Dutilleul 1993讲解空间异质性

1. Dutilleul P, Sep N. Spatial Heterogeneity and the Design of Ecological Field Experiments. Ecology. 1993;74:1646–58.

抽象。实验设计应该适应于自然界以及室内的空间异质性，无论它是一种滋扰还是感兴趣的特征，结合或不结合处理效果的评估。以下空间异质性量化方差分析方法是基于生态场实验的充分设计，根据关注的异质性的类型和规模（小规模，斑块，一维或二维梯度） 。没有这样做的食谱，必须每次都行使判断;实验者对实验材料的了解，再加上预处理或控制，提供了一个有用的先决条件。对于斑块和环境梯度，在处理分配的存在下，推荐的设计需要分组类似实验单元的区组原理，这允许避免假处理效应和充气误差均方。完全随机设计只应在大规模的空间同质性的特殊情况下使用。给出并讨论了生态场实验中的插图

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引言

从地方到地方以系统方式变化的空间模式称为异质。 （Ripley 1981）“直观地，异质性的概念是清楚的，但是当我们审查它，我们的初始印象分裂成复杂性”（Kolasa和Rollo 1991）。事实上，异质性可以从各种各样的角度看待;其中一些对生态学和进化有重要的影响。在空间语境中，对“异质性”一词的接受主要取​​决于所关注的空间模式的类型。对于点模式，它涉及通过空间分布的个体生物或生态实体的物理位置;在这种情况下，空间异质性意味着点的密度变化（例如，森林中的树木或社区中的植物），与随机散布的生物体所预期的变化相比。对于表面图案，该概念涉及由空间上连续的定性或定量变量（例如，属于地质组或湖面温度的土壤）所取的值;空间异质性指的是子区域之间的那些值的可变性，或者它们在空间中的分布的参数的可变性。在下文中，我将集中于空间异质性的表面图案方面，参考Dutilleul和Legendre（1993）对这两个方面的完整讨论和比较。在接下来的文章中，Legendre（1993）将空间异质性纳入关于生态数据的空间结构的一般性讨论。事实上，空间异质性可能与生态信息相关。特别地，它通过其与遗传多样性的相互作用（Bell和Lechowicz 1991），人口动态（Cantrell和Cosner 1991）和社区内的栖息地分配（Weider 1984）是功能性的。高异质性干扰竞争（Powell和Rucherson 1985），因此允许保持更高的物种多样性（Pringle 1990）;它还影响捕食（Gilinsky 1984）和寄生（Nachman 1981）的影响，增加种群稳定性（Lodge等1988），并有助于保持种内遗传多态性（Lecho- wicz和Bell 1991）。与生态异质性相关的其他问题包括在Kolasa和Pickett（1991）。空间异质性不局限于户外。在生长室实验中，变异性的潜在来源是腔内条件随时间的波动，腔之间的差异以及这些因素之间的相互作用（Potvin和Tardif 1988）。尽管现代生长室的复杂性，在植被科学的实验中，生长条件不能总是被统一控制，时间和空间异质性的影响可能随物种和测量变量而变化（Potvin等人，1990a）。除了它涉及空间中的一个点和时间上的许多点之外，形式上的时间异质性与空间异质性非常相似。每当两个相邻位置在它们的时间变化上不同时，它们将导致空间异质性;然而，这种关系不对称（Kolasa和Rollo 1991）。空间异质性可能损害我们使用标准统计推理技术的能力，这些技术主要是针对从独立和相同分布的随机变量得到的一组观测结果，并且可以影响在没有适当允许的情况下进行的生态研究中的统计分析的结论。例如，在作物实验中，损伤的鸟类，水分测试或疾病可能在地块之间不均匀，并且产量然后可能与斑块损伤密切相关;以相同的方式，鱼类捕食的不存在或存在可能具有显着的影响，另一方面，在运动减少单位的实验中，产量变化的趋势可能源于生育力，温度或光梯度，特别是在玻璃房实验中;处理效果可能被混淆在空间中具有更多或更少的特权位置。在所有这些情况下，实验设计应适应空间异质性。显然没有这样做的食谱，我们将看到，必须根据所关注的空间异质性的类型每次都行使判断。虽然自然界显然是异质的，但空间异质性表现的规模本身也有很大的不同。例如，在水生生态系统的研究中，可观察到可溶性营养物中心表面的大规模水平梯度，以及营养物的局部斑块垂直（表面到底部）梯度的温度溶解氧在小到中等尺度（Neilson和Stevens1987，Frostetal.1988）。尺度的变化可以产生从异质性的同质性，并且反之亦然，并且包含在一个分辨率级别的形式在另一个级别看起来像噪声。森林火灾间隔的空间分布（Baker1989）的分析说明特征;分布在空间上变化，并且根据所考虑的空间尺度通过聚类分析来识别均匀的火区域。为了尽可能有效地实现研究，生态学家必须成年地选择尺度;即，它们必须识别可能发生规律性或异常性的特征尺度以及控制陆地景观或社区的过程所操作的优势尺度。如本文所使用的尺度是指由地图表示的区域，而不是地理学家的系统，其中该数字描述了地图缩减的程度;因此，分辨率对应于标尺的细度。空间异质性已在微观到宏观尺度，在淡水，咸水和海洋环境以及植物学和林业以及社区和陆地生态学研究中观察到（例如，Soriano等人，1987，Le gendreand Trousselier 1988， Mader 1988，Pinel-Al loul等人1988，Urabe 1989，Washitaniet al.1989，Matlack and Good 1990，Perez and Canteras 1990）。首先，我将简要回顾良好设计和最常用的实验设计的特征：完全随机，简单和多重区组设计;第二，我将解释生态场实验的设计如何适应小规模和片状空间异质性，以及环境梯度，或者作为感兴趣的特征的噪声。