當(dāng)景觀生態(tài)學(xué)從20世紀(jì)80年代中期發(fā)展成一門(mén)完整的學(xué)科體系時(shí)，我們明確了，關(guān)于空間異質(zhì)性的生態(tài)學(xué)重要性，以及研究大區(qū)域生態(tài)格局和過(guò)程的重要性，這樣的想法很多很多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于實(shí)證研究。許多都是一些敢想不能為的事兒。以前，遙感數(shù)據(jù)是稀缺的，非常昂貴也難以操作，數(shù)字形式的空間數(shù)據(jù)也不易獲得，計(jì)算能力受到很大的限制，這是客觀上的原因，主觀上呢，在科學(xué)界和資源管理界，也的確對(duì)許多“新潮”的想法持懷疑態(tài)度，甚至充滿(mǎn)敵意。四十年后的今天，我們看到，雖然空間異質(zhì)性的原因和后果仍然是研究的核心，但景觀生態(tài)學(xué)已經(jīng)大不相同了。

那么，我們現(xiàn)在就來(lái)看看伴隨景觀生態(tài)學(xué)發(fā)展的工具。

在20世紀(jì)50年代，世界上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)是一臺(tái)巨大的機(jī)器，填滿(mǎn)了一個(gè)大房間。而今天我們可以在口袋里放一臺(tái)計(jì)算機(jī)，其速度大約是原來(lái)的100萬(wàn)倍，數(shù)據(jù)量是也是100萬(wàn)倍，其大小比早期計(jì)算機(jī)小100萬(wàn)倍。而且，計(jì)算機(jī)的范圍和多樣性也得到了發(fā)展，幾乎每個(gè)家庭，每個(gè)企業(yè)都擁有許多電腦，而且我們的汽車(chē)、手表、電話(huà)、電視和其他許多日常用品中都有電腦。如今，計(jì)算機(jī)為景觀生態(tài)學(xué)提供了一系列工具，如地理信息系統(tǒng)（GIS）參與的景觀分析工作，還有數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)環(huán)境信息，用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬環(huán)境變化。同時(shí)通訊技術(shù)的進(jìn)步，從3G到4G，再到現(xiàn)在的5G，意味著這些資源隨時(shí)隨地可在線使用，因此任何人，在任何地方，都有可能獲得“電子科學(xué)”。

信息革命也在改變我們看待周?chē)澜绲姆绞?。其?shí)，每一個(gè)時(shí)代都把它的關(guān)注點(diǎn)投射到周?chē)氖澜纭Ｔ诠I(yè)革命過(guò)程中，特別是十九世紀(jì)，機(jī)器和機(jī)械論的世界觀支配著人們的思想。那個(gè)時(shí)候，基于機(jī)器的思想主宰了科學(xué)，世界也被看做是一臺(tái)偉大的機(jī)器。何以見(jiàn)得呢？比如，當(dāng)時(shí)的行星被描述為像鐘表一樣圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)；生物也被看做是一個(gè)工廠，有能源生產(chǎn)和運(yùn)輸、廢物處理和中央控制系統(tǒng)。

那么，在當(dāng)今的信息革命中，當(dāng)然也會(huì)出現(xiàn)一種新的世界觀。我們把今天的自然看作什么呢？經(jīng)常被看作是一臺(tái)偉大的計(jì)算機(jī)，我們必須去發(fā)現(xiàn)其中運(yùn)轉(zhuǎn)的程序，有人稱(chēng)這種思想是自然計(jì)算。這種自然計(jì)算的思想與生物學(xué)很擬合，人們把遺傳密碼比作計(jì)算機(jī)程序，因?yàn)樗藰?gòu)建新生物體的“配方”。核糖體這個(gè)制造蛋白質(zhì)的細(xì)胞器，類(lèi)似于信息處理器，因?yàn)樗鼈兡堋白x取”從DNA轉(zhuǎn)錄的遺傳信息，并根據(jù)其指令輸出蛋白質(zhì)。感官感知那就是處理數(shù)據(jù)的輸入，動(dòng)物交流就是信息從一種動(dòng)物傳遞到另一種動(dòng)物，以及隨后對(duì)這些信息進(jìn)行解釋處理，而動(dòng)物則表現(xiàn)得好像它們是按某種方式行事一樣。

可以毫不夸張地說(shuō)，自然不僅可以被視為計(jì)算，而且是高級(jí)計(jì)算，已經(jīng)與生物學(xué)越來(lái)越難以區(qū)分，這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)正面臨著要越來(lái)越多地處理類(lèi)似于生物或生態(tài)系統(tǒng)的問(wèn)題。例如，在提高處理能力的驅(qū)動(dòng)下，計(jì)算機(jī)已經(jīng)從單芯片發(fā)展到多處理器，再到分布式處理，最后發(fā)展為成群的處理機(jī)構(gòu)。為了解決這些問(wèn)題所帶來(lái)的日益復(fù)雜的挑戰(zhàn)，計(jì)算機(jī)已經(jīng)將目光投向了生命系統(tǒng)，這些系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)化出了應(yīng)對(duì)復(fù)雜性的方法。其結(jié)果是計(jì)算機(jī)借助生物學(xué)的靈感，這些概念就包括元胞自動(dòng)機(jī)、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和群體智能。在我其他相關(guān)的課程中，我會(huì)介紹這些內(nèi)容，有興趣的可以找一找。雖然我們這里類(lèi)比為計(jì)算有些字面化，但自然計(jì)算的概念，的確有助于解釋生態(tài)學(xué)和許多其他自然現(xiàn)象某些方面的問(wèn)題。這也說(shuō)明，傳統(tǒng)的科學(xué)研究方法本身~不足以讓我們充分理解復(fù)雜的系統(tǒng)和過(guò)程。

這是我們?cè)谠噲D解決復(fù)雜性科學(xué)的時(shí)候所提出的挑戰(zhàn)，復(fù)雜性關(guān)注的是世界的組合方式，這似乎與傳統(tǒng)的科學(xué)研究方法恰恰相反。怎么理解呢？傳統(tǒng)科學(xué)是把東西拆開(kāi)，獨(dú)自檢查每一件東西，這就是所謂的還原論方法。歷史上，還原論方法對(duì)科學(xué)很有幫助，現(xiàn)代技術(shù)的奇跡都是這種方法成功的證明。其原則很簡(jiǎn)單：“分而治之”。如果你想理解一些復(fù)雜的東西，那么就把它分解成它的組成部分，并弄清楚它們是如何工作的。如果有必要，繼續(xù)劃分，直到你達(dá)到一個(gè)簡(jiǎn)單到可以理解的程度為止。如果你想知道一種植物在不同條件下的表現(xiàn)，那么就必須把它放在生長(zhǎng)室中，對(duì)呼吸作用、光合作用和生長(zhǎng)進(jìn)行精確測(cè)量，這樣你可以找到它們之間的因果關(guān)系。你可以改變溫度、改變光照，看看它們對(duì)光合作用的影響，結(jié)果不僅可重復(fù)，還可預(yù)測(cè)。有了這些信息，你不僅可以理解為什么植物在某些環(huán)境下生長(zhǎng)得更好，而且還可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)它在其他環(huán)境中的生長(zhǎng)情況。

現(xiàn)在的問(wèn)題是，世界并不總是以簡(jiǎn)單的方式拆分自己。當(dāng)你把東西撕成碎片的時(shí)候，你會(huì)了解到各個(gè)部分，但是當(dāng)你把它們重新組合起來(lái)時(shí)，會(huì)發(fā)生意想不到的事情。例如，在一個(gè)生長(zhǎng)室中對(duì)單個(gè)植物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，你可以了解植物對(duì)光、水等的反應(yīng)。但當(dāng)它在野外生長(zhǎng)時(shí)，會(huì)受到許多影響，包括其他植物的影響。在野外條件下，實(shí)驗(yàn)室結(jié)果往往不可重復(fù)。沒(méi)有一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)可以解釋所有可能影響野外動(dòng)植物的因素。我們不知道把幾個(gè)事情放在一起會(huì)發(fā)生什么，這就是復(fù)雜性研究的意義所在，而這樣的問(wèn)題在科學(xué)中比比皆是。

在許多領(lǐng)域，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們需要開(kāi)發(fā)新的方法來(lái)處理事物之間相互作用時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題。這意味著傳統(tǒng)的方法需要用新的方法和思想加以補(bǔ)充。簡(jiǎn)而言之，除了我們要理解部分之外，還必須了解整體是如何從這些部分中產(chǎn)生的。生態(tài)學(xué)已經(jīng)發(fā)展出許多認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在復(fù)雜性的思想，如多樣性和食物網(wǎng)等概念。而信息科學(xué)革命所做的，則是提供新的工具，以比之前更直接的方式來(lái)處理復(fù)雜性。而我們?cè)诰坝^生態(tài)學(xué)中對(duì)尺度問(wèn)題的關(guān)注，隱含著要比“傳統(tǒng)生態(tài)學(xué) ”處理更大幅度的研究，就必須借助于現(xiàn)代化的工具，所以，景觀生態(tài)學(xué)是隨著技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。那么，下面我們對(duì)這些具體的技術(shù)做一個(gè)總結(jié)。

從上個(gè)世紀(jì)70年代中葉開(kāi)始，生態(tài)科學(xué)發(fā)生了重大變化，野外實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)技能和嚴(yán)謹(jǐn)性都有了很大提高，數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，以電腦為工具的分析能力的提高，以及獲取和檢索數(shù)據(jù)能力的加速。這使得采用更復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)測(cè)試、計(jì)算密集的模擬模型，都成為可能，為利用諸如衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GIS之類(lèi)的東西成為可能?？焖?、廉價(jià)的計(jì)算機(jī)，它們變得越來(lái)越快。大約每18個(gè)月翻一番，這就是著名的摩爾定律。我們現(xiàn)在擁有了具有千兆次浮點(diǎn)運(yùn)算能力的普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)，甚至手機(jī)都在逐漸達(dá)到這樣的計(jì)算能力。

在計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持下，參數(shù)統(tǒng)計(jì)得到了巨大發(fā)展，比如包括t檢驗(yàn)、方差分析、回歸分析，已經(jīng)非常強(qiáng)大了，它們從20世紀(jì)30年代左右就開(kāi)始出現(xiàn)了。接觸過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)的都應(yīng)該知道，參數(shù)統(tǒng)計(jì)，有一個(gè)關(guān)鍵的假設(shè)是樣本獨(dú)立性。但事實(shí)是，現(xiàn)實(shí)世界充滿(mǎn)了空間自相關(guān)，傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)技術(shù)，并不能處理這種相關(guān)性，所以必須在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中竭盡全力消除這種空間相關(guān)性。如果消除呢？確保各樣本所采集的地方相隔的距離足夠遠(yuǎn)，應(yīng)該是可以消除的。但是，如果我們反過(guò)來(lái)想，讓這種空間相關(guān)性為我們所用，是不是更好？我們希望能夠?qū)σ欢臻g進(jìn)行分析，并從這個(gè)地塊中提取數(shù)據(jù)，其結(jié)果可以投影到更大的區(qū)域，然后就獲得了一張包含某些要素的地圖擴(kuò)展。事實(shí)證明，黃金開(kāi)采者對(duì)此興趣最為濃厚，他們很久以前就想出了一種解決問(wèn)題的方法，并由此誕生了地統(tǒng)計(jì)學(xué)。有關(guān)地統(tǒng)計(jì)學(xué)的詳細(xì)介紹，我們以后會(huì)講到。

同樣是因?yàn)橛?jì)算機(jī)技術(shù)的改進(jìn)，讓遙感數(shù)據(jù)處理成為一件極其簡(jiǎn)單的事兒，而且，新型遙感平臺(tái)的出現(xiàn)，使得我們對(duì)地觀測(cè)的數(shù)據(jù)源，在時(shí)空尺度上都日益增加；基于GIS技術(shù)的計(jì)算機(jī)工具的普及，可以讓我們有效地處理大型空間數(shù)據(jù)集和地圖。遙感技術(shù)獲取數(shù)據(jù)，GIS技術(shù)處理數(shù)據(jù)，二者相得益彰，成為景觀生態(tài)學(xué)中不可或缺的數(shù)據(jù)來(lái)源和工具。我們幾乎可以肯定地說(shuō)，任何一個(gè)景觀生態(tài)學(xué)研究，都離不開(kāi)GIS和遙感。

在對(duì)景觀進(jìn)行空間分析，建立格局與過(guò)程相互聯(lián)系的過(guò)程中，有時(shí)候需要我們高度濃縮景觀格局信息，最好能定量表達(dá)景觀格局和生態(tài)過(guò)程之間的關(guān)聯(lián)，這是與其他生態(tài)學(xué)不同的地方，真正將生態(tài)學(xué)從定性描述轉(zhuǎn)化到定量計(jì)算。20世紀(jì)80年代，由于許多新理論在景觀生態(tài)學(xué)中的應(yīng)用，導(dǎo)致景觀指數(shù)不斷推陳出新，隨后，滲透理論在景觀生態(tài)學(xué)中廣為應(yīng)用，形成了一種景觀中性模型，這就為檢驗(yàn)景觀指數(shù)對(duì)景觀格局的描述能力提供了一個(gè)良好的工具。

從整個(gè)生態(tài)學(xué)來(lái)說(shuō)，生態(tài)模型是生態(tài)學(xué)中發(fā)展最迅速的領(lǐng)域之一。傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究手段，包括樣地試驗(yàn)、野外調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室觀察，這都是在有限的時(shí)間尺度和空間尺度內(nèi)完成的，也是可靠的。但對(duì)于大時(shí)間尺度和大空間尺度的生態(tài)過(guò)程，那就無(wú)法依靠這些傳統(tǒng)的生態(tài)學(xué)手段來(lái)完成了。而這個(gè)時(shí)候，模型的發(fā)展，憑借其生物生態(tài)機(jī)理以及數(shù)學(xué)物理函數(shù)的設(shè)定，能夠表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膬?yōu)越性。雖然生態(tài)學(xué)模型有這樣那樣的問(wèn)題，但這并不能阻礙模型化的生態(tài)學(xué)研究進(jìn)程和趨勢(shì)。在景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展中，許多方面就得益于生態(tài)模型的開(kāi)發(fā)。

好了，有了這些認(rèn)識(shí)，我們就可以理解，為什么我們?cè)谏鷳B(tài)學(xué)上真正對(duì)尺度概念的認(rèn)識(shí)，是在20世紀(jì)80年代突然出現(xiàn)的。在之前的社會(huì)發(fā)展階段，由于受科學(xué)認(rèn)知水平、財(cái)力、時(shí)間和精力等方面的限制，很多研究只能在離散或單獨(dú)的個(gè)別尺度上進(jìn)行。所以，我再次強(qiáng)調(diào)一下，技術(shù)的發(fā)展對(duì)于學(xué)科的進(jìn)步的確有非常大的作用。

但現(xiàn)在我們面臨的許多生態(tài)學(xué)問(wèn)題，特別是那些被認(rèn)為是緊迫的生態(tài)學(xué)問(wèn)題，往往時(shí)間跨度為幾十年甚至上百年，空間范圍是區(qū)域性的或者全球性的。但傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究，大多數(shù)還只能在小范圍、短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行直接測(cè)量，這就碰到了一個(gè)問(wèn)題，在小尺度上測(cè)量的格局，在大尺度上不一定成立，而在小尺度上多見(jiàn)的過(guò)程也不一定在大尺度上占優(yōu)勢(shì)。因此，我們現(xiàn)在碰到的生態(tài)學(xué)緊迫問(wèn)題，看來(lái)是不能通過(guò)將局地測(cè)量的結(jié)果直接擴(kuò)大到更大的區(qū)域和更長(zhǎng)的時(shí)間。那么，要解決這些緊迫的生態(tài)學(xué)問(wèn)題，就必須依靠技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。我們前面提到的五個(gè)方面的技術(shù)，恰好就是適應(yīng)這個(gè)時(shí)代的技術(shù)，它們就在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候出現(xiàn)了。

有時(shí)候我在思考一個(gè)問(wèn)題，當(dāng)社會(huì)發(fā)展遇到一些瓶頸的時(shí)候，一個(gè)的新的技術(shù)，甚至是一系列配套的技術(shù)到了，讓我們搞不清楚究竟是這個(gè)瓶頸驅(qū)動(dòng)了這個(gè)技術(shù)，還是新技術(shù)努力在尋找其應(yīng)用場(chǎng)景?？傊褪沁@么恰如其分地走到了一起。好，這個(gè)話(huà)題再講下去就跑題了，這節(jié)課就到這里，同學(xué)們?cè)僖?jiàn)！