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塔里木河流域土地利用空间分布特征与尺度选择 1 空间尺度问题在景观生态学中的解决方法在越来越一个 20世纪60年代，生态研究家和地理学家注意到了规模问题的重要性，并在各自的领域研究了规模问题。尺度问题研究主要集中在尺度效应、适宜尺度选择、尺度转换三个方面,研究人员认识到,某种空间形式(包括形态、结构与过程)会随着(空间)尺度的不同而发生变化,因此,对于某种空间形式的研究应该选择其适宜的尺度。Tunner指出:一种尺度上的重要参数和过程,在另一种尺度上往往是不重要的。Openshaw在总结前人研究地理学中尺度效应的问题后提出了“可变面积元问题(modifiable areal unit problem,MAUP)”,成为空间尺度效应分析的经典方法。MAUP指随着面积单元聚合为更大或更小分析元时结果也随之发生变化。人文地理学中许多统计分析,如空间分配模型、投入产出分析、空间相互作用模型以及传统的多变量统计分析等方面的研究中也揭示了可变面元问题。 选择适合的尺度来了解研究对象的信息已经成为包括生态学、水文学在内的地球科学研究的热点。在近十几年的国际及各国的景观生态学会议上,尺度问题均成为会议的主题之一。2005年8月在加拿大召开的第9届国际生态学大会的主题被定为“多尺度上的生态学”。生态学中尺度问题研究的核心之一是选择合适的尺度分析生态学现象,如检测植物群落的空间结构、保护区最适大小的确定等。学者们认为,生态学的研究尺度决定可以检测到的结构和过程,应该确定对于所研究的现象或过程的最合适的尺度。在这种认识的基础上,生态学家提出了尺度域(Scale domain)和尺度门坎(Scale threshold)的概念。尺度域是指随着尺度变化,特定的现象或结构不变或单调变化的区域;尺度域由尺度门坎分割开。尺度门坎是连续的空间尺度上一些剧烈变化的过渡区或一些重要的点。在尺度门坎附近一些变量的变化会影响这个生态过程的发生。陈利顶等人认为,在实验设计上选择适宜的尺度,在研究格局与过程关系上探究科学有效的尺度转换方法已经成为目前景观生态学发展中必须认真解决的问题。 刘苏峡和刘昌明在流域水文研究子单元划分问题上,提出了“代表单元尺度”的概念。他们认为,在划分子单元规模时,大于代表单元尺度的子区域之间相互独立,而小于代表单元尺度的子区域之间则彼此空间结构相关。无独有偶,Wood等提出了代表单元面积(Representative Element Area,REA)的概念。他们发现,当子流域面积小于REA时,降雨径流关系明显受地形、土壤及雨强的空间变异的影响;而当子流域面积大于REA时,可以只对空间变异予以古典统计研究,而不用考虑其结构,对流域响应可以用简化模型模拟。 尺度问题在遥感和GIS中同样受到广泛的关注,1993年在法国召开的热红外遥感尺度问题国际会议,认为尺度问题是对从天空观测地球的首要挑战。早在80年代初期,科学家就研究了遥感数据空间分辨率对土地覆被分类精度的影响。土地利用数据是土地资源管理、土地覆被的生物物理参数(叶面积指数、地表反照率等)的基础数据,植被空间分布影响生化、生态过程,对区域气候、生态环境和社会经济起到重要作用。中国最长的内陆河塔里木河20世纪70年代下游河道断流,以胡杨、柽柳代表的荒漠植被大面积衰败,生态环境恶化,2000年生态放水以来研究人员对植被的输水响应、地下水位的变化、群落分布等做了大量研究,然而由于塔里木河面积达43681.6 km2,地面研究不可能覆盖全流域,塔里木河流域土地利用监测究竟在多大面积上最大限度体现整个流域特征?还没有人就土地利用监测的适宜尺度探讨,这也是文章要讨论的主题。 2 适用的规模的选择和方法 2.1 对于描述对象的特征分析 根据适宜尺度的含义和数据的使用形式及前人研究发现:(1)对于某种目的的研究,存在比较适宜的地理数据尺度,而同样的地理过程和现象对于不同的应用目的,其适宜尺度是不尽相同的,适宜尺度的衡量标准也是不同的;(2)对于给定的数据在栅格化过程中,也存在比较适宜的格网大小,如遥感空间分辨率地理数据作为描述对象本身直接使用,地理数据本身即是要描述的对象,如土地利用、植被类型、作物分布等,这些主题内容是通过对应的地理数据直接说明的,这时数据尺度对分析结果影响较大,即同一描述对象在不同尺度数据中表现的规律可能有很大的差别;(3)网格必须足够大,能够包括研究对象,并能表征和量化地类面积的异质性和多样性;(4)数据的适宜尺度还和研究区范围、研究对象的特征有关。Marceau指出对于复杂的自然环境,不存在单一的适合于判别所有地理实体的空间分辨率。因此,准确的描述地学过程和现象要使用有过程和现象自身决定的时间和空间尺度。 2.2 局部方差方法 由于研究对象、研究目的、现有数据和影响因素的不同,适宜尺