景觀生態尺度的研究進展

程 曼

(泰州學院，江蘇 泰州 225300)

景觀生態尺度的研究進展

程 曼

(泰州學院，江蘇 泰州 225300)

闡述尺度分析、尺度選擇和尺度推繹等相關問題的內涵及特點；同時從空間和時間尺度兩個方面討論尺度分析的方法和應用；探討尺度推繹的理論、方法和應用問題；并進一步凝練景觀格局和過程對尺度的依賴性以及尺度與遙感數據源的內在聯系。在此基礎上，展望景觀生態尺度問題的研究熱點和發展趨勢，為科學地進行尺度分析、選擇及推繹，深化景觀生態學研究等提供理論依據。

尺度；尺度分析；尺度選擇；尺度推繹

尺度問題是景觀生態學、空間信息科學等相關學科的研究熱點，在國內外受到廣泛關注。景觀生態學中，尺度主要是指時間和空間上的粒度與幅度[1]，是研究對象或者過程在時間和空間上涉及的范圍與發生的頻率。作為研究景觀要素的重要標準，任何格局及過程的研究都是在一定的時空尺度上進行的，因此尺度問題的研究已成為現代生態學的需求。尺度分析、尺度選擇和尺度推繹等問題是景觀生態主要研究的三方面內容。隨著3S技術的不斷發展，海量、多時空尺度的數據源也為尺度的研究提供了有利的支撐。

1 尺度研究的關鍵問題

1.1 尺度分析

景觀格局——過程——尺度是景觀生態中重要的范式。不同時空尺度下，景觀對象研究的粒度或幅度通常不同，此時格局和過程等生態要素的分析結果也會隨之改變[1]。要正確理解格局與過程的關系就必須對其所在的時空尺度特點進行分析，把握其發生的特征尺度，其中最關鍵的環節就是景觀格局多尺度分析[2]。在此基礎上，可以進一步研究不同尺度研究所帶來的尺度效應，選擇適宜的研究尺度，在不同尺度間進行轉換[3]。空間統計學方法、分維分析法和景觀指數法是常用的三大類尺度分析方法[4]。此外，以馬爾可夫轉移矩陣和細胞自動機模型為代表的景觀生態學模型近年來也逐步應用于景觀格局的演變過程研究中，并且已有學者對其中幾種模型的主要特點、優劣以及應用范疇等進行了比較，并提出了存在的問題及發展展望，為以后的研究提供了一定的基礎[5]。

1.1.1 空間尺度分析

目前對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影響到研究結果及對現象本質的認識，但這種尺度效應分析研究較少。

近20年來，多采用景觀指數法來分析景觀的尺度特征[1，6]。張景華等人研究發現，景觀指數隨著幅度的變化而變化，且不同指數對尺度的反應不同[7，8]。同時不同指數的變化過程中還存在著“臨界閾”現象，分析尺度小時，尺度效應變化大；分析尺度超過一定閾值，尺度效應降低，景觀要素對尺度的依賴性也就降低[9]。申衛軍等人根據景觀指數隨尺度變化的可預測性將其分為兩類：一類隨著幅度變化可預測性強，而另一類的可預測性則較弱[10]。董翠芳等人通過對不同半徑緩沖區內52個景觀指數的分析，發現景觀指數對物種多樣性的影響也具有尺度依賴性，在不同范圍內指數的影響效果不同[11]。根據景觀指數隨粒度增加表現出的不同趨勢，楊麗等人將景觀指數分為四類：第一類、第二類指數隨著粒度增加而逐漸減少，不同的是第一類關系比較明確，而第二類在下降過程中存在不明顯的尺度轉折點；第三類指數，隨著粒度的增加出現增加的趨勢，并且在某一區域有明顯的轉折點；第四類指數粒度效應相對復雜，曲線近似“n”型，但也有明顯的尺度轉折點[12]。趙文武等人的研究與該結果也具有相似性，并指出尺度轉折點不是單純的一個值，而是一個相對較小的區間，且一旦比例尺變化，景觀指數的粒度效應也會發生變化[13]。

隨著對尺度效應的重視，也有部分學者用空間統計學和分維分析法來進行分析。徐建華等人用統計學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律；辛曉平等人在檢測多尺度分析下格局間的相似性、尺度的變化及等級結構的特征等內容時采用了多尺度分維數法[4，14]。由于數字高程數據的網格分辨率會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缺點的基礎上，選取了常用的幾種方法比較其在特征尺度識別、計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，是空間分析的最優方案，可以有效地把握景觀的特征尺度[2]。

1.1.2 時間尺度分析

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

在景觀生態學中，時間尺度效應分析即是對景觀動態變化的研究，主要為景觀結構的變化。學者多以土地利用圖、不同分辨率的遙感影像等為基本數據源，在3S技術的支持下，利用景觀指數法和相關模型進行研究，同時分析變化的驅動力[19，20]。在多尺度等級結構的支持下研究特征尺度的變化規律，發現各尺度域內其結構變化趨勢一致，但相互間差異性不斷減小[21]，從而可將時間尺度效應分析應用于城市規劃中。張新時也提出，生態重建時應有時間尺度的觀念，生態系統自身恢復的時間尺度較長，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，且通常在小尺度條件下，無法體現大的景觀生態背景；在大尺度背景下，又可能會忽略對細節的描述。因此為了獲得真實的信息，只有選擇適當的尺度進行觀測分析，使其與研究對象的特征尺度相符[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聯起來，研究不同尺度的效應及關系，以便進行合適的選擇。同時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缺點，所以需要對不同景觀格局的多尺度效應進行分析，為選擇一定的研究尺度或遙感分辨率以及持續時間提供依據[24]。對于時間尺度，景觀生態研究中一般選擇人類生存的幾十年為參照量，但在某些景觀動態變化的研究中則需要考察上百年乃至更長的時間尺度。

目前，選擇最優尺度的常用方法包括基于局部方差、變異函數、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行選擇，容易受到影響故結果不確定，且在復雜區域應用時有很大的局限性。而離散度法，雖然利用多波段進行選取，卻忽略了整個觀測量在實際空間的分布特征，僅以各類間概率密度的重疊程度作為衡量標準[25]。因此，張健等人認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，也考慮了實際空間的分布特征，綜合了前三種方法的優點，更為全面。但在應用時還需考慮分類過程中具體分類類別所對應的最優分辨率，需要進一步完善[26]。

1.3 尺度推繹

尺度推繹，地理學中也稱為尺度轉換，是指利用已知尺度上的信息和內容來推測其他尺度上相關信息的過程[1]。這是景觀生態中許多現象理解和預測的關鍵，有利于研究多尺度上的景觀格局及生態過程。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[27]，因此要在異質景觀中根據研究對象尺度效應的特征規律進行上推或下推[28]，同時還要考慮由于異質性和不同主導過程帶來的誤差[29]。尺度推繹的基本理論包括等級理論、分形理論、重正化理論以及區域化隨機變量理論等，為研究尺度問題提供了先決條件。研究時則通過建立基于異量關聯的冪律關系等來進行推繹，以地學統計學為基礎進行推繹的應用也較多[4]。

目前國內外對景觀生態學中尺度推繹的研究開始逐步重視，但是對于變化性難以預測、持續時間長短難以控制的時間尺度推繹仍比較少。在空間尺度推繹中也側重于尺度上推，尺度下推主要應用于小尺度區域氣候的預測研究[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；過分強調數量關系的推繹而忽略了生態規律的推繹[31]。所以應當正確認識研究對象的特征，據其變化的尺度范圍和性質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與區域試驗，開發關鍵方法和模型，為尺度問題的研究與發展提供有利條件[32]。

最初我國學者僅對尺度推繹進行簡單的概念闡釋，但近年來研究不斷發展。魯學軍等人便已初步建立了一些等級體系，這些相互間具有可比性的等級體系有利于發現不同生態現象的內在成因及其發生機理[33]。陳利頂等學者創新地提出了借用模式識別的原理和方法來進行尺度推繹與轉化的思路，為進一步研究格局分析與尺度轉化提供了方法依據[30]。在區域生態安全研究中，張艷芳等人側重于探討區域尺度和景觀尺度之間的相互轉化，有利于景觀尺度上的區域生態安全的研究[34]。另外，各國生態學家還利用尺度上推的方法在單葉片尺度上對植被冠層的生理生態過程進行了模擬研究，隨后通過環境因子與植被冠層生態過程的相互關系，模擬和預測區域乃至全球等大尺度上的NPP及生物地球化學循環等過程[35]。隨著3S技術的發展，許多學者在遙感、氣象數據的基礎上，充分考慮某一尺度上的格局及過程，進行升尺度和降尺度研究，提出了一些相關模型，但這些模型的精度及可信度評價還需要進一步探索[28，36]。

2 格局與過程對尺度的依賴性

景觀格局與生態過程對尺度具有強烈的依賴性，任何格局與過程的研究都包括了時間和空間尺度(如圖1)。景觀格局指數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制往往是不一樣的。空間異質性和干擾等過程也依賴于尺度，其理解和測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性景觀在另一尺度上則可能表現出異質性；某些尺度上的干擾在另一個尺度上可能只是一個組成部分[1]。格局和過程相互作用下表現出來的景觀生態功能也受到尺度的制約[37]，不同尺度上的景觀動態及其驅動機制也各不相同。

目前對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格局等的影響效應上[32]，尤其是格局與格局變化的粒度效應和幅度效應分析。此外，張小飛等人研究發現由于空間尺度等級存在著差異，每個尺度域內的節點與廊道各不相同，其相應的生態系統功能、網絡結構亦會有所不同[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。而深入研究各個尺度上格局與過程的聯系和不同尺度間格局與格局之間的對應關系，有利于解決尺度推繹中的估計偏差、信息損失等關鍵問題[20，39]。

3 尺度與遙感數據源的相互聯系

遙感方法是尺度變化分析中的重要工具，在尺度效應分析、尺度選擇與推繹時都需要海量、多時空的遙感數據或遙感影像來輔助決策。數據源精度不同反映的結構也不同，尺度的適宜性對遙感分辨率也有要求[40]。為了減少誤差，有學者建議使用多尺度、異質的地圖來推繹景觀現象[29]，并可將不同尺度上的研究結果綜合起來以便更好地把握真實信息[41]。遙感問題中涉及的空間、時間及波譜分辨率也與尺度緊密聯系，且尺度問題會影響遙感數據的有效利用，因此選擇最優尺度或者進行便捷、可靠的尺度轉換，才可以有效地進行遙感數據采集和分析[25]。目前國內外研究的重點主要側重于遙感信息隨尺度變化而產生的粒度或幅度效應、遙感尺度推繹及精度評價、尺度綜合、最優尺度的選擇等相關內容[40～43]。只有充分考慮到遙感數據源與尺度問題的相互影響，解決數據應用時所碰到的尺度問題，才能夠有效推進景觀生態、地理學等相關學科的發展[44]。

4 展望

景觀生態中的尺度問題比較復雜多樣，而且與景觀格局和生態過程緊密聯系，又受到遙感數據源等相關技術的影響和限制，進一步增加了探索相關問題的難度。隨著學科的交叉與融合，景觀生態學在尺度研究方面表現出一系列的特點及趨勢。

4.1 尺度分析應從多尺度綜合研究

景觀生態中尺度問題的多樣化發展，使得在分析問題時需注重不同時空尺度上的探索和研究。通過多尺度的綜合分析，進一步揭示景觀格局特征，理解格局和過程對尺度的依賴性。而對不同尺度分析方法的評估和應用，也有利于選擇最優尺度，表達景觀要素的特征。

4.2 注重與格局、過程的密切聯系

研究尺度問題時，關鍵就是研究格局和過程對尺度的依賴性。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動力的尺度變化，也是近年來的研究重點。進一步發掘不同尺度下格局與過程直接關系的一般規律，有利于建立尺度推繹模型，或者檢驗尺度理論與假說。

4.3 尺度推繹的精度評價與優化

尺度推繹問題相對復雜，尤其在跨尺度推繹、推繹精度評價等方面，需要綜合對比不同的推繹方法與模型，并進行精度分析與效應評估，將不同的理論和方法包容互補、不斷完善，從而提高尺度推繹結果的準確性。

4.4 尺度研究理論與方法的綜合應用

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系，將新的理論和方法綜合應用，并不斷完善。同時，引入計算機模擬、遙感、GIS等先進技術，充分考慮尺度效應，在實際問題中不斷探索和創新，以推動尺度問題研究和景觀生態學的發展。

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責任編輯：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：景觀生態學、生態環境保護。

Q149

A

1674-6341(2015)03-0003-04