全 文 ：生态科学2004年5月第23卷 第2期 ECOLOGlCSCIENCEMay，2004，23(2)：175～178
生态学研究中的尺度问题
张7眵，祭歹K二五术(华东师范大学资源0环境学院，教育部地理信息科学开放实验室上海200062)
【摘要】尺度是生态学中的核心问题，时间和空间尺度包含于任何生态过程中，尺度确i生态学研究中越米越j；fl!现出其
重要性，原洲足解决地球环境问题要求征人尺度．【：理解格局和过程，丽以前生态学调企的数据主要足基于小尺度的，
并且．有许多研究表l¨]，一个生态问题的结论在很火程度上取决于研究所采纳的尺度。但日前尺度研究还存在很多问题：
一些相关概念易与尺度混淆：缺乏成熟的尺度识别方法和系统完稀的尺度转换方法等。针对这些问题，本文首先阐明
了尺度的确切含义，并对Jt度研究的发展历史、重要性作了叫顾和阐述：分析探讨了尺度与等级理论、格局的关系，
及尺度识别、尺度转换的方法和发腱趋势。
关键词：尺度；生态学：等级理论
中图分类号：Q149 文献标识码：A 文章编号：1008．8873(2004)02．175-04
Scalein coIogicalresearch，ZHANGTbng，CAI1rbngLi(SchoolofRes urce&Environment，EastChinaNormalUniversity’
OpenLab．ofGeographicInfomationSc e ce，MinistryofEducation，Shanghai200062，China)
AbstractS ales．asthecricicalissueinecology’existinanyecolo百calprocessinformsoftemporalandspatialscales，and
plaVimportantroleinecOIogy．Thiscanbeduetotworeasons：oneisthedemandOfunderstandingpattemandprocesson
largerscaleswhensolvingmanyglobalenvimnmentalproblems，whilepastecologicalresearchmainlyonsmallscales，and
anotheristheconclusionthata 由vencologicalpmblemliesonthescales lectedinthestudy．Butthere mainalotof
DroblemsinthestudyofecoIOgicalsc es，such豁theonfusionbetweenscalesandsomer Iatedconcepts，thelackofasetof
s_11，stemicandperfectmethodsforscaleidentincatiOn，andforscalingaswell．Thispap钟cl撕nedth xactmeaningofscales
firstlv，andlookedbacktothedevelopmenthistory锄dimportanceofe ologicalscaleanalysis．Nextitdiscussedthrelations
betweenscalesa11dhierarchytheoⅨaSwellasscaleandpattem．Inaddition，italsodiscussedthemethodsaJldthedeVeioping
trendofidentifyingscalesandscaling．
KeyWords：Scale；Ecology；Hieral℃hytheory
20世纪的最后二十年里，人们目睹了生态学领域
发生的重大变化：研究技术不断进步，试验设计更趋
严谨，数学模型日渐增多，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认识的日益重视，生态学家们越
来越意识到尺度在生态学研究中的重要性。目前国内
有关尺度转换的论述较多，而对于有关尺度的其它问
题却论述较少，本文着重针对什么是尺度、如何识别
和选择尺度、尺度与等级理论及格局等概念的区别和
联系等问题，结合近些年来国内外学者对这些问题的
探讨，谈一些粗浅的认识。
l尺度的概念
根据牛津词典的定义，尺度一词含义的来源有两
个。一是古老的挪威语词根skal(碗状物)，后来形
成英语中鱼鳞、公正评判的意思，引伸后的词义是通
过物体配对法米测量物体的重量，即天平或秤的意思。
二是拉丁语词根scala(梯子)，形成英语中的音阶或
爬墙的意思，引伸的意思是可以通过数步子的方法来
测定物体的长度，即测量之意。总的米说，尺度一词
包含了对物体重量和大小的测定及测量方法的含义。
尺度一词的多义性导致了生态学家对尺度认识的
差异。 Farina|9’认为尺度是指被研究物体或对象在时
间或空间上的量度，是关于时间和空间维，在这个时
间和空间维上对象被观测或模拟。Tumer【23l认为尺度
是指一个物体或一个过程的时间、空间幅度。傅伯杰
⋯将尺度定义为观察或研究的物体或过程的空间分辨
率和时间单位。Farina的定义表示尺度具有变化或动
态的特征；Tumer的定义表示尺度是时空大小的范围：
傅伯杰的定义表示尺度的可分解性，具有不同的水平
层次。总的说来，不同学者分别从不同角度对尺度概
念进行了表述。具体地说，生态尺度首先应该包括面
积(单位为m2，ha，km2)或时间间隔(单位为天、
年和百年)，即规模或幅度(extent)，以便在这个时空
尺度上对物体或研究对象进行观察和模拟结果的计
算。其次是面积和时间间隔都可以进一步划分为最小
面积或最短时间间隔，最小面积或最短时间间隔被称
为粒度(grain)或分辨率(resolution)；如一个树轮
辈金项目：^奉项研究得刘卜海_i1：i，L态学重点学科资助
作者简介：张彤(1979一)，女．生态学专业硕～L生．研究方向为城市与
l暮域生态规划，
·通讯作者
2004m2．12收．2004Ⅲ5．10接受
万方数据
盘可以分辨千年周期(幅度)上的年(分辨率)变化。
2生态学尺度研究的发展历史和重要性
尺度在生态学中受到关注始丁．二十世纪八十年代
I甲．期12 l，这主要是由_丁．地球环境问题显得越米越严
峻，其中酸雨、全球气候变化、生境破碎化、以及生
物多样性保护等问题存在于儿十年的时间范围和广‘阔
的空间范围内，要求在火尺度上理解其格局和过程。
由于人多数变量只能在短时间、小范围内直接测定，
而且人多数速率变量只能现场测定，相对只有很少的
变黛，如海洋的颜色，能通过遥感在火面积内用高的
分辨率加以测定；这些小尺度上获得的数据如何进行
合理地转换。再者，小尺度上测得的格局在人尺度上
不一定存在，而在小尺度上占主导的过程在火尺度上
也不一定·l一‘主导地位。因此，尺度问题成为人们关注
的焦点⋯I。
同时，生态学研究者意识到环境中生物的相互作
刚发生在多个尺度上。也就是说，没有哪一个单一的
尺度能够适川于所有的生态问题。这一发现触及到了
尺度问题的核心，为生态学研究的发展带来了变革
——将生物系统的等级结构与研究需采纳的尺度联系
了起米。并且越来越多的研究证明，一个生态问题的
结论在很大程度上取决于研究所采纳的尺度(如样方
的大小、样带的长度、种群调查的面积，遥感图像中
的栅格大小或整个研究范围的大小)，在研究中选择不
同的尺度可能导致不同的结论。如Carpenter与
KitchellIl叫J_{；l了一个水生生态系统模型来研究生态系
统组分的关系结构时发现，当每三天一次测定藻类生
产力利浮游动物生物量时，它们的关系显示为负关联；
然而如果每六天测定一次的话(此时营养素的季节变
化变的非常重要)，它们的关系显示为正关联。在这个
例子中湖水的取样频度影响了观察到的浮游植物丰盛
度与浮游动物丰盛度之间的关系，这两个表面看来矛
盾的结果表明了尺度的不同会导致结论的差异。
九十年代以后，有关尺度的概念体系得到了不断
完善；有关尺度选择和尺度转换方法也在技术进步和
新的学科理论的加入下得到发展。比如，新的数学理
论一分维学120l被发现有可能解释自然界中的一些复
杂的格局，而且使得研究出一套尺度转换规则成为可
能。这些概念和方法上的进步促使生态学研究者能更
深入地思考因时空尺度的不同而变化的格局与过程。
只存在一个正确的尺度或水平。但这句话并不意味着
所有的尺度的作用都一样或者说不存在尺度法则。建
立规则来识别针对某一特定问题的正确尺度目前一直
是尺度研究的重点，但现在还不存在令人满意的计算
方法。在此先就已经取得的成果和现有的方法作一个
概述。
3．1空间统计学方法
空间统计学的发展为识别尺度提供了许多方法。
例如，O’Neill【17J用空间统计学方法分析了三个不同地
点的植被样带的数据，用来判断是否能识别出多个格
局尺度。这三个地点分别是位新墨西哥州的半干旱草
原，田纳砖州的一个落叶林中的钙化疏林地及华盛顿
州的一个灌丛．草原系统。分析结果显示，从这三个地
点都可以识别出三至五个格局尺度。
空间统计技术也可能被用来在相互关联的连续采
样点间识别出空间尺度。许多统计检验都有一个重要
的假设，就是如果数据组间的关联度接近于0，就可
以看作是统计上独立的。Pearson【I91等人用这种方法辨
别出有蹄类动物觅食强度自相关的距离范围。在得出
这样的关系后，又重新进行采样，此时数据采自比关
联长度更大的距离。这样，重新采样的数据就满足回
归分析的数据独立标准，可用米分析觅食强度与环境
异质性的关系。
3．2多元回归分析
多元回归分析对于定量解释不同尺度上的一组变
量来说是更有力的工具【12’18】。Pearson用这个方法来
研究美国佐治亚州的冬季鸟类在不同空间尺度上的种
类和丰度与环境、山脉变量之间的关系。他的方法已
经得到了广泛的应用。这～方法确认了用来分析数据
的合适尺度并非只有一个。识别出一套合适尺度，或
称多尺度分析(multiscalean ysis)，必须作为尺度识
别这门科学继续研究并逐步得到完善。
3．3其它方法
除前两种分析方法外，针对不同的具体问题也有
一些其它的办法来识别尺度。例如，当触及某些生态
概念如生态邻里(ecologicalnei曲borhoods)时【8】，经
常会采用有机体行为的时空要素的频度分布来决定分
析用的适合尺度。方法是先选取一个过程，如觅食或
繁殖，然后观察有机体的活动来辨别出与这个过程相
关的空间尺度。能够覆盖有机体这个过程相关的大部
分活动的空间范围(或时间范围)，就是对于此过程来
说合适的尺度。
3如何识别正确的尺度
止如kvin‘16’所说，对于描绘一个系统来说并不4尺度与等级组织理论的关系
万方数据
万方数据
万方数据
生态学研究中的尺度问题
作者： 张彤， 蔡永立
作者单位： 华东师范大学资源与环境学院,教育部地理信息科学开放实验室,上海,200062
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGIC SCIENCE
年，卷(期)： 2004,23(2)
被引用次数： 9次

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