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研究中容易被人忽略的时空尺度问题

发表时间:2022/08/28 09:43:41  来源:上海海洋大学  作者:刘其根  浏览次数:1630  
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今天我们将讨论生态学研究中也比较容易被人忽略的一个问题——研究的时空尺度问题,忽略了尺度,常常会导致我们的研究结果出现偏差。

空间上的尺度问题

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尺度这个词,大家会认为只用于“微观、中观、宏观”等这样的场合,但实际上,只要研究的系统大小不同,其尺度就是不同的,当我们用不同大小的系统开展试验,就会因为研究尺度的不同而会使结果不同。例如,在研究鲢鳙与藻类的关系时,很多人就选择了利用围隔、水族箱等实验系统,这样做的好处显而易见:容易设置重复组、实验容易开展、成本和研究的条件可控,而利用池塘做这样的研究,首先设置重复组时,需要很多个池塘来做研究,不容易能找到条件相同或类似的池塘,或者各池塘较难保持在相同的实验条件,成本也会增加很多,而利用湖泊研究,连设置重复都不可能了。那么在水族箱、围隔、池塘和湖泊中鲢鳙与藻类的关系是否相同呢?答案显然也是否定的,因为,尺度不同,很多的生态条件就会非常不同。但这个问题却常常被忽略,忽略的结果,就是把围隔试验得到的结果轻易和直接外推到湖泊/水库中。

那么围隔、池塘和湖泊三种系统在研究鲢鳙控藻时会有哪些差异呢?为什么不能直接外推实验结果呢?

首先,因为系统的大小直接决定了生物多样性的大小。无论是浮游植物本身,还是整个系统的生物群落多样性,在围隔、池塘和湖泊都是不一样的。所以,表面上看,我们放养的鲢鳙的密度相同,但密度仅仅是其中的一个影响因素。不难想到,实验围隔通常是个封闭系统,没有与外界有物质交换,水流静止,生物多样性低,生态系统多样性更低,湖泊是开放系统,因此每时每刻都在接受外界的各种输入影响(干扰),生境多样,生物多样性高,而池塘就介于两者之间。也许你可能说我们可以通过水泵等给围隔一个水动力,以模仿湖泊中的水流,但实际上这是很难模仿的,因为湖泊水流是没有规律的,强度、流向本身是多变的,水库虽然有一个单方向的水流,但其水流大小也是各处并不相同,而无论是充气还是用水泵加一个水流给围隔系统,都无法重现池塘和湖泊的生态条件。而最不能模仿的是自然湖泊的栖息地多样性,其中包括庇护所,只有大的系统,才能为生物提供庇护所。庇护所并非一定有一个构筑物,只要有远离捕食者的一个空地,就可以成为一个庇护所。在自然湖泊中,鲢鳙的密度通常都不可能很高,从而为不同空间的浮游动物和藻类提供了庇护;然而在一个小的水族箱、围隔中,鲢鳙都可以在瞬间触及系统的每一个角落,浮游动物可谓是无处藏身的。正是由于这些差别,也造成了浮游植物、动物在这些系统中生产力的巨大差异。池塘的浮游植物生产力高,而湖泊的浮游动物生产力较高,从而使鲢鳙的饵料资源出现巨大差异。渔民在长期的生产实践中早就观察到了,在池塘养殖鲢效果好,而在湖泊养殖鳙的生长更好,这充分反映了两种系统的这些生态特点上的差异。不仅生物组成及其生产力存在着空间大小不同之间的差异,水质本身也如此,在湖泊中会存在温跃层、沿岸带与湖心带等不同区域,而在实验围隔中,各种水质指标都是非常均一的,这些都是尺度不同所造成的无法克服的系统差别。只有充分了解了这些差别,才能在将围隔系统结果外推到湖泊中时做到心中更大的把握,同时也能掌握其中的分寸。

然而遗憾的是,有些研究者,由于忽略这些可观察的差异,或者过分迷信自己的研究结果,或者过分迷信一些所谓的理论,硬是认为湖泊控藻只能用鲢、不能或只能少用鳙,无视湖泊中鲢的生长已经很慢、个体很瘦了的事实,(众所周知,这些都表明其种群与饵料生物生产力已不匹配),仍要片面强调要多放鲢、少放或不放鳙。这种现象,我们也可以称为当代的“宁信度勿信足”,我们希望这些研究者能对系统有更全面的考察和了解,以免因为自己作出的错误决策,而影响到湖泊生态系统的真正保护。

时间上的尺度问题

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谈过了空间上的尺度,我们再来看看时间上的尺度。我们在学习生态演替的时候,大家都已经非常了解了地质演替和生态演替的区别,即有些变化需要以地质年代(百万年跨度)加以衡量,而有些变化需要在生态尺度(从数年至几百年的时间尺度)上衡量。当然生态演替这样的事件,在生态学中是比较宏观、变化相对较缓慢的,然而大多数的生态过程,其变化却要迅速得多。这就要求我们在开展生态学研究时要注意选择一个合适的时间尺度来研究的问题。还是举例来说吧。

生态学调查是水环境研究的基础。在开展生态调查时,我们就面临着是按季度、按月采样,还是按更短的时间间隔(半月、10日或周)采样的问题。通常水体中的水化学指标、浮游植物的含量和种类组成等变化是比较快速的,而鱼类的组成又相对要慢很多,而生态系统的稳定性或状态则会更慢,因此当我们研究不同的对象,就要选择不同的时间尺度去研究,如果时间尺度不合适,那么即使所用方法很先进,得到的结果也仍有可能存在很大的偏差。

就时间尺度而言,目前我国水域生态学研究中可能存在着这样一些问题。

首先,缺乏时间尺度上的考量。比如,我们在研究水质变化时,都用的是某种化学指标(如氮或磷)的浓度,而不是其随时间变化的数量(如负荷loading)来衡量。因为浓度只能反映采样当时的现状,并不能反映其随时间的变化,这就使得我们的研究常常缺少时间尺度上的体现。由于我们的采样间隔长,所以就不能正确地反映水环境的变化规律,同时使我们据此作出的评价也容易出现偏差。

同样,我们的水环境评价标准也如此,均只设定了一个浓度限值,而没有在时间上的变化。但现实中,我们的环境却是处在千变万化中,这就造成了环境管理者的较大困扰。大家知道,我国的水库普遍水质较好,其营养程度通常都在寡营养-中营养状态,但这并非是说这些水库的水质每时每刻都能达到这样的优质状态,比如汛期。由于水库普遍具有较大的流域,因此,汛期大量外来营养物输入,就会使其在短时期内出现了所谓的水质超标现象。在五水共治和环保督察时,这些月份就出现了水质的超标问题,有关的管理者就面临着巨大的压力。

我们在开展千岛湖的水生态调查过程中,也清楚地看到了水质变化的这一过程,当水体流速较大时,上游某个采样点的水质,能很快地影响到第二个采样点的水质,而当水流较慢时,上游样点的水质可能要在下个月的某个时间才影响到第二个采样点,这时,如果能选择合适的时间尺度,就能把这个过程完整地反映出来,如果选择的时间尺度不合适,那就很难得到采样点之间的这种过程的变化。也正是通过这些观察,我们才发现,时间尺度和水动力过程,实际上在研究湖泊的生态学中有着非常重要的作用。忽略了这些时空尺度,尽管我们也能得出水质的某种变化,但就不能较好地揭示其中的驱动力及其关联关系。


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