景观生态学的基本原理和方法-卢涛
景观生态学课件2景观生态学 理论与原理
2.1.1等级垂直结构
在巢式系统中，高层次的特征常常可由低 层次的特征来推测，而这一规律在非巢式 系统中则不常见。 从另一方面而言，只在高层次上才表现出 来的超特征现象在非巢式系统中更易观察 剑。
2.1.2 等级水平结构
每一层次由不同的亚系统或整体元(holons)组成。 整体元具有两面性或双向性，即对其低层次表
在景观生态学中，一般大尺度(或粗尺度， coarse scale)常指较大空间范围内的景观 特征，往往对应于小比例尺、低分辨率。
而小尺度(或细尺度，fine scale)则常指 较小空间范围内的景观特征，往往对应 于大比例尺、高分辨率。
4.2 尺度特征
组织尺度：在景观生态学研究中，用生态 学组织层次定义的研究范围和空间分辨率。 即在由生态学组织层次(如个体、种群、群 落、生态系统、景观)组成的生物等级系统 中的位置，及对应的空间尺度
可以是任意，据此，在封闭或开放系统中，总
熵变化可能小于零，即熵值呈下降趋势。热力
学第二定律认为，系统的熵总是增加的，在平
衡态时达到最大值，此时，熵变化为零，系统
具有最大无序性。显然热力学第二定律只适应
于孤立系统，不宜解释生态系统及有关现象。
功能：系统对外部环境表现出的性质、能力和功效 反馈：是系统输入和输出之间的相互作用，是系统
由于系统必须耗散系统内部不断增加的熵达到并维持这种新 的远离热力学平衡态，故称这种新的稳定结构为“耗散结构 ”(dissipative structure)。它的形成是一个由量变到质变 ，由无序到有序的过程，因而被看作一个自组织过程。
孤立系统(与外界环境既无能量有无物质交换) 封闭系统（与环境只有能量交换） 开 ）放系统（与环境既有能量交换，又有物质交换
景观生态学的基本理论和原理
景观生态学的基本理论一、耗散结构理论1. 耗散结构理论概述一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统),通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个变量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
由于这种在远离平衡的非线性区形成的有序结构，以能量的耗散来维持自身的稳定性，故称为“耗散结构” (dissipative structure) 。
耗散结构：位于远离平衡态的复杂系统，在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成一种新的有序结构。
2. 耗散结构理论的意义耗散结构理论认为：生态系统属于耗散结构系统，在于：1) . 生态系统是开放系统；2) . 所有生态系统都远离热力学平衡态；3) . 生态系统中普遍存在着非线性动力学过程。
二、等级理论 ( hierarchy theory )等级理论是关于复杂系统结构、功能和动态的系统理论。
通常，等级是一个由若干个单元组成的有序系统，而复杂性常具有等级形式。
一个复杂系统由相互关联的亚系统组成，亚系统又由各自的亚系统组成，往下类推直到最低层次。
所以，等级系统中的每一层次都由不同的亚系统或整体元组成，每一级组成单元相对于低层次表现出整体特性，而对高层次则表现出从属性或制约性。
基于等级理论，复杂系统可视为由具有离散性等级层次组成的等级系统。
解析：高等级层次上的生态过程(如全球植被变化)呈现大尺度、低频率和慢速；而低等级层次的生态过程(如局地植物群落物种组成变化)为小尺度、高频率和快速。
不同等级层次间相互作用，高层次对低层次的制约作用在模型中可表达为常数，而低层次提供机制和功能，其信息常以平均值的形式来表达。
等级系统结构：分垂直和水平两种。
前者指等级系统层次数目、特征及其相互作用关系，后者指同一层次上亚系统的数目、特征和相互作用关系。
层次和整体单元的边界称为界面。
景观生态学的基本理论和原理
景观生态学的基本理论一、耗散结构理论1. 耗散结构理论概述⏹一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统),通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个变量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
⏹由于这种在远离平衡的非线性区形成的有序结构，以能量的耗散来维持自身的稳定性，故称为“耗散结构”(dissipativestructure) 。
⏹耗散结构：位于远离平衡态的复杂系统，在外界能量流或物质流的维持下，通过自组织形成一种新的有序结构。
2. 耗散结构理论的意义⏹耗散结构理论认为：生态系统属于耗散结构系统，在于：1). 生态系统是开放系统；2). 所有生态系统都远离热力学平衡态；3). 生态系统中普遍存在着非线性动力学过程。
二、等级理论（hierarchy theory ）等级理论是关于复杂系统结构、功能和动态的系统理论。
通常，等级是一个由若干个单元组成的有序系统，而复杂性常具有等级形式。
一个复杂系统由相互关联的亚系统组成，亚系统又由各自的亚系统组成，往下类推直到最低层次。
所以，等级系统中的每一层次都由不同的亚系统或整体元组成，每一级组成单元相对于低层次表现出整体特性，而对高层次则表现出从属性或制约性。
基于等级理论，复杂系统可视为由具有离散性等级层次组成的等级系统。
解析：高等级层次上的生态过程（如全球植被变化）呈现大尺度、低频率和慢速；而低等级层次的生态过程（如局地植物群落物种组成变化）为小尺度、高频率和快速。
不同等级层次间相互作用，高层次对低层次的制约作用在模型中可表达为常数，而低层次提供机制和功能，其信息常以平均值的形式来表达。
等级系统结构：分垂直和水平两种。
前者指等级系统层次数目、特征及其相互作用关系，后者指同一层次上亚系统的数目、特征和相互作用关系。
层次和整体单元的边界称为界面。
第二章 景观生态学基本理论和原理 景观生态 教案
第二章景观生态学基本理论和原理第一节景观生态学的基本概念第二节景观生态学的基本理论第三节景观生态学的基本原理物种分布与迁徙地表径流与侵蚀元素分布与迁移能量交换与转化生物地球化学循环第一节景观生态学的基本概念1.景观结构(landscape structure)景观组分的数量构成及空间组合与分布特征。
其中景观组分的空间结构特征又被称为景观格局(landscape pattern) 景观格局是指形状和大小各异的景观要素在空间的排列组合。
包括景观组成单元的类型、数量及空间分布和配置等。
格局是景观结构在空间上的表现形式和异质性的具体体现。
农田景观的结构主要取决于土地利用方式（旱地、水田和菜地）与种植方式（间作、混作和套种）的不同和管理的精细程度，常常表现为田块的大小或种植单元的大小。
自人类文明进入农业文明以后，人口因素对自然景观的影响越来越大，对自然景观的破坏作用加大，相伴产生的是大面积农田景观及其他人工景观、干扰景观和残留景观等，如19世纪以来我国东北地区的土地开垦，先坡地后沟地，先阳坡后阴坡，将大面积的自然景观、沼泽和湿地景观垦殖为农田，自然景观被分割、残留和灭失。
反之，在城市化进程中，农田景观也面临着分割、残留和灭失威胁，大量的农田被改变为建设用地常见景观格局规则或均匀分布格局：指某种特定的景观组分类型的距离相对一致(平原村庄、石灰岩孤峰) 聚集型分布格局：指某些景观组分呈团块状聚合在一起(城市建成区)线状格局：景观组分呈线性排列(道路、河流的附属成分)平行格局：景观组分呈平行排列(山区)不同的景观格局是不同动力学机制的产物，也是不同景观功能的基础。
2.景观功能(landscape function)景观对自身内部及其他相关生命系统生存和发展所能提供的支撑作用景观功能(1). 调节功能: 气候调节,海岸保护与防洪,保持水土、防止侵蚀,固定生物能,人体废物的储存与循环,提供生物控制,移栖生境和动物繁殖场所,生物多样性保护.(2). 载体功能: 水产养殖,自然保护.(3). 生产功能: 食物或营养(食用植物和动物),建筑原材料,生物化学机质,能源（燃料、太阳能等）,观赏资源（如黑珊瑚）(4). 信息功能: 美学信息,精神或伦理信息,历史信息,文化或艺术激励,科学或教育信息3. 景观动态(landscape dynamic)景观在各种内外部驱动因素作用下其结构和功能的时间变化过程与特征。
景观生态学基本理论
森林生态系统
生物圈生态系统
第一节 生态学基础理论知识(补充)
6 生态系统的组成成分
生态系统的组成：两大部分+四个基本成分 两大部分：生物、非生物环境
四个基本成分：生产者、消费者、还原者、
非生物环境
第一节 生态学基础理论知识(补充)
7 生产者 太阳能等能源+CO2+水+无机盐=>有机物的自养 生物。如：绿色植物、光化细菌、化能细菌
理论2—空间分异性与生物多样性理论
2 生物多样性
生物多样性是生物适应环境分异性的结果 景观具有生物多样性效应，并由此派生出景观结
构功能的相关性，能流、物流和物种流的多样性 等
第二节 景观生态学基本理论
理论3—景观异质性与异质共生理论
景观异质性的理论内涵： 景观组分和要素，如基质、斑块、廊道、动物、植物、生
理论7—等级系统理论
2 等级系统理论的意义：
在等级系统中，不同等级层次上的系统，都具有相应的结
构、功能、过程，需要研究解决的问题也不同。特定问题 既需要在一定的时间和空间尺度上解决
景观是复杂的等级组织结构系统，选择最佳时空尺度，才
能认识和把握复杂系统的整体属性和过程特征
第二节 景观生态学基本理论
和交互作用，表现出与斑块内部不同的生态学特征和功能 的现象 等）、物种组成等，与斑块边缘有明显差异
斑块内部的土壤、小气候（如光照、温度、湿度、网速
生态交错带（边际带）通常具有较高的生物多样性和初级
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
生产力，物质循环和能量流动速率更快，生态过程更活跃。 一些需要稳定而相对单一环境资源的物种，往往集中分布 在斑块内部；而另一些需要多种环境资源条件或适应多变 环境的物种，主要分布在边缘带，称为边缘物种
景观生态原理有哪些
景观生态原理有哪些景观生态学是研究自然和人类活动对土地利用与生活环境的影响的学科。
通过研究景观生态学，我们可以了解自然系统和人类社会之间的相互作用，并为提供一个可持续的环境和人类生活方式而努力。
本文将介绍一些重要的景观生态原理，帮助我们更好地理解景观生态学的基本概念和原则。
1. 陆地禀赋原则陆地禀赋原则是指地球表面天然资源的分布以及生物和非生物环境的差异性。
每个地方都有其独特的气候、土壤、植被和地形特征。
这些差异使得每个地区都有不同的潜力和限制，影响着景观生态系统的形成和发展。
根据陆地禀赋原则，我们需要根据特定地区的自然条件和环境特点来制定适当的土地利用政策和规划。
了解地区的禀赋可以帮助我们更好地保护和管理自然资源，并推动可持续发展。
2. 多样性原则多样性原则是景观生态学的核心原则之一。
多样性指的是生物多样性和景观多样性。
生物多样性涵盖了物种的多样性、遗传多样性和生态系统的多样性。
景观多样性则是指不同生境类型的空间分布和组合。
多样性对于景观生态功能的维持和提升至关重要。
高度多样化的生态系统通常更具稳定性，能够提供更多的生态系统服务，如水源保护、生态控制、气候调节等。
保护和增加多样性是维护生态系统健康和可持续发展的基本要求。
3. 缓冲原则缓冲原则是指通过增加生态系统的复杂性和连通性来减轻外部压力对景观生态系统的影响。
景观的缓冲作用可以减弱来自人类活动或自然灾害的冲击，并提供更好的生态适应性。
为了实现景观的缓冲效应，我们可以通过增加景观中的生境和生物多样性来增加景观的复杂性。
同时，保护和恢复关键的生态连通性，如建立生态走廊和跨境保护区等，有助于改善景观的缓冲能力。
4. 恢复与保护原则恢复与保护原则是指通过保护和恢复自然生境来维持和重建生态系统的功能和稳定性。
人类活动和自然灾害可能导致生境破坏和生物多样性的丧失，而恢复和保护这些生境可以帮助恢复生态系统的功能并保护物种的多样性。
恢复与保护原则强调对退化生境的修复和保护已有的自然生境。
第二章：景观生态学的基本原理
可见，系统的尺度性与系统的可持续性有着密切联系，小 尺度上某一干扰事件可能会导致生态系统出现激烈波动， 而在大尺度上这些波动可通过各种反馈调节过程被吸收或 转化，可以为系统提供较大的稳定性。
大尺度空间过程包括土地利用和土地覆盖变化、生境破碎 化、引入种的散布、区域性气候波动和流域水文变化等。
景观斑块是地理、气候、生物和人文等要素构成 的空间综合体，具有特定的结构形态和独特的物 质、能量或信息输入与输出特征。
斑块的大小、形状和边界，廊道的曲直、宽窄和 连接度，机制的连通性、孔隙度、聚集度等，构 成了景观镶嵌特征丰富多彩的不同景观。
景观的镶嵌格局或景观的斑块—廊道—基质组合 格局，是决定景观生态流的性质、方向和速率的 主要因素，同时景观的镶嵌格局本身也是景观生 态流的产物，即由景观生态流所控制的景观再生 产过程的产物。
尺度分析一般是将小尺度上的斑块格局经过重新组合而在较 大尺度上形成空间格局的过程，并随着斑块形状规则化和景 观异质性减小。
尺度效应表现为，随尺度的增大，景观出现不通过类型的最 小斑块，最小斑块面积逐步减少。
由于在景观尺度上进行控制性试验往往代价高昂，人们越来 越重视尺度外推或转换技术，试图通过建立景观模型和应用 GIS技术，根据研究目的选择最佳研究尺度，并把不同尺度上 的研究结果推广到其他不同尺度。
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2 景观功能的社会人文观（2）
1. 调节功能 气候调节 海岸保护与防洪 保持水土、防止侵蚀 固定生物能 人体废物的储存与循环 提供生物控制 移栖生境和动物繁殖场所 生物多样性保护 2. 载体功能 水产养殖 娱乐与旅游 自然保护
3. 生产功能 食物或营养(食用植物和动物) 基因资源 建筑原材料 生物化学机质 能源（燃料、太阳能等） 观赏资源（如黑珊瑚） 4. 信息功能 美学信息 精神或伦理信息 历史信息
第5章景观生态学
景观要素之间的流动引起的，景观要完成一定的功能也是通过生态
流完成的。 景观生态过程 生态流
景观要素之间 的相互作用
景观生态功能
城市景观中各景观要素之间的相互作用
第五章 景观生态流景观功能
内容提要
景观生态流的基本观点和基本机制 景观要素间的空气流、水流、土壤流 景观要素间的物种流 景观的一般功能
圆面
缓面
陡面
当层流流经以上3种防护林后，会有以下结果： ① 层流流经3种防护林带后，在下风方面距离相等处，风 速可降低50%~70%。 ② 圆面的防护林带，风速下降的幅度比较小，但其防风距 离比其他两种要长（为30倍树高，其他两种约为25倍树高）， 并且保持层流的效果好，湍流最小，因此防风效果最佳。 ③ 缓面或陡面的林带，在背风面都会形成湍流，有时可使 风速达到110%。
三、媒介物
景观中各种流能够发生和实现，主要依靠以下五种媒介物：
（1）风（空气流）：可以携带热量、水分、空气中的尘埃、烟、 污染物、种子、声音、孢子、病毒、小昆虫等。
（2）水（水流）：可以运输各种矿物营养物质、种子、昆虫、 污泥、肥料和有毒物质。 （3）飞翔的动物（鸟类、蜂类、蝴蝶、蝙蝠等）：携带花粉、 种子、孢子、昆虫等。 （4）地面动物（各种哺乳动物和爬行动物）： 通过其表面的接 触和内脏传播种子。 （5）人：不仅靠直接接触而粘附或因吃食而从粪便中排出，并 且可采用各种容器和运输工具来运输，其规模可达到很大。
当层流流经缓坡山丘时，层流会沿着坡面缓缓升高，越过山丘。 这时，山丘可起流线体的作用，而经过山丘后的气流仍保留原有的 状态，但在越过山丘后的一段距离内，风的速度有明显的减少。
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景观生态学的基本原理 及方法
卢涛 中科院生物所
Kimberly With John A. Wiens
John A. Wiens
Monica G. Turner
Sally A. Tinker
Dennis H. Knight
R.T.T. Forman
邬建国
傅伯杰
俞孔坚
景观（Landscape)
学科特点
（四）注重人为活动
景观的宏观性特征使其成为很容易与人为活动研究进行衔接的生态学分支学 科（城市景观、人为景观、干扰等）
Naveh认为景观生态学是生态学和人类生态学研究的桥梁
研究的主要对象、内容及基本理论
景观生态学
斑块 - 廊道 - 基底模式
岛屿生物地理学理论 景 观 结 构
景观连接度
Zonneveld (1979): 地球表面的一部分，由空气、水、植物、动物和人组成的系统的复合体，并可通 过外貌特征进行辨识。
Naveh (1984): 自然、生态、地理之综合体
Haber (1990)： 生物或者人类综合感知的土地。
Forman (1986)：以类似方式重复出现的相互作用的若干生态系统组构成的异质性土地地域。并建议 将其空间范围限定在几公里到几百公里（中尺度）。
空间异质性和斑块性
临界阈理论和渗透理论
复合种群理论
地域分异理论
景观功能
景观动态
等级理论
斑块动态ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ人类活动和影响
格局 - 过程 - 尺度
基本概念
景观结构(landscape structure)：景观组分的数量构成及空间组合与分布特征，其中 景观组分的空间结构特征又被称为景观格局（landscape pattern）
景观生态学(Landscape Ecology)
Forman: 景观生态学是以景观结构、功能和动态特征为主要研究对象的一门新兴宏观生态学分支学 科。 关键词：结构，功能，动态，宏观生态学
Naveh: 景观生态学是地理学与生态学之间的一门中间学科，是对人类生态系统进行整体论研究的 新兴学科。 关键词：地理学，生态学，中间学科，人类生态系统，整体论
理解空间异质性和生态过程关系
与 其 它 生 态 学 分 支 的 关 系
研 究 目 标
发展历程（国际）
1939年，德国著名的地植物学家特罗尔，在利用航片中研究东非土地利用问题时提出了景观生态学 一词
二战后，由于人口、粮食、环境问题，景观生态学得到蓬勃发展，中欧（例德国、荷兰、捷克等） 成为景观生态学研究的主要地区
景观功能(landscape function)：景观对自身内部及其他相关生命系统生存和发展所 能提供的支撑作用；
景观动态(landscape dynamic)：景观在各种内外部驱动因素作用下其结构和功能的 时间变化过程与特征。
景观组分(landscape elements)：构成景观的不同生态系统类型被称为景观组分
1981年，在荷兰召开“第一届景观生态学大会” 1982年，国际景观生态学协会（IALE）成立 1984年，Naveh和Lieberman出版《景观生态学的理论和应用》，第一本景观生态学专著 1986年，Forman和Godron出版《景观生态学》教材，标志景观生态学发展进入了一个全新阶段 1987年，国际性杂志《景观生态学》出版 90年代，景观生态学全球化普遍提高，技术、手段更为先进（例GIS、遥感等） 21世纪，水域景观生态学、景观遗传学、多功能景观研究、景观综合模拟、景观生态与可持续性科
学科特点
（一）宏观学科特色
个体→种群→群落→生态系统→景观→区域→生物圈（全球） 主要研究层次：生态系统、景观和区域。 学科特色：宏观生态学研究 认识论特点：整体论途径 问题切入点：格局与过程 传统学科的涉及范畴：生态学、地理学、社会学、人类学、资源学等 问题解析角度选择：时间+空间（空间关系）
斑块（patch）：一个与周围环境不同的相对均质性非线性区域。 廊道（corridor）：不同与两侧相邻土地的一种特殊的带状要素类型。 基质（matrix）：景观镶嵌内的背景生态系统或土地利用类型 网络（network）：是指一个相互连接的廊道系统。
Forman (1995)：空间上镶嵌出现的紧密联系的生态系统组合。在区域尺度上，景观是不重复的且 对比性强的结构单元。它具有可辨识性、空间重复性和异质性。 ▪ （全球、区域、景观、生态系统、群落、种群、个体、生理）
Farina (1998)：景观至少存在三种不同的视角：人的视角、动物的视角和植物的视角。
学科特点
（二）异质性
强调异质性研究是景观生态学的显著学科特色，特别是关于空间异质性研究， 是所有生态学分支学科中，景观生态学所特有的。
异质性（heterogeneity）：景观内部事物或者其属性在时间或空间分布上的不均匀性或非随机性 特征。与异质性相反的景观特征被称为均质性。
Risser甚至认为景观生态学主要研究景观的空间异质性： 1）景观空间异质性的发展和动态； 2）异质性景观的相互作用和变化； 3）空间异质性对生物和非生物过程的影响； 4）空间异质性的管理。
学发展迅速，成为新的学科增长点
发展历程（国内）
从80年代初开始，1989年10月在沈阳召开首届景观生态学学术讨论会 1998年在沈阳举行“亚洲及太平洋地区景观生态学国际会议” 21世纪，提出从中国自身的特色出发,关注受人类影响的和以人为主导的景观,以景观格
局与生态过程的多尺度、多维度耦合研究为核心 中科院生态环境研究中心、北京大学、中科院沈阳生态研究所处于领先地位
学科特点
（三）强调时空分异
景观生态学是生态学学科群中唯一将时空分异特征作为自身研究重点的分 支学科，涉及的重点研究领域包括：异质性、等级特征、景观格局、尺度 效应、干扰扩散等。
尺度(scale)：在观察景观现象或过程时一个特定的空间分辨率或标准时间单元。 尺度效应(scale effect)：优势景观现象或过程特征随尺度变化而变化的现象。
邬建国 (2000)：狭义景观和广义景观 狭义景观：以Forman 为代表的将空间范围限定在几公里到几百公里的景观。（暗含着人类视角的观 点） 广义景观：以Wiens和Risser为代表的，没有空间范围限制的，只强调空间异质性的景观。（暗含生 物感知的观点） 从近几年的文献看，景观生态学突破了空间范围的限制，广义景观为多数生态学家所接受。