生態(tài)學(xué)尺度及尺度推繹方法綜述

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1、生態(tài)學(xué)尺度及尺度推繹方法綜述摘要：通過(guò)適宜的空間和時(shí)間尺度可以揭示和把握復(fù)雜的生態(tài)學(xué)規(guī)律，因此尺度問(wèn)題日益受到生態(tài)學(xué)家的重視。本文描述了生態(tài)學(xué)尺度及尺度推繹的基本概念，論述了尺度推繹的特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了尺度推繹的方法和途徑，分析了推繹結(jié)果的不確定性，并提出推繹過(guò)程中需注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：生態(tài)學(xué)；尺度；尺度推繹20世紀(jì)60年代，生態(tài)學(xué)家就注意到了尺度問(wèn)題的重要性，對(duì)于尺度和尺度推繹的觀點(diǎn)開始于20世紀(jì)80年代中期，現(xiàn)在普遍深入到生態(tài)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，并且在其他的自然社會(huì)科學(xué)中對(duì)于尺度和尺度推繹的關(guān)注也有同樣的趨勢(shì)。尺度研究的根本目的在于通過(guò)適宜的空間和時(shí)間尺度來(lái)揭示和把握復(fù)雜的生態(tài)學(xué)

2、規(guī)律。1尺度的概念不同學(xué)者分別從不同角度對(duì)尺度概念進(jìn)行了表述。尺度指現(xiàn)象的時(shí)空范疇，尺度緯包括時(shí)間、空間和組織水平。根據(jù)鄔建國(guó)，廣義地講，尺度（scale）是指在研究某一物體或現(xiàn)象時(shí)所采用的空間或時(shí)間單位，同時(shí)又可指某一現(xiàn)象或過(guò)程在空間和時(shí)間上所涉及的范圍和發(fā)生的頻率。前者是從研究者的角度來(lái)定義尺度，而后者則是根據(jù)所研究的過(guò)程或現(xiàn)象的特征來(lái)定義尺度。尺度可分為空間尺度和時(shí)間尺度，此外，組織尺度（organizationalscale)是指在由生態(tài)學(xué)組織層次（如個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)和景觀等）組成的等級(jí)系統(tǒng)中的相對(duì)位置（如種群尺度、景觀尺度等）。具體地說(shuō)，生態(tài)尺度首先應(yīng)該包

3、括面積或時(shí)間間隔，即規(guī)模或幅度（extent），即研究對(duì)象在空間或時(shí)間上的持續(xù)范圍或長(zhǎng)度，包括空間幅度和時(shí)間幅度。其次是面積和時(shí)間間隔都可以進(jìn)一步劃分為最小面積和最短時(shí)間間隔，最小面積或最短時(shí)間間隔被稱為粒度（grain）或分辨率（resolution）。例如，野外測(cè)量生物量的取樣時(shí)間間隔(如一個(gè)月或半個(gè)月取1次)，某一干擾事件發(fā)生的頻率，或模擬的時(shí)間間隔[6]，是時(shí)間粒度的例子?？臻g粒度如樣方、像元。地理學(xué)和地圖學(xué)中的比例尺是分析尺度。在生態(tài)學(xué)中，尺度的定義顯然不同于比例尺。大尺度（或粗尺度，coarsescale）是指大空間范圍或時(shí)間幅度，往往對(duì)應(yīng)于小比例尺、低分辨率；而

4、小尺度（或細(xì)尺度，finescale）則常指小空間范圍或短時(shí)間，往往對(duì)應(yīng)于大比例尺和高分辨率，盡管情況可能并不總是如此。有關(guān)尺度在文獻(xiàn)中經(jīng)常被討論的三個(gè)有特色又相關(guān)的論點(diǎn)是：特征尺度(characteristicscales)、尺度效應(yīng)（scaleeffects）和尺度推繹(scaling)。尺度推繹指不同時(shí)空尺度或組織層次之間的信息轉(zhuǎn)換。下面將作詳細(xì)介紹。2尺度推繹的概念由于空間異質(zhì)性和時(shí)空變異性在自然界中的廣泛存在，大尺度的信息特征值并非是若干小尺度值的簡(jiǎn)單疊加，而小尺度的信息特征值也不能簡(jiǎn)單的通過(guò)對(duì)大尺度值進(jìn)行插值或分解得到，常需借助各種尺度轉(zhuǎn)換途徑與方法來(lái)分析尺度轉(zhuǎn)換

5、過(guò)程中的非線性問(wèn)題，建立不同時(shí)空尺度間的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系。尺度推繹是指把某一尺度上所獲得的信息和知識(shí)擴(kuò)展到其他尺度上，或者通過(guò)在多尺度上的研究而探討生態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)和功能跨尺度特征的過(guò)程，簡(jiǎn)言之，即為跨尺度信息轉(zhuǎn)換。近幾十年來(lái)，隨著宏觀生態(tài)學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展和復(fù)雜系統(tǒng)研究的深入，尺度推繹研究也在生態(tài)學(xué)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并形成了相應(yīng)的理論、方法與技術(shù)，尺度推繹研究逐漸成為了現(xiàn)代地學(xué)、生態(tài)學(xué)研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，是生態(tài)學(xué)理論和應(yīng)用的核心。按照尺度推繹的方向不同，分為尺度上推（scalingup）和尺度下推（scalingdown）。尺度上推是指將小尺度的信息推繹到大尺度上的過(guò)程，是一

6、種信息的聚合(aggregation)；尺度下推是將大尺度上的信息推繹到小尺度上的過(guò)程，是一種信息的分解(dis-aggregation)。3尺度推繹的特點(diǎn)尺度推繹研究的復(fù)雜性，第一，在不同的時(shí)間和空間尺度上占主導(dǎo)地位的格局和過(guò)程是不同的，因此，在單一尺度上的觀測(cè)結(jié)果只能反映該觀測(cè)尺度上的格局和過(guò)程，當(dāng)描述或解釋同時(shí)涉及幾個(gè)層次或尺度的現(xiàn)象時(shí)，問(wèn)題的復(fù)雜性就必然要增加。第二，由于系統(tǒng)的空間異質(zhì)性、非線性關(guān)系、尺度效應(yīng)和不同尺度上的正負(fù)反饋機(jī)制等因素而決定其尺度推繹研究過(guò)程的復(fù)雜性?？臻g異質(zhì)性無(wú)所不在，而且因尺度而異，這使尺度推繹過(guò)程更加復(fù)雜；地表系統(tǒng)是一個(gè)自然等級(jí)系統(tǒng)，在該系

7、統(tǒng)內(nèi)不同尺度上的主導(dǎo)過(guò)程不同，在一種尺度下空間變異的噪聲(noise)成分，可在另一較小尺度下表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)性成分，不同尺度間的變化存在明顯的尺度效應(yīng)；生態(tài)學(xué)系統(tǒng)內(nèi)同一尺度或不同尺度上的組分之間的非線性關(guān)系和反饋?zhàn)饔檬欠浅Ｆ毡榈?，非線性常常導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測(cè)性，例如，在不同尺度之間多不存在簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，一個(gè)尺度上的模型往往不能通過(guò)簡(jiǎn)單的線性推繹而得出另一個(gè)尺度的模型，因而相應(yīng)的尺度推繹模型必然也表現(xiàn)為非線性特征。第三，尺度推繹結(jié)果誤差來(lái)源的多樣性、研究結(jié)果的不確定性(uncertainty)