前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的流域環(huán)境要素尺度特征，希望能為您的閱讀和創(chuàng)作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。

流域水生態(tài)分區(qū)是指在某一特定尺度上，以水生態(tài)系統(tǒng)為核心，篩選出水生態(tài)因子的主要驅動環(huán)境要素作為分區(qū)指標確定的與水生態(tài)系統(tǒng)功能密切相關的周圍陸地環(huán)境，這一水陸聯合區(qū)域即為水生態(tài)分區(qū)［1-2］。目前，我國水生態(tài)分區(qū)研究受到密切關注，在借鑒歐美等發(fā)達國家先進經驗和技術的基礎上，眾多的研究工作陸續(xù)開展［2-5］。美國環(huán)保署(EPA)在全美進行了三級水生態(tài)區(qū)劃分，其中采用的主要分區(qū)指標為土地利用、地形、潛在自然植被和土壤等［6］。孫小銀等［7］分別針對宏觀尺度、中等尺度和小尺度給出了參考分區(qū)指標。其中，宏觀尺度主要以氣候和地形因子為主，中等尺度則在前者基礎上包括了生物、河流和人類活動等要素，小尺度則主要包括水生態(tài)系統(tǒng)特征因子。劉星才等［1］提出了一、二級水生態(tài)分區(qū)技術框架，其中一級分區(qū)指標主要包括地形地貌和水文氣象要素，二級則包含了土壤、植被、人類活動以及部分水生態(tài)系統(tǒng)要素。在目前的水生態(tài)分區(qū)研究中，指標體系大部分基于人們已有的經驗和知識構建，缺乏一定的科學理論分析和支持，其合理性(如哪些指標可以采用、分別在哪一級分區(qū)采用)尚存在一些爭議，尤其是針對分區(qū)指標與分區(qū)等級之間的尺度對應關系研究尚不多見。   在生態(tài)學研究中，尺度研究的核心和目標之一就是確定合適的尺度進行生態(tài)學現象分析，多尺度和等級分析是研究生態(tài)過程和格局的基礎［8］。這一思想對分區(qū)指標尺度的確定具有重要參考意義。為了表征生態(tài)過程在空間上的變異特征及變化幅度，生態(tài)學家提出了尺度域和尺度閾值兩個概念［9］。尺度域指生態(tài)過程不隨尺度變化而變化或僅發(fā)生單調變化的空間范圍。不同尺度域可由尺度閾值分割，即尺度閾值是生態(tài)過程在連續(xù)空間上發(fā)生劇烈變化或斷裂性變化的臨界范圍，即所謂的空間變異尺度。對于大江大河流域這樣的景觀，往往存在多個空間變異尺度。李小梅等［10］采用小波分析方法對福州市的NDVI特征尺度進行了研究，發(fā)現福州地區(qū)緯度和經度方向都存在多個特征尺度，分別為14—58km和30—110km。李雙成等［11］研究了NDVI多尺度變異格局，及其與地形因子(海拔、坡度、坡向和濕度指數)之間的多尺度空間相關性;結果表明，NDVI與地形因子之間的相關性隨尺度增加而增大。趙金等［9］在塔里木河流域對土地利用監(jiān)測的最佳尺度選擇進行了研究。這些研究對確定環(huán)境要素所對應的分區(qū)尺度有很好的借鑒意義。   流域水生態(tài)分區(qū)共分為4個等級，屬于逐級嵌套系統(tǒng)，即1個一級分區(qū)包含1個以上二級分區(qū)，1個二級分區(qū)包含1個以上三級分區(qū)。本文假設水生態(tài)分區(qū)是可以采用環(huán)境要素來區(qū)分的，并且這些環(huán)境要素中應該存在與水生態(tài)分區(qū)所設定的類似的等級尺度。本文以遼河流域為例，針對可能用于流域水生態(tài)一、二級分區(qū)(中宏觀尺度)的部分指標———即在大中尺度上對水生態(tài)系統(tǒng)影響最為顯著的幾個環(huán)境要素———包括空間上連續(xù)的數據如植被、高程和坡度以及站點監(jiān)測數據降水的空間尺度特征進行分析，并嘗試在界定各級水生態(tài)分區(qū)范圍的基礎上，探討這些環(huán)境要素作為分區(qū)指標可能適用的分區(qū)等級。   1研究方法   景觀生態(tài)學中常用的空間尺度分析方法有半方差分析、尺度方差分析和小波分析等［12-13］。其中使用最為廣泛的是半方差分析方法。它是地統(tǒng)計學中發(fā)展起來一個可用來識別變量空間結構的方法，同時還可以用于空間局部最優(yōu)插值(Kriging空間插值)。以半方差圖為縱坐標，采樣間隔為橫坐標作圖即可得到半方差圖。通過半方差理論模型擬合實驗半方差圖，即可得到空間自相關變程。半方差分析簡潔明了，不過計算量略大［14］。但其最大問題在于對多尺度景觀格局(尤其是等級結構)的識別效果較差［15-17］。小波分析是景觀格局分析中相對較新的方法之一，近年來在研究中的應用逐漸增多。小波分析靈活易用，不過也有較為明顯的缺點，如小波基的選擇對分析結果有一定影響［14］。此外，一維小波分析中樣線選擇對分析結果影響很大，而二維小波分析中尺度變換時和尺度方差分析類似，要求尺度必須為2的整數次冪，在結果分析時，小波轉換圖往往難以解釋，而需借助小波方差圖來識別景觀特征尺度［12，14］。尺度方差分析在運算和解譯方面都要簡單得多，在多尺度景觀格局分析中效果較好，因此，本文擬采用該方法對環(huán)境要素空間變異尺度進行分析。   1．1尺度方差分析   尺度方差分析是Moellering和Tobler［18］提出的一種空間等級分析方法，用于檢測系統(tǒng)空間變異性發(fā)生的具體尺度。該方法最初用來檢測巢式等級系統(tǒng)各組織水平的相對變異程度。所謂巢式等級系統(tǒng)，是指系統(tǒng)的每一個層次均由其下一層次組成，相鄰層次之間是包含與被包含的關系，如植被、地理分類系統(tǒng)均為這種系統(tǒng)［19］。如前文所述，本文的流域水生態(tài)分區(qū)也是一種巢式系統(tǒng)。為了尋求同樣可能為巢式等級系統(tǒng)的環(huán)境要素作為合適的分區(qū)指標，尺度方差分析顯然是一種較為合適的方法。尺度方差分析可以將系統(tǒng)的方差在不同尺度等級系統(tǒng)的水平上逐級分解，尺度方差發(fā)生突變的尺度也就是空間變異性突出的尺度，從而給出了不同等級水平對應的特征尺度。該方法同樣可用來分析景觀的多尺度結構，揭示與景觀變化和生態(tài)過程有關的重要尺度［19］。尺度方差的統(tǒng)計模型一般寫為:Xijk…z=μ+αi+βij+γijk+…+ωijk…z(1)式中，Xijk…z表示等級系統(tǒng)最低層次上某組成單元的取值，μ表示在這一層次上系統(tǒng)的基本單元組成的總體平均值，其余各項分別表示來自各個層次(α，β，γ，…，ω)上的影響，其中αi表示系統(tǒng)分解最高層次的影響。根據該模型，以4個層次(整體、α、β、γ)的等級系統(tǒng)為例，各等級上的平方和可采用以下公式計算［19］:式中，I為系統(tǒng)在α層次上的單元數，Ji為第i個α層次單元所包含的β層次上的單元數，Kij為第ij個β層次單元中所包含的γ層次上的單元數。對于柵格數據的尺度方差計算，可以采用下面的公式:Wu等［14］采用尺度方差分析方法對加拿大針葉林景觀的空間多尺度和等級特征進行了分析，證明該方法在確定空間變異性及變異格局的特征尺度上較為有效［15］。#p#分頁標題#e#   1．2尺度協方差和相關性   尺度方差分析方法主要應用于空間連續(xù)的單值柵格數據(即每個像元只對應一個數值)尺度分析，而對于站點觀測類長序列數據(如降水)則不適用。為此，本文將兩個變量之間的相關分析擴展到空間多點序列相關分析，提出尺度協方差和尺度相關系數計算方法。該方法假設站點采樣數據存在空間自相關，且相關程度受尺度(站點之間距離)影響，通過計算各個尺度上的協方差/相關性，考察景觀中可能存在的不同尺度上的自相關格局。協方差和相關性突出的尺度也即景觀空間變異性明顯的尺度。(1)首先，計算任意兩個觀測點間距離D(一般取歐式距離)，并記錄每個距離對應的兩個站點號(i，j)。Di，j=(xi－xj)2+(yi－yj)?2，i，j=1，2，…，n(9)(2)對D排序，并剔除其中相同的數據，得到即要計算的尺度SC。不過，這樣得到的尺度往往間隔很小，需要計算的尺度太多，導致計算量比較大。因此，通常在SC基礎上取一定的尺度間隔，保證能覆蓋所關注的尺度范圍的同時減少計算所需的尺度數量。(3)假設需要記得尺度有K個，對任意尺度SCk，找出所有間距小于或等于SCk的站點，即Di，j≤SCk，設得到的站點集合為{SI，SJ}，其中包含M對觀測站點號，每一對觀測站間的距離都小于或等于當前計算尺度SCk，計算每一對站點間的協方差，并求平均值:SCCOVk=1M∑Mm=1COVP(SIm)，P(SJm())(10)式中，SIm為第m對站點，P(SIm)為站點號為SIm的站點序列數據，COV為協方差計算函數，SCCOVk即為尺度SCk對應的協方差平均值。尺度自相關系數的計算過程和尺度協方差計算類似，只是在第(3)步時計算的是相關系數:SCCORk=1M∑Mm=1CORRP(SIm)，P(SJm())(11)式中，CORR為相關系數計算函數，SCCORk為尺度SCk上的平均相關系數，其余變量含義同上。這里計算的協方差和相關系數類似空間自相關分析，也會隨著尺度變化而變化。以協方差或相關系數為縱坐標、計算尺度為橫坐標作圖，可觀察某一要素在各個尺度上的空間依賴程度。依賴程度最高的尺度對應一個空間可區(qū)分度最高的尺度域。事實上，相關系數是協方差的標準化，因此，實際應用中未必兩者都要計算;當前者無法給出所需信息時，可以參考后者，它在不同尺度上的變化往往較前者要大。   1．3數據來源   NDVI數據可以用來表征地表植被覆蓋度。本文采用國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數據中心”(westdc．westgis．ac．cn)提供的NDVI數據，選擇了2007年NDVI旬數據并計算得到年平均數據，分辨率為1km×1km，原始數據值為像元值(DN)，根據數據提供的說明文檔將其轉換為NDVI值。高程數據來自美國USGS/NASA的90m分辨率SRTM-DEM數據［20］，在應用之前采用ArcGIS軟件對其進行了填洼處理以消除異常數據值，并重采樣得到1km×1km分辨率的數據;坡度根據SRTM-DEM數據計算得到。為方便尺度方差計算，NDVI、DEM和坡度數據選取遼河流域邊界的最大外接長方形為計算范圍，如圖1所示。本文選擇遼河流域范圍內及周邊34個站點(圖1)1957—2008年的降水數據進行空間尺度分析，數據來自中國氣象科學數據共享服務網(cdc．cma．gov．cn)。   2結果分析   景觀生態(tài)學中通常采用粒度和幅度來表達尺度這一概念。粒度是指景觀的最小可辨識單元的長度和面積等，對于柵格圖像，粒度即指像元大小。幅度則通常指研究的時空范圍。本文研究以遼河流域為例，在尺度方差分析中固定幅度大小不變，采用了不同粒度進行分析。降水的空間尺度分析同樣只改變粒度大小，不過此處粒度指分析過程中雨量站之間的最小距離。   2．1尺度方差分析結果   采用尺度方差分析方法對遼河流域NDVI、高程和坡度的空間尺度變化進行了分析。計算范圍內數據大小為530×1006個像素，每一個像素代表實際大小為1km×1km。尺度方差計算粒度大小以像素個數為單位，均為2的n次冪(2n)以滿足其巢式等級結構，依次為2×2，4×2，4×4，8×4，8×8，16×8，16×16，32×16，32×32，64×32，64×64，128×64，128×128，256×128，256×256，530×256。計算結果表明，高程尺度方差逐漸減小(圖2)，在16×16尺度上方差出現1個峰值，之后繼續(xù)減少并在128×128和最后一個530×256粒度上也出現了方差峰值。這意味著高程的景觀格局特征尺度約在8—16km、64—128km和256—530km之間變化，也就是說，高程景觀格局存在以上3個尺度域，其中16、128km是關鍵的分割尺度，而256km這一粒度由于受研究所選擇計算幅度限制，無法確定是否為景觀特征尺度。坡度(圖2)和NDVI(圖2)的尺度方差同樣隨粒度增加而持續(xù)下降，但是中間出現多次方差峰值，分別為16×16、32×32、64×64、128×128，NDVI在256×256這一粒度上也出現方差峰值。因此，不同于DEM，坡度在8—128km之間存在多個尺度域，其中幾個關鍵的分割尺度約為16、32和64km。NDVI的景觀特征尺度范圍更加廣泛，約在8—256km，其中的關鍵分割尺度約為16、32、64和128km。   2．2降水空間尺度分析   降水數據的尺度協方差(圖2)分析顯示，在60km和大約75km尺度上，降水有明顯的空間自相關性，即在這些尺度上降水的空間依賴程度較高;在100km和接近140km尺度上也有較弱的空間變異性。降水空間相關系數也在75km這一尺度上達到最大值，而之前尺度協方差值最突出的60km尺度則不明顯，100km和140km也弱了許多。因此，可以認為在75km尺度上降水空間依賴程度最高，75km即遼河流域降水的一個景觀特征尺度。需要注意的是，這里所計算的景觀特征尺度較大程度上受觀測數據的空間分辨率影響，因此，某些更小空間尺度上的景觀變異特征無法在該計算方法中表現出來。   3結論和討論   3．1分區(qū)大小與指標尺度   流域水生態(tài)分區(qū)是一個分級分類的生態(tài)區(qū)劃系統(tǒng)，每一級分區(qū)都應該有其特定的內涵與范圍。目前我國并沒有針對各級水生態(tài)分區(qū)的具體內涵給出定義，也沒有明確規(guī)定分區(qū)大小。美國生態(tài)區(qū)體系將生態(tài)分區(qū)劃分為從氣候帶尺度到地類尺度的8個等級，并給出各等級分區(qū)的大小范圍［21］。歐洲水框架指令(EuropeanWaterFrameworkDirective，WFD)［22］中對河流型生態(tài)區(qū)劃分時，根據面積大小分為4個尺度:小(10—100km2)、中(100—1000km2)、大(1000—10000km2)和超大(10000km2以上)。美國環(huán)保署主導的水生態(tài)分區(qū)沒有明確給出各級分區(qū)大小，通過計算大致得到Ⅲ、Ⅳ級分區(qū)平均大小分別約在9萬和12500km2左右。參照和對比表1中不同國家生態(tài)分區(qū)體系中各個分區(qū)等級及其對應的尺度范圍，認為我國流域水生態(tài)一級分區(qū)大致在美國生態(tài)區(qū)體系中的省、區(qū)之間，相當于WFD中的超大生態(tài)區(qū);二級分區(qū)則大致相當于美國生態(tài)區(qū)中的亞區(qū)(Subsection)和WFD中的大尺度生態(tài)區(qū)。借鑒國外區(qū)劃經驗和成果，以及我國目前水生態(tài)區(qū)劃工作的特點(目前正在開展水生態(tài)分區(qū)工作的各個河流型流域大小不一)和一些區(qū)劃實踐工作［2，23-25］，可以確定遼河流域的水生態(tài)一級分區(qū)大小大致在流域范圍以內5000km2以上、小于50000km2，水生態(tài)二級分區(qū)大小大約在1000—5000km2之間。空間尺度分析揭示了各環(huán)境要素的空間尺度特征。前面的分析結果表明，遼河流域降水空間變異的尺度為75km，地形要素(高程和坡度)和NDVI均存在16、32、64km和128km等幾個景觀特征尺度。遼河流域屬于大陸性溫帶氣候，其降水受副熱帶高壓和夏季風等大氣環(huán)流因子影響［27］。這些大尺度影響因子對遼河流域不同區(qū)域的影響不一樣［28］，造成了遼河流域降水大尺度上的空間差異。在一個區(qū)域的古地理分化、地貌的形成過程中，地形地貌和植被其實是相互作用和影響的［29］，因此，兩者出現類似的景觀變異尺度不難理解。#p#分頁標題#e#   空間變異性也反映了一個要素的景觀單元在空間上的可區(qū)分能力。影響地表水生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境要素主要包括地質、地貌及水文等。不同的環(huán)境要素影響水生態(tài)系統(tǒng)的表現尺度不一樣。由于降水本身空間變異尺度較大，它作為水文循環(huán)過程的一部分，對水生態(tài)系統(tǒng)的影響主要表現在大尺度范圍，主要體現在對水量(徑流)的影響。雖然它在較小尺度上同樣會影響水生態(tài)系統(tǒng)特征，但由于這些尺度上的降水空間差異較小，對水生態(tài)系統(tǒng)空間變異造成的影響也要小得多，其空間區(qū)劃能力也相應較差。地形要素和植被不僅可以通過水文過程影響水生態(tài)系統(tǒng)，它們本身格局的變化所造成的生境差異同樣會對水生態(tài)系統(tǒng)帶來很大影響。因此，這種地表特征的空間差異性對水生態(tài)系統(tǒng)產生影響的尺度比降水要廣泛的多，而且同時對水生態(tài)系統(tǒng)的水量和水質都有影響。結合前面對水生態(tài)一、二級分區(qū)大小的討論，可以大致確定降水對空間的區(qū)劃能力應在水生態(tài)一級分區(qū)范圍內，地形要素(高程、坡度)和NDVI在水生態(tài)一、二級分區(qū)范圍內都具有較好的空間區(qū)劃能力。   3．2結論   本文采用高程、坡度、NDVI以及月降水量這幾個指標對遼河流域地形、植被和降水等環(huán)境要素的空間變異尺度進行了分析。結果表明，遼河地形要素在16、32、64和128km這幾個景觀尺度上都有明顯的空間變異性。植被(NDVI)則在32km和128km尺度上有略為明顯的空間變異性。降水的空間依賴程度最為顯著的景觀尺度約為75km，當然，受降水觀測數據的空間分辨率影響，無法檢測出小尺度上是否也存在明顯的空間依賴性。在界定流域各級水生態(tài)分區(qū)大致范圍基礎上，可以初步確定文中幾個環(huán)境要素適用的分區(qū)等級。降水指標適用于流域水生態(tài)一級分區(qū)，而地形(DEM、坡度)和植被(NDVI)則在水生態(tài)一、二級水生態(tài)分區(qū)中均可應用。當然，本研究基于遼河流域完成，我國各大流域之間自然地理和環(huán)境特征相差較大，本研究結果在其他流域是否適用，有待研究。