劉學(xué)錄

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

尺度依賴性是景觀景生態(tài)學(xué)研究的基本問題之一.尺度效應(yīng)的分析與討論，對(duì)于準(zhǔn)確理解景觀結(jié)構(gòu)、景觀異質(zhì)性、景觀生態(tài)過程之間的關(guān)系；系統(tǒng)闡明景觀格局指數(shù)的生態(tài)學(xué)含義；選擇適宜的尺度來進(jìn)行上述研究具有決定性的影響.只有選擇了適宜的研究尺度，對(duì)景觀格局的研究才有意義.正是由于尺度效應(yīng)對(duì)于景觀生態(tài)學(xué)研究具有如此重要意義，使得尺度效應(yīng)的研究在景觀生態(tài)學(xué)中一直處于比較活躍的前沿領(lǐng)域，積累了豐富的研究材料.趙文武[1]等分析了尺度效應(yīng)分析的理論基礎(chǔ)，綜述了2010年以前我國(guó)景觀格局演變尺度效應(yīng)的研究進(jìn)展，展望了未來的研究方向.為了反映近年來景觀尺度效應(yīng)研究的新進(jìn)展，本文基于CNKI篇名以“尺度效應(yīng)+景觀”為檢索詞的2010以來的研究報(bào)道，補(bǔ)充了趙文武未引用的、研究方法有一定特色的2010年以前的個(gè)別文獻(xiàn)，綜述了景觀尺度效應(yīng)的研究進(jìn)展，總結(jié)了研究特征，展望了未來的研究方向，以期為深化景觀尺度效應(yīng)研究提供參考.

1 尺度梯度設(shè)置方法

景觀生態(tài)學(xué)中的尺度指研究或觀察某一景觀生態(tài)學(xué)過程、現(xiàn)象、問題時(shí)所采用的空間單位和時(shí)間單位，同時(shí)又指該現(xiàn)象或過程在空間上涉及的范圍和時(shí)間上發(fā)生的頻率與持續(xù)時(shí)間.尺度通常用粒度和幅度來表達(dá).粒度指識(shí)別研究對(duì)象時(shí)所采用的空間單元和時(shí)間單位，例如長(zhǎng)度、面積等空間單位，年、月、年、日等時(shí)間單位.空間上的粒度相當(dāng)于遙感技術(shù)中的像元，時(shí)間上的粒度指研究現(xiàn)象發(fā)生的頻率和時(shí)間間隔.幅度指研究對(duì)象在時(shí)間上的持續(xù)時(shí)間，在空間上的覆蓋范圍.因此，景觀尺度效應(yīng)研究中的基礎(chǔ)技術(shù)問題就是進(jìn)行尺度梯度的設(shè)置，即確定分析研究對(duì)象時(shí)所采用的時(shí)間、空間單位或步長(zhǎng)以及研究區(qū)的時(shí)空范圍.

1.1 粒度尺度梯度的設(shè)置

在景觀尺度效應(yīng)分析中，粒度梯度的設(shè)置方法具有多樣性.已有研究報(bào)道中，粒度梯度設(shè)置的方法大體上可以歸為兩類：一類是覆蓋全部研究范圍的，另一類為非全覆蓋的，可以理解為抽樣的方法.

1.1.1 全覆蓋的粒度梯度設(shè)置 在覆蓋全部研究區(qū)的粒度梯度設(shè)置中，最常見的方法為一定分辨率柵格數(shù)據(jù)的等間距(步長(zhǎng))或者不等間距(步長(zhǎng))加密或者融合.在等步長(zhǎng)粒度尺度等級(jí)設(shè)置中，步長(zhǎng)最大的為1 km[2-3]，最小的為5 m[4-5].還有以10[6-7]、20[8]、100[9]、200 m[10]為步長(zhǎng)分別設(shè)置粒度梯度的.最多見的粒度尺度梯度步長(zhǎng)為30 m[11-17]，這可能與采用的柵格數(shù)據(jù)的分辨率多為30m 有關(guān).尺度梯度最少的為3個(gè)[2]，其次還有5個(gè)[3,9-10]、6個(gè)[4]、8個(gè)[5]、10個(gè)[11,14-17]、11個(gè)[12]、13個(gè)[8]、22個(gè)[13]、28個(gè)[6]、38個(gè)[7]等不同的設(shè)置方式.

在不等步長(zhǎng)粒度尺度等級(jí)設(shè)置中，有將研究區(qū)在10～100 hm2的粒度區(qū)間依次指定為6個(gè)最小單元的[18]，在10～300 m的粒度區(qū)間生成5個(gè)粒度等級(jí)[19]，有的在10～500 m的區(qū)間設(shè)置了16個(gè)梯度等級(jí)[20]，在5～300 m共 17個(gè)粒度等級(jí)[21]，在1～50 m的范圍內(nèi)設(shè)置為6個(gè)粒度梯度[22]，在2.5～200 m的區(qū)間重采樣為 7個(gè)等級(jí)[23]，在667～4 000 m 的范圍內(nèi)設(shè)置6個(gè)等級(jí)[24]；在20～2 000 m范圍內(nèi)選擇8個(gè)基本輸出單元[25]；在30～250 m的區(qū)間重采樣為6個(gè)粒度尺度等級(jí)[26].還有采用分級(jí)遞進(jìn)的方法設(shè)置粒度尺度的.例如，在5～50 m 范圍，以5 m為步長(zhǎng)，劃分為 10個(gè)粒度等級(jí)；在50～10 m 粒度范圍，以10 m為 步長(zhǎng)，劃分為 5個(gè)粒度等級(jí)；在100～200 m粒度范圍，以20 m為步長(zhǎng)，劃分為 5個(gè)粒度等級(jí)；在 200～500 m 粒度范圍，以50 m為步長(zhǎng)，劃分為 6個(gè)步長(zhǎng)等級(jí)[27]；在1～15 m范圍內(nèi)，按照1 m的步長(zhǎng)選取粒度，在15～100 m范圍內(nèi)，按照 5 m 的步長(zhǎng)選取粒度，在100～300 m范圍內(nèi)，按照10 m的步長(zhǎng)選取粒度[28].總體上，這種粒度梯度設(shè)置方式，在小尺度上，間距或者步長(zhǎng)較小，隨著尺度增大，粒度尺度的步長(zhǎng)也逐漸增大.

有些研究采用比例尺作為粒度梯度的依據(jù).例如，以QuickBird 影像(最大分辨率0.61 m)為基礎(chǔ)設(shè)定為1∶2 000、1∶4 000、 1∶6 000、1∶8 000、1∶10 000等5個(gè)粒度級(jí)別所進(jìn)行的尺度效應(yīng)研究[29].根據(jù)地貌類型選擇1∶1 萬、1∶5 萬、1∶10 萬、1∶25 萬、[1∶50]萬等多尺度土地利用數(shù)據(jù)樣本開展的尺度效應(yīng)的研究[30].有的研究工作則直接以分辨率分別為0.5、2.5、15、30 mm的航片、SPOT5、ETM影像設(shè)置粒度梯度[31].甚至有以植被類型從高級(jí)到低級(jí)的分類系統(tǒng)設(shè)置尺度梯度的研究[32].

1.1.2 非全覆蓋(抽樣)的粒度梯度設(shè)置 這類研究中，抽樣方法可以區(qū)分為樣線法、樣帶法2種.以樣帶法抽樣的研究，是在研究區(qū)1∶50 000 地形圖上以海拔最高點(diǎn)為中心，選擇相對(duì)高差較大的區(qū)域設(shè)計(jì)了8個(gè)輻射樣帶，在樣帶上分別設(shè)置2 mm×2 mm、4 mm×4 mm和6 mm×6 mm 3種連續(xù)樣方[33].采用樣線法的研究，基礎(chǔ)樣線長(zhǎng)度為38 m，設(shè)置了8個(gè) 粒度梯度(38，76，152，304，608，1 216，2 432，4 864 m)[34].

無論采取何種方式進(jìn)行粒度設(shè)置，粒度等級(jí)的豐富與否，對(duì)于認(rèn)識(shí)景觀指數(shù)隨尺度變化的全貌；識(shí)別潛在的、有意義的特征尺度、適宜或者有效尺度均具有顯著的影響.

1.2 幅度設(shè)置方法

幅度梯度設(shè)置的主流方法為以研究區(qū)的幾何中心開始，以等步長(zhǎng)或者不等步長(zhǎng)的間隔，保持粒度或者分辨率不變，以正方形或者圓形的方式向外擴(kuò)展，直至幅度能夠覆蓋整個(gè)研究區(qū)為止.

等步長(zhǎng)的研究工作包括：以正方形區(qū)域的左下角像元為不變點(diǎn)，橫軸和縱軸都以1 km為間隔，得到1～12 km等12個(gè)不同幅度[11]；從研究區(qū)幾何中心以步長(zhǎng)為1 km的正方形向外逐漸增加的方式設(shè)定幅度，共計(jì)104個(gè)幅度梯度[35]；把研究區(qū)生成1～5 km的5個(gè)幅度[36]；以1 km為間隔，得到2～4 km 3種空間幅度[8]；以研究區(qū)的幾何中心為中心，以1 km為步長(zhǎng)，正方形向外逐漸增加的方式設(shè)定空間幅度，最小幅度為1 km×1 km，最大幅度為35 km×35 km[37]；以研究區(qū)幾何中心點(diǎn)為圓心，5 km為一個(gè)步長(zhǎng)建立圓形緩沖區(qū)，最小幅度為 5 km、最大幅度為 40 km的同心圓[27]；在2～4 km之間設(shè)置了3種空間幅度[8]；從幾何中心開始，按照0.5 km的步長(zhǎng)逐漸增加幅度，最小幅度為0.5 km×0.5 km的正方形，最大幅度為 19.5 km×19.5 km的正方形[28]；以幾何中心為輻射原點(diǎn)，以5 km為間隔，共生成21個(gè)梯度帶[38]；從研究區(qū)幾何中心以步長(zhǎng)為1 km的正方形向外逐漸增加的方式設(shè)定尺度分析的空間幅度，最小幅度為 1 km×1 km，最大幅度為 100 km×100 km[39].

不等長(zhǎng)的幅度設(shè)置，幅度的區(qū)間、步長(zhǎng)、梯度等級(jí)在不同研究之間差別顯著.以研究區(qū)幾何中心點(diǎn)為中心，選取10 km×30 km，20 km×60 km，40 km×120 km和全區(qū)域共4個(gè)幅度范圍[19]；以調(diào)查樣地為中心，設(shè)置150～1 500 m 7個(gè)不同半徑的緩沖區(qū)[40]；以邊長(zhǎng)為1 km正方形為第1幅度，邊長(zhǎng)2 km的正方形為第2幅度，然后按照2 km 步長(zhǎng)逐漸增加幅度的設(shè)置，最大幅度為 91 km×91 km，共計(jì)45個(gè)幅度[12]；分別以100、200、500、800、1 000、1 200 m為半徑設(shè)置6個(gè)緩沖區(qū)[21].

2 數(shù)據(jù)分析方法

大多數(shù)的研究對(duì)于數(shù)據(jù)的分析以直接觀察景觀指數(shù)隨尺度的變化曲線，并且將數(shù)據(jù)曲線根據(jù)變化的趨勢(shì)劃分為不同的類型為主[7,13-14,22-23,28].在此基礎(chǔ)上，也有進(jìn)行回歸分析，擬合出數(shù)據(jù)趨勢(shì)函數(shù)表達(dá)式的報(bào)道[13,29,31,32-33,41].應(yīng)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[2,9,21,27,36]、變異系數(shù)[14,24-25,35-38,39,42]、 空間自相關(guān)性[13,8-9]、 冗余分析[21,40,43-44]等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)變化特征分析的工作受到一定程度的重視.

3 粒度效應(yīng)

粒度的尺度效應(yīng)，總體上具有隨著粒度的變小或者變大，尺度依賴性、特征尺度、適宜尺度明顯的特征，但在研究方法、分析指數(shù)、尺度設(shè)置之間差異明顯.

在10～500 m的區(qū)間以不等長(zhǎng)的方式設(shè)置16個(gè)梯度等級(jí)的研究表明，蔓延度指數(shù)、鄰近相似度指數(shù)、破碎度指數(shù)和多樣性指數(shù)均隨像元尺度的增加而單調(diào)遞減，遞減速率在10～50 m 區(qū)間上較快，在 50～500 m 區(qū)間的較慢；連接度、結(jié)合度、均勻度和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)隨著尺度的增加出現(xiàn)了不同的變化曲線；尺度選擇30 m較為合理[20].在5～300 m 范圍內(nèi)不等長(zhǎng)設(shè)置17個(gè)粒度等級(jí)的研究表明，隨研究尺度的變化，除平均周長(zhǎng)面積比和面積周長(zhǎng)分維數(shù)指數(shù)沒有尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)外，其余指數(shù)均具有明顯或不明顯的尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)；除多樣性指數(shù)和最大斑塊指數(shù)對(duì)尺度變化弱敏感外，其余景觀指數(shù)對(duì)尺度變化相對(duì)敏感，[5，10] m的尺度域有利于適宜研究尺度的選擇，10 m尺度是研究區(qū)觀格局的本征尺度[21].

景觀尺度效應(yīng)的空間自相關(guān)研究包括：以1 km為步長(zhǎng)，在2～4 km的范圍內(nèi)設(shè)置3個(gè)粒度梯度的研究表明，3 km幅度下，景觀多樣性指數(shù)可分為3個(gè)區(qū)域：最高值區(qū)分布于多種景觀組分相互交錯(cuò)分布區(qū)，次高值分布具有多個(gè)中心，最低值區(qū)分布于景觀組分單一的地區(qū)；斑塊密度可分為3個(gè)層次：斑塊密度最大值分布于斑塊較破碎的區(qū)域，最低值區(qū)分布于景觀組分單一的地區(qū)，次高值則介于兩者之間；3 km作為研究區(qū)景觀格局研究的最佳粒度[2].在300～900 m、以150 m為步長(zhǎng)設(shè)置，5種取樣尺度的研究表明，從景觀尺度上看，隨著尺度的遞減景觀組分間的關(guān)系越得到體現(xiàn)，因此推斷在較小的尺度范圍內(nèi)能更好解釋景觀組分間的關(guān)系；農(nóng)田、山頂矮曲林、竹林等景觀組分分布的差異性較大，而落葉闊葉林和針闊混交林、常綠針葉林和常綠闊葉林、灌草叢和泥潭蘚沼澤分布的差異性較??；景觀格局呈現(xiàn)較為明顯的緯度梯度變化規(guī)律和垂直分布特征[4].在以200 m 為步長(zhǎng)，在200～1 000 m范圍內(nèi)等步長(zhǎng)設(shè)置粒度梯度的研究表明，景觀要素間的空間關(guān)聯(lián)性的強(qiáng)弱隨著取樣尺度變化而變化，變化的幅度也有所不同，對(duì)于該區(qū)域而言應(yīng)在 600 m × 600 m 尺度上研究較為合理；景觀斑塊的全局關(guān)聯(lián)性在一級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)下是負(fù)相關(guān)，但在二級(jí)分類和三級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)下呈現(xiàn)正相關(guān)性[10].在以100 m 為步長(zhǎng)，在400～800 m范圍內(nèi)等步長(zhǎng)以及在5～40 m之間以5 m為步長(zhǎng)等間距設(shè)置粒度梯度的研究取得了相同或者類似的結(jié)果[5,9].

在10～300 m范圍內(nèi)不等長(zhǎng)設(shè)置5個(gè)粒度等級(jí)的研究中顯示，除斑塊面積外，其他景觀指數(shù)對(duì)粒度的變化均呈現(xiàn)較強(qiáng)的敏感性；當(dāng)空間分辨率到達(dá)100m 時(shí)，斑塊數(shù)量和斑塊密度均出現(xiàn)波峰；邊界長(zhǎng)度均呈現(xiàn)由大到小的變化特征，亦表現(xiàn)為較強(qiáng)的敏感性；多樣性指數(shù)逐漸減小，景觀異質(zhì)性減弱，尤以空間分辨率大于100 m 時(shí)更為明顯，敏感性更強(qiáng)[19].在30～300 m之間以10 m為步長(zhǎng)等間距重采樣的研究結(jié)果表明，景觀格局自相似性具有空間尺度依賴性，分維數(shù)均隨空間粒度的增大而減小，不同景觀組分的自相似性對(duì)尺度的響應(yīng)敏感點(diǎn)不同，50～60 m 為研究區(qū)各景觀類型的自相似性尺度；隨著空間粒度的增大，建設(shè)用地、水域和其他用地的分維數(shù)差異縮小，而耕地和林地分維數(shù)的差異卻增大[6].在30～300 m之間以30 m為步長(zhǎng)等間距重采樣的研究結(jié)果表明，不同地形上斑塊密度、形狀指數(shù)、結(jié)合度3個(gè)指數(shù)有明顯的粒度效應(yīng)，隨粒度的增加呈現(xiàn)逐漸減少的變化趨勢(shì)；最大斑塊指數(shù)、周長(zhǎng)面積比分維、景觀聚集度、多樣性指數(shù)4個(gè)指數(shù)隨粒度的增加幾乎不發(fā)生變化.不同地貌的景觀指數(shù)隨幅度的變化規(guī)律比較復(fù)雜，形狀指數(shù)隨幅度的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，其余6個(gè)指數(shù)在較小幅度范圍內(nèi)變化比較復(fù)雜，但隨著幅度的增大有逐漸趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)[11].在30～600 m之間以30 m為步長(zhǎng)等間距重采樣的研究結(jié)果表明，隨著粒度的增加，景觀格局指數(shù)呈現(xiàn)出指數(shù)值基本不變、指數(shù)值呈現(xiàn)有規(guī)律的上升或下降且有明顯拐點(diǎn)、指數(shù)值呈現(xiàn)有規(guī)律的上升或下降但拐點(diǎn)不明顯、無規(guī)律變化4 種變化趨勢(shì)；研究區(qū)適宜粒度范圍耕地為120 m、林地為120～160 m、草地為 90～130 m、水域?yàn)?90～110 m、建設(shè)用地為90～130 m、未利用地為110～160 m[13].在1～50 m之間不等長(zhǎng)步長(zhǎng)設(shè)置粒度梯度的結(jié)果表明，隨著粒度的增加，各景觀格局指數(shù)表現(xiàn)出五種不同的變化趨勢(shì)，當(dāng)空間尺度增加到一定程度時(shí)，景觀格局指數(shù)值的變化會(huì)出現(xiàn)明顯或不明顯的尺轉(zhuǎn)折點(diǎn)，研究區(qū)景觀格局指數(shù)的適宜粒度為 1～5.0 m[22].根據(jù)粒度的整數(shù)倍對(duì)原始 30 m 數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合，形成 60～360 m的粒度梯度，結(jié)果表明，隨著粒度的增加，景觀指數(shù)對(duì)粒度變化的響應(yīng)特征有明顯差異，除多樣性指和均勻度指數(shù)外，其余指數(shù)均表現(xiàn)出較明顯的粒度效應(yīng)；隨著粒度的增加，絕大多數(shù)景觀指數(shù)變化曲線存在明顯的拐點(diǎn)或躍變區(qū)間，表現(xiàn)出明顯的尺度域[12].

基于高分辨率(分辨率為2.1 m )、在2.5～200 m之間不等長(zhǎng)設(shè)置梯度的研究結(jié)果表明，斑塊個(gè)數(shù)、邊緣密度、平均斑塊面積具有明顯的尺度效應(yīng)，斑塊面積則相對(duì)穩(wěn)定；斑塊形狀特征表現(xiàn)出對(duì)空間粒度強(qiáng)的敏感性，而聚集特征則隨著空間粒度的增大沒有規(guī)律性的變化；景觀的多樣性特征隨空間粒度的變化極為緩慢，對(duì)粒度變化的敏感性相對(duì)較弱.對(duì)于不同的景組分類型，斑塊為條狀結(jié)構(gòu)或斑塊邊界不規(guī)則的景觀組分類型對(duì)空間粒度有較強(qiáng)的響應(yīng)，而斑塊形狀相對(duì)規(guī)則的景觀組分類型的尺度效應(yīng)不明顯[23,45-50].基于分形理論的研究結(jié)果表明，隨著粒度的遞減，斑塊的數(shù)量和穩(wěn)定性指數(shù)呈遞增趨勢(shì)，相對(duì)頻率和平均分維數(shù)呈遞減趨勢(shì)，其中河流水面斑塊形狀最復(fù)雜，農(nóng)村居民點(diǎn)斑塊最簡(jiǎn)單；斑塊分維數(shù)受尺度影響呈中小程度變異；斑塊個(gè)數(shù)受尺度影響呈中度變異，斑塊個(gè)數(shù)比斑塊分維數(shù)受尺度影響更顯著[24].基于樣線法的研究結(jié)果表明，3 200 m尺度上進(jìn)行水田景觀異質(zhì)性相關(guān)的研究將具有很好的代表性；林地、草地、未利用地可以選取 800 m 作為研究尺度[45].以1萬比例尺下地物的最小長(zhǎng)度為20 m為基礎(chǔ)，在20～2 000 m之間不等常規(guī)設(shè)置輸出單元的研究結(jié)果表明，斑塊類型水平上，斑塊密度、斑塊 結(jié)合度指數(shù)、斑塊聚集度指數(shù)、有效網(wǎng)格大小、面積加權(quán)平均形狀指數(shù)對(duì)尺度變化響應(yīng)較為敏感；斑塊面積百分比、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)和分離度指數(shù)響應(yīng)不敏感；耕地、水域及水利設(shè)施用地是對(duì)尺度變化較為敏感的景觀組分類型；根據(jù)景觀指數(shù)隨尺度增加的變化規(guī)律，可將景觀指數(shù)劃分為單調(diào)遞減型、波動(dòng)式遞減型、穩(wěn)定不變型和不確定型4種類型；景觀水平上，各景觀指數(shù)隨尺度增加均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，除斑塊密度外，其他景觀指數(shù)變化均較為緩和；除香農(nóng)多樣性指數(shù)和香農(nóng)均勻度指數(shù)外，各景觀指數(shù)對(duì)尺度變化的響應(yīng)均具有較為明顯的規(guī)律性[25].

在30～300 m之間以30 m等步長(zhǎng)設(shè)置梯度的研究結(jié)果表明，粒度效應(yīng)敏感的指數(shù)有斑塊密度、斑塊個(gè)數(shù)、分離度指數(shù)、鄰近度指數(shù)，粒度效應(yīng)比較敏感的指數(shù)有平均斑塊面積、最大斑塊指數(shù)，粒度效應(yīng)最不敏感的指數(shù)有形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)及結(jié)合度指數(shù)；大致可將上述 9 種景觀指數(shù)分為 3 類:第一類，隨著粒度的增大，景觀指數(shù)值表現(xiàn)為下降的變化趨勢(shì)；第二類，隨著粒度的增大，景觀指數(shù)值呈逐漸增大的趨勢(shì)；第三類，隨著尺度的增大，具有顯著的尺度轉(zhuǎn)折，可預(yù)測(cè)性差；隨著粒度的粗化，農(nóng)村居民點(diǎn)破碎度降低，優(yōu)勢(shì)度增加，形狀變得規(guī)則，分布趨向分散，研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的最佳尺度范圍為 60～90 m，適宜粒度為90 m[14].在1～5 km之間以以1 km等步長(zhǎng)設(shè)置梯度的研究結(jié)果表明，地表溫度空間格局具有明顯的尺度效應(yīng)，巢湖流域地表熱環(huán)境效應(yīng)相關(guān)研究的適宜粒度域?yàn)?～4 km.斑塊水平上，不同景觀組分類型格局指數(shù)對(duì)粒度變化的響應(yīng)敏感性不一致[3].不同分辨率數(shù)據(jù)(分辨率為250 m 和 30 m)的 研究結(jié)果表明，在類型水平上，斑塊密度都隨著粒度的增大而減??；斑塊面積的變化趨勢(shì)相似；周長(zhǎng)面積分維度的總體趨勢(shì)在2種數(shù)據(jù)之間表現(xiàn)不同；在景觀水平上，景觀指數(shù)的變化趨勢(shì)表現(xiàn)出不同形式，且不同景觀指數(shù)間的變化趨勢(shì)也存在差異；隨著空間尺度的增大，斑塊密度、景觀形狀指數(shù)和斑塊數(shù)量均呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢(shì)；最大斑塊指數(shù)的變化趨勢(shì)不確定，多樣性和均勻性指數(shù)的整體變化趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定[26].

基于樣線法(38，76，152，304，608，1 216，2 432，4 864 m)的研究結(jié)果表明，隨著觀測(cè)尺度(粒度)不斷增大，各景觀組分的信息量指標(biāo)均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，具有明顯的尺度依賴性.在較小的觀測(cè)粒度下，各景觀組分的參數(shù)差異較大，當(dāng)觀測(cè)粒度大于608 m 時(shí)，景觀組分的空間分布開始趨于均勻，景觀異質(zhì)性的尺度效應(yīng)不明顯，608 m為樣線法研究景觀格局粒度效應(yīng)的有效粒度[34].

采用分級(jí)遞進(jìn)的方法設(shè)置粒度尺度結(jié)果表明，土地利用景觀格局具有明顯的尺度效應(yīng)，隨著粒度的增加，斑塊類型水平上，建筑、道路和綠地在景觀優(yōu)勢(shì)度、破碎度、聚集度等方面均發(fā)生了較大的變化，進(jìn)而導(dǎo)致景觀水平上景觀格局對(duì)粒度變化的響應(yīng)，且從各指數(shù)變化轉(zhuǎn)折點(diǎn)得出研究粒度效應(yīng)的臨界閾為 35 m，最佳粒度為 3 m[28].采用分級(jí)遞進(jìn)的方法設(shè)置粒度尺度的結(jié)果表明：隨著粒度變粗，各景觀格局指數(shù)在景觀水平指數(shù)上總體表現(xiàn)為 3 個(gè)方面的特點(diǎn)：1)隨粒度的變粗，景觀指數(shù)效應(yīng)曲線呈現(xiàn)出下降；2)隨粒度的變粗，景觀指數(shù)效應(yīng)曲線呈現(xiàn)出上升；3)隨粒度變粗，景觀指數(shù)效應(yīng)曲線呈現(xiàn)出幅度變大的波動(dòng)變化.各森林景觀組分類型指數(shù)隨著粒度變粗表現(xiàn)出相同或相近的變化趨勢(shì)，但相同的森林景觀組分類型在不同景觀格局指數(shù)上均體現(xiàn)出不同的敏感性特征[27].

以 30 m 為起點(diǎn)，400 m 為終點(diǎn)，10 m 為間隔的粒度梯度(分辨率為30 m)研究結(jié)果又表明，隨粒度增加指數(shù)值呈現(xiàn)平緩下降趨勢(shì)，無明顯的尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn).這類指數(shù)有斑塊密度、景觀形狀指數(shù)、蔓延度指數(shù)、聚合度指數(shù)、相似毗鄰百分比，景觀指數(shù)對(duì)粒度變化的響應(yīng)敏感性不強(qiáng).隨粒度的增加指數(shù)值呈現(xiàn)平緩的上升或下降趨勢(shì)，有明顯的尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn).表現(xiàn)出這種變化趨勢(shì)的指數(shù)包括周長(zhǎng)面積分維數(shù)、平均分維數(shù)、平均鄰近指數(shù)、散布與并列指數(shù)、黏聚力指數(shù).隨粒度的增加指數(shù)值多數(shù)平緩穩(wěn)定，但伴隨有幾處大幅的上下振蕩.這類指數(shù)有最大斑塊指數(shù)、景觀分離度指數(shù)、分散指數(shù)、有效網(wǎng)格大小、多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù).隨粒度的增加指數(shù)值起初有小幅振蕩變化，后呈現(xiàn)上下劇烈振蕩.此類情況只有平均形狀指數(shù).隨粒度的增大，研究區(qū)土地利用景觀格局的總體變化特征為總的斑塊數(shù)及斑塊密度在逐漸減少，景觀形狀復(fù)雜性及多樣性趨于降低，且景觀聚合度也在降低，當(dāng)粒度增加到一定程度時(shí)，某些景觀格局指數(shù)值會(huì)發(fā)生急劇的突變，隨著粒度的增大，其信息會(huì)遺失.從而導(dǎo)致某些景觀指數(shù)值在尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近發(fā)生較大的變化，250 m 是較適宜的移動(dòng)窗口分析幅度[7].以30 m 步長(zhǎng)設(shè)置粒度尺度(分辨率為30 m)，結(jié)果表明，隨著空間尺度的增大，景觀破碎程度增大，景觀分布越來越分散，景觀異質(zhì)性減小，斑塊之間連接度越來越弱.空間尺度依賴較明顯的是聚集分散指數(shù)和形狀指數(shù)，空間尺度依賴較弱的是斑塊類型指數(shù)，最佳空間尺度為60 m[15].同樣以30 m 的步長(zhǎng)設(shè)置粒度尺度(分辨率為30 m)的研究結(jié)果表明，耕地、林地、草地、水域、建設(shè)用地、未利用地的面積百分比、多樣性、均勻性沒有明顯變化，斑塊密度、聚集度、聚集度、凝聚度顯著下降，不同景觀組分下降程度不同；周長(zhǎng)面積分維數(shù)增加；在景觀水平上，粒度為 240 m 處出現(xiàn)拐點(diǎn)[16].采用SPOT5 衛(wèi)星影像(分辨率 2.5 m)、航空影像(分辨率 0.5 m)、DEM 高程數(shù)據(jù)(分辨率 30 m)從 30～300 m 之間，以 30 m 為間隔，利用簡(jiǎn)單聚合法將景觀類型柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行空間粒度上推，結(jié)果表明，4種植被在空間尺度上具有相同的變化特征，而在時(shí)間尺度上表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)；不同景觀指數(shù)對(duì)時(shí)空尺度的響應(yīng)結(jié)果不同，邊緣密度、斑塊密度、形狀指數(shù)、聚集度指數(shù)及蔓延度指數(shù)在時(shí)空尺度上具有較強(qiáng)的尺度效應(yīng)，且90 m為研究區(qū)植被景觀格局的最佳分析粒度[17].

4 幅度效應(yīng)

幅度梯度設(shè)置有限的情況下，景觀指數(shù)對(duì)幅度變化均表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性，且幅度越小，變化越顯著；隨著幅度的增大，斑塊數(shù)量逐漸增多且表現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性，斑塊密度逐漸降低但敏感性不強(qiáng)；邊界長(zhǎng)度和多樣性指數(shù)均逐漸增大，其幅度敏感性亦較強(qiáng)[19].景觀指數(shù)對(duì)物種多樣性的影響具有尺度依賴性，不同指數(shù)的影響不同[40].當(dāng)幅度 < 8 km，除周長(zhǎng)-面積分?jǐn)?shù)維數(shù)外，其余指數(shù)隨幅度增加均表現(xiàn)出隨機(jī)性.當(dāng)幅度>5 時(shí)， 周長(zhǎng)-面積分?jǐn)?shù)維數(shù)對(duì)幅度變化不敏感，而其余指數(shù)均表現(xiàn)出較明顯的幅度效應(yīng)[12].

幅度設(shè)置較為豐富(步長(zhǎng)1 km，幅度范圍104 km)的研究表明，隨著空間幅度的增大，不同景觀組分的斑塊類型指數(shù)的尺度效應(yīng)在不同幅度區(qū)間存在差異性，景觀水平指數(shù)的尺度效應(yīng)在不同幅度區(qū)間也存在差異性.在1～20 km 幅度區(qū)間，尺度效應(yīng)的組分類型、指標(biāo)類型之間差異最明顯；在21～90 km 幅度區(qū)間，尺度效應(yīng)的組分類型、指標(biāo)類型之間差異較??；在>90 km幅度后，尺度效應(yīng)的差異不明顯，尺度效應(yīng)消失.90 km×90 km為研究景觀格局尺度依賴性的有效幅度，幅度超過90 km 后，具有指示意義的景觀格局參數(shù)的尺度效應(yīng)消失.在100 km×100 km (10 000 km2)的尺度依賴性范圍至少存在2個(gè)特征尺度，第1個(gè)在20 km 左右，第2個(gè)在90 km左右，第一個(gè)特征尺度下進(jìn)行景觀格局研究的隨機(jī)性較大，但更有利于發(fā)現(xiàn)和識(shí)別景觀生態(tài)過程的特殊性；在第二個(gè)尺度下，則更有利于探討景觀格局與景觀過程的共性[35].研究發(fā)現(xiàn)，在1～15 km尺度區(qū)間上，尺度效應(yīng)差異最大；在16～30 km尺度區(qū)間內(nèi)，尺度效應(yīng)的差異明顯減?。欢?0 km尺度區(qū)間以后，尺度效應(yīng)逐漸消失.因此30 km×30 km的尺度是有效幅度[37].步長(zhǎng)小更小(0.5 km)、幅度范圍也小(19.5 km)的研究表明，隨著空間幅度的增加，景觀優(yōu)勢(shì)度、破碎度和蔓延度逐漸降低，景觀復(fù)雜程度和聚集度逐漸升高，景觀構(gòu)成類型趨于穩(wěn)定.斑塊類型水平上，6 km幅度范圍內(nèi)，景觀格局的幅度效應(yīng)最顯著[28].

景觀多樣性指數(shù)和斑塊密度指數(shù)的尺度依賴性研究表明，隨著幅度的增加，空間自相關(guān)部分貢獻(xiàn)率上升，與人類的活動(dòng)有關(guān)，土地開發(fā)強(qiáng)度大的地方，指數(shù)也比較大，3 km幅度是一個(gè)比較合適的幅度[36].以5 km為步長(zhǎng)建立圓形緩沖區(qū)的研究表明，景觀指數(shù)均表現(xiàn)出不同的敏感性.香濃多樣性指數(shù)和面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)指數(shù)在一定空間幅度范圍內(nèi)對(duì)不同粒度反應(yīng)較為敏感，斑塊密度指數(shù)、聚集度 指數(shù)、蔓延度指數(shù)和景觀形狀指數(shù)隨幅度變化對(duì)不同粒度反應(yīng)為不敏感.不同景觀組分隨幅度變化也表現(xiàn)為不同的敏感性特征.多數(shù)景觀指數(shù)在10 km 幅度范圍均出現(xiàn)明顯尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)，反映出的敏感性較強(qiáng)，在大于10 km 幅度范圍后逐漸趨于平穩(wěn)，敏感性減弱[27].有研究表明，指數(shù)的空間變異與距離均呈正比，存在空間自相關(guān)性；當(dāng)幅度較小時(shí)，信息量較大，不利于重要信息的提?。划?dāng)幅度較大時(shí)，又會(huì)掩蓋小幅度的空間異質(zhì)性，考慮空間信息規(guī)律和擬合效果，選擇3 km作為研究景觀格局尺度效應(yīng)的適宜幅度[8].隨著空間尺度的增加，各景觀格局指數(shù)表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，當(dāng)空間尺度增加到一定程度時(shí)，景觀格局指數(shù)值的變化會(huì)出現(xiàn)明顯或不明顯的尺度轉(zhuǎn)折點(diǎn)或者多個(gè)拐點(diǎn)，適宜空間尺度范圍為 1～5.0 m[22].景觀組分或者要素的面積和結(jié)構(gòu)特征中的斑塊個(gè)數(shù)、邊緣密度、平均斑塊面積具有明顯的尺度效應(yīng)，斑塊面積則相對(duì)穩(wěn)定；形狀特征表現(xiàn)出對(duì)空間粒度強(qiáng)的敏感性，而聚集特征則隨著空間粒度的增大沒有規(guī)律性的變化；景觀的多樣性特征隨空間粒度的變化極為緩慢，對(duì)粒度變化的敏感性相對(duì)較弱.斑塊為條狀結(jié)構(gòu)或斑塊邊界不規(guī)則的景觀組分對(duì)空間粒度有較強(qiáng)的響應(yīng)，而斑塊形狀相對(duì)規(guī)則的景觀類型的尺度效應(yīng)不明顯[23].景觀格局對(duì)濕地水質(zhì)影響的空間尺度效應(yīng)體現(xiàn)在不同圓形緩沖區(qū)內(nèi)，在半徑為800 m的圓形緩沖區(qū)內(nèi)總解釋變異值最大，景觀組成變量?jī)H有在半徑為1 000 m的圓形緩沖區(qū)內(nèi)與水質(zhì)參數(shù)具有相關(guān)性；景觀組分中養(yǎng)殖塘在半徑為200 m的圓形緩沖區(qū)內(nèi)對(duì)水質(zhì)影響較大，水田、喬木林地和湖泊在空間尺度較大的圓形緩沖區(qū)(半徑大于500 m)是影響水質(zhì)的主要景觀組分；景觀格局與水質(zhì)最相關(guān)的空間尺度為800 m的圓形緩沖區(qū)，不同尺度緩沖區(qū)內(nèi)景觀結(jié)構(gòu)變量對(duì)水質(zhì)的解釋能力均比景觀組成變量明顯[21].

5 研究展望

雖然尺度效應(yīng)的研究在粒度效應(yīng)、幅度效應(yīng)的研究方面取得了積極的進(jìn)展；但是根據(jù)景觀生態(tài)學(xué)研究中對(duì)尺度的定義與理解，以及現(xiàn)有的研究結(jié)果與結(jié)論差異巨大的現(xiàn)狀，在以下方面還需要進(jìn)一步開展研究.

5.1 時(shí)間尺度效應(yīng)的研究不足

景觀生態(tài)學(xué)中基本的尺度類型包括空間尺度和時(shí)間尺度.雖然有的研究中涉及到了不同時(shí)期景觀尺度效應(yīng)的比較[3]，但與真正意義上的時(shí)間尺度效應(yīng)還有本質(zhì)的不同.至少?zèng)]有確的時(shí)間梯度的設(shè)置，時(shí)間尺度效應(yīng)的研究弱于空間尺度效應(yīng)的研究.

5.2 景觀功能、景觀動(dòng)態(tài)的尺度效應(yīng)的研究較少

景觀生態(tài)學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容包括景觀結(jié)構(gòu)與格局、景觀功能、景觀動(dòng)態(tài)、景觀規(guī)劃與管理.從目前景觀尺度效應(yīng)研究的內(nèi)容看，景觀結(jié)構(gòu)、景觀格局的尺度效應(yīng)研究相對(duì)比較廣泛，而景觀功能、景觀動(dòng)態(tài)的尺度效應(yīng)研究較少.

5.3 不同類型景觀之間景觀尺度效應(yīng)的比較研究有待深入

由于地域分異規(guī)律的存在，景觀的類型具有多樣性；再加上人類活動(dòng)的方式、強(qiáng)度在空間、時(shí)間上存在顯著的差異，更加豐富了景觀類型的多樣性(不是景觀多樣性-生物多樣性在景觀水平上的表現(xiàn)).雖然，已經(jīng)有了進(jìn)行不同景觀類型景觀尺度效應(yīng)的比較研究[11,39]，但涉及的景觀類型比較單一，類似的研究工作開展得還不夠豐富.

5.4 不同景觀組分、景觀指數(shù)之間的景觀尺度效應(yīng)的比較研究有待深入

無論是廊道、斑塊，還是基質(zhì)，作為景觀組分，它們的成因、數(shù)量、形狀、邊緣特征、異質(zhì)性、結(jié)構(gòu)等特征在不同景觀甚至同一景觀中都存在顯著的差異.現(xiàn)有的研究結(jié)果對(duì)不同或者相同景觀組分及其景觀指數(shù)之間的景觀尺度效應(yīng)的結(jié)論性表述，有相同、相似之處，例如景觀多樣性的粒度依賴性和尺度效應(yīng)不明顯[12,23,25]，而斑塊密度對(duì)粒度的變化呈現(xiàn)出較強(qiáng)的敏感性[16,25-26].但區(qū)別與差異更顯著，更廣泛.例如對(duì)于適宜粒度尺度的選擇，就有10[20]、20、600 m，甚至3 km等[2,9,20-21]不同的結(jié)果；對(duì)于適宜或者有效幅度的確定，有100 km×100 km[35]、30 km×30 km[37]、10km×10 km[27]、3 km×3 km[8]等不同的結(jié)果.對(duì)這種差異的具體表現(xiàn)、原因及其生態(tài)學(xué)意義仍然缺乏深入的研究與分析.

5.5 尺度梯度設(shè)置的理論基礎(chǔ)尚顯薄弱

景觀尺度效應(yīng)研究的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是尺度等級(jí)設(shè)置的多樣性，這也是目前的尺度效應(yīng)研究結(jié)果與結(jié)論在不同的研究工作中存在差異的主要原因之一.為了使不同的研究工作取得的研究結(jié)果有共同的可比較基礎(chǔ)，需要建立尺度設(shè)置的理論，在該理論的規(guī)范下，統(tǒng)一尺度設(shè)置的方式，為不同研究工作之間研究結(jié)果的比較奠定基礎(chǔ).有了尺度設(shè)置理論的基礎(chǔ)，更有利于深化不同研究工作中相同研究?jī)?nèi)容差異的具體表現(xiàn)、原因及其生態(tài)學(xué)意義.如何依據(jù)采用的研究數(shù)據(jù)在類型與性質(zhì)(遙感影像與專項(xiàng)調(diào)查成果、矢量數(shù)據(jù)與柵格數(shù)據(jù)、分辨率與比例尺、最小斑塊、平均斑塊、最大斑塊等等)來設(shè)置合理、適宜的尺度等級(jí)是景觀尺度效應(yīng)研究中急需解決的基礎(chǔ)性技術(shù)課題.