景观生态学：生态系统的空间异质性

许多生态现象对空间异质性与空间镶嵌体内的流很敏感,作为一门涉及空间动态变化（含有机体流、物质流和能量流）和受控于异质性镶嵌体内生态流方式的学科,景观生态学提供了探索空间异质性和揭示空间格局怎样控制生态过程的新途径。景观生态学是一门研究空间格局对生态过程相互作用的科学,它促进了空间关系模型和理论的发展、空间格局与动态方面新型数据的采集以及生态学中很少强调的对空间尺度的检验。从生态学发展史来看,为方便或简化起见,空间被假定为同质的,研究过程中的尺度也被强调为均质的,这样异质性就成为一种不受欢迎的复杂…     

空间异质性定量研究理论与方法

通过变异函数对空间异质性定量研究进行了讨论．结果表明,空间异质性定量研究应从空间特征和空间比较两方面去考虑．对空间特征,着重讨论怎样应用变异函数将空间异质性分解成各定量组分;确定空间异质性程度;探测空间异质性变化的尺度．对空间比较,怎样对同一变量和不同变量用变异函数比较空间异质性时的统计检验;采用标准化变异函数比较同一地点上的不同变量的空间异质性．最后通过阔叶红松景观中林型和土壤类型的空间异质定量研究实例验证了上述理论与方法．     

景观生态学——概念与理论

现代景观生态学是一门新兴的、正在深入开拓和迅速发展的学科。因此 ,不但欧洲和北美的景观生态学有显著不同 ,就是在北美景观生态学短暂的发展进程中也逐渐形成了不同的观点和论说。概括地说 ,景观生态学研究的重点主要集中在下列几个方面 ,即 :空间异质性或格局的形成及动态 ;空间异质性与生态学过程的相互作用 ;景观的等级结构特征 ;格局 -过程 -尺度之间的相互关系 ;人类活动与景观结构 ,功能的反馈关系以及景观异质性 (或多样性 )的维持和管理[1～ 6] 。反映这些研究重点的主要景观生态学概念和理论是什么呢 ?本文拟在总结该学科最近 2…     

景观异质性研究评述

通过对国内外大量资料的整理分析,对景观异质性的产生机制、分类、 在景观生态学研究中的地位及其测度方法进行了评述,在对景观异质性与景观稳定性、景观规划和管理以及生态学上的干扰、尺度、生物多样性之间相互依存关系论述的基础上,指出了当前景观异质性研究的复杂性,测度方法的不系统性,景观异质性建模在理论与实践上的困难性与局限性,并对生态复杂性研究的理论和方法应用于景观异质性研究进行了展望。     

生态学系统的空间异质性

空间异质性是生态学系统的一个普遍牧场生,生态学家对它在生态学中的重要性已取得了比以往更深刻的认识。试图从空间异质性的含义,空间异质性与尺度和等级的关系,空间异质性的定量描述,空间异质性对生物和非生物过程的影响,以及空间异质性的动态等5个方面综述了有关空间异质性的生态学研究的新进展。     

景观生态学的核心:生态学系统的时空异质性

1　景观生态学与景观异质性景观生态学是研究在一个相当大的区域内 ,由许多不同生态系统所组成的整体 (即景观 )的空间结构、相互作用、协调功能以及动态变化的生态学新分支[1 ] 。它的出现促进了空间关系模型和理论、空间格局与动态的数据类型的获取以及经典生态学很少涉及的空间尺度检测等方面的发展[2 ] 。Ｒｉｓｓｅｒ等认为景观生态学研究就是异质性的研究[3] 。其实 ,“景观”本身就具有“变化的异质性整体”的含义[4] 。景观生态学集中关注于对生态系统空间关系的研究 ,它把景观视为空间上镶嵌出现和紧密联系的生态系统组合 ,景观可…     

景观空间异质性对生态系统服务形成与供给的影响

景观空间异质性与生态系统服务的关系极为密切,适当调整景观空间异质性有助于生态系统服务的持续形成与稳定供给。研究景观空间异质性和生态系统服务形成与供给之间的相互影响作用及响应机制具有重要的理论与现实意义,是保护生物多样性、管理生态系统服务与优化景观空间配置的基础。现有研究大多在不同尺度上探讨了景观格局与生态过程或生态系统服务间的相互影响关系,而缺乏景观格局-生态过程-生态系统服务三者间有效联结等方面的研究。景观空间异质性是怎样直接或间接地作用于生态系统服务形成与供给的,目前还没有一个较为明确的解释。因此,通过分析国内外文献,回顾了景观格局或景观空间异质性与生态系统服务之间关系的研究进展、研究内容和研究方法;从景观组成、景观构型的变化入手,讨论了景观空间异质性对生态系统服务形成与供给的影响及其强度,并认为景观组成异质性变化能够直接影响生态系统服务,而景观构型异质性变化会通过改变生态过程而间接影响生态系统服务;阐述了景观空间异质性在影响生态系统服务形成与供给的同时,也使生态系统服务在空间上产生了异质性分布,并从自然因素和人为因素两个方面对其进行解释;强调了尺度问题在景观空间异质性与生态系统服务研究中的重要性;最后,明确了对生态系统服务形成与供给的景观空间异质性影响研究不仅有助于生态系统服务的维持与调节,也能更深层次地揭示其中的生态学意义。     

农牧交错带西段景观结构和空间异质性分析

农牧交错地区是生态环境问题突出的地区。运用景观学理论,选取典型区域通过具体的景观特征指数分析了西北农牧交错景观的景观结构和景观空间异质性。结果表明地形地貌和人类作用是西北农牧交错区景观异质性的主导因素,地貌越破碎人类作用越强,景观也越破碎,斑块不规则性越高,景观多样性越高。进一步的景观样带分析显示,研究区景观结构呈一定的空间梯度变化,由南向北景观破碎度减小,斑块形状的不规则性降低。     

晋北大型露天矿区景观生态风险时空异质性

矿产资源开采对生态环境产生了剧烈扰动,加剧了矿区生态环境的风险性,严重威胁区域的可持续发展。从景观生态学角度将景观格局与生态风险相结合对矿区生态环境进行评估,从而揭示矿区景观生态风险的时空异质性,促进土地资源的可持续利用。以1990-2018年7期Landsat TM影像解译后的土地利用现状数据为数据源,构建景观生态风险指数,结合空间统计学及地统计学理论,探究1990-2018年平朔矿区景观生态风险的时空异质性。结果表明:1990-2018年平朔矿区景观生态风险的空间分布呈集聚分布模式,Moran’s I指数处于0.53~0.68,Z得分远高于检验阈值1.96,风险的空间集聚效应明显。1990-2018年平朔矿区的景观生态风险等级以中低、中、中高水平为主,占全区总面积的70%~90%,低风险区域主要分布于井坪镇以及白堂乡与向阳堡乡的大片林地,耕地是中等风险的主要分布区域,高风险区域逐渐向矿界内的矿业核心区收缩。1990-2018年平朔矿区景观生态风险空间异质性中的随机变异均小于空间自相关变异,由空间自相关部分引起的空间异质性占据主导地位。研究表明,在0.50 km×0.50 km的研究尺度下,1990—2018年平朔矿区景观生态风险具有很强的时空异质性,时间上呈现先增加后降低的趋势,空间相关性显著,空间分异特征明显。     

绵羊的采食行为与草场空间异质性关系

在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站,于１９９３年６月,７月９月,分别对放牧率为４羊／ｈｍ＾２的围栏放牧草场上绵羊采集行为与草场空间异质性的关系进行了定量研究,结果表明,绵羊的采食运动模式与草场空间异质性密切相关,采食区域和卧息及反刍地点相对稳定,对草场的利用依植物群落种类组成的变化有不同的采集顺序,一般地,多选择大针茅,寸草苔,星毛萎陵菜较少的平地上采食,饮水点对采食路线和目标的选择有一定的     

景观生态学与生物多样性保护

景观生态学的发展为生物多样性保护提供了新理论,方法和技术手段,从景观多样性与遗传多样性,物种多样性,生态系统多样性各层次生物多样性之间的相互关系及生物多样性保护的景观规划等方面评述近年来景观生态学应用于生物多样性保护的主要内容及研究进展,阐述了生物多样性动态及反馈,生物多样性保护的地理途径（ＧＡＰ分析）,景观生态安全格局,区域和大陆尺度的生态网络等一些新的概念和方法。     

红松老龄林主要树种的空间异质性特征与比较的定量研究

 空间异质性研究对认识不同尺度上的生态系统结构、功能和过程具有重要的理论意义。采用地统计学理论和方法,通过空间异质性特征和比较研究了我国东北红松老龄林中主要树种,即红松(Pinus koraiensis)、云杉(Picea koraiensis)、冷杉(Abies nephrolepis)、枫桦(Betula costata)和紫椴(Tilia amurensis)的空间异质性程度、空间异质性组成、尺度和格局问题。结果表明：红松老龄林中主要树种虽然生长在同一林分中,但是它们的空间异质性与格局具有明显的差异。红松的空间异质性程度最高,分数维较低,其空间异质性主要由空间自相关部分组成,在450m的尺度内,具有明显的空间格局。枫桦的空间异质性程度最低,分数维最大,空间异质性主要由随机部分组成,在大于100m的尺度上不存在明显的空间格局。云杉和冷杉由于生长的立地相似,因此具有相似的空间异质性特征和格局。紫椴是红松最重要的伴生树种,其空间异质性程度、空间异质性组成、尺度和格局等方面与红松接近。红松老龄林中主要树种空间异质性与格局在一定尺度上的差异,反映这些树种在生态系统中具有不同的生态学功能和过程。     

SPATIAL PARADIGMS OF LOTIC DIATOM DISTRIBUTION: A LANDSCAPE ECOLOGY PERSPECTIVE

Spatial distributional patterns of benthic diatoms and their relation to current velocity were investigated in an unshaded cobble-bottom reach of White Creek (Washington County, NY). On 27 August 1999, diatoms were sampled and current velocity and depth were measured on a regular square sampling grid with a grain size of 0.01 m², interval of 0.5 m, and extent of 16 m². The relative abundance of the 18 common diatom species enumerated in the 81 samples was subjected to detrended correspondence analysis (DCA). The first axis (DCA1) explained 51% of the variance in diatom data and separated the samples according to current regimes. The spatial autocorrelation of DCA1 sample scores in deposition and erosion regions of White Creek was determined by Moran's I statistic to indicate patch size. In White Creek the patch length of all diatom communities was more than 3.1 m, whereas the patch width was 1 m in the deposition region and 0.5 m in the erosion region. There were 5 dominant diatom taxa, Achnanthes minutissima Kütz. et vars, Fragilaria capucina Dezmazières et vars, F. crotonensis Kitt., Diatoma vulgaris Bory, and Synedra ulna (Nitz.) Ehr. et vars. The patch length of the dominant species varied from 1 to more than 4.1 m, whereas the patch width, if defined, was 0.5 m. Achnanthes minutissima and F. capucina, the two diatom species with the highest relative abundance, displayed spatially structured patches of low abundance and comparatively random patches of high abundance, suggesting broad scale abiotic control of species performance in low abundance regions and finer scale biotic control of high abundance areas. Another objective of this study was to test the hypothesis that higher current velocities, which generally impede immigration, would increase randomness and complexity (i.e. homogeneity of diatom distributional patterns). The spatial complexity in low versus high velocity transects was determined by calculating the respective fractal dimension (D) of DCA1 scores. D of DCA1 was higher in the higher current velocity transects, suggesting that spatial complexity and homogeneity of diatom communities increased in faster currents. Partial canonical correspondence analysis was conducted on diatom, environmental, and spatial data to assess how much of the variance in species distribution could be attributed to environmental (current velocity and depth) versus spatial factors. The variance of species data, explained by the environment (exclusively current velocity), was 38%; whereas space alone contributed only 10%, indicating that 1) current velocity was the major factor that controlled diatom distribution in streams and 2) there were other spatially dependent variables, most likely biotic, but their role in shaping diatom communities was minor.     

林分光照空间异质性对水曲柳更新的影响

 光照是森林更新动态中极为关键的环境因子。本研究在东北天然次生林中选择样地,应用地统计学理论结合实验生态学方法,定量分析林分光照空间异质性特征,同时进行林下播种水曲柳（Fraxinus mandshurica）的更新实验,探测更新格局特征。通过空间关联性分析,研究探讨是否林分光照的空间变异对水曲柳更新有重要影响作用。研究结果表明： 1）生长季林分平均光照仅为全光照的4.2%～4.6%,在空间分布上呈现非常明显的异质性特征,空间自相关变异（62.5%～78.2%）主要体现在10.9～12.4 m的尺度上。2）林分光照不同的空间样点上,水曲柳更新幼苗发生数量和秋季幼苗存活数量均存在显著差异,光照相对强的微生境中,更新苗发生数量较多且存活率高,而在光照较弱的微生境中则更新较差,更新具有十分明显的空间格局。3）更新格局与林分光照空间异质性特征紧密关联。在光照空间异质性程度较高、空间变异较复杂的条件下,更新相应呈现出较复杂的空间格局,自相关的变异表现在较小尺度范围（2.12～6.97 m）。在光照空间异质性程度较低、空间变异复杂性较小的条件下,更新格局的复杂程度明显变小,空间自相关变异（>83%）表现在较大的尺度上（30 m）,对更新格局起主要的影响作用,随机变异的影响很小（<17%）。这些研究结果说明,林分光照环境在水曲柳更新中的作用十分关键,林分光照的空间异质性对更新格局起决定性作用。     

试论林网在景观中布局的宏观度量与评价

为通过对林网在景观中布局进行度量与评价而探讨在宏观上确定经营林网主要方向的依据,根据景观生态学原理,研究了适合于度量林网在景观中布局的数量、分布以及成型状况等景观指标─—林网带斑比、优势度、连接度和环度。提出了用由林网建设方案得到的林网结构参数计算林网合理景观指标值和用由调查得到的现有林网结构参数计算现有林网实际景观指标值的方法;讨论了用这两套林网景观指标值对现有林网布局进行评价,在宏观上确定经营林网主要方向的方法。最后,以对吉林省农安县前岗乡林网现状进行度量与评价为例,示范了本文研究结果的应用。     

荒漠绿洲过渡带植被空间异质性的可塑性面积单元问题

 以荒漠绿洲过渡带植被为研究对象,采用地统计理论与方法,以优势植物泡泡刺(Nitraria sphaerocarpa)和红砂(Reaumuria soongorica)种群为例,采用一个样地内2 500个10 m×10 m小样方中获取的植物盖度数据来研究采样尺度和划区方式对荒漠植被空间异质性的影响。其中尺度效应研究的思路是：一是保持粒度（样方）不变,增加幅度（样地）分析其对空间异质性的影响;二是保持幅度不变,改变粒度进行分析。划区效应是在样地尺度（500 m×500 m）上,把整块样地数据聚合成10 m×200 m、20 m×100 m、40 m×50 m、50 m×40 m、100 m×20 m和200 m×10 m等不同形状和不同方向的网格进行地统计分析。结果表明：荒漠绿洲过渡带植被空间异质性受采样尺度和划区方式影响显著。当样地面积小于200 m×200 m 时,所获取的数据不能真实反映泡泡刺种群的空间异质性;当样地面积小于100 m×100 m 时,所获取的数据不能真实反映红砂种群的空间异质性。调查泡泡刺和红砂种群的空间格局时,样方面积在20 m×20 m到30 m×30 m较为合适。植被空间异质性参数对划区方式的敏感性较强,其中泡泡刺种群的敏感性高于红砂种群。     

油蒿演替群落密度对土壤湿度和有机质空间异质性的响应

如何用环境属性空间异质性解释植被动态是生态学中的一个重要问题。在该项研究中,选择油蒿(Artemisia ordosica)演替群落为研究对象,在小区面积相同、样方数目和面积相同的条件下,将统计学方法和地统计学方法结合起来,讨论分析了土壤湿度和有机质与油蒿和冷蒿(A. frigida)密度空间异质性变化趋势的相关性,结果表明:在块尺度上(80 m × 80 m),油蒿和冷蒿密度的空间异质性都与土壤湿度的空间异质性有关,其中与冷蒿密度呈现为单调递增,与油蒿密度不呈单调变化,说明土壤湿度与油蒿密度空间异质性的相关性已逐渐减弱,但与耐旱的冷蒿依然较强;土壤有机质的空间异质性也与两种植物密度的空间异质性有关,其中与油蒿密度呈现为单调递增,与冷蒿密度不呈单调变化,说明油蒿的长期定居增加了土壤有机质含量,并促进了冷蒿的侵入;进一步分析表明,该群落中油蒿种群和冷蒿种群均呈集群分布,这种集群分布使得油蒿或冷蒿的密度与土壤湿度或有机质空间异质性之间的关系增强,这从一定程度上说明了冷蒿和油蒿之间的竞争替代关系。因而,土壤空间异质性的变化是半荒漠带油蒿群落演替的基础。     

EXAMINING THE FULL EFFECTS OF LANDSCAPE HETEROGENEITY ON SPATIAL GENETIC VARIATION: A MULTIPLE MATRIX REGRESSION APPROACH FOR QUANTIFYING GEOGRAPHIC AND ECOLOGICAL ISOLATION

Understanding the effects of landscape heterogeneity on spatial genetic variation is a primary goal of landscape genetics. Ecological and geographic variables can contribute to genetic structure through geographic isolation, in which geographic barriers and distances restrict gene flow, and ecological isolation, in which gene flow among populations inhabiting different environments is limited by selection against dispersers moving between them. Although methods have been developed to study geographic isolation in detail, ecological isolation has received much less attention, partly because disentangling the effects of these mechanisms is inherently difficult. Here, I describe a novel approach for quantifying the effects of geographic and ecological isolation using multiple matrix regression with randomization. I explored the parameter space over which this method is effective using a series of individual‐based simulations and found that it accurately describes the effects of geographic and ecological isolation over a wide range of conditions. I also applied this method to a set of real‐world datasets to show that ecological isolation is an often overlooked but important contributor to patterns of spatial genetic variation and to demonstrate how this analysis can provide new insights into how landscapes contribute to the evolution of genetic variation in nature.