城市景观多样性的空间尺度分析——以上海市外环线以内区域为例

景观生态学研究的就是某一空间尺度范围内的景观格局与生态过程。因为景观格局与生态过程中存在的尺度多样性 ,导致尺度成为理解景观格局和生态过程相互作用的关键 ,其已经成为景观生态学的一个重要概念 ,但是由于理论和方法的限制 ,对景观生态学的尺度研究还不够 ,特别是景观格局综合性指标在不同幅度上的变化特征和效应。在 GIS与 RS技术支持下 ,采用基准分辨率为 5 m的 SPOT遥感图像作为数据源 ,对不同幅度下的城市景观多样性的空间分布格局进行了分析 ,并进一步利用半变异函数对其空间异质性进行定量描述。结论揭示 :随着空间尺度的增加 ,景观多样性程度也不断增加 ,另外多样性的空间分布格局也具有显著变化 ,由于受城市发展历史和目前城市扩展方向的影响 ,多样性在总体上是不平衡的 ,尺度越大 ,不平衡越明显 ;不同尺度下景观多样性空间格局的变化 ,与城市景观的特点和城市景观的功能息息相关 ,不过其受经济效益和社会文化效益的影响更大 ;随着尺度增加由于掩盖了更小尺度上的变异 ,导致块金效应增强 ,空间自相关部分对系统总的变异则明显下降 ;景观多样性具有尺度依赖性 ,可以说景观多样性也是尺度的函数 ,在不同的尺度上 ,结果差异显著 ,所以在景观生态学的研究中绝对不能忽略尺度对格局的影响     

不同尺度下城市景观综合指数的空间变异特征研究

在GIS与RS技术支持下,采用5 m分辨率的SPOT遥感图像数据,从城市土地利用角度,利用半变异函数对不同尺度的景观多样性、聚集度与分维数的空间变异进行了定量分析.结果表明,不同尺度下3种指数的空间变异具有相似特征,各个尺度上都具有空间依赖性,尺度越小,空间依赖性越大,空间变异的细节更显著,空间自相关性对总体变异的贡献逐渐增加,但尺度过小,有时会破坏景观内部结构.不同指数的半变异函数模型在相同尺度上差异显著,说明不同景观指数在不同尺度下的半变异函数模型不具可比性.就研究上海市内部土地利用结构而言,1 km的幅度是较合适的空间尺度.景观指数空间变异特征是尺度的函数,尺度对景观格局的影响不能忽视.景观综合指数对尺度响应的生态过程揭示了上海城市空间结构的规律性:在小尺度上的复杂无规律性,中尺度上的多中心性和大尺度上的圈层结构性,但各个尺度是相互依赖的,没有绝对界限.     

景观格局与植物多样性的关系及其空间尺度效应——以浑善达克沙地为例

景观格局是植物多样性的重要影响因素,为了探明沙地景观格局与植物多样性的关系及其空间尺度效应,以浑善达克沙地腹地为研究区,采用样方法进行植物群落学调查,基于GIS和遥感分析技术,分析景观格局指数,计算了10个尺度(100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000m)下33个景观格局指数,利用双变量相关性分析法筛选出不同尺度下与植物多样性显著相关的指数;运用逐步回归的方法识别不同尺度下对植物多样性贡献显著的景观格局指数,并进行拟合检验。研究结果表明:景观格局指数对物种多样性影响具有显著的尺度依赖性。在所有空间尺度,景观格局指数主要对Shannon多样性指数和β指数影响较大;在100m尺度下,Shannon指数逐步回归R~2值达到最大(0.138);β指数在900m尺度下R2值达到最大值(0.2)。拟合检验发现,在500m尺度下,均匀度指数、Shannon多样性指数和β多样性指数实测值和预测值拟合均达到显著水平(P0.05),故认为500m尺度下,景观格局对植物多样性影响较大。因此,在不同尺度下管理和保护沙地植物多样性,应综合考虑景观格局指数的尺度效应,根据需要建立和优化有利于植物多样性的景观格局。     

基于Landsat 8遥感影像反演干旱区净初级生产力的尺度效应

遥感影像是不同尺度景观分析的数据源,不同尺度上占主导地位的地物景观信息是不同的;描述或解释许多环境问题时,都不能在单一尺度解决,因此多尺度分析已成为景观生态领域中的必要条件。本研究以玛纳斯河流域为研究区,以2013年分辨率为30 m的Landsat 8遥感影像作为原始数据,对其分别进行聚合平均,得到不同分辨率(30、150、330、660、990、1650、1980和3300 m)的遥感数据,并作为NPP遥感估算模型的输入参数,探究不同分辨率的植被净初级生产力情况。结果表明:随着尺度的扩展,农田净初级生产力均值随之下降,林地、草地和裸地净初级生产力估算值基本保持不变,就整体而言,分辨率30 m的植被NPP模拟值比分辨率990 m的NPP模拟值多5.36%。随着尺度的扩展,玛纳斯河流域净初级生产力平均值发生变化,产生尺度效应,主要是由土地覆盖类型引起的;而不同尺度的玛纳斯河流域NPP具有相似的空间格局,且其基本特征不变。     

4-Scale几何光学模型冠层反射率模拟的空间尺度适用性

明确4-Scale模型模拟森林冠层反射率适用的空间尺度,有助于提高其应用于不同植被类型冠层反射率模拟时的精度,进而提升其开展叶面积指数、郁闭度和其他参数的反演精度。以黑龙江省尚志市帽儿山实验林场2块100 m×100 m森林样地(阔叶林与混交林各一块)为研究对象,分别分割为10、20、30、40和50 m空间尺度,使用4-Scale模型模拟森林冠层反射率,采用局部平均法、最邻近法、双线性内插法和立方卷积法对空间分辨率为10 m的Sentinel-2影像升尺度转换至其他尺度并评价,对比分析模拟冠层反射率和遥感像元反射率,明确混交林和阔叶林适合4-Scale模型高精度反演参数的空间尺度。结果表明：4-Scale模型整体低估了像元森林冠层反射率,混交林和阔叶林冠层反射率在20 m尺度的模拟效果均最差,红光波段和近红外波段的均方根误差(RMSE)和平均绝对偏差(MAE)均较大;>20 m尺度的模拟效果开始变好,混交林40 m、阔叶林30 m时模型的适用性最佳,红光波段和近红外波段下,模拟值与遥感像元反射率之差的均值和标准差最小,RMSE和MAE同样最小;10 m尺度混交林和阔叶林模拟结果...     

遥感影像空间分辨率及粒度变化对城市景观格局分析的影响

尺度是景观生态学和遥感领域的重要问题,已有研究主要考虑景观的粒度效应,很少涉及遥感影像空间分辨率对景观格局,尤其是对城市景观格局的影响.基于2000年和2002年分别由ETM 和IRS-PAN影像解译得到的土地利用图,从景观和类型两个层次分析了不同粒度下上海市一城市化样带的景观格局.结果表明,城市景观有明显的尺度效应,空间分辨率和粒度变化都会影响城市景观格局,而道路等线性廊道对尺度变化的敏感则是造成这一影响的主要原因.斑块密度、边界密度、平均斑块分维度、景观聚集度和最大斑块指数的粒度效应比较明显,而景观比例、Shannon多样性指数对粒度变化并不敏感.高分辨率影像适用于城市景观格局,尤其是破碎度的分析,其用于分析的合适粒度是5～10m.     

基于BP神经网络模型的平潭岛植被景观模拟

以GIS为技术平台,利用Matlab7.0,选用2km×2km网格图对平潭岛植被景观进行切割,得到50个样方数据,其中,44个用于模型训练,6个用于模型检验,在此基础上,选取分维数、Shannon多样性指数、蔓延度指数作为模型输出数据,选取居民点个数、风速和距海边距离作为影响因素,建立平潭岛植被景观的BP神经网络模型,并进行误差检验.结果表明:影响平潭岛植被景观空间格局和植被多样性状况的主要因素为风速、距海岸距离,人为因素对研究区植被景观的空间连接程度造成较大影响.BP神经网络模型对研究区植被景观与环境及人为影响因子之间关系的拟合与实际情况基本吻合,平均误差为7.4%,最小误差仅0.2%,模型模拟误差较小,拟合度较高,可用于对研究区植被景观的定量预测模拟.     

像元尺度上不确定性对空间景观直观模型模拟的影响

LANDIS模型是模拟自然和人为干扰下森林景观变化的空间直观景观模型。模型把景观概念化为由相同大小的像元或样地组成的格网。在每一个像元上,模型要求输入物种和年龄组信息。但是,由于研究区一般由成千上百万个像元构成,不可能通过实际调查获取每一个像元上的物种和年龄组信息。因此,采用了一种基于小班的随机赋值法从森林调查数据中获取每一个像元的物种和年龄组信息。该方法是一种基于概率的方法,会在LANDIS模型模拟的物种和年龄组信息的输入中引入不确定性。为了评价由基于小班的随机赋值法所引入像元尺度上的不确定性对模型模拟结果的影响,用蒙特卡罗模拟法进行不确定性分析。对LANDIS模型模拟的每一个物种,用众数年龄组发生频率来定量化单个像元上年龄组信息的不确定性,用所有像元上的众数年龄组平均发生频率来定量化年龄组信息在像元尺度上总的不确定性。平均发生频率越高,不确定性越低。为了评价基于小班的随机赋值法对景观尺度上模型模拟结果的影响,计算了每一个物种在整个研究区内的面积百分比和聚集度指数。变异系数越大,不确定性越高。对所有物种,年龄组信息不确定性在模型模拟的初期是比较低的(平均发生频率大于10)。种子传播、建群、死亡和火干扰使模型结果的不确定性随模拟时间增加而增加。最后,不确定性达到稳定状态,达到平衡状态的时间与物种寿命接近。此时,初始的物种和年龄组信息不再对模型结果有影响。在景观尺度上,物种分布面积百分比和由聚集度指数所定量化的空间格局并未受像元尺度上不确定性增加的影响。因为LANDIS模型模拟研究的目的在于预测总的景观格局变化,而不是单一的事件,所以,基于小班的随机赋值法可用于LANDIS模型的参数化。     

空间直观景观模型LANDIS Ⅰ．运行机制

空间直观景观模型是指在异质景观中模拟景观尺度上生态过程的空间直观模型．LANDIS是一个用于模拟森林景观干扰、演替和管理的空间直观景观模型．通过在样地尺度上跟踪以10年为间隔的物种年龄级,半定量化地描述火和风倒,及使用位数组表示物种年龄结构,LANDIS能同时在物种、样地和景观尺度上模拟各种生态过程及其相互关系．详细论述了LANDIS模型对种子传播、火、风倒和砍伐等生态过程的模拟,并讨论了模型中存在的一些不足．     

基于生态安全格局理论的国土空间生态修复分区模拟——以粤港澳大湾区为例

国土空间生态修复分区有助于推动生态修复工作的整体性和系统性。利用国土空间生态安全格局理论进行生态修复分区是一种较为经典的模式,但现有分区技术方案对高强度人类活动导致的土地利用景观变化考虑不足,不能很好的适应城市群尺度国土空间生态安全格局的塑造需求。设计了一种基于情景模拟的国土空间生态修复分区方案,该框架首先通过耦合空间马尔科夫链与元胞自动机模型模拟城镇化发展末期的土地利用景观格局;然后利用"生态源地-生态廊道-生态网络"理论构建国土空间生态安全格局基本骨架;最后根据最小累积阻力模型划分出生态修复关键区、调节区和双修区等类型。粤港澳大湾区案例研究表明：（1）土地利用景观变化对生态修复分区方案影响较大,不同景观格局导致的分区规模差异可达国土空间的10%左右;（2）国土空间生态修复分区需要充分考虑高强度人类活动对景观格局变化的潜在影响,进而使得生态修复分区政策更有利于国土空间生态安全格局塑造目标的实现。研究构建的国土空间生态修复分区技术方案可进一步深化生态安全格局理论在国土空间规划应用上的认知。     

新薛河底栖动物物种多样性与功能多样性研究

研究功能多样性与物种多样性关系及其随环境梯度的变化规律,有助于理解生物在群落中的共存机制;然而,二者间关系的研究在淡水生态学中尚鲜见报道。通过对新薛河典型河段(A缓流河段、B断流河段、C有机污染河段、D对照河段、E人为干扰河段)底栖动物季节性调查,就物种多样性和功能多样性时空动态及关系进行了研究。结果表明:在空间序列上,物种多样性指数在B河段均最低,表明间歇性断流对物种多样性影响重大。功能丰富度在D河段最高,A河段最低;功能均匀度在A河段高于其他河段;功能分离度在A、B河段最高,D河段最低。在时间序列上,物种丰富度和Shannon指数均值在10月份最低,4月份最高;均匀度指数在12月份最低,10月份最高。3个功能多样性指数于各季节间差异显著、相互独立,主要受水文条件和底栖动物生活史影响。相关分析表明,功能多样性指数间无显著相关性;功能丰富度同物种丰富度和Shannon指数相关显著,功能均匀度同物种均匀度相关显著。逐步回归分析发现,功能丰富度受物种丰富度和Shannon指数影响显著,功能均匀度受物种均匀度影响显著;功能多样性和物种多样性指数间拟合度总体不高。研究结果进一步表明:相对物种多样性,功能多样性对生境梯度变化响应更加全面。     

辽东山区次生林物种多样性的空间分布及尺度效应

以辽东山区次生林为研究对象,分析4 hm²样地Gleason丰富度指数、Simpson优势度指数、Shannon多样性指数和Pielou均匀度指数的空间分布特征及其与尺度的关系.结果表明: 4个多样性指数的空间分布均表现出较高的空间异质性;4个多样性指数的方差随尺度的增加其变化趋势有所差异;4个多样性指数的变异系数随尺度的增加呈下降趋势;乔木层的4个多样性指数值高于灌木层,且随尺度增加其变化趋势有所差异.在分析辽东山区次生林物种多样性时应考虑尺度效应.     

万木林中亚热带常绿阔叶林物种多样性林隙梯度变化

根据万木林中亚热带常绿阔叶林林隙内外物种的调查数据,研究了林隙各区物种多样性的梯度变化及物种多样性随林隙级的梯度变化.结果表明,从林隙中心区到非林隙区,物种丰富度指数和物种多样性指数逐渐降低;生态优势度呈中间高、两端低的变化趋势;均匀度呈中间低、两端高的变化趋势.林隙各区的物种多样性在林隙面积为200～300 m²时均达到最大.     

Multiple facets of stream macroinvertebrate alpha diversity are driven by different ecological factors across an extensive altitudinal gradient

Environmental filtering and spatial structuring are important ecological processes for the generation and maintenance of biodiversity. However, the relative importance of these ecological drivers for multiple facets of diversity is still poorly understood in highland streams. Here, we examined the responses of three facets of stream macroinvertebrate alpha diversity to local environmental, landscape‐climate and spatial factors in a near‐pristine highland riverine ecosystem. Taxonomic (species richness, Shannon diversity, and evenness), functional (functional richness, evenness, divergence, and Rao's Quadratic entropy), and a proxy of phylogenetic alpha diversity (taxonomic distinctness and variation in taxonomic distinctness) were calculated for macroinvertebrate assemblages in 55 stream sites. Then Pearson correlation coefficient was used to explore congruence of indices within and across the three diversity facets. Finally, multiple linear regression models and variation partitioning were employed to identify the relative importance of different ecological drivers of biodiversity. We found most correlations between the diversity indices within the same facet, and between functional richness and species richness were relatively strong. The two phylogenetic diversity indices were quite independent from taxonomic diversity but correlated with functional diversity indices to some extent. Taxonomic and functional diversity were more strongly determined by environmental variables, while phylogenetic diversity was better explained by spatial factors. In terms of environmental variables, habitat‐scale variables describing habitat complexity and water physical features played the primary role in determining the diversity patterns of all three facets, whereas landscape factors appeared less influential. Our findings indicated that both environmental and spatial factors are important ecological drivers for biodiversity patterns of macroinvertebrates in Tibetan streams, although their relative importance was contingent on different facets of diversity. Such findings verified the complementary roles of taxonomic, functional and phylogenetic diversity, and highlighted the importance of comprehensively considering multiple ecological drivers for different facets of diversity in biodiversity assessment.     

Stream flow, salmon and beaver dams: roles in the structuring of stream fish communities within an anadromous salmon dominated stream

The current paradigm of fish community distribution is one of a downstream increase in species richness by addition, but this concept is based on a small number of streams from the mid-west and southern United States, which are dominated by cyprinids. Further, the measure of species richness traditionally used, without including evenness, may not be providing an accurate reflection of the fish community. We hypothesize that in streams dominated by anadromous salmonids, fish community diversity will be affected by the presence of the anadromous species, and therefore be influenced by those factors affecting the salmonid population. Catamaran Brook, New Brunswick, Canada, provides a long-term data set to evaluate fish community diversity upstream and downstream of an obstruction (North American beaver Castor canadensis dam complex), which affects distribution of Atlantic salmon Salmo salar. The Shannon Weiner diversity index and community evenness were calculated for sample sites distributed throughout the brook and over 15 years. Fish community diversity was greatest upstream of the beaver dams and in the absence of Atlantic salmon. The salmon appear to depress the evenness of the community but do not affect species richness. The community upstream of the beaver dams changes due to replacement of slimy sculpin Cottus cognatus by salmon, rather than addition, when access is provided. Within Catamaran Brook, location of beaver dams and autumn streamflow interact to govern adult Atlantic salmon spawner distribution, which then dictates juvenile production and effects on fish community. These communities in an anadromous Atlantic salmon dominated stream do not follow the species richness gradient pattern shown in cyprinid-dominated streams and an alternative model for stream fish community distribution in streams dominated by anadromous salmonids is presented. This alternative model suggests that community distribution may be a function of semipermeable obstructions, streamflow and the distribution of the anadromous species affecting resident stream fish species richness, evenness, biomass and production.     

福建梅花山常绿阔叶林植物物种多样性及其海拔梯度格局

常绿阔叶林是福建梅花山国家级自然保护区地带性植被。采用样带与典型群落调查法对区内的常绿阔叶林14400m2样地展开调查,并对植物多样性海拔梯度格局进行分析,结果表明：（1） 群落植物物种丰富度、Gleason丰富度指数、Simpson指数、Shannon Wiener指数和Pielou均匀度指数的均值分别为64.42、10.75、5.75、3.50、0.58,且这5种指数在各样带间差异极为显著,并随海拔的升高均呈单峰曲线变化,峰值出现在海拔700m~900m。（2） 群落各层次的植物物种丰富度、Shannon Wiener指数均呈现灌木层（包括幼树和层间植物）〉乔木层〉草本层的特征。乔木、灌木层物种丰富度与乔木层Shannon Wiener指数在海拔梯度上的样带间差异极显著,变化趋势与群落相似;灌木层与草本层Shannon Wiener指数以及草本层物种丰富度随海拔梯度变化不明显。因此,梅花山自然保护区常绿阔叶林植物物种多样性的海拔梯度格局呈现单峰分布,并支持中间高度膨胀模式（mid domain model）。     

放牧干扰下高寒草甸物种多样性指数评价与选择

在青藏高原东北缘高寒草甸设置6个放牧强度样地,连续4年研究10个多样性指数(Richness和Abundance 2个实测指数,优势度指数、均匀度指数、丰富度指数和综合指数各2个)对放牧强度和年限影响植物群落的解释能力.结果表明: 相对于重要值,利用多度计算的多样性指数对放牧干扰更敏感.优势度指数(Berger-Parker、Dominance)与放牧强度和年限均无关,不能将放牧干扰对群落优势种的影响有效区分.均匀度指数(Equitability、Evenness)均与放牧强度无关,但Evenness指数与放牧年限呈显著负相关,不受偶见种影响且与物种多度的变异系数呈显著正相关,在基于时间尺度的均匀度比较中可以选择Evenness指数.丰富度指数(Menhinick、Margalef)均与放牧年限无关,但Margalef指数与放牧强度呈显著正相关,且不受偶见种影响.综合指数(Shannon、Simpson)均与放牧强度无关,但Shannon指数与物种丰富度和多度呈显著正相关,且随放牧年限增加而显著升高,不受偶见种影响,Shannon指数可用于在长时间尺度下比较物种多样性变化.在所有多样性指数中,只有实测物种丰富度和多度均与放牧强度呈显著负相关,与放牧年限呈显著正相关,且不受偶见种影响,故实测物种丰富度和多度相结合可作为放牧干扰下多样性比较的首选指标.此外,多样性指数选择须考虑放牧干扰的强度与时间特征、多样性组分和研究目的.     

黑河下游额济纳绿洲植物群落物种多样性的空间异质性

采用地统计学方法研究了黑河下游额济纳绿洲物种多样性的空间异质性.结果表明:Margalef丰富度指数(Ma)、Shannon多样性指数(H')、Simpson多样性指数(Ds)和Pielou均匀度指数(J')均服从正态分布,变异系数(CV)为55.8%～67.8%,均属中等变异;Ma和H'符合指数模型,Ds和J'符合球体模型;H'的空间变异程度最高,其次是Ma和J',Ds最小;在变程范围内,各物种多样性指数空间变异的结构性因子占主导地位,所占比例为81.1%～93.0%.各多样性指数沿河流方向的格局变化明显,绿洲核心区达来呼布镇(42°N,101°E)附近为显著高值区,在100°—101°E和102°—102°30'E的带状范围内呈明显的低值区,主要包括东、西戈壁及巴丹吉林沙漠腹地.     

西藏高山草原AM真菌生态分布

对西藏高原37种草地植物(建群种或常见种)70个带根土样的AM真菌进行了研究.结果表明:1)在所分离到的5属35种AM真菌中,球囊霉属、无梗囊霉属、盾巨孢囊霉属真菌分别为18、9、6种,内养囊霉属、类球囊霉属各1种.其中,藏南、藏北草原AM真菌分别为4属23种、4属22种,Shannon指数分别为2.31和2.75,但藏北草原AM真菌孢子密度、种的丰度显著高于藏南.2)不同生态区域AM真菌呈共有种较少、特有种较多、优势种差异较大的分布特征.3)高寒草原、山地草甸、高寒草甸草原AM真菌Shannon指数分别为1.91、1.83、1.80,呈严重退化态势的温性草原仅为1.64;海拔4000～4600 m地带,种的丰度最高,海拔4600～5220 m 地带,真菌Shannon指数和物种均匀度最高,分别为2.42和0.79;4)球-囊霉属真菌在不同海拔段均为优势属,但在海拔＜4000 m地带相对多度较高;无梗囊霉属主要分布于海拔＞4000 m地带;盾巨孢囊霉属主要分布于海拔3500～5220 m地带;类球囊霉属主要见于海拔4000～5220 m的藏北高寒草甸草原,少量见于高寒草原环境;内养囊霉属仅见于海拔3500～3700 m的藏南温性草原.     

海州湾及邻近海域冬季鱼类群落结构及其与环境因子的关系

根据2011年冬季在海州湾及邻近海域进行的渔业资源底拖网和环境调查数据,应用物种多样性指数和多元分析等方法,对该海域鱼类种类组成、多样性和群落结构及其与环境因子的关系进行了研究.结果表明: 该海域冬季捕获鱼类共60种,隶属于10目34科51属,以暖温性和暖水性底层鱼类为主.站位间物种丰富度指数介于1.14～2.84,多样性指数介于1.08～2.64,均匀度指数介于0.41～0.83之间.经聚类分析和非度量多维标度(MDS)分析,该海域鱼类群落在空间上可分为站位组Ⅰ(35° N以北水域站位)、站位组Ⅱ(靠近湾顶的近岸水域站位)和站位组Ⅲ(35° N以南水域站位).鱼类群落种类组成在站位组间及两两间的比较均差异极显著(R=0.45～0.91).典范对应分析表明,底层水温、水深和表层盐度是影响海州湾及邻近海域冬季鱼类群落结构的主要环境因子.