厦门市景观格局尺度效应与形成机制解读
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景观生态学的基本理论一、耗散结构理论1. 耗散结构理论概述⏹一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统),通过不断地与外界交换物质和能量,在系统内部某个变量的变化达到一定的阈值时,通过涨落,系统可能发生突变,由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。
⏹由于这种在远离平衡的非线性区形成的有序结构,以能量的耗散来维持自身的稳定性,故称为“耗散结构”(dissipativestructure) 。
⏹耗散结构:位于远离平衡态的复杂系统,在外界能量流或物质流的维持下,通过自组织形成一种新的有序结构。
2. 耗散结构理论的意义⏹耗散结构理论认为:生态系统属于耗散结构系统,在于:1). 生态系统是开放系统;2). 所有生态系统都远离热力学平衡态;3). 生态系统中普遍存在着非线性动力学过程。
二、等级理论(hierarchy theory )等级理论是关于复杂系统结构、功能和动态的系统理论。
通常,等级是一个由若干个单元组成的有序系统,而复杂性常具有等级形式。
一个复杂系统由相互关联的亚系统组成,亚系统又由各自的亚系统组成,往下类推直到最低层次。
所以,等级系统中的每一层次都由不同的亚系统或整体元组成,每一级组成单元相对于低层次表现出整体特性,而对高层次则表现出从属性或制约性。
基于等级理论,复杂系统可视为由具有离散性等级层次组成的等级系统。
解析:高等级层次上的生态过程(如全球植被变化)呈现大尺度、低频率和慢速;而低等级层次的生态过程(如局地植物群落物种组成变化)为小尺度、高频率和快速。
不同等级层次间相互作用,高层次对低层次的制约作用在模型中可表达为常数,而低层次提供机制和功能,其信息常以平均值的形式来表达。
等级系统结构:分垂直和水平两种。
前者指等级系统层次数目、特征及其相互作用关系,后者指同一层次上亚系统的数目、特征和相互作用关系。
层次和整体单元的边界称为界面。
城市景观格局、生态效应及恢复力特征城市中的人工景观、基础设施等和其他的一些自然形成的景观、地理特征等等,共同构成了城市景观格局的特征,构成城市景观格局的自然因素具体包括城市的斑块、本底、廊道、边界等因素。
下面主要分析城市景观格局的一些基本特征:1.1 以人为主体的人工景观城市景观格局大部分是由人工设计形成的,人类有目的的进行城市景观设计,以实现城市的美观性和功能性等特征,其次人类在城市中的生活和工作,也影响着城市的自然环境改变,例如人类的生产活动影响城市的水文状况、气象特点,人类的开采资源、建筑施工活动影响着城市的地形地貌和自然资源,人类的对城市的规划设计影响城市的自然条件、水文状况、地表结构、动植物区系等等。
不同城市的景观反映着城市的特色,城市中的景观格局也反映着人工干预的痕迹,因此,城市的景观格局首要的特点体现了人类在城市景观格局形成中的重要作用,城市的景观格局以人工景观为主。
1.2 城市景观的破碎性城市景观的破碎性主要表现在景观的孤立、碎片化,众多的景观单元并没有整体性、系统性,呈现出孤立、零散的特征。
由于人类活动的的复杂性、多变性导致的自然尽管的分化,形成了城市景观的破碎性,例如,城市中的道路建设将城市的进行分割,甚至有一些复杂的交通线路会破坏城市中原有的地形地貌,造成土地景观的破碎化,这也是导致城市生物多样性降低的原因之一,城市景观的破碎化使得城市在城市中难以形成整体的、系统的生态循环系统,不利于城市生态化建设。
1.3 城市景观的异质性景观异质性是指一个景观中对一个种或更高级生物组织的存在起决定性作用的资源或某种形状,在空间上、时间上的变异程度或强度。
在城市生态系统表现为景观格局生态过程和功能之间的关联度变异程度。
景观异质性是基本生态过程和物理环境过程在空间和时间尺度上共同作用的产物,是景观要素生态属性和空间属性变异程度的综合表现。
城市景观的异质性来源主要是人工产生的,如城市中的道路、街道、建筑物、广场、行道树、运河、护城河等都是人工兴建、栽植和开挖的,同时,城市景观的异质性有一部分来自于自然原因,如城市中的河流等等。
景观生态学原理|——景观格局与分析景观的三个特征:1、格局:生态系统的大小、形状、数量、类型及空间配置相关的能量、物质和物种的分布2、功能:景观单元之间的相互作用,生态系统组分间的能量流动、物质循环和物种流3、动态:斑块镶嵌结构与功能随时间的变化3.1 景观发育景观格局的形成,受到生物与非生物两个方面的影响3.2 景观要素景观要素包括景观斑块、廊道、基质,以及附加结构3.2.1 斑块(patch)空间的非连续性以及内部均质性1. 斑块起源主要因素:环境异质性(environmental heterogeneity)自然干扰(natural disturbance)人类活动(human activity)1、环境资源斑块由于环境异质性导致,稳定,与自然干扰无关,由于环境资源的空间异质性和镶嵌规律2、干扰斑块由于基质内的各种局部干扰引起,具有最高的周转率,持续时间最短3、残存斑块是动植物群落受干扰后基质内残留的部分4、引进斑块人们把生物引入某一地区后形成的斑块1)种植斑块2)聚居地2. 斑块面积1、对物质和能量的影响2、对物种的影响1)岛屿,面积效应——生境多样性(habitat diversity)——物种多样性2)陆地,基质异质性高3. 斑块形状斑块的形状和走向对穿越景观扩散的动植物至关重要1、圆形和扁长形斑块,内缘比(interior ratio)2、环状斑块3、半岛4. 斑块镶嵌相似的斑块容易造成扩散不同类型的斑块镶嵌,能够形成对抗干扰的屏障、5. 斑块化(缀块性,patchiness)与斑块动态1、斑块化机制斑块化:斑块的空间格局及其变异,大小、内容、密度、多样性、排列状况、结构、边界特征对比度(contrast):斑块之间以及斑块与基质之间的差异程度空间异质性(spatial heterogeneity):通过斑块化、对比度以及梯度变化所表现出来的空间变异性生物感知(organism-sensed):生物对于斑块化的反应最小斑块化尺度(smallest patchiness scale):粒度(grain)最大斑块化尺度(largest patchiness scale):幅度(extent)斑块化动态:斑块内部变化和斑块间相互作用导致的空间格局及其变异随时间的变化斑块化产生的原因:物理的和生物的,内部和外源的2、斑块化的特点1)可感知2)内部结构,时空等级性,大尺度斑块是小尺度斑块的镶嵌体3)相对均质性4)动态特征5)生物依赖性6)斑块的等级系统(patch hierarchy)7)等级间的相互作用8)斑块敏感性(patch sensitivity)9)斑块等级系统中的核心水平:最能集中体现研究对象或过程特征的等级水平,相应的时空尺度称为核心尺度(focal scale)10)斑块化原因和机制的尺度依赖性3、斑块化的生态与进化效应3.2.2 廊道(corridor)廊道是线性的景观单元,具有通道合阻隔的双重作用1. 廊道的起源干扰廊道、残存廊道、环境资源廊道、种植廊道、再生廊道2. 廊道的结构特征1)曲度:廊道的弯曲程度,影响物质、能量、物质的移动速度2)宽度3)连通性:廊道单位长度上间断点的数量表示4)内环境:较大的边缘生境和较小的内部生境3. 廊道分类1)线状廊道:全部由边缘物种占优势的狭长条带2)带状廊道:较丰富的内部种的内环境的较宽条带3)河流廊道:分布在河流两侧3.2.3 基质(matrix)1. 基质的判定1)相对面积2)连通性3)控制程度4)3个标准结合2. 孔隙度和边界形状孔隙度(porosity):单位面积的斑块数目3.2.4 附加结构(add-on)异常景观特征,在整个景观中只出现一次或几次的景观类型3.3 景观格局特征目的:从无序的斑块镶嵌中,发现潜在的有意义的规律性3.3.1 斑块-廊道-基质模式(patch-corridor-matrix model)3.3.2 景观对比度1. 低对比度结构自然形成的,热带雨林,相邻景观要素彼此相似2. 高对比度结构自然、人工3.3.3 景观粒径(landscape grain)粗粒(coarse grain)和细粒(fine grain)生物体粒径(home range):生物体对其敏感或利用的区域粒径大小取决于整个景观的尺度3.3.4 景观多样性(landscape diversity)由不同类型生态系统构成的景观在格局、功能和动态方面的多样性或变异性,反映景观的复杂性程度1)斑块多样性:数量、大小、形状的多样性2)类型多样性:景观类型的丰富度3)格局多样性:景观类型空间镶嵌的多样性3.3.5 景观异质性(landscape heterogeneity)多样性——斑块性质的多样化异质性——斑块空间镶嵌的复杂性,景观结构空间分布的非均匀性、非随机性1)空间异质性2)时间异质性3)功能异质性梯度分布镶嵌结构3.4 生态交错带与生态网络3.4.1 边缘效应与生态交错带景观单元之间的空间联系:生态交错带、网络结构1. 边缘效应(edge effect)边缘地带由于环境条件不同,可以发现不同的物种组成和丰富度边缘物种:仅仅或主要利用景观边界的物种内部物种:远离景观边界的物种2. 生态交错带(ecotone)描述物种从一个群落到其界限的过渡分布区,由两个不同性质的斑块的交界及各自的边缘带组成生态过渡带(transition zone)景观边界(landscape boundary)1)特征:生态应力带(tension zone)、边缘效应、阻碍物种分布(半透膜)、2)描述:结构:大小、宽度、形状、生物结构、限制因素、内部异质性、密度、分形维数、垂直性、外形或长度、曲合度功能:稳定性、波动、能量、功能差异、通透性、对比度、通道、过滤、屏障、源、汇、栖息地3)尺度效应:某一尺度上可以明辨的交错带在另一尺度上可能模糊不清4)气候变化:更为敏感,迟滞(lag)5)生态交错带与生物多样性:农业生产把异质的自然景观变成大范围同质的人工景观,消灭了自然生态交错带,扩展了人为生态交错带3.4.2 生态网络与景观连通性生态网络(network)将不同的生态系统相互连接起来两类物种:生活在网络包围的景观要素内部的物种,廊道是一种障碍;生活在廊道内、沿着廊道迁移的物种1. 廊道网络由节点(node)和连接廊道构成,分布在基质上形式:分支网络(branching network):树状的等级结构环形网络(circuit network):封闭的环路结构1)廊道网络的结构特征网络交点、网状格局、网眼大小、网络结构的决定因素(历史和文化的)2)廊道网络描述连通性:在一个系统中所有交点被廊道连接起来的程度,指示网络的复杂度,用r指数方法来计算r指数:连接廊道数与最大可能连接廊道数之比r=L/Lmax=L/3(V-2),V为节点数环度:用α指数衡量,表示能流、物流、物种迁移路线的可选择程度。
城市土地利用空间结构分析的尺度效应
李天宏;张洋;倪晋仁;薛安;欧雄
【期刊名称】《应用基础与工程科学学报》
【年(卷),期】2004(12)2
【摘要】以蛇口工业区为例,采用土地利用信息图的方法、引入均质度的概念研究了城市土地利用空间结构,分五种网格尺度讨论了均质度随网格大小变化的规律.研究表明,土地利用的均质度随着划分的网格尺度的变化而相应变化,信息单元的尺度越小,土地利用的均质度也越小.其原因是网格越大,越能掩盖零散分布的细小土地斑块,强化了区域内主要的土地利用类型;相反,随着网格的缩小,小地块的信息就可以逐渐提取出来,提取的土地利用信息变得复杂.
【总页数】8页(P132-139)
【关键词】城市土地利用;空间结构;尺度效应;均质度;信息图;网格尺度
【作者】李天宏;张洋;倪晋仁;薛安;欧雄
【作者单位】北京大学环境工程系水沙科学教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】F299.233
【相关文献】
1.河谷型城市城乡结合部景观格局空间尺度效应分析——以兰州市西固区土地利用格局为例 [J], 潘竟虎;李璟
2.江淮城市群土地利用空间结构的多尺度研究 [J], 白如山;姜玉培;曾承
3.上海市城市土地利用景观的空间尺度效应 [J], 徐丽华;岳文泽;曹宇
4.基于“三生空间”的滇中城市群土地利用空间结构多尺度分析 [J], 陈仙春;赵俊三;陈国平
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西北林学院学报2009,24(2):166~170Journal o f No rthw est F or est ry U niversit y景观格局指数的粒度效应以沈阳城市森林为例李小马,刘常富*(沈阳农业大学林学院,辽宁沈阳110161)摘 要:基于沈阳市2006年QuickBird卫星影像,以城市森林为对象,从景观和斑块类型水平研究了25个常用景观格局指数在细粒度范围(粒度边长<30m)的粒度效应。
结果显示:(1)25个指数随粒度增加的响应可分为3类:单调上升或下降、u型或n型变化和无规律变化。
(2)5种城市森林类型对景观格局指数的粒度效应表现出2种趋势:以小斑块为主的附属林和道路林随粒度增加斑块数量急剧减少,相应指数变化幅度较大;以大斑块为主的风景游憩林、生产经营林和生态公益林,景观格局指数对斑块数量变化不敏感,但随粒度增加斑块面积增加,引起面积加权平均斑块面积和有效格网大小等指数较大变化。
(3)通过景观格局指数尺度检测图的拐点,沈阳城市森林景观格局分析的适宜粒度为5m。
关键词:景观格局指数;粒度效应;城市森林中图分类号:S731.2 文献标识码:A 文章编号:1001 7461(2009)02 0166 05Grain Size Effect on Landscape Patt ern IndicesA Case Study of Shenyang Urban Fo restLI Xiao ma,LIU Chang fu*(F or estry Colle ge,Sh enyang Ag ricu ltural Univ er sity,S heny ang,L iaoning110161,China)Abstract:Gr ain size effect on landscape pattern indices of Shenyang urban fo rest w as investigated at the fine gr ain scale(one side of a pix el w as less than30m)through25comm only used landscape indices based on the QuickBird satellite image taken in2006.T he results show ed that(1)the25landscape pattern indi ces can be divided into thr ee types acco rding to their responses to grain size changing.Indices o f the fir st ty pe incr eased or decr eased mo no to nically,and the second type sho w ed u or n sty le,w hile the third gro up displayed uncertain responses;(2)Responses o f landscape pattern indices to gr ain size changing of the five urban forest ty pes fell into tw o trends.Patch num ber o f subor dinated forest and r oad forest decreased fast w ith g rain size changing,w hich caused the corr espo nding landscape pattern indices to change g reatly,be cause the tw o urban for est ty pes w ere mainly com posed of small patches.On the contrary landscape and recreation for est,production and manag em ent fo rest,and eco logical and public w elfare fo rest,character ized by big patches,w ere no t sensitive to patch number but sensitive to patch ar ea,w hich m ade landscape pattern indices such as area w eig hted m ean patch size and effective mesh size to chang e g reatly;(3)5m w as the optim al grain size for Shenyang urban forest landscape patter n r esearch based on landscape pattern indices scalog ram.Key words:landscape patter n indices;grain size effect;urban for est景观格局指数是指能够高度浓缩景观格局信息,反映景观结构组成和空间配置特征的定量指标,收稿日期:2008 05 36 修回日期:2008 07 27基金项目:国家自然科学基金(30600482)。
【景观生态学题库】景观生态学判断题景观生态学题库一、名词解释斑块、廊道、景观粒度、景观对比度、空间异质性、尺度、景观边界、景观连接度、生态学干扰、“源”景观、景观格局、环境资源斑块、残存斑块、孔隙度、尺度效应、文化景观、广义景观、景观生态网络、景观指数、组织尺度。
斑块:二、单项选择题1.景观要素的类型主要由什么构成()。
(A)斑块、廊道、基质(B)斑块、类型、格局(C)空间、基质、尺度(D)格局、过程、空间2.景观生态学中,景观的本质主要是指什么()。
(A)绝对空间尺度(B)相对空间尺度(C)景观与特定研究问题相关的空间异质性(D)景观生态流3.景观生态学是一门什么学科()。
(A)单一学科(B)综合性学科(C)交叉学科(D)综合性交叉学科4.目前,最受人们重视、最活跃的生态学研究领域是()。
(A)个体生态学(B)种群生态学(C)群落生态学(D)生态系统生态学5.一个与周围环境不同的相对均质的非线性区域称为()。
(A)廊道(B)基底(C)斑块(D)基质6.广义景观强调空间的什么性质()。
(A)异质性(B)斑块性(C)重复性(D)均质性7.景观中不同生态系统的面积、形状和丰富度,它们的空间格局以及能量、物质和生物体的空间分布等,均属于下列哪一的内容()。
(A)景观结构特征(B)景观功能(C)景观动态(D)景观差异性8.景观功能的改变可导致什么结果()。
(A)结构的变化(B)功能的改变(C)动态的变化(D)不会变化9.景观结构的具体含义是指()。
(A)景观组成单元的类型,多样性及其空间关系(B)景观结构与生态学过程的相互作用,或者景观结构单元之间的相互作用(C)景观在结构上和动能方面随时间的变化(D)景观对其他生态环境的影响作用10.景观功能的具体含义是指()。
(A)景观组成单元的类型,多样性及其空间关系(B)景观结构与生态学过程的相互作用,或者景观结构单元之间的相互作用(C)景观在结构上和动能方面随时间的变化(D)景观对其他生态环境的影响作用11.景观动态的具体含义是指()。
基于景观尺度的城市冷岛效应研究综述∗余兆武1,2㊀郭青海1㊀孙然好3∗∗(1中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室,福建厦门361021;2中国科学院大学,北京100049;3中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085)摘㊀要㊀城市冷岛效应相对于热岛效应而提出,强调景观规划对于优化城市热环境的功能和途径.本文从景观斑块面积㊁指数㊁阈值以及景观格局及其相关性等方面分析了水域㊁绿地与公园冷岛效应研究进展.分析发现:基于景观尺度的城市冷岛效应在面积与形状指数二者谁具有更为显著的冷岛效应方面存在较大争议,对阈值的辨识还不够深入,并且过多关注景观组成而缺乏关于不同景观配置对冷岛效应的影响研究.水域景观的冷岛效应应该多关注形状㊁宽度以及位置等的影响,而绿地景观的冷岛效应多关注绿地类型㊁面积㊁配置和管理方式等,城市公园的冷岛效应还会受到海拔㊁人类活动等影响.基于此提出几点建议:以阈值研究为主导,对争议问题进一步探求其形成的原因;强化对时间序列的研究;辨识不同景观格局和景观配置对 冷岛 效应的影响;注重尺度和粒度对冷岛效应的影响研究;加强多学科的交叉耦合.关键词㊀水域景观;绿地景观;公园;城市冷岛;阈值文章编号㊀1001-9332(2015)02-0636-07㊀中图分类号㊀Q14㊀文献标识码㊀AImpactsofurbancoolingeffectbasedonlandscapescale:Areview.YUZhao⁃wu1,2,GUOQing⁃hai1,SUNRan⁃hao3(1KeyLaboratoryofUrbanEnvironmentandHealth,InstituteofUrbanEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Xiamen361021,Fujian,China;2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcolo⁃gy,ResearchCenterforEco⁃EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China).⁃Chin.J.Appl.Ecol.,2015,26(2):636-642.Abstract:Theurbancoolingisland(UCI)effectisputforwardincomparisonwiththeurbanheatislandeffect,andemphasizesonlandscapeplanningforoptimizationoffunctionandwayofurbanthermalenvironment.Inthispaper,wesummarizedcurrentresearchoftheUCIeffectsofwaters,greenspace,andurbanparkfromtheperspectiveofpatcharea,landscapeindex,thresholdvalue,landscapepatternandcorrelationanalyses.Greatcontroversywasfoundonwhichofthetwofactorspatchareaandshapeindexhasamoresignificantimpact,thequantificationofUCIthresholdisparticularlylacking,andattentionwaspaidtoomuchontheUCIeffectoflandscapecompositionbutlittleonthatoflandscapeconfiguration.Moreattentionshouldbepaidonshape,widthandlocationforwaterlandscape,andonthetypeofgreenspace,greenarea,configurationandmanagementforgreenspacelandscape.ThealtitudeofurbanparkandhumanactivitiescouldalsoinfluenceUCIeffect.Inthefuture,thethresholddeterminationshoulddominatetheresearchofUCIeffect,thereasonsofcontroversyshouldbefurtherexplored,thestudyoftimesequenceshouldbestrength⁃ened,theUCIeffectsfromlandscapepatternandlandscapeconfigurationshouldbeidentified,andmoreattentionshouldbepaidtospatialscaleandresolutionfortheprecisionandaccuracyoftheUCIresults.Also,synthesizingthemultidisciplinaryresearchshouldbetakenintoconsideration.Keywords:waterlandscape;greenlandscape;urbanpark;urbancoolingisland;threshold.∗国家自然科学基金项目(41471150,41230633)㊁厦门市科技计划项目(3502Z20122001)和国家科技支撑计划项目(2012BAC07B04)资助.∗∗通讯作者.E⁃mail:rhsun@rcees.ac.cn2014⁃04⁃18收稿,2014⁃10⁃25接受.应用生态学报㊀2015年2月㊀第26卷㊀第2期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ChineseJournalofAppliedEcology,Feb.2015,26(2):636-642㊀㊀快速的城市化显著改变了城市景观过程和格局演化[1-2],尤其是导致城市地表不透水面积增大[3-4],改变了城市地表的热力性质,导致城市地区近地层大气结构发生改变,产生了诸如城市 雨岛效应 ㊁ 干岛效应 ㊁ 雷暴岛效应 ㊁ 混浊岛效应 以及 热岛效应 等生态环境后果[5].城市热岛效应是城市中的气温明显高于外围郊区的现象,是城市气候中最显著的特征[6].城市 冷岛效应 是随着城市 热岛效应 研究的不断深化而逐渐发展起来,强调如何通过更加有效的景观规划措施减缓这一热岛效应. 冷岛效应 最早出现在对沙漠绿洲与湖泊观测时发现的气象现象,相对于热岛效应称之为 冷岛效应 [7].而随着城市化的发展,在城市大尺度上也逐渐认识到城市冬季白天 冷岛效应 的存在[8].现有大多数城市热岛效应的研究是在整个城市尺度,对城市内部不同景观斑块的微观气候条件缺乏研究[6,9].随着景观生态学的发展,景观尺度对缓解城市热岛的研究逐渐得到学者关注,随之也开始了对城市 冷岛效应 的研究.城市景观中水体常被称为 蓝 系统,而绿地则被称为 绿 系统[10].水体景观与绿地景观都具有冷岛效应[11-13].公园通常具有绿地与水域,城市中公园又是必不可少并且具有明显冷岛效应的景观类型,因此公园可以作为一种独立景观斑块进行研究.冷岛效应不仅具有正效应,也具有负效应,夏季为正效应,冬季一般表现为负面效应,比较不同景观类型地表温度的变异特征则可以发现其正负效应规律[14].水域㊁绿地和公园的夏季降温效应明显㊁强度大,而冬季降温效应不明显㊁强度小,总体来看,降温效应为正面作用.本文着重综述不同水域㊁绿地和公园冷岛效应的正面作用,以期为城市环境优化与规划实践提供理论和实践支持.1㊀常用的研究方法与存在问题现有的基于景观尺度的城市 冷岛 研究方法与城市热岛的研究方法基本相同.数据获取上主要采用实地测量㊁气象监测资料㊁卫星遥感等方法[15-17].传统的实地监测与气象资料难以很好地反映城市热环境空间状况[18],也难以有效地反映城市 冷岛 情况.热红外遥感技术通过对大范围㊁大尺度遥感数据分析可以很好地解决上述问题[17,19-20].国内学者主要利用遥感和GIS相结合的方法建立冷岛分布和强度特征,并探讨其中的相关关系[9,21-23].但这一方法也有缺陷,遥感技术方法只能反映出地表温度(LST)却不能反映真实的气温,无法反映因水域㊁绿地冷岛效应所降低的温度[24],也无法反映垂直结构的影响.数学模型和计算机模拟技术运用于预测绿地对热岛的缓解作用[25-26],但该方法也存在模拟结果难以检验等问题.目前,常用的研究流程主要为:对实地测量㊁气象监测以及卫星遥感数据获取后进行参数设定和数据校正,其中,遥感数据主要通过LandsatTM㊁SPOT㊁ASTER㊁QuickBird㊁IKONOS㊁Worldview等卫星遥感手段获取,并进行辐射校正㊁几何校正与配准,然后对LST进行反演,随后将校正后的信息在ArcGIS上进行缓冲㊁叠置㊁邻域等分析,最后通过确定的景观指数与参数设定进行相关的统计分析(图1).基于景观尺度的冷岛效应研究最终目的就是通过对水体㊁绿地㊁公园等景观斑块进图1㊀城市 冷岛效应 研究技术与方法Fig.1㊀Methodsandtechniquesintheresearchonurbancoolingeffects.7362期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀余兆武等:基于景观尺度的城市冷岛效应研究综述㊀㊀㊀㊀㊀㊀行研究以期为缓解城市热岛服务,因此城市 冷岛 研究最显著的特征就是如何构建最优的方法以明确景观尺度对城市 冷岛效应 的最佳阈值.2㊀城市水域的 冷岛 效应城市水域景观包括河流㊁湖泊和水库湿地等,是城市最重要的生态空间之一,是城市中自然要素最密集㊁自然过程最复杂的地域,对城市景观生态系统的形成发展具有重要影响[21],具有明显的 恒温效应 [3].水具有较大的热容量与热惯性㊁较低的热传导与热辐射率,有效降低了显热交换能力,改变了热量传输方式[27-29].因此,城市水域景观对于维持城市生态系统的平衡㊁缓解热岛效应㊁改善局部小气候以及对于城市 冷岛效应 的研究都具有重要意义[21,30].城市水域景观具有 冷岛效应 是学界共识[13].李东海等[31]研究发现,水面比例与地表温度呈显著的负相关,相关系数达到-0.72,岳文泽等[21]研究发现,上海外环的水域景观温度比整个外环平均地表温度低2.76ħ,具有明显的冷岛效应.从水域形状指数上看,岳文泽等[21]认为,面状水域比线状水域有更高的冷岛效率,并且随着距水域距离的增加呈非线性降低,线状河流的景观宽度与流经区域共同决定冷岛效率强弱.Sun等[22]研究认为,水体位置与周围建筑用地对城市冷岛效应具有重要作用,并且水体位置和景观形状指数(LSI)与城市冷岛强度存在相关关系.虽然城市水域景观具有 冷岛效应 ,但城市中的水体或绿地面积不可能无限大,因此相关研究逐渐从定量研究水域能够达到多大的冷岛效率(即能够降温多少或者占比多少)到定量分析哪种形状以及面积大小能够达到最大的冷岛强度,即阈值,城市水域冷岛强度只有在阈值范围内才能达到最高效率[3].有研究指出,河流水体的冷岛有效范围在200m左右,并且河流越宽,效率越高[31];Adams等[32]也发现,35m宽的河能够使其周围温度下降1 1.5ħ,有绿地存在时效果更强.Sun等[9]在北京研究发现,随着水体面积的增大,冷岛强度增大,但冷岛效率明显降低,59%的水体冷岛范围在100m以内,冷岛平均强度为0.54ħ㊃hm-2, 冷岛 效率平均为1.76ħ㊃(100m)-1㊃hm-2,且面积较小水体的冷岛效率变异很大,表明水体冷岛效率存在面积阈值和其他控制因子.城市水体冷岛效率阈值研究非常重要,原因在于一方面城市化过程不可能无限制增加水体或者绿地面积,另一方面如果完全忽视水体和绿地的规划建设则会导致城市生态系统失衡,产生诸如城市热岛等一系列不利影响,只有通过阈值研究才能兼顾环境与发展的平衡,为城市规划提供最优决策.由于研究区域㊁研究方法(地表温度反演方法不同)㊁时间与数据处理手段等的差异,有关水域与绿地冷岛效应的很多研究经常出现完全相反的结论,所以建议未来研究应该借鉴水文学中配对流域实验 的理念方法进行更加深入系统的城市 冷岛效应 配对实验研究,找出真正的关键因子,更好地认识其内在机理.3㊀城市绿地的 冷岛 效应城市绿地斑块包括草地㊁林地㊁乔灌草混交地,是维持城市生态系统平衡的重要景观类型.绿地植物通过植物蒸腾作用和光合作用能够有效吸收到达地表的太阳能辐射[33],并且植物遮蔽效应还通过拦截太阳辐射以及通过改变空气运动和气流交换来降低地表温度[25,34],这是城市绿地景观产生冷岛效应的基础.许多研究都指出,城市绿地能够减缓热岛效应,具有 冷岛效应 [11-12,35],也有人称为 绿岛效应 .这一效应受到绿地大小和类型㊁植物结构特征㊁格局特征㊁时间尺度的影响[12,19].Tiangco等[36]研究发现,温度与归一化植被指数(NDVI)呈显著负相关;Hardin等[37]发现,叶面积指数(LAI)与温度呈负相关关系,且LAI每增加1个单位,温度会降低1.2ħ.一般认为,绿地面积越大,冷岛效应越显著,但这种情况并不是绝对的[22,25].如Mikami等[38]对日本不同大小城市森林冷岛强度的研究发现,如果面积超过20hm2,冷岛强度就不会增加.另外,不同形状指数所产生的冷岛效应也有所不同,朱春阳等[20]研究表明,城市带状绿地可以发挥温湿效应的阈值宽度为34m,并且还受周边环境的影响.不同类型绿地的冷岛效应也存在差异,研究发现,人工绿地类型的冷岛效应明显弱于自然绿地类型[19].曹璐等[39]研究表明,植被的冷岛作用大于水体,但徐涵秋[13]研究发现,水体的冷岛作用大于植被,白杨等[40]研究发现,绿地与水体的冷岛作用随着不同月份而出现不同,5月绿地降温效率大于水体,而11月水体降温效率大于绿地,说明时间是影响冷岛作用的重要因素[40-42].过去对城市绿地冷岛的研究并没有很好区分不同的草地㊁林地等绿地类型,由于不同的参数设置对不同类型绿地的研究结果有很大影响,因此今后应针对不同绿地类型选取适当的参数[43].此外,不同树种具有不同的郁闭度,因而针对836㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀应㊀用㊀生㊀态㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀26卷不同树种的冷岛效应也是研究热点之一[25,44].不同的阈值率与绿地配置结构是研究城市绿地冷岛效应的重要方向.李延明等[45]研究发现,绿化覆盖度与冷岛强度呈正相关关系,绿化覆盖大于30%时,绿地对热岛有明显的削弱作用,超过50%时,得到明显缓解,规模大于3hm2且绿化覆盖率达到60%以上的集中绿地能够形成 冷岛效应 ,后来的研究也验证了这一阈值率[46].还有研究认为,绿地面积5hm2是地表温度是否受覆盖率或者面积影响的一个关键阈值[47].不同的绿地由于其内部结构和垂直结构不同,其冷岛强度都是不一样的,何介南等[15]和刘娇妹等[46]研究发现,乔木对城市冷岛效应的影响最显著,其次是乔灌木,最后是草地.Ren等[48]发现,城市森林绿地景观格局配置对缓解城市热岛㊁达到最大的 冷岛 效率具有重要作用.蔺银鼎等[49]在分析绿地结构㊁形状㊁面积等因子的基础上,认为城市绿地效应呈现出以绿地为中心向周边扩散的规律.城市绿地与水域一样,是城市重要且稀缺的景观类型,如何在面积㊁植被特征㊁形状指数以及景观格局基础上找出关键阈值是未来相关研究必须加强之一.4㊀城市公园的 冷岛 效应城市 冷岛效应 研究除了对城市水域( 蓝 系统)与城市绿地( 绿 系统)斑块研究之外,城市公园也是学者研究的一个重要方面.Bowler等[25]通过Meta分析发现,公园具有明显的冷岛效应,平均降温0.94ħ.一些学者也将公园类型的城市冷岛(UCI)称为公园冷岛(PCI)[16].城市公园通常包括草地㊁森林㊁河流以及湖泊等景观要素,因此公园位置㊁面积㊁形状指数㊁关键因子㊁水体或绿地面积所占比例是学者研究的重点.通常情况下,城市公园面积越大,其 冷岛效应 越明显,但两者关系是非线性的.有研究发现,城市公园面积大小存在一个阈值,超过这个阈值,其冷岛效率就出现下降[6,16,50],如对山城重庆的研究结果表明,公园面积超过14hm2即出现明显的冷岛效应[24].城市公园冷岛作用对公园小气候的影响不仅表现在公园内部,对周边地区也具有显著影响,如瑞典夏季公园与建筑区域最大温差可达5.9ħ,公园冷岛范围可达1.1km,墨西哥城的公园冷岛影响距离可达2km以上[11,51-52],说明不同经纬对冷岛效应具有显著影响.有学者发现,形状越复杂的公园具有越强的冷岛效应[6,53];但也有学者认为,景观多样性指数(LSI)与公园冷岛效率呈负相关关系[24].冯晓刚等[17]对西安的研究发现,当公园长宽比接近1时,城市公园冷岛影响距离是最远的.此外,对城市公园内部垂直与水平结构的探讨也存在很多观点.如Spronken⁃Smith等[54]在加利福尼亚的研究发现,具有灌溉绿地和高大乔木的公园的降温效应较强;苏泳娴等[23]和冯晓刚等[17]认为,公园冷岛效应与绿地㊁水体面积呈正相关关系,并且公园平均降温范围与绿地面积的拟合曲线近似于对数关系,但水体的降温幅度大于绿地,长宽比较大(ȡ2)的公园,即使公园面积较小,降温效果也较明显,当水体面积比例ȡ30%时,平均降温的影响范围和降温幅度均高于水体面积比例低于30%的公园;还有研究指出,公园面积是影响地表温度的最重要指标,绿地和水体面积是2个次要因素[17];Cao等[16]提出,公园绿地和形状可以作为预测公园冷岛效率的2个重要指标.Nichol[55]对香港城市公园昼夜观测以及Ren等[48]对长春不同季节的研究都表明,不同时间尺度对公园冷岛的影响非常大.目前,对公园冷岛效应研究在关键因子㊁阈值识别等方面存在诸多不确定性,还有很大争议;另外,海拔㊁人类活动类型对公园冷岛效应的影响程度存在差别.5㊀研究展望随着全球气候变化㊁城市热环境效应以及景观生态学研究的发展,基于景观尺度的城市 冷岛 研究越来越得到学者的关注.从最初仅在研究城市热环境效应中提到水体㊁绿地以及公园等景观类型对缓解城市热岛的作用,逐渐转变到正式运用城市 冷岛 以及城市 冷岛效应 这些词语来研究这一现象[6,9,16,22],这一转变说明城市冷岛效应研究的重要性以及对这一现象认识的加深.今后,尚需从以下几方面进行深入研究:1)基于景观尺度的城市冷岛研究应该以确定阈值为导向.虽然城市冷岛开始于城市热岛研究,但其阈值导向是区别于城市热岛研究最显著的特征.水域㊁绿地与公园属于城市稀缺景观,随着城市扩张,这些景观类型将逐渐减少,为了维持城市生态系统健康,必须保证这些景观类型占有一定比例和格局配置.对于这些阈值的研究已经取得了一定成果[17,22,31,43,53],但很多研究还属于起步阶段,仍然存在很多争议,这些争议源于不同城市的独有特点㊁数据采集处理㊁参数设定㊁时间变化以及城市多维结构特征等一系列因素.冷岛效应定量指标研究是开展9362期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀余兆武等:基于景观尺度的城市冷岛效应研究综述㊀㊀㊀㊀㊀㊀比较研究的前提,未来应该借鉴水文学中 配对流域实验 的相关理念方法,加强因子识别并找出真正阈值,使之能够在城市规划建设㊁缓解城市热岛中发挥现实作用.2)未来研究应该加强对时间序列的考量.以往研究中涉及最多的是不同景观类型所具有的冷岛或者热岛的定性与相关性描述,虽然对于阈值研究取得了一些成果,但目前研究主要探讨其空间变化,然而时间变化也是必须考虑的重要因素[22,56].景观格局包括景观组成和景观配置[43],目前研究主要考虑水域㊁绿地㊁公园对冷岛强度的影响,也提出了一些阈值,但除公园一些斑块考虑了景观组成对冷岛效率的影响之外[17,23],很少探讨不同景观格局与景观配置对冷岛强度㊁效率的影响,在未来研究中需要加强[57].3)尺度和粒度问题是景观生态学的核心问题[58].城市冷岛效应在时间和空间上所涉及范围和发生频率是不同的,研究中也会采取不同的时空尺度.如同一尺度上观测的冷岛性质㊁规律在另一尺度上不一定有效,需要进步一检验和验证.以遥感数据获取的信息来说,不同空间分辨率所获得的结果不相同,不同精度大小会对结果产生很大影响,这些都要求在研究中注意尺度转换问题[59].4)进行跨学科交叉研究.基于景观尺度的城市冷岛效应研究应该在景观生态学基础上结合自然科学与社会科学相关理念方法进行跨学科研究.有研究指出,城市森林能够有效地缓解城市热岛,并在这一基础上降低能源消耗,最终有利于空气质量的改善[60];美国模拟试验发现,在一座房子旁边种一棵树会产生明显的降温效应,每年可以减少53%空调用电量,用电量减少可进一步减少排放出的有害气体从而净化空气[61],对全球气候变化以及对人体健康均会产生不同程度的影响.多科学交叉研究已经越来越受到人们的重视与认可,基于景观尺度的城市冷岛研究也应该加强跨学科的交叉耦合.参考文献[1]㊀GaoLB,RenY,CuiZW,etal.Spatialandtemporalchangeoflandscapepatterninthehilly⁃gullyregionofLoessPlateau.ProcediaEnvironmentalSciences,2011,8:103-111[2]㊀KazaN.ThechangingurbanlandscapeofthecontinentalUnitedStates.LandscapeandUrbanPlanning,2013,110:74-86[3]㊀ChenL⁃D(陈利顶),SunR⁃H(孙然好),LiuH⁃L(刘海莲).Eco⁃environmentaleffectsofurbanland⁃scapepatternchanges:Progresses,problems,andper⁃spectives.ActaEcologicaSinica(生态学报),2013,33(4):1042-1050(inChinese)[4]㊀HuangJK,JrPontiusRG,LiQS,etal.Useofintensityanalysistolinkpatternwithprocessesoflandchangefrom1986-1007inacoastalwatershedofsoutheastChi⁃na.AppliedGeography,2012,34:343-358[5]㊀ShiJ(史㊀军),LiangP(梁㊀萍),WanQ⁃L(万齐林),etal.Areviewoftheprogressofresearchonurbanclimate.JournalofTropicalMeteorology(热带气象学报),2011,27(6):942-951(inChinese)[6]㊀ChangCR,LiMH,ChangCD,etal.Apreliminarystudyonthelocalcool⁃islandintensityofTaipeiCityparks.LandscapeandUrbanPlanning,2007,80:386-395[7]㊀SuC⁃X(苏从先),HuY⁃Q(胡隐樵).Thecoolislandeffectinoasisandlake.ChineseScienceBulletin(科学通报),1987,32(10):756-758(inChinese)[8]㊀LiuW⁃J(刘万军).ThecoolislandeffectinCity.Jour⁃nalofMeteorologyandEnvironment(气象与环境学报),1991(3):27-29(inChinese)[9]㊀SunRH,ChenLD.Howcanurbanwaterbodiesbedesignedforclimateadaptation?LandscapeandUrbanPlanning,2012,10:27-33[10]㊀YuK⁃J(俞孔坚),LiD⁃H(李迪华).Tenlandscapestrategiestobuildurbanecologicalinfrastructure.Plan⁃ner(规划师),2001,17(6):9-17(inChinese)[11]㊀YuC,HienWN.Thermalbenefitsofcityparks.EnergyandBuildings,2006,38:105-120[12]㊀OliveiraS,AndradeH,VazT.Thecoolingeffectofgreenspacesasacontributiontothemitigationofurbanheat:AcasestudyinLisbon.BuildingandEnviron⁃ment,2011,46:2186-2194[13]㊀XuH⁃Q(徐涵秋).Quantitativeanalysisontherela⁃tionshipofurbanimpervioussurfacewithothercompo⁃nentsoftheurbanecosystem.ActaEcologicaSinica(生态学报),2009,29(5):2456-2462(inChinese)[14]㊀SunRH,LüYH,ChenLD,etal.Assessingthestabili⁃tyofannualtemperaturesfordifferenturbanfunctionalzones.BuildingandEnvironment,2013,65:90-98[15]㊀HeJ⁃N(何介南),XiaoY⁃F(肖毅峰),WuY⁃X(吴耀兴),etal.Fourtypesofgreenspaceinurbanonthereductionofheatislandeffect.ChineseAgriculturalSci⁃enceBulletin(中国农学通报),2011,27(16):70-74(inChinese)[16]㊀CaoX,OnishiA,ChenJ,etal.Quantifyingthecoolis⁃landintensityofurbanparksusingASTERandIKONOSdata.LandscapeandUrbanPlanning,2010,96:224-231[17]㊀FengX⁃G(冯晓刚),ShiH(石㊀辉).ResearchonthecoolingeffectofXi 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厦门市景观格局尺度效应与形成机制
景观格局的尺度效应与形成机制研究是景观生态学研究的热点和难点
之一。
本文以景观生态学理论为基础,首先编制厦门市景观类型图,探讨了厦门
市不同幅度下的景观格局的半变异函数,建立厦门市景观格局的BP网络模型,进而分析厦门市景观格局的形成机制,在此基础上提出了厦门市景观格局优化对策。
结果表明:(1)厦门市景观多样性指数和斑块密度的空间格局差异很大,空间异质性明显,且其随尺度变化而变化,厦门市景观格局的较好分析幅度为3km。
(2)3km幅度下,厦门市景观多样性指数可分为三个区域:最高值区分布于多种景
观类型相互交错分布的城乡结合区,次高值分布具有多个中心,最低值区分布于
景观类型单一的市中心和山地。
斑块密度可分为三个层次:最大值分布于斑块较破碎区域,最低值分布于景观类型单一的北部和西北部森林覆盖地区和经济快速发展的市中心,次高值则介于两者之间。
(3)BP网络模型模拟结果平均误差为
12.34%,最小误差仅为1.06%,因此选取样本面积大小为3km×3km,具有一定的合理性;厦门景观格局形成机制与高程、坡度等自然因素,以及距公路远近、居民
点面积等社会经济因素有较大关系。
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【作者相关信息搜索】:福建师范大学;自然地理学;黄义雄;杜秀敏;。