1、生 态 工 程,Ecological engineering,景观生态工程,第一节 景观生态学基本原理,1 景观生态学的核心概念 1.1 景观及景观生态学 1.1.1 景观的概念 美学上的意义 地理学上的理解 生态学对景观的理解,美学上的意义 景观(Landscape)一词的使用最早见于希伯来语“圣经”旧约全书，原意是自然风光、地表形态和风景画面。用来描述耶路撒冷城美丽的景画。 汉语中的“景观”一词涵义丰富，反映“风景、景色、景致”之意。与“风景”同意。例“黄山”、“泰山”、“苏州园林”。,景观的一般理解 常见的宏观景观举例A.桂林山水景观；B.位于美国亚利桑那洲 大峡谷景观；C.美国威斯康辛
2、大学Curtis草地景观；D.内蒙古草原景观；E.北美的Sonoran荒漠景观；F.亚洲温带荒漠景观一角,地理学上的理解,景观作为科学名词被引入地理学，具有地表可见景象的综合与某个限定性区域的双重含义。,“自然地域综合体”的代名词,景观是由地球表面气候、土壤、地貌、生物各种自然要素以及文化现象组成的地理综合体。,生态学对景观的理解 20世纪30年代, C.Troll 将景观的概念引入生态学，是希望将地理学家采用的表示空间的“水平”分析方法，和生态学家使用的表示功能的“垂直”分析方法结合起来，研究景观整体的结构、功能和变化。 自然-生物综合体。 空间上相邻、功能上相关、发生上有一定特点的生态系统
3、的聚合。,特征 1 生态系统的聚合。 2 各生态系统之间的物质能量流动和相互影响。 3 具有一定的气候和地貌特征。 4 与一定的干扰状况的聚合相对应。,人类与自然共同作用影响下的不同景观,过度利用造成严重退化的草地景观,黄土高原梁峁梯田景观,1.1.2 景观生态学 景观生态学（Landscape Ecology）是研究景观的结构、功能和变化，以及景观的科学规划和有效管理的一门生态学新分支（属于宏观生态科学）。,学科地位尺度角度个体生态学 种群生态学 群落生态学 生态系统生态学景观生态学区域生态学 全球生态学,第一阶段从19世纪初到20世纪30年代，是学科综合思想的萌芽期。 生态学的出现，19世
4、纪中期Haeckel，把研究生物和环境关系的科学称之为生态学。其后，从个体生态学发展到群落生态学。 1935年，英国生态学家坦斯利提出了生态系统的术语。 为景观生态学的诞生奠定了基础。,第二阶段由20世纪30年代后期到60年代中期，是学科思想的巩固阶段。 1939年，德国地植物学家特罗尔（Troll）通过航空相片研究东非土地利用问题时，首次提出景观生态学的概念。景观生态学是一种综合研究的新观点。,第三阶段由20世纪60年代后期到80年代初，是学科的初创时期。 1968年在德国召开了 “首届景观生态学国际学术讨论会”。 荷兰景观生态协会 捷克斯洛伐克景观生态学协会,第四阶段开始于20世纪80年代
5、初的国际景观生态联合会成立之后，是学科的全面发展时期。 1982年10月在捷克斯洛伐克召开的”第六次景观生态学国际学术讨论会”上，正式成立了“国际景观生态学协会”。协会成立后，景观生态学的发展显示出三个特点： 一是研究和教学活动普遍化，二是国际学术活动频繁，三是出版物大量涌现。,1.2 格局、过程、尺度 格局：指空间格局，广义地讲，它包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置。 过程：强调事件或现象的发生、发展的动态特征。景观生态学常常涉及多种生态学过程，其中包括：种群动态，种子或生物体的传播，捕食者猎物相互作用，群落演替，干扰传播，物质循环，能量流动等。,各生态系统或亚系统、土地利用类型
6、,尺度：指在观察或研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位，同时又可指某一现象或过程在空间和时间上所涉及到的范围和发生的频率。 尺度可分为空间尺度和时间尺度。,尺度往往以粒度(grain)和幅度(extent) 来表达。 空间粒度指景观中最小可辩识单元所代表的特征长度、面积或体积。 时间粒度指某一现象或某一干扰事件发生的频率或时间间隔。 空间幅度：所研究区域的总面积。 时间幅度：研究项目持续的时间。,空间粒度和空间幅度,A、C、D、E具有同样的空间粒度。A、B、E具有同样的空间幅度。,在生态学中，尺度的用法往往不同于地理学或地图学中的比例尺（Scale），并且表现为相反的含义。 在生态学中，
7、大尺度 (或粗尺度)是指大空间范围或时间幅度，对应于小比例尺、低分辨率；而小尺度(或细尺度)则常指小空间范围或短时间，对应于大比例尺、高分辨率。 景观生态学的研究基本对应着中尺度范围，即从几十公里到几百公里，从几年到几百年。,森林动态的时空尺度,1.3 空间异质性和斑块性 异质性：景观内部事物或者其属性在时间或空间分布上的不均匀性。 斑块：泛指与周围环境在外貌或性质上不同，并具有一定内部均质性的空间单元。 斑块性：强调斑块的种类组成特征及其空间分布与配置关系。,空间异质性：某种生态学变量在空间分布上的不均匀性及复杂程度。 时间异质性：景观空间结构在不同时段的差异性，景观动态变化。 功能异质性：
8、景观结构的功能指标，如物质、能量和物种流等空间分布的差异性。,深圳市景观变化,1.4 生态学干扰 干扰（disturbance）：是一个偶然发生的不可预知的事件，是发生在一定地理位置上，对生态系统结构造成直接损伤的、非连续性的物理作用或事件。,常见的干扰现象： 火干扰 放牧 土壤物理干扰 土壤施肥 践踏 外来物种入侵,干扰的生态学意义 干扰与景观异质性 一方面，干扰对景观的影响决定于干扰的性质。低强度的干扰可以增加景观的异质性，但在极强干扰下，将会导致更低的景观异质性。 另一方面，干扰对景观的影响在较大程度上还与景观的性质有关。对干扰敏感的景观结构，在受到干扰时，受到的影响较大，而对干扰不敏感
9、的景观结构，可能受到的影响较小。,干扰与生物多样性 适度干扰下生态系统具有较高的物种多样性，在较低和较高频率的干扰作用下，生态系统中的物种多样性均趋于下降。,1.5 斑块廊道基质模式 组成景观的结构单元： 斑块(patch) 廊道(corridor) 基质(matrix),1.5.1 斑块 依赖于尺度的，外观上不同于周围环境（基质）的非线性地表区域，具有一定内部均质性的空间实体。,主要成因机制或起源包括： 自然干扰 环境异质性 人类种植,1.5.2 廊道 又称走廊，指景观中与相邻两边环境不同的线性或带状结构。可以看作是线状或带状的斑块。 常见的廊道包括农田间的防风林带、河流、道路、峡谷、输电线
10、路等。,廊道的作用 双重作用：将景观分离、将景观连接 1.传输通道功能：公路、铁路、运河、输电线等 2.过滤和屏障功能：长城、围墙、林带等 3.生境功能：野生动物丰富、植物种类较多 4.资源或产品功能 5.美学观赏功能：长城、颐和园的长廊、西湖的苏堤、,廊道类型 线状廊道：是一条很窄的，主要由边缘物种组成的狭长条带。如小道、树篱、排水沟、道路、铁路、输电线。 带状廊道：景观中与相邻两边环境不同的带状结构。包含一个内部环境；除有边缘种外，内环境中还含有较丰富的内部种。宽林带 河流廊道：沿河流分布而不同于周围基质的植被带，包括河床边缘、河漫滩、堤坝和部分高地。,线状廊道与带状廊道的对比,带状廊道与
11、线状廊道的基本生态差异主要在于宽度，具有重要的功能意义。,1.5.3 基质景观中分布最广、连续性最大的景观要素类型。 如：森林基质、草原基质、农田基质,范围广、连接度最高，并且在景观功能上起着优势作用的景观要素类型。景观中的背景地域。,通常基质的面积超过现存的任何其它景观要素类型的总面积。如果某种景观要素占景观面积的50%以上，那么它很可能就是基质。 基质是景观中连接最好的景观要素，并包围其它景观要素。但基质通常并不完全连接在一起，而是被分成几块地段。,1.5.4 网络,景观要素之间的空间联系有两种方式：廊道网络，斑块网络。,由廊道相互连接形成,由同质和（或）异质性景观斑块通过廊道的空间联系形
12、成,农田防护林网,城市绿地网络系统,生态交错带 不同景观斑块空间邻接会产生与斑块特征不同的边缘带。 河岸带 农牧交错带 城乡交错带 森林边际带,（1）通道或廊道：景观中的许多流(物流、能流、信息流、物种流等)是沿生态交错带流动的，此时交错带相当于廊道。 （2）过滤或屏障：穿越生态交错带的流在质、量和速度上大都会受到不同程度的影响，此时的交错带相当于个半透膜。 （3）生境：生态交错带有其持有的物种和环境特征，因此也成为一种栖息地类型。,第二节 景观生态工程建设,1 景观生态规划 1.1 概念 根据景观生态学的原理及其它相关学科的知识，以区域景观生态系统整体优化为基本目标，通过研究景观格局与生态过
13、程以及人类活动与景观的相互作用，建立区域景观生态系统优化利用的空间结构和模式，维持景观的异质性。,1.2 原则 自然优先原则 可持续发展原则 因地制宜原则 整体性原则 动态性原则 经济性原则,景观生态规划,确定规划范围与目标,实地考察、收集有关资料,景观生态分析、综合和评价,景观格局与生态过程分析,景观生态分类与制图,景观生态适宜性分析,景观结构功能划分,规划方案评价、实施,规划方案调整,景观生态调查,规划方案分析,景观生态 分析与综合,1.3 步骤,1.4 目标 为保护生物多样性而进行的自然保护区规划与设计 为自然（景观）资源的合理开发而进行的规划 为当前不合理的景观格局（土地利用）而进行的
14、景观结构调整,1.5 应用 在美国华盛顿州进行的城市规划中，就充分利用了景观规划的原理，通过廊道将城市中的零散分布的动植物园与野外的天然作物群落区直接联系起来，使野生的鸭及其他水禽可以进入城市公园区，同时也可以使公园内的水生生物进入野外的自然栖息地，有效地促进了自然物种的保护。,2 景观生态设计 2.1 概念 以生态学原理为基础，建立在生物工艺、物理工艺及其它工艺基础上，使人类投入系统内较少的能量与物质，通过系统内部物质循环，能量转换获得较大的生产量、生态效益和社会效益，它是设计具有人工特征的景观来改造、治理以及协调生态环境。,道路景观设计,从较大尺度上对原有景观要素的优化组合以及重新配置或引
15、入新的成分，调整或构建新的景观格局及功能趋于，使整体功能优化,景观生态规划,景观生态设计,从具体的工程或具体的生态技术配置景观生态系统，着眼的范围较小，往往是一个居住小区、一个小流域，各类公园等的设计,具有地理科学中区划研究的性质，通过景观结构的区别，构建不同的功能区域,强调对功能区域的具体设计，由生态性质入手，选择其理想的利用方式和方向,2.2 与景观生态规划的关系,景观生态规划 景观生态设计 景观生态管理,景观生态建设,景观设计特点： 大量使用水稻和当地农作物，和乡土野生植物（如蓼，杨树）为景观的基底，显现场地特色。不但投资少，易于管理，而且形成独特的、经济而高产的校园田园景观。收获的稻米
16、“建大金米”被作为学校的礼品，赠送给到访者。,美、日、德景观设计特色,美国景观设计自由的天性 自由新天地 美国的先民们从遥远的欧洲来到这块新天地，为了逃避欧洲的腐败堕落，在没有欧洲封建的宗教和制度的种种束缚下，去开拓一片崭新的世界。他们在这片广阔的天地间获得了最大的自由释放。面对整片荒野，他们感受到原始自然的神秘博大，心灵受到强烈的震憾。自然的纯真、朴实、充满活力的个性产生了深远的影响力，造就美国充满了自由、奔放的天性。,神奇大自然 美国人对景观的专注常常只集中在没有人类触动过的自然上，面对广袤无际的大自然，人们无法触及其全部，但更渴望认识了解它。所以美国会有黄石国家公园、大峡谷、佩恩蒂德沙漠
17、、佛罗里达大沼泽地等等，大自然的鬼斧神工，创造了无限魅力。美国人对自然的渴求，已经融入了他们的生活和审美之中，他们也追求自然的这份朴实、亲切、神奇而充满活力。,世界自然遗产：美国黄石国家公园,世界自然遗产：美国黄石国家公园,世界自然遗产：美国黄石国家公园,世界自然遗产：美国黄石国家公园,世界自然遗产：美国黄石国家公园,佩恩蒂德彩绘沙漠,佩恩蒂德彩绘沙漠,日本景观设计提炼的自然,日本是形成了它独特的自然景观，较为单纯和凝炼。岛国的自然资源有限，对有限景观的认识理解表达上，透过重重表象，挖掘和提炼了自然精髓，对于景物深刻感悟，加上文化的情结，化平淡为神奇，提炼了自然景观，创造了自然的境界。,日本六
18、本木山庄景观设计,德国景观设计理性的光芒,在德意志民族的性格里好象有种大森林的气质：深沉、内向、稳重和静穆。 德国的景观设计充满了理性主义的色彩，从二次大战后的城市重建到上世纪末的新柏林的建设，理性的光芒一直照耀在德国的上空。,理性的光芒、简约的韵味走近德国景观建筑,波茨坦统一广场,3 景观生态与生物多样性保护 生物多样性包括遗传多样性、物种多样性、生态系统多样性和景观多样性四个层次。 景观多样性是指景观结构、功能和时间变化方面的多样性，是景观水平上生物组成多样化程度的表征。,3.1 斑块与生物多样性 根据斑块的起源或成因机制将常见的景观斑块类型分为4种： 干扰斑块 残存斑块 环境资源斑块 引
19、进斑块,干扰斑块：自然干扰和人类干扰。一般由短期局部性干扰形成；也可由长期持续干扰形成，主要是由人类干扰引起的；有时，长期自然干扰也能够形成干扰斑块。 残存斑块：基质受到大面积自然干扰和人类干扰的影响，在其局部范围内幸存的自然或半自然生态系统或其片断，其成因机制与干扰斑块相同。,环境资源斑块：根本原因是景观内环境资源分布的空间异质性。 引进斑块：人们有意或无意地活动在某些地区而形成的局部生态系统。,景观中斑块面积的大小、形状以及数目对生物多样性和各种生态学过程都会有影响。 主要通过影响斑块与基质或其他斑块间的物质和能量的交换而影响斑块内的物种多样性。 一般地说，物种多样性随斑块面积的增加而增加
20、。,斑块形状,3.2 廊道与生物多样性 环境资源廊道：由环境资源在空间上的异质性线性分布形成。如河流廊道。 干扰廊道：由带状干扰所致。 残存廊道：是周围基质受到干扰后的结果。 种植廊道：由于人类种植形成。,3.3 基质与生物多样性 基质至少在三个力面对生物多样性保护起着关键作用： 为某些物种提供小尺度的生境。 作为背景，控制、影响与生境斑块之间的物质、能量交换，强化或缓冲生境斑块的“岛屿化”效应。 控制整个景观的连接度，从而影响斑块间物种的迁移。,第三节 景观退化与景观安全,1 景观退化与恢复重建 1.1 景观结构退化 景观破碎化 景观结构退化主要表现为景观破碎化，它是指景观中各生态系统之间的
21、各种功能联系断裂或连接性减少的现象。,景观破碎化产生斑块数目、形状和内部生境等三个方面的影响，它不仅会引起外来种的入侵、改变生态系统结构、影响物质循环、降低生物多样性，还会影响景观的稳定性。,景观聚集化 景观聚集与景观破碎化过程相反，但在很多情况下同样具有造成景观退化的负面效应。它主要发生在干扰引起的景观破碎化之后的植被恢复过程中，这种现象在自然景观中普遍存在，但人们往往却只注意到破碎化引起的景观资源破坏，而事实上，聚集而成的景观中异质性和(区域)多样性都会降低。,1.2 景观功能退化 景观功能退化是因景观异质性的改变而导致景观稳定性和景规服务功能的衰退，如土地荒漠化景观，富养化湖泊景观等。
22、研究表明，干扰对景观异质性的改变决定于景观的初始状态，若景观初始状态是异质的，则干扰降低其异质性；若景观初始状态是同质的，则随干扰的继续，景观异质性变化呈现正态曲线，即先增加后降低。,1.3 景观生态恢复恢复完全受损生态系统和退化生态系统。多数生态恢复是局域性的。以点为基础的生态恢复对解决大尺度的生态恢复问题是不够的。 区域生态恢复需要在特殊地点和景观尺度上同时进行。,景观生态恢复目标： 使退化生态系统恢复某种外形 使之具有保护性、生产性和美学效应 进一步发展成为一种可持续性生态系统景观生态恢复原则： 首先，保护状态良好的组分 其次，促进景观要素的恢复 最后，对片段化和残存景观进行重建,景观生
23、态恢复步骤：I发现问题： 生物分布变化：物种消失、生物入侵 景观流的变化：物种运动、水分和养分运动 美学价值变化：宜人景观类型的减少,景观生态恢复步骤：II寻找原因： 本地植被的消失和破碎化 景观的格局和多样性变化 是否存在人工管理的影响,景观生态恢复步骤：III目的物种： 物种数量受栖息地面积限制 物种迁移受栖息地连接度限制 物种数量受生态过程限制（捕食、干扰和火）,景观生态恢复步骤：IV明确目的： 增加现存生物的存活力和抗干扰的恢复力 减少或转变土地或水质退化过程 保持或提高生态系统生产潜力,景观生态恢复步骤：V具体实施： 从何处开始？ 哪里优先保护？ 应该提供走廊吗？ 恢复何种植被结构？
24、 投入何种和多少资源？,2 生物入侵及控制 外来物种：指在一定区域内历史上没有自然发生分布而被人类活动直接或间接引入的物种。 生物入侵：一种不属于本地特定的生态系统的生物物种，由于人为原因或其他方式传入原产地之外的地点，在那里定植、定居，并建立起自然种群，并且威胁入侵地的生物多样性，破坏生态平衡，严重影响社会经济安全和人类的健康的现象。,凤眼莲（水葫芦）,紫茎泽兰,薇甘菊,食人鱼,福寿螺,亚洲天牛,我国外来入侵种的传入途径 有意引种：作为牧草或饲料；作为观赏植物；作为药用植物；作为改善环境植物 无意引种：随人类交通工具带入；船只携带；海洋垃圾；随进口农产品和货物带入；野化的家养动物；旅游者带入；通过周边地区自然传入；随人类的建设过程传入,对外来生物入侵的控制： 人工防治；机械防治；替代控制；化学防治；生物防治；综合治理完善相关立法与加强组织管理；广泛开展公众参与和教育活动；建立预防与风险预警机制；建立监测控制及生态恢复体系；加强科学研究。,
