防護(hù)林體系景觀格局研究進(jìn)展*

陳俊華，崔 勇，陳俊華，慕長龍*，朱志芳

(1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院，四川 成都 610081;2.阿壩縣林業(yè)局，四川 阿壩 624600)

防護(hù)林(protection forest)是為了保持水土、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、減少污染所經(jīng)營的天然林和人工林［1］。防護(hù)林體系空間配置，是指防護(hù)林體系的土地利用結(jié)構(gòu)、林種結(jié)構(gòu)和林分系統(tǒng)的空間布局。

景觀(landscape)是一個(gè)由不同土地單元鑲嵌組成的、具有明顯視覺特征的地理實(shí)體;它處于生態(tài)系統(tǒng)之上，大地理區(qū)域之下的中間尺度;兼具經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和文化的多重價(jià)值［2］。景觀格局(landscape pattern)是指景觀要素在空間上分散或聚集的展布，它是景觀組分的空間分布和組合特征的表現(xiàn)，是在景觀內(nèi)部的自然條件約束和人為活動(dòng)影響雙重作用下，為了適應(yīng)特定的景觀功能要求而形成的一種景觀整體結(jié)構(gòu)［3］。景觀格局是景觀異質(zhì)性的具體體現(xiàn)，又是各種生態(tài)過程在不同尺度上作用的結(jié)果。景觀格局可以有規(guī)律地影響干擾的擴(kuò)散、生物種的運(yùn)動(dòng)和分布，營養(yǎng)成分的水平流動(dòng)及凈初級(jí)生產(chǎn)力的形成等［2］。

防護(hù)林景觀格局的研究是景觀生態(tài)學(xué)的重要研究內(nèi)容。研究防護(hù)林的景觀格局，可以為防護(hù)林的空間配置、結(jié)構(gòu)調(diào)整及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。國內(nèi)學(xué)者對(duì)防護(hù)林的景觀格局做了大量的研究，并且取得了一定的研究成果，充分顯示了我國在防護(hù)林景觀生態(tài)研究方面的實(shí)力。此外，我國防護(hù)林景觀生態(tài)研究與國外相比，在深度和廣度上還存在較大的差距，需要開展進(jìn)一步的深入研究。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 景觀分類與制圖

景觀分類與制圖是景觀生態(tài)學(xué)研究的主要內(nèi)容［7～13］，景觀生態(tài)學(xué)理論、方法和應(yīng)用的研究一直是與景觀分類和制圖同步進(jìn)行的。景觀分類是景觀制圖的基礎(chǔ)，也是研究景觀格局與過程的前提，沒有一套成熟的分類體系，景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展將會(huì)受到很大限制。以A.P.伊薩欽科為代表的前蘇聯(lián)一部分景觀地理學(xué)家曾提出過一套復(fù)雜的景觀分類命名體系，對(duì)應(yīng)于不同的分類等級(jí)單元。美國景觀生態(tài)學(xué)派在生態(tài)空間理論方面貢獻(xiàn)突出，但對(duì)于景觀的分類似乎較少重視，F(xiàn)orman(1995)在其著的《土地鑲嵌:景觀與區(qū)域的生態(tài)學(xué)》一書中關(guān)于景觀類型只作了簡單的論述。他首先指出地形的影響，臺(tái)地景觀應(yīng)注意區(qū)分水域、風(fēng)域與冰川臺(tái)地3種類型，繼而提出基于主導(dǎo)空間所劃分的6種景觀類型，即城郊、水田、草地、森林、湖沼和工業(yè)景觀。Naveh(1993)提出總?cè)祟惿鷳B(tài)系統(tǒng)的概念，涵蓋了從生物圈到技術(shù)圈:將最小景觀單元定名為生態(tài)小區(qū)，集中了生物和技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)，最大的全球景觀叫生態(tài)圈，從視覺上和空間上貫穿地理圈、生物圈和技術(shù)圈。他所建立的景觀分類系統(tǒng)分為開放景觀(包括自然景觀、半自然景觀、半農(nóng)業(yè)景觀和農(nóng)業(yè)景觀)、建筑景觀(包括鄉(xiāng)村景觀、城郊景觀和城市工業(yè)景觀)和文化景觀，上述各景觀有著不同的能源、物質(zhì)和信息輸入，構(gòu)成了不同性質(zhì)和強(qiáng)度的景觀驅(qū)動(dòng)力。

中國景觀生態(tài)學(xué)家很早就致力于景觀分類和制圖工作，相繼取得了大量的研究成果。如80年代全國1∶1，000，000景觀要素圖的制作(如土地類型、植被、土壤、地貌、土地利用等)、90年代全國 1∶1，000，000土地利用圖的編制［10］等等，都是我國景觀分類和制圖工作的典范，也為景觀生態(tài)學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。王仰麟(1996)提出劃分生產(chǎn)型、保護(hù)型、消費(fèi)型及調(diào)和型4種景觀生態(tài)系統(tǒng)類型，其對(duì)應(yīng)的功能特征為生物生產(chǎn)功能、環(huán)境服務(wù)功能和文化支持功能。傅伯杰等(1999，2001)從生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)恢復(fù)出發(fā)提出了生態(tài)地理分類和中國生態(tài)區(qū)劃方案等。

總之，由于對(duì)景觀定義的理解不同，對(duì)于景觀的分類也就存在著不同的看法。其分類體系包括:按人類影響強(qiáng)度的景觀分類、以土地利用方式為主的景觀分類、據(jù)自然度不同的景觀分類、以及植被類型或地貌特征為主的景觀分類等分類方式(肖篤寧，1998)。目前尚未形成一個(gè)統(tǒng)一的景觀分類原則和方法，一般而言，分類原則可以從以下幾個(gè)方面綜合考慮:

(1)景觀分類首先必須明確景觀單元的等級(jí)，根據(jù)不同的空間尺度或圖形比例尺的要求來確定分類級(jí)別和景觀制圖單元。

(2)景觀分類應(yīng)突出體現(xiàn)人類活動(dòng)對(duì)于景觀演化的決定作用，人類活動(dòng)改變著土地利用和景觀格局，將自然和半自然景觀轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯す芾淼霓r(nóng)田。

(3)根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)原理，以綜合性為指導(dǎo)，分類要反映出控制景現(xiàn)形成過程的主要因子，以引起景觀生態(tài)系統(tǒng)分異的主導(dǎo)因素為依據(jù)建立分類系統(tǒng)。

(4)景觀分類應(yīng)體現(xiàn)出景觀的空間分異與組合規(guī)律，即不同景觀之間既相對(duì)獨(dú)立又相互聯(lián)系。

(5)景觀分類中生態(tài)系統(tǒng)類型的歸并以空間形態(tài)為指標(biāo)。

(6)劃分出的景觀制圖單元應(yīng)具有相同的地貌、地質(zhì)條件、氣候條件、土壤條件和水文條件以及相同的植被類型。

對(duì)于防護(hù)林景觀生態(tài)分類方面的研究，有關(guān)文獻(xiàn)中未專門提及。但在防護(hù)林景觀格局、景觀功能等方面的研究中也有利用土地利用現(xiàn)狀圖、森林資源分布圖、衛(wèi)星遙感圖片解譯，并采用土地利用分級(jí)系統(tǒng)對(duì)景觀類型進(jìn)行了分類［14～18］。例如，包曉斌［14］利用3 個(gè)時(shí)期(1974、1983、1992 年)的遙感航片、地形圖及土地利用圖(1∶150，000)對(duì)晉西昕水河流域的景觀劃分為分為農(nóng)地、林地、牧地、荒地、居民區(qū)、水域6大類型，并對(duì)林地再細(xì)分為經(jīng)濟(jì)林、水保林、用材林等，對(duì)該流域的生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林景觀格局動(dòng)態(tài)進(jìn)行了研究。李清河等［18］通過調(diào)查，采用數(shù)量分類與傳統(tǒng)分類相結(jié)合的方法，對(duì)太行山石質(zhì)砂巖區(qū)的封育植被景觀從微觀的尺度劃分為人工油松林、人工側(cè)柏林、陽坡灌木林和陰坡灌木林4大類型22個(gè)群叢景觀要素等。

1.2 景觀格局的分析與評(píng)價(jià)

1.2.1 景觀結(jié)構(gòu)的度量與評(píng)價(jià)

景觀結(jié)構(gòu)(landscape structure)是景觀生態(tài)學(xué)研究的主要內(nèi)容之一［3］，它是指不同生態(tài)系統(tǒng)或景觀組成單元的空間與時(shí)間的組合關(guān)系，即景觀組成單元(景觀要素)的大小、形狀、數(shù)量、類型、多樣性及其空間配置、生態(tài)過渡帶、異質(zhì)性等。景觀結(jié)構(gòu)與景觀格局密切相關(guān)，景觀格局是站在景觀尺度上來考慮問題，而景觀結(jié)構(gòu)是站在生態(tài)系統(tǒng)尺度上來考慮問題［3］。

對(duì)景觀內(nèi)部結(jié)構(gòu)與功能的評(píng)價(jià)是確保景觀發(fā)揮其功能的前提，是在大尺度上開展景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)，探討森林生態(tài)系統(tǒng)整合問題的基礎(chǔ)［19～20］。孫曉娟等［21］以GIS為平臺(tái)，借助于SPOT遙感影像建立了景觀空間數(shù)據(jù)庫，在摸清公別拉河流城的植被分布、水土流失現(xiàn)狀及土地利用狀況本底的基拙上，采用主成分分析和空間系統(tǒng)聚類分析方法，對(duì)公別拉河流城景觀生態(tài)功能進(jìn)行了定量分析評(píng)價(jià)，并且利用景觀分異的主導(dǎo)因素劃分目標(biāo)景觀，以此進(jìn)行直觀的景觀規(guī)劃，并對(duì)目標(biāo)景觀水土保持林現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，按生態(tài)功能的得分值將森林資源劃分為良好狀態(tài)、一般狀態(tài)和較差狀態(tài)，其面積各占38%、43%、19%，提出應(yīng)分別采取不同的經(jīng)營措施加以保護(hù)、改良、改造。臧淑英等［22］采用地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)，借助于大型統(tǒng)計(jì)分析軟件包SPSS中的主成分分析和空間系統(tǒng)聚類分析方法，對(duì)黑龍江省二龍山水庫流域的景觀生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了定量分析與評(píng)價(jià)，獲得了4個(gè)景觀生態(tài)評(píng)價(jià)類型。其中，良好狀態(tài)的景觀生態(tài)類型占全流域面積的比重最大，為36%，一般狀態(tài)次之，為31%;較差狀態(tài)和理想狀態(tài)分別為17%和16%。并按景觀空間生態(tài)結(jié)構(gòu)，將全流域規(guī)劃與設(shè)計(jì)為3個(gè)景觀功能區(qū)，即農(nóng)業(yè)景觀功能區(qū)，其景觀過程以作物生產(chǎn)為主，發(fā)展方向?yàn)榧骖櫧?jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)多種效益的生態(tài)農(nóng)業(yè)、觀光農(nóng)業(yè)和高效農(nóng)業(yè);生態(tài)環(huán)境保護(hù)功能區(qū)，其景觀過程以水土流失、植被覆蓋減少等退化過程為主，主要執(zhí)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)功能，大力發(fā)展水土保持林，努力提高植被覆蓋率，是本區(qū)發(fā)展利用的方向;森林景觀功能區(qū)，森林資源的合理采伐利用、林種的空間優(yōu)化配置、森林的撫育以及天然林的保護(hù)成為該區(qū)發(fā)展的主要方向。關(guān)文彬等［23］根據(jù)防護(hù)林學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)的原理，將野外調(diào)查與地理信息系統(tǒng)RegionManagerV4.0和遙感等技術(shù)相結(jié)合，從林帶和林網(wǎng)兩個(gè)尺度對(duì)北京市大興縣北藏鄉(xiāng)防護(hù)林體系的布局和結(jié)構(gòu)的合理性，進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。認(rèn)為該鄉(xiāng)主林帶防護(hù)能力不足，副林帶過寬;組成林帶的物種類型單一;整個(gè)景觀結(jié)構(gòu)與布局不夠合理。經(jīng)過分析論證，對(duì)該區(qū)防護(hù)林的經(jīng)營管理方向提出了建議:應(yīng)適當(dāng)增加主林帶的寬度，減少副林帶的寬度，重視混交林的營造，中間喬木樹種兩側(cè)輔以灌木的喬灌混交形式較適合，林帶透光疏透度應(yīng)保持在0.3～0.4，閉合林網(wǎng)數(shù)應(yīng)達(dá)到13個(gè)·km－2。此外，張錦春等［15］、費(fèi)世民等［24］也對(duì)防護(hù)林景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了度量與評(píng)價(jià)。

1.2.2 景觀格局的分析

某一地區(qū)森林景觀格局的分析與景觀質(zhì)量控制的研究，能為該區(qū)土地利用的規(guī)劃決策和森林資源的可持續(xù)管理提供理論依據(jù)。福爾曼及其同事［25，26］對(duì)美國新澤西州瀕海平原松櫟林景觀組成與格局進(jìn)行了分析，較為系統(tǒng)和全面地闡述了這一地區(qū)森林景觀的特點(diǎn)，并在景觀管理與規(guī)劃方面得出了一些有益的結(jié)論。

我國在防護(hù)林景觀格局分析方面的研究多集中在分析研究區(qū)的景觀格局特征、景觀格局多樣性及其景觀格局動(dòng)態(tài)變化等［13，27～35］。例如馬克明等［27］利用親和度分析(affinity analysis)對(duì)北京東靈山地區(qū)森林的景觀格局多樣性進(jìn)行了分析，得知該區(qū)鑲嵌多樣性值為7.1541＞3，意味著該區(qū)沒有明顯強(qiáng)烈的環(huán)境梯度，景觀是復(fù)雜的，由多個(gè)梯度控制。并且根據(jù)平均親和度值將該區(qū)森林類型劃分為3部分。王清春［28］等利用景觀多樣性指數(shù)、景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)等對(duì)北京喇叭溝自然保護(hù)區(qū)的森林景觀進(jìn)行了分析。包曉斌［14］利用3個(gè)時(shí)期(1974、1983、1992年)的遙感航片解譯成果、地形圖及土地利用圖(1∶150，000)對(duì)晉西昕水河流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)型防護(hù)林的景觀格局動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析。

1.3 景觀格局的優(yōu)化

景觀格局優(yōu)化是在景觀生態(tài)規(guī)劃、土地科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上提出來的，同時(shí)也是景觀生態(tài)學(xué)研究中的一個(gè)難點(diǎn)問題［36］。景觀生態(tài)規(guī)劃從產(chǎn)生至今不過二三十年，在我國的歷史更短，歐洲學(xué)者普遍習(xí)慣稱為景觀生態(tài)規(guī)劃或景觀規(guī)劃，美洲學(xué)派則更傾向于使用景觀管理，區(qū)域規(guī)劃等名稱［37］。我國進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化成了土地利用規(guī)劃的核心內(nèi)容［38］，由原來比較狹窄的農(nóng)業(yè)土地利用研究轉(zhuǎn)入更為廣泛、實(shí)踐性更強(qiáng)的農(nóng)林復(fù)合與牧業(yè)用地、城鎮(zhèn)用地、農(nóng)村住宅用地、旅游用地等土地利用研究領(lǐng)域［39］。景觀格局優(yōu)化目標(biāo)是調(diào)整優(yōu)化景觀組分、斑塊的數(shù)量和空間分布格局，使各組分之間達(dá)到和諧、有序，以改善受脅受損的生態(tài)功能，提高景觀總體生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。

景觀格局優(yōu)化的原則有:

(1)整體生態(tài)功能優(yōu)先原則。景觀格局的優(yōu)化目的是使景觀結(jié)構(gòu)達(dá)到合理，但因?yàn)榫坝^是由多個(gè)相互作用的生態(tài)系統(tǒng)組成的，所以我們需要把多個(gè)生態(tài)系統(tǒng)作為一個(gè)整體來研究［37］。

(2)多目標(biāo)原則。景觀作為生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)功能的載體，不同格局會(huì)產(chǎn)生不同生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，景觀格局優(yōu)化應(yīng)將多種功能綜合考慮，要達(dá)到多目標(biāo)價(jià)值綜合最優(yōu)［40］。

(3)結(jié)構(gòu)優(yōu)化原則。景觀格局是其功能的基礎(chǔ)，景觀斑塊的形狀、大小、數(shù)目和鄰接關(guān)系直接決定了物質(zhì)和能量在不同組分之間的流動(dòng)過程，也就決定了景觀功能的發(fā)揮，所以要對(duì)景觀格局對(duì)生態(tài)流和功能的影響方式、機(jī)理分析理解，從而確定能為景觀帶來正效應(yīng)的景觀組分鑲嵌分布形式。

(4)尺度適宜原則。自從景觀生態(tài)學(xué)創(chuàng)建以來，尺度一直是景觀生態(tài)學(xué)的一個(gè)核心問題，不同尺度的分析結(jié)果可能會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的差異，所以，對(duì)于景觀不同組分或不同類型景觀要在適宜的尺度上作分析才會(huì)帶來正確的結(jié)果。

(5)平衡原則。景觀格局優(yōu)化通常是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)分析過程，解決這一問題的需要采用多標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)，通過多目標(biāo)分析和優(yōu)先級(jí)確定，在平衡的前提下得出多種備選預(yù)案［41］。

景觀格局優(yōu)化的研究方法有:

(1)概念模型

概念模型是最早出現(xiàn)的建立在景觀生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)理論上的景觀規(guī)劃方法，在生態(tài)因子調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，考察景觀格局與功能關(guān)系的一般規(guī)律，以經(jīng)驗(yàn)的或已有理論的模式對(duì)景觀的空間分布格局進(jìn)行調(diào)整，也會(huì)有一些比較通用的土地利用模式。如Forman［42］等提出了兩個(gè)景觀整體模式，即可替代格局和最優(yōu)景觀格局。我國學(xué)者也有這方面的例子。如袁穗波［31］等通過對(duì)湖南衡陽縣麻嶺小集水區(qū)的水土保持林草植被景觀格局與生態(tài)過程，以及人類活動(dòng)與植被景觀的相互作用的研究，在景觀生態(tài)分析、綜合及評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，按照自然優(yōu)先、持續(xù)性、針對(duì)性、多樣性、綜合性、整體優(yōu)先、異質(zhì)性等原則的基礎(chǔ)上提出了該區(qū)的植被景觀最優(yōu)利用方案和對(duì)策。朱教君［43］等通過對(duì)遼寧省昌圖縣雙井子鄉(xiāng)的農(nóng)田防護(hù)林典型林帶調(diào)查、試驗(yàn)示范基地林帶調(diào)查、林帶防風(fēng)效應(yīng)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，通過綜合分析，對(duì)該區(qū)的林帶空間配置及布局進(jìn)行了優(yōu)化。

(2)數(shù)學(xué)模型

①線性規(guī)劃法 線性規(guī)劃法是一種解決多變量最優(yōu)決策的數(shù)學(xué)方法，在各種相互關(guān)聯(lián)的多變量約束條件下，解決或規(guī)劃一個(gè)對(duì)象的線性目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的問題，即在一定數(shù)量的人力、物力和資源，如何應(yīng)用而能得到最大經(jīng)濟(jì)效益。其中目標(biāo)函數(shù)是決策者要求達(dá)到目標(biāo)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，用一個(gè)極大或極小值表示。約束條件是指實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的過程中資源和內(nèi)部條件的限制因素，用一組等式或不等式來表示。在景觀格局優(yōu)化中，要考慮到多個(gè)影響景觀格局的因子，該方法可以解決通常規(guī)劃中人為影響大的現(xiàn)象。楊曉勇等［44］1994年在以往土地利用線性規(guī)劃方法基礎(chǔ)上，提出了采用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法的思想，保證了規(guī)劃結(jié)果自成體系，互相配合，聯(lián)合運(yùn)用。

②多目標(biāo)規(guī)劃 決策是一個(gè)系統(tǒng)過程，對(duì)優(yōu)化過程進(jìn)行數(shù)量化計(jì)算，包括一系列約束條件(對(duì)屬性數(shù)據(jù)，量化數(shù)據(jù)等)和一些計(jì)算規(guī)則。優(yōu)化過程的數(shù)學(xué)計(jì)算可以理解為不同目標(biāo)方程的組合，這些目標(biāo)之間大多存在相斥性。這種格局優(yōu)化方法是一個(gè)線性過程，最后得出的是個(gè)目標(biāo)綜合最大值，但是很可能不能滿足每個(gè)目標(biāo)都達(dá)到最大值，甚至出現(xiàn)目標(biāo)最大而其他目標(biāo)值都很小的現(xiàn)象。但在現(xiàn)實(shí)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，通常決策者面對(duì)的是一連串的目標(biāo)，換句話說，衡量一個(gè)方案的好壞，標(biāo)準(zhǔn)不止一個(gè)，也就是說，問題本身難以用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來衡量，而需要一個(gè)以上的標(biāo)準(zhǔn)來衡量。在這些標(biāo)準(zhǔn)或目標(biāo)中，彼此之間又往往不是那么協(xié)調(diào)，甚至是相互矛盾的、對(duì)立的。這些標(biāo)準(zhǔn)的度量單位也常常是各不相同的。景觀格局優(yōu)化正是這樣一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，其目標(biāo)不僅是要經(jīng)濟(jì)效益最大，而且是要注重經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)的綜合效益。資源環(huán)境研究中常用的是有限方案的多目標(biāo)決策分析方法，有矩陣法和層次分析法(AHP)建立所分析問題的多層次結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)決策問題的性質(zhì)和要求，將總目標(biāo)及備選方案進(jìn)行正確合理的層次劃分，確定各層要素的組成。在景觀水平上，需要考慮諸多生態(tài)問題，例如水土侵蝕、生物多樣性降低、養(yǎng)分流失和土地生產(chǎn)力下降等多目標(biāo)規(guī)劃和管理是解決景觀可持續(xù)發(fā)展的一種有效途徑。

③灰色系統(tǒng)規(guī)劃法 一般線性規(guī)劃要求目標(biāo)函數(shù)中效益系數(shù)、約束條件中的技術(shù)系數(shù)及其他限制量都固定下來?；疑€性規(guī)劃是在技術(shù)系數(shù)為可變的灰數(shù)、約束值為發(fā)展的情況下進(jìn)行的，是一種動(dòng)態(tài)的線性規(guī)劃，它彌補(bǔ)了一般線性規(guī)劃的不足。這種方法不僅可以知道既定條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，還可以知道最優(yōu)結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化情況。如李蘭海等［45］應(yīng)用灰色系統(tǒng)的微分?jǐn)M合法建立資源配置的動(dòng)態(tài)模型，并用最優(yōu)控制理論進(jìn)行優(yōu)化，研究南京市郊北城圩農(nóng)場(chǎng)的土地利用規(guī)劃，得到資源配置的優(yōu)化控制模型，開始將線性規(guī)劃中引入了灰色系統(tǒng)理論。但承龍等［46］對(duì)江蘇省啟東市土地利用結(jié)構(gòu)的研究，康慕誼等［47］對(duì)陜西關(guān)中地區(qū)土地資源的優(yōu)化配置應(yīng)用灰色線性規(guī)劃對(duì)土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行了研究，彌補(bǔ)了一般線性規(guī)劃的不足。

④其它數(shù)學(xué)方法微分方程、指數(shù)生長到復(fù)雜系統(tǒng)和非線性微分方程以及模糊數(shù)學(xué)在土地資源利用中越來越多地被利用，能解決其他方法無法處理的問題，系統(tǒng)分析的思想也被廣泛利用。如陳俊華等［48］利用物元分析法對(duì)四川盆地低山丘陵區(qū)的閬中市岳家溝小流域的土地利用進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整，并采用目標(biāo)逐次逼近法［49］進(jìn)行了土地利用優(yōu)化，使該小流域的土地利用利用趨于合理，農(nóng)林牧趨于協(xié)調(diào)，土地利用效率明顯提高。

1.4 景觀格局與功能的研究

景觀功能(Landscape function)指的是空間景觀組分之間的相互作用，即能量、物質(zhì)、物種在生態(tài)系統(tǒng)之間的流動(dòng)［2，3］。有關(guān)景觀組分之間的流動(dòng)的基本概念有兩個(gè):一個(gè)是景觀組分的邊緣，具有與半透膜一樣的功能與作用，通過滲透使能量、物質(zhì)、物種流進(jìn)或流出景觀組分。流動(dòng)可以橫穿過邊緣，也可以沿著邊緣流動(dòng)。另一個(gè)是相鄰的景觀組分處于不同的成熟階段，相對(duì)年輕的景觀組分釋放物質(zhì)與能量，具有流動(dòng)源的作用;而相對(duì)成熟的景觀組分起著吸收物質(zhì)與能量的庫作用。與景觀組分之間的物質(zhì)、能量、物種的流動(dòng)有關(guān)的媒介或運(yùn)輸機(jī)制包括5類:風(fēng)、水、飛行動(dòng)物、地面動(dòng)物和人類。驅(qū)動(dòng)運(yùn)輸機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力包括擴(kuò)散作用、物流和攜帶運(yùn)動(dòng)，這些動(dòng)力是確定流動(dòng)的方向和距離時(shí)要考慮的因素。擴(kuò)散作用又稱彌散作用，指溶解或懸浮物質(zhì)從高濃度區(qū)域流向低濃度區(qū)域的運(yùn)動(dòng)，其方向是隨機(jī)的。物流指物質(zhì)沿著能量(勢(shì)能和動(dòng)能)梯度的運(yùn)動(dòng)，包括河流、地表和地下徑流。物流受重力支配，并受土壤、地形、植被等因素的影響。攜帶運(yùn)動(dòng)指動(dòng)物和人在景觀中的活動(dòng)對(duì)能量、物質(zhì)與生物體在空間上的重新分配，與前兩種形式相比，攜帶運(yùn)動(dòng)常常造成能量、物質(zhì)和生物在空間上的高度聚集。一般而言，種群動(dòng)態(tài)、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)過程等都不可避免地受到景觀空間格局的制約或某種影響。如李清河［18］等通過對(duì)太行山典型石質(zhì)砂巖區(qū)－北京九龍山林場(chǎng)的植被調(diào)查和傳統(tǒng)與典型取樣技術(shù)，綜合闡述了九龍山地區(qū)景觀特點(diǎn)。在把該區(qū)封育植被劃分為4大類型22個(gè)群叢的景觀元素基礎(chǔ)上，分析了封育植被景觀的結(jié)構(gòu)、類型與物種多樣性及地形對(duì)格局的影響;并通過測(cè)定土壤貯水量和徑流量兩個(gè)指標(biāo)，分析了九龍山地區(qū)現(xiàn)有封育植被景觀格局下的水源涵養(yǎng)和保持水土兩大功能。通過該項(xiàng)研究進(jìn)一步深刻認(rèn)識(shí)了景觀的結(jié)構(gòu)與功能的反饋?zhàn)饔藐P(guān)系。這為太行山石質(zhì)山區(qū)水土保持林景觀規(guī)劃和管理提供依據(jù)。

1.5 防護(hù)林景觀格局生態(tài)學(xué)研究方法

景觀生態(tài)學(xué)研究方法是促進(jìn)景觀生態(tài)學(xué)理論發(fā)展和保證景觀生態(tài)學(xué)得到有效應(yīng)用的手段和保障。因此，在景觀生態(tài)學(xué)研究中，方法的研究是一個(gè)難度較大同時(shí)又是最為活躍的陣地，國內(nèi)外學(xué)者十分重視這一方面的研究。我們國家在這一方面的研究比較薄弱，從總體上看，我國在開展景觀生態(tài)學(xué)研究中，基本上都是采用國外尤其是美國景觀生態(tài)學(xué)的原理、方法;在景觀格局研究中，多是采用景觀指數(shù)或國外開發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件包，如SPANS、Le、LSPA、FRAGSTAS等，其中以FRAGSTAS功能最強(qiáng)，使用最廣。FRAGSTATS［50］是由美國俄勒岡州立大學(xué)森林科學(xué)系開發(fā)的一個(gè)景觀指標(biāo)計(jì)算軟件，它有兩種版本，矢量版本運(yùn)行在 ARC/INFO環(huán)境中，接受ARC/INFO格式的矢量圖層;柵格版本可以接受ARC/INFO、IDRISI、ERDAS等多種格式的格網(wǎng)數(shù)據(jù)。兩個(gè)版本的區(qū)別在于:柵格版本可以計(jì)算最近距離、鄰近指數(shù)和蔓延度，而矢量版本不能;另一個(gè)區(qū)別是對(duì)邊緣的處理，由于柵格化的地圖中，斑塊邊緣總是大于實(shí)際的邊緣，因此柵格版本在計(jì)算邊緣參數(shù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤差，這種誤差依賴于網(wǎng)格的分辨率。FRAGSTATS軟件功能強(qiáng)大，可以計(jì)算出幾十個(gè)景觀指數(shù)。這些指數(shù)被分為3組級(jí)別，分別代表了3種不同的應(yīng)用尺度:(1)斑塊級(jí)別(patch-level)中單個(gè)斑塊的結(jié)構(gòu)特征，也是計(jì)算其它景觀級(jí)別指數(shù)的基礎(chǔ);(2)景觀類型級(jí)別(class-level)指數(shù)，反映景觀中不同斑塊類型各自的結(jié)構(gòu)特征;(3)景觀級(jí)別(landscape-level)指數(shù)，反映景觀的整體結(jié)構(gòu)特征。在使用FRAGSTATS時(shí)，用于分析的景觀是由使用者來定義的，它可以代表任何空間分布特征，F(xiàn)RAGSTATS定量化景觀中斑塊面積大小和空間分布特征，只能分析類型數(shù)據(jù)(如各種類型圖)。如同任何其他計(jì)算機(jī)軟件一樣，數(shù)據(jù)的生態(tài)學(xué)涵義是不可能“編入”軟件包中，而只能靠研究者將各種信息匯總并經(jīng)大腦加工后而獲得。因此，使用者必須根據(jù)景觀數(shù)據(jù)的特征和所研究的問題合理地選擇所分析景觀數(shù)據(jù)的特征，并根據(jù)所研究問題合理地選擇所分析景觀的幅度(Extent)和粒度(Grain)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)陌邏K分類及其邊界的確定。同時(shí)，由于許多指標(biāo)之間具有高度的相關(guān)性，只是側(cè)重面有不同，因而使用者在全面了解每個(gè)指標(biāo)所指征的生態(tài)意義及其所反映的景觀結(jié)構(gòu)側(cè)重面的前提下，可以依據(jù)各自研究的目標(biāo)和數(shù)據(jù)的來源與精度來選擇合適的指標(biāo)與尺度。

與此同時(shí)，我國學(xué)者也結(jié)合自己的研究專題，提出了一些創(chuàng)新的思路，如肖篤寧等［51］通過構(gòu)造城市化指數(shù)評(píng)價(jià)區(qū)域的城市化趨勢(shì);趙景柱［52］建立了包括13個(gè)指標(biāo)的景觀生態(tài)格局動(dòng)態(tài)度量指標(biāo)體系;郭晉平等［53，54］設(shè)計(jì)了兩種適用于GIS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理及空間分析的樣方取值方法，即基準(zhǔn)面積法和樣方斑塊數(shù)法，還提出了景觀要素空間關(guān)聯(lián)指數(shù);傅伯杰［7］實(shí)現(xiàn)了景觀多樣性的空間制圖;楊學(xué)軍等［55］基于生態(tài)系統(tǒng)和物種兩個(gè)水平的條件性研究，嘗試以W和Z兩個(gè)指標(biāo)對(duì)森林景觀的生物多樣性進(jìn)行評(píng)價(jià);江源［56］將測(cè)定溫度的轉(zhuǎn)化糖方法引入到景觀生態(tài)學(xué)研究中等。盡管這些方法、手段乃至基本思路不是十分完善，但已充分顯示了我國學(xué)者的探索精神。在景觀生態(tài)學(xué)方法的研究中，最值得一提也是最具發(fā)展?jié)摿Φ氖沁b感技術(shù)(RS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)以及地理信息系統(tǒng)(GIS)。遙感技術(shù)可以為景觀生態(tài)學(xué)提供必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，如空間位置、植被類型、土地利用狀況、土壤類型等特征因子，這是景觀生態(tài)學(xué)研究所必需的基本技術(shù)條件;全球定位系統(tǒng)能為景觀類型提供精確的地理坐標(biāo)，根據(jù)定位采集的解譯標(biāo)志可為遙感圖片的解譯、分類提供方便;而地理信息系統(tǒng)具有強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)管理、分析和顯示功能，在景觀格局分析和景觀動(dòng)態(tài)過程和模擬等應(yīng)用方面具有重要的意義。如果沒有遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展，景觀生態(tài)學(xué)將難以有效地對(duì)大尺度的景觀結(jié)構(gòu)、功能和過程開展研究。我國不少學(xué)者已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這個(gè)問題，而且已在不斷探索RS、GPS和GIS在景觀生態(tài)學(xué)中新的應(yīng)用。如邵國凡［57］應(yīng)用GIS對(duì)森林景觀動(dòng)態(tài)進(jìn)行了模擬;彭少麟等［58］、馬榮華等［59］則利用 RS 和GIS研究廣東植被光利用率、海南植被的變化情況;常禹等［60］在概括了基于個(gè)體的空間直觀模型的發(fā)展歷程后，分析了在柵格GIS內(nèi)部開發(fā)基于個(gè)體的空間直觀模型的過程及其所涉及的幾個(gè)問題;趙光等［61］則首次運(yùn)用RS和GIS研究中國東北一原始針闊混交林的破碎過程，這些成果充分展示了RS、GPS和GIS在景觀生態(tài)學(xué)研究中的發(fā)展?jié)摿凸饷髑熬?。由于受客觀條件的限制，我國的遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展一直處于滯后的地位，從而限制了我國景觀生態(tài)學(xué)研究工作的廣度和深度。

2 我國防護(hù)林景觀生態(tài)學(xué)研究存在的問題

20年來，我國的景觀生態(tài)學(xué)研究不僅發(fā)展迅速，研究工作也卓有成效，充分展示了景觀生態(tài)學(xué)在我國的發(fā)展前景。但是，與國外相比較，我國的景觀生態(tài)學(xué)研究還有著較大的差距，主要存在以下幾個(gè)方面的問題:

(1)研究基礎(chǔ)薄弱，技術(shù)手段相對(duì)落后。群落和生態(tài)系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)不足以及基礎(chǔ)資料積累不夠，使得在闡明景觀結(jié)構(gòu)與功能之間關(guān)系時(shí)力不從心，而RS、GPS和GIS技術(shù)普及的滯后則阻礙了景觀生態(tài)學(xué)研究的深入;

(2)研究方法單調(diào)、不完善，尚未建立我國的景觀生態(tài)學(xué)理論體系。研究方法基本上停留在各類景觀指數(shù)的計(jì)算和分析上，方法上沒有實(shí)現(xiàn)質(zhì)的創(chuàng)新，尚未形成我國的景觀生態(tài)學(xué)理論體系和景觀生態(tài)學(xué)流派;

(3)研究專題過于集中，缺乏尺度的連續(xù)性。目前，我國的景觀生態(tài)學(xué)研究多集中在中、小尺度上，在較大尺度、大尺度以及跨尺度上的系統(tǒng)研究還比較少;

(4)研究深度和廣度不夠。研究多集中在景觀結(jié)構(gòu)和格局的研究上，缺乏景觀格局與生態(tài)過程間相互關(guān)系的研究;

3 我國防護(hù)林景觀生態(tài)學(xué)研究展望

針對(duì)以上問題，今后我國防護(hù)林景觀生態(tài)研究應(yīng)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面:

(1)景觀格局的數(shù)量化研究方法應(yīng)得到進(jìn)一步的發(fā)展。近年來，對(duì)景觀格局所作的定量分析包括空間異質(zhì)性、空間相關(guān)性、空間規(guī)律性(趨向性和梯度)和景觀格局的等級(jí)結(jié)構(gòu)等參數(shù)。

(2)應(yīng)著重加強(qiáng)對(duì)典型林區(qū)的跨尺度綜合研究，深入探索景觀結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，為森林景觀研究提供可借鑒的指標(biāo)和方法。如森林景觀空間格局及動(dòng)態(tài)分析，及分析的深度和廣度;確定森林景觀生態(tài)規(guī)劃的目標(biāo)、步驟、深度、廣度等，均有待進(jìn)一步深入探討。

(3)應(yīng)加強(qiáng)以“3S”技術(shù)以及為代表的新技術(shù)在景觀格局研究中的應(yīng)用，智能地理信息系統(tǒng)(IGIS，即地理信息系統(tǒng)與專家系統(tǒng)的結(jié)合)及其三維可視化多尺度分析也應(yīng)受到重視。

(4)研究切實(shí)有效的數(shù)學(xué)模型，對(duì)景觀的動(dòng)態(tài)進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測(cè)和計(jì)算機(jī)模擬。

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