王白雪,程維明,3,4,*,宋珂鈺,李 浩

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

3 江蘇省地理信息資源開(kāi)發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210023

4 中國(guó)南海研究協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210093

從20世紀(jì)末開(kāi)始,由于人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的飛速發(fā)展,人類面臨的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也日漸突出,生態(tài)問(wèn)題受到全人類的共同關(guān)注。近些年,我國(guó)“綠水青山就是金山銀山”和“山水林田湖草生命共同體”的綠色發(fā)展理念,已成為流行詞匯,生態(tài)文明體制改革更是被寫(xiě)入了十九大報(bào)告中,建設(shè)“美麗”的社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)和生態(tài)文明世界強(qiáng)國(guó)是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì),也是實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與人類社會(huì)協(xié)同演進(jìn)的重要前提。因此,建立穩(wěn)定可持續(xù)的以地貌形態(tài)實(shí)體為對(duì)象,以生態(tài)系統(tǒng)為核心的生態(tài)地貌綜合實(shí)體,即開(kāi)展生態(tài)地貌學(xué)研究,是保障人類生存與社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展,實(shí)現(xiàn)國(guó)家生態(tài)文明戰(zhàn)略的基礎(chǔ)[1]。

2005年在美國(guó)賓漢姆頓舉行的以地貌和生態(tài)系統(tǒng)為主題的討論會(huì)上,對(duì)地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)進(jìn)行了回顧,確定了生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)和地貌學(xué)的結(jié)合是能夠推動(dòng)未來(lái)研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一,研究生態(tài)地貌將有效增強(qiáng)未來(lái)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的管理和恢復(fù)。因此,提出了一個(gè)生態(tài)地貌學(xué)的定義：生態(tài)地貌學(xué)是研究任一級(jí)別的地貌系統(tǒng)與人類生態(tài)系統(tǒng)之間的相互關(guān)系,即研究與人類生存和活動(dòng)環(huán)境的相互關(guān)系和相互作用的結(jié)果[2],也就是說(shuō),生態(tài)地貌學(xué)是將依附于地表的自然實(shí)體與人文實(shí)體作為研究對(duì)象,從而研究生態(tài)與地貌關(guān)系的科學(xué)[1],所以開(kāi)展生態(tài)地貌綜合研究實(shí)屬必要。但是,受學(xué)科發(fā)展關(guān)注度差異的影響,我國(guó)地貌學(xué)研究一直注重地貌形態(tài)類型與成因,區(qū)域地貌與地貌區(qū)劃[3]及地貌災(zāi)害與防治等。生態(tài)環(huán)境研究則一直注重生態(tài)類型與生態(tài)群落,生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)功能,脆弱生態(tài)與生態(tài)恢復(fù)等方面[4]。對(duì)生態(tài)與地貌依存關(guān)系、地貌對(duì)生態(tài)制衡關(guān)系的研究則很少,研究成果不豐。

地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)兩門學(xué)科之間有著明顯的獨(dú)立性和相似性,但將兩個(gè)學(xué)科進(jìn)行銜接時(shí),往往因?qū)W科間研究方法、優(yōu)先級(jí)、衡量標(biāo)準(zhǔn)等方面的不同而無(wú)法進(jìn)行完整融合[5]。為了深入了解和解決學(xué)科之間的關(guān)鍵接口,本文概述了地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的發(fā)展歷程,總結(jié)了兩個(gè)學(xué)科發(fā)展的相似性,簡(jiǎn)要介紹了兩個(gè)學(xué)科耦合研究的科學(xué)背景和進(jìn)展及目前相關(guān)的研究熱點(diǎn)。然后,對(duì)兩個(gè)學(xué)科間存在的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié),并在總結(jié)的基礎(chǔ)上對(duì)學(xué)科未來(lái)進(jìn)行展望,以期提高人們對(duì)生態(tài)與地貌相結(jié)合的認(rèn)知,提升對(duì)生態(tài)地貌學(xué)研究的重視。

1 地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)結(jié)合的必要性

1.1 兩個(gè)學(xué)科發(fā)展的相似性

地貌學(xué)是研究地表形態(tài)的科學(xué),如果將W.M.Dvais發(fā)表“地貌輪迥”和A.Wegener發(fā)表“大陸漂移學(xué)說(shuō)”作為地貌學(xué)的開(kāi)始,地貌學(xué)至今已有百年歷史[6]。地球表面的起伏形態(tài)稱為地貌,在地理學(xué)中也叫地形,地形和地貌為同義詞,研究地表形態(tài)的科學(xué)統(tǒng)稱為地貌學(xué),又稱地形學(xué)[7]。地貌學(xué)主要研究地球表面的形成,以及如何隨時(shí)間和空間發(fā)生變化。地貌學(xué)作為一門科學(xué),在20世紀(jì)早期的大部分時(shí)間里都是以自然地理學(xué)家對(duì)景觀形態(tài)的描述為主要范式主導(dǎo)的。20世紀(jì)50年代,地理學(xué)家和地質(zhì)學(xué)家開(kāi)始廣泛的野外活動(dòng),通過(guò)深入觀察形成了對(duì)景觀的深入洞察,景觀形式開(kāi)始被量化,地貌學(xué)開(kāi)始朝著定量化的方向發(fā)展[8—9]。隨著來(lái)自世界各地區(qū)定量數(shù)據(jù)的積累,地貌學(xué)家開(kāi)始探索地貌的分類,并按照地貌形態(tài)的空間規(guī)模差異,把地貌形態(tài)分為若干個(gè)不同的空間單元[10]：星體地貌形態(tài)、巨地貌形態(tài)、大地貌形態(tài)、中地貌形態(tài)、小地貌形態(tài)、微地貌形態(tài)。目前關(guān)于地貌的研究多集中于中地貌形態(tài)單元,如平原、丘陵、山地。中地貌形態(tài)單元由不同的小地貌形態(tài)單元構(gòu)成,而小地貌形態(tài)單元本身又由多個(gè)微地貌形態(tài)單元構(gòu)成,這些微地貌形態(tài)單元通過(guò)坡度角與相鄰單元彼此區(qū)分,每一個(gè)單元都有其自身的地表特征。日本地質(zhì)學(xué)家對(duì)中等尺度地貌形態(tài)單元開(kāi)展了一系列開(kāi)創(chuàng)性的工作[11—13],其研究從最初的單一尺度發(fā)展為多尺度,分類單元也不斷歸并,最終將中地貌形態(tài)單元細(xì)化為由坡頂和坡面構(gòu)成的小尺度地貌形態(tài)單元。一些生態(tài)學(xué)家在此基礎(chǔ)上結(jié)合野外調(diào)查,從有利于植被研究應(yīng)用的角度把微地貌形態(tài)的分類也列入了研究范疇,并對(duì)原有的分類體系進(jìn)行修改[14],最終形成了表1所示的地貌單元分類體系。20世紀(jì)后期,工程學(xué)科的發(fā)展為地貌形態(tài)相關(guān)的動(dòng)態(tài)過(guò)程提供了量化工具和預(yù)測(cè)模型,特別是工程學(xué)帶來(lái)的物理尺度模型的建模實(shí)驗(yàn)范例,如水槽、土壤侵蝕等,使地貌學(xué)引入了一種非常穩(wěn)健的建模視角,帶來(lái)了一系列特定景觀過(guò)程的數(shù)值模型的發(fā)展,如在坡面侵蝕、化學(xué)剝蝕、風(fēng)沙輸移、河流作用等過(guò)程方面也展開(kāi)了廣泛的研究[15—18]。近年來(lái),地貌學(xué)通過(guò)遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)擴(kuò)展了研究的空間尺度,以更全面地理解景觀形態(tài)和過(guò)程的外部驅(qū)動(dòng)因素,如氣候-景觀耦合[19]。隨著數(shù)值模型逐漸應(yīng)用于大空間尺度,地貌學(xué)家開(kāi)始在整個(gè)大陸甚至其他行星的尺度上探索景觀過(guò)程[20]。此外,綜合其他學(xué)科(如大氣科學(xué))也促進(jìn)了地貌學(xué)在探索系統(tǒng)之間復(fù)雜性和反饋機(jī)制方面的發(fā)展,如氣候驅(qū)動(dòng)景觀變化,景觀變化反過(guò)來(lái)影響隨后的氣候模式[21]。從提供信息和與其他學(xué)科廣泛結(jié)合的角度來(lái)看,過(guò)去的研究已經(jīng)證明地貌學(xué)是一門非常靈活和綜合的學(xué)科[22]。因此,地貌學(xué)的研究根源和歷史為探索地貌的空間差異性、地貌變化的時(shí)間尺度及地貌變化的實(shí)際物理過(guò)程提供了豐富的資料和經(jīng)驗(yàn)。

表1 地貌單元分類Table 1 Classification of Geomorphic unit

1935年,英國(guó)生態(tài)學(xué)家Tansley提出了生態(tài)系統(tǒng)(Ecosystem)的概念,并指出生態(tài)系統(tǒng)是由各個(gè)環(huán)境因子綜合作用的表現(xiàn)。傳統(tǒng)上生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)關(guān)注兩方面,第一是有機(jī)體之間的動(dòng)力關(guān)系,如種群內(nèi)部關(guān)系、種群與群落之間的關(guān)系；第二是有機(jī)體與整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)之間物理、化學(xué)及生物動(dòng)力學(xué)之間作用強(qiáng)度的劃分。對(duì)于前者,環(huán)境是研究生物現(xiàn)象(如種群增長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)、捕食等)的背景或外部驅(qū)動(dòng)因素；在后者中,更側(cè)重于生物與環(huán)境之間相互作用的結(jié)果。20世紀(jì)早期和中期,與前期的地貌學(xué)相似,生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)也是以描述性和實(shí)地勘察為主導(dǎo)。在隨后的幾十年里,生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)朝著以理論為基礎(chǔ)的群落視角發(fā)展,試圖理解群落結(jié)構(gòu)中的時(shí)空格局。最近,生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)在理論和模型研究及復(fù)雜的相互作用方面都取得了很大的進(jìn)展[23]。但目前生態(tài)學(xué)家研究和辯論的主題多集中在物種組成對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響強(qiáng)度和影響性質(zhì)上[24—26],而對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)和其所依賴的地貌形態(tài)之間關(guān)系的研究則很少。與地貌學(xué)一樣,生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)在空間和時(shí)間尺度上的研究急劇增加：RS和GIS技術(shù)促進(jìn)了地貌學(xué)中景觀演化的研究,而同樣的技術(shù)也促進(jìn)了生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的平行發(fā)展。

從地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的發(fā)展進(jìn)程來(lái)看,兩個(gè)學(xué)科在相似的時(shí)空尺度上都經(jīng)歷了從最初以描述和實(shí)地考察為主導(dǎo)的階段,到后期積累了大量實(shí)證數(shù)據(jù)后的基于過(guò)程模型的定量研究及與其他學(xué)科相結(jié)合的階段,再到近期RS和GIS技術(shù)的發(fā)展對(duì)兩個(gè)學(xué)科空間尺度發(fā)展的共同促進(jìn)階段,最終到達(dá)當(dāng)前需要兩個(gè)學(xué)科相互融合的階段。從兩個(gè)學(xué)科的發(fā)展歷程來(lái)看,地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)是平行發(fā)展的,兩個(gè)學(xué)科之間有著明顯的相似性。因此,從學(xué)科發(fā)展的角度,深入生態(tài)系統(tǒng)與地貌之間相互作用的研究,探明兩者之間的作用關(guān)系和響應(yīng)機(jī)制成為科學(xué)研究的重點(diǎn)方向。

1.2 環(huán)境的變化

人類通過(guò)農(nóng)業(yè)發(fā)展、引進(jìn)外來(lái)物種和改變生物地球化學(xué)循環(huán)等方式,極大地改變了地球上的生態(tài)系統(tǒng)[27—28],如加速的土壤侵蝕和人為隨意更改的河流活動(dòng)等地貌過(guò)程,是造成生產(chǎn)性地表土流失、地表裸露、水質(zhì)退化等環(huán)境問(wèn)題的重要原因。盡管人們對(duì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)變化的許多過(guò)程已經(jīng)有了很成熟的認(rèn)知,但最近越來(lái)越多的科學(xué)進(jìn)展表明,生態(tài)系統(tǒng)的變化是由生物和非生物過(guò)程的共同作用及地貌系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)之間反饋過(guò)程共同驅(qū)動(dòng)的[19]。然而,目前人們對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)之間耦合效應(yīng)的細(xì)節(jié)卻知之甚少[23]。因此,隨著環(huán)境壓力的增加,生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)管理方面的需求日益明顯,為了解決環(huán)境問(wèn)題,需要一種綜合考慮環(huán)境系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物組成的全面的、多學(xué)科整合、跨學(xué)科的方法。然而,學(xué)科整合充滿了挑戰(zhàn),跨學(xué)科方法也可能會(huì)降低解決環(huán)境問(wèn)題的有效性。趙設(shè)等人編譯的書(shū)籍[29]指出跨學(xué)科方法會(huì)出現(xiàn)三種負(fù)面結(jié)果：不同學(xué)科交叉處出現(xiàn)理解上的偏差；不同學(xué)科側(cè)重于各自特定的規(guī)?；蚪M織級(jí)別；隨著各個(gè)學(xué)科子學(xué)科的發(fā)展,它們會(huì)延展出新的觀點(diǎn)、假設(shè)、定義、詞匯和方法。這些結(jié)果通常會(huì)阻礙將學(xué)科整合到對(duì)環(huán)境系統(tǒng)的單一應(yīng)用和理解中,因?yàn)榭鐚W(xué)科成果的嘗試會(huì)受到組合學(xué)科各自所熟悉的范式支配。成功的跨學(xué)科科學(xué)需要“將兩個(gè)或多個(gè)理解領(lǐng)域明確地結(jié)合到一個(gè)單一的概念-經(jīng)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中”[29]。學(xué)科整合可以是相加的,也可以是抽取各學(xué)科的部分內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合?！跋嗉诱稀笔菍蓚€(gè)或多個(gè)領(lǐng)域盡可能完整地結(jié)合成一個(gè)新的復(fù)合理解領(lǐng)域。“抽取部分整合”則是將從兩個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域提取的內(nèi)容組合在一起以產(chǎn)生新的理解領(lǐng)域。具體選用哪種整合方式則取決于具體要解決的環(huán)境問(wèn)題的性質(zhì)和涉及學(xué)科的知識(shí)狀況。

1.3 環(huán)境面臨的新問(wèn)題

許多地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)交叉點(diǎn)上的最新進(jìn)展,出現(xiàn)了一些目前無(wú)法理解的新興問(wèn)題,因而需要結(jié)合不同的學(xué)科背景,采用跨學(xué)科的方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行識(shí)別和研究,并提出解決方案。這與美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)(National Research Council)提出的環(huán)境方面的重大挑戰(zhàn)：“科學(xué)家現(xiàn)在面臨的最重要的問(wèn)題是那些明確需要跨學(xué)科研究的問(wèn)題”相符合[30]。因此,為了解決新出現(xiàn)的問(wèn)題,在與環(huán)境相關(guān)的各個(gè)學(xué)科內(nèi)部,學(xué)科邊界開(kāi)始模糊化。地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的結(jié)合就是為了解決環(huán)境面臨新挑戰(zhàn)而跨學(xué)科組合中的代表。

從根源上理解這些新出現(xiàn)的環(huán)境相關(guān)的問(wèn)題并提出恢復(fù)策略的核心是理解生物和非生物過(guò)程的耦合[31—32]。最近的研究開(kāi)始強(qiáng)調(diào)自然景觀或地貌學(xué)在生態(tài)過(guò)程中的潛在作用[33—34]。盡管地貌與生物種群和群落之間聯(lián)系的相關(guān)研究已經(jīng)取得一定的成果,但關(guān)于棲息地物理異質(zhì)性及其變化如何影響生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的探索才剛起步[35—39]。因此,繼續(xù)開(kāi)展地貌學(xué)和群落生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入地貌學(xué)和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的研究是非常必要的,未來(lái)這一研究領(lǐng)域,很大程度上能揭示出地貌和生態(tài)系統(tǒng)之間的相互作用與反饋機(jī)制及與閾值有關(guān)的根本性問(wèn)題[40]。對(duì)交叉領(lǐng)域研究的探索能引發(fā)未來(lái)數(shù)十年的全新研究和認(rèn)知。

2 地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)相結(jié)合研究現(xiàn)狀

2.1 地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)之間的聯(lián)系

隨著研究的深入,人們發(fā)現(xiàn)地貌在控制許多生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中起著基礎(chǔ)性的作用。反過(guò)來(lái),生態(tài)系統(tǒng)又對(duì)許多地貌形態(tài)和地貌過(guò)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[5]。Thoms和Parsons[41]提出了河流生態(tài)系統(tǒng)跨學(xué)科研究的框架,這一框架將生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)、水文學(xué)和地貌學(xué)進(jìn)行整合,并且已經(jīng)成功應(yīng)用于旱地河流系統(tǒng)中水環(huán)境的分配。2008年地球科學(xué)青年研究者會(huì)議(MYRES III)強(qiáng)調(diào)了生命及其與景觀的動(dòng)態(tài)相互作用[42],引起人們對(duì)生態(tài)地貌學(xué)的新思考。

匈牙利學(xué)者編制的地貌評(píng)價(jià)圖可對(duì)區(qū)域地貌形態(tài)和地貌動(dòng)力特點(diǎn)進(jìn)行等級(jí)評(píng)價(jià),并將地形作為可利用的資源加以評(píng)價(jià),如地形的切割程度在很大程度上決定了生態(tài)系統(tǒng)其他要素的空間-動(dòng)力結(jié)構(gòu)以及經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和自然條件的利用類型；區(qū)域的地貌差異程度決定了區(qū)域的穩(wěn)定性和自然、社會(huì)-經(jīng)濟(jì)等變化的適應(yīng)程度,即決定了生態(tài)穩(wěn)定性。然而,現(xiàn)有的地貌差異程度的評(píng)價(jià)方法只能用作確定地貌類型和空間-動(dòng)力非均一性程度的原始方法[4]。所以,需要更多評(píng)價(jià)地貌差異程度的指標(biāo)和方法,于是結(jié)合地貌上生態(tài)差異進(jìn)行地貌的差異研究成為一個(gè)重要的角度。

從生態(tài)系統(tǒng)的地貌學(xué)角度來(lái)看,生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)提供了生態(tài)過(guò)程“基于地點(diǎn)”和“基于時(shí)間”的觀點(diǎn),對(duì)景觀如何隨時(shí)間和空間變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此,如果一個(gè)生態(tài)過(guò)程是一個(gè)特定景觀特征的函數(shù),則地貌學(xué)視角可以提供有關(guān)該生態(tài)過(guò)程如何在空間和時(shí)間上系統(tǒng)變化的信息,并可以利用現(xiàn)有的基于動(dòng)態(tài)過(guò)程的地貌學(xué)模型對(duì)這些變化進(jìn)行定性或定量預(yù)測(cè)。如河流研究中這類相互作用的一個(gè)案例：在河道網(wǎng)水力幾何形狀的基本地貌形態(tài)上,如何允許在河流生態(tài)學(xué)中創(chuàng)建河流連續(xù)體概念[12,43]。另一個(gè)例子是Gurnell等人[44]通過(guò)簡(jiǎn)單的定性描述和定量化地貌過(guò)程(沉積物運(yùn)動(dòng))提高了對(duì)植被碎片和繁殖體通過(guò)河網(wǎng)運(yùn)動(dòng)的理解。在更大的空間尺度上,Hamilton等人[34]結(jié)合河漫灘地貌和水文學(xué)研究了河漫灘地貌對(duì)河漫灘生物多樣性的物理控制。在廣泛的空間和時(shí)間尺度上,McTainsh和Strong[45]展示了風(fēng)蝕作用是如何影響較遠(yuǎn)處的生態(tài)系統(tǒng)中施肥過(guò)程的。因此,廣泛分布的生態(tài)系統(tǒng)可以通過(guò)地貌過(guò)程緊密地聯(lián)系在一起。

另一方面,生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)視角有助于為地貌學(xué)家在適當(dāng)?shù)臅r(shí)空尺度上對(duì)嵌套的生態(tài)過(guò)程和過(guò)程動(dòng)態(tài)(如種群動(dòng)態(tài))提供更全面的看法。將植被和地貌聯(lián)系起來(lái)仍然是理解這些耦合系統(tǒng)的核心,這種聯(lián)系有助于理解地貌過(guò)程(如陡峭地形中的斜坡過(guò)程)和與人類改造相關(guān)的侵蝕模式,以及非線性景觀響應(yīng)的關(guān)鍵問(wèn)題[34]。Fisher等人[37]根據(jù)對(duì)干旱河流的研究提出了生物地球化學(xué)過(guò)程是否可能影響地貌形態(tài)的問(wèn)題,而Watters和Stanley[46]對(duì)泥炭地河道的初步觀察結(jié)果則為這種聯(lián)系提供了一些可能。此外,McKnight等人[38]對(duì)南極干燥河道的研究表明,在干燥河道中微生物墊以隱藏狀態(tài)保存了20多年,這一研究說(shuō)明在這些異常甚至極端的環(huán)境中,生物與環(huán)境的過(guò)程交互問(wèn)題可能會(huì)更加清晰。

2.2 地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的交叉研究

1989年,在德國(guó)召開(kāi)的第二屆國(guó)際地貌學(xué)會(huì)上提出了“生態(tài)地貌學(xué)”一詞[6],這一概念的出現(xiàn),不僅意味著需要開(kāi)展生態(tài)地貌學(xué)研究,還表明這是一個(gè)新的科學(xué)方向。地貌作為生態(tài)因子,它對(duì)全球的生態(tài)環(huán)境至少有下列三點(diǎn)影響：一是生態(tài)環(huán)境的地帶性(包括水平地帶性和垂直地帶性)主要受到地貌的支配；二是生物區(qū)系的形成和發(fā)展受到地貌發(fā)育史的支配(從大陸漂移和板塊學(xué)說(shuō)就可以說(shuō)明這一點(diǎn))；三是生物體(包括生物遺體和生物排泄物)常常是地貌的物質(zhì)基礎(chǔ),例如珊瑚島礁和沿海貝殼[6]。劉吉成[47]摘譯д.A. THмофеев的著作撰寫(xiě)的淺談生態(tài)地貌學(xué),將生態(tài)地貌學(xué)定義為：“研究任一級(jí)別的地貌系統(tǒng)與人類生態(tài)系統(tǒng)(即人類生態(tài)活動(dòng)環(huán)境)相互關(guān)系和相互作用的結(jié)果”,并指出在時(shí)空非均一性原則的基礎(chǔ)上“分析地貌系統(tǒng)的狀況及其在各種自然和人為作用影響下所發(fā)生的變化”和“分析生態(tài)系統(tǒng)的狀況并預(yù)測(cè)其由于地貌系統(tǒng)中某種狀況或變化(變化趨勢(shì))而造成的后果”是進(jìn)行綜合性生態(tài)地貌研究的主要任務(wù)。

過(guò)去幾十年里,在地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的交叉研究上開(kāi)展了大量的工作。從其目的來(lái)看,生態(tài)地貌學(xué)屬于應(yīng)用地貌學(xué)[4],如針對(duì)區(qū)域生態(tài)問(wèn)題,前蘇聯(lián)學(xué)者開(kāi)展了區(qū)域性的生態(tài)地貌研究；為了解決區(qū)域規(guī)劃問(wèn)題,匈牙利在應(yīng)用地貌方面進(jìn)行了研究,并將這一生態(tài)地貌研究方向稱作“環(huán)境地貌學(xué)”,環(huán)境地貌學(xué)被用來(lái)解決全球、區(qū)域和局部規(guī)模的空間組成和合理利用自然條件的問(wèn)題；瑞士學(xué)者編制了加德滿都地區(qū)1:10000的生態(tài)地貌圖系等。綜上所述,生態(tài)地貌學(xué)是在地貌學(xué)理論和應(yīng)用地貌學(xué)成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,且與構(gòu)造地貌學(xué)、氣候地貌學(xué)和人為地貌學(xué)都存在一定聯(lián)系。因此,地貌系統(tǒng)與人類生存活動(dòng)環(huán)境的相互聯(lián)系,就是生態(tài)地貌學(xué)的研究對(duì)象,即生態(tài)地貌學(xué)是將依附于地表的自然實(shí)體與人文實(shí)體作為研究對(duì)象,從而研究生態(tài)與地貌關(guān)系的科學(xué)[1]。

因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)和地貌系統(tǒng)本身就是兩個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng),將兩者直接進(jìn)行綜合性的融合存在很大難度。因此,目前與生態(tài)地貌學(xué)相關(guān)的研究多集中在分別以植被和地形因子為代表的生態(tài)系統(tǒng)和地貌系統(tǒng)上。植被和地貌之間相互作用關(guān)系的研究可以追溯到科學(xué)史上,植被作為生態(tài)系統(tǒng)中的主要研究對(duì)象,從植被空間格局、生長(zhǎng)狀況、多樣性等方面與地貌的定量因子相結(jié)合,探究地貌與生態(tài)之間的相互作用及反饋機(jī)制。一方面,植物學(xué)家和景觀生態(tài)學(xué)家研究了山坡特征、過(guò)程和土壤對(duì)植被結(jié)構(gòu)、組成和動(dòng)態(tài)的影響。重點(diǎn)研究了地形(海拔、坡度、坡向)、土壤因素、巖石類型和地貌擾動(dòng)(質(zhì)量運(yùn)動(dòng)、雪崩、地表侵蝕)的影響[11]。研究普遍認(rèn)為生物群落的組織是驅(qū)動(dòng)景觀形成的物理過(guò)程的結(jié)果[42],以現(xiàn)代地貌研究中相對(duì)較新的高山植被的主要地貌功能為例,如表2。

表2 高山植被創(chuàng)造的主要地貌功能Table 2 Key geomorphic functions created by alpine vegetation

另一方面,地貌學(xué)家將植被視為一個(gè)獨(dú)立靜態(tài)的自變量,在有限的時(shí)空尺度上影響地貌和沉積物的演替[5]。然而,要理解植被和地貌之間的共同進(jìn)化過(guò)程,關(guān)鍵是要理解時(shí)間、干擾和反饋的作用,這些作用將植被和地貌聯(lián)系起來(lái),探究?jī)烧咧g的雙向相互作用。各種響應(yīng)如圖1所示,盡管該圖描述的是山坡侵蝕對(duì)植被擾動(dòng)的響應(yīng)[11],但可以用它來(lái)概念化生態(tài)系統(tǒng)對(duì)地貌擾動(dòng)(如大規(guī)模地質(zhì)運(yùn)動(dòng)等)的響應(yīng),大致可分為三種情況：A表示生態(tài)系統(tǒng)調(diào)整為新的動(dòng)態(tài)平衡；B表示生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了對(duì)擾動(dòng)的初始響應(yīng),最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)；C表示生態(tài)系統(tǒng)本身具有較大的彈性,所以對(duì)地貌擾動(dòng)基本不響應(yīng)。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)對(duì)地貌擾動(dòng)潛在的響應(yīng)[11]Fig.1 Potential responses of ecosystems to geomorphic disturbancesA: 表示生態(tài)系統(tǒng)調(diào)整為新的動(dòng)態(tài)平衡；B: 表示生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)歷了對(duì)擾動(dòng)的初始響應(yīng)，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài);C: 表示生態(tài)系統(tǒng)本身具有較大的彈性，所以對(duì)地貌擾動(dòng)基本不響應(yīng)

Collins等人[63—65]的研究成果對(duì)這一研究方向提供了新的全面概述。但由于兩者之間的相互作用混雜了各種因素(時(shí)空尺度、位置、收斂性、發(fā)散性、非線性、閾值、反饋),所以很難建立因果關(guān)系,因此研究往往集中在因素相對(duì)較少的精細(xì)尺度上。但這又帶來(lái)一個(gè)新的問(wèn)題,如何將精細(xì)尺度上的應(yīng)用模型轉(zhuǎn)化為更大尺度。在大范圍內(nèi),特別是以預(yù)測(cè)建模為目標(biāo)的研究,如何增加概念和模型的通用性及如何減少要考慮的變量和因素的數(shù)量成為未來(lái)一大挑戰(zhàn)。

盡管如此,地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的集成研究仍處于起步階段,因?yàn)樵谶@兩個(gè)學(xué)科的研究進(jìn)程中,它們更傾向于相對(duì)孤立地進(jìn)行研究,只是在需要的時(shí)候有選擇性地從另一門學(xué)科中挑選必要的信息和理論片段[5]。

2.3 地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)相關(guān)的熱點(diǎn)研究

圖2 使用“植被、地貌和生態(tài)系統(tǒng)”在GeoRef和Web of Science上搜索的相關(guān)文章、書(shū)籍和報(bào)告的數(shù)量Fig.2 Number of refereed articles, books, and reports cited in GeoRef and Web of Science for 10-year periods, using “vegetation and geomorphology and ecosystems”

生態(tài)過(guò)程和地貌過(guò)程密切相關(guān),植被作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,可以看作是狹義的生態(tài)系統(tǒng)[66]。最近關(guān)于兩個(gè)學(xué)科的研究聚焦于植被和地貌的雙向相互作用上(圖2),在GeoRef和Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)中用關(guān)鍵詞“植被、地貌、生態(tài)系統(tǒng)”進(jìn)行搜索,共識(shí)別出3345條英文或有英文翻譯的目錄。約75%的文章發(fā)表于2000年以后,說(shuō)明該主題的學(xué)術(shù)研究顯著增長(zhǎng)。研究地貌與植被格局之間的規(guī)律、挖掘地貌與植被之間的作用機(jī)制,對(duì)于理解地貌過(guò)程和生態(tài)過(guò)程的演化和發(fā)展、理解生態(tài)與地貌之間耦合作用有重要的參考價(jià)值。

地貌通過(guò)直接和間接作用影響植被分布格局。在全球尺度或區(qū)域尺度上,地帶性氣候條件是影響植被類型和分布的主導(dǎo)因素,地形則作為重要的非地帶性因子,在較小的尺度上(如景觀尺度),則正好相反,地形成為重要的地帶性因子[67]。無(wú)論尺度大小,地形都通過(guò)地貌形態(tài)變化控制著生物因子和非生物因子[68—71],從而直接或間接影響植被、物種、土壤等生態(tài)因子的分布格局和特性[72—78]。直接影響通過(guò)崩塌、搬運(yùn)、堆積等地貌過(guò)程對(duì)植被產(chǎn)生干擾作用,間接影響表現(xiàn)為在地形起伏較大及降水豐富的山地或丘陵地區(qū),降水的能量會(huì)侵蝕地表,被侵蝕的地表對(duì)植被的格局和動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生影響[79],即間接影響是通過(guò)坡度、坡向、海拔、坡位等地形因子的變化改變太陽(yáng)輻射、光照、土壤水分和營(yíng)養(yǎng)成分等因素的空間再分配,從而引起小區(qū)域環(huán)境的變化,造成局部小氣候,影響植被分布[72,80—83]和物種多樣性[84—92]等特征,成為影響植被的重要因素之一[93—96]。地貌特征的差異導(dǎo)致了異質(zhì)性的生境,而異質(zhì)性的生態(tài)條件又對(duì)地貌起到反饋?zhàn)饔?因此,地貌和生態(tài)是為生物群落提供生境多樣性的決定因素,不同的地貌特征和生態(tài)因子會(huì)帶來(lái)不同種類和分布格局的植被,且地貌和生態(tài)的異質(zhì)性越高,物種和分布格局的多樣性也越高。

Schumm和Lichty[97]的文章概述了植被的影響如何隨時(shí)間尺度變化,他們將植被視為“循環(huán)(或地質(zhì))時(shí)間”(數(shù)千至數(shù)百萬(wàn)年)上的因變量,同時(shí)視為“梯度(或現(xiàn)代)時(shí)間”(數(shù)百至數(shù)千年)和“穩(wěn)態(tài)(或現(xiàn)在)時(shí)間”(一年或更短)上的自變量。在周期性的時(shí)間內(nèi),植被受海拔、母體材質(zhì)、坡度角和坡向的控制,但植被的斑塊性還依賴于較短時(shí)間尺度上發(fā)生的地貌干擾[98]。Hack和Goodlett[99]在對(duì)山區(qū)的地貌和森林生態(tài)系統(tǒng)的研究中給予了植被和地貌同樣的重視,形成了地貌和植被(以及水文)相互作用研究的基準(zhǔn)。40年后Osterkamp[100]重訪了Hack和Goodlett的研究地點(diǎn),發(fā)現(xiàn)地形位置、水分狀況和主要森林類型之間的關(guān)系仍然存在。Knox[101]闡述了威斯康辛州西南部植被對(duì)氣候突變的響應(yīng),以及隨后對(duì)山坡侵蝕和沉積物產(chǎn)量的響應(yīng),強(qiáng)調(diào)了閾值和響應(yīng)時(shí)間(反應(yīng)時(shí)間+松弛時(shí)間)在理解流域尺度上植被-地貌聯(lián)系中的作用,他的研究證明了流域可以以多種方式對(duì)流域中的擾動(dòng)作出反應(yīng)。氣候、植被和地貌響應(yīng)之間的非線性和復(fù)雜的聯(lián)系為使用模型重建環(huán)境變化帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

地貌特征受火災(zāi)、洪水、干旱、風(fēng)和放牧等因素引起的非地貌擾動(dòng)的頻率和空間格局的制約[98]。關(guān)于植被擾動(dòng)對(duì)山坡侵蝕的影響,如野火、放牧、農(nóng)田、森林砍伐和造林、城市化、開(kāi)墾等方面已有豐富的文獻(xiàn)[102—107]。反過(guò)來(lái),生態(tài)系統(tǒng)的過(guò)程和模式也受地貌過(guò)程的直接干擾(如雪崩等)。Reice等人[108]指出：“生物群落總是在從上次的干擾中恢復(fù)。擾動(dòng)和異質(zhì)性,產(chǎn)生了生物多樣性?！钡孛矓_動(dòng)形成斑塊[109—110]和廊道[111],也為景觀的改變和異質(zhì)性創(chuàng)造了機(jī)會(huì),從而促進(jìn)了更大的多樣性。Geertsema和Pojar[112]總結(jié)了大規(guī)模運(yùn)動(dòng)對(duì)生物多樣性的影響,說(shuō)明了由大規(guī)模運(yùn)動(dòng)形成的中尺度地貌(如懸崖、山丘)增加了景觀的復(fù)雜性。Schumm等人[97]研究了地貌對(duì)引起地貌變化事件的敏感性。Phillips[113]提出了地貌干擾和植被響應(yīng)潛在相互作用的觀點(diǎn),并提出通過(guò)計(jì)算一個(gè)特定生態(tài)系統(tǒng)或植物群落的地形和植被的瞬時(shí)形態(tài)比率,或許能識(shí)別出植被與地貌變化的相互依賴性,并以此來(lái)確定生態(tài)系統(tǒng)和地貌系統(tǒng)相互交織的復(fù)原力。Sidle等人[114—115]則對(duì)植被如何影響斜坡穩(wěn)定性進(jìn)行了總結(jié)。專注于俄勒岡州海岸地區(qū)景觀演變中植被-地貌聯(lián)系的機(jī)械模型的研究人員Roering等[116—117]建立了一個(gè)聯(lián)系生物-地貌耦合遷移的物理方程。Collins[63]及Istanbulluoglu等人[118]通過(guò)分析和定量化方法研究了植被對(duì)河道地形演變閾值的影響。

由于地貌、植被自身及兩者相互作用的復(fù)雜性,它們之間的相互響應(yīng)機(jī)制一直是地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)[119]。但目前為止,大多數(shù)地貌-植被的研究仍采取靜態(tài)的研究方法,而且多為定性分析,地貌過(guò)程與植被響應(yīng)過(guò)程的內(nèi)部機(jī)理仍有待進(jìn)一步研究。國(guó)內(nèi)大多數(shù)地貌-植被的研究集中在海拔梯度垂直帶的劃分及多樣性的分布格局上[120—131],這實(shí)際上是地表形態(tài)上大的起伏改變了溫度和土壤條件等,從而形成了現(xiàn)代地貌-植被關(guān)系。而地形大的起伏形態(tài)對(duì)環(huán)境因子的改變通常以地史的時(shí)間來(lái)計(jì)量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)植物生命史的時(shí)間周期[18]。當(dāng)然,對(duì)群落內(nèi)部地形的差異與植物分布及種子雨格局的關(guān)系也逐漸開(kāi)始了有益的探索[132—133]。目前,在景觀、生態(tài)系統(tǒng)和群落尺度的植被格局與多樣性分析中,地貌的影響作用己經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的特別關(guān)注[122,134—135]。

3 地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)之間的存在的問(wèn)題

3.1 學(xué)科間獨(dú)立性

了解地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的不同范式對(duì)于這兩門學(xué)科的成功整合具有重要意義,人們期望這兩個(gè)學(xué)科相互融合、相互交流并發(fā)展出真正綜合性的全面完整的理論,所以理解這兩門學(xué)科的平行發(fā)展有助于為未來(lái)的研究架起地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的橋梁,但事實(shí)上這兩個(gè)學(xué)科傾向于相對(duì)孤立地進(jìn)行研究,只是在需要的時(shí)候有選擇性地從另一門學(xué)科中挑選必要的信息和理論片段。

地貌學(xué)在探索生態(tài)過(guò)程方面的許多傳統(tǒng)工作僅局限于研究地貌形態(tài)或過(guò)程如何影響特定物種或物種群(如魚(yú)類、樹(shù)木),反之亦然。而景觀特征可能對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)層面的過(guò)程有著深遠(yuǎn)的影響。但迄今為止,地貌學(xué)只考慮了群落或生物層面的生態(tài)過(guò)程,而這些過(guò)程并不一定受到地貌的影響。

在生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的研究中問(wèn)題也同樣嚴(yán)重。大量生態(tài)學(xué)研究都把地貌形態(tài)視為靜態(tài)的,也就是說(shuō)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究中認(rèn)為自然景觀是生態(tài)過(guò)程發(fā)生的靜態(tài)模板。相反,地貌學(xué)的研究主要集中于景觀的動(dòng)態(tài)性質(zhì),并量化這些過(guò)程發(fā)生的時(shí)間尺度和貢獻(xiàn)程度。事實(shí)上,許多地貌變化發(fā)生在與生態(tài)變化相當(dāng)甚至平行的時(shí)空尺度上,從而使生態(tài)系統(tǒng)研究中的生物和非生物過(guò)程成為可變的,而不是靜態(tài)參數(shù)。所以,在把地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)聯(lián)系起來(lái)的過(guò)程中,生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)和地貌學(xué)對(duì)自然景觀的看法出現(xiàn)了根本上的差別。

人們?cè)噲D把地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)結(jié)合起來(lái),目前最典型的結(jié)合案例是Thoms和Parsons[41]提出的河流生態(tài)系統(tǒng)跨學(xué)科研究的框架,在他的研究中生態(tài)地貌學(xué)將生態(tài)學(xué)整合到水文和地貌學(xué)中,將地貌學(xué)和水文學(xué)整合到生態(tài)中,將水文學(xué)整合到生態(tài)學(xué)和地貌學(xué)中,該框架已成功應(yīng)用于旱地河流系統(tǒng)的水的環(huán)境分配。盡管如此,這種集成仍處于起步階段。

3.2 學(xué)科間尺度問(wèn)題

2005年在美國(guó)舉行的以地貌和生態(tài)系統(tǒng)為主題的專題討論會(huì)上,多次出現(xiàn)與選擇適當(dāng)?shù)难芯砍叨群头治龀叨扔嘘P(guān)的問(wèn)題。所以,地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)耦合研究中要解決的一個(gè)重要問(wèn)題是尺度問(wèn)題。在設(shè)計(jì)研究和收集數(shù)據(jù)及模型開(kāi)發(fā)和選擇、數(shù)據(jù)可用性和質(zhì)量等問(wèn)題上尺度也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[136]。Post等人[39]討論了尺度在地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)中是如何被考慮的。Parsons和Thoms[136]通過(guò)對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)層次過(guò)程的分析來(lái)解決尺度問(wèn)題。在Dollar等人[137]提出的概念模型中層次結(jié)構(gòu)也起著重要作用。McTainsh和Strong[45]在研究風(fēng)沙侵蝕時(shí)探討了過(guò)程的空間尺度化問(wèn)題,Bork等人[138—139]在各種時(shí)間尺度上研究了人為的土壤侵蝕。

雖然一些尺度上的相互作用已經(jīng)得到了很好的研究,例如,在幾年到幾十年的時(shí)間尺度上,植被對(duì)侵蝕或河流遷移的影響。然而,在某些非常小的尺度(亞米)和非常大的尺度(大陸)上,地貌和生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程是否聯(lián)系在一起、如何聯(lián)系在一起,以及它們?cè)谀睦锟赡艽嬖跐撛诘囊蚬P(guān)系等問(wèn)題仍不太好理解。但是,McTainsh和Strong[45]的研究為如何處理這些問(wèn)題指出了方向,可以為跨越不同時(shí)間和空間尺度的特定過(guò)程的研究提供參考。

綜上,尺度問(wèn)題是地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)中一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題,是一個(gè)值得兩門學(xué)科都深入研究的問(wèn)題。本文認(rèn)為探索生態(tài)系統(tǒng)和地貌過(guò)程在不同尺度上的耦合是一個(gè)潛在的值得深入研究的領(lǐng)域。

3.3 學(xué)科間局限性

在將地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)結(jié)合時(shí)會(huì)出現(xiàn)很多限制,其中最重要的是：這兩個(gè)學(xué)科的核心和主導(dǎo)性問(wèn)題往往是不同的,導(dǎo)致這兩個(gè)領(lǐng)域朝著截然不同的方向發(fā)展。一個(gè)學(xué)科的關(guān)鍵問(wèn)題會(huì)引導(dǎo)該學(xué)科的主要研究范式,當(dāng)多個(gè)學(xué)科之間的問(wèn)題或范式匯聚時(shí),學(xué)科交叉點(diǎn)上就會(huì)出現(xiàn)新的科學(xué)見(jiàn)解,如“河流連續(xù)體概念”[140]。目前,景觀生態(tài)學(xué)與景觀演化的耦合研究是生態(tài)地貌學(xué)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一,因?yàn)檫@兩個(gè)領(lǐng)域的研究都是各自領(lǐng)域的重點(diǎn),且生態(tài)修復(fù)也是兩個(gè)學(xué)科研究的另一個(gè)共性。

除了關(guān)鍵問(wèn)題,另一個(gè)限制因素是不同學(xué)科使用的研究方法不同。根據(jù)前文所述的地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的研究歷程,發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)學(xué)科的方法和途徑具有很大的相似性,因此,研究者在充分認(rèn)識(shí)這些相似性后,可以對(duì)兩者的耦合研究提供新的思路和方法,例如利用RS和GIS進(jìn)行景觀演化和景觀生態(tài)學(xué)的空間分析和建模。近年來(lái),隨著GIS和RS技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用的擴(kuò)展,促進(jìn)了不同學(xué)科之間的協(xié)作[34],但未來(lái)這一領(lǐng)域的研究需要更多地考慮時(shí)間尺度及生態(tài)學(xué)家的預(yù)測(cè)和建模,從而更充分地為地貌過(guò)程建模提供信息。

此外,各學(xué)科的數(shù)據(jù)問(wèn)題也是不同學(xué)科融合研究的限制因素。作為學(xué)科融合的一部分,特別是預(yù)測(cè)和建模,對(duì)目前在地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)中實(shí)際可用的空間和時(shí)間數(shù)據(jù)的確定,將使不同學(xué)科了解其他學(xué)科使用的數(shù)據(jù)集或數(shù)據(jù)種類。同時(shí),明確數(shù)據(jù)的可用性和數(shù)據(jù)中缺失的部分也是非常重要的,這也將促進(jìn)地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)之間的跨學(xué)科研究。

模型作為各學(xué)科研究中必不可少的部分,是限制跨學(xué)科研究的因素之一。隨著學(xué)科數(shù)據(jù)的增加,對(duì)理論和應(yīng)用模型的需求也隨之增加[141]。然而,許多模型只能用于特定的學(xué)科,而其他學(xué)科可能不知道該模型的存在,也不了解這些模型的使用條件和難易程度。因此,了解兩個(gè)學(xué)科各自常用的模型和特定的模型,是連接地貌和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)的關(guān)鍵方面。

地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)之間相互作用的研究越來(lái)越依賴于如地圖、數(shù)字圖像等圖形工具,所以兩個(gè)學(xué)科之間相互作用的另一個(gè)限制是這些圖形工具帶來(lái)的陷阱。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展,GIS已成為這兩個(gè)學(xué)科的有力工具。GIS應(yīng)用程序能用不同需求的格式回答不同的問(wèn)題,但對(duì)于每個(gè)基于GIS模型的應(yīng)用程序在滿足模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)處理要求的同時(shí),還要根據(jù)其輸出信息的能力對(duì)其進(jìn)行評(píng)估[142]。時(shí)空數(shù)據(jù)質(zhì)量差、數(shù)據(jù)處理引入的誤差、模型假設(shè)和方法導(dǎo)致的誤差等都需要從對(duì)結(jié)果的潛在影響和決策過(guò)程兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。不同學(xué)科通過(guò)各自學(xué)科的研究提供了綜合的概念、模型和評(píng)估工具[143],而基于GIS的模型可能會(huì)過(guò)度擴(kuò)展對(duì)基礎(chǔ)流程的真正理解,因此模型的選擇會(huì)影響結(jié)果,從而給決策者帶來(lái)一種錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)。所以地貌學(xué)家和生態(tài)學(xué)家在加強(qiáng)科學(xué)家、自然資源管理者、決策者和其他相關(guān)者之間的溝通方面發(fā)揮著重要的作用,而耦合生態(tài)地貌模型的準(zhǔn)確性也一直是研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)論和展望

20世紀(jì)50年代可以看作是地貌學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)之間聯(lián)系的一個(gè)重要時(shí)間節(jié)點(diǎn),在此之前,關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)和地貌學(xué)之間聯(lián)系的科學(xué)論述主要集中在描述上。之后,由于景觀生態(tài)學(xué)和地貌過(guò)程實(shí)地測(cè)量的出現(xiàn)和測(cè)量、解釋、預(yù)測(cè)能力的提高,開(kāi)始了重要的概念性進(jìn)展。對(duì)地表侵蝕、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)和景觀演化的預(yù)測(cè),已經(jīng)在精細(xì)尺度上實(shí)現(xiàn)了從實(shí)證研究到基于物理機(jī)制的模型操作,但由于各種技術(shù)的限制還不能夠成功地將小型地塊和個(gè)體生物的機(jī)械建模提升到景觀尺度。同時(shí),對(duì)于地貌與生態(tài)系統(tǒng)中最重要的植被之間的反饋關(guān)系,目前的理解也不完整。植被與地貌之間存在著豐富的聯(lián)系,但因果關(guān)系卻受到諸多因素的干擾,所以需要在各種環(huán)境條件下構(gòu)建、校準(zhǔn)和測(cè)試這些關(guān)系,如比較單個(gè)山坡的山脊頂部和塌積洼地上的植被類型、比較同一流域內(nèi)不同坡面的影響及不同生態(tài)區(qū)域之間的聯(lián)系等。

從發(fā)展歷程來(lái)看,地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)是平行發(fā)展的,兩個(gè)學(xué)科之間有著明顯的相似性。許多地貌過(guò)程與生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程在相似的時(shí)空尺度上同時(shí)發(fā)生,從而使兩者相互依賴。地貌學(xué)在控制許多生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程中起著基礎(chǔ)性的作用,反過(guò)來(lái),生態(tài)系統(tǒng)又對(duì)許多地貌形態(tài)和過(guò)程產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。雖然兩個(gè)學(xué)科是共同進(jìn)化的,但對(duì)這些反饋的理解和量化才剛剛開(kāi)始,需要尋找新的指標(biāo)和度量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)描述這些交互作用,并在不同的空間和時(shí)間尺度上為它們建模。同時(shí),加強(qiáng)空間分析與地理信息系統(tǒng)的聯(lián)系,如利用GIS來(lái)研究連通性、距離衰減函數(shù)、形狀分析、邊緣粗糙度及模式之間的關(guān)聯(lián)等。

最近的研究聚焦于植被和坡面地貌的雙向相互作用上,由于兩者受各種混雜因素(時(shí)空尺度、位置、非線性、閾值、反饋)的影響,因此很難建立因果聯(lián)系[144]。此外,兩者的相互作用還受全球因素和當(dāng)?shù)丨h(huán)境歷史的綜合控制,對(duì)于不同區(qū)域的每一個(gè)景觀都有來(lái)自生物物理和人類活動(dòng)的影響,但由于生物過(guò)程和物理過(guò)程的內(nèi)在耦合,不存在明確的時(shí)間尺度來(lái)理解植被和地貌之間的聯(lián)系。不同區(qū)域由于局部事件的歷史遺留導(dǎo)致差異加劇,而全球控制則導(dǎo)致趨同。因此,未來(lái)應(yīng)集中考慮增加模型、概念和研究的普遍性和通用性,并減少考慮變量和因素的數(shù)量,而不是尋求確定性模型來(lái)描述所有復(fù)雜的景觀。未來(lái)應(yīng)繼續(xù)完善精細(xì)尺度的確定性模型,但需要探索如何將這些結(jié)果擴(kuò)展到不同的尺度。

地貌學(xué)是研究地表形態(tài)科學(xué)的統(tǒng)稱,具有環(huán)境、資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)眾多屬性[1],生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)是研究生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、過(guò)程及其相互作用的科學(xué)。生態(tài)地貌學(xué)是目前影響人類生存環(huán)境和生產(chǎn)資源最緊迫的科學(xué)之一,是一門將生態(tài)與地貌相結(jié)合研究的科學(xué),其研究?jī)?nèi)容包含了地貌學(xué)、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué)及兩者間的相互作用。但目前,生態(tài)地貌學(xué)仍然屬于探索性學(xué)科,探索生態(tài)系統(tǒng)和地貌過(guò)程的耦合、景觀生態(tài)學(xué)與景觀演化模型的耦合,探索山水林田湖草作為一個(gè)生命共同體如何運(yùn)轉(zhuǎn)、如何開(kāi)展不同類型的生態(tài)修復(fù)等問(wèn)題,這些都是重要的前沿課題,需要對(duì)地貌和生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行深入了解。

對(duì)于地貌學(xué)和生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學(xué),面臨的挑戰(zhàn)是如何將這兩個(gè)學(xué)科連接起來(lái),并通過(guò)空間和時(shí)間進(jìn)行過(guò)去的反演和未來(lái)的預(yù)測(cè)。預(yù)測(cè)作用對(duì)于生態(tài)恢復(fù)和管理是至關(guān)重要的,土壤和有機(jī)質(zhì)的侵蝕[145],河流生態(tài)恢復(fù)[31]和海灘修復(fù)[32]等研究,都說(shuō)明了科學(xué)認(rèn)知現(xiàn)狀與管理界需求之間的動(dòng)態(tài)張力。對(duì)于研究界來(lái)說(shuō),恢復(fù)是一個(gè)特別重要的問(wèn)題,因?yàn)樗坏斫膺@兩個(gè)學(xué)科的科學(xué),還需要在預(yù)測(cè)和建模耦合系統(tǒng)時(shí)達(dá)到一定的精度和準(zhǔn)確性。地貌學(xué)家和生態(tài)學(xué)家已經(jīng)發(fā)展出通過(guò)概念模型定性地對(duì)管理行為進(jìn)行預(yù)測(cè)的能力,但將這些擴(kuò)展到定量預(yù)測(cè)仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

此外,在將兩個(gè)學(xué)科進(jìn)行融合時(shí)仍存在很多問(wèn)題,因此弄清楚兩者之間的相互作用機(jī)制和依賴、反饋關(guān)系,對(duì)于兩個(gè)學(xué)科的融合至關(guān)重要。隨著時(shí)間的推移,擴(kuò)展和預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程,并預(yù)測(cè)這些過(guò)程可能對(duì)地貌產(chǎn)生的影響,以及地貌變化后生態(tài)系統(tǒng)的反饋?zhàn)饔脤⑹墙徊鎸W(xué)科最大的挑戰(zhàn)。因此,加強(qiáng)對(duì)生態(tài)地貌學(xué)的研究對(duì)于維持生態(tài)平衡,保護(hù)生態(tài)多樣性,制定合理地生態(tài)修復(fù)策略及預(yù)測(cè)地球上生態(tài)系統(tǒng)的未來(lái)狀態(tài),并制定有效的管理和預(yù)防措施,都有重要的理論和實(shí)踐意義。