程 曼

(泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

景觀生態(tài)尺度的研究進(jìn)展

程 曼

(泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300)

闡述尺度分析、尺度選擇和尺度推繹等相關(guān)問題的內(nèi)涵及特點(diǎn)；同時(shí)從空間和時(shí)間尺度兩個(gè)方面討論尺度分析的方法和應(yīng)用；探討尺度推繹的理論、方法和應(yīng)用問題；并進(jìn)一步凝練景觀格局和過程對(duì)尺度的依賴性以及尺度與遙感數(shù)據(jù)源的內(nèi)在聯(lián)系。在此基礎(chǔ)上，展望景觀生態(tài)尺度問題的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，為科學(xué)地進(jìn)行尺度分析、選擇及推繹，深化景觀生態(tài)學(xué)研究等提供理論依據(jù)。

尺度；尺度分析；尺度選擇；尺度推繹

尺度問題是景觀生態(tài)學(xué)、空間信息科學(xué)等相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外受到廣泛關(guān)注。景觀生態(tài)學(xué)中，尺度主要是指時(shí)間和空間上的粒度與幅度[1]，是研究對(duì)象或者過程在時(shí)間和空間上涉及的范圍與發(fā)生的頻率。作為研究景觀要素的重要標(biāo)準(zhǔn)，任何格局及過程的研究都是在一定的時(shí)空尺度上進(jìn)行的，因此尺度問題的研究已成為現(xiàn)代生態(tài)學(xué)的需求。尺度分析、尺度選擇和尺度推繹等問題是景觀生態(tài)主要研究的三方面內(nèi)容。隨著3S技術(shù)的不斷發(fā)展，海量、多時(shí)空尺度的數(shù)據(jù)源也為尺度的研究提供了有利的支撐。

1 尺度研究的關(guān)鍵問題

1.1 尺度分析

景觀格局——過程——尺度是景觀生態(tài)中重要的范式。不同時(shí)空尺度下，景觀對(duì)象研究的粒度或幅度通常不同，此時(shí)格局和過程等生態(tài)要素的分析結(jié)果也會(huì)隨之改變[1]。要正確理解格局與過程的關(guān)系就必須對(duì)其所在的時(shí)空尺度特點(diǎn)進(jìn)行分析，把握其發(fā)生的特征尺度，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是景觀格局多尺度分析[2]。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步研究不同尺度研究所帶來的尺度效應(yīng)，選擇適宜的研究尺度，在不同尺度間進(jìn)行轉(zhuǎn)換[3]?？臻g統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、分維分析法和景觀指數(shù)法是常用的三大類尺度分析方法[4]。此外，以馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣和細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模型為代表的景觀生態(tài)學(xué)模型近年來也逐步應(yīng)用于景觀格局的演變過程研究中，并且已有學(xué)者對(duì)其中幾種模型的主要特點(diǎn)、優(yōu)劣以及應(yīng)用范疇等進(jìn)行了比較，并提出了存在的問題及發(fā)展展望，為以后的研究提供了一定的基礎(chǔ)[5]。

1.1.1 空間尺度分析

目前對(duì)于空間尺度分析的研究主要集中于分析比較不同幅度或者粒度下景觀格局的變化情況。而幅度或粒度的方向性變化也可能會(huì)影響到研究結(jié)果及對(duì)現(xiàn)象本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，但這種尺度效應(yīng)分析研究較少。

近20年來，多采用景觀指數(shù)法來分析景觀的尺度特征[1，6]。張景華等人研究發(fā)現(xiàn)，景觀指數(shù)隨著幅度的變化而變化，且不同指數(shù)對(duì)尺度的反應(yīng)不同[7，8]。同時(shí)不同指數(shù)的變化過程中還存在著“臨界閾”現(xiàn)象，分析尺度小時(shí)，尺度效應(yīng)變化大；分析尺度超過一定閾值，尺度效應(yīng)降低，景觀要素對(duì)尺度的依賴性也就降低[9]。申衛(wèi)軍等人根據(jù)景觀指數(shù)隨尺度變化的可預(yù)測(cè)性將其分為兩類：一類隨著幅度變化可預(yù)測(cè)性強(qiáng)，而另一類的可預(yù)測(cè)性則較弱[10]。董翠芳等人通過對(duì)不同半徑緩沖區(qū)內(nèi)52個(gè)景觀指數(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)景觀指數(shù)對(duì)物種多樣性的影響也具有尺度依賴性，在不同范圍內(nèi)指數(shù)的影響效果不同[11]。根據(jù)景觀指數(shù)隨粒度增加表現(xiàn)出的不同趨勢(shì)，楊麗等人將景觀指數(shù)分為四類：第一類、第二類指數(shù)隨著粒度增加而逐漸減少，不同的是第一類關(guān)系比較明確，而第二類在下降過程中存在不明顯的尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)；第三類指數(shù)，隨著粒度的增加出現(xiàn)增加的趨勢(shì)，并且在某一區(qū)域有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；第四類指數(shù)粒度效應(yīng)相對(duì)復(fù)雜，曲線近似“n”型，但也有明顯的尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)[12]。趙文武等人的研究與該結(jié)果也具有相似性，并指出尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)不是單純的一個(gè)值，而是一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)間，且一旦比例尺變化，景觀指數(shù)的粒度效應(yīng)也會(huì)發(fā)生變化[13]。

隨著對(duì)尺度效應(yīng)的重視，也有部分學(xué)者用空間統(tǒng)計(jì)學(xué)和分維分析法來進(jìn)行分析。徐建華等人用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的半方差分析法揭示了景觀多樣性隨著空間尺度變化的規(guī)律；辛?xí)云降热嗽跈z測(cè)多尺度分析下格局間的相似性、尺度的變化及等級(jí)結(jié)構(gòu)的特征等內(nèi)容時(shí)采用了多尺度分維數(shù)法[4，14]。由于數(shù)字高程數(shù)據(jù)的網(wǎng)格分辨率會(huì)明顯影響景觀格局等，John C. Gallant等人開始使用一種小波分解的地形模型來研究不同尺度上的空間特征[15]。蔡博峰和于嶸在分析了三類方法的可靠性和優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選取了常用的幾種方法比較其在特征尺度識(shí)別、計(jì)算速度等方面的不同，并提出將半方差分析和小波變換組合在一起使用，是空間分析的最優(yōu)方案，可以有效地把握景觀的特征尺度[2]。

1.1.2 時(shí)間尺度分析

時(shí)間尺度分析的研究相比空間尺度要少。大多學(xué)者利用小波分析等方法研究不同生態(tài)系統(tǒng)中氣候變化的多時(shí)間尺度特征，了解尺度振蕩周期[16，17]。也有學(xué)者研究了生態(tài)因子影響的時(shí)間尺度效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著研究尺度的提升，氣象因子對(duì)蒸騰的影響逐漸減弱，而植物狀況和土壤濕度等生態(tài)因子的影響則相反[18]。

在景觀生態(tài)學(xué)中，時(shí)間尺度效應(yīng)分析即是對(duì)景觀動(dòng)態(tài)變化的研究，主要為景觀結(jié)構(gòu)的變化。學(xué)者多以土地利用圖、不同分辨率的遙感影像等為基本數(shù)據(jù)源，在3S技術(shù)的支持下，利用景觀指數(shù)法和相關(guān)模型進(jìn)行研究，同時(shí)分析變化的驅(qū)動(dòng)力[19，20]。在多尺度等級(jí)結(jié)構(gòu)的支持下研究特征尺度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)各尺度域內(nèi)其結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)一致，但相互間差異性不斷減小[21]，從而可將時(shí)間尺度效應(yīng)分析應(yīng)用于城市規(guī)劃中。張新時(shí)也提出，生態(tài)重建時(shí)應(yīng)有時(shí)間尺度的觀念，生態(tài)系統(tǒng)自身恢復(fù)的時(shí)間尺度較長(zhǎng)，超尺度地過度依賴是不可取的[22]。

1.2 尺度選擇

考慮到各景觀要素的尺度效應(yīng)，且通常在小尺度條件下，無法體現(xiàn)大的景觀生態(tài)背景；在大尺度背景下，又可能會(huì)忽略對(duì)細(xì)節(jié)的描述。因此為了獲得真實(shí)的信息，只有選擇適當(dāng)?shù)某叨冗M(jìn)行觀測(cè)分析，使其與研究對(duì)象的特征尺度相符[23]。理論上，需要把研究問題與生物、非生物、自然和人類干擾的最佳尺度相關(guān)聯(lián)起來，研究不同尺度的效應(yīng)及關(guān)系，以便進(jìn)行合適的選擇。同時(shí)還考慮到尺度選擇的層次性，核心尺度、小尺度組分和大尺度背景等三個(gè)方面缺一不可[23]。但由于大、小尺度下研究景觀要素具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以需要對(duì)不同景觀格局的多尺度效應(yīng)進(jìn)行分析，為選擇一定的研究尺度或遙感分辨率以及持續(xù)時(shí)間提供依據(jù)[24]。對(duì)于時(shí)間尺度，景觀生態(tài)研究中一般選擇人類生存的幾十年為參照量，但在某些景觀動(dòng)態(tài)變化的研究中則需要考察上百年乃至更長(zhǎng)的時(shí)間尺度。

目前，選擇最優(yōu)尺度的常用方法包括基于局部方差、變異函數(shù)、離散度和信息熵的幾種方法。其中，前兩種方法都利用了單波段進(jìn)行選擇，容易受到影響故結(jié)果不確定，且在復(fù)雜區(qū)域應(yīng)用時(shí)有很大的局限性。而離散度法，雖然利用多波段進(jìn)行選取，卻忽略了整個(gè)觀測(cè)量在實(shí)際空間的分布特征，僅以各類間概率密度的重疊程度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)[25]。因此，張健等人認(rèn)為基于信息熵的方法既可以將多波段的光譜信息綜合起來，也考慮了實(shí)際空間的分布特征，綜合了前三種方法的優(yōu)點(diǎn)，更為全面。但在應(yīng)用時(shí)還需考慮分類過程中具體分類類別所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)分辨率，需要進(jìn)一步完善[26]。

1.3 尺度推繹

尺度推繹，地理學(xué)中也稱為尺度轉(zhuǎn)換，是指利用已知尺度上的信息和內(nèi)容來推測(cè)其他尺度上相關(guān)信息的過程[1]。這是景觀生態(tài)中許多現(xiàn)象理解和預(yù)測(cè)的關(guān)鍵，有利于研究多尺度上的景觀格局及生態(tài)過程。但由于尺度推繹具有一定的尺度依賴性、模型非線性等特點(diǎn)[27]，因此要在異質(zhì)景觀中根據(jù)研究對(duì)象尺度效應(yīng)的特征規(guī)律進(jìn)行上推或下推[28]，同時(shí)還要考慮由于異質(zhì)性和不同主導(dǎo)過程帶來的誤差[29]。尺度推繹的基本理論包括等級(jí)理論、分形理論、重正化理論以及區(qū)域化隨機(jī)變量理論等，為研究尺度問題提供了先決條件。研究時(shí)則通過建立基于異量關(guān)聯(lián)的冪律關(guān)系等來進(jìn)行推繹，以地學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)為基礎(chǔ)進(jìn)行推繹的應(yīng)用也較多[4]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)景觀生態(tài)學(xué)中尺度推繹的研究開始逐步重視，但是對(duì)于變化性難以預(yù)測(cè)、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短難以控制的時(shí)間尺度推繹仍比較少。在空間尺度推繹中也側(cè)重于尺度上推，尺度下推主要應(yīng)用于小尺度區(qū)域氣候的預(yù)測(cè)研究[27，30]。且在研究中多重視空間尺度推繹而忽略了過程尺度推繹；過分強(qiáng)調(diào)數(shù)量關(guān)系的推繹而忽略了生態(tài)規(guī)律的推繹[31]。所以應(yīng)當(dāng)正確認(rèn)識(shí)研究對(duì)象的特征，據(jù)其變化的尺度范圍和性質(zhì)來確定尺度推繹的空間幅度與方法，深化尺度推繹的理論基礎(chǔ)與區(qū)域試驗(yàn)，開發(fā)關(guān)鍵方法和模型，為尺度問題的研究與發(fā)展提供有利條件[32]。

最初我國(guó)學(xué)者僅對(duì)尺度推繹進(jìn)行簡(jiǎn)單的概念闡釋，但近年來研究不斷發(fā)展。魯學(xué)軍等人便已初步建立了一些等級(jí)體系，這些相互間具有可比性的等級(jí)體系有利于發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)現(xiàn)象的內(nèi)在成因及其發(fā)生機(jī)理[33]。陳利頂?shù)葘W(xué)者創(chuàng)新地提出了借用模式識(shí)別的原理和方法來進(jìn)行尺度推繹與轉(zhuǎn)化的思路，為進(jìn)一步研究格局分析與尺度轉(zhuǎn)化提供了方法依據(jù)[30]。在區(qū)域生態(tài)安全研究中，張艷芳等人側(cè)重于探討區(qū)域尺度和景觀尺度之間的相互轉(zhuǎn)化，有利于景觀尺度上的區(qū)域生態(tài)安全的研究[34]。另外，各國(guó)生態(tài)學(xué)家還利用尺度上推的方法在單葉片尺度上對(duì)植被冠層的生理生態(tài)過程進(jìn)行了模擬研究，隨后通過環(huán)境因子與植被冠層生態(tài)過程的相互關(guān)系，模擬和預(yù)測(cè)區(qū)域乃至全球等大尺度上的NPP及生物地球化學(xué)循環(huán)等過程[35]。隨著3S技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者在遙感、氣象數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，充分考慮某一尺度上的格局及過程，進(jìn)行升尺度和降尺度研究，提出了一些相關(guān)模型，但這些模型的精度及可信度評(píng)價(jià)還需要進(jìn)一步探索[28，36]。

2 格局與過程對(duì)尺度的依賴性

景觀格局與生態(tài)過程對(duì)尺度具有強(qiáng)烈的依賴性，任何格局與過程的研究都包括了時(shí)間和空間尺度(如圖1)。景觀格局指數(shù)隨空間幅度和粒度的變化而變化，且在不同尺度上景觀格局的形成原因和機(jī)制往往是不一樣的。空間異質(zhì)性和干擾等過程也依賴于尺度，其理解和測(cè)量容易受到粒度和幅度變化的影響[1]。在某一尺度上所見的同質(zhì)性景觀在另一尺度上則可能表現(xiàn)出異質(zhì)性；某些尺度上的干擾在另一個(gè)尺度上可能只是一個(gè)組成部分[1]。格局和過程相互作用下表現(xiàn)出來的景觀生態(tài)功能也受到尺度的制約[37]，不同尺度上的景觀動(dòng)態(tài)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制也各不相同。

目前對(duì)格局及過程的尺度依賴性研究多集中于不同尺度劃分體系對(duì)格局等的影響效應(yīng)上[32]，尤其是格局與格局變化的粒度效應(yīng)和幅度效應(yīng)分析。此外，張小飛等人研究發(fā)現(xiàn)由于空間尺度等級(jí)存在著差異，每個(gè)尺度域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)與廊道各不相同，其相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)功能、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)亦會(huì)有所不同[38]。這些方面的探討為尺度選擇及推繹提供了充足的理論基礎(chǔ)。而深入研究各個(gè)尺度上格局與過程的聯(lián)系和不同尺度間格局與格局之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，有利于解決尺度推繹中的估計(jì)偏差、信息損失等關(guān)鍵問題[20，39]。

3 尺度與遙感數(shù)據(jù)源的相互聯(lián)系

遙感方法是尺度變化分析中的重要工具，在尺度效應(yīng)分析、尺度選擇與推繹時(shí)都需要海量、多時(shí)空的遙感數(shù)據(jù)或遙感影像來輔助決策。數(shù)據(jù)源精度不同反映的結(jié)構(gòu)也不同，尺度的適宜性對(duì)遙感分辨率也有要求[40]。為了減少誤差，有學(xué)者建議使用多尺度、異質(zhì)的地圖來推繹景觀現(xiàn)象[29]，并可將不同尺度上的研究結(jié)果綜合起來以便更好地把握真實(shí)信息[41]。遙感問題中涉及的空間、時(shí)間及波譜分辨率也與尺度緊密聯(lián)系，且尺度問題會(huì)影響遙感數(shù)據(jù)的有效利用，因此選擇最優(yōu)尺度或者進(jìn)行便捷、可靠的尺度轉(zhuǎn)換，才可以有效地進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)采集和分析[25]。目前國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)主要側(cè)重于遙感信息隨尺度變化而產(chǎn)生的粒度或幅度效應(yīng)、遙感尺度推繹及精度評(píng)價(jià)、尺度綜合、最優(yōu)尺度的選擇等相關(guān)內(nèi)容[40～43]。只有充分考慮到遙感數(shù)據(jù)源與尺度問題的相互影響，解決數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)所碰到的尺度問題，才能夠有效推進(jìn)景觀生態(tài)、地理學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展[44]。

4 展望

景觀生態(tài)中的尺度問題比較復(fù)雜多樣，而且與景觀格局和生態(tài)過程緊密聯(lián)系，又受到遙感數(shù)據(jù)源等相關(guān)技術(shù)的影響和限制，進(jìn)一步增加了探索相關(guān)問題的難度。隨著學(xué)科的交叉與融合，景觀生態(tài)學(xué)在尺度研究方面表現(xiàn)出一系列的特點(diǎn)及趨勢(shì)。

4.1 尺度分析應(yīng)從多尺度綜合研究

景觀生態(tài)中尺度問題的多樣化發(fā)展，使得在分析問題時(shí)需注重不同時(shí)空尺度上的探索和研究。通過多尺度的綜合分析，進(jìn)一步揭示景觀格局特征，理解格局和過程對(duì)尺度的依賴性。而對(duì)不同尺度分析方法的評(píng)估和應(yīng)用，也有利于選擇最優(yōu)尺度，表達(dá)景觀要素的特征。

4.2 注重與格局、過程的密切聯(lián)系

研究尺度問題時(shí)，關(guān)鍵就是研究格局和過程對(duì)尺度的依賴性。景觀格局多尺度分析研究目前較多，而探討景觀格局演變驅(qū)動(dòng)力的尺度變化，也是近年來的研究重點(diǎn)。進(jìn)一步發(fā)掘不同尺度下格局與過程直接關(guān)系的一般規(guī)律，有利于建立尺度推繹模型，或者檢驗(yàn)尺度理論與假說。

4.3 尺度推繹的精度評(píng)價(jià)與優(yōu)化

尺度推繹問題相對(duì)復(fù)雜，尤其在跨尺度推繹、推繹精度評(píng)價(jià)等方面，需要綜合對(duì)比不同的推繹方法與模型，并進(jìn)行精度分析與效應(yīng)評(píng)估，將不同的理論和方法包容互補(bǔ)、不斷完善，從而提高尺度推繹結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.4 尺度研究理論與方法的綜合應(yīng)用

尺度分析、尺度選擇以及尺度推繹等問題是相輔相成、相互影響的。在研究過程中，需要注重這些問題間的相互聯(lián)系，將新的理論和方法綜合應(yīng)用，并不斷完善。同時(shí)，引入計(jì)算機(jī)模擬、遙感、GIS等先進(jìn)技術(shù)，充分考慮尺度效應(yīng)，在實(shí)際問題中不斷探索和創(chuàng)新，以推動(dòng)尺度問題研究和景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展。

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責(zé)任編輯：王洪軍

10.3969/j.issn.1674-6341.2015.03.002

2015-03-04

程曼(1988—)，女，江蘇泰州人，助教。研究方向：景觀生態(tài)學(xué)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

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A

1674-6341(2015)03-0003-04