景观生态尺度的研究进展

程 曼

(泰州学院，江苏 泰州 225300)

景观生态尺度的研究进展

程 曼

(泰州学院，江苏 泰州 225300)

阐述尺度分析、尺度选择和尺度推绎等相关问题的内涵及特点；同时从空间和时间尺度两个方面讨论尺度分析的方法和应用；探讨尺度推绎的理论、方法和应用问题；并进一步凝练景观格局和过程对尺度的依赖性以及尺度与遥感数据源的内在联系。在此基础上，展望景观生态尺度问题的研究热点和发展趋势，为科学地进行尺度分析、选择及推绎，深化景观生态学研究等提供理论依据。

尺度；尺度分析；尺度选择；尺度推绎

尺度问题是景观生态学、空间信息科学等相关学科的研究热点，在国内外受到广泛关注。景观生态学中，尺度主要是指时间和空间上的粒度与幅度[1]，是研究对象或者过程在时间和空间上涉及的范围与发生的频率。作为研究景观要素的重要标准，任何格局及过程的研究都是在一定的时空尺度上进行的，因此尺度问题的研究已成为现代生态学的需求。尺度分析、尺度选择和尺度推绎等问题是景观生态主要研究的三方面内容。随着3S技术的不断发展，海量、多时空尺度的数据源也为尺度的研究提供了有利的支撑。

1 尺度研究的关键问题

1.1 尺度分析

景观格局——过程——尺度是景观生态中重要的范式。不同时空尺度下，景观对象研究的粒度或幅度通常不同，此时格局和过程等生态要素的分析结果也会随之改变[1]。要正确理解格局与过程的关系就必须对其所在的时空尺度特点进行分析，把握其发生的特征尺度，其中最关键的环节就是景观格局多尺度分析[2]。在此基础上，可以进一步研究不同尺度研究所带来的尺度效应，选择适宜的研究尺度，在不同尺度间进行转换[3]。空间统计学方法、分维分析法和景观指数法是常用的三大类尺度分析方法[4]。此外，以马尔可夫转移矩阵和细胞自动机模型为代表的景观生态学模型近年来也逐步应用于景观格局的演变过程研究中，并且已有学者对其中几种模型的主要特点、优劣以及应用范畴等进行了比较，并提出了存在的问题及发展展望，为以后的研究提供了一定的基础[5]。

1.1.1 空间尺度分析

目前对于空间尺度分析的研究主要集中于分析比较不同幅度或者粒度下景观格局的变化情况。而幅度或粒度的方向性变化也可能会影响到研究结果及对现象本质的认识，但这种尺度效应分析研究较少。

近20年来，多采用景观指数法来分析景观的尺度特征[1，6]。张景华等人研究发现，景观指数随着幅度的变化而变化，且不同指数对尺度的反应不同[7，8]。同时不同指数的变化过程中还存在着“临界阈”现象，分析尺度小时，尺度效应变化大；分析尺度超过一定阈值，尺度效应降低，景观要素对尺度的依赖性也就降低[9]。申卫军等人根据景观指数随尺度变化的可预测性将其分为两类：一类随着幅度变化可预测性强，而另一类的可预测性则较弱[10]。董翠芳等人通过对不同半径缓冲区内52个景观指数的分析，发现景观指数对物种多样性的影响也具有尺度依赖性，在不同范围内指数的影响效果不同[11]。根据景观指数随粒度增加表现出的不同趋势，杨丽等人将景观指数分为四类：第一类、第二类指数随着粒度增加而逐渐减少，不同的是第一类关系比较明确，而第二类在下降过程中存在不明显的尺度转折点；第三类指数，随着粒度的增加出现增加的趋势，并且在某一区域有明显的转折点；第四类指数粒度效应相对复杂，曲线近似“n”型，但也有明显的尺度转折点[12]。赵文武等人的研究与该结果也具有相似性，并指出尺度转折点不是单纯的一个值，而是一个相对较小的区间，且一旦比例尺变化，景观指数的粒度效应也会发生变化[13]。

随着对尺度效应的重视，也有部分学者用空间统计学和分维分析法来进行分析。徐建华等人用统计学中的半方差分析法揭示了景观多样性随着空间尺度变化的规律；辛晓平等人在检测多尺度分析下格局间的相似性、尺度的变化及等级结构的特征等内容时采用了多尺度分维数法[4，14]。由于数字高程数据的网格分辨率会明显影响景观格局等，John C. Gallant等人开始使用一种小波分解的地形模型来研究不同尺度上的空间特征[15]。蔡博峰和于嵘在分析了三类方法的可靠性和优缺点的基础上，选取了常用的几种方法比较其在特征尺度识别、计算速度等方面的不同，并提出将半方差分析和小波变换组合在一起使用，是空间分析的最优方案，可以有效地把握景观的特征尺度[2]。

1.1.2 时间尺度分析

时间尺度分析的研究相比空间尺度要少。大多学者利用小波分析等方法研究不同生态系统中气候变化的多时间尺度特征，了解尺度振荡周期[16，17]。也有学者研究了生态因子影响的时间尺度效应，发现随着研究尺度的提升，气象因子对蒸腾的影响逐渐减弱，而植物状况和土壤湿度等生态因子的影响则相反[18]。

在景观生态学中，时间尺度效应分析即是对景观动态变化的研究，主要为景观结构的变化。学者多以土地利用图、不同分辨率的遥感影像等为基本数据源，在3S技术的支持下，利用景观指数法和相关模型进行研究，同时分析变化的驱动力[19，20]。在多尺度等级结构的支持下研究特征尺度的变化规律，发现各尺度域内其结构变化趋势一致，但相互间差异性不断减小[21]，从而可将时间尺度效应分析应用于城市规划中。张新时也提出，生态重建时应有时间尺度的观念，生态系统自身恢复的时间尺度较长，超尺度地过度依赖是不可取的[22]。

1.2 尺度选择

考虑到各景观要素的尺度效应，且通常在小尺度条件下，无法体现大的景观生态背景；在大尺度背景下，又可能会忽略对细节的描述。因此为了获得真实的信息，只有选择适当的尺度进行观测分析，使其与研究对象的特征尺度相符[23]。理论上，需要把研究问题与生物、非生物、自然和人类干扰的最佳尺度相关联起来，研究不同尺度的效应及关系，以便进行合适的选择。同时还考虑到尺度选择的层次性，核心尺度、小尺度组分和大尺度背景等三个方面缺一不可[23]。但由于大、小尺度下研究景观要素具有各自的优缺点，所以需要对不同景观格局的多尺度效应进行分析，为选择一定的研究尺度或遥感分辨率以及持续时间提供依据[24]。对于时间尺度，景观生态研究中一般选择人类生存的几十年为参照量，但在某些景观动态变化的研究中则需要考察上百年乃至更长的时间尺度。

目前，选择最优尺度的常用方法包括基于局部方差、变异函数、离散度和信息熵的几种方法。其中，前两种方法都利用了单波段进行选择，容易受到影响故结果不确定，且在复杂区域应用时有很大的局限性。而离散度法，虽然利用多波段进行选取，却忽略了整个观测量在实际空间的分布特征，仅以各类间概率密度的重叠程度作为衡量标准[25]。因此，张健等人认为基于信息熵的方法既可以将多波段的光谱信息综合起来，也考虑了实际空间的分布特征，综合了前三种方法的优点，更为全面。但在应用时还需考虑分类过程中具体分类类别所对应的最优分辨率，需要进一步完善[26]。

1.3 尺度推绎

尺度推绎，地理学中也称为尺度转换，是指利用已知尺度上的信息和内容来推测其他尺度上相关信息的过程[1]。这是景观生态中许多现象理解和预测的关键，有利于研究多尺度上的景观格局及生态过程。但由于尺度推绎具有一定的尺度依赖性、模型非线性等特点[27]，因此要在异质景观中根据研究对象尺度效应的特征规律进行上推或下推[28]，同时还要考虑由于异质性和不同主导过程带来的误差[29]。尺度推绎的基本理论包括等级理论、分形理论、重正化理论以及区域化随机变量理论等，为研究尺度问题提供了先决条件。研究时则通过建立基于异量关联的幂律关系等来进行推绎，以地学统计学为基础进行推绎的应用也较多[4]。

目前国内外对景观生态学中尺度推绎的研究开始逐步重视，但是对于变化性难以预测、持续时间长短难以控制的时间尺度推绎仍比较少。在空间尺度推绎中也侧重于尺度上推，尺度下推主要应用于小尺度区域气候的预测研究[27，30]。且在研究中多重视空间尺度推绎而忽略了过程尺度推绎；过分强调数量关系的推绎而忽略了生态规律的推绎[31]。所以应当正确认识研究对象的特征，据其变化的尺度范围和性质来确定尺度推绎的空间幅度与方法，深化尺度推绎的理论基础与区域试验，开发关键方法和模型，为尺度问题的研究与发展提供有利条件[32]。

最初我国学者仅对尺度推绎进行简单的概念阐释，但近年来研究不断发展。鲁学军等人便已初步建立了一些等级体系，这些相互间具有可比性的等级体系有利于发现不同生态现象的内在成因及其发生机理[33]。陈利顶等学者创新地提出了借用模式识别的原理和方法来进行尺度推绎与转化的思路，为进一步研究格局分析与尺度转化提供了方法依据[30]。在区域生态安全研究中，张艳芳等人侧重于探讨区域尺度和景观尺度之间的相互转化，有利于景观尺度上的区域生态安全的研究[34]。另外，各国生态学家还利用尺度上推的方法在单叶片尺度上对植被冠层的生理生态过程进行了模拟研究，随后通过环境因子与植被冠层生态过程的相互关系，模拟和预测区域乃至全球等大尺度上的NPP及生物地球化学循环等过程[35]。随着3S技术的发展，许多学者在遥感、气象数据的基础上，充分考虑某一尺度上的格局及过程，进行升尺度和降尺度研究，提出了一些相关模型，但这些模型的精度及可信度评价还需要进一步探索[28，36]。

2 格局与过程对尺度的依赖性

景观格局与生态过程对尺度具有强烈的依赖性，任何格局与过程的研究都包括了时间和空间尺度(如图1)。景观格局指数随空间幅度和粒度的变化而变化，且在不同尺度上景观格局的形成原因和机制往往是不一样的。空间异质性和干扰等过程也依赖于尺度，其理解和测量容易受到粒度和幅度变化的影响[1]。在某一尺度上所见的同质性景观在另一尺度上则可能表现出异质性；某些尺度上的干扰在另一个尺度上可能只是一个组成部分[1]。格局和过程相互作用下表现出来的景观生态功能也受到尺度的制约[37]，不同尺度上的景观动态及其驱动机制也各不相同。

目前对格局及过程的尺度依赖性研究多集中于不同尺度划分体系对格局等的影响效应上[32]，尤其是格局与格局变化的粒度效应和幅度效应分析。此外，张小飞等人研究发现由于空间尺度等级存在着差异，每个尺度域内的节点与廊道各不相同，其相应的生态系统功能、网络结构亦会有所不同[38]。这些方面的探讨为尺度选择及推绎提供了充足的理论基础。而深入研究各个尺度上格局与过程的联系和不同尺度间格局与格局之间的对应关系，有利于解决尺度推绎中的估计偏差、信息损失等关键问题[20，39]。

3 尺度与遥感数据源的相互联系

遥感方法是尺度变化分析中的重要工具，在尺度效应分析、尺度选择与推绎时都需要海量、多时空的遥感数据或遥感影像来辅助决策。数据源精度不同反映的结构也不同，尺度的适宜性对遥感分辨率也有要求[40]。为了减少误差，有学者建议使用多尺度、异质的地图来推绎景观现象[29]，并可将不同尺度上的研究结果综合起来以便更好地把握真实信息[41]。遥感问题中涉及的空间、时间及波谱分辨率也与尺度紧密联系，且尺度问题会影响遥感数据的有效利用，因此选择最优尺度或者进行便捷、可靠的尺度转换，才可以有效地进行遥感数据采集和分析[25]。目前国内外研究的重点主要侧重于遥感信息随尺度变化而产生的粒度或幅度效应、遥感尺度推绎及精度评价、尺度综合、最优尺度的选择等相关内容[40～43]。只有充分考虑到遥感数据源与尺度问题的相互影响，解决数据应用时所碰到的尺度问题，才能够有效推进景观生态、地理学等相关学科的发展[44]。

4 展望

景观生态中的尺度问题比较复杂多样，而且与景观格局和生态过程紧密联系，又受到遥感数据源等相关技术的影响和限制，进一步增加了探索相关问题的难度。随着学科的交叉与融合，景观生态学在尺度研究方面表现出一系列的特点及趋势。

4.1 尺度分析应从多尺度综合研究

景观生态中尺度问题的多样化发展，使得在分析问题时需注重不同时空尺度上的探索和研究。通过多尺度的综合分析，进一步揭示景观格局特征，理解格局和过程对尺度的依赖性。而对不同尺度分析方法的评估和应用，也有利于选择最优尺度，表达景观要素的特征。

4.2 注重与格局、过程的密切联系

研究尺度问题时，关键就是研究格局和过程对尺度的依赖性。景观格局多尺度分析研究目前较多，而探讨景观格局演变驱动力的尺度变化，也是近年来的研究重点。进一步发掘不同尺度下格局与过程直接关系的一般规律，有利于建立尺度推绎模型，或者检验尺度理论与假说。

4.3 尺度推绎的精度评价与优化

尺度推绎问题相对复杂，尤其在跨尺度推绎、推绎精度评价等方面，需要综合对比不同的推绎方法与模型，并进行精度分析与效应评估，将不同的理论和方法包容互补、不断完善，从而提高尺度推绎结果的准确性。

4.4 尺度研究理论与方法的综合应用

尺度分析、尺度选择以及尺度推绎等问题是相辅相成、相互影响的。在研究过程中，需要注重这些问题间的相互联系，将新的理论和方法综合应用，并不断完善。同时，引入计算机模拟、遥感、GIS等先进技术，充分考虑尺度效应，在实际问题中不断探索和创新，以推动尺度问题研究和景观生态学的发展。

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责任编辑：王洪军

10.3969/j.issn.1674-6341.2015.03.002

2015-03-04

程曼(1988—)，女，江苏泰州人，助教。研究方向：景观生态学、生态环境保护。

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1674-6341(2015)03-0003-04