景观尺度效应研究进展

景观尺度效应研究进展摘要：景观格局的尺度效应研究是景观生态学研究中的热点问题之一。

本文在概括景观尺度效应概念的基础上，对于景观格局尺度效应的研究进展和研究方法做了总结，认为景观尺度效应的主要研究内容有：景观指数随幅度变化的规律；景观指数随幅度变化的规律和适宜景观格局分析尺度的确定。

在未来的研究中，尚需要加强面向生态过程的景观格局演变与尺度效应研究和尺度效应与尺度转换的方法与技术研究等工作。

关键词：景观格局尺度效应空间粒度空间幅度Abstract: The scale effect of landscape pattern is a hot issue in the field of landscape ecology research. On the basis of summarizing the concept of the scale effect of landscape pattern, this paper summarized its research progress and research method. The main contents of research are: landscape index with spatial extent change law; landscape index with spatial grain change rules and determination of suitable analysis scale of landscape pattern. In the future study, we still need to strengthen the ecological process for the landscape pattern evolution and scale effect and scale effect and scale conversion method and technology research, etc.Key words: Landscape pattern; Scale effect; spatial grain; spatial extent1.引言许多生态学问题的界定都与分析时所涉及的时间和空间尺度(scale)有关。

在生态学中，尺度通常是指空间或时间幅度(extent)或粒度(grain)[1]。

空间粒度指空间最小可辨识单元所代表的特征长度、面积或体积(如样方、像元)；时间粒度指某一现象或事件发生的(或取样的)频率或时间间隔[2,3]。

2.景观尺度效应的概念尺度是生态学中的一个基本概念，不同的学者对尺度的解释因研究的出发点和角度不同而有所不同，尺度问题没有明确清晰的论述和充分量化[4]。

通常意义上的尺度是研究对象或现象在空间上或时间上的度量，即空间尺度和时间尺度[5]，尺度还可以指研究对象或过程的时间或空间维、用于信息收集和处理的时间或空间单位[6]、由时间或空间范围决定的一种格局变化[7]等。

尺度具有多维性、层次复杂性、变异性等特征，尺度研究的目的在于通过适宜的空间和时间尺度来揭示和把握复杂的生态学规律[4]。

地球表层系统不仅具有显著的区域差异和地域分异规律，同时也是一个多层等级系统，尺度的存在就是根源于地球表层自然界的等级组织和复杂性。

景观格局、生态过程及其相互关系的研究都依赖于一定的研究尺度，不同尺度下的景观格局、生态过程会发生较大的变化。

Jelinski D和邬建国于1996年首先提出景观尺度效应，他们认为：景观尺度效应是空间数据因聚合而改变其粒度或栅格像元大小时，分析结果也随之改变的现象[8,9]。

之后的研究也基本上沿袭了这一概念，申卫军认为：景观的尺度效应是景观的空间异质性因尺度而异的现象，具体体现在两个方面，即在不同尺度上，空间异质性表现出不同的格局，因而从不同尺度上观测或分析空间异质性时结果是不同的[10]。

傅伯杰和赵文武认为景观尺度效应表现在“尺度—结构—过程”的相互作用方面，这是地理—生态过程研究的核心理念，结构影响过程，过程改变结构，尺度不同，结构与过程的关系也将有很大的差异[11]。

3.景观尺度效应的研究进展3.1景观尺度效应的研究方法目前研究尺度效应对景观格局分析的影响主要通过改变粒度的大小；改变幅度的大小或同时改变粒度和幅度的大小三种途径，研究方法主要采用空间统计学和景观格局指数两种方法[9]。

国内外学者主要是采用改变粒度的大小，计算不同粒度下的景观格局指数，进而分析景观格局指数随粒度变化的规律。

上述方法需要通过“3S”技术和地统计学原理来实现。

2011年在北京召开的第八届国际景观生态学大会提出的一个重要专题便是利用RS和GIS技术进行景观尺度效应的研究。

RS技术为获取地表景观格局现状提供了有效的空间信息源；GIS 具有强大的空间信息处理和分析功能，能够快速、精确和综合地对复杂的湿地系统进行空间定位和过程动态分析[12]。

地统计学的引人则为定量分析湿地景观的空间异质性提供了强有力的工具，这都极大地推进了该领域的发展，促进了景观生态学和地理学、环境科学、信息科学等学科的交叉融合。

3.2景观指数随粒度变化的规律空间粒度指空间最小可辨识单元所代表的特征长度、面积或体积(如样方、像元)。

为了描述景观指数随粒度变化的规律，通常采用如下手段来进行表达：把景观指数随空间尺度变化的曲线称之为尺度效应曲线；以横轴代表尺度、纵轴表示景观指数值的图称之为尺度图；景观指数随尺度变化的函数关系则称之为尺度效应关系[13]。

随着空间粒度的增加，不同景观指数对尺度的响应特征(即尺度效应)不同，景观格局具有明显的尺度依赖性。

曾辉等利用珠江三角洲东部一块324km2区域的6个时段的景观遥感类型图，进行机助景观格局空间分辨率效应的实验研究，区分了分辨率强弱敏感指数[14]；布仁仓等采用优势规则和随机规则为基础的两种尺度分析方法，对分类的TM数据进行了尺度变换分析，结果表明，随着粒度的增加，优势规则处理法使景观中优势类型的面积增加，非优势类型的面积减少，随机规则处理法使各景观类型的面积基本上保持不变[15]；马胜男等以新疆维吾尔自治区阜康市为案例区，运用7个生态多样性模型对景观元多样性进行了模拟，比较分析不同模型对空间尺度变化的响应，得到了随着空间分辨率的粗化，景观元均匀性方面的多样性变化幅度大于丰富性等结论，为开展多尺度生态多样性模拟和评估奠定了一定的基础[16]；周兴东等以TM遥感图像为数据源，选择徐州地区一块441Km2的研究区，选取10个景观水平的景观格局指数在16个不同粒度的景观类型图下，分析了不同粒度对景观格局指数计算结果的影响，结果表明，随着粒度值由30m到480m的逐渐增加，除丰富度外的景观指数均具有明显的粒度效应[17]；曹银贵等对三峡库区30年间土地利用景观特征的粒度效应进行了研究，很好地反映了景观格局指数在不同粒度上的变化规律，得到了不同的景观指数随粒度也表现出不同的敏感程度，较敏感的是斑块密度、有效网格大小、正归化形状指数、聚合指数等结论[18]；赵磊从不同遥感数据的空间分辨率角度进行空间粒度放大试验，探讨景观格局的尺度效应[19]；赵文武等以延河流域的1:250000和1:500000土地利用图为对象，探讨了不同比例尺条件下景观指数随粒度增加的变化特征[20]；岳文泽、徐丽华等以上海市城市景观为研究对象，从幅度和粒度两方面对景观指数的尺度效应进行了研究[21]；朱明、濮励杰等从分辨率和粒度两个方面，基于2000年和2002年分别由ETM+和IRS-PAN影像解译得到的土地利用图，从景观和类型两个层次分析了不同粒度下上海市一城市化样带的景观格局，结果表明：城市景观有明显的尺度效应，空间分辨率和粒度变化都会影响城市景观格局，而道路等线性廊道对尺度变化的敏感则是造成这一影响的主要原因[22]。

对以上研究中的景观指数随着粒度变化的规律进行总结。

其中，部分指数会随着空间粒度的增大单调减小，具有比较明确的尺度效应关系(幂函数下降)，如斑块结合度等，部分指数也会随着空间粒度的增大呈现出总体下降的趋势，但并不是单调下降的，可表现为幂函数下降、直线下降或阶梯形下降等不同特征，如斑块密度等；此外，也有一些指数随着空间粒度的增大而增大，如景观碎裂化指数等。

在景观格局指数随粒度变化的分析研究中，空间粒度变化方法对最终景观格局指数的变化特征有显著影响，如采用优势规则和随机规则为基础的两种尺度分析方法会导致景观指数变化规律的差异。

相应地不同学者在分析景观格局指数随着粒度增加时的变化趋势并不尽一致。

此外，由于同类景观格局指数有不同的计算模型与方法，如景观多样性计算，景观格局指数的计算结果也会表现出同类景观格局指数随空间粒度增加的变化规律和模拟效果却并不相同[23]。

3.3景观指数随幅度变化的规律空间幅度通常是指研究所涉及的空间范围(长度或面积)，时间幅度是指研究持续的时间长短[24]。

空间幅度变化的尺度效应是指随着研究空间范围的增加或减少，景观格局特征的变化情况[25]。

由于景观指数具有幅度效应，在某一幅度下景观指数间的相关性并不一定能推广到其他的幅度[26]。

随着空间幅度从中心向四周或者在不同方向上(如东北到西南，东南到西北等)变化时，景观格局的变化特征差异明显，不仅具有幅度变化的依赖性，而且具有各向同性和各向异性。

朱明等从2002年上海市土地利用图出发，利用梯度分析方法，探讨了空间幅度变化对城市景观格局分析的影响[27]；申卫军等以2种真实景观和27种模拟景观为分析对象，考查了16种常用的景观水平格局指数随空间幅度变化行为[26]；张景华等运用梯度分析与景观格局定量分析相结合的方法，通过改变样带宽度与研究步长，对城乡样带景观梯度分析的幅度效应进行了研究[28]；唐玲等利用2006年Quickbird卫星影像数据解译的沈阳城市绿地分布图，结合梯度分析方法定量分析了沈阳城市绿地景观格局，并探讨了其幅度效应[29]；王艳芳等以TM 遥感图像为数据源，选取景观水平上4种类型的32个景观指数进行计算，分析了不同幅度对景观指数间相关关系的影响[30]。

对以上研究中的景观指数随着幅度变化的规律进行总结。

关于空间幅度变化的尺度效应研究通常选择土地利用变化明显的过渡地带为研究对象，划分不同梯度，分析景观指数沿样带的变化。

如在城市景观格局随幅度变化过程中，多样性从市中心向外呈现高低起伏的环状模式扩展，随着幅度增加，多样性指数的高值区离景观类型变化最剧烈的城乡过渡地带转移。

景观指数因幅度变化行为的可预测性则可以分为两类：随幅度变化可预测性强，指数与幅度之间的关系可用简单的函数关系来表达；随幅度变化的可预测性较差，指数随幅度的变化存在多种可能(不同形式的增加、减小或保持不变)，难以用一种或多种简单的函数关系来描述所有的情况[31]。