什么叫时空异质性,时空异质性

生态遗传学的基本内容

1　遗传变异和环境变异遗传变异：形态变异，核型变异，酶谱和DNA指纹变异；环境变异：环境变异的一般作用，可塑性和反应规范（reaction norm），遗传稳态（genetic homeostasis）；遗传平衡定律。2　进化要素遗传变异：突变和等位基因频率的改变，突变率的估计，重组，重组与遗传体制，突变和重组的进化意义；自然选择：自然选择进化理论的必要条件，选择的基本模型，突变和选择的平衡，自然选择和适应；基因流动：大陆-岛屿模型，一般模型，基因流动和突变的关系，基因流动和选择；随机遗传漂变：随机遗传漂变的作用，有效种群大小；进化要素的联合效应；遗传负荷（genetic load）：突变负荷，分离负荷，置换负荷。3　非随机交配和数量性状非随机交配：亚种群和wahlund公式，自体受精，近交系数，谱系近交系数，近交与选择；数量性状：数量性状的性质，数量性状的遗传模型，估计遗传方差和遗传率。4　种群增长和调节种群增长：指数增长，逻辑斯谛增长，密度；种群调节：密度制约死亡，非密度制约死亡；种群统计：生殖力表和存活表，种群统计范围（净置换率，世代长度和稳定的年龄分布，瞬时增长率，预其寿命，生殖值）；种群统计遗传学和生活史式样的进化：选择的生态学模型（频率制约选择，密度制约选择），种群统计遗传学（demographic genetics）（合子选择，性选择，配子选择，生殖力选择），生活史式样的进化（r和K对策生活史式样，C、S和R对策生活史式样）。5　种间关系种间竞争：竞争排斥，理论模型，生态位理论，自然种群间的竞争；捕食者和猎物间的相互作用：理论模型，自然种群间的捕食作用，灭绝；协同进化：种间竞争能力和性状置换（character displacement），捕食者和猎物的进化，互惠共生现象，红皇后假说（Red Queen hypothesis）。6　社会行为的进化作为表型特征的行为；行为的适应性；行为的遗传率；社会行为；家系选择和集团选择。7　种群内平衡多态现象的维持机制杂合有利性；频率制约选择；强制异体受精；相反的选择压力；减数分裂比偏移（meiotic drive）；性比；时空异质性；自然种群的遗传结构。8　杂交，预适应（preadaptation）和适应杂交：杂交的作用，渗入杂交的实例，杂交与多倍体和无融合生殖；预适应和适应。9　种的概念和种的形成种内变异：地理变异，生态型，渐变群，多态现象和多型现象；种的概念：种的定义，隔离机制，生殖隔离的起源，进化式样；遗传体制的进化；种的形成方式：异地物种形成（allopatric speciation），邻地物种形成（parapatric speciation），同地物种形成（simpatric speciation）。10　分子变异和进化分子变异的维持理论；有关这些理论的证据；分子钟；系统树。

景观生态学中为什么要特别强调'异质性'?

景观异质性就是景观要素及其属性在空间上的变异性，或者说是景观要素及其属性在空间分布上的不均匀性和复杂性。景观异质性不仅体现在景观的空间结构变化上(空间异质性) ,而且体现在景观及其组分在时间上的动态变化(时间异质性)。景观生态学本身不仅是以往生态学研究的高度集成,它还带来了一些新的观点。景观生态学强调生态学系统空间关系的研究,它把景观视为异质性的热力系统,景观生态学的核心就是景观异质性的维持与发展。景观异质性是指景观或其属性的变异程度。景观异质性包括空间异质性、时间异质性和时空耦合异质性。景观的时空异质性对景观的功能与过程有重要影响。

自然和社会科学中的尺度问题

在地理学、生态学、环境科学以及其他自然和社会科学研究中，研究人员常常首先需要回答以下问题：①研究在多大空间范围或多大空间分辨率（空间尺度）上进行?②在某一空间分辨率（空间尺度）上的研究结果是否能推广到其他空间尺度?这两个问题所关心的核心概念是研究的尺度问题，因此尺度问题是许多科学研究中的核心问题之一。一般来说，尺度是指观测和描述实体、结构和过程的空间维（Marceau，1999）。生态学家定义的尺度具有两种含义：粒径（grain）和范围（extent）。前者对应于观测的最小空间采样单元，后者则指观测所覆盖的总面积（O'Neill and King，1998）。Lam等（1992）从地理学的角度，定义了三个意义上的尺度。Cao and Lam（1997）将此发展为四个意义上的尺度：①制图尺度或地图尺度，即地图比例尺，它是地图上的距离与相应的地面实际距离的比，大比例尺的地图一般提供更详细的信息；②地理或观测尺度，即研究区域的空间范围，它相应于生态学中的范围，大尺度的研究覆盖较大的研究区域；③运行尺度，指特定地学过程运行的尺度。一些研究者将其称为“作用尺度（action scale）”，运行尺度是由所研究的地学现象或过程本身决定的，而观测尺度的决定则常常具有很大主观性；④测量尺度或分辨率，空间分辨率是指研究对象的最小可分辨部分的大小，它相当于生态学中的粒径（grain）。不同尺度定义的意义如图3-1所示（Cao and Lam，1997）。在本书中，我们所讨论的尺度主要是测量尺度。尺度转换（Scaling）是将数据或信息从一个尺度转换到另一个尺度的过程。尺度转换可以是向上尺度转换（Up-scaling），也可以是向下尺度转换（Down-scaling）。向上尺度转换也称尺度扩展，是从较小尺度观测中获得较大尺度上信息的过程，而向下尺度转换又称尺度收缩，则是将大尺度上的信息分解到更小的尺度上的过程（Jarvis，1995）。在自然和社会科学中，尺度并不是一个新的概念。例如，在物理学中，经典的牛顿力学只适用于宏观物质世界而不适用于微观世界便是一个典型的尺度问题。地理学家、生态学家、水文学家等也很早就认识到了尺度问题的重要性，并在各自的领域对尺度问题做了大量深入研究。特别在生态学中，尺度问题得到广泛重视和非常深入的研究。图3-1 不同尺度定义的意义在生态学中，早在20世纪50年代，Robinson（1950）就提出了“生态谬论（ecological fallacy）”的概念以解释聚集关系到个体关系的统计推理中的误差问题。此后，尺度问题成为生态学中的一个主要研究方向。M.J.Crawley and J.E.Harral（2001）在11个尺度上探讨了植物多样性的尺度依赖性，发现植物的生物多样性统计随尺度不同而变化；在不同的空间尺度上，植物多样性有不同的生态过程决定。Carsten Rahbek and Gary R.Graves（2001）对鸟类的种群丰度进行了多尺度评价。周红章等（2000）研究了生物多样性的变化格局与时空尺度的关系。Qi and Wu（1996）利用空间自相关指数研究了尺度变化对景观结构分析结果的影响，其结果表明，随着分析尺度的变化，空间自相关指数也随着变化。Wu and Gao et al.（1997）分析了景观数据统计分析结果随空间尺度的变化。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等。他们认为，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）和尺度门限（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；尺度域由尺度门限分割开。尺度门限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。在尺度门限附近一些变量的变化会影响这个生态过程的发生。除了尺度效应研究以及合适尺度的选择研究以外，尺度转换问题也在生态学研究中得到重视。如O'Neill 等（1986）将层次理论（Hierarchy theory）作为生态学中联系空间尺度和信息的理论框架。根据这个理论，景观被理解为一个具有连续层次组织结构的集聚实体。层次理论被广泛用于尺度转换研究中。如Pasotr and Post（1988）用层次理论评价北美北方森林对气候变化的多尺度响应；Haton and Wu（1995）利用层次理论将单个树的水分利用外推到立地的水分利用；Asner and Wessman（1997）利用层次理论检验叶子，植冠和景观水平上主动光合作用辐射吸收的控制因子。在景观生态学中，结合斑块动力学理论和层次理论，发展了层次斑块动力学理论（Hierarchical patch dynamics paradigm，HPDP）（Wu and Loucks，1995；Wu and Levin，1998）。斑块是在本质或表象上与其周围不同的空间单元，是景观的基本结构和功能单元。斑块是景观生态学中的核心概念。层次理论注重于研究由一定数量层次水平组成的景观的垂直结构，斑块动力学则注重研究水平方向上景观的空间异质性和斑块间的相互作用。层次斑块动力学理论通过结合层次理论和斑块动力学理论，提供了一个研究时空异质性、尺度和层次组织如何影响生态系统结构和动态的理论框架（Wu and Loucks，1995）。在地理学，特别是人文地理学中，尺度效应问题也早已经得到广泛关注。20世纪50年代，McCarthy et al.（1956）在研究产业关联时就认识到：“在地理研究中，不能期望在某一尺度上的研究得出的结论能适用于其他尺度上，尺度的每一个变化都会引出新的问题，没有理由假设在某一尺度上的关联在其他尺度上仍然存在”。Openshaw（1977，1978，1979，1981，1984a，1994b）在前人工作的基础上，系统研究了地理学中的尺度效应问题，提出了著名的“可变面元问题（modifiable areal unit problem，MAUP）”，成为空间尺度效应分析的经典理论。可变面元问题源于一个事实，即存在许多不同的方式将地理研究区划分为互不重叠的面元以进行空间分析。一般情况下，定义这些面元的标准是划分面元的可操作性。其结果是，这些划分的空间面状单元常常缺少本质的地理学意义。所以，如果这些面元的划分是人为的和可变的，那么以这些面元为单元的分析结果是依赖于面元划分方式和面元大小的。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。例如，Fortheringham 等（1991）指出：“可变面元问题给多元回归分析中的参数估计带来严重问题…对面元数据进行多变量分析的结果显然非常不可靠”。Arbia（1989）系统的研究了空间数据中尺度和聚集问题以及对数据统计特性、参数估计和显著性检验的影响。到目前为止，Openshaw关于可变面元问题的研究是对尺度问题的最系统的研究，对地理学研究方法有着深远的影响。在水文、气象等学科中，尺度问题也被作为一个核心问题受到重视。例如，刘苏峡和刘昌明（1993）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。因此，在小于代表单元的尺度上研究问题时，必须考虑区域内各量的空间结构，不能用简单的平均方法以点代面。无独有偶，Wood等（1990）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。同时，水文学参数的尺度转换问题也受到广泛关注，特别是结合遥感信息进行水文学参数尺度转换的方法取得很大进展（Beven and Fisher，1996）。总的来说，在生态学、地理学以及水文学等许多领域，尺度问题受到广泛关注并得到深入的研究。概括起来，对尺度的研究主要注重：生态、地理和水文模型的尺度效应问题；进行生态或地理等现象或过程观测、模拟的合适尺度选择问题；不同尺度间信息的转换问题。由于上述领域是遥感信息的主要应用领域，因此这些领域中对尺度问题的研究，为遥感信息尺度问题的研究奠定了坚实的理论基础。

为什么说环境污染可以跨越时空

环境污染可以跨越时空原因如下。1、通过选择能够减轻污染的策略，可以实现环境污染跨越国界的转移，这是跨国界污染的另一个外部特性。2、环境污染时空演进影响的回归系数各不相同，存在显著的时空异质性。

为什么说环境污染可以跨越时空

层级理论的启示

作为高氟地下水迁移聚集的地质环境系统，必然具有系统层次性的基本特点，即随着空间尺度的改变，系统的结构、特征和功能也发生变化，从而表现出不同等级关系，如从属或并列关系。最近几年出现的“层级理论”对地质环境系统和地质环境问题的研究具有重要的指导意义。

层级理论认为，系统不存在绝对的部分（子系统）和绝对的整体，它是依据研究者对研究对象与研究内容的理性认识来划分的。通常可以按不同的时空尺度或功能分解为相对离散的多个部分（子系统）或等级层次。虽然划分过程是由研究者完成的，但划分的结果却涌现出一些普适性的特性：①小尺度上表现的非稳定性、时空的异质性（不均匀性）可以转化为大尺度上的相对稳定性和均质性；②低层级行为过程的多样性和随机性在高层级上被平均化，呈现出一定的统计规律以及行为过程的单一性；③层级的转化也使控制条件和主导限制因素有所不同，并可能形成不同的时间结构，等级越高，地质环境系统的行为与大区域的影响要素及其长时间的变化关系更密切；低等级的地质环境系统如局域地质环境系统，则对局域要素及其短期动态变化更为敏感。

由此可以清晰地将这个地质环境系统按空间尺度从高级到低级划分为三个层级，即宏观的区域地质背景（宏观）、局部地下水流动系统（中观）、取样点水化学环境（微观）。根据这一划分，表现出来的规律有如下几点：①不同层次的系统的控制条件和主导因素不同。前文研究了高氟地下水分布的各种规律、特点及成因，更多是从地质背景、地形地貌、水动力条件等因素的角度进行分析，这些属于高氟地下水形成和分布在区域上的控制性因素。从微观的尺度来分析高氟地下水的聚集，它本身和高氟地下水的地球化学环境有关。②在取样点水化学环境尺度上，各种化学组分及其种类出现非常不均匀，具有明显的多样性和随机性，呈离散状态。而在区域上，各区域里低层次的水化学组分和种类呈现出一定的统计规律，不同区域的水动力场和水化学场出现相对也比较稳定。

宏观和中观层次上的研究回答的是成因，但是真正所谓的高氟地下水的形成机理，却是微观尺度地下水参与的地质循环中发生的一系列的物理化学过程。由于氟在地下水中的存在形态涉及对人的毒害大小，从细节来讲，这些地方哪些可能以氟离子为主，哪些以配合物为主；哪些水化学类型与氟离子有比较好的亲和关系，哪些亲和能力差；特别是深浅井在垂向上，或者局部地区要解释为什么这个地方氟含量高，周边地区氟含量低，宏观层次的因素就难以阐述清楚。宏观的分带性难以解决氟含量的高低及深浅部更细更具体的问题。

因此，在具体以取样点水化学环境的尺度来分析高氟地下水的形成机理时，就必须认识到高氟地下水的聚集，和地球化学背景有关。这种化学背景既和宏观的地质背景有关，又和水动力流场有关，更重要的是这些宏观的控制因素为其地球化学背景创造了条件。不同取样点不同深度不同位置化学微环境是有差别的，此时就难以用区域的概念来解释其分异的复杂性。

所以，在研究高氟地下水的形成机理时要特别注意核心尺度的把握，同时也要重视邻近层级的分析，以便将低层级上获得的信息或规律在高层级上予以整合，得出有关系统整体性的认识，而高层级的规律对低层级有控制作用，又为我们探索低层级系统演化的方向提供了重要线索。