基于机器学习方法的景观斑块属性对物种丰富度的影响研究

景观破碎化对物种的影响依赖于斑块属性,斑块属性体现了斑块的类型、面积、形状及其与周围斑块间关系。然而,在破碎化农业景观中这些斑块属性对关键物种的联合影响仍知之甚少。选取中国海南地区的典型农业破碎化景观,实测了180个斑块中三类关键物种,分别为害虫-橡胶材小蠹虫(Xyleborus affinis)、传粉昆虫-中华蜜蜂(Apis cerana)和天敌物种-玉米螟赤眼蜂(Trichogrammatid ostriniae Pang et Chen),刻画了各斑块属性,包括斑块类型、斑块面积、形状指数、距天然林距离、是否与橡胶接触、景观中天然林所占比例、是否有林下植物,并使用3种机器学习模型(神经网络、随机森林、支持向量机)拟合斑块属性与三类物种丰富度关系,解析斑块属性的相对重要性。结果表明,与支持向量机和神经网络相比,随机森林模型对三个物种的丰富度预测效果均最好,其R²在橡胶材小蠹虫、中华蜜蜂和赤眼蜂中分别达到0.785、0.845和0.798;基于随机森林模型的结果表明,斑块类型对橡胶材小蠹虫和中华蜜蜂丰富度相对重要性高于其他斑块属性;斑块面积对赤眼蜂丰富度影响高于其他斑块属性,且与斑块类型存在交互作用;橡胶林中橡胶材小蠹虫与中华蜜蜂丰富度高于天然林和其他斑块类型,玉米螟赤眼蜂丰富度则在天然林与农田中最高。研究揭示了斑块属性对不同物种丰富度的相对影响,阐明了斑块类型在不同物种中的重要作用,并证实了机器学习是推导斑块属性对物种影响的有效方法。     

苜蓿草地生境丧失与破碎化对昆虫物种丧失与群落重建的影响

生境破碎化包括生境丧失与破碎化两个相对独立的过程,为探讨这两个过程各自对生物多样性的影响,本文利用苜蓿草地实验模型系统(EMS)构建了36个小区研究不同生境丧失与破碎化对昆虫群落及不同类群的影响,包括18个破碎化小区与18个连续小区,破碎化小区全部采用1 m×1 m(H=1)破碎,连续小区苜蓿连片(H=0),生境丧失采...     

广西黑叶猴栖息地景观格局破碎化分析及其对种群的影响

黑叶猴(Trachypithecus francoisi)是仅分布于喀斯特石山生境的珍稀濒危灵长类动物。由于非法捕杀和人类活动干扰,其种群数量正在急剧减少。同时,随着森林砍伐和土地开垦的加速,其栖息地严重破碎化。因此,了解栖息地破碎化对黑叶猴种群的影响对于保护这一珍稀濒危物种具有重要意义。基于遥感影像、土地利用数据以及黑叶猴种群调查数据,通过Fragstats软件开展广西黑叶猴栖息地景观破碎化分析,并通过相关性和多元逐步回归分析,探讨了景观格局对广西黑叶猴种群数量的影响。结果表明：(1)广西黑叶猴栖息地呈现破碎化严峻、斑块形状复杂化、斑块团聚程度较弱且分散化的现象;栖息地以林地景观占据重要优势,但人为景观的干扰十分强烈;在不同地区中,生境破碎化程度、人为干扰强度以及景观配置均呈现不同的特征,其中扶绥地区人为干扰最为强烈,德保地区的景观块数破碎化程度较为严重,而龙州地区的人为干扰程度最小,其森林景观最为聚集。(2)蔓延度指数、平均斑块分维指数、林地面积、林地斑块大小、裸岩面积和裸岩面积比重等景观指数与黑叶猴种群数量有显著正向关系,Shannon多样性指数则是显著负向关系;而耕地面积、耕地...     

中国东部地区常绿阔叶林景观破碎化

常绿阔叶林是中国东部地区的地带性植被,常绿阔叶林景观破碎化的监测与评价是对其进行生态恢复、保护和经营管理的基础。本文应用NOAA-AVHRR计算出时间序列的NDVI合成影像所得的植被遥感分类数据,结合景观格局指数,对中国东部地区常绿阔叶林景观破碎化进行研究。结果表明:中国东部地区常绿阔叶林残存面积仅为35427km2,占全区面积的5.9%,平均斑块面积为8.55km2,斑块密度为0.69个.100km-2,≤5km2的斑块数量占全部常绿阔叶林斑块数量的61.2%,但面积比例则仅为5.75%,而≥25km2的斑块数量比例仅为10%,面积比例却达58%;对各省的常绿阔叶林破碎化状况分析表明,常绿阔叶林斑块总面积、斑块密度、斑块平均面积、边界密度、景观形状指数、最大斑块指数以及平均分维数均呈福建浙江江西安徽,而斑块之间的隔离距离则正好相反。所有这些均表明,中国东部地区的常绿阔叶林已经处于严重的破碎化状态。加强常绿阔叶林的保护、生态恢复及管理成为一项迫切的任务。     

生态保护区外斑块对景观连接度的影响评价

快速的城市化过程带来的生境斑块破碎化及损失会影响物种迁移、捕食等生态活动,对生物多样性构成威胁。然而,现有生态保护区可能无法覆盖其内生物的必要活动范围。生态保护区外的生境斑块对于维持生态过程也具有重要作用,因此识别生态保护区外的关键斑块并加以保护非常重要。以北京市延庆区为研究区,划分两种生境斑块,即核心生境斑块和潜在生境斑块,并基于图论构建生境网络。考虑地表覆盖类型、坡度、人类活动等因素构建生境阻力面。结合未来土地利用类型变化的模拟,研究城市化过程对区域生境网络和景观连接度的影响,选用CLUE-S模型模拟土地利用类型变化的格局。结合生境斑块特征和未来城市土地利用变化情况设计了3种未来生境变化情景。利用连接概率指数(PC)和网络连接度变化率(dI)评价不同生境变化情景下生态保护区外潜在生境斑块的景观连接度重要性,判断保护优先顺序,并分析景观格局变化对不同迁移能力物种的影响。结果表明：生态保护区外的全部潜在生境斑块对维持生境整体景观连接度有最大2.15%的影响,单个潜在生境斑块对维持景观连接度有最大0.28%的影响。此外,景观格局及其变化对不同迁移能力物种的影响差异显著,因此需针对保护物种和城市生境特征设计保护方案,研究区需要优先保护大中型斑块和位于关键位置的小型斑块。为了满足对生物多样性保护的需求,建议在区分生境斑块保护优先顺序时考虑生境斑块对景观连接度的贡献和城市化扩展过程的压力。研究为城市生物多样性保护和生境管理提供了方法参考。     

漫湾库区景观破碎化对区域生境质量的影响

水利工程的建设不仅改变了库区的景观格局,还会导致区域生物生境质量的变化。以澜沧江漫湾库区为例,在综合海拔高度、植被类型和水源地距离生境因子的基础上,考虑生物扩散过程,研究了建坝前后整个库区以及典型研究小区(库首、库中、库尾、对照)的重要生境斑块空间分布变化。结果表明:漫湾水电站建成后库区的猕猴总体生境破碎化程度增加,景观连接度减少且重要生境斑块的比例也有所降低,生境质量整体下降;4个研究小区的景观格局变化情况同整个库区相一致。空间上,生境质量明显退化的地区主要分布在库区的西部和南部,尤其是库尾地区,其生境斑块数量相较于建坝前增长了9倍,而景观连接度指数下降了81.48%。回归分析结果表明景观连接度指数与占景观面积百分比指数(PLAND)呈显著正相关(R~2=0.973),与斑块数(NP)呈显著负相关(R~2=-0.611);肯德尔系数表明斑块数(NP)、最大斑块指数(LPI)、占景观百分比指数(PLAND)、相似邻近百分比指数(PLADJ)、连通度指数(CONNECT)和香农多样性指数(SHDI)7个景观格局指数与景观连接度指数均表现出显著一致性。由此看出,库区景观破碎化越严重、区域景观连接度越低生境质量退化越明显;而提高生境主要植被类型的覆盖率、保护连接度贡献大的重要斑块和建设生态廊道,可以有效恢复库区生物生境质量。     

生境破碎化对生物多样性的影响

生境破碎化对生物多样性和生态系统功能的影响是当前国内外生态学家研究的热点问题之一。生境破碎化导致原生境的总面积减小,产生隔离的异质种群,从而影响个体行为特性、种群间基因交换、物种间相互作用及生态过程。生境破碎化的过程引起栖息地内部食物、繁殖场所、局部小气候、边缘效应等生物和非生物条件的变化,从而影响植物种群的大小和灭绝速率、扩散和迁入、遗传和变异以及存活力等,影响动物种群的异质种群动态、适宜生境比例、灭绝阈值、种间关系等。随着景观生态学与农业科学的融合,探索利用景观布局控制害虫发生将是人类利用生境破碎化为人类服务的一条新途径。     

祁连山南坡植被景观格局及其破碎化

以扎麻什营林区的林相图和调查资料为基础,运用GIS手段,选取合适的景观格局指数,分析了祁连山南坡植被景观格局基本特征,并进行了破碎化评价.结果表明:研究区植被以草地和灌丛为主,景观基质已退化为裸地,各植被类型斑块密度远大于裸地,平均分维数较低,景观整体破碎化水平较高;草地和灌丛边界密度和破碎化指数均高于其他植被类型,反映出该区自然植被景观主要受放牧活动的影响;森林多以小面积零散分布,其中青海云杉林景观结构破坏较为严重,异质性较低,斑块形状趋于单一,显示出较高水平的破碎化,其他林种多以小面积集中分布于某些小的生境,受人类活动干扰较少,破碎化程度较低.

Abstract：

Based on the forest form map and investigation data of Zhamashi forest area, and by using GIS, appropriate landscape pattern indices were chosen to study the basic characteristics of vegetation landscape pattern on the southern slope of Qilian Mountain, with the landscape frag-mentation evaluated. In the study area, grass and shrub were the main vegetation types, and the landscape matrix had degraded to bare land. The patch densities of all vegetation types were far larger than that of bare land, and their mean fractal dimension was lower than that of bear land. All of these characters emphasized the highly fragmented condition of the vegetation landscape in this area. The total edge densities and fragment indices of grassland and shrub land were higher than those of other vegetation types, reflecting that the natural vegetation was mainly affected by grazing. The forests were more dispersed in small areas, and the landscape structure of Picea crassifollia forest was heavily destroyed, being induced that the heterogeneity became lower and the patch shape tended to single, suggesting a high fragmentation degree. Other forest types were centralized in a certain habitat and less disturbed by human activities, suggesting a lower frag-mentation degree.     

黑龙江省完达山地区马鹿生境破碎化及其影响因子

应用景观生态学原理和地理信息系统技术,分析黑龙江省完达山地区马鹿生境相关因子重要性、对景观连接度进行模糊相对赋值,建立了景观连接度评价模型及景观斑块指数,研究了黑龙江省完达山地区关于马鹿生境的景观连接度水平、生境的适宜性以及景观的空间结构。结果表明:(1)在155.6km2的面积中,适宜地区的总面积仅为14.81km2,占研究地区的9.52%;次适宜地区的总面积为9.57km2,占研究地区的6.15%;一般适宜地区的总面积为130.05km2,占研究地区的83.58%;不适宜地区的总面积为1.17km2,占研究地区的0.75%;(2)研究地区马鹿各类适宜地区呈多个斑块且相互隔离,在空间分布上处于破碎状态,而且不适宜地区斑块(人为活动景观)的面积比例虽小,在生态系统中形态上的破碎化程度较小,但对马鹿的生境的生态功能的丧失起到重要作用。     

小尺度下柠条林破碎化生境对地表甲虫多样性的影响

一般认为,景观斑块面积和破碎化对物种丰富度和分布格局有重要的影响。在宁夏中部荒漠地区,天然柠条林和人工柠条林地交错排列,形成点、片、带状等大小不等的斑块性分布,表现为典型的破碎化斑块格局生境特征。本文采用巴氏罐诱法调查了在小尺度下荒漠景观人工柠条林破碎化生境不同斑块内地表甲虫的物种多样性。结果共获得10科20属29种地表甲虫,其中拟步甲科昆虫占绝对优势,阿小鳖甲Microdera kraatzi alashanica Skopin、克小鳖甲Microdera kraatzi kraatzi(Reitter)为优势种。Rarefaction曲线显示较大面积的斑块有较多的物种多样性,但群落多样性指数各斑间块差异不显著。利用斑块面积对物种数-个体数进行回归分析表明,地表甲虫的物种多样性受斑块面积的影响,生境破碎化会导致地表甲虫多样性下降。     

Habitat fragmentation and species richness

In a recent article in this journal, Fahrig (2013, Journal of Biogeography, 40 , 1649–1663) concludes that variation in species richness among sampling sites can be explained by the amount of habitat in the ‘local landscape’ around the sites, while the spatial configuration of habitat within the landscape makes little difference. This conclusion may be valid for small spatial scales and when the total amount of habitat is large, but modelling and empirical studies demonstrate adverse demographic consequences of fragmentation when there is little habitat across large areas. Fragmentation effects are best tested with studies on individual species rather than on communities, as the latter typically consist of species with dissimilar habitat requirements. The total amount of habitat and the degree of fragmentation tend to be correlated, which poses another challenge for empirical studies. I conclude that fragmentation poses an extra threat to biodiversity, in addition to the threat posed by loss of habitat area.     

空间幅度变化对景观格局分析的影响

景观格局指数是量化描述景观格局特征的主要方法之一,各种格局指数的尺度依赖性使比较分析景观格局特征和尺度推绎复杂化,分析不同指数随空间幅度变化的一般行为有助于景观格局分析结果的解释和降低空间尺度推绎的复杂性。研究以2种真实景观和27种模拟景观为分析对象,考查了16种常用的景观水平格局指数随空间幅度变化行为。根据这些指数因幅度变化行为可预测性把它们分为两类：第1类随幅度变化可预测性强,指数与幅度之间的关系可用简单的函数关系来表达;这类指数包括缀块数、边界总长、景观形状指数和缀块丰度密度;前两者随幅度增加呈幂函数形式增加,而缀块丰度密度随幅度增加呈幂函数下降,景观形状指数随幅度增加呈直线增加。第2类指数随幅度变化的可预测性较差,指数随幅度的变化存在多种可能(不同形式的增加、减小或保持不变),不可用一种或多种简单的函数关系来描述所有的情况。这类指数包括缀块丰度、缀块密度、边界密度、最大缀块指数、平均缀块面积、缀块面积标准差、缀块面积变异系数、平均缀块形状指数、面积加权平均缀块形状指数、双对数回归分维数、聚集度指数与Shannon多样性指数。第2类指数随幅度的变化行为受景观格局特征和指数本身算法的影响。总体上来说,第2类格局指数随幅度变化呈折线增加或减小;但当景观的缀块类型较多、各类型优势度比较均等、空间分布格局比较随机时,它们随幅度变化形为的可预测性增加,随幅度增加的函数关系主要有3种：幂函数减小、对数函数增加或直线增加,因指数和格局特征不同而异。研究的结果在揭示了常用景观指数随幅度变化的一般关系外,也启示我们在进行景观格局的比较分析,比较景观的幅度应相同或采用尺度效应图(scalograms)更有效。     

农田景观格局变化对昆虫的生态学效应

景观格局变化是全球变化的一个重要内容。农田是由人类赖以生存所种植的人工栽培作物组成的生态系统。在该景观系统中,多种植物-害虫-天敌相互作用、相互制约,形成有机整体。研究农田景观格局对害虫和天敌种群动态影响,不仅在害虫生物防治的实践中有重要意义,而且对于揭示人类活动对生物多样性结构与功能的影响,阐明农田景观中生物多样性整合、维持机理有重大的理论意义。本文从农田景观格局的"质、量、形、度"4个方面,系统地论述了农田景观格局变化对害虫和天敌的作用,分析了农田景观的生物控制服务功能,指出了未来研究发展的方向。     

The Habitat Amount Hypothesis implies negative effects of habitat fragmentation on species richness

The habitat amount hypothesis (HAH) predicts that species richness in a habitat site increases with the amount of habitat in the ‘local landscape’ defined by an appropriate distance around the site, with no distinct effects of the size of the habitat patch in which the site is located. It has been stated that a consequence of the HAH, if supported, would be that it is unnecessary to consider habitat configuration to predict or manage biodiversity patterns, and that conservation strategies should focus on habitat amount regardless of fragmentation. Here, I assume that the HAH holds and apply the HAH predictions to all habitat sites over entire landscapes that have the same amount of habitat but differ in habitat configuration. By doing so, I show that the HAH actually implies clearly negative effects of habitat fragmentation, and of other spatial configuration changes, on species richness in all or many of the habitat sites in the landscape, and that these habitat configuration effects are distinct from those of habitat amount in the landscape. I further show that, contrary to current interpretations, the HAH is compatible with a steeper slope of the species–area relationship for fragmented than for continuous habitat, and with higher species richness for a single large patch than for several small patches with the same total area (SLOSS). This suggests the need to revise the ways in which the HAH has been interpreted and can be actually tested. The misinterpretation of the HAH has arisen from confounding and overlooking the differences in the spatial scales involved: the individual habitat site at which the HAH gives predictions, the local landscape around an individual site and the landscapes or regions (with multiple habitat sites and different local landscapes) that need to be analysed and managed. The HAH has been erroneously viewed as negating or diminishing the relevance of fragmentation effects, while it actually supports the importance of habitat configuration for biodiversity. I conclude that, even in the cases where the HAH holds, habitat fragmentation and configuration are important for understanding and managing species distributions in the landscape.     

大城市边缘区景观破碎化空间异质性——以北京市顺义区为例

探索大城市边缘区景观破碎化格局及其空间异质性特征,有助于把握景观动态的变化机制及其生态问题.以北京市顺义区这一典型大城市边缘区为例,基于土地利用分类数据,采用有效粒度尺寸方法,对1992年、1999年和2009年景观破碎化空间变异进行了地统计学分析,主要包括尺度依赖性、空间异质性、空间格局及其生态过程的分析.研究结果表明:1)景观破碎化空间变异具有明显的尺度依赖性特征,由空间自相关部分引起的空间异质性较高;1992年和1999年景观破碎化空间总变异相对缓和,2009年空间总变异强烈;通过不同尺度上的异质性对比,选取1000m幅度作为研究区景观破碎化的空间异质性分析较为适宜.2)景观破碎化空间异质性表现出明显的上升趋势,土地利用斑块破碎化不断加剧,其中1999-2009年间的表现尤为强烈.3)景观破碎化高值区呈现出由东部向西部转移的态势,并且其空间布局具有集聚性与分散性的显著特征,空间上相似属性聚集与相异属性聚集的空间格局十分突出.4)景观破碎化空间自相关作用主要来自高强度社会经济活动的影响,并表现出明显的区位特征.该研究结果可为土地、城镇规划以及景观生态建设提供参考.     

基于物种的大尺度生物多样性热点研究方法

生物多样性热点是建立保护区、制定保护决策的依据,是生物保护研究的热点问题之一。基于物种的研究方法是大尺度陆地生物多样性热点的主要研究方法,但数据的缺乏限制了直接根据物种丰富度确定热点的方法,因此研究中经常采用其他方法间接的反映物种情况,介绍了4种主要的基于物种的替代方法:指示种、高级分类单元、环境模型和景观异质性,详细阐述了各种方法存在的利弊,并从数据的可获取性、操作的便捷性和对物种特征的反映3个方面对各种方法进行了评价。任何单一的方法都无法准确反映出生物多样性热点的真实分布。合适的研究方法是权衡研究目的、时间和资金的结果,建议选择优势互补的多种方法。