— AI环境生态文献速递 —
Vol 0029
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如何理解生态学的模式和尺度
期刊:Ecology
影响因子:JCR1区,4.8
责任作者:Simon A. Levin
责任单位:普林斯顿大学,美国
01
文章速读
这篇文章是传奇生态学家Simon A. Levin在1992年发表在《Ecology》杂志上的一篇讲座论文,同时也是其获得“麦克阿瑟”奖的演讲稿,题为“The Problem of Pattern and Scale in Ecology”,在这篇论文中,Levin探讨了生态学中的模式和尺度问题,这是生态学中的一个核心问题,它将种群生物学与生态系统科学统一起来,并结合了基础生态学和应用生态学。以下是文章的核心内容概述:
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生态学中的模式和尺度问题:Levin认为,生态学中的模式和尺度问题是将种群生物学与生态系统科学统一起来的关键,同时也是将基础生态学与应用生态学结合起来的桥梁。他强调了在不同空间、时间和生态组织层次上研究生态现象的重要性。
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尺度的重要性:在生态学研究中,没有单一的“正确”尺度。生态系统通常在一系列空间、时间和组织尺度上表现出特征性的变异性。观察者对系统的感知存在偏见,这种偏见是进化上具有重要意义的,因为每个生物体都是环境的“观察者”。
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生态学理论的角色:Levin回顾了理论生态学的历史根源,以及MacArthur如何转变了这一领域,以及自他去世以来理论生态学的变化。他强调了理论在生态学中的重要性,以及它如何帮助我们理解生态模式背后的机制。
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生态模式的形成:文章讨论了生态模式的形成,包括种群动态、群落结构和生态系统过程。Levin提出了一些理论模型来解释这些模式,如扩散不稳定性模型和个体基础模型。
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生态模式的传播:Levin探讨了种群分布的扩散模型,包括随机游走和扩散模型在描述个体运动中的应用。他还讨论了这些模型在解释入侵物种传播、种群动态和生态系统变化中的应用。
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陆地生态系统中的模式和尺度:文章将之前讨论的海洋生态系统的方法应用于陆地生态系统,强调了遥感技术和空间统计学在描述植物物种分布和影响因素方面的作用。
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全球气候变化与生态模型:Levin讨论了全球气候变化对生态系统的影响,以及如何将气候模型的大尺度预测与生态过程联系起来。他强调了理解信息如何在不同尺度之间传递的重要性。
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社区层面的进化模式:文章探讨了种群生物学和生态系统科学之间的接口,特别是在进化过程中。Levin提出了一些理论框架来解释社区层面的进化模式,如定量遗传学在解释种群间和种群内变异中的应用。
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结论:Levin总结了生态学中的模式和尺度问题,强调了在不同尺度上研究生态现象的重要性,并提出了未来研究的方向,包括发展能够跨越不同尺度的生态模型和理论。
这篇论文是对生态学中模式和尺度问题的深入探讨,它不仅回顾了生态学的理论发展,还提出了对未来研究方向的见解,对于理解生态系统的复杂性和动态变化具有重要意义。
02
主要结论
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生态学的核心问题:Levin认为,生态学的核心问题是如何理解和预测生态模式(如种群分布、群落结构和生态系统功能)以及这些模式在不同空间、时间和组织尺度上的变化。
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尺度的重要性:生态系统和种群在多个尺度上表现出变异性,没有单一的“正确”尺度。研究者必须认识到,不同物种和个体会根据自己的生态位和生活史策略在不同的尺度上体验环境。
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理论生态学的作用:理论生态学通过连接不同尺度的过程,帮助我们理解生态现象背后的机制。这对于生态学的预测和管理至关重要。
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模式形成机制:生态模式的形成可以通过多种机制,包括扩散不稳定性、个体行为的集体效应以及大尺度环境因素。理解这些机制有助于预测和解释生态现象。
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尺度间的信息传递:为了将大尺度的气候模型预测与小尺度的生态过程联系起来,必须理解信息如何在不同尺度间传递。这涉及到从细尺度到广尺度的简化、聚合和尺度转换。
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应用生态学的重要性:全球气候变化、生物多样性变化和生态系统服务的提供等应用问题,都需要在不同尺度上进行研究和理解。
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生态学研究的未来方向:Levin强调了发展能够跨越不同尺度的生态模型和理论的必要性,以及在生态学研究中整合多学科方法的重要性。
总的来说,文章强调了在生态学研究中考虑多尺度现象的重要性,并提出了未来研究的方向,以更好地理解和管理生态系统。
03
精彩选读
种群生态学和生态系统生态的界面在哪里?这是近年来逐渐被生态学家所重视的一个问题。在以往的研究钟,种群生态学和生态系统生态学几乎是两个相互独立的分支,很少有学者这两个尺度的问题联系在一起讨论,两个领域的期刊、学术会议等都几乎是没有重叠的。但是,二者又不可能相互独立:进化(进化的学术定义是基因型频率的改变,因此其以种群为单位)发生在生态系统的背景下,而对进化过的理解则对揭示生物体对环境变化的行为和生理反应至关重要;此外,同时考虑两个尺度的变化,使得生态学不再仅仅是多个不相关轶事的积累,因此种群生态学和生态系统生态学的跨尺度研究,是完整揭示生态学机的必然路径。
回顾一下生态学的研究方向:理论和应用生态学及二者之间的联系、种群动态、生活史对不同环境的反应、扩散的共同进化、生态系统格局演变、集合种群……这些主题之间是否有一条主线将其串联成为一个整体?我认为有,这就是尺度。尺度是生态学(甚至可能是任何学科)的基础概念和索引。
理论生态和更普遍的理论科学都在做同样的事情:将发生在空间、时间和组织复杂性的不同尺度上的过程联系起来。根据产生和发展过程来理解格局的形成是科学的本质,也是发展管理原则的关键。如果缺乏了对这一机制的理解,那就不可能对系统进行科学推断。
解决尺度问题,对应用生态学的发展也同样重要。全球和区域的生物多样性、温室气体和污染物的分布以及气候变化等大尺度的宏观现象都是起源于非常精细的小尺度。比如为气候预测提供基础的一般环流模型比大多数生态学研究的尺度要大很多个数量级;卫星图和其他遥感手段提供了介于两者之间的空间信息,两者相互重叠。一般的环流模型和遥感技也必须将功能生态类别合并,有时变成非常粗糙的组合,从而忽略了大量的细节(比如用阔叶林/针叶来涵盖几乎所有的树种,但是在对森林样地进行研究时,我们则会精确到种,甚至是性别、年龄、亚种,或者从植物生理的角度去研究叶片、细胞等等),而忽略掉的信息,也必然会对我们完整的理解生态系统增加不确定性。
从叶片,到个体,再到种群、生态系统以及更大的尺度,我们必须了解信息是如何从精细尺度转移到大尺度的,反之亦然。我们必须学习如何聚合和简化,保留必要的信息,而不陷入不必要的细节。然后再通过抽象和合并足够的细节来产生观察到的模式并以此建模,从而促进我们对过程和机制的理解。一个好的模型并非去重现生态系统的每一个细节,而是应该考虑有多少细节可以被忽略。在这样的分析中,空间和时间尺度的问题自然就无法回避,其中包括系统动力的本质。
另外,这里值得多说一句的是,“特定的尺度”强调了一个基本点:没有单一的“正确的”量表来描述种群或生态系统。由竞争压力和协同进化的相互作用是支配生活史的驱动力,也是每个物种在自己独特的空间和时间尺度上努力对环境适应的结果,也同时导致了生物与环境关系的复杂性和多样性:协同进化出现在种间联系紧密的条件下,否则,进化会使得物种之间的分化更加明显且分散。
对于同一个物种而言,他的进化过程和形态特征,有的是对狭窄的环境的相应,而另一些则会与更大尺度的环境影响联系在一起。任何物种的分布在各种尺度上都是零散的,不同的进化力量将在这些不同的尺度上起作用。特定的协同进化相互作用可能仅在某些尺度上表现得很强烈;即使是再种内,密度制约也会随着尺度的变化而变化,这种效应在种间相互作用中则更加的明显。
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配图
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文章入选了NATURE评出的生态学领域必读的100篇研究论文,文章从生活史的演化、格局的形成、格局的扩散、陆地生态系统的格局和尺度、集合种群模型、食物、全球气候变化与生态学以及群落尺度的格局演化这几个角度,立体解释生态学重的格局和尺度问题。因篇幅关系还是建议大家点击原文链接获取原文品读。
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作者丨AI大侠🤖
审核丨湖安,木木
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