水土保持生態(tài)建設(shè)中的尺度問題

楊才敏

(山西省水土保持科學研究所)

自20世紀80年代以來，全球生態(tài)環(huán)境變化劇烈，研究生態(tài)學的人們越來越多。研究技術(shù)不斷進步，試驗設(shè)計更趨嚴謹，數(shù)學模擬日漸增多，基于計算機技術(shù)的數(shù)據(jù)獲取、挖掘、補救和分析能力迅速增強，這些進展都伴隨著人們對尺度問題的認識日益重視和提高。近十多年來，“尺度”一詞在水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)文獻中頻繁出現(xiàn)，但有不少的專業(yè)科技工作者并不清楚其具體涵義，覺得很生疏，有的還用錯了地方。究竟何為尺度?尺度在生態(tài)學領(lǐng)域為何重要?怎樣才能正確認識尺度?如何進行尺度轉(zhuǎn)換?以及尺度與等級組織理論和格局等概念之間有何關(guān)系?筆者查閱了大量資料，現(xiàn)就尺度問題綜述如下。

1 尺度的概念與特征

1.1 尺度的概念

“尺度(scale)”一詞屬外來詞，有多種意思，在《牛津英語詞典》(Simpson and Weinen，1989)中闡述了15種不同的含意。尺度一詞的含意有兩個來源:一是來源于老的挪威語詞根skal，意思是碗狀物，形成英語的魚鱗和公正評判的意思，引申后的詞意為待測物體與標準物配對法進行測量，即天平或秤的意思。例如，您可以用一個老式的秤通過平衡1 kg重的標準物來稱量出1 kg土樣的重量;二是來源于拉丁語詞根scala，意思是梯子，形成英語的音階或爬高的意思，引申后的詞義為通過步子或梯子長度來測量物體的長或高，即測量的意思。例如，您可以用已知2 m高的梯子，測出半個梯子高度的灌木株高為1 m?？偟膩碚f，尺度一詞包含了對物體重量、大小的度量與測量方法。

由于尺度一詞的多意性，以致生態(tài)學文獻中對尺度的解釋也不完全一致。常見的解釋有:尺度是被研究物體或?qū)ο笤跁r間或空間上的度量，是關(guān)于時間和空間的維，在這個時間和空間維上對象被觀測或模擬(呂一河，傅伯杰，2001);尺度是觀察或研究的物體或過程的空間分辨率和時間單位，或研究客體或過程的時間維和空間維，可用分辨率和范圍來描述(傅伯杰等，2001)。這些定義分別從不同的角度或?qū)用嫔厦枋隽顺叨鹊奶卣?。歸納起來，水土保持生態(tài)建設(shè)中的尺度包括三方面的內(nèi)容:一是具有空間范圍或時間跨度，即規(guī)模(extent);二是空間和時間可以被進一步劃分為最小的面積或最短的時間范圍，即粒度(grain)或分辨率(resolution);三是在這個時空尺度上進行觀察和模擬結(jié)果的計算，即量度。例如，通過一棵樹的橫截面，可以分辨出生長周期(規(guī)模)上的年變化(分辨率)。

1.2 尺度的特征

尺度本身是自然界所固有的特征，也就是說自然界中每一種現(xiàn)象或過程都具有自己的尺度，這是由于地球表層自然界的等級組織和復(fù)雜性所致。尺度可分為測量尺度和內(nèi)在尺度。測量尺度是人類的一種感知尺度，用來測定過程和格局，隨感知能力的發(fā)展而不斷變化。如隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星對同一地物的感知能力(分辨率)也在不斷提高;而內(nèi)在尺度則是自然現(xiàn)象所固有的特征，獨立于人的控制之外。尺度研究是通過使用適宜的測量尺度來感知物體內(nèi)在尺度存在的規(guī)律性。水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)研究中的尺度具有以下特征。

1.2.1 多維性

尺度有時間尺度、組織尺度和功能尺度等多種維度，但在水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)中，人們更重視尺度的時間和空間維度，即時空尺度。

1.2.2 層次性

由于地表自然界中的現(xiàn)象和過程表現(xiàn)出一定的等級性，因此，我們在研究中需要構(gòu)建一個多層次的尺度體系，以便更直觀地觀測不同等級上發(fā)生的現(xiàn)象和過程。為此，Delcourt等在1983年提出了宏觀生態(tài)學研究的四個尺度域，即:①微觀尺度域(micro－scale dominion):空間范圍1－105m2、時間范圍為1－500 a，研究對象包括干擾過程(如火、風和砍伐等)、地貌過程(如土壤剝蝕、沙丘運動、滑坡崩塌、河流輸沙等)、生物過程(如種群動態(tài)、植被演替等)和生態(tài)環(huán)境損傷破碎化過程等;②中觀尺度域(meso－scale dominion):空間范圍105－1010m2、時間范圍為500－104a，研究對象包括最近間冰期以來氣候的波動和物種的遷移等;③宏觀尺度域(macroscale dominion):空間范圍1010－1012m2、時間范圍為104－106a，研究對象包括冰期—間冰期過程及物種的特化與絕滅;④超大尺度域(mega－scale dominion):空間范圍大于1012m2、時間范圍在105－4.6×106a，研究對象與類似于地表運動的地質(zhì)事件相對應(yīng)。

1.2.3 變異性

生態(tài)學的格局和過程在不同的尺度上會表現(xiàn)出不同的特征，正是這種變異性增加了跨尺度預(yù)測的難度，表現(xiàn)出復(fù)雜性的特點。大尺度上發(fā)現(xiàn)的許多全球和區(qū)域性的生物多樣性變化、污染行為和溫室效應(yīng)等生態(tài)環(huán)境問題，都可能根源于小尺度上的生態(tài)問題;同樣，大尺度上的改變(如全球氣候變化和大洋環(huán)流異常等)，也會反過來影響到小尺度上的現(xiàn)象和過程。

1.3 幾種常見技術(shù)性尺度的區(qū)別

1.3.1 組織尺度(level of organization)或功能尺度

是指生態(tài)學組織層次(如個體、種群、生態(tài)系統(tǒng)、景觀)在自然等級系統(tǒng)中所處的位置和所完成的功能，類似于常用的種群尺度(種群水平)、群落尺度(群落水平)等。一般生態(tài)尺度是抽象的、精確的，而組織尺度和功能尺度是具體的，在自然等級結(jié)構(gòu)中的位置是相對明確的，但其時空維度是模糊的。

1.3.2 繪圖比例(cortogaphic scale)

指的是圖上長度與實際長度的比。生態(tài)學中的大尺度通常指較大的空間范圍，對應(yīng)于小比例尺;而小尺度則對應(yīng)于大比例尺和高分辨率。

1.3.3 生態(tài)轉(zhuǎn)換(ecological scaling)

指的是用冪函數(shù)來測定一個變量隨自身大小的變化，通常有一個非整數(shù)指數(shù)。如呼吸耗氧量等于標準自身質(zhì)量的3/4，如果身體大小為標準兩倍，氧的消耗量為23/4=1.7，而不是2。

1.3.4 絕對尺度(absolute scale)和相對尺度(relative scale)

絕對尺度是指實際的面積、時間等，但若需要考慮一個動物在景觀中不同點之間移動單位距離所需要的能量時，就涉及到相對尺度。如當一只鳥被山峰或峽谷阻隔時，為了穿越山峰，其飛行的彼此最近的兩個點可能距離很遠，這會消耗大量的能量;但如從平面上將飛行的兩點連接起來，就存在一個較短的相對距離。相對尺度可由某種函數(shù)關(guān)系將絕對尺度轉(zhuǎn)換而來。

2 尺度在水土保持生態(tài)建設(shè)研究中的重要性

生態(tài)學研究與尺度問題有著密切的關(guān)系。首先，許多生態(tài)問題通常存在于幾十年的時間長度和大的生態(tài)系統(tǒng)空間范圍內(nèi)，但對應(yīng)的大多數(shù)變量只能在短時間、小范圍內(nèi)直接測定，而且大多數(shù)速率變量只能現(xiàn)場測量，這樣就只剩下很少的變量能通過遙感在大面積內(nèi)加以測定;其次，小尺度上測定的格局在大尺度上不一定存在，在小尺度上占主導的過程在大尺度上不一定占主導地位。因此，這些生態(tài)問題的解釋不能在不同尺度內(nèi)自動類推，小尺度上測定的變量不能上推到大的尺度上。

在強調(diào)大尺度問題的同時，生態(tài)學家也更加清楚其研究中選擇不同的尺度意味著什么。越來越多的研究表明，一個生態(tài)問題的結(jié)論在很大程度上取決于研究所界定的尺度。也就是說，改變樣方或整個研究范圍的大小會導致不同的結(jié)果或格局，而看起來非常不一樣的結(jié)果也許僅僅是由于研究中采納了不同的尺度所致。

尺度在20世紀80年代以來之所以受到人們的廣泛關(guān)注，是由于地球上的環(huán)境問題變得越來越嚴重，酸雨、全球氣候變化、生態(tài)環(huán)境破碎化和生物多樣性保護等成為人類面臨的最緊迫的問題，盡管這些問題可能最初發(fā)生在較小的尺度上，但很快就可能在更大的尺度上轉(zhuǎn)移擴散，以致引起全球性的問題。因此，這些問題的認識和解決都要求在大尺度上理解格局和過程。

關(guān)于尺度問題的一個最為經(jīng)典的例子是有關(guān)生物多樣性損失方面的研究。通常物種消失現(xiàn)象在生態(tài)系統(tǒng)尺度水平上表現(xiàn)最為明顯，然而我們不可能調(diào)查整個生態(tài)系統(tǒng)，只能選取較小的面積取樣，但這種取樣方法由于人為差異和樣地代表性很難獲得全面的物種變化的數(shù)據(jù)。種類數(shù)目通常不能直接用面積來衡量，因為種群數(shù)量與取樣面積的大小并非一定呈線性相關(guān)。

對于生態(tài)研究者來講，生態(tài)尺度問題既使他們感到困惑，同時又為眾多生態(tài)問題的解決提供了一個新的突破口，這也反映了尺度問題在生態(tài)學研究中的重要性。

在水土保持生態(tài)環(huán)境建設(shè)研究中，通常以小流域為研究尺度，如果以某一區(qū)域小流域的研究資料去推測區(qū)域，由于尺度的差異，則往往失之偏頗。

3 尺度概念在生態(tài)學中的發(fā)展歷程

3.1 文字表達階段

尺度一詞本是一個較老的概念，但人們對尺度概念重要性的認識則始于20世紀70年代。到了80年代，這一概念在生態(tài)學領(lǐng)域中的應(yīng)用迅速增多。根據(jù)Schneider(2001)對 Ecology和 Ecological Monographs兩種英文生態(tài)學雜志的電子版本發(fā)表的文獻所做的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)空間尺度(spatial scale)一詞最早出現(xiàn)于70年代初期Marten(1972)和Wiens(1973)的文章中，到了80年代出現(xiàn)頻率呈指數(shù)增加，是每年期刊發(fā)表文章增加數(shù)目的10倍，在10 a中尺度一詞成為這兩種期刊文章中最常見的術(shù)語。現(xiàn)在這兩種出版物中每年大約有15%的文章使用尺度的概念。尺度一詞除了在現(xiàn)代生態(tài)學領(lǐng)域有很高的使用頻率外，在相對古老或人們不太熟悉的生態(tài)學領(lǐng)域里也表現(xiàn)出類似的趨勢。如遠海鳥類的生態(tài)學研究?？臻g或時間尺度(space or time scale)一詞在這些領(lǐng)域中的使用最早出現(xiàn)在1980年，之后在1980～1990年間每年以18.9%的速度增長。

3.2 圖形描述階段

用圖形來反映時空尺度最早出現(xiàn)于1978年的生態(tài)學文獻中。當時Steele把Seommel(1963年)在《自然海洋學》一書中表示海平面時空變化的三維時空圖進行了適當修改，用圖中的時空坐標重新繪制了兩個新的不同的時空圖。其中，一個圖用來表示浮游植物、浮游動物和魚類斑塊的時空變化，此圖屬概念圖，僅表達所述現(xiàn)象的尺度。5 a后，這種概念性的時空圖出現(xiàn)在陸地生態(tài)學研究的文獻中;另一個圖是用來比較單艘船只海洋學研究調(diào)查的覆蓋范圍與使用幾艘船只的海洋學項目調(diào)查覆蓋范圍的時空尺度的差異。13 a后類似圖形出現(xiàn)在陸地生態(tài)學的研究中。此后，Horne和Schneider(1994年)又對Steele(1978年)的圖形做了進一步的修改，并采用臨界尺度(critical scale)來反映在某種優(yōu)勢的動力學系統(tǒng)中尺度的變化情況圖中的等高線以表達時空尺度，兩種速率具有同樣的大小次序，在大尺度上一種速率占優(yōu)勢，而在小尺度上則另一種速率占優(yōu)勢。時空圖對研究生態(tài)問題的時空尺度和研究計劃完成能力的比較時很有用處。

3.3 數(shù)學定量階段

在生物學與生態(tài)學領(lǐng)域，尺度的定量化目前已成為一種趨勢。在定量化過程中，常用到跨度與冪函數(shù)兩個概念。在有效時空圖(instrumental ST diagram)中，跨度被認為是兩點間的距離，等于規(guī)模與分辨率之比。冪函數(shù)通常被用來表示兩個不同量在跨度之間的數(shù)學關(guān)系，在跨度之間，兩個量呈指數(shù)變化。在生物學中，常見的冪函數(shù)通常以一種隱含潛在跨度的形式出現(xiàn)。冪函數(shù)等于一個量的跨度按指數(shù)為β的形式變化，即:Q(M)/Q(M0)=(M/M0)β。

4 尺度的選擇與轉(zhuǎn)換

4.1 尺度選擇

對生態(tài)學格局和過程變化的認識、評價和預(yù)測，需要有正確的尺度。尺度選擇關(guān)系到尺度研究中的試驗設(shè)計和信息收集，是研究的起點和基礎(chǔ)。從理論上講，尺度選擇應(yīng)該是把生物、非生物和人類過程關(guān)聯(lián)起來的最佳尺度。但是，在實際工作中尺度選擇卻經(jīng)常按照人的感知能力或技術(shù)和邏輯關(guān)系的限制來完成。項目的規(guī)模、目標、任務(wù)、資金、完成時限以及研究對象的性質(zhì)和復(fù)雜程度等，都會影響和制約對其尺度選擇。尺度選擇通常具有層次性，包括核心尺度、小尺度組分和大尺度背景三個層次，不存在用單一正確的尺度來描繪一個生態(tài)系統(tǒng)的情況。為了更加科學地進行尺度選擇，通常需要應(yīng)用空間統(tǒng)計學方法和多元回歸分析。

4.2 尺度轉(zhuǎn)換

尺度轉(zhuǎn)換(scaling)就是在不同尺度之間的辨識、推斷和預(yù)測。不同尺度上的生態(tài)實體和過程其性質(zhì)受制于相應(yīng)的尺度，每一尺度上都有其約束體系和臨界值。尺度轉(zhuǎn)換包括尺度上推(scaling－up)和尺度下推(scaling－down)，可以通過控制模型的粒度和規(guī)模來實現(xiàn)。在實際研究工作中，尺度上推應(yīng)用較多。尺度上推最簡單的方式就是通過增加在一個尺度上的測定次數(shù)來預(yù)測更大尺度上的變化。這種方法是假定系統(tǒng)的性質(zhì)不隨尺度而變化，并且大尺度系統(tǒng)的情況像平均的較小尺度的情況。但這種方法具有片面性，因為它不能解釋在轉(zhuǎn)換過程中時間或空間的變異性，并且忽視了研究的變量隨著尺度的變化呈非線性的變化。由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，尺度轉(zhuǎn)換通常借助計算機建立數(shù)學模型來完成。在同一尺度域內(nèi)，由于過程相似，尺度轉(zhuǎn)換比較容易，模型簡單適宜，預(yù)測精度較高;但當跨不同尺度區(qū)域時，由于不同過程在不同尺度上起作用，尺度轉(zhuǎn)換就復(fù)雜化了，經(jīng)常會出現(xiàn)混沌、災(zāi)變或其他難以預(yù)測的非線性變化。目前，常用的尺度轉(zhuǎn)換方法有圖示法、回歸分析、半變異函數(shù)、自相關(guān)分析、譜分析、分形和小波分析等。

5 等級組織理論和格局與尺度

5.1 等級理論與尺度

等級理論(hierarchy theory)和空間尺度都是在20世紀70年代末和80年代初引起人們重視的，但在生態(tài)學中尺度概念的出現(xiàn)相對較早。尺度概念與等級理論是密不可分的。等級理論認為，任何系統(tǒng)都屬于一定的等級，并具有一定的時間和空間尺度。等級通常等同于生態(tài)學理論中的組織水平。最簡單的組織水平系列是細胞、個體、種群和群落等。其中，每一水平都由比它低一級的水平組成，又受比它高一級水平的制約。不過這種簡單的等級觀還不足以代表生態(tài)學中所有的過程和尺度。尺度不等同于組織水平，但等級理論對更深入地理解尺度有幫助。等級被看作是一個內(nèi)在互相聯(lián)系的系統(tǒng)，在系統(tǒng)內(nèi)上一個等級不同程度地制約著下一個等級。在一個等級系統(tǒng)中，不同的等級水平其過程的頻率是不同的。比如說，一個有機體與其他的有機個體進行相互作用，因為他們都生存在同一個時空尺度上;而有機體就不能與一個生物區(qū)系相互作用，因為它們在尺度上處于不同等級。對于有機個體來說，生物區(qū)系是其生存、發(fā)展的相對穩(wěn)定不變的背景。因此，時間尺度可以作為識別尺度內(nèi)不同水平的重要標準，并且存在著不同的時間和空間尺度來影響控制作用的運轉(zhuǎn)。等級理論的一個主要觀點是任何研究都要考慮三個等級水平，首先關(guān)注的應(yīng)當是焦點水平(focal level)或興趣水平(interest level)。焦點水平被定義為問題的函數(shù)或研究的目標。然后還必須考慮另外兩個水平，即焦點水平之上的那個水平，因為它制約和控制著它的下級水平，是焦點水平的背景;焦點水平之下的那個水平，它為焦點水平提供了細節(jié)，這些細節(jié)被用來解釋在焦點水平上觀測到的行為。等級理論告訴我們，應(yīng)把注意力直接放在事件發(fā)生或興趣尺度(scale of interest)上。對于研究生態(tài)系統(tǒng)來說，如果我們改變了尺度，相關(guān)的過程甚至研究方向都會發(fā)生改變。總的來說，生態(tài)學研究不同組織水平上生物與環(huán)境之間的關(guān)系，每一層次都有各自的時間和空間尺度。

5.2 格局與尺度

格局(pattern)是生物或生態(tài)組織水平在時空尺度內(nèi)的變化式樣。不同的組織水平可以表現(xiàn)出不同的式樣，如種群的分布可以表現(xiàn)出隨機、均勻和集群三種類型，而群落、生態(tài)系統(tǒng)或景觀的格局可以用斑塊(patches)、異質(zhì)性(heterogeneity)等來表示。格局隨著尺度變化而變化，如在小尺度內(nèi)可能表現(xiàn)為隨機、均勻和集群分布的種群，在大尺度內(nèi)則為集群分布。對格局的描述就是對變化的描述，而變化的定量需要確定尺度。我們必須尋找時空中變量格局的定量方法，尋找理解格局隨尺度變化的方法。這是一項艱巨的工作，需要涉及到遙感方法、空間統(tǒng)計技術(shù)和其他一些定量大尺度格局的方法，不僅需要揭示機制和探索關(guān)系，而且需要在小尺度上進行實驗和橫跨系統(tǒng)的操作來檢驗假設(shè)。尺度和格局是兩個無法回避的相互交織在一起的概念，識別格局是識別尺度的前提。在生態(tài)系統(tǒng)研究中，每個個體或種群都在其獨特的尺度范圍內(nèi)經(jīng)歷著環(huán)境，并以各自獨特的方式響應(yīng)環(huán)境的變化。沒有對有機體或過程相關(guān)的特殊尺度的分析，任何對格局的分析和預(yù)測都是沒有意義的。

［1］丁圣彥主編.生態(tài)學—面向人類生存環(huán)境的科學價值觀［M］.北京:科學出版社，2004:11－24.