生態(tài)學(xué)尺度及尺度推繹方法綜述

1、 生態(tài)學(xué)尺度及尺度推繹方法綜述摘要： 通過適宜的空間和時(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，并提出推繹過程中需注意的問題。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題的重要性，對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)中對于尺度和尺度推繹的關(guān)注也有同樣的趨勢。尺度研究的根本目的在于通過適宜的空間和時(shí)間尺度來揭示和把握復(fù)雜的生態(tài)學(xué)規(guī)律。1

2、 尺度的概念不同學(xué)者分別從不同角度對尺度概念進(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，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定義尺度，而后者則是根據(jù)所研究的過程或現(xiàn)象的特征來定義尺度。尺度可分為空間尺度和時(shí)間尺度，此外，組織尺度（organizational scale)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）組成的等級系統(tǒng)中的相對位置（如種群尺度、景觀尺度等）。具體地說，生態(tài)尺度首先應(yīng)該包括面積或時(shí)間間隔，即規(guī)

3、?；蚍龋╡xtent），即研究對象在空間或時(shí)間上的持續(xù)范圍或長度，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，coarse scale）是指大空間范圍或時(shí)間幅度，往往對應(yīng)于小比例尺、低分辨率；而小尺度（或細(xì)尺度，fine scale）則

4、常指小空間范圍或短時(shí)間，往往對應(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(characteristic scales)、尺度效應(yīng)（scale effects）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單疊加，而小尺度的信息特征值也不能簡單的通過對大尺度值進(jìn)行插值或分解得到，常需借助各種尺度轉(zhuǎn)換途徑與方法來分析尺度轉(zhuǎn)換過程中的非線性問題，建立不同時(shí)空尺度間的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系

5、。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程，簡言之，即為跨尺度信息轉(zhuǎn)換。近幾十年來，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（scaling up）和尺度下推（scaling down）。尺度上推是指將小尺度的信息推繹到大尺度上的過程，是一種信息的聚合(aggregation)； 尺度下推是將大尺度上的信

6、息推繹到小尺度上的過程，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)地位的格局和過程是不同的，因此，在單一尺度上的觀測結(jié)果只能反映該觀測尺度上的格局和過程，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程的復(fù)雜性?？臻g異質(zhì)性無所不在，而且因尺度而異，這使尺度推繹過程更加復(fù)雜；地表系統(tǒng)是一個(gè)自然等級系統(tǒng)，在該系統(tǒng)內(nèi)不同尺度上的主導(dǎo)過程不同，在一種尺度下空間變異的噪聲(noise)成分，可在

7、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毡榈模蔷€性常常導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和不可預(yù)測性，例如，在不同尺度之間多不存在簡單的線性關(guān)系，一個(gè)尺度上的模型往往不能通過簡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)果誤差來源的多樣性、研究結(jié)果的不確定性(uncertainty)及驗(yàn)證的困難性等也在一定程度上增加了尺度推繹研究的復(fù)雜程度。4 尺度推繹的途徑和方法由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，尺度推繹往往采用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)模擬作為其重要工具。在同一尺度域中

8、，由于過程的相似性，尺度推繹容易，模型簡單適宜，預(yù)測的準(zhǔn)確性高；而跨越多個(gè)尺度域時(shí)，由于不同過程在不同尺度上起作用，尺度推繹則必然復(fù)雜化。如何進(jìn)行尺度推繹呢？4.1尺度上推wu和li將尺度上推的方法歸納為兩大類：基于相似性原理的推繹方法和基于動(dòng)態(tài)模型的推繹方法。4.1.1 基于相似性原理的推繹方法基于相似性的尺度上推方法大量應(yīng)用于地球物理和生物學(xué)，根植于相似性或自相似性的概念和原理。通常用相對較簡單的數(shù)學(xué)或統(tǒng)計(jì)函數(shù)式表示，但它所基于的過程和機(jī)制可能是相當(dāng)復(fù)雜的?；谙嗨菩栽淼耐评[方法包括量綱分析和相似性分析，傳統(tǒng)的異速生長學(xué)以及空間異速生長學(xué)（spatial allometry）方法?？臻g異

9、速生長學(xué)中的自變量是空間尺度，而不是個(gè)體大小或生物量；相似性或自相似性原理應(yīng)用于空間系統(tǒng)(如棲息地，景觀等)，而不是單個(gè)生物體。一般認(rèn)為，異速生長學(xué)意味著系統(tǒng)中存在單個(gè)的尺度推繹過程，但生態(tài)系統(tǒng)是物理、化學(xué)、生物和社會(huì)經(jīng)濟(jì)過程的綜合體，將簡單的自相似性原理應(yīng)用于所有這些過程是不可能的。因此，由統(tǒng)計(jì)方法得到的異速生長學(xué)所基于的過程和機(jī)制是需要深入探討的問題。雖然異速生長學(xué)通常表示為冪函數(shù)，也有一些研究者將冪律作為基本的通用規(guī)律或尺度不變理論，但在真實(shí)景觀中，這種尺度推繹關(guān)系通常僅適于有限的尺度范圍(同一個(gè)尺度域內(nèi))，因?yàn)榇蠖鄶?shù)景觀的格局和過程表現(xiàn)出多尺度域，在跨越不同尺度域時(shí)作用機(jī)制發(fā)生變化，以

10、致于尺度推繹關(guān)系也發(fā)生變化。然而，無論如何， 異速生長學(xué)(尤其是空間異速生長學(xué))是一種很有價(jià)值的生態(tài)學(xué)尺度推繹方法。4.1.2 基于動(dòng)態(tài)模型的推繹方法與基于相似性的尺度上推方法比較，基于動(dòng)態(tài)模型的尺度上推方法不受相似性和尺度不變假設(shè)的制；不受數(shù)學(xué)表達(dá)的限制；能夠明確地考慮動(dòng)態(tài)過程及其相互作用和機(jī)制；能以空間顯式的方式聯(lián)系格局和程；能夠處理異質(zhì)結(jié)構(gòu)和瞬變動(dòng)態(tài)；能夠涉及更多的研究領(lǐng)域和內(nèi)容。動(dòng)態(tài)模型可能是確定型或隨機(jī)型模型，可能以數(shù)學(xué)上顯式的形式(如微分或差分方程)表示，也可能以數(shù)學(xué)上非顯式的形式(如反映相關(guān)關(guān)系或規(guī)律的模擬式)表示。使用動(dòng)態(tài)模型的跨尺度信息轉(zhuǎn)換通常要改變模型的參數(shù)、輸入變量、狀態(tài)

11、變量、輸出變量或模型關(guān)系式，或者要建立多尺度相互作用模型。在尺度上推法中，僅進(jìn)行兩步上推，即從最小的空間粒度單元直接到最大的空間幅度，沒有考慮景觀的多尺度性和多等級結(jié)構(gòu)，空間粒度的選擇比較任意。對一個(gè)具有多等級結(jié)構(gòu)、跨多尺度域的復(fù)雜異質(zhì)景觀來說，這種尺度上推法只適用于小范圍內(nèi)(同一等級層次內(nèi)部或相鄰等級層次之間)，而且空間粒度的大小可能與所研究過程或格局的特征尺度并不相符。對于等級系統(tǒng)中跨尺度的上推，wu（1999）提出了等級斑塊動(dòng)態(tài)尺度推繹策略，簡稱“云梯尺度推繹途徑”(extrapolation along a scaling ladder)。它包括以下3個(gè)步驟：確定合適的斑塊等級，觀察并

12、建立圍繞核心層次的格局和過程模型，跨尺度域逐級外推。這一途徑提供了跨尺度推繹的概念框架和思想指導(dǎo)，從而增強(qiáng)了跨尺度信息轉(zhuǎn)換的可行性和準(zhǔn)確性。已經(jīng)證明，這種途徑在景觀格局和過程的尺度推繹中非常有用，并有望成為尺度推繹的范式之一。然而，如果要從細(xì)胞層次直接上推到全球?qū)哟?，即使是有必要的話，也是極為困難或完全不可能的。4.2尺度下推wu和li還對尺度下推的各種方法作了總結(jié)。簡略地說，尺度下推往往涉及將大尺度上（或粗粒度）的信息加以細(xì)?；?，從而估計(jì)出某一特定區(qū)域單元內(nèi)部的小尺度格局。尺度下推常常要用到隨機(jī)或概率方法，同時(shí)輔以小尺度的附加信息。這些方法通?？煞譃閮纱箢悾航?jīng)驗(yàn)型統(tǒng)計(jì)學(xué)途徑和嵌套動(dòng)態(tài)模型途徑

13、。5 尺度推繹結(jié)果的不確定性分析由于觀測和取樣的誤差、空間的異質(zhì)性、變量之間的非線性關(guān)系、數(shù)據(jù)的多樣性、可靠數(shù)據(jù)的缺乏、模型結(jié)構(gòu)(包括模擬式、參數(shù)和驅(qū)動(dòng)變量)及尺度推繹技術(shù)上的問題，無論采用什么尺度推繹方法，其結(jié)果總會(huì)存在不確定性。來源于這些不同因素的誤差可能發(fā)生繁衍，從而對尺度推繹結(jié)果的精度產(chǎn)生非線性影響。然而，在生態(tài)學(xué)尺度推繹中，不確定性分析或精度評價(jià)一直未受到重視。通常情況下，并不清楚尺度推繹結(jié)果的精度到底如何。到目前為止，有關(guān)這一問題的研究仍然極少，幾乎很難找到有關(guān)尺度推繹結(jié)果的不確定性、誤差或精度方面的空間分析文獻(xiàn)。很難想象，不進(jìn)行不確定性分析，僅憑直覺就能判斷所得的尺度推繹結(jié)果是否

14、有價(jià)值，是否能夠反映所研究景觀的實(shí)際特征。為了減少這種判斷上的盲目性，應(yīng)該將不確定性分析作為尺度推繹過程的一個(gè)重要組成部分。生態(tài)學(xué)研究和環(huán)境決策促使對大尺度模擬和尺度推繹的日益關(guān)注，因此，理解、定量和降低尺度推繹結(jié)果的不確定性也已經(jīng)變得越來越重要。尺度推繹結(jié)果的不確定性分析包括定量各種來源的不確定性、評價(jià)尺度推繹方法本身的局限性和不確定性對結(jié)果的影響、評價(jià)誤差繁衍、評價(jià)所使用模型和數(shù)學(xué)表達(dá)式的適合性、識(shí)別模型中的重要因子。根據(jù)產(chǎn)生不確定性的來源，一些不確定性能被定量和降低(如觀測和取樣上的誤差)；一些能被定量，但很難降低(如數(shù)據(jù)的多樣性)；而其它甚至不能被定量(如模型結(jié)構(gòu)的不確定性)。無論如何

15、，都應(yīng)該盡可能地定量或降低一些重要的誤差。尺度推繹的準(zhǔn)確性或不確定性可以用概率分布、方差、變異系數(shù)、置信水平、誤差平均平方根(rmse)等來表示。6 尺度推繹注意的問題但是這些轉(zhuǎn)換方法還遠(yuǎn)不夠完善，也沒有建立一套成熟的尺度轉(zhuǎn)換規(guī)則，僅可從以往大量的研究結(jié)果得出幾個(gè)尺度間推測的有效原則：第一，在同質(zhì)空間中尺度變化容易被忽略，而在異質(zhì)性空間則容易被注意到。只有當(dāng)研究區(qū)域的研究特征是同質(zhì)的時(shí)，平均動(dòng)態(tài)才能被推廣到更大范圍中去。第二，只要主要過程和限制條件不變，分維學(xué)理論認(rèn)為在某些條件下，數(shù)量可以在尺度間轉(zhuǎn)換。第三，當(dāng)空間異質(zhì)性與非線性動(dòng)態(tài)同時(shí)存在，并存在限制條件發(fā)生較大改變的可能性時(shí)，推測就是一個(gè)很

16、難的問題，也是現(xiàn)在亟待解決的問題。參考文獻(xiàn)：1 岳天祥，劉紀(jì)遠(yuǎn).生態(tài)地理建模中的多尺度問題m.第四紀(jì)研究，2003.23(3):256-261.2 j. wu， k.b. jones， h. li，etc.scaling and uncertainty analysis in ecology: methods and applications. netherlands.2006.3 呂一河，傅伯杰.生態(tài)學(xué)中的尺度及尺度轉(zhuǎn)換方法j.生態(tài)學(xué)報(bào)，2001.21(12)：2096-2105.4 劉志民，張樂.試論荒漠化過程、空間格局與尺度的關(guān)系.現(xiàn)代生態(tài)學(xué)講座()學(xué)科進(jìn)展與熱點(diǎn)論題.高等教育出版社，2

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