森林景观斑块耦合网络及动力学研究——以西洞庭湖区为例

摘要

景观生态学研究大区域内由多个不同生态系统组成的景观空间结构及相互作用、协调能力和动态变化，是生态学的重要研究内容。森林景观格局的研究在景观生态学的研究中占据重要地位。随着计算机应用技术的迅猛发展，对森林景观格局规律的探索在研究手段和研究范围上都有很大拓展，特别自20世纪后期复杂网络技术的推出，其系统性、复杂性和动态性的研究思想被广泛运用于控制理论、社会合作、Internet等领域的研究。近年来，利用复杂网络技术对生物系统的复杂性和自组织性研究也开始起步。将复杂网络运用到森林景观领域，是森林景观研究从现实的物理模型到抽象的逻辑模型的升华，对大尺度、系统性研究森林景观格局，指导森林经营有着理论意义。
　　 本文以西洞庭湖区为研究对象，以复杂网络理论为指导，综合运用图论、概率论、矩阵论、数理统计、数据库技术、运筹学、计算机仿真等学科领域知识，围绕“从复杂网络视角看森林景观格局及景观指数与网络拓扑指数关系”、“森林景观格局网络的抗毁能力”、“以边缘效应为耦合作用的森林景观斑块网络动态变迁预测”三个问题，对森林景观斑块耦合网络进行建模、分析、优化及仿真。论文主要研究工作及创新点如下:
　　 (1)定义了景观斑块耦合网络模型，构建了景观斑块耦合网络。根据研究区域内森林景观分布格局，将森林景观斑块划分阔叶林（分幼、中、成）、松类（分幼、中、成）、杉木林（分幼、中、成）、竹林、灌木林、经济林等十二类景观;以道路、河流及非林地形成的封闭区域为对象，抽取出森林景观斑块耦合体;将森林景观按垂直维度划分为乔木、灌木和草本三个层次，计算出各层次不同景观类型相邻时的边缘效应;以景观斑块为节点，边缘效应为边权，构建了基于森林景观斑块间耦合作用的含权网络。
　　 (2)研究了不同耦合条件下景观斑块耦合网络的拓扑指数。以基于邻接关系的森林景观格局网络为对象，从随机选取的澧县、黄石、龙潭、常德林场及河洑国有林场的耦合网络分析得知，森林景观格局网络的度分布服从幂率分布，是一种无标度网络，当度值较小时，节点的度与斑块的面积和形状指数呈现较强关系，各种类型景观斑块节点的平均度值与该斑块所在地域有关;当以斑块间乔木、灌木、草本边缘效应大小为权时，基于乔木网络节点总强度与网络节点总数呈极大相关，基于灌木边缘效应的网络节点总强度绝对值与网络节点总数相关，基于草本的网络节点总强度与网络节点总数无关;基于乔木和灌木边缘效应的耦合网络节点的度与斑块类型有关，而基于草本网络中，节点的度与斑块类型无关。当以乔木生产力为主要经营目标，生物多样性为次要经营目标时，乔木、灌木、草本边缘效应的权重分别为:0.731、0.188和0.081，该景观斑块耦合网络中节点的度与景观斑块类型有关且网络总点强度与网络规模相关。
　　 (3)建立了景观斑块耦合网络的抗毁性模型，并结合森林景观的特点，对网络抗毁性进行优化和仿真。本文定义了针对森林景观斑块网络的攻击策略、约束条件和抗毁性指标，根据对景观斑块耦合网络鲁棒性和脆弱性的仿真分析得出，当网络中25％节点受到随机攻击时，仍能保持大部分节点的连通，但若关键节点（即度值最大的1～2个节点）受到攻击时，网络很快崩溃。通过改变关键斑块的面积及形状指数、去除孤岛斑块、增加网络密度等手段，可提高网络的抗攻击能力。在森林景观经营过程中，对森林的采伐强度不宜超过区域中景观斑块的25％，且应加强对周边邻接斑块多、面积较大、形状复杂的景观类型的保护。
　　 (4)定义了森林景观斑块耦合网络的演化动力学模型，提出了森林景观经营的调控目标和调控策略。随着时间的变迁，森林景观斑块间边缘效应也将发生相应变化，从而导致景观斑块耦合网络节点总强度的变化。本文拟合了杉木林、松类及阔叶林的平均树高、平均胸径随林木年龄变化曲线，推演出斑块间边缘效应随林分年龄变化模型。仿真分析表明，成熟林比例较高、网络密度较大的森林景观网络，节点的总强度相对稳定。通过退耕还林、分解复杂程度高且面积大的景观斑块，可提高网络的总节点强度，增强网络的抗毁能力，使森林景观朝着有利于提高乔木生产力、增加生物多样性的方向发展。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究目的意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的意义

1．2 课题来源

1．3 景观生态学研究进展

1．3．1 森林景观空间格局研究进展

1．3．2 森林景观动态研究进展

1．3．3 森林景观斑块间边缘效应研究进展

1．4 生物多样性研究进展

1．5 复杂网络研究进展

1．5．1 复杂网络研究进展

1．5．2 复杂网络理论在生态系统中的应用

1．6 研究内容与技术路线

1．6．1 研究内容

1．6．2 技术路线

2 研究区概况

2．1 自然条件

2．1．1 地形地貌

2．1．2 气候概况

2．1．3 土壤概况

2．2 社会经济条件

2．3 森林景观概况

3 森林景观斑块耦合体构建

3．1 研究材料与前期准备

3．1．1 景观分类

3．1．2 资料收集与调查

3．2 景观斑块与斑块间边缘效应

3．2．1 景观斑块对构建

3．2．2 斑块对边缘效应

3．3 景观斑块耦合体及其构建

3．3．1 斑块耦合体的定义

3．3．2 斑块耦合体的构建

3．4 结果与分析

3．5 本章小结

4 森林景观斑块耦合网络

4．1 复杂系统

4．2 复杂网络

4．2．1 复杂网络的基本模型

4．2．2 复杂网络统计参数

4．2．3 景观斑块耦合网络模型

4．3 基于邻接关系的森林景观斑块网络

4．3．1 研究方法

4．3．2 结果与分析

4．4 基于乔木层生产力的森林景观斑块耦合网络

4．4．1 研究方法

4．4．2 结果与分析

4．5 基于灌木层生物多样性的森林景观斑块耦合网络

4．5．1 研究方法

4．5．2 结果与分析

4．6 基于草本层生物多样性的森林景观斑块耦合网络

4．6．1 研究方法

4．6．2 结果与分析

4．7 基于边缘效应的森林景观斑块耦合网络

4．7．1 研究方法

4．7．2 结果与分析

4．8 本章小结

5 森林景观斑块耦合网络抗毁性

5．1 复杂网络的抗毁性

5．1．1 复杂网络抗毁性研究方法

5．1．2 森林景观斑块耦合网络抗毁性研究意义

5．2 森林景观斑块耦合网络抗毁性模型

5．2．1 攻击策略

5．2．2 约束条件

5．2．3 抗毁性指标

5．2．4 森林景观斑块耦合网络抗毁性模型

5．3 森林景观斑块耦合网络的鲁棒性

5．3．1 研究方法

5．3．2 仿真与分析

5．4 森林景观斑块耦合网络的脆弱性

5．4．1 研究方法

5．4．2 仿真与分析

5．5 森林景观斑块耦合网络抗毁性优化

5．5．1 优化模型

5．5．2 仿真与分析

5．6 本章小结

6 森林景观斑块耦合网络演化动力学

6．1 复杂网络动力学

6．1．1 复杂网络演化模型

6．1．2 森林景观斑块耦合网络演化研究的意义

6．2 森林景观斑块耦合网络演化模型

6．2．1 约束条件

6．2．2 复杂网络演化模型

6．3 森林景观斑块耦合网络演化实证

6．3．1 研究方法

6．3．2 仿真与分析

6．4 森林景观斑块耦合网络调控

6．4．1 研究方法

6．4．2 仿真与分析

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读学位期间的主要学术成果

致谢