观格局分析在早期研究中占优势。特点：计算大量景观格局指数，但缺乏目标源景观格局分析：重视景观格局与过程的关系研究,强调景观格局分析的目的,是景观格局分析的更高层次。特点：目标明确，选择有针对性的景观格局指数景观格局分析类型一、景观格局分析与问题提出根据描述对象不同,可以分为斑块和景观水平两个层次。根据指数功能不同,可分为斑块面积指数：如平均斑块面积,斑块密度,最大斑块指数等边界形状指数：如边界密度,平均形状指数,平均斑块分维数等邻近度指数：如斑块平均邻近距离构型指数：如聚集度指数,蔓延度指数随着GIS和计算机技术发展，一些新的格局指数不断出现，如孔隙度指数、景观空间负荷比指数等一、景观格局分析与问题提出景观格局指数类型据1979－2008年发表的100余篇中文文献。主要集中在斑块面积、形状、多样性、空间构型和景观破碎化几个方面。但景观格局指数命名十分混乱，使用次数超过5次的指数多达28个，出现在中文文献中的景观格局指数名称多达100余个。一、景观格局分析与问题提出景观格局指数使用统计类型指标次数频率类型指标次数频率类型指标次数频率面积指数PA295.06多样性指数SHDI345.93破碎化指数ED234.01NP406.98SIDI50.87FN345.93PD406.98Hi376.46SL50.87MPS406.98SHEI172.97PLAND183.14LPI172.97Ev183.14合计8013.96合计16628.97合计11119.37形状指数AWMSI81.40空间构型指数PCI50.87MSI152.62DI325.58AWMPFD132.27CO61.05MPFD193.32CI101.75FDI295.06Is213.66LSI203.49CONTAG172.97PAFRAC61.05AI152.62合计11019.20合计10618.50注:PA－斑块面积;NP－斑块数;PD－斑块密度;MPS－平均斑块面积;LPI－最大斑块指数;AWMSI－面积加权平均斑块形状指数;MSI－平均斑块形状指数;AWMPFD－面积加权平均斑块分维数;MPFD－平均斑块分维数;FDI－分维数;LSI－景观形状指数;PAFRAC－面积/周长分维数;SHDI－Shannon多样性指数;SIDI－Simpson多样性指数;Hi－多样性指数;SHEI－Shannon均匀度指数;Ev－均匀度指数;PCI－斑块连通度;DI－优势度;CO－结合度;CI－复杂度;Is－分离度;CONTAG－蔓延度;AI－聚合度;ED－边界密度;FN－景观破碎度;SL－内部生境面积破碎化指数;PLAND－斑块所占景观面积的比例一、景观格局分析与问题提出问题1：景观格局指数之间重复性大，格局指数选择缺乏针对性景观生态学中存在各种各样的指数，尽管表述形式不同，但许多指数所表达的含义类同。Riiters等(1995)以85张土地利用图为基本数据，采用相关分析与因子分析法对55个景观指数进行了计算，最后筛选出平均周长面积比、蔓延度、相对斑块面积、分维数、斑块类型数5个格局指数作为反映景观格局特征的指数集。一、景观格局分析与问题提出问题2：景观格局指数之间重复性大Lausch(2002)和Herzog(2001)分别用相关分析和因子分析法、分类树法对德国Espenhain和LeipzigSouth两个地区景观水平的格局指数进行了筛选，由于两个地区数据来源、数据处理方法等差异，最终得到的景观格局指数集差异较大。Li和Wu指出，在格局指数与生态过程的联系以及格局指数的尺度敏感性问题未得到解决之前，用统计方法计算得到的指数，其生态学意义常常难以解释。一、景观格局分析与问题提出问题3：景观格局指数随机性较大，受到区域面积、制图精度、空间分辨率的影响尺度可分为测量尺度和本征尺度。测量尺度是用来测量格局和过程的,随人类感知能力发展而不断完善。本征尺度是自然现象固有而独立于人类之外的。只有当测量尺度与所研究现象的本征尺度相符时,景观格局才能被准确地刻画景观格局指数对尺度敏感性的原因在于取样尺度（测量尺度）与研究对象的本征尺度存在差异。一、景观格局分析与问题提出格局指数的特点随着研究区域的幅度变化而变化一、景观格局分析与问题提出流域景观格局分析，可以看出随着流域面积的增大，景观多样性指数在变大平均斑块面积一、景观格局分析与问题提出格局指数的特点与景观类型图的分辨率密切相关7种类型8种类型一、景观格局分析与问题提出景观格局指数的特点随着粒度的变化而发生变化一、景观格局分析与问题提出问题4：景观格局分析目的不明确，未能反映过程或功能信息目前景观格局指数已经发展到数量多、类型少、生态学意义模糊的程度,很多景观格局分析结果不知道为什么服务,难以进行生态学解释。如何建立一个格局指数,既具有一定生态学意义,且能反映景观格局的重要特征,是当前亟待考虑的问题。一、景观格局分析与问题提出景观格局分析的最终目的就是要研究不同尺度上格局与过程之间的相互作用。如何将景观格局与生态过程联系起来？景观格局指数的数理统计特性，决定了它只能反映景观格局的数量变化而不能反映其质量或过程变化。同一研究区域，可能同时存在多种生态过程，如水土流失、物种迁移等。一、景观格局分析与问题提出景观格局分析与生态过程景观格局与养分流失如，土地退化与非点源污染一、景观格局分析与问题提出景观格局分析与生态过程景观格局与濒危物种分布、迁徙和保护如，景观破碎化与异质种群动态一、景观格局分析与问题提出景观格局分析与生态过程景观格局与生物地球化学循环如，环境污染与地质大循环失衡一、景观格局分析与问题提出景观格局分析与水资源利用如，水源涵养、洪涝灾害防治一、景观格局分析与问题提出景观格局分析与城市管理如，城市热岛效应、大气循环与人居健康一、景观格局分析与问题提出景观格局分析与生态系统管理如：森林火灾控制、病虫害扩散防治一、景观格局分析与问题提出困境：目前在景观格局分析和指数计算方面开展了大量研究，但是如何来解释这些格局指数变化的生态学意义的工作很少；原因：我们未能真正理解格局与过程的关系。通常我们所说的格局是静态的,指不同景观要素某一瞬间的空间组合特征；但是过程往往是动态变化的,如何才能将静态的格局和动态的过程联系一起？静态格局和动态过程一、景观格局分析与问题提出静态格局和动态过程地貌格局土壤格局植被格局降水格局作物生长…等等生态过程计算的格局指数只是某一要素的瞬间状态影响过程的格局是多种要素的时空集成一、景观格局分析与问题提出源(Source)与汇(Sink)的概念Sourcesprovideorganisms,energyormaterialstothesurroundinglandscape.Areasthatfunctionassinksabsorborganisms,energy,ormaterialsfromthesurroundinglandscape.二、“源－汇”景观理论与特点源(Source)与汇(Sink)的概念二、“源－汇”景观理论与特点“源”“汇”是借用全球变化和大气污染中的概念大气污染物的来源,如工厂废气排放、居民生活废气排放、交通尾气排放等均被看作大气污染的源。相对于大气污染的源,“汇”是指可以吸收大气污染物的一些生态系统类型。源汇分析为解析大气污染物的来龙去脉提供了非常有用手段。研究景观格局与过程时,由于对生态过程理解的模糊,导致格局与过程的研究停滞不前。引入“源”“汇”景观的概念，将有助于理解格局与过程的关系。“源”“汇”景观的基本概念“源”,顾名思义是指一个过程的源头,“汇”是指一个过程消失的地方。“源”景观：一个促进生态过程发展的景观类型“汇”景观：一个抑制生态过程发展的景观类型“流”景观：未对生态过程起到任何作用,仅仅作为传输通道源景观（Source）：E(j,k)>I(i,j)；汇景观（Sink）:E(j,k)流域II除2008年TP外,其他指标均是流域I>流域II研究表明：格局指数越大的流域越容易发生养分流失五、案例研究：景观空间负荷比指数MATLAB景观空间负荷比指数(LWLI)区域景观空间负荷比指数(MLWLI)主要参数洛伦兹曲线MLWLI＝LWLI*Ri*Ki*Gi土壤可蚀性因子降雨侵蚀力因子地形地貌因子五、案例研究：区域景观空间负荷比指数LWLI基于长期水文观测数据,初步验证了景观空间负荷比指数的区域实用性基于水文观测数据,计算了这些流域1995年输沙模数流域名称LWLI(E)LWLI(D)LWLI(S)LWLIMLWLI曹坪3.033.233.282.992.99殿市2.472.642.872.271.42李家河2.742.973.102.631.94马湖峪2.643.013.052.602.13延安1.621.821.791.652.39子长1.812.151.942.002.90新市0.281.241.521.040.33临镇0.891.371.570.780.211995年不同流域景观空间负荷比指数与区域景观空间负荷比指数五、案例研究：区域景观空间负荷比指数结果表明：景观空间负荷比指数、修正的景观空间负荷比指数与流域输沙模数具有较好指数关系将景观空间负荷比指数与流域年输沙模数作回归统计分析五、案例研究：区域景观空间负荷比指数殿市小流域土地利用1980年源汇景观土地利用1995年源汇景观源-汇景观格局评价五、案例研究：区域景观空间负荷比指数李家河流域土地利用1980年源汇景观土地利用1995年源汇景观源-汇景观格局评价五、案例研究：区域景观空间负荷比指数临镇流域土地利用1980年源汇景观土地利用1995年源汇景观源-汇景观格局评价五、案例研究：区域景观空间负荷比指数马湖峪流域土地利用1980年源汇景观土地利用1995年源汇景观源-汇景观格局评价五、案例研究：区域景观空间负荷比指数子长流域土地利用1980年源汇景观土地利用1995年源汇景观源-汇景观格局评价五、案例研究：区域景观空间负荷比指数定量评价流域景观格局的水土保持功能景观格局变好的流域：临镇、子长；稍微变好的流域：马湖峪基本没有变化的流域：殿市和李家河流域景观空间负荷比指数的功能五、案例研究：区域景观空间负荷比指数该评价模型的特点：生态过程主导性：这种景观格局评价方法是针对某一具体生态过程,具有明显的方向性,对于不同的生态过程,评价模型的参数需要作相应的调整。跨尺度性：提出的(“源”“汇”)景观空间负荷比指数,不会受到尺度变化的影响,具有跨尺度的功能。五、案例研究：区域景观空间负荷比指数评价模型的特点：研究结果的相对性：对于环境背景相似的流域,景观空间负荷对比指数越大,该流域景观格局对流域出口贡献应该越大,相反,贡献越小（坡度景观空间负荷比指数的含义正好相反）。对于环境背景差异较大流域,计算出的景观空间负荷比指数不具有可比性。需要对模型进行修正。五、案例研究：区域景观空间负荷比指数应用领域：景观空间负荷比指数反映的是“源”“汇”景观在空间上分布的相对性,计算出的指数越大,意味着这种流域发生水土(养分)流失的危险性越大（坡度景观空间负荷比指数的含义正好相反）,因此,该方法在水土流失危险性评价中具有重要参考价值。五、案例研究：区域景观空间负荷比指数评价指数的局限性：由于景观空间负荷比指数没有考虑影响非点源污染形成的其他因子,如降雨、土壤等,因此该评价模型更适合于土壤和降雨条件比较相似的地区,对于降雨条件和土壤性质差异较大的地区,在利用该方法进行景观格局与生态过程研究时,应该作相应的技术处理。五、案例研究：区域景观空间负荷比指数谢谢！个人观点供参考，欢迎讨论