尺度推绎研究中的几点基本问题

尺度推绎作为将一个尺度上的信息推绎到另一个尺度上的过程,具有尺度依赖性、模型非线性和研究的复杂性等特征,其理论基础主要有等级理论、分形理论等,其研究的关键问题表现为尺度选择与信息提取问题、尺度域与特征尺度问题、模型问题等方面。针对相邻尺度推绎和跨尺度推绎两种情况,还介绍了不同情况下尺度推绎研究的基本思路。尺度推绎作为现代地学、生态学等学科研究的重要问题之一,其发展需要多学科的交流和理论与技术的创新。

论复杂系统研究的等级结构与尺度推绎

复杂系统特别是开放的复杂系统是自然科学、工程技术和社会经济领域共同面临的一个重要研究课题 .针对复杂系统研究的理论和方法多种多样 ,其中 ,等级结构、尺度和尺度推绎等具有普适性 .等级结构 ( hierarchical structure)理论认为 ,以中心层或核心层 ( focal level)为中心和基础的三等级结构原理及方法 ,对研究多数自然和社会系统的形态、过程通常是必需的和足够的 .同时 ,自然界和社会界都存在着多尺度 ( multi- scale)现象 ,在运用等级结构理论时往往需要考虑其尺度特性 ,并采用尺度推绎 ( scaling)方法 .最后 ,给出 3个论证实例 .

小波分析方法在心叶驼绒藜(Ceratoides ewersmanniana)空间格局尺度推绎研究中的应用

以古尔班通古特沙漠南缘莫索湾沙地选取相隔15km的两个200m×200m样地,以建群种心叶驼绒藜(Ceratoides ewersmanniana)及其生境地形为研究对象,应用小波分析定量研究了多尺度上空间格局的推绎以及空间异质性、空间格局依赖于尺度的变化关系。研究发现:小波分析尺度由1(5m)变化到4(20m)时,两个样地小尺度上的异质性和格局被合并到更大的尺度上,当小波分析的尺度大于等于5(25m)时,两个样地的格局变化平稳,对应地形(丘顶、丘坡、丘底)的基频稳定在110m左右,心叶驼绒藜的数量动态变化周期稳定在115～125m之间。结果表明:小波分析对信号整体特征的提取作用实现了小尺度上的信息到大尺度上的聚合。结合小波分析对信号突变点的检测,利用位置方差检验局部空间异质性程度,发现位置方差将大尺度上的格局分解到每个取样小样方,位置方差最大的地点对应的异质性也最强,实现了大尺度上的信息到小尺度上的分解。总结认为应用小波分析可以实现对空间格局的尺度推绎,具有对植被、环境的分布格局以及异质性有双重度量作用,由小波系数以及由其衍生的小波方差、位置方差来实现这种度量,图形表现直观,优越性明显。

基于尺度推绎方法的生态脆弱区耕作适宜性研究

以山西寿阳县的玉米和小麦为研究对象,应用尺度推绎方法开展机械化与传统耕作方式下区域粮食作物耕作适宜性的对比研究。结果表明:(1)传统耕作方式下玉米与小麦适宜种植面积皆要大于机械化耕作方式下2种作物适宜种植面积,而无论是机械化种植还是传统耕作小麦适宜种植区面积皆大于玉米种植适宜区;(2)2种作物种植适宜区空间分布呈两极化特征,即高度适宜区与永久非适宜区占据研究区绝大部分区域;(3)2种粮食作物高度种植适宜区基本集中在寿阳县北部黄土高原的塬、沟地貌区及坡度较小的山区。建议在机械化种植与传统耕作方式下皆是中、高度种植适宜区域采取机械化种植方式,而在仅适宜传统耕作的种植适宜区采取传统方式耕作。

尺度推绎与居住形态创新

在具有多尺度构成特征的居住形态创新中有意识地应用尺度推绎的方法,可以产生新的形态特征,促成层次间的协同。从功能与形态结构两个基本方面探讨尺度推绎的途径,每个方面又依据层次间尺度对比,分为尺度上推与下推。作为类比型创新方法的一种特例,尺度推绎体现了整合研究的思路,为居住形态创新的研究提供了独特的视角。

基于尺度推绎的乡土课程资源——以佛山市三水区思贤滘为例

乡土地理多基于较小尺度区域。为充分扩展其课程价值,可进行尺度推绎。本文以思贤滘为例,采用同质或同构外推、结构—功能识别、物质—能量分析等方式进行尺度上推,同时采用区域划分或要素分解、异质性抽取等方式进行尺度下推,为中学地理教学提供参考。

北京东灵山土壤动物多样性海拔格局的尺度推绎规律

识别群落内部各类群多样性格局的复杂性是生态学家面临的挑战,而尺度推绎规律是揭示复杂生态结构的有效途径之一。本研究利用多重分形的方法探索了不同海拔土壤动物多样性格局的尺度推绎规律,对比分析了凋落物层和土壤层之间多重分形谱的差异。结果表明:与之前对植物群落的分析结果相似,土壤动物多样性尺度推绎规律同样具有幂律特征,如丰富度、Shannon多样性指数和Simpson多样性的倒数。凋落物层和土壤层中不同相对多度土壤动物的丰富度也具有幂律尺度推绎规律。凋落物层和土壤层中土壤动物多样性格局都具有多重分形特征,但凋落物层中多样性的分形结构比土壤层更均匀,且两层间优势类群与稀有类群的尺度推绎特征在多重分形谱上不同格局。幂律尺度推绎规律对于有着较高丰富度与多度的土壤动物同样存在,从而有助于揭示地下生物多样性的空间分布机制。

生境对古尔班通古特沙漠梭梭种群波动及谱分析推绎的影响

以种群波动及谱分析理论为基础,分析古尔班通古特沙漠不同生境梭梭种群波动特征。结果表明:梭梭种群的存活曲线基本接近于DeeveyⅢ型,死亡率前期较高,后期相对较小,出现2～4次死亡高峰期。谱分析结果显示梭梭种群自然更新过程是通过不同径级的株数分布波动来表现的,种群波动不仅有大周期,而且呈现2个以上的小周期;梭梭种群的基波主要受生物学特性和环境因素的影响,更多地受环境条件的左右,这与沙漠地区水分等非生物性因素制约有关。不同生境下的谱分析推绎显示,小尺度变化较大,大尺度变化逐渐趋于平稳,表明古尔班通古特沙漠在相对较好的环境条件下,梭梭种群的周期性波动可在较小的取样面积实现稳定(即样地面积为4 400～5 600 m2),在相对较差的环境条件下需要较大的取样面积才能实现稳定(即样地面积为4 400～9 200 m2)。因此,在进行谱分析时,应针对不同的环境条件确定取样面积,才能分析最佳尺度的周期性波动。

生态学中的尺度问题——尺度上推

尺度推绎是生态学理论和应用的核心。如何在一个异质景观中进行尺度推绎仍然是一个悬而未决的科学难题,是对当今生态学家在全球变化背景下研究环境问题的重大挑战。就目前的研究,一般可分为四大类尺度推绎途径:空间分析法(如分维分析法和小波分析法)、基于相似性的尺度上推方法、基于局域动态模型的尺度上推方法、随机(模型)法。基于相似性的尺度上推方法来源于生物学上的异量关联,可将其思想延伸至空间上,研究物种丰富度、自然河网、地形特征、生态学格局或过程变量和景观指数等。基于局域动态模型的尺度上推方法需要首先确定是否进行跨尺度推绎,以及是否考虑空间单元之间的水平相互作用和反馈,然后再应用具体的方法或途径,如简单聚合法、有效值外推法、直接外推法、期望值外推、显式积分法和空间相互作用模拟法等。随机(模型)法以其它尺度上推方法为基础,根据研究的是单个景观,还是多个景观,采用不同的途径。理解、定量和降低尺度推绎结果的不确定性已经变得越来越重要,但相关研究仍然极少。以上所有有关尺度推绎的方法、途径和结果分析共同构成了尺度推绎的概念框架。

黄土高原小流域生态-经济重建模式的尺度概念和方法

对黄土高原地区 1 1个水土保持和生态重建科研攻关试验区近 2 0年的研究结果表明 ,试区设置的区划尺度过粗和小流域治理典型尺度过小 ,缺乏中尺度研究和不同尺度间模式及内容转换的方法 ,是典型模式推广不理想的一个重要原因 .针对小流域治理在尺度上的局限性 ,提出相似度尺度推绎和多尺度互补研究等设想 。

地表温度与植被指数相关性的空间尺度特征——以重庆市为例

为了揭示植被改善城市热岛的量化关系,以重庆市主城区为例,在不同的尺度上分析了地表温度与归一化植被指数之间的相关性,分别从全局和局部出发分析了两者之间的线性关系。结果发现,在120m尺度上两者之间的相关性最强,空间相关场表明相关性在空间上呈现较强的异质性;全局普通线性回归和地理加权回归分析发现,两者之间没有显著的线性关系,这说明可能还存在其他多种因素的复杂影响。

城市规划空间数据的多尺度特征及其关键问题

分析城市规划空间数据的主要特点,指出城市规划空间数据多尺度可视化表达的关键在于建立一个多分辨率的空间以及相应的空间数据模型,其尺度效应及其尺度转换规律的研究必须考虑城市规划空间数据属性的语义层次,通过多尺度处理,新的空间数据集在一定条件下的产生应该是双向的。

景观生态尺度的研究进展

阐述尺度分析、尺度选择和尺度推绎等相关问题的内涵及特点;同时从空间和时间尺度两个方面讨论尺度分析的方法和应用;探讨尺度推绎的理论、方法和应用问题;并进一步凝练景观格局和过程对尺度的依赖性以及尺度与遥感数据源的内在联系。在此基础上,展望景观生态尺度问题的研究热点和发展趋势,为科学地进行尺度分析、选择及推绎,深化景观生态学研究等提供理论依据。

高中地理课堂中尺度效应的应用

尺度是中学地理课程中的核心概念,尺度思想是透过尺度的透镜,观察和理解地理现象、分析和解决地理问题的地理思想,包括尺度划分、尺度匹配、尺度关联、尺度效应、尺度选择和尺度推绎等。尺度效应是指当改变尺度观察地理现象和分析地理问题时结果随之发生变化的现象。在应用和发展地理技术,探索地理环境变化过程与规律,揭示重大地理环境变化事件的机理,服务于区域的可持续发展等国内外科研领域中尺度效应思想比较重要,在培养学生的地理核心素养方面尺度效应思想也发挥了重要作用。

1940—2002年长江中下游平原乡村景观区域中土地利用覆被及其土壤有机碳储量变化

过去60a来,长江中下游平原的乡村地区发展迅速,引起土地利用覆被及其土壤有机碳储量明显地变化。通过选取区域代表性样方、基于1942年航片和2002年IKONOS影像研究小尺度土地利用覆被变化、土壤取样和收集1965年前土壤有机碳历史数据,用尺度推绎和蒙特卡洛不确定性分析方法,评价了19402002年长江中下游平原人口密集的乡村景观区域中土地利用覆被的面积及其030cm土壤(或底泥)有机碳储量的变化。结果表明:近60a来,在86×103km2的区域中有47%的面积发生土地利用覆被转化,其中耕地转化为非耕地的面积为21%(18×103km2)。土地利用覆被类型转化及其有机碳密度的变化导致该区域土壤有机碳储量的净增加。该区域稻田和闲置水域面积分别减少了21.5%(18.5×103km2)和6.7%(5.7×103km2),导致其土壤(或底泥)有机碳储量分别减少41.8TgC和12.9TgC;而水产养殖、非渗漏表面为主的建筑用地、种植木本作物和种植1年生作物的水浇地面积分别增加了14.2%(12.2×103km2)、7.7%(6.7×103km2)、3.5%(3.0×103km2)和2.0%(1.7×103km2),使其土壤(或底泥)有机碳储量分别增加32.2TgC、22.2TgC、12.2TgC和6.5TgC。近60a来,整个区域030cm土壤有机碳的储量增加了18.2TgC,其净增加的可能性为75%,形成了弱碳汇。这主要是由于区域稻田土壤有机碳密度增加了17%,使区域土壤有机碳储量增加了22.2TgC(其净增加的可能性为92%);而且,稻田转化为种植木本作物和种植1年生作物的水浇地也使区域土壤有机碳储量分别增加了1.3TgC(净增加的可能性为86%)和0.3TgC(净增加的可能性为70%);此外,闲置水域转化为水产养殖也使区域土壤有机碳储量增加1.3TgC(净增加的可能性为77%)。但是,稻田转化为水产养殖和非渗漏表面为主的建筑用地导致区域土壤有机碳储量损失6.3TgC和0.6TgC。因稻田土壤有机碳密度增加及稻田转化类型的土壤有机碳储量变化的影响,使整个区域形成弱碳汇,但如果稻田继续减少的话,很可能变成碳源。通过选取区域代表性样方、研究小尺度土地利用覆被变化、土壤取样和收集土壤历史数据,采用尺度推绎方法,研究揭示了19402002年长江中下游平原人口密集的乡村景观区域中土地利用覆被的面积及其土壤有机碳储量的变化。

长江平原区乡村景观的结构、管理及其对土壤氮磷的影响

通过实地研究主要位于宜兴市域的区域乡村景观代表性样方，评价并阐明了人口密集的长江平原区乡村景观的结构、管理与土壤全氮、全磷密度和储量的关系。景观绘图是基于1m分辨率的IKONOS影像并采用生态立地分类及绘图标准，通过直接解译和实地检验对均质景观缀块进行分类和绘图；依据区域权重分层取样方法，在生态立地缀块中随机设定取样点进行土壤或底泥取样；通过自助法对12个样方重取样，用区域多变量最优化方法计算样方的区域权重，并结合不确定性分析模型评价区域土地利用／覆被、土壤全氮和全磷储量。结果表明：在85．24×10^3km^2的长江平原区乡村景观面积范围内，0—30cm土壤全氮、全磷储量分别为29．87TgN和19．79TgP。最大的5种土地利用／覆被的类型为水田、水产养殖、非渗漏性建筑用地、旱地1年生作物和闲置水域，占区域总面积的82．9％；其土壤全氮、全磷储量分别占区域总量的82．6％和80．8％。其中平原稻田面积为38．93×10^3km^2，占总面积的45．5％；其0—30cm土壤全氮、全磷储量分别高达15．26TgN和9．13TgP，分别占总储量的51％和45％。揭示了人口密集的乡村景观中土地利用／覆被方式对区域土壤全氮、全磷的影响模式。这种在小尺度下对土地管理调查，土壤全氮、全磷及其它生态特征研究方法的精确度明显优于传统的基于30～1000m分辨率遥感影像的土地覆被研究。

1940-2002年长江中下游平原乡村景观区域中耕地类型及其土壤氮磷储量的变化

过去60a间,长江中下游平原乡村景观区域中土地利用覆被类型,特别是耕地类型发生了显著地转变,并对其土壤全氮和全磷产生了明显地影响。通过选取区域代表性样方、研究耕地类型的小尺度转化、土壤取样和收集1965年前土壤全氮、全磷历史数据,采用尺度推绎和蒙特卡洛不确定性分析方法,评价了1940-2002年长江中下游平原人口密集的乡村景观区域中耕地类型及其土壤全氮、全磷储量的变化。结果表明:近60a来,在86×103km2的区域中有47%的面积发生了变化,其中33%的面积是耕地类型转化。耕地面积减少18.6%(-16.0×103km2),其中稻田面积减少21.5%(-18.5×103km2),种植木本作物的旱地面积减少1.7%(-1.5×103km2);而种植木本作物和种植1年生作物的水浇地的面积分别增加了3.5%(3.0×103km2)和2.0%(1.7×103km2)。尽管稻田面积大幅减少,但其仍是区域中面积最大的土地利用覆被类型。1940-2002年,有98%的可能性区域耕地0-30cm土壤全氮储量净减少,而其0-30cm土壤全磷储量则无明显变化。区域耕地土壤全氮储量明显减少(-7.2Tg N),主要受稻田土壤全氮储量显著减少(-8.0Tg N)的影响,而稻田面积大幅减少是导致稻田土壤全氮储量减少的主要原因。与此同时,种植木本作物的旱地的土壤全氮储量减少了0.7Tg N;而种植木本作物和种植1年生作物的水浇地分别增加1.3和0.7Tg N。区域耕地土壤全磷储量变化不明显,主要受稻田土壤全磷储量无明显变化的影响。尽管稻田面积大幅减少,但由于稻田土壤全磷密度增加了29%(其净增加的可能性为76%);加之稻田土壤全磷密度变异较大,所以稻田土壤全磷储量并没有明显减少,其净减少的可能性仅为64%。与此同时,有75%的可能性种植木本作物的旱地的土壤全磷储量净减少,但仅减少了0.3Tg P;而种植木本作物的水浇地和种植1年生作物的水浇地土壤全磷都有少量增加,分别为0.7和0.4Tg P。通过选取区域代表性样方、研究耕地类型的小尺度转化、土壤取样和收集土壤历史数据、结合尺度推绎和蒙特卡洛不确定性分析方法,能够揭示1940-2002年长江中下游平原人口密集的乡村景观区域中耕地类型及其土壤全氮和全磷储量的变化。

植物功能性状与碳水通量的关系研究进展

全面研究碳水循环机制、变化趋势和生态系统调控管理是解决全球变暖问题、保护淡水资源、促进世界经济可持续发展的战略需要。只有深入探讨陆地生态系统的生理过程机制和环境控制原理,才能进而探明生态系统的碳汇功能和蒸发散过程,为应对气候变化的影响奠定理论基础。植物功能性状是在生物地球化学过程中影响碳水循环、物质和能量循环的根本因素,进而会影响生态系统的服务功能。因此通过对植物功能性状与碳水通量的关系研究,探讨由物种层次拓展到群落层次再延伸至生态系统层次的研究方法,进而解决植物性状观测数据与宏观生态监测数据空间尺度不匹配的问题,以推动宏观生态学的发展,解决区域生态环境问题。结合文献报道,首先综述国内外碳水通量研究进展,并阐明植物功能性状的定义及分类方式;其次按照植物个体器官分别讨论各功能性状与碳水通量的关系研究,分析植物功能性状如何影响碳水输入和输出过程;再次探讨不同功能性状间的协同作用,进而探讨植物性状与碳水通量的关系从物种到群落再到生态系统水平的尺度拓展的研究。目前由物种功能性状进行尺度推绎的研究有多种方法,如基于过程的碳水通量耦合模型,可由单叶尺度拓展至区域甚至全球尺度;单叶尺度气孔导度-光合作用-能量平衡耦合模型采用多层模拟的方法进行尺度上推,得到林冠层尺度的碳水通量模型;植物群落生物量加权法,将单叶尺度的植物性状指标拓展到群落尺度,在相同尺度水平构建生态系统内土壤-植被-大气间的功能参数的定量关系等。今后应加强如何实现由点的性状到面性状拓展,如何定量评估天然群落性状功能,如何将群落性状与生态系统性状观测技术相联等研究。以群落性状为核心连接个体性状与生态系统性状,推动微观性状指标研究与宏观性状指标研究相结合。

区域生态源之间辐射趋势的多尺度研究——以蚌埠天河片区规划影响评价为例

最小累积阻力(MCR)模型是量化生态安全格局的方法,但模型的尺度问题在空间研究和实践中一直得不到重视.以蚌埠市天河片区为例,拟在不同尺度对区域生态安全格局进行探究.根据片区内生态源S1、S2和S3和生态阻力格局,首先在粒度10、30、60m和100m下进行现状研究,基于MCR模型得出生态源之间辐射廊道和由累计阻力(cr)构成的联系功能矩阵;再对规划方案进行类似操作.为评价规划对现状各尺度生命过程的影响,分别以Kappa指数和cr相对变化量揭示规划后廊道格局和源间联系功能的变化.结论:在各生态源之间,方案在100m粒度下对原先生命过程促进最大,且S2和S3、S1和S3之间的廊道在该粒度下将有变动;在S2和S3、S1和S3之间,方案在10m粒度下对原先生命过程促进最有限,并在该粒度下使廊道格局发生变化;在S1和S2之间,方案在10m粒度下对原先生命过程干扰最大.

市场经济的法律尺度:结构分析与评判

美国、欧盟等国家和地区频繁地使用"非市场经济"、"非市场导向"、市场"严重扭曲"等语词来界定一个经济体或经济体内部的产业、企业交易环境的性质,并将此种定性作为歧视性法律安排的启动理由。这种定性的实施有赖于在法律语境中引入用以衡量"市场经济"因素在一个经济体或者其产业、企业交易环境中的地位及重要程度的尺度,即市场经济法律尺度。市场经济的法律尺度分为四个类别,即空间尺度、时间尺度、客体尺度、主体尺度,每种尺度都呈现多重结构,且其使用过度依赖"尺度推绎"做法。多重尺度结构设置与尺度推绎会导致法律形式上的困境:普遍性的缺失、确定性的减损以及权利义务的失衡。这些形式缺陷之所以易被忽视,是因为它们被如下实质预设所自动填补:国家-市场先天相斥论、所有制决定论和统一实体论。但这些预设本身缺乏自洽性或佐证,同时不具有广泛多边共识,故不足以修补现存尺度的固有缺陷,亦不足以消解其不合理性。因而,不应绕开对尺度合理性问题的探讨而直接对以"市场经济"为名义的做法不加扬弃地接受,同时宜在国内和国际层面的市场经济法律尺度设置和适用中引入层级匹配和约束推绎原则。