葛方龍1, 2，李偉峰1，陳求穩1
1. 中國科學院生態環境研究中心，北京10008；2. 中國科學院研究生院，北京100039
摘要：區域景觀格局演變及生態效應研究一直是景觀生態學研究的重點，對人類、自然的可持續發展具有重要的意義。文章從景觀格局－過程－生態效應的相互驅動機制及當前的研究進展進行了系統的分析，綜述了國內外景觀格局及其生態效應研究相關進展，集中分析了當前研究中的熱點和難點。
景觀分類是景觀格局研究的基礎，空間統計分析、轉移矩陣分析和景觀指數分析是研究景觀格局演變的主要手段，新興的元胞自動機理論和方法在景觀格局演變研究中有很大的發展空間。景觀格局演變驅動力研究需對自然驅動力、社會驅動力進行綜合考慮。不同時空尺度下，景觀格局與生態過程的內在機制也不一樣。
在此基礎上，提出了今後研究的一些方向，重點是：（1）景觀格局演變的內在驅動機制研究；（2）多尺度下景觀格局和生態過程（如土壤侵蝕、養分流失等）的耦合研究；（3）「3s」技術、野外調查監測與格局－過程演變模擬模型結合的應用推廣潛力。
關鍵詞：景觀格局；生態效應；土壤侵蝕；土壤養分
中圖分類號：x171.1 文獻標識碼：a 文章編號：1672-2175（2008）06-2511-09
景觀生態學是一門新的多學科之間的交叉學科，在過去二三十年間得到了飛速的發展[1]。空間格局、生態過程與尺度之間的相互作用是景觀生態學研究的核心問題之一[1]，而景觀格局的演變及其帶來的生態效應是生態學家十分關注的問題。
土地是人類賴以生存與發展的重要資源和物質保障，在「人口—資源—環境—發展(pred)」復合系統中，土地資源處於基礎地位，土地利用反映了人類與自然界相互影響與互動作用最直接和最密切的關係。2023年國際地圈生物圈計畫（igbp）和國際全球變化人文因素計畫（ihdp）共同發起對「土地利用與全球土地覆被變化」的研究，並提出了土地利用的變化機制、土地覆被的變化機制以及區域和全球模型三個研究重點[2]。在igbp和ihdp的推動下，土地利用/覆被研究成為全球變化研究的熱點，許多國際組織和國家都啟動了各自的土地利用/覆被變化研究專案。
人們逐漸認識到，人類在利用土地發展經濟和創造物質財富的同時，也對自然資源結構和生態環境產生巨大的影響[3]。這種影響包含兩個方面的內容，一種是有利的影響，合理的開發利用土地，能夠改善生態系統結構，提高植被覆蓋率，有利於水土保持的良性運作和生態系服務功能價值的提公升；另一方面，不合理的干擾如毀林開荒、過度放牧等導致景觀破碎化，從而造成嚴重的水土流失，降低土地生產力[4-5]，導致生態系統服務功能價值的逐步喪失。現代景觀格局的形成通常不再是單一的自然干擾所致，而往往是自然過程與社會因素共同作用的結果。
由於自然因素與人文社會經濟的影響，土地利用結構及土地資源的質量不斷發生變化，從而影響區域生態環境和全球環境的變化。分析研究區域土地利用變化過程、規律及驅動因素，了解景觀格局的形成原因與作用機制，明確景觀格局演變對生態系統的影響，能夠讓人類審視與重新規劃其對自然的行為，為合理的開發自然環境，保護生態環境，推動自然經濟社會的良性發展和調控人類行為提供科學的決策依據[6-7]。
1 景觀格局研究進展
1.1 景觀分類
景觀組分和要素在景觀中是不均勻分布的，從而構成不同的景觀生態型別[8]，具有異質性；同時，景觀在自然界中不同尺度上有著不同的意義和內容，具有等級性。正是由於景觀生態系統的異質性和等級性，使建立景觀生態分類系統具有可能性和必要性。景觀分類是景觀格局及其動態過程研究的基礎，景觀異質性則是景觀分類的基礎。
在一定的空間尺度上，每乙個景觀型別是相對均質的，其內部組成和結構具有相對一致性。在景觀分類過程中通常將具有顯著異質性的部分確定為不同的景觀或景觀要素型別，而將相對均質的部分確定為相同的景觀或景觀要素。如在區域尺度上，黃土丘陵區土地利用通常可以劃分為森林、灌叢、草地、農用地、建設用地、未利用土地以及水域這幾種主要型別。
土地利用分類對景觀格局有非常重要的影響，如對同一景觀採取不同分類方案能夠產生不同景觀格局，但其影響機制目前尚不清楚[9]，這也是實際工作中應當注意的問題。
景觀分類最重要的是對景觀型別進行準確的識別，這直接決定了景觀分類的精度，也是進行景觀格局分析的基礎。提取景觀型別的方法有很多，早期的研究通常是集中國土、林業、測繪部門的土地覆被/利用的資料。隨著技術的進步，遙感資料大量應用於景觀格局研究，成為提取景觀資訊的重要手段。
監督和非監督分類方法是兩種最傳統的遙感影象分類方法，這兩種方法都是基於光譜資訊統計模式分類的。非監督分類方法比較簡單，在不清楚待分類別的型別的情況下也可以使用，但是判別精度較差，所以一般只在待分類數目通常不是很多，地物、地形資訊較為簡單的情況下可以應用。監督分類精度較高，但是需要事先建立訓練樣本，這就需要對分類地物、地形事先有足夠的了解。
值得注意的是，單一地依靠地物的光譜特徵很多時候並不能反映出真實的地物型別，因此這兩種方法有時候對一些影象分類並不準確，近年來，人們對這兩種方法進行了一些改進，如優化迭代非監督分類等，提高了分類的精度[109]。
異物同譜和同物異譜是基於地物光譜特徵進行分類過程中常常出現的問題，影響地物的分類精度。分形維數能有效表現影象紋理的複雜度和粗糙度，從而揭示地物型別內在的自相似性，因此，基於分形紋理特徵的分類方法引起了人們的重視。由於在一定範圍內，分形特徵是獨立於解析度和視角而穩定存在的物質表示量，這一特性正是這一分類方法的依據[11]。
分形維數的穩定性是利用分形理論進行景觀分類所面臨的主要問題之一，還有在不同分類精度下計算量差別很大，如何提高分形維數的穩定型和優化計算是該方法進一步研究的重點。
人工智慧技術在遙感分類領域中應用的越來越廣泛和深入，典型的有人工神經網路分類和專家系統分類方法。許多學者提出應用bp網、模糊神經網路、自組織對映模型等多種分類器對遙感影象進行分類[12]。採用人工神經網路對遙感影像分類，一定程度上可以提高分類的準確性。
影響神經網路分類的主要因素有神經網路結構、遙感資料的維數和訓練資料的多少。當前，人工神經網路存在著訓練速度慢、不易收斂到全域性最優等缺點，還有較大的改進空間。
專家系統分類也屬於人工智慧分支，由使用者介面、推理器和知識庫組成。專家分析方法和經驗被事先輸入到知識庫中，據此對待分類影像地物的多種屬性進行分析和判斷，並最終確定地物型別。有學者通過分析不同土地利用型別的遙感影像特徵，建立起遙感專家分類決策模型庫，實現了不同土地利用型別資訊的自動分類提取[13]。
專家系統的工作主要是利用推理機制進行，因此要充分發揮專家系統的推理判斷能力，資料翔實的專家知識庫顯得尤為重要，這也是建立專家分類系統的難點。
綜上所述，景觀分類是景觀格局研究的基礎，而不斷豐富的遙感資料來源和快速發展的遙感分類技術已經成為景觀分類研究的主要手段，未來還有很大的應用發展潛力。
1.2 景觀格局分析與模擬
目前，景觀格局特徵和格局演變的研究方法主要有空間統計分析、轉移矩陣分析、景觀指數分析法以及基於元胞自動機的景觀模擬等[14]。
空間統計分析是最基礎的分析方法，利用土地利用/覆被變化遙感分類結果，可以統計各個型別土地的面積、比例以及不同時期各型別土地的增減狀況等。馬爾科夫轉移矩陣分析是根據不同時期遙感影像的分類結果，採用轉移矩陣數學模型，通過疊加分析得到土地利用變化轉移矩陣，轉移矩陣可以直觀的看出某種型別土地的流失方向以及某一型別土地新增面積的**[15]。
景觀指數分析法是從景觀分析的角度，借用景觀生態學中的各種空間格局分析方法來分析和認識土地利用/覆被變化的基本格局特徵和演變規律[16]。常用的景觀指數有斑塊的面積、斑塊的周長、斑塊形狀指數、斑塊的分形分維數、斑塊平均面積、斑塊面積標準差、破碎度指數、多樣性指數、均勻度指數、優勢度指數、聚集度指數等，這些指數可以從斑塊尺度、型別尺度和景觀尺度3個層次來反映土地利用/覆被變化的格局特徵[17]。由於目前的土地利用/覆被格局資料主要是一種非連續的型別變數，而景觀指數又能夠高度濃縮景觀格局資訊，反映其結構組成和空間配置等方面的基本特徵，因此，景觀指數正被廣泛地應用於目前的土地利用/覆被變化格局研究中[18-,19]。
利用fragstats和apack等景觀分析軟體能非常便捷的計算有關景觀指數。應當注意的是，運用景觀指數進行景觀格局研究的時候，決不能僅僅停留在對景觀變化現象的描述，更應當深入發掘景觀指數的生態學內涵，這樣才能更有利於進一步理解景觀格局變化的內在機制。
元胞自動機是指一類許多相同單元組成的，根據一些簡單的鄰域規則及能在系統水平上產生複雜結構和行為的離散性動態性模型[20]。在景觀格局變化研究中，元胞自動機能夠利用鄰域規則，根據區域性小尺度上的資料資訊進行模擬較大尺度的景觀動態變化特徵。元胞自動機能夠較好的模擬景觀格局與過程，這是因為它具有自身獨特的特點和優勢。
首先，元胞自動機是乙個基於微觀個體相互作用的時空動態模型，只要確定研究物件的空間以及初始狀態和轉換規則，它可以自行迭代運算，模擬景觀格局的演化程序；其次，元胞自動機對時空資訊的離散化處理很適合建立起計算機模型；再次，元胞自動機本身不受元胞空間尺度和時間尺度的影響；最後，元胞自動機的元胞結構和gis中的柵格一樣，所以它很方便與gis、rs等系統整合。因此，元胞自動機的方法、理論很適合對時空尺度依賴性很強的景觀格局變化研究。目前，元胞自動機在城市增長、擴散模擬中取得了很多研究成果，但是對於非城市的土地利用演變模擬較少，這主要是由於轉換規則難以確定所造成，因此，雖然元胞自動機在模擬土地利用變化上具有獨特的優勢，但是也面臨諸多困難，需要進一步的深入研究。
隨著對格局演變機制的動態研究和gis、計算機技術的發展，元胞自動機在景觀格局演變方面的研究具有很大的發展空間。
1.3 尺度問題
尺度是景觀生態學研究中的乙個基本概念，通常人們認為尺度代表研究物件在空間或時間上的量度[1]。從本質上來說，尺度是自然界所固有的特徵，然而，基於不同的研究目的和興趣，生態學家對尺度的理解卻不盡相同，如尺度還可以是用於資訊收集和處理的時間或空間單位，或者是由時間或空間範圍決定的一種格局變化等[21-22]。
粒度與幅度是尺度的具體表達。以空間尺度為例，粒度是所取研究區域中的最小可辨識單元所代表的特徵長度、面積或者體積（如樣方或者像元），幅度則是整個研究區域的範圍。景觀格局與過程的關係只有在一定尺度下才有意義，不同尺度下的研究結果往往大相徑庭，即存在所謂的尺度效應[23]。
不同空間尺度下的土地利用/覆被變化特徵往往不同，而在相同空間尺度下，不同時間尺度的土地利用/覆被變化特徵也會有所不同，非常短或非常長的時間段都有可能掩蓋土地利用/覆被變化的真實情況。尺度對於土壤侵蝕模型的**有很大的影響，rudi等[24]在黃土高原小流域的研究表明，隨著時間步長和空間柵格尺度的增加，**的水土流失量呈現減少趨勢。運用土壤侵蝕模型**土壤侵蝕量，選擇合適的時空尺度的顯得非常重要，對於黃土高原大南溝小流域而言，柵格尺度不宜大於20 m，而時間步長不應大於30 s，否則可能造成誤差較大的後果[24]。
傅伯傑等在黃土丘陵區的研究[25]也表明，在不同尺度下，土地利用與土壤養分、水分以及水土流失的影響機制並不相同，目前，對中小尺度區域的研究成果並不能滿足大規模綜合治理與開發的需求。因此，尺度問題與尺度分析方法也越來越受到學者的重視。
尺度轉換（scaling）是景觀生態學研究面臨的主要問題之一。尺度轉換一般來說包括尺度上推和尺度下推，由於不同尺度域下生態過程也通常不一致，怎樣提高不同尺度域下尺度轉換的準確性仍是當前需要解決的問題[26]。目前，嘗試解決有關尺度問題的方法和理論很多，如分形理論[27]、小波分析[28]、譜分析[29-30]、回歸分析等，也取得了一些有意義的結果。
近年來，陳利頂[26]基於「源—匯」理論，針對某一具體生態過程，提出了一種跨空間尺度的景觀空間負荷對比指數，將景觀空間格局與生態過程緊密結合起來，取得了較好的結果。但這些方面的研究尚待深入，儘管研究的難度很大，多尺度的綜合研究必將成為土地利用/覆被變化遙感監測研究的重要發展方向之一[8]。
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