生态学中的尺度及尺度转换方法

尺度作为生态学的重要范式,已经引起了广泛重视,但对尺度问题的研究还不够成熟.尺度具有多维性特点,即功能尺度、空间尺度、时间尺度等,但生态学研究的重点是空间和时间尺度.并且时空尺度还具有复杂性、变异性特征.尺度研究的根本目的在于通过适宜的空间和时间尺度来揭示和把握复杂的生态学规律.为此,科学有效的尺度选择和尺度转换方法不可或缺.常见的尺度转换方法有图示法、回归分析、变异函数、自相关分析、谱分析、分形和小波变换,同时遥感和地理信息系统技术在尺度研究中也发挥着重要作用.结合实例对上述方法进行了分析和论述,认为各种方法都有其内在的优势和不足,新方法的引入和应用对于尺度转换方法体系的充实和完善非常重要.有关尺度的研究将进一步加强,研究的重点是尺度变异性、不同尺度间的相互作用机制以及尺度转换方法等.     

生态学研究中的尺度问题

尺度是生态学中的核心问题,时间和空间尺度包含于任何生态过程中,尺度在生态学研究中越来越显现出其重要性,原因是解决地球环境问题要求在大尺度上理解格局和过程,而以前生态学调查的数据主要是基于小尺度的,并且有许多研究表明,一个生态问题的结论在很大程度上取决于研究所采纳的尺度。但目前尺度研究还存在很多的问题;一些相关概念易与尺度混淆;缺乏成熟的尺度识别方法和系统完备的尺度转换方法等。针对这些问题,本文首先阐明了尺度的确切含义,并对尺度研究的发展历史,重要性作了问题的阐述：分析探讨了尺度与等级理论,格局的关系,及尺度识别,尺度转换的方法和发展趋势。     

遥感反演植被理化参数的光谱和空间尺度效应

植被理化参数是生态系统中碳和养分等物质循环与能量交换的重要指标,利用遥感技术反演是获取区域及全球植被理化参数的重要手段,但光谱和空间尺度效应的存在,限制了源自不同遥感传感器植被理化参数产品的统一应用。阐述了遥感反演植被理化参数光谱尺度效应的概念及其产生原因,主要从光谱波段位置和波段宽度两方面对国内外相关研究进行了介绍和评述。同时,从遥感反演植被理化参数的空间尺度效应产生原因、空间异质性描述方法和空间尺度转换方法等方面对其国内外研究现状进行了归纳和评述。最后,总结了遥感反演植被理化参数光谱和空间尺度效应研究的不足之处和发展趋势,并指出光谱和空间耦合效应的研究将是一大趋势,而在生态学等领域形成的尺度效应研究的理论和方法也值得借鉴参考。     

生态学中的尺度问题：内涵与分析方法

尺度问题已成为现代生态学的核心问题之一.尺度问题主要涉及3个方面：尺度概念、尺度分析和尺度推绎.主要评述前两个方面.生态学尺度有三重概念：维数、种类和组分,其中每重概念又包含了多个定义,有必要进行澄清、分类和统一.尺度分析涉及尺度效应分析和多尺度空间格局分析.格局、过程及它们之间的关系,以及某些景观特性均表现出尺度效应,因此多尺度研究非常必要和重要.多尺度空间格局分析（尤其是特征尺度的识别）是进行尺度效应分析和跨尺度推绎的基础.多尺度分析需要特定的方法,景观指数法是最常用和最简单的方法,但也常产生误导;空间统计学方法（如半方差分析法、尺度方差分析法、空隙度指数法和小波分析法等）和分维分析法在最近十几年发展起来,并逐渐应用于生态学,在尺度分析上具有很大的应用潜力.各种方法在尺度分析上各有优势和不足,有必要同时使用两种或两种以上方法进行比较和评估.总之,有关尺度分析的研究需要进一步加强,从而为下一步的尺度推绎提供可靠的依据.     

生态学中的尺度问题——尺度上推

尺度推绎是生态学理论和应用的核心。如何在一个异质景观中进行尺度推绎仍然是一个悬而未决的科学难题,是对当今生态学家在全球变化背景下研究环境问题的重大挑战。就目前的研究,一般可分为四大类尺度推绎途径:空间分析法(如分维分析法和小波分析法)、基于相似性的尺度上推方法、基于局域动态模型的尺度上推方法、随机(模型)法。基于相似性的尺度上推方法来源于生物学上的异量关联,可将其思想延伸至空间上,研究物种丰富度、自然河网、地形特征、生态学格局或过程变量和景观指数等。基于局域动态模型的尺度上推方法需要首先确定是否进行跨尺度推绎,以及是否考虑空间单元之间的水平相互作用和反馈,然后再应用具体的方法或途径,如简单聚合法、有效值外推法、直接外推法、期望值外推、显式积分法和空间相互作用模拟法等。随机(模型)法以其它尺度上推方法为基础,根据研究的是单个景观,还是多个景观,采用不同的途径。理解、定量和降低尺度推绎结果的不确定性已经变得越来越重要,但相关研究仍然极少。以上所有有关尺度推绎的方法、途径和结果分析共同构成了尺度推绎的概念框架。     

沙地景观中矢量数据栅格化方法及尺度效应

针对景观生态学研究中的数据转换(矢量数据转换为栅格数据)问题,从斑块面积、周长、数量对转换方法及尺度的响应角度进行了详尽的分析.以库布齐沙漠地区的2003年1:10万的矢量数据为例,转换尺度以10m为起点,200m为终点,10m为间隔,利用最大面积值方法(RMA)和中心属性值方法(RCC)两种转换方法分别进行栅格化,讨论了面积、周长、斑块数量对不同尺度及不同转换方法的响应,同时还讨论了运算时间对转换方法及尺度的响应.得出了"30m大小的转换尺度为最佳尺度,最大面积值方法(RMA)优于中心属性值方法(RCC)"的结论.     

水文尺度转换研究进展

介绍了水文尺度、尺度问题和尺度转换的概念,重点与难点在流域的空间异质性和水文通量的时空变异性;给出了进行尺度转换的3种途径,即分布式水文模拟、分形理论和统计自相似性分析;最后在已有成果的基础上,提出了目前研究中存在的问题及未来的发展方向。     

水文尺度转换探讨

水文尺度问题是当今水文学研究的热点和前沿.水文尺度包括过程尺度、观测尺度和模拟尺度三方面含义.主导过程尺度作为尺度的特征量,是水文研究中的重点.水文尺度转换工作包括了对水文模式、参数、状态变量和输入的尺度转换四方面,每一方面都有其特殊的研究方法.水文系统的有组织复杂性、时空变异性和数据不足是当前水文研究的难点所在.自然河网的自相似特性使其成为水文尺度研究的重要组成部分.进一步深入研究水文尺度问题需要多种研究思路、技术手段和理论工具的结合.     

异质景观中水土流失的空间变异与尺度变异

综述了景观格局与水土流失过程的空间变异与尺度变异的理论和方法研究进展,提出了水土流失空间变异与尺度变异的研究方向。景观格局与生态过程的尺度变异一般处于单一尺度变异和多重尺度变异的连续体之中。尺度转换即尺度外推包括尺度上推和尺度下推,其可行性决定于尺度变异特征。水土流失不仅是多因子综合影响的一个复杂的时空变异过程,而且也是一个典型的多重尺度变异过程。传统的水土流失研究一般集中在坡面径流小区和小流域两个单一尺度上,这在很大程度上限制了水土流失的空间尺度外推和过程分析。近年来,尽管国内外很多学者开始关注水土流失的尺度变异及其影响因子．但只是对水土流失在不同大小的样地尺度以及小集水区尺度上的差异及其影响因子进行了初步的比较研究,尤其缺乏水土流失及其相关环境因子的连续尺度变异特征的机制分析。空间变异和尺度变异研究方法包括统计模型模拟法、物理模型与物理过程模拟法以及综合分析与综合预报法三大类。每种方法都有其优缺点和其特定的适宜性,最佳方法组合的选取因研究对象、研究地区和研究时间的不同而异。土壤侵蚀预报模型包括经验统计模型和物理过程模型,就解决水土流失的跨尺度关系而言,基于物理过程的空间分布式的土壤侵蚀预报模型显著优于经验模型。这些模型在关键参数的空间变异性描述和水土流失的尺度变异性分析方面非常薄弱,尤其缺乏模型分辨率和研究范围对输出结果的影响研究。完善水土流失的“尺度一格局一过程”理论,加强多重尺度上水土流失及其相关环境因子的空间变异格局和尺度变异性的实地观测与数学分析,改进土壤侵蚀预报模型这3个方面是将来的研究重点。     

环境影响评价的尺度约束性及技术框架

尺度约束是地表复杂系统的基本规律,环评尺度约束常隐存于主观经验或零存于环评导则中,环评尺度约束较少被明确关注。讨论了环境影响尺度约束、环评尺度约束和环评技术框架尺度约束。研究发现,环境影响的尺度约束性内在原因在于环境影响主体、客体和影响内容存在等级结构;环评受空间、时间和分析三类尺度约束,空间尺度约束体现于空间范围和空间信息分辨率对环评影响,时间尺度约束体现于环评的时长和时频,分析尺度约束表现为环评技术方法和环境影响主观认知水平对评价的影响,三类尺度约束同时贯穿于环评过程,任何环评都可以在三类尺度空间中定位;环评技术框架的关键环节都受空间、时间和分析尺度约束,且以环境影响主体的空间、时间尺度为核心,具有一定弹性,一般空间或时间范围先放大再缩小、分辨率由粗到细。     

动物生境选择研究中的时空尺度

尺度研究已成为生态学上的一个重要概念和研究热点,但是在动物生境选择的研究中尚未引起足够的重视。动物的生境选择包括多层次的判别和一系列等级序位,在各个尺度和水平上具有不同的特征和机制,受到时空尺度的严格限定。繁殖期的时间限制、社群压力、环境变化、动物生理需求的变化决定了动物生境选择的时间制约性;而生境资源的斑块化分布、功能生境之间的相互作用决定了动物生境选择的空间制约性。研究者对时间和空间尺度的选取与应用会直接影响到生境选择研究结果的科学性和实效性。本文从动物生境选择的时空制约性出发,分析了生境选择研究中时间尺度的重要性,叙述了国内外生境选择研究中常见的研究尺度,强调了多尺度研究和长期生态研究的必要性,尺度的选择应该成为生境选择研究的起点和基础。     

分形理论及其在土壤空间变异研究中的应用

土壤具有不同程度的空间变异性,土壤空间变异研究对于土壤管理有重要意义.本文简要综述了分形理论及其在土壤空间变异研究中的应用,重点讨论了利用矩方法计算土壤属性分形维,多重分形分析土壤空间变异性及基于多重分形谱参数的土壤属性尺度转换.早期研究验证了分形理论在分析土壤空间变异中的有效性和应用潜力,国内外近期研究则报道了利用分形及多重分形理论分析土壤空间变异的最新进展.分形理论可以成为量化土壤属性空间变异性及尺度转换的重要工具.     

基于模式识别的景观格局分析与尺度转换研究框架

景观格局分析和尺度转换是生态学和地理学研究的核心问题之一.尽管多年来投入了大量的精力,然而由于尺度效应的复杂性和尺度转换过程的不确定性,仍然没有找到合适的方法.目前关于尺度转换的研究存在两个误区,其一是过分重视空间尺度的转换,忽略了过程尺度的转换;其二是过分强调了对不同尺度间数量关系的外推与转换,忽略了不同尺度间生态规律的外推与转换.在系统分析了景观格局与尺度转换研究现状、存在问题和难点的基础上,提出了借用模式识别的原理和方法,针对特定的生态过程,开展景观格局分析与尺度转换的思路.认为尺度转换的关键在于通过识别不同尺度上影响生态过程的主导因子,找到各个尺度上“格局（环境因子空间组合）-过程”、尺度间“格局-格局”之间的对应关系,通过建立“环境-格局-过程”模式识别数据库,就能够建立不同尺度之间基于模式识别的尺度转换方法.     

城市景观多样性的空间尺度分析——以上海市外环线以内区域为例

景观生态学研究的就是某一空间尺度范围内的景观格局与生态过程。因为景观格局与生态过程中存在的尺度多样性 ,导致尺度成为理解景观格局和生态过程相互作用的关键 ,其已经成为景观生态学的一个重要概念 ,但是由于理论和方法的限制 ,对景观生态学的尺度研究还不够 ,特别是景观格局综合性指标在不同幅度上的变化特征和效应。在 GIS与 RS技术支持下 ,采用基准分辨率为 5 m的 SPOT遥感图像作为数据源 ,对不同幅度下的城市景观多样性的空间分布格局进行了分析 ,并进一步利用半变异函数对其空间异质性进行定量描述。结论揭示 :随着空间尺度的增加 ,景观多样性程度也不断增加 ,另外多样性的空间分布格局也具有显著变化 ,由于受城市发展历史和目前城市扩展方向的影响 ,多样性在总体上是不平衡的 ,尺度越大 ,不平衡越明显 ;不同尺度下景观多样性空间格局的变化 ,与城市景观的特点和城市景观的功能息息相关 ,不过其受经济效益和社会文化效益的影响更大 ;随着尺度增加由于掩盖了更小尺度上的变异 ,导致块金效应增强 ,空间自相关部分对系统总的变异则明显下降 ;景观多样性具有尺度依赖性 ,可以说景观多样性也是尺度的函数 ,在不同的尺度上 ,结果差异显著 ,所以在景观生态学的研究中绝对不能忽略尺度对格局的影响     

芦苇湿地多时空尺度蒸散模拟研究进展

湿地蒸散是湿地水分损失的主要途径,由于其对气候变化的高度敏感性和重要的反馈作用而倍受关注。湿地蒸散过程可以分为叶片、植株、冠层、景观至区域等多种尺度,如何实现不同时空尺度的过程和参数耦合成为湿地蒸散研究的重点和难点。本文回顾了湿地蒸散模拟研究的发展历程,着重总结了芦苇湿地蒸散监测及模拟方面的技术和方法,并从不同时间尺度(日、月、年)和不同空间尺度(叶片、植株、冠层、区域)以及实现不同时空尺度拓展的关键技术研究等方面进行归纳和总结,探讨了今后的研究重点。实现不同时空尺度的芦苇湿地蒸散过程的准确模拟,关键在于大气-植被-土壤界面的参数耦合,而目前针对不同尺度的芦苇湿地蒸散参数化研究很少,因此,有必要探讨适合芦苇湿地多尺度蒸散模拟及参数化方法,为芦苇湿地蒸散评估模型的选择提供理论支持。     

土壤侵蚀定量评价的空间尺度效应

土壤侵蚀的空间尺度效应使得小尺度上观测到的大量数据无法得到有效的利用,给多空间尺度土壤侵蚀定量评价带来了困难和问题。对土壤侵蚀定量评价研究中的空间尺度效应及其机理和空间尺度转换方法进行了综述。分离、搬运和堆积子系统之间的协同效应与大尺度土壤侵蚀背景条件之间的协同效应是土壤侵蚀空间尺度效应产生的根本原因。在土壤侵蚀定量评价中,基本侵蚀单元地表参数的定量描述是建立土壤侵蚀空间尺度转换模型的基础。     

害虫研究与防治中的生态学尺度

尺度已成为生态学上的一个重要概念和研究热点 ,但在害虫防治中尚未引起足够的重视 .本文从生态学尺度概念和等级理论出发 ,分析了不同尺度水平上害虫研究的方法、内容、关键问题及研究成果对害虫防治的意义 .在对害虫发生为害特征、害虫种群动力学原理、农业生态系统结构的演变、害虫防治的社会化、害虫防治技术的发展等因素的分析的基础上 ,指出害虫防治策略在时空尺度上拓展的趋势和必要性 .     

荒漠植被植物种多样性对空间尺度的依赖

物种多样性与空间尺度的关系是植物生态学的一个研究热点。传统植物生态学研究认为种面积曲线方程中 Z值是个近似常数 ,但近期对森林和草原群落的研究表明 Z是随尺度变化的。在荒漠带选择了 10个样地 ,每个样地包括 1m2 到 1km2 的 6个空间尺度样方 ,研究荒漠地区物种多样性与空间尺度的关系。结果表明 :荒漠植被物种多样性随空间尺度的增大空间依赖性减弱 ,Z也是随尺度变化的。对荒漠植被种面积曲线 Z的研究结果支持了 Z随尺度变化的结论 ,但 Z是随尺度增加而减小 ,斜率 z值从 0 .37降至 0 .0 35 ,与草原和森林群落 Z值随尺度增加而增加的结论是相反的。     

福寿螺表型性状的空间尺度变异

格局和尺度是生态学的核心概念。尺度的变化可能导致生态学格局的改变。入侵物种性状的变异会对种群的建立和扩散产生重要的影响。为了研究入侵物种福寿螺(Pomacea canaliculata)表型性状的尺度变异并推测可能的作用机制,在广东省开展了福寿螺的体质量、体高、体宽、壳口宽4个表型性状在城市、乡镇、生境、样方、个体5个空间尺度上变异的研究。通过拟合混合模型,进行方差分解,结果发现个体和样方差异解释了近80%的性状变异,生境的差异解释了除体重外其他性状的剩余变异;除体重外乡镇和城市尺度上性状的变异并不明显。结果进一步表明,区域尺度的过程如气候特征等对福寿螺表型性状变异不起主要作用;福寿螺种群特征的研究及防控的重点应考虑其遗传结构特征及局部尺度环境因素。通过不同尺度下性状的变异系数和频度分布曲线的分析,进一步验证了以上结果。     

空间尺度对地形异质性-物种多样性关系的影响:粒度和幅度

空间尺度是影响我们理解生态学格局和过程的关键因素。目前已有多种关于物种多样性分布格局形成机制的假说且研究者未达成共识,原因之一是空间尺度对物种多样性分布格局的环境影响因子的解释力和相对重要性有重要影响。地形异质性是物种多样性分布格局的重要影响因素。本文综述了在地形异质性-物种多样性关系的研究中,不同空间粒度和幅度对研究结果的影响,以及可能的原因。尽管已认识到地形异质性-物种多样性关系的空间尺度效应,但粒度和幅度的具体影响仍未有统一结论。当前物种多样性分布格局研究未能覆盖较完整的尺度变化梯度。未来对地形异质性-物种多样性关系的研究需要同时考虑幅度和粒度的影响。建议结合可靠的模型和统计分析方法开展多尺度格局比较分析,以进一步阐明研究尺度对地形异质性-物种多样性关系的影响以及地形异质性起主导作用的空间尺度。