水土保持生态建设中的尺度问题

杨才敏

(山西省水土保持科学研究所)

自20世纪80年代以来，全球生态环境变化剧烈，研究生态学的人们越来越多。研究技术不断进步，试验设计更趋严谨，数学模拟日渐增多，基于计算机技术的数据获取、挖掘、补救和分析能力迅速增强，这些进展都伴随着人们对尺度问题的认识日益重视和提高。近十多年来，“尺度”一词在水土保持生态环境建设文献中频繁出现，但有不少的专业科技工作者并不清楚其具体涵义，觉得很生疏，有的还用错了地方。究竟何为尺度?尺度在生态学领域为何重要?怎样才能正确认识尺度?如何进行尺度转换?以及尺度与等级组织理论和格局等概念之间有何关系?笔者查阅了大量资料，现就尺度问题综述如下。

1 尺度的概念与特征

1.1 尺度的概念

“尺度(scale)”一词属外来词，有多种意思，在《牛津英语词典》(Simpson and Weinen，1989)中阐述了15种不同的含意。尺度一词的含意有两个来源:一是来源于老的挪威语词根skal，意思是碗状物，形成英语的鱼鳞和公正评判的意思，引申后的词意为待测物体与标准物配对法进行测量，即天平或秤的意思。例如，您可以用一个老式的秤通过平衡1 kg重的标准物来称量出1 kg土样的重量;二是来源于拉丁语词根scala，意思是梯子，形成英语的音阶或爬高的意思，引申后的词义为通过步子或梯子长度来测量物体的长或高，即测量的意思。例如，您可以用已知2 m高的梯子，测出半个梯子高度的灌木株高为1 m。总的来说，尺度一词包含了对物体重量、大小的度量与测量方法。

由于尺度一词的多意性，以致生态学文献中对尺度的解释也不完全一致。常见的解释有:尺度是被研究物体或对象在时间或空间上的度量，是关于时间和空间的维，在这个时间和空间维上对象被观测或模拟(吕一河，傅伯杰，2001);尺度是观察或研究的物体或过程的空间分辨率和时间单位，或研究客体或过程的时间维和空间维，可用分辨率和范围来描述(傅伯杰等，2001)。这些定义分别从不同的角度或层面上描述了尺度的特征。归纳起来，水土保持生态建设中的尺度包括三方面的内容:一是具有空间范围或时间跨度，即规模(extent);二是空间和时间可以被进一步划分为最小的面积或最短的时间范围，即粒度(grain)或分辨率(resolution);三是在这个时空尺度上进行观察和模拟结果的计算，即量度。例如，通过一棵树的横截面，可以分辨出生长周期(规模)上的年变化(分辨率)。

1.2 尺度的特征

尺度本身是自然界所固有的特征，也就是说自然界中每一种现象或过程都具有自己的尺度，这是由于地球表层自然界的等级组织和复杂性所致。尺度可分为测量尺度和内在尺度。测量尺度是人类的一种感知尺度，用来测定过程和格局，随感知能力的发展而不断变化。如随着遥感技术的发展，卫星对同一地物的感知能力(分辨率)也在不断提高;而内在尺度则是自然现象所固有的特征，独立于人的控制之外。尺度研究是通过使用适宜的测量尺度来感知物体内在尺度存在的规律性。水土保持生态环境建设研究中的尺度具有以下特征。

1.2.1 多维性

尺度有时间尺度、组织尺度和功能尺度等多种维度，但在水土保持生态环境建设中，人们更重视尺度的时间和空间维度，即时空尺度。

1.2.2 层次性

由于地表自然界中的现象和过程表现出一定的等级性，因此，我们在研究中需要构建一个多层次的尺度体系，以便更直观地观测不同等级上发生的现象和过程。为此，Delcourt等在1983年提出了宏观生态学研究的四个尺度域，即:①微观尺度域(micro－scale dominion):空间范围1－105m2、时间范围为1－500 a，研究对象包括干扰过程(如火、风和砍伐等)、地貌过程(如土壤剥蚀、沙丘运动、滑坡崩塌、河流输沙等)、生物过程(如种群动态、植被演替等)和生态环境损伤破碎化过程等;②中观尺度域(meso－scale dominion):空间范围105－1010m2、时间范围为500－104a，研究对象包括最近间冰期以来气候的波动和物种的迁移等;③宏观尺度域(macroscale dominion):空间范围1010－1012m2、时间范围为104－106a，研究对象包括冰期—间冰期过程及物种的特化与绝灭;④超大尺度域(mega－scale dominion):空间范围大于1012m2、时间范围在105－4.6×106a，研究对象与类似于地表运动的地质事件相对应。

1.2.3 变异性

生态学的格局和过程在不同的尺度上会表现出不同的特征，正是这种变异性增加了跨尺度预测的难度，表现出复杂性的特点。大尺度上发现的许多全球和区域性的生物多样性变化、污染行为和温室效应等生态环境问题，都可能根源于小尺度上的生态问题;同样，大尺度上的改变(如全球气候变化和大洋环流异常等)，也会反过来影响到小尺度上的现象和过程。

1.3 几种常见技术性尺度的区别

1.3.1 组织尺度(level of organization)或功能尺度

是指生态学组织层次(如个体、种群、生态系统、景观)在自然等级系统中所处的位置和所完成的功能，类似于常用的种群尺度(种群水平)、群落尺度(群落水平)等。一般生态尺度是抽象的、精确的，而组织尺度和功能尺度是具体的，在自然等级结构中的位置是相对明确的，但其时空维度是模糊的。

1.3.2 绘图比例(cortogaphic scale)

指的是图上长度与实际长度的比。生态学中的大尺度通常指较大的空间范围，对应于小比例尺;而小尺度则对应于大比例尺和高分辨率。

1.3.3 生态转换(ecological scaling)

指的是用幂函数来测定一个变量随自身大小的变化，通常有一个非整数指数。如呼吸耗氧量等于标准自身质量的3/4，如果身体大小为标准两倍，氧的消耗量为23/4=1.7，而不是2。

1.3.4 绝对尺度(absolute scale)和相对尺度(relative scale)

绝对尺度是指实际的面积、时间等，但若需要考虑一个动物在景观中不同点之间移动单位距离所需要的能量时，就涉及到相对尺度。如当一只鸟被山峰或峡谷阻隔时，为了穿越山峰，其飞行的彼此最近的两个点可能距离很远，这会消耗大量的能量;但如从平面上将飞行的两点连接起来，就存在一个较短的相对距离。相对尺度可由某种函数关系将绝对尺度转换而来。

2 尺度在水土保持生态建设研究中的重要性

生态学研究与尺度问题有着密切的关系。首先，许多生态问题通常存在于几十年的时间长度和大的生态系统空间范围内，但对应的大多数变量只能在短时间、小范围内直接测定，而且大多数速率变量只能现场测量，这样就只剩下很少的变量能通过遥感在大面积内加以测定;其次，小尺度上测定的格局在大尺度上不一定存在，在小尺度上占主导的过程在大尺度上不一定占主导地位。因此，这些生态问题的解释不能在不同尺度内自动类推，小尺度上测定的变量不能上推到大的尺度上。

在强调大尺度问题的同时，生态学家也更加清楚其研究中选择不同的尺度意味着什么。越来越多的研究表明，一个生态问题的结论在很大程度上取决于研究所界定的尺度。也就是说，改变样方或整个研究范围的大小会导致不同的结果或格局，而看起来非常不一样的结果也许仅仅是由于研究中采纳了不同的尺度所致。

尺度在20世纪80年代以来之所以受到人们的广泛关注，是由于地球上的环境问题变得越来越严重，酸雨、全球气候变化、生态环境破碎化和生物多样性保护等成为人类面临的最紧迫的问题，尽管这些问题可能最初发生在较小的尺度上，但很快就可能在更大的尺度上转移扩散，以致引起全球性的问题。因此，这些问题的认识和解决都要求在大尺度上理解格局和过程。

关于尺度问题的一个最为经典的例子是有关生物多样性损失方面的研究。通常物种消失现象在生态系统尺度水平上表现最为明显，然而我们不可能调查整个生态系统，只能选取较小的面积取样，但这种取样方法由于人为差异和样地代表性很难获得全面的物种变化的数据。种类数目通常不能直接用面积来衡量，因为种群数量与取样面积的大小并非一定呈线性相关。

对于生态研究者来讲，生态尺度问题既使他们感到困惑，同时又为众多生态问题的解决提供了一个新的突破口，这也反映了尺度问题在生态学研究中的重要性。

在水土保持生态环境建设研究中，通常以小流域为研究尺度，如果以某一区域小流域的研究资料去推测区域，由于尺度的差异，则往往失之偏颇。

3 尺度概念在生态学中的发展历程

3.1 文字表达阶段

尺度一词本是一个较老的概念，但人们对尺度概念重要性的认识则始于20世纪70年代。到了80年代，这一概念在生态学领域中的应用迅速增多。根据Schneider(2001)对 Ecology和 Ecological Monographs两种英文生态学杂志的电子版本发表的文献所做的统计，发现空间尺度(spatial scale)一词最早出现于70年代初期Marten(1972)和Wiens(1973)的文章中，到了80年代出现频率呈指数增加，是每年期刊发表文章增加数目的10倍，在10 a中尺度一词成为这两种期刊文章中最常见的术语。现在这两种出版物中每年大约有15%的文章使用尺度的概念。尺度一词除了在现代生态学领域有很高的使用频率外，在相对古老或人们不太熟悉的生态学领域里也表现出类似的趋势。如远海鸟类的生态学研究。空间或时间尺度(space or time scale)一词在这些领域中的使用最早出现在1980年，之后在1980～1990年间每年以18.9%的速度增长。

3.2 图形描述阶段

用图形来反映时空尺度最早出现于1978年的生态学文献中。当时Steele把Seommel(1963年)在《自然海洋学》一书中表示海平面时空变化的三维时空图进行了适当修改，用图中的时空坐标重新绘制了两个新的不同的时空图。其中，一个图用来表示浮游植物、浮游动物和鱼类斑块的时空变化，此图属概念图，仅表达所述现象的尺度。5 a后，这种概念性的时空图出现在陆地生态学研究的文献中;另一个图是用来比较单艘船只海洋学研究调查的覆盖范围与使用几艘船只的海洋学项目调查覆盖范围的时空尺度的差异。13 a后类似图形出现在陆地生态学的研究中。此后，Horne和Schneider(1994年)又对Steele(1978年)的图形做了进一步的修改，并采用临界尺度(critical scale)来反映在某种优势的动力学系统中尺度的变化情况图中的等高线以表达时空尺度，两种速率具有同样的大小次序，在大尺度上一种速率占优势，而在小尺度上则另一种速率占优势。时空图对研究生态问题的时空尺度和研究计划完成能力的比较时很有用处。

3.3 数学定量阶段

在生物学与生态学领域，尺度的定量化目前已成为一种趋势。在定量化过程中，常用到跨度与幂函数两个概念。在有效时空图(instrumental ST diagram)中，跨度被认为是两点间的距离，等于规模与分辨率之比。幂函数通常被用来表示两个不同量在跨度之间的数学关系，在跨度之间，两个量呈指数变化。在生物学中，常见的幂函数通常以一种隐含潜在跨度的形式出现。幂函数等于一个量的跨度按指数为β的形式变化，即:Q(M)/Q(M0)=(M/M0)β。

4 尺度的选择与转换

4.1 尺度选择

对生态学格局和过程变化的认识、评价和预测，需要有正确的尺度。尺度选择关系到尺度研究中的试验设计和信息收集，是研究的起点和基础。从理论上讲，尺度选择应该是把生物、非生物和人类过程关联起来的最佳尺度。但是，在实际工作中尺度选择却经常按照人的感知能力或技术和逻辑关系的限制来完成。项目的规模、目标、任务、资金、完成时限以及研究对象的性质和复杂程度等，都会影响和制约对其尺度选择。尺度选择通常具有层次性，包括核心尺度、小尺度组分和大尺度背景三个层次，不存在用单一正确的尺度来描绘一个生态系统的情况。为了更加科学地进行尺度选择，通常需要应用空间统计学方法和多元回归分析。

4.2 尺度转换

尺度转换(scaling)就是在不同尺度之间的辨识、推断和预测。不同尺度上的生态实体和过程其性质受制于相应的尺度，每一尺度上都有其约束体系和临界值。尺度转换包括尺度上推(scaling－up)和尺度下推(scaling－down)，可以通过控制模型的粒度和规模来实现。在实际研究工作中，尺度上推应用较多。尺度上推最简单的方式就是通过增加在一个尺度上的测定次数来预测更大尺度上的变化。这种方法是假定系统的性质不随尺度而变化，并且大尺度系统的情况像平均的较小尺度的情况。但这种方法具有片面性，因为它不能解释在转换过程中时间或空间的变异性，并且忽视了研究的变量随着尺度的变化呈非线性的变化。由于生态系统的复杂性，尺度转换通常借助计算机建立数学模型来完成。在同一尺度域内，由于过程相似，尺度转换比较容易，模型简单适宜，预测精度较高;但当跨不同尺度区域时，由于不同过程在不同尺度上起作用，尺度转换就复杂化了，经常会出现混沌、灾变或其他难以预测的非线性变化。目前，常用的尺度转换方法有图示法、回归分析、半变异函数、自相关分析、谱分析、分形和小波分析等。

5 等级组织理论和格局与尺度

5.1 等级理论与尺度

等级理论(hierarchy theory)和空间尺度都是在20世纪70年代末和80年代初引起人们重视的，但在生态学中尺度概念的出现相对较早。尺度概念与等级理论是密不可分的。等级理论认为，任何系统都属于一定的等级，并具有一定的时间和空间尺度。等级通常等同于生态学理论中的组织水平。最简单的组织水平系列是细胞、个体、种群和群落等。其中，每一水平都由比它低一级的水平组成，又受比它高一级水平的制约。不过这种简单的等级观还不足以代表生态学中所有的过程和尺度。尺度不等同于组织水平，但等级理论对更深入地理解尺度有帮助。等级被看作是一个内在互相联系的系统，在系统内上一个等级不同程度地制约着下一个等级。在一个等级系统中，不同的等级水平其过程的频率是不同的。比如说，一个有机体与其他的有机个体进行相互作用，因为他们都生存在同一个时空尺度上;而有机体就不能与一个生物区系相互作用，因为它们在尺度上处于不同等级。对于有机个体来说，生物区系是其生存、发展的相对稳定不变的背景。因此，时间尺度可以作为识别尺度内不同水平的重要标准，并且存在着不同的时间和空间尺度来影响控制作用的运转。等级理论的一个主要观点是任何研究都要考虑三个等级水平，首先关注的应当是焦点水平(focal level)或兴趣水平(interest level)。焦点水平被定义为问题的函数或研究的目标。然后还必须考虑另外两个水平，即焦点水平之上的那个水平，因为它制约和控制着它的下级水平，是焦点水平的背景;焦点水平之下的那个水平，它为焦点水平提供了细节，这些细节被用来解释在焦点水平上观测到的行为。等级理论告诉我们，应把注意力直接放在事件发生或兴趣尺度(scale of interest)上。对于研究生态系统来说，如果我们改变了尺度，相关的过程甚至研究方向都会发生改变。总的来说，生态学研究不同组织水平上生物与环境之间的关系，每一层次都有各自的时间和空间尺度。

5.2 格局与尺度

格局(pattern)是生物或生态组织水平在时空尺度内的变化式样。不同的组织水平可以表现出不同的式样，如种群的分布可以表现出随机、均匀和集群三种类型，而群落、生态系统或景观的格局可以用斑块(patches)、异质性(heterogeneity)等来表示。格局随着尺度变化而变化，如在小尺度内可能表现为随机、均匀和集群分布的种群，在大尺度内则为集群分布。对格局的描述就是对变化的描述，而变化的定量需要确定尺度。我们必须寻找时空中变量格局的定量方法，寻找理解格局随尺度变化的方法。这是一项艰巨的工作，需要涉及到遥感方法、空间统计技术和其他一些定量大尺度格局的方法，不仅需要揭示机制和探索关系，而且需要在小尺度上进行实验和横跨系统的操作来检验假设。尺度和格局是两个无法回避的相互交织在一起的概念，识别格局是识别尺度的前提。在生态系统研究中，每个个体或种群都在其独特的尺度范围内经历着环境，并以各自独特的方式响应环境的变化。没有对有机体或过程相关的特殊尺度的分析，任何对格局的分析和预测都是没有意义的。

［1］丁圣彦主编.生态学—面向人类生存环境的科学价值观［M］.北京:科学出版社，2004:11－24.