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.     

鼎湖山植物群落α多样性与环境的关系

用样带取样法,来研究不同取样尺度和不同取样尺度条件下的多个环境因子与鼎湖山植物群落α多样性的关系.取样尺度分别为10、20、40、80m和160m.涵盖鼎湖山主要的植被类型：季风常绿阔叶林、针阔混交林、沟谷常绿阔叶林和针叶林.相关分析和主成分分析结果表明,环境因子对各层次的α多样性的影响程度各不相同,达到显著相关性的取样尺度也不一样,表现出较大的复杂性,同时也表明样带上的环境异质性较高.因此,用海拔梯度作为主要的环境梯度来研究鼎湖山植物群落多样性具有合理性.海拔高度与乔木层多样性的关系在所有取样尺度上都较密切,这说明海拔高度可能是影响乔木层α多样性的最重要环境因子.     

白冠长尾雉越冬期栖息地选择的多尺度分析

2000年至2002年冬季,在河南董寨国家级自然保护区对我国特有珍稀雉类白冠长尾雉（Syrmaticus reevesii）越冬期栖息地进行了调查,并结合RS和GIS在多个尺度上对其栖息地选择进行了分析.结果表明,不同尺度上影响白冠长尾雉越冬期栖息地选择的因素存在差异,影响因子之间还存在相互作用.在微生境上,影响因子主要是坡度、乔木盖度以及坡向余弦值与灌木高度的相互作用;在115 m尺度上,关键因子是灌木林、阔叶林和针叶林的面积;250m尺度上,主要因子是针叶林和阔叶林的面积及针叶林与阔叶林面积的相互作用;对于距离因素,到河漫滩和到农田的距离是影响白冠长尾雉越冬期栖息地选择的关键因子.根据回归分析和AIC及AICc值,115 m尺度上栖息地变量对白冠长尾雉越冬期的栖息地选择影响最大.综合分析发现,在较大的尺度上,影响白冠长尾雉越冬期栖息地选择的关键因子有针叶林面积、阔叶林面积、针叶林和灌丛面积的相互作用、到河漫滩的距离以及到农田的距离.     

基于RS和GIS的开封市土地覆盖分形

以RS和GIS为技术手段,利用开封市0.61m空间分辨率的QuickBird卫星遥感数据,采用分形几何方法研究了斑块的面积效应和覆盖类型分形的关系,并对覆盖类型的分形特征差异等进行了分析。结果表明,开封市防护林地和农田的平均斑块面积较大,分维数也较大,而水体的分维数较小,说明防护林和农田斑块的边界结构特征比水体更为复杂。斑块的分维值具有尺度依赖性,同一类型中大的斑块往往具有较大的分维值,其原因是大斑块经常出现不同类型的斑块相互嵌套,小斑块则很少出现甚至不出现这种现象。     

地形因子对森林景观格局多尺度效应分析

以TM影像和野外调查为数据源,3S技术为研究手段,分析了泰山的森林景观结构动态变化以及景观格局沿高程的分异。选择相对高差较大的区域设计了8个地形方位,采用3种由连续样方组成的辐射状样带,在遥感影像上进行信息采集,研究地形对森林景观格局的多尺度效应,分析了不同地形因子对森林景观分异的影响。结果表明,在景观尺度上,地形方位、海拔、山地类型是影响森林景观镶嵌格局的控制因素,坡向、坡度是重要因素,坡形、坡位是不明显因素。以TM影像为信息源,从森林景观分异和梯度分析上,首先要考虑海拔坡向指数、坡形坡位指数和海拔,并立足于地形方位。地形主要因子间存在着稳定的显著正相关,为森林分异多尺度格局提供了较强的综合解释能力。     

取样尺度对亚高寒草甸物种多样性与生产力关系的影响

植物物种多样性与生产力之间的关系是群落生态学的一个热点问题, 目前仍存在着很多争议。为探究自然群落中二者之间的关系, 对青藏高原亚高寒草甸3个样地的自然植物群落分别进行了不同取样面积的抽样调查。结果显示, 取样样地和取样尺度均对物种丰富度有显著影响, 取样样地而非取样尺度对群落地上生物量有显著性影响。在某一时刻对某一样地进行取样, 其单位面积生产力并不因取样面积的增加而提高, 而是保持恒定的, 尽管物种数随取样面积的增加而有明显增多。物种多样性与生产力之间的回归关系因样地与取样尺度不同而不同, 有U型、单峰型、正线性相关和无相关性, 其中无相关性出现的最多。据此推测, 亚高寒草甸群落物种多样性与生产力之间不存在某种确定性关系, 或者说, 亚高寒草甸物种多样性和生产力之间不存在必然的因果联系。     

长白山不同演替阶段针阔混交林群落物种多度分布格局

为解释长白山温带森林群落构建和物种多度格局的形成过程, 该文以不同演替阶段的针阔混交林监测样地数据为基础, 采用中性理论模型、生物统计模型(对数正态分布模型)和生态位模型(Zifp模型、分割线段模型、生态位优先模型)拟合森林群落物种多度分布, 并用χ ²检验、Kolmogorov-Smirnov (K-S)检验和赤池信息准则(AIC)选择最佳拟合模型。结果显示: 中性模型能很好地预测长白山温带森林不同演替阶段植物群落的物种多度分布。在10 m × 10 m尺度上, 5种模型均可被χ ²检验和K-S检验接受, 但中性模型拟合效果不如对数正态分布模型、Zifp模型、分割线段模型和生态位优先模型, 表明小尺度上中性过程和生态位过程均能解释群落物种多度分布, 但生态位过程的解释能力相对较大。而在中大尺度上(30 m × 30 m、60 m × 60 m和90 m × 90 m), 中性模型为最优拟合模型, 并且随着研究尺度增加, 生态位模型和生物统计模型逐渐被χ ²检验拒绝, 表明中性过程在长白山针阔混交林群落物种多度分布格局形成中的作用随着研究尺度增加而逐渐增大。该文证实了中性过程在长白山温带针阔混交林群落结构形成中具有重要作用, 但未否认生态位机制在群落构建中的贡献。因此, 温带森林群落构建过程中中性理论和生态位理论并非相互矛盾, 而是相互融合的。在研究森林群落物种多度分布时, 应重视取样尺度和演替阶段的影响, 并采用多种模型进行拟合。     

空间异质性对样地数据空间外推的影响

应用模型结合的方法模拟了3个空间异质性等级预案下反应变量(气候变化下景观水平的树种分布面积)的变化情况,并分析模拟结果在预案之间的差异性,探讨了环境空间异质性对样地观测到的树种对气候变化响应向更大空间尺度外推的影响.结果表明：空间异质性在一般情况下对样地数据向土地类型尺度外推没有影响,而对样地尺度外推到海拔带尺度的影响则有较复杂的情况.对于对气候变化不敏感的树种以及非地带性树种,空间异质性对样地数据向海拔带尺度外推没有影响;对于大多数对气候变化敏感的地带性树种而言,空间异质性对样地数据向海拔带尺度外推则有影响.     

全球陆地保护地60年增长情况分析和趋势预测

保护地建设已成为全球生物多样性保护的第一道防线。掌握其在不同尺度上的发展状况和变化趋势对保护地规划和建设有重要意义。针对已有研究在时间跨度、空间尺度以及结果对比方面的不足, 本文基于世界保护地数据库(World Database of Protected Areas, http://www.protectedplanet.net), 对全球、洲际、地区及国家尺度1950-2013年陆地保护地的增长情况进行描述和短期预测。结果发现: (1)全球保护地增长速率不断加快, 特别是在20世纪90年代以后。(2)洲际和地区保护地发展大致呈现3种增长趋势: 在美洲及大洋洲, 多数地区的保护地增长速率一直在加快; 在亚洲和欧洲, 多数地区的发展高峰出现在20世纪80、90年代; 在非洲, 多数地区的发展高峰为20世纪70年代及21世纪前10年。(3)各国保护地建设存在不平衡性, 仍有近一半国家的陆地保护地比例小于10%, 但这种差距随时间的推移有缩小的趋势。(4)绝大部分保护地增速均匀性低的国家分布在非洲。(5)虽然全球的《爱知生物多样性目标》在2020年预计不能完成, 但包括中国在内的22个国家有望如期达到目标。本文结果为未来保护地规划和建设工作的开展提供了参考依据。     

全球陆地保护地与城市距离变化分析

在城市用地和保护地都快速扩张的背景下, 保护地与城市之间的距离在急剧缩小, 然而这并未引起人们的足够关注。城市对保护地的负面影响具有尺度效应, 且随着距离的接近, 负面影响也将加剧, 因此保护地与城市距离的远近可成为衡量负面影响大小的重要依据。本文基于全球保护地和大城市及城市用地分布数据, 对全球、洲际、地区和国家尺度1950-2010年城市与保护地距离的变化进行分析。结果表明: (1)在4个尺度上, 保护地与城市的距离都在不断缩小。欧洲和西欧是保护地与城市距离最近的洲和地区, 而大洋洲和澳大利亚及新西兰则是距离最远的洲和地区。在面积排名前20的保护地大国中, 中国是保护地与城市平均最近距离最小的国家, 其与50万以上人口城市的平均最近距离在2010年仅为143.5 km。(2)根据城市与保护地距离的现状及其变化, 可将保护地排名前60的国家分成5类: (a)距离很近, 靠近速度慢, 如西欧国家; (b)距离近, 靠近速度适中, 如中国、美国; (c)距离较近, 靠近速度快, 如沙特阿拉伯、厄瓜多尔; (d)距离较远, 靠近速度较慢, 如巴西、加拿大、俄罗斯联邦; (e)距离远, 靠近速度较快, 如澳大利亚、非洲大多数国家。(3)全球范围内, 越来越多生物多样性较高的保护地将面临被城市影响的境地。该结果以期引起大家对全球保护地与城市距离急剧缩短现象的关注和警惕。