景观格局演变及其生态效应研究进展

生态环境2008,17(6):[e-mail]基金项目：中国科学院西部行动计划(KZCX2-XB2-05)作者简介：葛方龙(1980年生),男,博士,主要从事景观生态学研究｡E-mail:[e-mail]收稿日期：2008-08-22景观格局演变及其生态效应研究进展葛方龙1,2，李伟峰1，陈求稳11.中国科学院生态环境研究中心，北京10008；2.中国科学院研究生院，北京100039摘要：区域景观格局演变及生态效应研究一直是景观生态学研究的重点，对人类、自然的可持续发展具有重要的意义。文章从景观格局－过程－生态效应的相互驱动机制及当前的研究进展进行了系统的分析，综述了国内外景观格局及其生态效应研究相关进展，集中分析了当前研究中的热点和难点。景观分类是景观格局研究的基础，空间统计分析、转移矩阵分析和景观指数分析是研究景观格局演变的主要手段，新兴的元胞自动机理论和方法在景观格局演变研究中有很大的发展空间。景观格局演变驱动力研究需对自然驱动力、社会驱动力进行综合考虑。不同时空尺度下，景观格局与生态过程的内在机制也不一样。在此基础上，提出了今后研究的一些方向，重点是：（1）景观格局演变的内在驱动机制研究；（2）多尺度下景观格局和生态过程（如土壤侵蚀、养分流失等）的耦合研究；（3）“3S”技术、野外调查监测与格局－过程演变模拟模型结合的应用推广潜力。关键词：景观格局；生态效应；土壤侵蚀；土壤养分中图分类号：X171.1文献标识码：A文章编号：1672-2175（2008）06-2511-09景观生态学是一门新的多学科之间的交叉学科，在过去二三十年间得到了飞速的发展[1]。空间格局、生态过程与尺度之间的相互作用是景观生态学研究的核心问题之一[1]，而景观格局的演变及其带来的生态效应是生态学家十分关注的问题。土地是人类赖以生存与发展的重要资源和物质保障，在“人口—资源—环境—发展(PRED)”复合系统中，土地资源处于基础地位，土地利用反映了人类与自然界相互影响与交互作用最直接和最密切的关系。1993年国际地圈生物圈计划（IGBP）和国际全球变化人文因素计划（IHDP）共同发起对“土地利用与全球土地覆被变化”的研究，并提出了土地利用的变化机制、土地覆被的变化机制以及区域和全球模型三个研究重点[2]。在IGBP和IHDP的推动下，土地利用/覆被研究成为全球变化研究的热点，许多国际组织和国家都启动了各自的土地利用/覆被变化研究项目。人们逐渐认识到，人类在利用土地发展经济和创造物质财富的同时，也对自然资源结构和生态环境产生巨大的影响[3]。这种影响包含两个方面的内容，一种是有利的影响，合理的开发利用土地，能够改善生态系统结构，提高植被覆盖率，有利于水土保持的良性运作和生态系服务功能价值的提升；另一方面，不合理的干扰如毁林开荒、过度放牧等导致景观破碎化，从而造成严重的水土流失，降低土地生产力[4-5]，导致生态系统服务功能价值的逐步丧失。现代景观格局的形成通常不再是单一的自然干扰所致，而往往是自然过程与社会因素共同作用的结果。由于自然因素与人文社会经济的影响，土地利用结构及土地资源的质量不断发生变化，从而影响区域生态环境和全球环境的变化。分析研究区域土地利用变化过程、规律及驱动因素，了解景观格局的形成原因与作用机制，明确景观格局演变对生态系统的影响，能够让人类审视与重新规划其对自然的行为，为合理的开发自然环境，保护生态环境，推动自然经济社会的良性发展和调控人类行为提供科学的决策依据[6-7]。1景观格局研究进展1.1景观分类景观组分和要素在景观中是不均匀分布的，从而构成不同的景观生态类型[8]，具有异质性；同时，景观在自然界中不同尺度上有着不同的意义和内容，具有等级性。正是由于景观生态系统的异质性和等级性，使建立景观生态分类系统具有可能性和必要性。景观分类是景观格局及其动态过程研究的基础，景观异质性则是景观分类的基础。在一定的空间尺度上，每一个景观类型是相对均质的，其内部组成和结构具有相对一致性。在景观分类过程中通常将具有显著异质性的部分确定为不同的景观或景观要素类型，而将相对均质的部分确定为相同的景观或景观要素。如在区域尺度上，黄土丘陵区土地利用通常可以划分为森林、灌丛、草地、农用地、建设用地、未利用土地以及水域这几种主要类型。土地利用分类对景观格局有非常重要的影响，如对同一景观采取不同分类方案能够产生不同景2512生态环境第17卷第6期（2008年11月）观格局，但其影响机制目前尚不清楚[9]，这也是实际工作中应当注意的问题。景观分类最重要的是对景观类型进行准确的识别，这直接决定了景观分类的精度，也是进行景观格局分析的基础。提取景观类型的方法有很多，早期的研究通常是集中国土、林业、测绘部门的土地覆被/利用的数据。随着技术的进步，遥感数据大量应用于景观格局研究，成为提取景观信息的重要手段。监督和非监督分类方法是两种最传统的遥感图像分类方法，这两种方法都是基于光谱信息统计模式分类的。非监督分类方法比较简单，在不清楚待分类别的类型的情况下也可以使用，但是判别精度较差，所以一般只在待分类数目通常不是很多，地物、地形信息较为简单的情况下可以应用。监督分类精度较高，但是需要事先建立训练样本，这就需要对分类地物、地形事先有足够的了解。值得注意的是，单一地依靠地物的光谱特征很多时候并不能反映出真实的地物类型，因此这两种方法有时候对一些图像分类并不准确，近年来，人们对这两种方法进行了一些改进，如优化迭代非监督分类等，提高了分类的精度[109]。异物同谱和同物异谱是基于地物光谱特征进行分类过程中常常出现的问题，影响地物的分类精度。分形维数能有效表现图像纹理的复杂度和粗糙度，从而揭示地物类型内在的自相似性，因此，基于分形纹理特征的分类方法引起了人们的重视。由于在一定范围内，分形特征是独立于分辨率和视角而稳定存在的物质表示量，这一特性正是这一分类方法的依据[11]。分形维数的稳定性是利用分形理论进行景观分类所面临的主要问题之一，还有在不同分类精度下计算量差别很大，如何提高分形维数的稳定型和优化计算是该方法进一步研究的重点。人工智能技术在遥感分类领域中应用的越来越广泛和深入，典型的有人工神经网络分类和专家系统分类方法。许多学者提出应用BP网、模糊神经网络、自组织映射模型等多种分类器对遥感图像进行分类[12]。采用人工神经网络对遥感影像分类，一定程度上可以提高分类的准确性。影响神经网络分类的主要因素有神经网络结构、遥感数据的维数和训练数据的多少。当前，人工神经网络存在着训练速度慢、不易收敛到全局最优等缺点，还有较大的改进空间。专家系统分类也属于人工智能分支，由用户界面、推理器和知识库组成。专家分析方法和经验被事先输入到知识库中，据此对待分类影像地物的多种属性进行分析和判断，并最终确定地物类型。有学者通过分析不同土地利用类型的遥感影像特征，建立起遥感专家分类决策模型库，实现了不同土地利用类型信息的自动分类提取[13]。专家系统的工作主要是利用推理机制进行，因此要充分发挥专家系统的推理判断能力，数据翔实的专家知识库显得尤为重要，这也是建立专家分类系统的难点。综上所述，景观分类是景观格局研究的基础，而不断丰富的遥感数据源和快速发展的遥感分类技术已经成为景观分类研究的主要手段，未来还有很大的应用发展潜力。1.2景观格局分析与模拟目前，景观格局特征和格局演变的研究方法主要有空间统计分析、转移矩阵分析、景观指数分析法以及基于元胞自动机的景观模拟等[14]。空间统计分析是最基础的分析方法，利用土地利用/覆被变化遥感分类结果，可以统计各个类型土地的面积、比例以及不同时期各类型土地的增减状况等。马尔科夫转移矩阵分析是根据不同时期遥感影像的分类结果，采用转移矩阵数学模型，通过叠加分析得到土地利用变化转移矩阵，转移矩阵可以直观的看出某种类型土地的流失方向以及某一类型土地新增面积的来源[15]。景观指数分析法是从景观分析的角度，借用景观生态学中的各种空间格局分析方法来分析和认识土地利用/覆被变化的基本格局特征和演变规律[16]。常用的景观指数有斑块的面积、斑块的周长、斑块形状指数、斑块的分形分维数、斑块平均面积、斑块面积标准差、破碎度指数、多样性指数、均匀度指数、优势度指数、聚集度指数等，这些指数可以从斑块尺度、类型尺度和景观尺度3个层次来反映土地利用/覆被变化的格局特征[17]。由于目前的土地利用/覆被格局数据主要是一种非连续的类型变量，而景观指数又能够高度浓缩景观格局信息，反映其结构组成和空间配置等方面的基本特征，因此，景观指数正被广泛地应用于目前的土地利用/覆被变化格局研究中[18-,19]。利用FRAGSTATS和APACK等景观分析软件能非常便捷的计算有关景观指数。应当注意的是，运用景观指数进行景观格局研究的时候，决不能仅仅停留在对景观变化现象的描述，更应当深入发掘景观指数的生态学内涵，这样才能更有利于进一步理解景观格局变化的内在机制。元胞自动机是指一类许多相同单元组成的，根据一些简单的邻域规则及能在系统水平上产生复杂结构和行为的离散性动态性模型[20]。在景观格局变化研究中，元胞自动机能够利用邻域规则，根据局部小尺度上的数据信息进行模拟较大尺度的景葛方龙等：景观格局演变及其生态效应研究进展2513观动态变化特征。元胞自动机能够较好的模拟景观格局与过程，这是因为它具有自身独特的特点和优势。首先，元胞自动机是一个基于微观个体相互作用的时空动态模型，只要确定研究对象的空间以及初始状态和转换规则，它可以自行迭代运算，模拟景观格局的演化进程；其次，元胞自动机对时空信息的离散化处理很适合建立起计算机模型；再次，元胞自动机本身不受元胞空间尺度和时间尺度的影响；最后，元胞自动机的元胞结构和GIS中的栅格一样，所以它很方便与GIS、RS等系统集成。因此，元胞自动机的方法、理论很适合对时空尺度依赖性很强的景观格局变化研究。目前，元胞自动机在城市增长、扩散模拟中取得了很多研究成果，但是对于非城市的土地利用演变模拟较少，这主要是由于转换规则难以确定所造成，因此，虽然元胞自动机在模拟土地利用变化上具有独特的优势，但是也面临诸多困难，需要进一步的深入研究。随着对格局演变机制的动态研究和GIS、计算机技术的发展，元胞自动机在景观格局演变方面的研究具有很大的发展空间。1.3尺度问题尺度是景观生态学研究中的一个基本概念，通常人们认为尺度代表研究对象在空间或时间上的量度[1]。从本质上来说，尺度是自然界所固有的特征，然而，基于不同的研究目的和兴趣，生态学家对尺度的理解却不尽相同，如尺度还可以是用于信息收集和处理的时间或空间单位，或者是由时间或空间范围决定的一种格局变化等[21-22]。粒度与幅度是尺度的具体表达。以空间尺度为例，粒度是所取研究区域中的最小可辨识单元所代表的特征长度、面积或者体积（如样方或者像元），幅度则是整个研究区域的范围。景观格局与过程的关系只有在一定尺度下才有意义，不同尺度下的研究结果往往大相径庭，即存在所谓的尺度效应[23]。不同空间尺度下的土地利用/覆被变化特征往往不同，而在相同空间尺度下，不同时间尺度的土地利用/覆被变化特征也会有所不同，非常短或非常长的时间段都有可能掩盖土地利用/覆被变化的真实情况。尺度对于土壤侵蚀模型的预测有很大的影响，Rudi等[24]在黄土高原小流域的研究表明，随着时间步长和空间栅格尺度的增加，预测的水土流失量呈现减少趋势。运用土壤侵蚀模型预测土壤侵蚀量，选择合适的时空尺度的显得非常重要，对于黄土高原大南沟小流域而言，栅格尺度不宜大于20m，而时间步长不应大于30s，否则可能造成误差较大的后果[24]。傅伯杰等在黄土丘陵区的研究[25]也表明，在不同尺度下，土地利用与土壤养分、水分以及水土流失的影响机制并不相同，目前，对中小尺度区域的研究成果并不能满足大规模综合治理与开发的需求。因此，尺度问题与尺度分析方法也