空间尺度套合与变异规律研究
大空间尺度上物种多样性的分布规律_胡军华
应用与环境生物学报 2007,13(5):731~735Chi n J App lEnvi ron B i o l =ISSN 1006 687X2007 10 25收稿日期:2006 07 17 接受日期:2006 09 21*广东省科学院人才基金(No .03 5)和广东省科学院台站基金(2004,2005) Supported by the Fund f or Tal en ts (N o .03 5)and t h e Fund for Fiel d S t ati on (2004,2005)fro m Guangdong Provi n ci alAcade my of S ci ences ,Ch i na**通讯作者 C orres ponding author (E m ai:l hu j h@gde.i gd .cn;ji angz g@i oz .ac .cn)大空间尺度上物种多样性的分布规律*胡军华1,2,3胡慧建1**蒋志刚1**(1中国科学院动物研究所动物生态与保护生物学重点实验室 北京 100080)(2华南濒危动物研究所 广州510260;3中国科学院研究生院 北京 100049)摘 要 物种多样性是生物多样性在物种水平上的表现形式.由于全球性保护行动的开展和多学科的相互渗透,把物种多样性研究推向大时空尺度方向发展,一些新的研究领域得到拓展.本文综述了物种多样性在大空间尺度上的经典研究(包括梯度变化格局、个体大小频次分布格局和物种-面积关系),同时着重探讨了经典研究的新认识及一些新领域内所揭示的新格局,主要有:生物类群间物种数的协同变化、物种和高级分类阶元的关系、局域物种多样性与区域物种多样性关系以及全球变化影响等等.参79关键词 物种多样性;大空间尺度;分布规律;分类单元CLC Q 14D istri bution Regul arities of Species D iversity at Large Spatial Scale*HU Junhua1,2,3, HU H uijian1**&JI A NG Zh i g ang1**(1K e y L abora t ory of Ani ma lE colo gy and Con serva tion,Institute o f Z oology,C hinese Acad e my o f S cie n ces ,Beiji ng 100080,Ch i n a)(2Sou t h Ch i na In stit u t e of E nd ang e re d A ni ma ls ,Guangzhou 510260,Ch i na)(3G raduate Un iversit y of Ch i nese A c ade my of Sciences ,B eiji ng 100049,C h i na)Abstract Spec i es divers it y i s the representa ti on o f biod i versity a t the level of spec i es .D ue to g l oba l conse rvation actions and m ulti disci p lines i nterpene trati on ,t he patterns o f spec i es d i versity have been deve l oped at l arge spa ti o te m pora l sca le .Th is paper rev i ews the classical patterns (i ncl uding the patterns of grad ient change ,frequency d i str i bution of body s i ze and spec ies ar ea curve),and discusses t he new arguments o f classical pa tterns and new ly developed patte rns i n so m e do m a i ns ,s uch as cova riation o f the nu mber of species a m ong tax ono m ic groups ,relations be t w een species and higher tax ono m ic taxa ,re lati ons bet ween l oca l and reg i onal spec i es d i versities and i m pacts of g loba l changes .R ef 79K eyword s species d i versity ;large spati a l sca l e ;distributi on regu l a rity ;taxon CLC Q 14物种多样性是生物多样性在物种水平上的表现形式[1].近年来,空间尺度对物种多样性分布的影响受到人们的重视.空间尺度大体可划分为个体空间、局域斑快、区域尺度、封闭系统和生物地理学尺度.其中,属于大空间尺度范畴的生物地理学尺度倍受关注[2].早在19世纪,人们就已发现物种多样性在大空间尺度上具有一定的规律性,随后对物种多样性的梯度变化格局、个体大小频次分布格局和物种-面积关系等展开了一系列的研究[3,4].近年来,随着对生物多样性全球性衰退以及全球变化认识的提高,人们越来越意识到人类活动对地球生命所造成的巨大破坏,但却还不了解这种破坏所造成的真正后果[5,6].因此,生物多样性在大空间尺度上的保护和研究已不再是单个地区或国家的事务,而是全球的共同责任和义务,多国间的和国际间的合作正在加强,这既有政府行为也有非政府组织的实践[7,8].也正是实践的需要,多学科(如生物地理学、古生物学、群落生态学等)在生物多样性的保护和研究中迅速渗透和结合,使得生物多样性在大时空尺度上的研究向更深更广的方向发展,生物多样性的全球格局研究成为关注的热点[9,10],宏生态学的产生则是其中典型的例子[11,12].如今,在对经典研究重新认识的基础上,物种多样性的大空间尺度格局研究主要是生物类群间物种数的协同变化、物种和高级分类阶元的关系、局域物种多样性与区域物种多样性关系以及全球变化影响等.这些为生物多样性的保护实践提供理论指导[11,13].1 经典研究及新认识1.1 梯度变化1.1.1 空间梯度格局 空间梯度变化是物种多样性大空间尺度格局的一个显著特征,许多综述性文献都有所涉及[1,4,9,13~15].经典研究中,纬度梯度格局最为典型[16],并存在于多种分类类群,如植物[17~19]、脊椎动物[20]、无脊椎动物[14]、海洋生物[21]和海洋生物化石[4].然而,关于纬度梯度格局的解释仍存在较大争议[4,22].这主要是由于不同的研究选择不同的空间尺度引起的[23],对一些在空间梯度格局中可能产生的变量的不同控制也是部分原因(例如,可利用面积或对物种地理分布的几何限制等)[22].其次是垂直梯度格局,包括海拔[24,25]和水深[26].再者是从海洋到内陆梯度格局[27].最后是经度梯度格局,但趋势不明显[28].1.1.2 影响因子与格局关系 许多研究认为物种多样性大空间尺度格局与环境因子密切相关,主要表现在3个方面:(1)在相关性分析中,物种丰富度往往与环境因子呈显著相关[25],有的甚至建立预测模型.张荣祖和林永烈(1985)和张荣祖(1999)在中国的研究发现,物种丰富度与年降水、年均温等因素显著相关[20,29];R etuerto(2004)通过梯度变化和地理分布分析估计植物对气候的适应性[30].有作者给出了能量与物种丰富度间的预测模型[31]和物种丰富度与营养级关系模型[26,32].(2)不同的物理因子与不同的类群之间相关性不同.张荣祖(1999)指出,不同动物类群多样性与年日照时间、降雨等有明显的相关性[29].(3)不同自然区域中各物理因子所起作用不同.在中国的青藏高原地区海拔是第一性的,在干旱和半干旱地区湿度是第一性的[20,29].除环境因子外,当地的历史和生境差异对空间格局也会产影响,如中国与美国维管束植物、被子植物丰富度间的差异[17~19,33~34],尼加拉瓜的鸟类格局[35].生境复杂多样的地方,物种丰富度高[36].1.1.3 机制 物种多样性大空间尺度格局的形成过程是由多因子决定的,是与生物进化历史相联系的复杂过程[9].其形成机制存在多种假说,蒋志刚(1997)列出了其中的8种,这些假说分别用了环境因子和生物因子进行解释,这么多假说的存在是由研究尺度或生物类群不同而造成的[1].有作者认为物种多样性大空间尺度格局一定有一个第一性的原因.一般认为,物理因子是第一性的,而生物间的相互关系是第二性的,能量可能是决定性因子[31,37].1.2 个体大小频次分布格局1.2.1 格局 H utch i nson&M acA rthur(1959)报道了美国密执安州和欧洲陆生兽类身体长度的频次分布图,发现体形中等的兽类物种数要明显多于体型较大或较小的兽类[38].以上格局被证实具有普遍性[39],所有生物物种的个体大小频次分布符合该格局[40].但是,个体大小频次分布被确认为右偏的log正态分布[3].Bro w n&N ico letto(1991)对比北美陆生兽类在大区域和小块生境中的体重频次分布,发现在小块生境中为均匀分布,而大尺度中具有右偏的l og正态分布[41].该结果表明,中等体型的物种占据小范围生境,而较大或较小体形的物种占据大范围生境.M arquet&Cofre(1999)对比了南、北美洲大陆兽类的体重频次分布,发现两大洲具有很大相似性.在南美洲兽类组成中,南、北美洲成分也都符合该规律[39].该结果表明体重频次分布受到起源和历史的影响.1.2.2 机制 Hu tch i nson&M ac A rt hur(1959)指出,该格局是由大量的 马赛克元素 (M o sa i c e le m en ts)组成,体型中等的物种所需元素要少于体形较大或较小的物种[38].由于l og正态分布是多个随机变量多重组合的结果,该解释不久被分形几何学说(F racta l geome try)所代替[42].以上解释忽略了体型较小物种的频次分布特征,所以人们尝试利用生理和生态异速生长来进行解释,涉及个体大小与多度、生长能量间的关系研究.B rown(1993)推导出最佳适宜体重模型,并根据现有生理实验结果,算出兽类最佳体重约为100g、鸟类约为30g,此结果得到实际观察的支持[43].在隔离条件下,一方面,兽类中体重大于100g的物种趋向小型化,而体重小于100g的物种趋向大型化[3];另一方面,兽类体重极大值和极小值分别与物种最大分布面积回归所得方程的交点在100g处[44].因此,上述结果较好地解释了个体大小频次分布格局的内在机制.1.3 物种-面积关系1.3.1 模型 物种-面积效应曲线是生物多样性研究中的经典模型,在生物多样性保护具有重要意义[45].特别是关于热带地区的物种-面积关系已被充分研究[46,47].物种-面积曲线存在4种不同的模式[4],人们通常采用P reston(1962)公式:S=CA z o r lg S=lg C+Z l g A(S为物种数,A为面积,C和Z 为参数)[48].Z值在同一区域的不同生物类群间或不同区域的同一生物类群中差异不明显,而在岛屿与大陆之间有明显差异(岛屿多为0.25~0.35,大陆为0.12~0.18)[4,49].物种数量与面积大小成指数关系源于关于物种丰度的假说或者是自相似性的概念.P l otk i n(2002)却发现这个规律在所有空间尺度上存在一致的离差,而且热带雨林在少于50 h m2的面积内没有自相似性[50].于是发展了一个广义的物种–面积关系模型,能够比任何其他途径都准确地从小尺度数据样本预测出大尺度物种多样性.1.3.2 生物学含义及机制 自P reston(1962)总结物种–面积关系后,许多研究人员尝试解释物种–面积方程及其参数的生物学含义[49].P reston(1962)认为,Z值在0.17~0.33之间是因为物种丰富度符合l og正态分布,加上非隔离区域在取样时有着较高的个体数/物种数比而使斜率低于岛屿值[48].H ansk i&G y llenberg(1997)利用异质种群(M etapopu l a ti on,又译为集合种群)理论提出岛屿-大陆模型和异质种群模型,发现岛屿-大陆模型的斜率要低于异质种群模型,而岛屿-大陆模型对应于岛屿格局而异质种群模型则对应于大陆格局[51].Sto rch(2003)认为物种-面积关系归因于样本效应,栖息地异质性、种群和集合种群过程引起的空间聚群.样本效应和栖息地异质性都不能单独解释观察到的物种-面积模型,两种模型所预测的物种丰富度都比实际高.适合的栖息地数量和样方地占有之间的关系对于2/3的物种来说都是无足轻重的.因此,物种-面积关系的斜率和形状受到栖息地异质性和空间聚集两方面的影响[52].2 新研究及格局2.1 生物类群间物种丰富度的协同变化由于物种多样性在大空间尺度上具有梯度变化格局,人们认为不同生物类群间物种丰富度在空间上存在正相关关系.该关系成为当前生物多样性4个重要研究领域之一[9].但是,相732 应用与环境生物学报 Chi n J App lEnvi ron B i o l 13卷关的研究结果却并不一致.有报道指出,不同生物类群间物种丰富度的相关关系很低而且没有预测价值[53~55];而其他报道称,不同生物类群间物种丰富度高度相关[9,29,56].G aston(2000a)认为,生物类群间物种丰富度的相关是由于受到相同决定性生态因子的影响[9].张荣祖(1999)发现受环境因子影响的相似类群之间物种丰富度具有强相关,两栖类和爬行类支持了该解释[29].中国不同地理尺度上和区域上鸟兽间物种数量具强相关支持G aston(2000a)的观点,并且利用物种-面积曲线可以推导出两类群间的相关模型[56].但是,协同变化的分析结果会受到分类类群、分类单元、数据质量、研究对象、调查时间和研究方法等多种因素影响[56].2.2 物种和高级分类阶元的关系物种和高级分类阶元的关系主要包括两个方面的内容:一是数量上的关系,即物种丰富度和属以上阶元的丰富度关系;二是频次分布关系,即属以上阶元所含物种数的频次分布. 物种和高级分类阶元在数量上具强相关关系,已在许多分类类群上被报道,如植物、兽类、鸟类、两栖类、鱼类等等[57].值得注意的是,这种关系具有普遍意义,无论是不同地理尺度和区域,还是不同类群间都存在[9].人们探讨利用高级分类阶元代替物种作为生物多样性的度量单位来进行热点地区的选择和评价,发现两者效果一致,但高级分类阶元的应用大大节约了时间和费用,因此具有应用价值[57,58].对物种和高级分类阶元的数量相关机理探讨较少,仅作为一种数量关系[59].根据蒋志刚和纪力强(1999)及Jiang&H u (2000a,b),属、科中物种数在鸟兽间具有强相关关系,这表明物种在科、属水平上的频次分布有一定规律性[59~62].因此,物种和高级分类阶元的数量相关应是规律性的.Bro w n(1995)在提出群落 组合规则 时指出物种与高级分类阶元的频次关系为1属1种出现的频次最多,然后是1属2种,再是1属3种,以此类推,并认为此格局是物种竞争的结果[3].然而,在实际研究中却很少有频次关系的相关报道.2.3 局域物种多样性与区域物种多样性间的关系以往,生物多样性方面研究多在小尺度进行,特别是群落生态学研究.这些研究占到生物多样性研究的75%以上[11].但是,越来越多的研究表明,生物多样性在不同空间尺度上有着不同的过程和组成方式[3,9,11].其中,区域的物种构成了局域地区的物种库,直接影响局域地区物种组成[9],并且局域与区域的关系讨论涉及到局域物种丰富度是否存在饱和问题.在局域与区域的物种多样性关系中,两种类型受到特别的重视:一是局域地区物种丰富度小于区域的,但与其成比例关系(类型 );一是局域地区物种多样性只在一定范围内随区域物种多样性增加而增加,到一定值后保持不变(类型 ).现有研究更多地发现类型 的存在.类型 的存在说明局域地区是没有饱和的,这与其他研究相矛盾[9].2.4 全球变化的影响全球变化(G l obal change)作为一个专用的科学名词和一门交叉学科,随着社会对地球环境问题的重视,日益被人们所认识[63].然而,近年来才把全球变化对物种多样性大空间格局影响作为全球变化研究中的重要科学问题之一[64,65].目前,大多数研究集中在CO2浓度增加对物种多样性的影响及生物入侵等问题上[66~72].S m ith(2000)发现,在北美洲西部沙漠地区CO2浓度增加是受全球变化驱使的,并对外来入侵植物有利的这种物种组成变化可能加速火灾发生周期,降低多样性和改变生态系统功能[68].R e ich(2001)则发现在CO2浓度升高和N2沉积的生态系统中,植物多样性和组成影响生物量的增加和碳的获得,物种组成贫乏的比物种组成丰富的增加得要少[69].Zava l eta(2003)模拟全球气候变化,指出C O2浓度的增加和N2的沉积能够减少植物多样性,而降雨量的增加则增加多样性,温度升高没有明显的作用[70].生物入侵被看成是全球变化的重要内容,正成为威胁各地物种多样性的重要因素之一,并即将上升为导致物种多样性丧失的第一位原因[67].生物入侵对物种多样性格局的影响具有两个长期的全球效应:第一,生物入侵将降低地域性动植物区系的独特性,并最终退化和失去服务功能;第二,生物入侵打破地理隔离,造成生物多样性的灾难性丧失[67].Jansson(2003)提出限制特有种的数量的全球模型是由1万~10万年时间内的气候变化引起的,这种关系是随着面积、纬度位置、前冰河作用的程度和海洋岛屿性的变化而变化的[71].Ju lliard(2004)探讨了全球变化中造成普通鸟类物种灭绝的重要因子[72].3 讨论大空间尺度上物种多样性研究受到关注,主要原因是: (1)当前生物学研究朝两个极端方向发展,即 微观更微,宏观更宏 .大空间尺度的研究代表了生物学在宏观上的发展趋势;(2)物种多样性和气候的全球变化正引起人们极大关注,而大空间尺度正迎合了人们了解全球变化的需求;(3)多学科,特别是各种宏观生物学(如宏生态学、宏进化、古生物学、群落生态学、生物地理学等等)在物种多样性研究上迅速渗透和结合,使得生物多样性的研究向大尺度方向发展.因此,物种多样性的大空间尺度研究是学科发展必然趋势.有关空间格局的研究,最主要的驱动力就是对地区乃至全球物种数量的预测及其产生的机制[58].作为一种发展趋势,物种多样性在大空间尺度上的研究已是一交叉性学科,而且还深深地影响了其他学科的发展.首先,不同的学科,如生态学、古生物学、进化生物学、生物地理学相交叉融合,大大促进了相关内容的研究及其机制的探讨.因此,多学科成果的跟踪和应用对大空间尺度上物种多样性分布规律的研究无疑是大有裨益的.p值得指出的是,物种多样性的丧失与其他全球性环境问题有密切关系,全球气候变化正对物种多样性产生深刻影响,而这一切都或多或少受人类活动的影响[73].在冻原或高山寒冷地带,气温的升高已证实能改变群落的物种组成[74,75];即便是哥斯达黎加的热带山区,过去二十几年的气温升高已造成二十多种蛙和蟾蜍等两栖动物的灭绝以及鸟类和爬行类物种的大量减少[76].物种多样性大空间尺度格局研究逐渐使人们意识到人类活动导致生境丧失和全球变化是对物种多样性的最大威胁.至20世纪80年代初,全球41%的热带雨林已经消失[77].F rankel等(1981)报道,大量的热带生物种类在生物学家还未来得及鉴定归类之间就会消失掉[78].据W ilson(1992)7335期胡军华等:大空间尺度上物种多样性的分布规律的估算,仅因热带雨林的破坏一年就造成了27000多种生物的灭绝[79].单纯保护某一个濒危物种的作用是十分有限的,所以应该在更大尺度上进行且是对生态系统的保护[1].R eferences1 蒋志刚,马克平,韩兴国.保护生物学.杭州:浙江科技出版社,19972 孙儒泳.动物生态学原理.北京:北京师范大学出版社,20013 B rown J H.M acroecol ogy.Ch i cago:Ch icago U n i vers it y Press,19954 Rosenw ei gM L.Speci es i n Space and T i 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Life.New York:Norton,19927355期胡军华等:大空间尺度上物种多样性的分布规律。
基于层次贝叶斯时空模型的空间多尺度联合分析模型的构建及应用研究
式 中， 下 标 数 字 １表 示 嵌 套 于 较 大 的 空 间 尺 度
２ （ 如地市） 下的较小的空间尺度 （ 如区县 ） ， 分别简称
水 平 １和水 平 ２ ； ０ 捌表示水 平 １ 第ｉ 个 区域 第 ｔ 年 的相 对 危 险度 ， 汜表示 水平 ２第‘ ， 个 区域第 ｔ 年 的相 对危 险 度； ｏ ｌ 。 和ｏ ｔ ２ ０ 为分 别为 水平 １ 和水 平 ２的截距 ； Ａ 和 Ａ
效应 ； 和６ 汜分别为水平 １ 和水平 ２的时空交互效
应； 占 汜为水 平 ２作用 于水 平 １的时 空交 互效 应 ， 汜 ＝
Ｕ ｊ ＋ｖ 汜 和１ ， 汜分别 为水 平 ２作 用 于水平 １的随时
ｉ ∈ ｉ ｉ Ｅ Ｊ ｉ ∈ ｉ ｉ Ｅ Ｊ
两个 空 间尺度 下 ， 首 次构 建 了基 于 层 次 贝 叶斯 时 空模
中 国卫 生 统 计 ２ ０ １ ３年 ４月 第 ３ ０卷 第 ２期
・
１ ９ ９・
基 于层 次 贝 叶斯 时空 模 型 的 空 间 多 尺 度 联 合 分 析 模 型 的构建 及 应 用 研 究
张俊 辉 冯子健 。 杨 超 朱彩 蓉 李 晓松 马 家奇
【 提 要】 目的 在地 市和区县两个尺度下 ， 构建 基于层次 贝叶斯 时空模型 的空间多尺度联 合分析模 型 ， 并探 讨该 模 型是 否优 于单 独分析模 型。方法 在地市和 区县两个 尺度下 ， 根据我 国北方 ６省 （ 包 括 内蒙古 、 山西 、 黑龙江 、 河北 、 吉 林、 辽宁 ） 的布鲁 氏菌病发病数 据 ， 构建基 于层次 贝叶斯 时空模型 的空间多尺度 联合分 析模型 ， 并与单 独分 析的结果进 行
生态学中的尺度及尺度转换方法
生 态 学 报 A CTA ECOLO G ICA S IN ICA
V o l. 21, N o. 12 D ec. , 2001
生态学中的尺度及尺度转换方法
吕一河, 傅伯杰
(中国科学院生态环境研究中心 系统生态开放研究室, 北京 100085)
摘要: 尺度作为生态学的重要范式, 已经引起了广泛重视, 但对尺度问题的研究还不够成熟。 尺度具有多维性特点, 即功 能尺度、空间尺度、时间尺度等, 但生态学研究的重点是空间和时间尺度。并且时空尺度还具有复杂性、变异性特征。尺度 研究的根本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。为此, 科学有效的尺度选择和尺度转 换方法不可或缺。 常见的尺度转换方法有图示法、回归分析、变异函数、自相关分析、谱分析、分形和小波变换, 同时遥感 和地理信息系统技术在尺度研究中也发挥着重要作用。结合实例对上述方法进行了分析和论述, 认为各种方法都有其内 在的优势和不足, 新方法的引入和应用对于尺度转换方法体系的充实和完善非常重要。 有关尺度的研究将进一步加强, 研究的重点是尺度变异性、不同尺度间的相互作用机制以及尺度转换方法等。 关键词: 生态学; 尺度; 尺度转换
T he eco log ica l en tities and p rocesses a re sub ject to the con stra in ts from the eco log ica l sca les rela ted. T here a re con stra in ts and th resho ld s on each sca le. T he resu lts of sca ling a re d ifficu lt to understand ac2 co rd ing to the cla ssica l h iera rchy theo ry. T here a re exchanges of m a teria l, energy and info rm a tion am ong va riou s sca les. Sca ling, includ ing sca ling2up and sca ling2dow n, can be ca rried th rough by the con tro l of
不同尺度土壤性质空间变异研究进展
１ 不 同 尺度土壤 性质 空间变异 研 究现 状
的研 究 也表 明 ， 土地 使 用 方 式 和 耕 作 方式 影 响 土 壤
忡质 的空 间变 异 性 。曹 慧 等。 对 太 湖 丘 陵地 区 高 。 。 强 度开 发背景 条件 下土壤 肥 力质量 的空 问变 异研 究 发现 ， 土壤养 分 的空间 变异受 土地 利用 力 式 的影 响 ， 空间 ｆ ： 有一 定 的 自相 关性 ， 中 ， 地 、 田土 壤 其 菜 水 养分 含 量总体 较 高 ， 自然 林 Ｆ的 土 壤 养分 含 量 相 而 对 较低 。同时 ， 随着 农业 结构 的 调整 ， 期种 植 的经 短 济林 地 土壤 养 分 含艟 有 明 显 的 降低 。姚 丽 贤 等 Ｊ 研 究 ｒ广东 省 香蕉 园土 壤 养 分空 『 变异 性 ， 果 表 Ｈ 】 结
适的采 样 方 式 有 着 重要 的 意 义ｌ ］ ＿ 。而 且， 得 士 １ 获 壤空 间作用 与 土壤性 质 和作 物 的 关 系 ， 握 其作 用 掌
规律 的信 息 ， 实施 精 准农 业 的基 础和理 论依 据 。 是 大 尺度 的空间变 异研 究 町以改 进和 创新 土壤 分类 系
统 ． 高土壤 调 查 、 图 的质 量 和 精 度 ； 提 制 中小 尺 度 的
生 态环境 改善 提供理 沧依 据 。 。
土壤 性 质的审 问变 ： 既受 外部 因素 （ 自然 因素 、
土壤性 质空 间变 异研 究有 利于 合理 布局 种植 结构 和
改善 田问管 理 。通 过研 究 土壤 特 性 的 尺 度效 鹿 ， 阐
述 其 空 『变 异 Ｒ度 效 应 ， 现 不 同 空 间 尺度 间 的 转 日 】 实
人 为 素） 的影 响 ， 与 其本身 的特 性 （ 也 土壤类 型 、 土
生态学中的尺度问题内涵与分析方法
生态学中的尺度问题内涵与分析方法一、本文概述生态学作为一门研究生物与其环境之间相互关系的科学，其研究领域广泛且复杂，尺度问题在其中扮演着至关重要的角色。
尺度问题，即生态学研究中不同空间和时间尺度上的变异和规律，是理解生态系统功能和动态的核心。
本文旨在深入探讨生态学中的尺度问题内涵，分析不同尺度下的生态学现象及其相互关系，并介绍常用的尺度分析方法，以期为生态学研究和实践提供有益的参考。
本文将对尺度问题的内涵进行详细阐述，包括空间尺度、时间尺度以及它们之间的交互作用。
空间尺度涵盖了从微观到宏观的各个层面，如细胞、个体、种群、群落、生态系统和生物圈等；时间尺度则从瞬间到长期演变，涉及生物的生长、发育、季节变化、生命周期以及生态系统的演替等。
尺度问题的内涵在于，不同尺度下的生态学现象具有不同的特征和规律，而这些现象又相互影响、相互制约，共同构成了一个复杂而有序的生态系统。
本文将分析不同尺度下的生态学现象及其相互关系。
通过案例分析和实证研究，揭示不同尺度生态学现象之间的内在联系和相互影响机制，为理解生态系统功能和动态提供新的视角。
本文将介绍常用的尺度分析方法，包括统计分析、模型模拟和遥感技术等。
这些方法在生态学尺度问题的研究中具有广泛的应用前景，能够帮助我们更好地理解和分析生态系统在不同尺度下的变异和规律。
本文将从多个角度深入探讨生态学中的尺度问题内涵与分析方法，旨在提高我们对生态系统功能和动态的认识和理解，为生态学研究和实践提供有益的启示和指导。
二、尺度问题的内涵尺度问题在生态学中具有深远且复杂的内涵。
尺度，简单来说，可以理解为观察或研究对象的空间范围和时间跨度。
在生态学中，尺度问题主要关注的是生物与其所处环境之间的相互作用如何随着空间和时间尺度的变化而变化。
这种变化可能表现为物种分布、种群动态、群落结构、生态系统功能以及生物多样性等多个方面。
尺度问题的内涵包括多个方面。
尺度问题涉及到生态学研究中的尺度依赖性，即某些生态现象或过程在特定的尺度下表现明显，而在其他尺度下则可能被忽略或难以察觉。
地理学的空间尺度
地理学的空间尺度地理学是研究地球表面空间分布的学科，而空间尺度是地理学研究中非常重要的概念之一。
它描述了地理现象的研究范围和空间范围，可以帮助我们了解不同尺度下地理现象的特点和变化规律。
本文将围绕地理学的空间尺度展开讨论。
一、全球尺度全球尺度是地理学研究的最大尺度，涵盖整个地球。
在全球尺度上，我们可以研究全球气候变化、洋流分布、板块构造等大尺度的地理现象。
例如，通过对全球气候变化的研究，我们可以了解到全球变暖对冰川融化、海平面上升等地理现象的影响。
二、大区域尺度大区域尺度是介于全球尺度和区域尺度之间的尺度，主要研究大陆、洲际、国家等较大范围的地理现象。
在大区域尺度上，我们可以研究不同大洲的地貌特征、人口分布、经济发展等。
例如，通过对亚洲大陆的研究，我们可以了解到亚洲的地理环境对其人口密度分布、经济发展格局等产生的影响。
三、区域尺度区域尺度是研究地理现象的一个重要尺度，通常是以一个特定地区为研究对象。
在区域尺度上，我们可以研究城市、省份、地区等更小范围的地理现象。
例如，通过对一个城市的研究，我们可以了解到该城市的地形地貌、人口分布、交通网络等特点，从而帮助城市规划和发展。
四、局部尺度局部尺度是地理学研究的最小尺度，通常是以一个具体地点为研究对象。
在局部尺度上，我们可以研究一个村庄、街区、建筑物等非常小范围的地理现象。
例如，通过对一个村庄的研究，我们可以了解到该村庄的自然环境、人文特点、社会经济发展状况等。
五、时间尺度除了空间尺度，地理学的研究还需要考虑时间尺度。
时间尺度描述了地理现象变化的时间范围和速率。
在时间尺度上，我们可以研究地质变迁、自然灾害的发生频率、人类活动对环境的影响等。
例如，研究地质变迁可以帮助我们了解地球的演化历程，而研究自然灾害的时间尺度可以帮助我们预测和应对灾害风险。
地理学的空间尺度对于研究地理现象具有重要意义。
不同尺度的研究可以帮助我们全面了解地球上的自然环境和人文特点，揭示地理现象的规律性和变化趋势。
数据分析模型之空间变异模型
数据分析模型之空间变异模型
这篇文章是关于空间变异模型的内容，以下就是该内容的详细介绍。
考虑到地理过程对空间格局的影响，依据研究对象的空间分布形式划分出两种变异理论模型。
常规模型
常规模型为突变模型(图7.4a)。
假定属性在边界处突然变化，但边界之内属性变化很小。
图上单元由具有相似性质的个体构成，代表均质的范围，至少在分类系统的最低分类单位水平上相同(地图上可辨别的最低分类单位与地图的比例尺有关，即与空间尺度有关)。
边界可以通过采样来确定，或者直接地通过空间特征(如坡形、坡位、植被变化)来确定，或者通过航片、卫片上的相关特征来确定。
连续模型
连续模型(图7.4b)假定属性在空间逐渐变化，而且这种变化可以用数学模拟来逼近。
常规模型和连续模型在实际应用中是不同的。
以污染为例，如果污染水平高于某一临界值，按照常规模型，就需要对整个地区进行净化处理，这无疑是十分昂贵的。
按照连续模型的观点，污染常常是非均质的，临界位置上的。
土壤湿度的空间变异特征及尺度效应分析
第４１卷第４期 中国矿业大学学报 Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．４２０１２年７月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌ．２０１２土壤湿度的空间变异特征及尺度效应分析宋小宁，朱小华，李新辉（中国科学院研究生院资源与环境学院，北京 １０００４９）摘要：基于遥感信息分析了土壤湿度的空间变异及尺度效应问题．利用多尺度遥感数据获得了归一化植被指数和地表温度，并基于此参数提取了干旱／半干旱地区的土壤湿度指数；基于分形理论，利用表面积计算方法，通过计算一系列不同尺度窗口像元的曲面面积，研究了三维曲面面积随尺度变化的规律，即定量描述了不同尺度遥感图像提取的土壤湿度指数值的变化特性，随着尺度的增加，驻点像元数减少，说明其空间异质性降低；并利用半变差函数研究了不同空间分辨率下土壤湿度的异质性特征．结果表明：空间分辨率越大，其整体空间异质性程度越小，与实际情况相符，说明利用分形几何学和地统计学方法分析土壤湿度指数的空间异质性特征是可行的．通过该研究可以有效地确定土壤湿度遥感监测的尺度，更好地了解区域尺度的土壤干旱程度及水资源情况．关键词：遥感；土壤湿度；空间异质性；分形几何；尺度效应中图分类号：ＴＰ ７９文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１９６４（２０１２）０４－０６９１－０６Ｓｐａｔｉａｌ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ａｎｄ ｓｃａｌｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅＳＯＮＧ Ｘｉａｏ－ｎｉｎｇ，ＺＨＵ Ｘｉａｏ－ｈｕａ，ＬＩ Ｘｉｎ－ｈｕｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｗｅ ｍａｉｎｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｓｐａｔｉａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｃａｌｅｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ，ｏｂｔａｉｎｅｄ ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ－ｓｃａｌｅ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｄａｔａ，ａｎｄ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ａｒｉｄ ａｎｄ ｓｅｍｉａｒｉｄ ａｒ－ｅａｓ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｔｗｏ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆｒａｃｔａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ，ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ ｃａｌ－ｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｃｕｒｖｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａｓ ｏｆ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃａｌｅ ｗｉｎｄｏｗｓ ａｎｄ ａｆ－ｔｅｒ ｔｈａｔ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｆｒａｃｔａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ，ｓｏ ａｓ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ３Ｄｓｕｒｆａｃｅａｒｅａ ｗｉｔｈ ｓｃａｌｅ ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ，ｔｈａｔ ｉｓ，ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎｄｅｘ ｅｘｔｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃａｌｅｓ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｍａｇｅｓ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌｌｙ，ｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ｗｅ ｕｓｅｄ ｌａｎｄ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｓｅｍｉ－ｖａｒｉｏｇｒａｍ ｉｎ ｏｒ－ｄｅｒ ｔｏ ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｌｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｈｅ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｐａｃｅ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｓｐａｔｉａｌｓｅｌｆ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｐａｒｔｓ，ｗｈｉｃｈ ａｃｃｏｒｄｓ ｗｉｔｈ ａｃｔｕａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｌｓｏ ｅｘｐｌａｉｎｓ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｔｏａｎａｌｙｚｅ ｓｐａｔｉａｌ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎｄｅｘ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｒａｃｔａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ，ｗｅ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ’ｓ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｍｏｄｅｌ，ａｎｄ ｂｅｔｔｅｒ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｒｅｇｉｏｎａｌ ｓｃａｌｅ ｓｏｉｌ ｄｒｏｕｇｈｔ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｌｅｖｅｌ．Ｉｔ ｈａｓ ｃｅｒｔａｉｎ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ；ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ；ｓｐａｔｉａｌ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ；ｆｒａｃｔａｌ ｇｅｏｍｅｔｒｙ；ｓｃａｌｅ ｅｆｆｅｃｔ收稿日期：２０１１－０７－０２基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（ＸＭＸＸ２８０７２２）；国家重点基础研究发展计划（９７３）项目（２００７ＣＢ７１４４００）作者简介：宋小宁（１９７５－），女，山西省长治市人，副教授，工学博士，从事定量遥感方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｏｎｇｘｎ＠ｇｕｃａｓ．ａｃ．ｃｎ Ｔｅｌ：１３１４１３８８３３６ 中国矿业大学学报 第４１卷土壤水分是水量平衡的一个重要分量，在地－气界面间物质、能量交换中起着重要的作用．传统的土壤湿度监测方法很多，但只能得到单点的数据，需要大量的人力物力，不仅费时，而且成本高，很难高效率地获取大范围的土壤湿度；不仅如此，由于土壤、地形、植被覆盖上的空间差异使单点的代表性差，也限制了它的应用范围［１－２］．大范围土壤湿度的监测与反演成为遥感技术应用研究的前沿问题，而且伴随着遥感技术的不断发展，遥感监测土壤湿度的方法也在不断发展和完善，先后出现了基于不同遥感原理的监测方法，如热惯量法、作物缺水指数法、植被指数距平法、温度植被干旱指数（ＴＶＤＩ）法、微波遥感方法等．但由于地表空间异质性的存在，不同分辨率的遥感图像包含信息也有差异，使得空间变异及其尺度问题成为遥感土壤湿度研究的热点之一．从景观生态学的角度，已发展了一系列尺度分析的方法和理论，为遥感的尺度研究奠定了基础．本文针对干旱／半干旱地区的地表特征，利用分形几何学和地统计学，研究了土壤湿度遥感监测中存在的尺度效应问题．１研究区和数据源本文选择西部干旱区的黑河流域中游作为示范区，遥感数据源主要采用高级星载热辐射热反射探测仪（ＡＳＴＥＲ）和中等分辨率成像光谱辐射仪（ＭＯＤＩＳ）数据，为了更有效地进行土壤湿度遥感监测，还辅以土地利用图及其它区域背景资料．为了保证土壤湿度指数的准确性，本文对遥感数据进行了大气校正、几何校正等预处理，其具体过程见文献［３］．２研究方法２．１土壤湿度指数提取鉴于多数利用遥感来提取土壤湿度的方法，需要大量的地面实测数据或较长时间序列的遥感图像资料，在实际应用中受到一定的限制．因此，本文拟基于植被供水指数来定量研究干旱地区的土壤湿度．植被供水指数法的原理是：当土壤湿度正常时，植物供水正常，植被指数和冠层温度也在一定的范围之内；若土壤湿度低于正常范围，植物供水不足，植物被迫关闭一部分气孔，导致植被冠层温度升高，叶面积指数减小．因此，利用植被指数和温度可以表征土壤湿度状况［４－５］Ｗ＝Ｖ／Ｔｓ，（１）式中：Ｗ为植被供水指数（ＶＳＷＩ）；Ｖ为归一化植被指数（ＮＤＶＩ）；Ｔｓ为地表温度．２．２空间异质性表达及尺度效应分析考虑到地表空间异质性的存在，利用不同分辨率遥感图像获得的植被指数和温度信息很大程度上会受到影响．空间异质性是指某种变量在空间分布上的不均匀性及复杂程度，是空间斑块性和空间梯度的综合反映，主要强调其特征在空间上的非均匀性和尺度依赖性．针对遥感信息的空间尺度效应则主要是指遥感图像信息对空间分辨率的依赖性，使得利用不同分辨率遥感图像反演的地表参数存在一定的差异．本文拟采用基于分形理论的表面积法———图像曲面的分维数和地统计学的变差函数来分析土壤湿度指数的空间异质性［６－７］．２．２．１基于分形几何学的空间异质性分析表面积法是将灰度图像表面看成是一个空间曲面，通过不同尺度下空间曲面面积的数值来求解分维数．设灰度图像（ｘ，ｙ）处的像元灰度值为ｚ（ｘ，ｙ），将ｚ（ｘ，ｙ）作为ｚ坐标，则（ｘ，ｙ，ｚ（ｘ，ｙ））成为三维空间的一个空间点．将灰度图像所有的像元处理成这样的空间点，用最小二乘法将这些空间点拟合出一个空间曲面，其表面积即为灰度图像的表面积，其表面的复杂性就代表了图像像元值的变化特性，其复杂性可以用分维数进行定量的描述．本文采用三角棱柱法计算每个像元曲面面积．三角棱柱法是通过比较在不同尺度观测图像“表面”时表面积大小的变化情况，是计算曲面分维数的一种方法．遥感图像中的各像元并不是完全独立的，在空间结构上与相邻位置像元存在相似相关特征．因此，本文利用遥感图像相邻像元的灰度值来近似计算核心像元的值（如图１）．图１ 计算像元曲面面积示意［４］Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｉｘｅｌ ｓｕｒｆａｃｅ ａｒｅａ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ 针对特定空间分辨率遥感图像，对于每一个像元Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，其各自灰度值作为ｚ值，即ｚＡＥ，ｚＢＨ，ｚＣＧ，ｚＤＦ．从栅格中心引一条线段ＯＰ，其长度为ｚＯＰ＝（ｚＡＥ＋ｚＢＨ＋ｚＣＧ＋ｚＤＦ）／４．（２）则所构建三角棱柱的４个三角形（△ＡＯＢ，２９６第４期 宋小宁等：土壤湿度的空间变异特征及尺度效应分析△ＢＯＣ，△ＣＯＤ，△ＡＯＤ）的各边都可以获得，其面积可通过海伦公式计算，即Ｓｉ＝ｐｉ（ｐｉ－ａｉ）（ｐｉ－ｂｉ）（ｐｉ－ｃｉ槡），（３）ｐｉ＝（ａｉ＋ｂｉ＋ｃｉ）／２，（４）式中：下标ｉ代表４个三角形（△ＡＯＢ，△ＢＯＣ，△ＣＯＤ，△ＡＯＤ）；Ｓｉ为下标ｉ所示三角形的面积；ａｉ，ｂｉ，ｃｉ分别为下标ｉ所示三角形的３条边；ｐｉ为下标ｉ所示三角形周长的一半．则曲面面积和面积比值分别为Ｓ（ｒ）曲＝Ｓ△ＡＯＢ＋Ｓ△ＢＯＣ＋Ｓ△ＣＯＤ＋Ｓ△ＡＯＤ，（５）ｂ（ｒ）＝Ｓ（ｒ）曲Ｓｒ像≥１，（６）式中：Ｓ（ｒ）曲为曲面面积；ｒ为不同的尺度；Ｓ（ｒ）像为像元面积；ｂ（ｒ）为曲面面积与像元面积的比值．利用表面积方法计算一系列不同尺度窗口像元的曲面面积，从而得到三维曲面面积随尺度变化的规律．尺度上推过程中会出现以下情况：１）当遥感图像中ｍ×ｎ聚合窗口中各像元具有相同的灰度值（ｚ（ｘ，ｙ）），升尺度处理后，该曲面面积将等于像元面积，即ｂ（ｒ）＝１，表明地表情况不存在差异，即空间异质性低；２）当ｍ×ｎ聚合窗口中，空间信息复杂，即各像元灰度值均不相同，则升尺度处理后，该曲面面积与像元面积必然不相等，如像元值变化剧烈，理想状态下可达到ｂ（ｒ）趋于无穷．本文将利用ＡＳＴＥＲ数据计算得到的归一化植被指数值进行０～２５５拉伸处理，并用相应的像元值模拟遥感图像的空间三维结构，并将用于聚合的不同形状（方向）、不同尺度的聚合窗口分别设置如下：正方形窗口：２×２，３×３，４×４，５×５，６×６，７×７，８×８，９×９，１０×１０，１１×１１，１２×１２，１３×１３； 横向窗口：２×４，２×６，３×６，３×９，４×８，４×１２，５×１０，６×１２，５×１５，７×１４，６×１８，８×１６，９×１８；纵向窗口：４×２，６×２，６×３，９×３，８×４，１２×４，１０×５，１２×６，１５×５，１４×７，１８×６，１６×８，１８×９．设置动态阈值ｂ（ｒ）≤２，分析在升尺度处理过程中地表特征的变化规律（如图２）．从图２中可看出，随着窗口尺度的增加，遥感图像中驻点像元数Ｎ呈幂指数的形式减少，并且正方形窗口驻点像元减少的速度最快，其次为纵向窗口，横向窗口像元数减少最慢，但是纵向、横向变化比率相差不大．该统计结果符合客观规律，如４×４窗口内像元值相似的概率要大于２×８窗口，在尺度较小时，正方形窗口内统计的驻点像元数目较横向和纵向窗口的多．随着窗口尺度的增加，窗口内信息逐渐减弱． 对于同一尺度的窗口，随着阈值ｂ（ｒ）的增大，驻点像元数目都呈增加趋势（如表１和图３），表明其空间异质性越高．图２ 驻点像元数Ｎ与窗口面积Ｓ之间的回归关系Ｆｉｇ．２Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｒｅｓｉｄｅｎｔｐｉｘｅｌ ｎｕｍｂｅｒ ａｎｄ ｗｉｎｄｏｗ ａｒｅａ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓａｎｄ ｓｃａｌｅ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｎｄｏｗ表１ 不同窗口尺度不同阈值下像元数变化情况统计（正方形窗口）Ｔａｂｌｅ １ Ｐｉｘｅｌ ｎｕｍｂｅｒ ｃｈａｎｇｅｓ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃａｌｅｓ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｓ（ｓｑｕａｒｅ ｗｉｎｄｏｗ）窗口尺度ｂ（ｒ）≤１．１ ｂ（ｒ）≤１．５ ｂ（ｒ）≤２ ｂ（ｒ）≤３ ｂ（ｒ）≤４ ｂ（ｒ）≤５ ｂ（ｒ）≤１０ ｂ（ｒ）≤１５２ １ ４６３ ０７０ １ ７３９ ５７２ １ ８９６ ６８４ ２ ００８ ６２２ ２ ０９６ ５７６ ２ ３５７ ３５４ ２ ５０１ １８９ ２ ５１６ １９９３ １ １５９ ７３６ １ ４２０ ０５８ １ ５７２ ４３８ １ ６８４ ９２５ １ ７７７ ９７１ ２ １１６ ７４１ ２ ４０９ ６１８ ２ ４８８ ４２８４ １ ０４６ ６６６ １ ２８９ ９０４ １ ４３２ ８６８ １ ５４１ ３０４ １ ６３２ ９６０ １ ９９２ ９５９ ２ ３４８ ６７４ ２ ４６２ ７８７５ ９９９ ３０３ １ ２２６ ６１８ １ ３６０ ６４５ １ ４６４ ５７３ １ ５５３ ８７２ １ ９２１ ００９ ２ ３１１ ０４２ ２ ４４５ ５８６６ ９６０ １８９ １ １８３ ８４４ １ ３１３ １８４ １ ４１３ ７７５ １ ５０１ ２１６ １ ８７０ １００ ２ ２８１ ２３９ ２ ４３０ ７１７７ ９３６ ９０４ １ １５３ ６０６ １ ２７９ ４５２ １ ３７６ ７７６ １ ４６２ ４６９ １ ８３１ ３４５ ２ ２５５ ９８０ ２ ４１８ ２７４８ ９１２ ７６４ １ １２８ ５０３ １ ２５１ ２６８ １ ３４７ ００１ １ ４３１ １４１ １ ７９９ ８７８ ２ ２３５ ９２０ ２ ４０７ ５２５９ ８９７ ６５１ １ １０７ ４１５ １ ２２７ ７１６ １ ３２１ ９１３ １ ４０５ ０９９ １ ７７３ ８８１ ２ ２１９ ８５５ ２ ３９８ ９５６１０ ８７９ ５４１ １ ０８９ ０３４ １ ２０７ ２８８ １ ２９９ ９５６ １ ３８２ ２７２ １ ７５１ ２３１ ２ ２０５ ３４７ ２ ３９１ ０９４１１ ８６６ ７８７ １ ０７２ ３７４ １ １８９ ０６０ １ ２８０ ７０９ １ ３６２ ０８７ １ ７３０ ７２３ ２ １９２ ０４１ ２ ３８４ ０１０１２ ８５１ ９３１ １ ０５７ ９３３ １ １７２ ６３５ １ ２６３ １８０ １ ３４３ ７２２ １ ７１２ ４３８ ２ １７９ ６５８ ２ ３７７ ０５５１３ ８４１ ２１１ １ ０４３ ７３０ １ １５８ １３７ １ ２４７ ４１７ １ ３２７ ００６ １ ６９４ ６４０ ２ １６８ ６１９ ２ ３７０ ２９１３９６ 中国矿业大学学报 第４１卷图３ 动态阈值下驻点像元数随窗口面积变化的双对数回归关系Ｆｉｇ．３Ｌｏｇ－ｌｏｇ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｒｅｓｉｄｅｎｔ ｐｉｘｅｌｎｕｍｂｅｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｉｎｄｏｗ ｓｉｚｅ ｕｎｄｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ图４分别是基于ＡＳＴＥＲ数据提取的９０ｍ分辨率的植被供水指数（图４ａ）、聚合后得到１ ０００ｍ分辨率的植被供水指数（图４ｂ）及基于ＭＯＤＩＳ提取的１ ０００ｍ分辨率的植被供水指数（图４ｃ）．由图４可以看出，由高分辨率的图像聚合后得到低分辨率的植被供水指数图，与直接由低分辨率的图像得到的植被供水指数图相比，其层次更分明．图５为面积比值图，图５中越亮的地方代表异质性越大．从图５中可以看到，比值较高的情况主要出现在特征地类交界上，尺度上推后，大尺度地类为原小尺度像元地类组合，因此像元值不能代表地类的真实情况．即由于空间异质性的影响，不同分辨率的遥感数据提取的土壤湿度指数存在尺度效应．为了进一步定量分析其尺度误差，本文计算了尺度上推的误差因子，其误差定义为ｅ＝｜Ｗａ－Ｗｍ｜，（７）式中：ｅ为尺度上推的误差因子；Ｗａ为植被供水指数图像聚合后的指数；Ｗｍ为直接由低分辨率图像提取的指数．图４ 植被供水指数Ｆｉｇ．４Ｖｅｇｅｔｉｏｎ ｓｕｐｐｌｙ ｗａｔｅｒ ｉｎｄｅｘ ｉｍａｇｅ图５ 面积比值Ｆｉｇ．５Ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ａｒｅａ ｒａｔｉｏ图６为误差因子图，图６中越亮的地方代表其误差越大，也呈现出地物边界处误差较大的特征，这与面积比值的分布特征一致．同时，通过回归分析，得到了曲面面积与像元面积比值ｂ（ｒ）与误差因子ｅ之间的拟合图（图７）．从图７可以看出，面积比值因子与误差因子呈现出较好的相关性，这说明该空间异质性表达方法能较好地反映遥感应用于土壤湿度研究中的尺度效应问题．图６误差因子Ｆｉｇ．６Ｅｒｒｏｒ ｍａｐ图７ 面积比值与误差因子之间的拟合曲线Ｆｉｇ．７Ｆｉｔｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ａｒｅａ ｒａｔｉｏｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｅｒｒｏｒ ｆａｃｔｏｒ２．２．２基于地统计学的空间异质性分析鉴于该区域土壤湿度存在空间异质性，空间尺度过大，大量细节被省略，成为“有偏”估计；空间尺度过小，陷入局部而不能窥其全貌．因此，选择合适空间分辨率的遥感数据来提取，才能很好地反映研究区的土壤湿度状况．地统计学就是以区域化变量理论为基础，以变差函数为基本工具，研究那些在空间分布上既具有随机性又具有结构性的自然现象的科学．变差函数既能描述区域化变量的结构性变化，又能描述其随机性变化．一维情况下变差函数的定义为［８］γ（ｘ，ｈ）＝１２Ｅ［Ｚ（ｘ）－Ｚ（ｘ＋ｈ）］２－ １２｛Ｅ［Ｚ（ｘ）］－Ｅ［Ｚ（ｘ＋ｈ）］｝２，（８）４９６第４期 宋小宁等：土壤湿度的空间变异特征及尺度效应分析式中：γ（ｘ，ｈ）为半变差函数；Ｅ为期望值；Ｚ为定义在一维轴上的一个区域化变量；Ｚ（ｘ），Ｚ（ｘ＋ｈ）分别为变量Ｚ在ｘ和ｘ＋ｈ处的取值；ｘ为某个点的位置；ｈ为两个点之间的间距．在大多数情况下，变差函数γ（ｘ，ｈ）的取值仅仅依赖于有方向的距离ｈ，而与位置ｘ无关，γ（ｘ，ｈ）可改写为γ（ｈ），即γ（ｈ）＝１２Ｅ［Ｚ（ｘ）－Ｚ（ｘ＋ｈ）］２．（９） 变差函数图的形状可以反映分析对象空间分布的结构或空间相关的类型，同时给出这种空间相关的范围，如果存在空间相关，γ（ｈ）将随ｈ的增大而增大，当γ（ｈ）增大到平衡状态才停止，达到平衡值（称为基台值Ｃ０＋Ｃ，理论上Ｃ０＝０）后，γ（ｈ）就稳定在该值附近，这时ｈ（＝ａ）称为相关程或变程，即存在空间相关的最大距离［９］．图８为不同分辨率的变差函数散点图，由散点图可以看出在不同空间分辨率条件下，植被供水指数的空间分布趋势相一致，其中，空间分辨率分别为１２０，６０，３０，１５ｍ时，其变差函数达到了相同的基台值，就稳定在该值附近，而基台值代表变量本身的结构方差，这说明１２０ｍ的空间分辨率能够充分体现本区域的空间分布特征，因此，基于９０ｍ空间分辨率所提取的湿度指数能够确切反映区域的土壤湿度状况．从空间尺度上看，本文所提取的湿度指数是合理的，能够较准确地反映该研究区的土壤湿度分布状况．图８ 基于不同空间分辨率的植被供水指数变差函数散点图Ｆｉｇ．８Ｖａｒｉｏｇｒａｍ ｓｃａｔｔｅｒ ｏｆ ＶＳＷＩ ｂａｓｅｄ ｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ利用变差函数分析空间异质性，其中，块金值（Ｃ０）表示随机部分的空间异质性，由实验误差和小于实验取样尺度引起的变异，较大的块金方差表明较小尺度上的某种过程不容忽视．基台值（Ｃ＋Ｃ０）又称为平顶值或顶坎值，基台值越大表示总的空间异质性程度越高，是半变差函数达到的极限值，在该值附近半变差函数值不再单调递增，而是围绕这一值上下摆动，且该值是半变差函数随间距增加到一定程度后出现的平稳值．块金值和基台值之比（Ｃ０／（Ｃ０＋Ｃ））反映随机变异占总变异的大小，如果该比值较高，说明由随机部分引起的空间异质性程度较高；相反，则由空间自相关部分引起的空间异质性程度较大；如果该比值接近１，则说明该变量在整个尺度上具有恒定的变异．从结构性因子角度来看，Ｃ０／（Ｃ０＋Ｃ）的比值可表示系统变量的空间相关性程度，比值＜２５％，２５％～７５％，＞７５％分别表示变量的空间相关性较强、中等、较弱［１０－１１］．表２是通过地统计学分析得到的块金值（Ｃ０）、基台值（Ｃ＋Ｃ０）、块金值和基台值的比值（Ｃ０／（Ｃ＋Ｃ０））．从表２中可以看出，随着空间分辨率的依次增大，其基台值逐渐降低，说明其整体空间异质性降低；块金值和基台值的比值都比较大（４０％～７０％），说明该区域由空间自相关部分引起的空间异质性程度较大，而且随着空间分辨率的增大而减小，这表明空间分辨率越大，由空间自相关部分引起的空间异质性程度越小，这与实际情况相符．表２ 空间异质性分析结果Ｔａｂｌｅ ２ Ｓｐａｔｉａｌ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ空间分辨率／ｍ ９６０ ４８０ ２４０ １２０ ６０ ３０ １５Ｃ００．０８３ ０．０４８ ０．０４６ ０．０４２ ０．０３６ ０．０３１ ０．０２７Ｃ０＋Ｃ ０．１４５ ０．０７２ ０．０６８ ０．０６９ ０．０６７ ０．０６６ ０．０６４Ｃ０／（Ｃ０＋Ｃ）０．５７１ ０．６６１ ０．６７３ ０．６０８ ０．５３７ ０．４６７ ０．４１９３结论利用分形几何学和地统计学的方法，对基于不同空间分辨率遥感图像提取的土壤湿度指数进行了空间异质性分析．利用“曲面面元”概念，计算了不同尺度窗口像元曲面面积和分维数，定量描述了图像像元值的变化特性．结果表明，空间分辨率越高，其图像的信息越丰富，其空间异质性特征越明显，而且相比由低空间分辨率图像提取的土壤湿度指数，由高空间分辨率图像聚合后的指数表现出的空间异质性更强．通过地统计学方法分析可知，随着空间分辨率的增大，其整体的空间异质性降低，并且块金值和基台值的比值达到了４０％～７０％，说明该研究区的空间自相关部分引起的空间异质性较大，而且随着空间分辨率的增大，由空间自相关部分引起的空间异质性会减小，通过分析确定了适合于本研究区土壤湿度研究的最佳空间分辨率．致谢：本文所用ＭＯＤＩＳ数据由美国ＤＡＡＣ数据５９６ 中国矿业大学学报 第４１卷中心提供，ＡＳＴＥＲ数据得到了９７３项目“陆表生态环境要素主被动遥感协同反演理论与方法”（２００７ＣＢ７１４４００）与中国科学院西部行动计划（二期）项目“黑河流域遥感－地面观测同步试验与综合模拟平台建设”（ＫＺＣＸ２－ＸＢ２－０９）的支持，在此一并表示感谢！参考文献：［１］赵立军．基于ＭＯＤＩＳ数据的北京地区土壤含水量遥感信息模型研究［Ｍ］．北京：中国农业大学出版社，２００４：３４－３７．［２］ＬＥＩ Ｓｈａｏ－ｇａｎｇ，ＢＩＡＮ Ｚｈｅｎｇ－ｆｕ，ＤＡＮＩＥＬＳ Ｊ Ｌ，ｅｔａｌ．Ｓｐａｔｉｏ－ｔｅｍｐｏｒａｌ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｉｎ ａｎ ａｒｉｄａｎｄ ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ［Ｊ］．Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１０，２０（２）：４８５－４９０．［３］宋小宁．基于植被蒸散法的区域缺水遥感监测方法研究［Ｄ］．北京：中国科学院研究生院，２００４．［４］宋小宁，赵英时．基于ＭＯＤＩＳ数据的组分温度反演研究［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００４，３３（４）：４０６－４１１．ＳＯＮＧ Ｘｉａｏ－ｎｉｎｇ，ＺＨＡＯ Ｙｉｎｇ－ｓｈｉ．Ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍ－ｐｏｎｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＯＤＩＳ ｄａｔａ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ－ｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，３３（４）：４０６－４１１．［５］姚春生，张增祥，汪 潇．使用温度植被干旱指数法（ＴＶＤＩ）反演新疆土壤湿度［Ｊ］．遥感技术与应用，２００４，１９（６）：４７３－４７８．ＹＡＯ Ｃｈｕｎ－ｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｚｅｎｇ－ｘｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｘｉ－ａｏ．Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｓｔａｔｕｓ ｉｎ Ｘｉｎｊｉａｎｇ ｕｓｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｄｒｙｎｅｓｓ ｉｎｄｅｘ（ＴＶＤＩ）［Ｊ］．Ｒｅｍｏｔｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００４，１９（６）：４７３－４７８．［６］郭建明．分形理论在遥感影像空间尺度转换中的应用研究［Ｄ］．西安：西北大学城市与资源学院，２００８．［７］王政权．地统计学及在生态学中的应用［Ｍ］．北京：科学出版社，１９９９：１３５－１４２．［８］李小涛，潘世兵，宋小宁．基于地质统计学纹理特征的遥感影像分类方法研究［Ｊ］．地理与地理信息科学，２００９，２５（２）：３０－３３．ＬＩ Ｘｉａｏ－ｔａｏ，ＰＡＮ Ｓｈｉ－ｂｉｎｇ，ＳＯＮＧ Ｘｉａｏ－ｎｉｎｇ．Ｒｅ－ｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｍａｇｅ ｃｌａｓｓｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎｇｅｏｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｔｅｘｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｇｅｏ－Ｉｎｆｏｒｍａ－ｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００９，２５（２）：３０－３３．［９］李元寿，王根绪，丁永建，等．青藏高原高寒草甸区土壤水分的空间异质性［Ｊ］．水科学进展，２００８，１９（１）：６１－６７．ＬＩ Ｙｕａｎ－ｓｈｏｕ，ＷＡＮＧ Ｇｅｎ－ｘｕ，ＤＩＮＧ Ｙｏｎｇ－ｊｉａｎ，ｅｔａｌ．Ｓｐａｔｉａｌ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ｍｏｉｓｔｕｒｅ ｉｎ ａｌｐｉｎｅｍｅａｄｏｗ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ Ｑｉｎｇｈａｉ－Ｘｉｚａｎｇ Ｐｌａｔｅａｕ［Ｊ］．Ａｄ－ｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｗａｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００８，１９（１）：６１－６７．［１０］ＬＩ Ｈ，ＲＥＹＮＯＬＤＳ Ｊ Ｆ．Ｏｎ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｑｕａｎｔｉｆｉ－ｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ［Ｊ］．Ｏｉｋｏｓ，１９９５，７３（２）：２８０－２８４．［１１］郭达志，方 涛，杜培军，等．论复杂系统研究的等级结构与尺度推绎［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００３，３２（３）：２１３－２１７．ＧＵＯ Ｄａ－ｚｈｉ，ＦＡＮＧ Ｔａｏ，ＤＵ Ｐｅｉ－ｊｕｎ，ｅｔ ａｌ．Ｈｉｅｒａｒ－ｃｈｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｄ ｓｃａｌｉｎｇ ｆｏｒ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏ－ｇｙ，２００３，３２（３）：２１３－２１７．（责任编辑邓群）６９６。
农田土壤重金属空间变异多尺度研究
农田土壤重金属空间变异多尺度研究刘伟;郜允兵;潘瑜春【摘要】土壤重金属的特征尺度是确定适宜采样尺度的重要参考依据.采用尺度方差分析方法,并辅以半方差函数,对北京市顺义区农田土壤中砷(As)含量的空间异质性进行多尺度分析,其中半方差函数分析了土壤As含量的空间等级结构,尺度方差则识别了土壤As含量空间变异的特征尺度.结果表明:研究区内土壤中As含量具有较强的空间自相关性,存在空间多尺度结构.2.4、9.6 km左右为土壤As含量的特征尺度.在2.4 km尺度上,土地利用、河流以及畜禽养殖对土壤As含量的空间异质性影响较大;在9.6 km尺度上,土壤As含量的空间异质性受控于土壤质地等自然因素影响.【期刊名称】《江苏农业科学》【年(卷),期】2018(046)023【总页数】5页(P357-361)【关键词】土壤重金属;As含量;空间异质性;多尺度;特征尺度;空间自相关性;自然因素【作者】刘伟;郜允兵;潘瑜春【作者单位】中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京100083;国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097;农业部农业信息技术重点实验室,北京100097;北京市农业物联网工程技术研究中心,北京100097;国家农业信息化工程技术研究中心,北京100097;农业部农业信息技术重点实验室,北京100097;北京市农业物联网工程技术研究中心,北京100097【正文语种】中文【中图分类】X53土壤重金属是表征土壤环境质量的重要因素，如何掌握重金属含量的空间异质性及其空间结构，对区域农田土壤环境的监控具有重要的生产意义。
受错综复杂的自然因素和长期小规模、破碎化的土地利用生产方式的影响，我国土壤重金属空间变异大，空间结构复杂，当前的采样调查结果通常不足以准确地反映实际情况，更难用于对某个具体地块的污染范围划定和防治指导[1]。
这些特征意味着：采样尺度过大时，小尺度的空间变异信息常常被减弱或丢失[2]；采样尺度过小时，大尺度上的空间变异由于比较微弱而被作为“随机成分”处理[3]，同时也会导致采样工作成本高、效率低下。
基础生态学习题及答案简化
一、名词解释生态学：生态学是研究生物及环境间相互关系的科学;环境：是指某一特定生物体或生物群体以外的空间,以及直接或间接影响该生物体或生物群体生存的一切事物的总和;生态因子：是指环境中对生物生长、发育、生殖、行为和分布有直接或间接影响的环境要素;生存因子：在生态因子中凡是有机体生活和发育所不可缺少的外界环境因素;生态环境：研究的生物体或生物群体以外的空间中,直接或间接影响该生物体或生物群体生存和发展的一切因素的总和;生境：具有特定的生态特性的生态体或生态群体总是在某一特定的环境中生存和发展,这一特定环境叫生境;种群：在一定时间内和一定空间内,同种有机体的结合;群落：在一定时间内和一定空间内,不同种群的集合;利比希最小因子定律：植物的生长取决于那些处于最少量状态的营养成分;耐受性定律：任何一个生态因子在数量上或质量上的不足或过多都将使该种生物衰退或不能生存;限制因子原理：一个生物或一群生物的生存和繁荣取决于综合的环境条件状况,任何接近或超过耐性限制的状况都可说是限制状况或限制因子;阿朔夫规律：对于夜出性动物处于恒黑的条件下,它们的昼夜周期缩短,对于夜出性动物处于恒光的条件下,它们的昼夜周期延长,并且这种延长的增强,这种延长越明显;对于日出性动物处于恒黑的条件下,它们的昼夜周期延长,对于日出性动物处于恒光的条件下,它们的昼夜周期缩短,并且这种缩短随着光强的增强,这种缩短越明显;临界温度：生物低于或高于一定的温度时便会受到伤害,这一温度称为临界温度; 适应性低体温：它是一种受调节的低体温现象,此时体温被调节很低,接近于环境温度的水平,心律代谢率及其它生理功能均相应的降低,在任何时候都可自发的或通过人工诱导,恢复到原来的正常状态;贝格曼规律：内温动物,在比较冷的气候区,身体体积比较大,在比较暖的气候区,身体体积比较小;阿伦规律：内温动物身体的凸出部分在寒冷的地区有变小的趋势;乔丹规律：鱼类的脊椎数目在低温水域中比在温暖水域中多;生物学零度：生物生长发育的起点温度;有效积温：生物完成某个发育阶段所需的总热量;基因型：每一个体的基因组合;基因库：在一个种群中,全部个体的基因组合;基因频率：在一个基因库中,不同基因所占的比率叫基因频率;哈－温定律：在无限大的种群中,每一个体与种群内其他个体的交配机会均等,并且没有其它干扰因素突变、漂移、自然选择等各代的基因频率不变,无论其基因型频率和基因频率如何,只经历一代,即达到遗传平衡;遗传漂变：一般发生在较小的种群中,因为在一个很大的种群里,如果不发生突变,根据哈－温定律,不同的基因型频率将保持平衡状态,但在较小的种群中,既使无适应的变异发生,种群内基因频率也会发生变化,也就是由于隔离,不能充分的随机交配,种群内基因不能达到完全自由分离和组合时产生的误差所引起的,这样那些中性的或不利性状在种群中继续保存下来;环境容纳量：对于一个种群来说,设想有一个环境条件所允许的最大种群值以k表示,当种群达到k值时,将不再增长,此时k值为环境容纳量;空间异质性：指生态学过程和格局在空间分布上的不均匀性及其复杂性;边缘效应：指缀块边缘部分由于受外围影响而表现出与缀块中心部分不同的生态学特征的现象;生物多样性：生命有机体及其赖以生存的生态综合体的多样化和变异性;可持续发展：是既满足当代人的需要,又不对后代满足其需要的能力构成危害的发展;－3／2自疏法则：如果某种植物的播种密度超过一定值时,种内对资源的竞争不仅影响到植株生长发育的速度,而且影响植物的存活率,这一现象叫自疏现象;邻接效应：当种群密度增加时,在邻接的个体之间所出现的相互影响;领域：指由个体、家庭或其它社群单位所占据的并积极保卫不让同种其它成员侵入的空间;领域行为：生物以威胁或直接进攻驱赶入侵者的行为;阿里规律：动物种群有一个最适的种群密度,因而种群过剩和种群过低或过密或过疏都是不利的,都可能对种群产生抑制性的影响;社会等级：一群同种的动物中,每个个体的地位有一定顺序性或序位,其基础是支配－从属关系,这种顺序性叫社会等级;种间竞争：两种或两种以上的生物共同利用同一资源而产生的相互排斥的现象;基础生态位：物种所占据的理论上的最大空间叫基础生态位;生态位：在生态因子变化范围内,能够被生态元实际和潜在占据、利用或适应的部分,称作生态元的生态位;生态元：从基因到生物圈所有的生物组织层次均是具有一定生态学结构和功能的单元,这种单元称为生态元;竞争排斥原理：在环境资源上需求接近的两个种类是不能在同一地区生活的;如果在同一地区生活,往往在栖息地、食性、活动时间等方面有种不同;若两个物种生态位完全重叠,必然是一个物种死亡,若使两个物种同时生存,则要使生态位有差异,使生态位分化;零增长线：一种生物利用某种必须营养元素时该种生物能存活和增殖的边界线; 种群平衡：指种群较长时间的维持在几乎同一水平上,这一现象叫种群平衡;种群大爆发：某种生物种群的数量在短时间内急剧上升,往往造成不利影响;生态入侵：指由于人类有意识或无意识把某种生物带入适宜栖息和繁衍地区,种群不断扩大,分布区逐步稳步的扩展,这个现象叫生态入侵;种群间的协同进化：指一个物种的性状作为对另一物种性状的反映而进化；而后一物种的这一性状本身又作为前一物种性状的反映而进化;趋同适应：不同种类的生物当生活在相同或相似的环境条件下,通过变异选择形成相同或相似的形态或生理特征以及相同或相似的适应方式或途径,这种现象叫趋同适应;趋异适应：同种类的生物当生活在相同或相似的环境条件下,通过变异选择形成不同的形态或生理特征以及不同的适应方式或途径,这种现象叫趋异适应;生活型：不同种类的植物之间或动物之间由于趋同适应而在形态、生理及适应方式等方面表现出相似的类型;生态型：同种生物由于趋异适应而在形态、生理及适应方式等方面表现出不同的类型;生活史对策：各种生物在进化过程中形成各种特有的生活史,这种生活史是生物在生存过程中获得生存的对策;K对策：生物种群数量达到或接近环境容纳量的水平,这种类型称作k对策;群落最小面积：指至少要有这样大的面积及相应的空间,才能包含组成群落的大多数生物种类;优势种：对群落的结构和群落环境的形成有明显控制作用的植物种称优势种; 建群种：群落中存在于主要层次中的优势种;伴生种：为群落常见种类,它与优势种相伴存在,但不起主要作用;偶见种或罕见种：在群落中出现频率很低的种类;多度：物种间个体数量对比的估测指标;相对密度：某物种的个体数与全部物种个体数的比值;投影盖度：指植物地上部分垂直投影面积占样地面积的百分比;基盖度：植物基部的覆盖面积;频度：某物种在调查范围内出现的频率;相对重量：单位面积或容积内某一物种的重量占全部物种总重量的百分比;生物多样性：生物中的多样化和变异性以及物种生境的生态复杂性;生活型谱：群落内每类生活型的种数占总种数的百分比排列成的系列;生态等值种：在不同地理位置但环境相同或相似的地区由于趋同进化而具有相同生活型的植物称为生态等值种;层间植物：群落除了自养、独立支撑的植物所形成的层次以外,还有一些如藤本植物、寄生、腐生植物,它们并不独立形成层次,而是分别依附各层次中直立的植物体上;演替：指在某一空间内,一种生物群落被另一种生物群落所取代的过程;顶级群落：一个群落演替达到稳定成熟的群落;植被型组：凡建群种生活型相似而且群落外貌相似的植物群落联合为植被型组;植被型：指在植被型组内,把建群种生活型相同或相似同时对水热条件的生态关系一致的植物群落联合为植被型;耗散结构：是指开放系统在远离平衡态的非平衡状态下,系统可能出现的一种稳定的有序结构;生物量：单位空间内,积存的有机物质的量;初级生产力：单位时间、单位空间内,生产者积累有机物质的量;生物学的放大作用：又叫食物链的浓集作用,在生物体内,有毒物质沿食物链各营养级传递时,在生物体内残留浓度不断升高的现象;生态平衡：一个地区的生物与环境经过长期的相互作用,在生物与生物、生物与环境之间建立了相对稳定的结构以及相应功能,此种状态即稳定态;环境容纳量：对于一个种群来说,设想有一个环境条件所允许的最大种群值以k表示,当种群达到k值时,将不再增长,此时k值为环境容纳量;尺度：一般是指对某一研究对象或现象在空间上或时间上的量度,分别称为空间尺度和时间尺度;竞争：是指利用有限资源的个体间或物种间的相互作用;稳态：有机体在可变动的外部环境中维持一个相对恒定的内部环境,称为稳态;适应：生物所具有的有助于生存和生殖的任何遗传特征;内调节：生物细胞不可能在剧烈的变动环境中运行,因此,有机体要采取行动以限制其内环境的变异性,这一过程称为内调节;负反馈：大多数生物的稳态机制以大致一样的方式起着作用；如果一个因子的内部水平太高,该机制将减少它；若水平太低,就提高它;这一过程称为负反馈; 富养化：由于直接向湖泊排污或农用化肥随地表径流输入湖中,使很多以硅藻和绿藻占优势的湖泊转变成以蓝绿藻占优势的湖泊,这个过程叫富养化;矿化：生态系统的分解过程中,无机的元素从有机物质中释放出来的过程;异化：有机物质在酶的作用下分解,从聚合体变成单体,进而成为矿物成分的过程;再循环：进入分解者亚系统的有机物质也通过营养级而传递,但未利用物质﹑排出物和一些次级产物,又可以成为营养级的输入再次被利用;自养生态系统：生态系统能量来源中,日光能的输入量大于有机物质的输入量则属于自养生态系统;异养生态系统：现成有机物质的输入构成该系统能量的主流则是异养生态系统;二、单项选择题：1、生物群落是B;A．生物偶然的组合 B．生物有规律的组合 C．生物随意的组合D．生物杂乱无章的组合2、生物群落是B;A．生物种内许多个体组成的群体 B．植物、动物、微生物有序、协调统一的群体C．由许多植物组成的群体 D．由许多动物组成的群体3、确立群落成员型的依据是C;A．植物的种类 B．植物的高度 C．植物的作用 D．植物的功能5、生物群落特征正确的论述是A;A．生物群落的特征是群落内所有生物的群体表现 B．一棵树木的高大挺拔代表了森林群落的外貌特征C．一棵草、一棵树各自显示着不同生物群落的外貌 D．植物、动物、微生物对生物群落特征的影响大小一致8、关于优势度正确的概念是A;A．群落各成员中,建群种的优势度最大 B．群落各层优势种优势度均大于建群种C．确定生物优势度主要依据其频度 D．群落各成员对群落的作用大小与其优势度无关9、群落结构最复杂的是D;A．苔原 B．荒漠 C．落叶阔叶林 D．常绿阔叶林10、常绿阔叶林的特征是B;A.夏季降水多,冬季降水少,故干湿季明显B.中国东部常绿阔叶林于世界面积最大C．乔木、灌木、草本、地被四层均具备,乔木层仅一层 D．高位芽达90％以上11、关于群落水平结构的论述正确的是A;A．镶嵌体中斑点通常小于复合体中的斑点 B．复合体中斑点间植物,紧密接触,相互影响很大C．镶嵌体中斑点间植物互不影响 D．镶嵌体中每个小群落各代表不同群落的特征16、关于层片的论述,正确的是C;A．层片是按植物的高度划分的 B．层和层片含义基本相同C．兴安落叶松群落是单优势林,其乔木层与层片是一致的 D．群落有几个层次,就有几个层片17、下列关于生态型的说法,不正确的是C;A．生态型是一个物种对某一特定生境发生基因型反应的产物 B．生态型是种内适应不同生态条件的遗传类群C．生态型是种内的分异,在生物分类学上也叫亚种 D．生态型按生态主导因素的不同可有气候、土壤生态型21、季相最显着的群落是B; A．常绿阔叶林 B．落叶阔叶林 C．北方针叶林 D．热带雨林22、群落演替速度特点是B;A．演替速度越来越快 B．演替初始缓慢中间阶段快末期演替停止 C．演替越来越慢 D．演替速度不随时间变化23、符合群落发育盛期的特征是C;A.建群种生长渐弱,更新能力下降B.群落内环境已变得不利远物种生存C.群落结构一定型D.种类数量不稳定24、与演替过程中的群落相比,顶级群落的特征是B;A.信息少B.稳定型高 C.矿质营养循环开放D.食物链简单27、属于地带性顶级的群落是D;A．沼泽B．水生群落 C．盐碱群落 D．荒漠群落28、不符合非地带性顶极的论述是C;A．可出现在多种大气候下 B．可分布于多个地带性群落中C．只受局部环境制约,大气候对其毫无影响 D．具有大气候的烙印29、从裸地开始的旱生演替又属于C;A．次生演替 B．快速演替 C．内因性演替 D．外因性演替32、森林砍伐形成的裸地,在没有干扰的情况下的演替过程是B;A.原生演替B.次生演替C.水生演替D.旱生演替34、中国植物群落分类原则是D;A．生态学原则 B．植物区系学原则 C．动态原则 D．群落学—生态学原则36、关于生物地理群落的论述,不正确的是A;D．生物地理群落的概念是苏卡乔夫首先提出来的A．生物地理群落＝植物群落＋动物群落＋微生物群落 B．生物地理群落含义与生态系统相近C．生物地理群落不仅包括植物、动物、微生物、还包括生物之间、生物与环境之间复杂的能量、物质关系37、属于非地带性顶极的群落是D;A．落叶阔叶林 B．温带草原 C．北方针叶林 D．沼泽38、生态学作为一个科学名词最早是由A提出并定义的;39、当代环境问题和资源问题,使生态学的研究日益从以生物为研究主体发展到B;A．以动物为研究主体B．以人类为研究主体C．以植物为研究主体 D．以种群为研究主体41、景观生态学的研究对象是D;A．生物圈 B．群落 C．种群 D．景观单元 42、全球生态学的研究对象是C;A．全球陆地 B．全球海洋 C．整个生物圈 D．整个宇宙43、下列范围不属于生物圈的是C;A．岩石圈的上层 B．全部水圈 C．大气圈的上层 D．大气圈的下层45、根据研究方法,一般可把生态学分为野外生态学、理论生态学和A;A．实验生态学 B．种群生态学 C．行为生态学 D．草原生态学49、根据生态因子的稳定性程度可把生态因子分为稳定因子和D;A．气候因子 B．地形因子 C．外来因子 D．变动因子50、根据生态因子作用大小与生物数量的相互关系,将生态因子分为密度制约因子和D;A．气候因子 B．地形因子 C．稳定因子 D．非密度制约因子52、地形因子对生物的作用属于B;A．直接作用 B．间接作用 C．替代作用D．补偿作用53、氧气对水生动物来说,属于D;A．综合因子 B．一般生态因子 C．替代因子 D．限制因子57、在光与植物形态建成的各种关系中,植物对黑暗环境的特殊适应产生A;A．黄化现象 B．白化现象 C．辐射效应 D．代谢效应59、植物开始生长和进行净生产所需要的最小光照强度称为B;A.光饱合点B.光补偿点C.光照点D.光辐射点60、植物光合作用的光谱范围主要是A;A．可见光区 B．紫外光区 C．红外光区 D．绿光65、下列植物中,属于长日照植物的是C;A．大豆 B．玉米 C．冬小麦 D．水稻68、一般而言,高纬度地区作物整个生育期所需有效积温较低纬度地区的要B;A.多B.少C.一样D.不确定70、生活在高纬度地区的恒温动物,一般其身体较低纬度地区同类个体大,以此来减少单位体重散热量,这一适应称A;A．贝格曼法则 B．阿伦法则 C．李比希定律 D．谢尔福德定律71、水生植物的特点是A;A．通气组织发达 B．机械组织发达 C．叶面积小D．根系发达72、旱生植物的特点是B;A．叶面积较大 B．根系发达 C．通气组织发达 D．叶片较多73、最利于植物生长的土壤质地是C;A．粘土 B．砂土 C．壤土 D．黄土74、最有利于植物生长的土壤结构是A;A．团粒结构 B．片状结构 C．块状结构 D．柱状结构75、比较有利于植物生长的土壤母质是B;A．酸性岩母质 B．冲积物母质 C．风积母质 D．黄土母质76、在土壤有机质分解转化及土壤团粒结构形成过程中,起主要作用的一类生物是D;A．植物 B．原生动物 C．节肢动物 D．微生物77、在强风地区生长的植物,其结构特征一般类似于D;A．湿生植物 B．水生植物 C．中生植物 D．旱生植物83、某一种群的年龄锥体的形状为基部较狭、顶部较宽,这样的种群属于C; A．增长型种群 B．稳定型种群 C．下降型种群 D．混合型种群86、东亚飞蝗的大发生在种群数量变动中属于B;A．季节消长B．不规则波动 C．周期性波动 D．种群平衡 87、旅鼠和北极狐的种群数量消长规律的周期为D;A．1～2年 B．2年 C．3年 D．3～4年88、种群在逻辑斯谛增长过程中密度增长最快时个体数量为C;A.小于K／2B.等于KC.等于K／2D.大于K／289、两种生物生活在一起时,对一方有利,对另一方无影响,二者之间的关系属于D; A．原始合作 B．竞争 C．中性作用 D．偏利作用90、两种生物生活在一起时,对二者都必然有利,这种关系为B;A．偏利作用 B．互利共生 C．原始合作 D．中性作用91、寄生蜂将卵产在寄主昆虫的卵内,一般要缓慢地杀死寄主,这种物种间的关系属于D;A．偏利作用 B．原始合作 C．偏害作用 D．拟寄生92、白蚁消化道内的鞭毛虫与白蚁的关系是C;A．寄生 B．拟寄生 C．互利共生 D．偏利共生93、下列生物之间不属于互利共生关系的是C;A．人与饲养的家畜 B．蜜蜂与其采访的植物 C．附生植物与被附生植物 D．豆科植物与固氮菌94、逻辑斯谛增长曲线的5个期中,个体数达到饱和密度一半即K／2时称为B;A．加速期 B．转折期 C．减速期 D．饱和期95、种群呈“S”型增长过程中,当种群数量超过环境容量一半时,种群的D;A．密度增长越来越快 B．环境阻力越来越大 C．环境阻力越来越小 D．密度越来越小96、不符合增长型的种群年龄结构特征的是D;A．幼年个体多,老年个体少 B．生产量为正值 C．年龄锥体下宽、上窄 D．出生率小于死亡率97、种群为逻辑斯谛增长时,开始期的特点是A;A．密度增长缓慢 B．密度增长逐渐加快 C．密度增长最快 D．密度增长逐渐变慢98、沿海地区出现的“赤潮”从种群数量变动角度看是属于D;A．季节性消长 B．不规则波动 C．周期性波动 D．种群的爆发100、下列种群数量不能够长期地维持在某一水平的是D;A．大型有蹄类B．食肉类C．一些蜻蜓的成虫D．蝗虫101、在渔业生产上为获得持续最大捕捞量,海洋捕捞时,应使鱼类的种群数量保持在A;2 4 3102、蚂蚁在自然界的分布型为B;A．均匀分布 B．成群分布 C．随机分布 D．带状分布103、生态系统这一概念的提出者是D;A．达尔文B．奥德姆 C．瓦尔明 D．坦斯利104、生物地理群落这一概念的提出者是C;A．达尔文 B．奥德姆 C．苏卡乔夫 D．坦斯利106、下列生物类群中,不属于生态系统生产者的类群是D;A．种子植物 B．蕨类植物 C．蓝绿藻D．真菌107、下列生物类群中,属于生态系统消费者的类群是B;A．高等植物 B．哺乳动物 C．大型真菌 D．蓝绿藻108、从下列生物类群中,选出生态系统的分解者D;A．树木 B．鸟类 C．昆虫 D．蚯蚓109、生态系统的功能主要是A;A．维持能量流动和物质循环 B．保持生态平衡C．为人类提供生产和生活资料 D．通过光合作用制造有机物质并释放氧气110、常绿阔叶林生态系统的主要分布区位于B;A．热带B．亚热带 C．温带D．寒带111、落叶阔叶林生态系统的主要分布区位于C;A．热带 B．亚热带 C．温带 D．寒带112、雨林生态系统的主要分布区位于A;A．热带 B．亚热带 C．温带D．寒带113、北方针叶林生态系统的主要分布区位于C;A．热带 B．温带 C．寒温带 D．寒带114、下列生态系统中,初级生产力最高的是A;A．热带雨林 B．亚热带季雨林 C．常绿阔叶林 D．落叶阔叶林115、下列生态系统中,初级生产力最高的是D;A．大陆架 B．开阔大洋 C．河流与湖泊 D．珊瑚礁116、下列生态系统中,初级生产力最高的是A;A．沼泽与湿地 B．开阔大洋 C 荒漠 D．冻原117、下列生态系统中,初级生产力最高的是A;A．温带农田 B．温带草原 C．荒漠 D．冻原118、下列生态系统中,属于人工生态系统的是B;A．热带雨林 B．橡胶园 C．北方针叶林 D．冻原119、下列生态系统中,属于人工生态系统的是D;A．海洋 B．撂荒地 C．被污染的湖泊 D．养鱼池120、下列生态系统中,不属于人工生态系统的是C;A．农田 B．果园 C．被污染的湖泊 D．养鱼池121、下列生态系统中,初级生产力最低的是C;A．热带雨林 B．温带农田 C．温带草原 D．落叶阔叶林122、按生产力高低排序,正确的答案是A;A．热带雨林>亚热带季雨林>北方针叶林>冻原 B．开阔大洋>河口>湖泊>大陆架C．温带草原>稀树草原>常绿阔叶林>北方针叶林 D．长江流域农田>黄河流域农田>黑龙江流域农田>热带雨林123、生态系统中的能流途径主要是A;A.生产者→消费者→分解者B.生产者→分解者→消费者C.分解者→消费者→生产者D.消费者→分解者→生产者124、能量沿着食物网流动时,保留在生态系统内各营养级中的能量变化趋势是A;A.能量越来越少B.能量越来越多C.能量基本没有变化D.因生态系统不同,能量或越来越多,或越来越少125、下列生态系统中,开放程度最大的是C;A．湖泊 B．热带雨林 C．农田D．水库127、下列生态系统中,生物量最高的是A;A．热带雨林 B．温带草原 C．荒漠 D．开阔大洋128、种类组成丰富,群落结构复杂,板状根、裸芽、茎花现象明显,无明显季相交替的生态系统是A;A．雨林 B．常绿阔叶林 C．落叶阔叶林 D．北。
物理学中的空间尺度论述
物理学中的空间尺度论述引言：物理学是一门研究自然界基本规律的科学。
在研究过程中，科学家们不仅关注物体在时间上的变化，还致力于了解物体在空间上的尺度变化。
本文将从微观世界到宇宙尺度展开对物理学中空间尺度的论述，探索不同尺度下的物理现象。
一、微观尺度下的物理现象微观尺度下的物理现象主要研究原子、分子和基本粒子之间的相互作用。
经过多年的研究，科学家们发现微观世界构成物质的基本粒子，如质子、中子和电子，它们之间通过强力、弱力、电磁力和引力进行相互作用。
其中，量子力学是研究微观尺度下粒子行为的重要理论框架。
量子力学告诉我们，微观粒子的一些性质，例如位置和动量，并没有具体的数值，而是以概率形式存在。
这种不确定性原理对微观世界的认识产生了实质性的影响。
二、中尺度下的物理现象中尺度下的物理现象研究的是宏观物体之间的相互作用以及它们的运动规律。
经典物理学是研究中尺度下物理现象的框架。
根据经典物理学的观点，物质可被看作均匀的连续介质，它们遵循牛顿力学定律。
在中尺度下，物体的尺度逐渐增大，相互作用力的影响逐渐减弱，因此经典物理学在描述物体的运动和力学行为方面具有很高的适用性。
无论是计算机模拟复杂机械系统，还是设计工程结构，经典物理学都提供了有力的工具。
三、宇观尺度下的物理现象宇观尺度下的物理现象涉及到天体物理学和宇宙学，研究的是整个宇宙系统的演化。
根据爱因斯坦相对论和引力理论，宇观尺度下主要有黑洞、星系、星云等天体的形成和运动。
天文学家发现，在宇观尺度下，物理规律与微观和中尺度的规律存在着显著差异。
例如，黑洞具有极强的引力，能够吸引并吞噬其周围的物质和光线；星系之间存在大规模结构的形成与演化等。
这些复杂的现象使得我们对宇宙的认知充满了神秘和惊喜。
结论：物理学中的空间尺度论述涵盖了微观、中尺度和宇观三个层面。
通过研究不同尺度下的物理现象，科学家们不断深化对自然规律的理解。
微观尺度下的量子力学揭示了微粒子行为的统计规律；中尺度下的经典物理学提供了计算和设计工具；宇观尺度下的天体物理学让我们认识到宇宙的浩瀚与神秘。
地理学综合研究的途径与方法_格局与过程耦合
地理学报ACTA GEOGRAPHICA SINICA 第69卷第8期2014年8月V ol.69,No.8August,2014收稿日期：2014-05-22;修订日期：2014-07-28基金项目：国家自然科学基金项目(41390464)[Foundation:National Natural Science Foundation of China,No.41390464]作者简介：傅伯杰(1958-),男,中国科学院院士,研究员,博士生导师,中国地理学会副理事长(S110001618M),主要从事自然地理与景观生态学研究。
E-mail:bfu@1052-1059页地理学综合研究的途径与方法：格局与过程耦合傅伯杰(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京100085)摘要：地理学是一门以综合性和区域性见长的学科。
地理学的综合性通过要素多样化来体现，区域性则表现为区域分异或区域差异。
地理学综合研究是对地球表层各要素的相互作用以及人地关系的研究，帮助我们认识地球表层系统的过去、现状和未来的趋势，把握其变化的脉搏。
格局是认识世界的表观，过程是理解事物变化的机理，基于长期的野外观测和综合调查以及模型模拟，对不同时空尺度下的地理格局与过程进行耦合研究，是从机理上理解与解决地理学综合研究的有效途径与方法。
文章结合在黄土高原地区的相关研究案例，探讨了将格局与过程耦合研究的地理学综合研究的途径与方法。
关键词：地理学；地理学综合研究；格局；过程；尺度；黄土高原DOI:10.11821/dlxb20140800220世纪以来，随着全球的人口、资源、环境等诸多问题的出现，人类的可持续发展面临着极大的挑战。
地球系统科学研究通过研究整体性的地球系统来解决全球性的资源环境问题，把地球作为各个圈层有机联系的系统来开展相关的研究。
因此，“地球系统”概念的提出标志着这方面的研究向着综合集成的方向转变。
只有从整体上来认识地球系统的过去、现状和未来的趋势，才能够把握它变化的脉搏。
大尺度土壤养分空间变异的影响因素
大尺度土壤养分空间变异的影响因素哎呀，这可是个大问题啊！咱们今天就来聊聊“大尺度土壤养分空间变异的影响因素”。
咱们得明白，什么是大尺度土壤养分空间变异？简单来说，就是指在很大的范围内，土壤中养分的分布是不均匀的。
这可是个挺麻烦的问题，因为养分对于植物生长可是非常重要的哦！那么，这个问题到底是怎么产生的呢？咱们得说说地形对土壤养分空间变异的影响。
咱们知道，地形是影响土壤肥力的一个重要因素。
比如说，山坡上的土地，由于地势的原因，水分和养分会更容易流失，所以土壤中的养分含量就会相对较低。
而平地上的土地，水分和养分的流失就会相对较少，土壤中的养分含量就会相对较高。
所以，地形对土壤养分空间变异的影响是非常大的。
咱们还得说说气候对土壤养分空间变异的影响。
气候对于植物生长也是非常重要的。
不同的气候条件下，植物对养分的需求也是不同的。
比如说，在干旱的地区，植物对水分的需求就会更大，而对养分的需求就会相对较小。
而在湿润的地区，植物对水分的需求就会相对较小，而对养分的需求就会更大。
所以，气候对土壤养分空间变异的影响也是非常大的。
再来说说生物因素对土壤养分空间变异的影响。
生物因素主要包括微生物、植物和动物等。
这些生物在土壤中的活动，会对土壤中的养分进行循环和转化。
比如说，一些微生物会将土壤中的有机物质分解成无机物质，从而增加土壤中的养分含量。
而一些植物和动物则会将土壤中的养分吸收到体内，从而减少土壤中的养分含量。
所以，生物因素对土壤养分空间变异的影响也是非常大的。
咱们还得说说人为因素对土壤养分空间变异的影响。
人为因素主要包括农业活动、工业活动和城市化等。
这些活动会对土壤中的养分产生一定的影响。
比如说，农业生产中使用的化肥和农药，会增加土壤中的养分含量，但同时也会对环境造成一定的污染。
而工业活动和城市化则会对土壤中的有机物质产生一定的影响，从而改变土壤中的养分含量。
所以，人为因素对土壤养分空间变异的影响也是非常大的。
大尺度土壤养分空间变异是一个复杂的问题，受到很多因素的影响。
土壤属性空间预测中变异函数套合模型的表达与参数估计
0
引
言
1
变异函数的理论模型
地统计学及其各种 Kriging 方法作为目前进行空间变 量插值或随机模拟的主要手段， 已广泛应用于地质、 矿山、 土壤、生态等涉及自然资源分布的研究领域。变异函数作 为反映区域变量空间结构特征的工具，在地统计学中占有 非常重要的地位。而理论变异函数模型是否能够精确地反 映由采样点提供的区域变量的空间特征，是提高空间评估 精度和可靠性的关键。关于理论变异函数的参数拟合，国 内外学者就拟合方法、精度和稳健性做了多方面的研究， 目前主要的方法有最小二乘法、加权回归多项式、线性规 划法、目标规划法等[1-6]。2006 年杨勇等将遗传算法用于 变异函数参数估计中[7]，中国也有学者做了类似研究[8-10]， 但上述参数拟合方法大多着眼于单个的球状模型，欠缺对 其他模型及多尺度套合模型的考虑。而在实际研究中，有 时从采样点所得的变异函数值分布特征只用一种模型难 以表达，特别是在大区域（样点密）、多尺度研究中。本 文阐述了理论变异函数套合结构模型在计算机中的规范 表达形式，用遗传算法对模型中需要确定的参数进行估 计，最终得到规范统一（即与理论模型类型无关）的变异 函数理论模型表达及参数估计流程。
第6期
杨 勇等：土壤属性空间预测中变异函数套合模型的表达与参数估计 表1
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为了提高计算效率和估值准确性，尽量缩小待估参 数的取值范围是关键，提供了可视化的经验半方差散点 图，对比图中各段点位的分布趋势与单一模型的标准形 状可判断模型类型，而且从图中也可容易地获取各模型 基台值和变程的取值范围。综上所述，基于遗传算法的 套合模型参数估计计算步骤如图 1 所示。
第 27 卷 2011 年
第6期 6月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
水文特征变异的尺度研究——理论、指标体系和评价方法的开题报告
水文特征变异的尺度研究——理论、指标体系和评价方法的开题报告一、研究背景及意义水文特征是指地表水或地下水在时间和空间上的分布、流动、储存等方面的特点。
水文特征变异的尺度研究是研究水文特征在不同时间和空间尺度上的变化规律及其对水资源管理和生态环境保护的影响的重要课题。
随着全球气候变化和人类活动的不断影响，水文特征变异的尺度研究对于水资源管理和生态环境保护具有重要的理论与应用价值。
二、研究内容与方法1. 研究内容本研究将分别从时空尺度、水文过程和指标评价三个方面进行研究。
具体包括以下内容：（1）时空尺度研究：分析不同时间尺度和空间尺度下水文变异的特点和规律；探究水文变异的短期和长期趋势,以及不同尺度下的周期性变化。
（2）水文过程研究：以径流变异的尺度研究为主，分析降雨、蒸散发、土壤含水量等水文过程对径流变异的影响机制，为水文变异机理的深入研究提供基础。
（3）指标评价研究：建立完整的水文变异评价指标体系，以评估不同尺度下水文变异对水资源管理和生态环境保护的影响。
2. 研究方法本研究将采用实地数据采集和数学统计方法相结合的研究方法，以探究不同时间和空间尺度下的水文变异规律及其影响机制。
具体采用以下方法：（1）实地观测与采集：采用流量计、雨量计、土壤水分计等实地设备进行观测与采集，得出实际的流量、雨量、土壤含水量等数据。
（2）统计分析：利用时间序列分析、多元统计分析、灰色系统分析等方法，对实测数据进行分析与处理，探究水文变异规律及其机制。
（3）指标评价：根据实际情况建立完整的水文变异指标体系，并利用模型进行评价，得出水文变异对水资源管理和生态环境保护的影响。
三、研究成果及贡献1. 研究成果（1）建立不同尺度下的水文变异指标体系，为水资源管理和生态环境保护提供科学依据。
（2）深入探究不同尺度下的水文变异机理，为水文变异的基础研究提供实证结果。
（3）为水资源管理和生态环境保护提供决策参考，具有较强的应用价值。
全球变化的时间和空间尺度特征
全球变化的时间和空间尺度特征《全球变化的奇妙之旅：时间与空间的舞蹈》
嘿呀，朋友们！今天咱就来聊聊这个全球变化的时间和空间尺度特征，听起来很高深莫测吧？其实啊，细想起来还真挺有意思的。
咱就先说时间这尺度，你想想，从久远的太古时代到现在，地球那可是发生了翻天覆地的变化呀！就像一部超长的大片，各种剧情轮番上演。
以前说不定恐龙们还在称霸地球呢，后来环境一变，它们就只能领盒饭退场了。
这时间的大手一挥，物种更迭，环境变迁，简直比电视剧还精彩。
然后再看看空间尺度，那可真是广阔啊！从咱脚下的这片土地，到地球那头的大洋彼岸，每个地方都有独特的气候和风景。
比如南极那就是冷得要死，企鹅们在那快乐地生活；而赤道附近呢，热得能把人烤化。
这空间上的差异，可不就造就了各种有趣的现象嘛。
有时候我就想啊，要是能穿越时间和空间，那该多好玩儿呀！可以跑去看看古代的人是咋生活的，是不是像电视剧里演得那样；或者一下子跑到沙漠里感受下炎热，再嗖地一下瞬移到北极凉快凉快。
全球变化就像一场神奇的魔术表演，在时间和空间的舞台上不停地变换花样。
不过呢，这个全球变化也会给咱带来一些烦恼。
比如气候变暖，海平
面上升，这可让沿海地区的人们有点头疼啦。
但咱也不能光叹气呀，还得积极应对不是？科学家们在努力研究，咱普通人也得从自己做起，低碳生活，爱护环境。
总的来说，全球变化的时间和空间尺度特征就像一场充满刺激和惊喜的大冒险。
我们在这场冒险中既有好奇的探索，也有面临挑战时的紧张。
但只要我们保持乐观，积极了解和应对，相信我们就能在这场奇妙的旅程中玩得开心，收获满满。
怎么样，跟我一起期待这场冒险的继续吧！。
《2024年尺度思想及其在地理教科书中的体现研究》范文
《尺度思想及其在地理教科书中的体现研究》篇一一、引言尺度思想，作为地理学中一个重要的理论概念，对于理解地理现象、过程和规律具有重要意义。
它不仅揭示了地理空间尺度的多层次性，也强调了不同尺度间的相互联系和影响。
地理教科书作为传播地理知识的重要载体，如何将尺度思想有效融入其中，帮助学生建立多尺度地理思维，成为地理教育的重要课题。
本文将对尺度思想及其在地理教科书中的体现进行研究，以期为地理教育教学提供参考。
二、尺度思想的内涵尺度思想是指在不同空间尺度上，对地理现象、过程和规律进行观察、分析和研究的思维方法。
空间尺度包括微观、中观和宏观等多个层次，不同尺度上的地理现象具有不同的特点和规律。
尺度思想强调在研究地理问题时，需要考虑不同尺度的相互作用和影响，以及尺度转换的规律。
三、尺度思想在地理教科书中的体现1. 地理教材内容的多尺度性地理教材在内容编排上，应该体现出多尺度的思想。
从微观角度，可以介绍具体地点的地理环境、气候、生物等；从中观角度，可以分析区域内的自然环境、人文景观、经济发展等；从宏观角度，可以探讨全球性的气候变迁、资源分布、人口迁移等。
通过多尺度的内容安排，帮助学生建立全面的地理认知。
2. 案例教学的尺度性地理教材中的案例教学是体现尺度思想的重要方式。
通过具体案例的剖析，让学生了解不同尺度上地理现象的成因、过程和影响。
例如，可以通过分析一个城市的发展历程，探讨城市扩张、人口迁移、产业结构调整等中观和宏观尺度的地理问题。
3. 地图与图表的多尺度表达地图与图表是地理教材中重要的教学内容，也是体现尺度思想的重要手段。
通过不同比例尺的地图，可以展示不同尺度的地理现象和空间关系。
同时，通过图表的形式，可以直观地展示地理数据的空间分布和变化规律，帮助学生更好地理解地理现象的尺度性。
四、结论尺度思想在地理教育中具有重要地位，是培养学生全面、系统地认识地理现象的重要思维方式。
地理教科书作为传播地理知识的重要载体，应该将尺度思想融入其中，通过多尺度的内容安排、案例教学以及地图与图表的运用，帮助学生建立多尺度的地理思维。
进化生物学中生物形态演化规律的探究
进化生物学中生物形态演化规律的探究生物形态演化是进化生物学研究的重要内容之一，涉及到生物各个层次的形态结构和功能变化、演化规律及其机制等方面。
通过对不同时间和空间尺度上生物形态特征的比较和分析，可以帮助我们更好地理解生物演化的本质和历史，在科学上具有重要的理论和实践价值。
1. 形态演化的概念及基本原理形态演化是生物演化的一种基本类型。
指的是生物在漫长的演化进程中，通过遗传变异、自然选择、干扰竞争等因素作用下，逐步发展出适应环境的生物结构形态，以适应各种生存压力，包括气候、食物、掠食者等等。
形态演化是一种复杂的过程，涉及了生物遗传、表型塑造、群体遗传学等多个学科的交叉。
形态演化的基本原理包括遗传变异和自然选择。
遗传变异指的是生物在繁殖过程中基因产生的突变和基因重组。
这些变异造成个体之间在形态、生理、行为等方面的区别，提供了生物进化的基础。
而自然选择则是因环境条件的变化或者竞争压力而选择更适应环境的基因型和表型，对形态演化产生重要的推动作用。
2. 生物形态演化的模式和模型生物形态演化通常可以分为分支式、直线式和定点式等演化模式。
分支式演化是指生物进化出不同的分支，在演化过程中形成不同的生物类群和形态。
分支式演化在一定程度上反映了生物演化历史中的分化和群体分裂。
直线式演化则是指生物在演化过程中不断优化和改进自身的形态，使个体形态朝着更加适应环境的方向发展。
其特点是越来越复杂和精细，但存在的生物类群越来越少。
定点式演化则是指生物群体在演化过程中围绕特定的表型、生态习性或者行为模式等逐渐改进而形成的演化模式。
除了演化模式外，还有一些传统的生物形态演化模型，包括几何模型、生长模型和功能模型等。
几何模型是指将生物形态结构描述为由几何形状组成的模型。
具体来说，这种模型包括欧氏几何模型、非欧氏几何模型、统计几何模型等。
生长模型是指生物形态结构进行发育过程中的演化模型。
它可以用统计模型、机械模型、物理模型等方法来分析生物个体内部复杂结构的发育变化。
时空尺度耦合
时空尺度耦合
时空尺度耦合是指时空尺度之间存在着紧密的相互联系和影响，相互
作用过程不可分割。
在不同的自然现象和复杂系统中，时空尺度耦合
都发挥着重要的作用。
在物理学中，时空尺度耦合可以帮助我们更好地理解自然界的运作机制。
例如，在宇宙学研究中，宇宙的演化涉及到很多不同的时空尺度，从微观的粒子尺度到宏观的宇宙尺度。
这种时空尺度的耦合对于我们
理解宇宙的演化和发展具有重要的帮助。
在气象学和地理学研究中，时空尺度耦合也是至关重要的。
例如，气
候模型通常需要将地球划分成许多小范围的网格，每个网格在时间和
空间上都有着紧密的联系和相互作用。
这种时空尺度的耦合在气象预
测和气候变化研究中发挥着重要的作用。
在生物学和生态学研究中，时空尺度耦合同样具有重要的意义。
例如，在生态系统研究中，需要考虑到不同时间尺度和空间尺度的相互耦合
影响，才能更好地理解生态系统的结构和演化规律。
总之，时空尺度耦合是自然界复杂现象的基本特征之一，对于人类深
入理解自然界的规律和探索自然世界的奥秘有着重要的意义。
基因变异的遗传模式及其规律性
基因变异的遗传模式及其规律性基因变异在生命演化和生物进化中起着至关重要的作用。
基因变异可以是由于基因突变，也可以是由于基因重组和基因重组等原因。
每一个个体的基因组都由许多基因组成，这些基因在不同的时间和环境下，都可能发生变异。
基因变异的遗传模式及其规律性，是当前生命科学的研究热点之一。
基因变异的遗传模式有哪些？基因变异可分为两大类：染色体的变异和基因的点突变。
前者包括染色体数目的变异和染色体结构的变异，后者则指单个基因的变异。
染色体数目的变异包括两种：常常性染色体数目改变和非常染色体数目改变。
常常性染色体数目改变通常指的是某些染色体获得了额外的染色体，或者失去了某些染色体。
这可能是由于分裂过程的错误导致的，或者是由于染色体亚型的形成。
非常染色体数目改变通常是由于单倍异体或多倍异体发生了突变。
染色体结构的变异通常指的是两个或两个以上的染色体重组了。
这种结构变异的表现形式很多，可分为有害、有利和中性三种。
基因点突变通常指的是基因序列的改变，包括一基点突变、插入和缺失。
其中，一基点突变是最常见的基因突变，它可以引起编码序列的改变，从而导致新的蛋白质产生。
基因突变与环境和遗传的关系每种生物都有其特有的基因组，这些基因的组合对于生物的形态和功能发育起着决定性的作用。
不同种类的生物体具有不同的基因组，这些基因组在演化过程中不断地发生变异、重新组合和时时调整，以适应不同的环境和生存条件。
环境因素是影响基因突变的重要因素之一。
环境因素可能会引起基因结构和功能的缺失、失活、改变及甚至突变，这些变化可能会带来新物种的形成。
遗传因素也是影响基因突变的重要因素之一。
个体在遗传因素的影响下，各自获得的基因组不同，也就是说，个体间的基因突变率和突变类型也不同，从而形成不同的表型和体型。
这些基因突变通过遗传，可以传播到后代中，影响后代的性状形态。
基因变异的规律性基因变异是基因组进化的重要基础，其规律性是当前生命科学研究的主要热点之一。
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L（间距 Space：400 m） 37
0.738～2.812 1.768 1.764 0.497 0.999 28.11
1.3 数据分析方法
本研究主要采用 Fisher 统计学和地统计学相结合 的方法，前者主要用于数据的前期检验和概率统计， 后者用于对变量空间结构的分析和插值估计。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
样区设在江汉平原腹地的潜江市后湖农场流塘分 场 （ 112°40′8″E ～ 112°41′41″E ， 30°20′35″N ～ 30°22′8″N），总面积为 1 035.12 ha，其中耕地 535.95 ha。样区受亚热带季风气候影响，光照充足，四季分 明，雨水充沛；地形平坦，成土母质为第四纪河湖相 沉积物与河流冲积物；地面高程在 26.8～28.1 m 之间 （1956 年黄海高程系），排灌条件良好；耕作制度为 水旱轮作，当季作物为水稻和棉花。
n
∑ γ
*(h)
=
γ
* 0
(h)
+
γ
* 1
(h)
+
γ
* 2
(h)
+
ΛΛ
+
γ
n*(h)
=
γ i (h)
i=0
式中，γ0*(h)表示微观上的变化，为最小采样尺度 上仍不能表示的空间结构性，即套合结构的块金方差，
γ
* i
(h)
为可相同也可不同的理论模型，是不同尺度上表
现出的空间结构性。
本研究采用 I 值作为综合指标进行理论模型的最
图 1 样点分布图 Fig. 1 Distribution of sample sites
1.3.1 空间变异的多尺度套合模型及模型检验 半 变异函数是空间结构分析和最优模拟的主要工具，其 功能在于反映区域化变量的空间相关性。具有复杂变 化的区域化变量的空间变异性不能用一个简单的理论 模型描述，需要用两个或两个以上的理论模型描述， 其结构是多个结构的相互叠加，称为套合结构[11,12]， 可以用反映不同尺度变化的多个拟合函数之和表示：
1299
实测值，S*是相应的克立格估计标准差。I 值越小 表明变异函数模型对变量结构的代表性越好[14]。 1.3.2 Kriging 插值及其精度估计 应用套合模型， 借助 ArcGIS8.3 的 Geostatistics 模块，获取研究区域内 土壤全氮的空间分布图和估值方差图。
2 结果与分析
2.1 土壤全氮的概率统计特征 样区土壤全氮在各采样尺度上的均值与中值接的
近，说明样区整体氮素分布较为均匀，未受到特异值 影响；随着采样间距的减小，均值与中值间差异略有 增大，而标准差减小，表明在 M、S 样区中，数据的 集中性较 L 区明显提高，但在各小区合并过程中，样 区全氮的局部均值对该尺度整体分布有一定的影响； 应用 Kolmogorov-Smirnov 方法进行正态检验，在 3 个 尺度上检验概率均远大于 0.05，故而各尺度上样点数 据均满足正态分布，样点合并未改变其整体分布特征 可作为同一整体进行研究。3 个尺度上土壤全氮属于 中等变异。
表 1 土壤全氮统计特征值 Table 1 Descriptive statistics for TN ( g·kg-1)
研究尺度 Scale 样本数 Sample number 值域区间 Min～Max 均值 Mean 中值 Median 标准差 Standard deviation
P (K-Stest) 变异系数 CV (%)
Key words: Spatial variation; Scale effect; Nested simulating method
0 引言
【研究意义】土壤养分元素的空间分布是精准施 肥、土壤演变等农业精准研究的基础[1～3]，而土壤养
分空间变异的尺度效应正逐渐引起土壤学家们的关 注。土壤学家发现，在研究同一养分属性的空间结构 时，由于采用的空间尺度的大小不一，其变异特征往 往相差很大[4]，给研究结果的相互参照以及农业生产
关键词：空间变异；尺度效应；嵌套模型
Spatial Variability of Soil Nitrogen in Different Scales and Nested Simulation
YU Jing1，ZHOU Yong1,2, NIE Yan2, LIU Fan1
( 1College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070；2College of Urban and Environment Sciences, Centre China Normal University, Wuhan 430079 )
。通讯作者周勇（1964-），男，湖南沅江人，教授，博士生导师，研究方向为 3S 应用与土地资源管理。Tel：027-67867020；E-mail：
yzhou@
1298
中国农业科学
40 卷
方案的选择带来了很大的困扰。为了更加充分的挖掘 和应用土壤空间信息，提高空间估值精度，促进学科 交流，优化采样布置方案，多尺度信息的套合方法研 究具有重要的意义。【前人研究进展】土壤养分空间变 异研究中的尺度效应主要指土壤特征的变化对采样网 格尺度大小的依赖，即某种空间结构特征只能在一定 的采样尺度下表现出来[5]。为了提高研究结果的适用 性和可参照性，目前多数研究都明确指出其选择的空 间尺度[6～8]，以解决对应尺度的实际问题。也有少量 报道专门论述了不同空间尺度上的土壤特征变异规 律，证实了空间尺度效应的存在[9,10]。【本研究的切入 点】本文基于对不同尺度上土壤变量空间结构特征的 认知，拟以全氮为例，探讨多尺度信息的套合方法， 揭示土壤养分在综合空间上的变异规律，提高空间估 值精度，为优化采样方案提供新思路，为提高土壤养 分的空间管理水平和精准农业研究提供参考和依据。 【拟解决的关键问题】分析土壤氮素在不同空间尺 度上的结构特征，探讨多尺度套合方法及其估值精 度。
优性检验[13]。
⎡
I = (z − z *)2 × P × 1−
1
⎤ + (1− P)⎥
⎢⎣
[(z − z *) S *]2
⎥⎦
P = ⎪⎩⎪⎨⎧00..21,,
0 ≤ (z − z *)2 < 100 100 ≤ (z − z *)2
式中，z*是某实测点上的克立格估计值，z 为
6期
于 婧等：江汉平原耕地土壤氮素空间尺度套合与变异规律研究
Abstract:【Objective】The purpose of this paper is to minimize the influence of the scale effect on understanding nitrogen spatial variation, and to use multi- scale spatial information adequately. 【Method】Nested scenario’s were tested in a Houhu farm in the Jianghan Plain; the variation of soil total nitrogen (TN) was simulated by using geostatistics in scale of 400, 100 and 50 meters separately; effect of scale on TN variation was analyzed; the simulating method under multi-scale data was put forward; and the spatial distribution of TN was described in this region. 【Result】 Data in three scales all agreed with normal distribution; spherical models fit best for semi-variogram; in different scale, TN varied under different driving factors, which led to the appearance of the scale effect. The estimation, through multi-scale simulation, was more accurate than the traditional method, which wasn’t limited by nested distance(100 m, 50 m in this research). Furthermore, the standard error was only 1/2 of the original method in local area; the degree that the precision improved relates to of scale distance【. Conclusion】The simulation of soil nutrition by nested kriging method, is more reliable and concrete, which can offer a scientific basis for formulation and implementation of the precision agricultural scheme in Jianghan Plain in China.