土地变化科学中的尺度问题与解决途径

      修订日期：2010-01-16

      文章编号：1000-0585(2010)07-1244-13

      1 引言

      土地变化科学是当前重要的科学前沿之一，也是地理学尤其是自然地理学最重要的研究领域之一[1]。自1995年土地利用/土地覆被变化科学计划发布以来，土地变化研究发展迅速，理论和方法逐步完善，研究内容和对象逐步拓展，趋向更加综合，一系列概念和理论逐渐成熟，对土地系统变化的本质和特征有了越来越广泛的认识，土地变化科学已经成为一种科学的范式[2,3]。土地变化科学主要研究土地系统变化的原因和本质、土地系统变化的后果以及土地可持续性的综合分析和模拟，目的是判断陆地上人类—环境系统的变化，以及局部、区域和全球尺度上该系统的承受限度[2～4]。

      土地利用/土地覆被变化是很复杂的现象，为避免“盲人摸象”那样的片面性，必须寻求综合的研究途径，做多空间尺度的研究，将地方尺度和区域尺度的土地覆被动态联系起来[5]。土地变化中的格局、过程、驱动力、效应与管理都具有尺度依赖性，土地变化的多尺度综合研究显得越来越迫切，在从全球到地方已有许多案例研究的基础上，如何对这些案例进行比较和综合显得越来越重要。当前，“尺度”已成为一个出现频率渐增的科学关键词，也成为人们认识客观世界格局、过程及其时空分布特征的一把关键“钥匙”[6]。只有多尺度的综合才能反映土地变化的实质，并预测土地变化的未来情景[7～11]。但因为尺度问题的复杂性，研究问题与数据、结果等综合时常遇到各种各样的问题。如何进行尺度综合一直是困扰土地变化科学发展的重要问题。

      本文以系统论和等级层次理论为线索，以方法为主导，以问题为指向，以厘清尺度和尺度综合的概念、方法为目标，综述尺度问题在土地变化科学中的意义及其进展情况，并提出在土地变化研究中考虑尺度问题的一般步骤、方法和内容。

      2 尺度的概念及问题根源

      2.1 尺度概念

      尺度问题在各个学科都普遍存在并受到广泛关注，甚至有人认为多尺度现象将是21世纪科学家面临的最大挑战，多尺度研究应作为一门独立的科学来对待[12]。各个学科对尺度概念的理解不同，大多数学科都将尺度理解为不同等级物质单元的大小和时间的长短。

      在地理学中，尺度是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[13]、由时间或空间范围决定的一种格局变化[14]。在地理学中讨论空间现象或过程时必须明确空间尺度的定义。地理学家对世界的研究所覆盖的尺度很广，在研究过程中常常要关注某些东西而忽略另一些东西。从空间尺度看，任何研究的分辨率都只能够指示出我们对某一特定事物的关注水平。但是，地理学家从来没有把自己限制在一种尺度上：一方面，为了更详细地了解某一系统运行的方式，他们可能会缩小自己的视野；另一方面，他们希望将自己在某一尺度的研究结果外推到更广阔的领域[15]。

      在土地变化研究中，尺度往往以粒度和幅度来表达。空间粒度指景观中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(取样的)频率或时间间隔。幅度是指研究对象在空间或时间上的持续范围或长度。具体地说，所研究区域的总面积决定该研究的空间幅度，而研究对象的发展时期则确定其时间幅度。与尺度相关的一些关键术语及其定义列举如表1。

      

      在概念上，尺度也指一种层次、水平，是一个泛化的概念，在具体的操作中，尺度是以粒度和幅度为明确对象的，大多的尺度研究都是在不同粒度或者不同幅度或者粒度和幅度都变化的情况下探讨问题的[16,17]。

      根据问题的层次、研究的目的和内容的不同，尺度还可以分为观测尺度、模型尺度和政策尺度。

      与尺度有关的另外一个重要概念是scaling，对此有很多翻译，如尺度推绎、尺度转换、尺度综合等。刻意地去追求转换与推绎未必成功，所以本文中将其称为尺度综合。尺度综合是集成在各尺度上所获得的信息和认识，并揭示其相互关系。

      2.2 尺度问题的根源

      2.2.1 地理现象的异质性 地理现象的异质性是指某种地理变量在时间和空间分布上的变异性和复杂性。这种变异性与复杂性导致了地理现象的分异和区域特征。地理学着重描述和解释地球表面的地区差异[18]，异质性是尺度问题存在的重要原因；空间异质性是空间斑块性和空间梯度的综合反映，依赖于尺度，粒度和幅度对于异质性的测量和理解有着重要的影响[19]。在土地变化研究中，异质性是格局分析的基础。

      2.2.2 系统的等级性与层次性 自然地理综合体系统具有等级性，可分为“生态元素—生态立地—生态地段—生态区—生态区域—生态省—生态地带”和“相—限区—地方—景观—省—地区—地带”[20]。行政体系则可划分“家庭—村(街道)—乡(镇)—县(区)—市—省—国家—全球”。每一个等级或层次都可以作为一个分析维(尺度)，从而导致了尺度问题的普遍性。自然地理的系统等级与行政体系的等级体系形成两套数据处理系统，加剧了尺度问题的复杂性。

      2.2.3 响应与反馈的非线性 地理综合体内的植被、水文、气候、地貌、人类活动等相互作用，任何自然地理过程(如水土流失、气候变化、土壤侵蚀、植被演替、土地利用变化等)都受到各种因子的综合作用，而这些因子作用方式各不相同。加之地理综合体各个等级之间也相互影响，导致整个系统的非线性变化，这种变化也具有尺度依赖性。