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景观生态学的研究方法
作者:佚名    文章来源:现代生态学    点击数:    更新时间:2004-6-6

1.         3S技术

3S技术即遥感(RS)技术、地理信息系统(GIS)技术和全球定位系统(GPS)技术。遥感是一种以物理手段、数学方法和地学分析为基础的综合性应用技术,具有宏观、综合、动态和快速的特点。在景观生态研究中,遥感提供了最重要的信息数据。遥感对土地覆盖、土地利用的研究已达到很精细的程度,对植被变化和作物估产的研究也趋于成熟。通过植物光谱响应特征的季节变化规律可了解植物干物质的积累及生物量的多寡。地理信息系统是一种管理与分析空间数据的计算机系统,其基本功能包括图形数字输入,查找和更新数据,分析地理数据以及输出可读数据。其中分析功能是核心,它包括叠加处理、邻区比较、网络分析和测量统计。根据不同需求建立应用分析模型更是GIS应用研究的热点。GPS主要用于某个点的空间定位(包括纬度、经度和海拔高度)。

 

l         景观分析

景观分析即定量地描述景观结构,建立景观结构与功能过程间的相互关系,进而从景观结构上的变化来推断其功能和过程可能发生的变化,它是景观生态学的基本研究方法。景观分析有多种方法,大都可用来确定格局变化的尺度。空间自相关分析常用于检验变量在空间点上的取值是否与直接相邻点取值相关,变异矩、相关矩和空间局部插值是地统计学的几种方法,地统计学以区域化随机变量理论为基础,研究自然现象的空间相关性和依赖性,用以设计抽样方法,进行空间数据插值和估计,建立预测性模型等。它在生态学研究中刚被应用即显示出巨大潜力。空间局部插值法常用于估计在未抽样点上的变量取值,它是一种局部加权平均,可给出最优无偏估计及估计值的误差和精度。波谱分析研究系列数据的周期性,是提示空间格局周期性规律的有效方法,聚快样方方差分析通过对不同大小的样方进行方差分析,以确定斑快大小和空间格局的等级结构,简明实用,趋势面分析实质上是通过拟合空间数据而建立的统计模型,常用于确定大尺度上的空间格局,有助于排除局部干扰,把握总体趋势。分维分析是一项发展迅速的数学分支,景观生态学把分维数作为一种指数率来描述景观的复杂性程度。分维变量的自相似性质使我们可以选择最易观察的尺度来研究某个生态过程,并推断该过程在其他尺度上的变化规律。

 

  1. 模型和模拟

模型和模拟方法是生态学研究的基本方法之一,但对于宏观生态学研究而言,它的意义更为重大,相当于在计算机上做实验。不同学科的各有其特征和优、缺点,分别针对不同的研究对象而设计出典型变量和界面范围。表7列举了7类有关模型的特征。景观模型包括空间模型和非空间模型,前者需考虑变量的空间位置,通常包括零假设模型(中性模型)、景观空间动态模型、景观个体行为模型和景观过程模型。景观的非空间模型多是强调生物反应的模型,有模拟物种迁移的廊道和非廊道模型,库模型和序列生境模型等。

7 若干相邻学科的模型特征

学科类别

模型客体

典型时空尺度

典型变量

基本特征

优点

缺点

地理几何学

用形状系统定义景观

TF=N/A,Dt=N/A,SF=km,Ds=m

形状,大小,距离

用形状和图形解释空间分布

可描述和区分景观特征,创造出与空间结构理论相关的几何形状

缺少动态特征性概括性的形状与实际有距离

地理统计学

预测点I-J的流

TF=年,Dt=天,SF=大陆,Ds=km

扩散转换率密度、信息,出生、死亡

起点和终点特征影响迁移、流动,促进空间格局形成

适用多种情况,重点为扩散,首次应用统计参数和空间自动相关

忽视过程无反馈空间特征少点平均

地理网络

找出点I-J的最小距离或花费

TF=N/A,Dt=N/A,SF=大陆,Ds=km

流率,出生(产出),死亡(要求),距离

根据结点的产生和消费量对结点间的流进行最优化

应用广泛,易于理解流是距离的一种功能,可找最优解决途径

假定相互作用为线性,反馈被忽略,非动态行为

生态学-增长/种群

预测种群数量和大小

TF=年,Dt=小时,SF=m,Ds=cm

迁移,扩散,密度、信息,出生,死亡,资源

空间格局由群落的增长率,出生、死亡率决定,是资源竞争的反映

简单线形表达把扩散作为一种生物过程,重点为密度随时间的变化

忽略了空间反馈,景观是独立的外生变量

生态学-生态系统

预测资源分布种群数量大小

TF=年,Dt=小时,SF=N/A,Ds=N/a

迁移(扩散),密度、信息,出生

重点表征群落不同的物流和能流作用,比率结果

应用广,重点为系统要素和流率,易于并入空间变量

计算复杂,功能的集合并不能明确表示空间动态

景观生态学-随机的

预测空间格局的改变

TF=几十年,Dt=年,SF=县,Ds=几十m

密度,转换率,距离,生境

景观栅格转化概率是内部变化与相邻特征的函数

方法简明具综合性修改马尔可夫模型包括空间分辨

转换概率恒定,列环境反馈,不能联系因果

景观生态学-以过程为基础

预测点I→J的流及空间格局改变机制

TF=几十年,Dt=周,SF=县,Ds=100m

扩散,质量,密度,信息,死亡,生长,干扰,资源

在分割空间中,由于运动和质量的不平衡,而产生能流、物流和信息流

联合各种空间模型,协调多项时空反馈,具有真实过程性,能联系因果,对评价特殊管理有用

需运用非线性方法,运算时间长时空尺度较大

 

 

3.       古生态信息的获取

景观生态学很注意长时间尺度的地学、生物学信息的获取,它包括古气候学、古地理学、第四纪地质学、古生物学、古人类学等方面的有关成果,如大气甲烷浓度、湖泊沉积学档案、古植物、古植物、古土壤和环境重建、古人类化石、海相沉积物和海平面变化、古季风等等。这些地圈、生物圈的第四纪历史记录反映了全球环境变化的规模、尺度及其与生物演化和人类文明发展的联系,是景观生态学研究的宝贵材料。表8列举了一些古生态信息记录体的特点。

为了研究全球变化中的区域性响应,有必要参考我国学者已建立的近2万年中国气候事件变化框架(表9)。

8 古生态信息记录

信息记录

分辨率

时间范围(年)

信息内容

树木年轮

湖泊沉积物

冰川

沉积岩

黄土

古土壤

植物孢粉

/季

10年

100年

1000年

10000

1000000

10000

10000000

100000

100000

100000

T,H.Ca,B,L

T,B

T,H,B

H,Cs,L

H,Cs,B

T,H,Cs

T,H,B

注:T为温度,H为湿度,B为生物量,L为海平面,C为空气(a)和土壤(s)中的化学成分。

9  2万年中国气候时间变化框架

时间

气候事件

18~15ka,Bp

9~3ka,Bp

3~1.4ka,Bp

6~8世纪

14~18世纪

19~20世纪

1950~1980

大理冰期

中全新世最适合气候期

新冰川活动

隋唐暖期(高于目前1~2℃)

小冰期(低于目前2℃)

东部增暖,华北冬季增暖尤甚

北部增埒,南部变凉

 

 

4.       定位观测试验的网络研究

生态学研究由定性走向定量,由表态走向动态,由微观走向宏观,一条必由之路就是建立观测定位站并将其组成网络,形成综合整体研究。景观生态学上的网络研究有三个含义:一是多个研究站点的连接,没有足够数量的和有代表性的站点也就构不成网络。二是观测试验手段和方法的规范化。缺少标准化的人仪器设备,没有统一的观测方法,所得资料无可比性,不能叫做网络研究。三是应有共同感兴趣的研究项目,围绕共同的项目进行长期连续的观测,实现数据共享与成果组装,以提供生态环境状态变迁和生态系统演替进程的信息,建立全局性的评估与预测模型。

文章录入:anny    责任编辑:anny 
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