景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展

1、生態(tài)環(huán)境200817(6):25112519EcologyEnvironmentEmail:edit@基金項(xiàng)目：中國科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃(KZCX2XB205)作者簡介：葛方龍(1980年生)男博士主要從事景觀生態(tài)學(xué)研究?Email:gfangl@收稿日期：20080822景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展葛方龍12，李偉峰1，陳求穩(wěn)11.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京10008；2.中國科學(xué)院研究生院，北京100039摘要：區(qū)域景觀格局

2、演變及生態(tài)效應(yīng)研究一直是景觀生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)，對人類、自然的可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。文章從景觀格局－過程－生態(tài)效應(yīng)的相互驅(qū)動(dòng)機(jī)制及當(dāng)前的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，綜述了國內(nèi)外景觀格局及其生態(tài)效應(yīng)研究相關(guān)進(jìn)展，集中分析了當(dāng)前研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。景觀分類是景觀格局研究的基礎(chǔ)，空間統(tǒng)計(jì)分析、轉(zhuǎn)移矩陣分析和景觀指數(shù)分析是研究景觀格局演變的主要手段，新興的元胞自動(dòng)機(jī)理論和方法在景觀格局演變研究中有很大的發(fā)展空間。景觀格局演變驅(qū)動(dòng)力研究需對自然驅(qū)

3、動(dòng)力、社會(huì)驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行綜合考慮。不同時(shí)空尺度下，景觀格局與生態(tài)過程的內(nèi)在機(jī)制也不一樣。在此基礎(chǔ)上，提出了今后研究的一些方向，重點(diǎn)是：（1）景觀格局演變的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究；（2）多尺度下景觀格局和生態(tài)過程（如土壤侵蝕、養(yǎng)分流失等）的耦合研究；（3）“3S”技術(shù)、野外調(diào)查監(jiān)測與格局－過程演變模擬模型結(jié)合的應(yīng)用推廣潛力。關(guān)鍵詞：景觀格局；生態(tài)效應(yīng)；土壤侵蝕；土壤養(yǎng)分中圖分類號(hào)：X171.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16722175（2008）06

4、251109景觀生態(tài)學(xué)是一門新的多學(xué)科之間的交叉學(xué)科，在過去二三十年間得到了飛速的發(fā)展[1]?？臻g格局、生態(tài)過程與尺度之間的相互作用是景觀生態(tài)學(xué)研究的核心問題之一[1]，而景觀格局的演變及其帶來的生態(tài)效應(yīng)是生態(tài)學(xué)家十分關(guān)注的問題。土地是人類賴以生存與發(fā)展的重要資源和物質(zhì)保障，在“人口—資源—環(huán)境—發(fā)展(PRED)”復(fù)合系統(tǒng)中，土地資源處于基礎(chǔ)地位，土地利用反映了人類與自然界相互影響與交互作用最直接和最密切的關(guān)系。1993年國際地圈生物圈

5、計(jì)劃（IGBP）和國際全球變化人文因素計(jì)劃（IHDP）共同發(fā)起對“土地利用與全球土地覆被變化”的研究，并提出了土地利用的變化機(jī)制、土地覆被的變化機(jī)制以及區(qū)域和全球模型三個(gè)研究重點(diǎn)[2]。在IGBP和IHDP的推動(dòng)下，土地利用覆被研究成為全球變化研究的熱點(diǎn)，許多國際組織和國家都啟動(dòng)了各自的土地利用覆被變化研究項(xiàng)目。人們逐漸認(rèn)識(shí)到，人類在利用土地發(fā)展經(jīng)濟(jì)和創(chuàng)造物質(zhì)財(cái)富的同時(shí)，也對自然資源結(jié)構(gòu)和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大的影響[3]。這種影響包含兩個(gè)方

6、面的內(nèi)容，一種是有利的影響，合理的開發(fā)利用土地，能夠改善生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高植被覆蓋率，有利于水土保持的良性運(yùn)作和生態(tài)系服務(wù)功能價(jià)值的提升；另一方面，不合理的干擾如毀林開荒、過度放牧等導(dǎo)致景觀破碎化，從而造成嚴(yán)重的水土流失，降低土地生產(chǎn)力[45]，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值的逐步喪失?，F(xiàn)代景觀格局的形成通常不再是單一的自然干擾所致，而往往是自然過程與社會(huì)因素共同作用的結(jié)果。由于自然因素與人文社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，土地利用結(jié)構(gòu)及土地資源的質(zhì)量不斷發(fā)

7、生變化，從而影響區(qū)域生態(tài)環(huán)境和全球環(huán)境的變化。分析研究區(qū)域土地利用變化過程、規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因素，了解景觀格局的形成原因與作用機(jī)制，明確景觀格局演變對生態(tài)系統(tǒng)的影響，能夠讓人類審視與重新規(guī)劃其對自然的行為，為合理的開發(fā)自然環(huán)境，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)自然經(jīng)濟(jì)社會(huì)的良性發(fā)展和調(diào)控人類行為提供科學(xué)的決策依據(jù)[67]。1景觀格局研究進(jìn)展1.1景觀分類景觀組分和要素在景觀中是不均勻分布的，從而構(gòu)成不同的景觀生態(tài)類型[8]，具有異質(zhì)性；同時(shí)，景觀在自然界中

8、不同尺度上有著不同的意義和內(nèi)容，具有等級性。正是由于景觀生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性和等級性，使建立景觀生態(tài)分類系統(tǒng)具有可能性和必要性。景觀分類是景觀格局及其動(dòng)態(tài)過程研究的基礎(chǔ)，景觀異質(zhì)性則是景觀分類的基礎(chǔ)。在一定的空間尺度上，每一個(gè)景觀類型是相對均質(zhì)的，其內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)具有相對一致性。在景觀分類過程中通常將具有顯著異質(zhì)性的部分確定為不同的景觀或景觀要素類型，而將相對均質(zhì)的部分確定為相同的景觀或景觀要素。如在區(qū)域尺度上，黃土丘陵區(qū)土地利用通?？梢詣?/p>

9、分為森林、灌叢、草地、農(nóng)用地、建設(shè)用地、未利用土地以及水域這幾種主要類型。土地利用分類對景觀格局有非常重要的影響，如對同一景觀采取不同分類方案能夠產(chǎn)生不同景觀格局，但其影響機(jī)制目前尚不清楚[9]，這也是實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)注意的問題。葛方龍等：景觀格局演變及其生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展2513勢。首先，元胞自動(dòng)機(jī)是一個(gè)基于微觀個(gè)體相互作用的時(shí)空動(dòng)態(tài)模型，只要確定研究對象的空間以及初始狀態(tài)和轉(zhuǎn)換規(guī)則，它可以自行迭代運(yùn)算，模擬景觀格局的演化進(jìn)程；其次，元胞

10、自動(dòng)機(jī)對時(shí)空信息的離散化處理很適合建立起計(jì)算機(jī)模型；再次，元胞自動(dòng)機(jī)本身不受元胞空間尺度和時(shí)間尺度的影響；最后，元胞自動(dòng)機(jī)的元胞結(jié)構(gòu)和GIS中的柵格一樣，所以它很方便與GIS、RS等系統(tǒng)集成。因此，元胞自動(dòng)機(jī)的方法、理論很適合對時(shí)空尺度依賴性很強(qiáng)的景觀格局變化研究。目前，元胞自動(dòng)機(jī)在城市增長、擴(kuò)散模擬中取得了很多研究成果，但是對于非城市的土地利用演變模擬較少，這主要是由于轉(zhuǎn)換規(guī)則難以確定所造成，因此，雖然元胞自動(dòng)機(jī)在模擬土地利用變化上具

11、有獨(dú)特的優(yōu)勢，但是也面臨諸多困難，需要進(jìn)一步的深入研究。隨著對格局演變機(jī)制的動(dòng)態(tài)研究和GIS、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，元胞自動(dòng)機(jī)在景觀格局演變方面的研究具有很大的發(fā)展空間。1.3尺度問題尺度是景觀生態(tài)學(xué)研究中的一個(gè)基本概念，通常人們認(rèn)為尺度代表研究對象在空間或時(shí)間上的量度[1]。從本質(zhì)上來說，尺度是自然界所固有的特征，然而，基于不同的研究目的和興趣，生態(tài)學(xué)家對尺度的理解卻不盡相同，如尺度還可以是用于信息收集和處理的時(shí)間或空間單位，或者是由時(shí)間

12、或空間范圍決定的一種格局變化等[2122]。粒度與幅度是尺度的具體表達(dá)。以空間尺度為例，粒度是所取研究區(qū)域中的最小可辨識(shí)單元所代表的特征長度、面積或者體積（如樣方或者像元），幅度則是整個(gè)研究區(qū)域的范圍。景觀格局與過程的關(guān)系只有在一定尺度下才有意義，不同尺度下的研究結(jié)果往往大相徑庭，即存在所謂的尺度效應(yīng)[23]。不同空間尺度下的土地利用覆被變化特征往往不同，而在相同空間尺度下，不同時(shí)間尺度的土地利用覆被變化特征也會(huì)有所不同，非常短或非常長

13、的時(shí)間段都有可能掩蓋土地利用覆被變化的真實(shí)情況。尺度對于土壤侵蝕模型的預(yù)測有很大的影響，Rudi等[24]在黃土高原小流域的研究表明，隨著時(shí)間步長和空間柵格尺度的增加，預(yù)測的水土流失量呈現(xiàn)減少趨勢。運(yùn)用土壤侵蝕模型預(yù)測土壤侵蝕量，選擇合適的時(shí)空尺度的顯得非常重要，對于黃土高原大南溝小流域而言，柵格尺度不宜大于20m，而時(shí)間步長不應(yīng)大于30s，否則可能造成誤差較大的后果[24]。傅伯杰等在黃土丘陵區(qū)的研究[25]也表明，在不同尺度下，土地

14、利用與土壤養(yǎng)分、水分以及水土流失的影響機(jī)制并不相同，目前，對中小尺度區(qū)域的研究成果并不能滿足大規(guī)模綜合治理與開發(fā)的需求。因此，尺度問題與尺度分析方法也越來越受到學(xué)者的重視。尺度轉(zhuǎn)換（Scaling）是景觀生態(tài)學(xué)研究面臨的主要問題之一。尺度轉(zhuǎn)換一般來說包括尺度上推和尺度下推，由于不同尺度域下生態(tài)過程也通常不一致，怎樣提高不同尺度域下尺度轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性仍是當(dāng)前需要解決的問題[26]。目前，嘗試解決有關(guān)尺度問題的方法和理論很多，如分形理論[27

15、]、小波分析[28]、譜分析[2930]、回歸分析等，也取得了一些有意義的結(jié)果。近年來，陳利頂[26]基于“源—匯”理論，針對某一具體生態(tài)過程，提出了一種跨空間尺度的景觀空間負(fù)荷對比指數(shù)，將景觀空間格局與生態(tài)過程緊密結(jié)合起來，取得了較好的結(jié)果。但這些方面的研究尚待深入，盡管研究的難度很大，多尺度的綜合研究必將成為土地利用覆被變化遙感監(jiān)測研究的重要發(fā)展方向之一[8]。1.4景觀演變驅(qū)動(dòng)力景觀格局演變驅(qū)動(dòng)力的研究也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[14]。

16、影響景觀格局的變化是多種因素綜合作用的結(jié)果，通?？煞譃樽匀或?qū)動(dòng)力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力兩大類型，而且在不同時(shí)空尺度上，兩種驅(qū)動(dòng)力也發(fā)揮了不同的作用。坡度、坡向、高程以及氣候、水文和土壤等要素是影響景觀格局變化的主要自然驅(qū)動(dòng)因子。在較短的時(shí)間尺度內(nèi)，氣候條件的變化占主導(dǎo)地位，對土地利用與植被覆被具有制約作用，能夠影響植物的種類及其分布。除了氣候因素之外，地形地貌也是影響景觀分異的重要因素[31]。有研究表明[3233]黃土丘陵區(qū)斑塊形狀受地貌形

17、態(tài)因素影響顯著，集中體現(xiàn)在林地和荒坡地上。與自然驅(qū)動(dòng)力相比，人為驅(qū)動(dòng)因子越來越受研究者關(guān)注。人文驅(qū)動(dòng)因子主要包括人口變化、技術(shù)進(jìn)步、政治經(jīng)濟(jì)體制變革、文化價(jià)值觀念改變等。自人類社會(huì)誕生以來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對景觀結(jié)構(gòu)、功能起著非常重要的影響。人口增長、經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及政策方面的因素與土地利用格局變化關(guān)系密切，甚至可以是導(dǎo)致區(qū)域土地利用類型轉(zhuǎn)換的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因子。逐步回歸方法是當(dāng)前景觀格局演變驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究的主要方法[1419]。逐步回歸分析是從一元回