第四节 生态网络相关研究进展

一 生态网络提取模型

目前，根据不同的研究目标和内容，不同学科基础的众多学者基于不同的生态网络结构认识，从不同的角度解释生态网络（刘世梁等，2017：3947～3956）。随着城镇化进程的加快，区域经济以及社会的发展都取得了一定程度的增长，同时一系列的生态环境问题也随之产生，道路的扩张以及城市化的建设等一系列的人为干扰活动加速了生境破碎化的发生。一些生物栖息地和自然生态系统被道路、农田、居住区等分割成一块块的斑块，部分生物种群被迫分割成孤立的小种群，生境破碎化现象在全世界范围内都非常普遍。针对以上现象，生物保护学者的研究重点逐渐从单纯的栖息地的保育和城市绿地的保护工作转变为恢复破碎化生境之间的连接。生态网络在保持空间完整性、维护区域生物多样性以及维持生态系统可持续发展等方面都有着重大意义，是景观生态学的重要研究内容。

提取生态网络是通过合理的手段连接分散的生态斑块，从而改善生境破碎化现象，为进一步分析生态网络结构与研究生态网络规划提供基础。目前，成本距离模型被广泛应用在生态网络的提取研究中。该模型利用ArcGIS空间分析，计算出“源”到目标点位置所需要耗费的最小累积阻力值，是生物保护研究中常用的模型（古璠，2017；吴晶晶，2018）。公式如下：

该模型下的生态网络构建主要包括三个步骤。①选取生境源斑块。这些斑块在维护生态网络稳定以及维持生态系统服务功能方面发挥着重要作用，面积大且相对比较完整的源地斑块，有利于物种的生存、繁衍、迁移及扩散，是生物多样性重要的空间保障。②根据各土地类型确定阻力，构建阻力面。物种迁移等生态过程有时需要跨越不同的斑块，计算在这个过程中产生的阻力，并以此构建阻力面。③提取最小耗费路径，生成潜在生态廊道。最小耗费距离模型是在阻力面构建的基础上计算斑块间最小累积阻力值，模拟出最佳路径作为潜在生态廊道，以此得到生态网络。

许多学者在最小耗费距离模型的基础上对其进行改进，使用修正模型得到提取效果更好的生态网络。潘竟虎等（2015）利用空间主成分分析和GIS技术，获取甘州区生态安全格局的分布状况，以土壤类型、植被覆盖度、距工业用地距离、距道路距离等10个要素作为约束条件，以最小累积阻力模型构建生态网络。

二 生态网络与景观格局

生态网络最早起源于生物保护领域。传统的对野生动物的保护策略是建立国家公园、自然保护区、风景名胜区等。景观生态学的兴起为生物保护提供了一个新的思路，人们逐渐认识到自然是一个相对动态的系统，栖息地的被隔离程度和破碎化程度日益加重，打乱了生态系统之间的作用与联系，使得生态系统失去平衡，逐渐威胁到生物多样性。因此，比起片面孤立地保护野生动植物栖息地，通过景观连接的恢复，保护区和景观连接形成的生态网络能够扩大影响范围、发挥更大的环境效益。对于生态网络的概念，目前学术界尚未达成统一，但总体来说生态网络具有以下几点比较典型的特征：①生态网络由核心区、缓冲区和生态廊道组成，且廊道的空间结构是线性的；②生态网络规划得到的是一个系统整体；③具有连接性；④生态网络能维持生态系统的结构稳定与动态性（刘世梁等，2017：3947～3956；陈璟如，2018：123～125）。

19世纪初期，埃比尼泽·霍华德提出“田园城市”理念，主张在旧城区周围修建一个8 km的公园带以控制城市的扩张。奥姆斯特德提出了公园道的概念，1858年，他规划的波士顿公园系统被公认为真正意义上的美国最早规划的生态网络（Jongman et al.，2004：305-319）。20世纪初，生态网络理念在欧洲和美国开始快速发展。学者们的目光开始从小尺度的城市公园规划，转向更大尺度的空间网络规划，如1969年麦克哈格的《设计结合自然》一书中提到有关流域保护的生态廊道的理念。20世纪90年代，学者开始研究通过恢复破碎生境之间的连接，提高生态网络的稳定性以保护生物多样性。90年代末，生态网络的发展进入了比较成熟的阶段。生态网络是具有一定生态功能的网络，在生态保护方面，它的建设可以保护生物多样性、维护生态系统稳定，此外，生态廊道还可以提供交通运输的功能，从景观设计角度，生态网络为人们提供游憩观赏、休闲等功能，可以缓解高速城市化给人们造成的压力（曲艺等，2016：29～36）。

在我国，生态网络规划的研究起步较晚。但近年来其构建体系已初具规模。池源等（2015）采用最小阻力距离法和重力模型法，运用RS和GIS技术手段，提取崇明岛景观生态网络。

景观格局指的是景观的空间格局，它的变化体现了自然和人为因素对区域环境综合影响的特征，是各种生态过程演化进程的瞬间表现，是动态的（陈利顶等，2008：264～270）。

20世纪70年代初，北美以Dansereau、R.T.T.Forman、P.G.Risser、Turne等人为代表进行土地利用景观格局分析。土地利用景观格局分析经历了从简单的定性分析到定量分析与空间分析相结合的过程。20世纪90年代以来，关于城市景观格局的研究越来越多。景观生态学包含了一系列景观空间格局分析的方法，其中，虽然景观格局指数在分析景观格局时存在一定的问题，但仍是景观格局分析研究的热点内容（潘泓君，2018；苏宁，2018）。Riiters等（1995）以 85张土地利用图为基础，采用相关分析与因子分析的方法计算了55个景观指数，筛选出分维数、斑块类型数、平均周长面积比、相对斑块面积、蔓延度5个指数作为反映格局特征的指数集。Luck、Wu（2002）以美国亚利桑那州菲尼克斯城区为研究区，将梯度范式与景观格局指数分析相结合，研究“城市-乡村”样带上的景观格局特征。随着景观格局研究的发展，学界产生了多种类型的景观指数，可从多种角度诠释景观格局特征。随着研究的进一步深入，近几年还发展出了用于模拟景观格局变化的模型。

20世纪80年代初期，景观生态学被引入中国。21世纪以来，我国社会经济进入快速发展时期，社会发展、城市规划、生态保护进入了全新的阶段，为景观格局的研究和应用提供了广阔的平台（刘颂等，2010：144～152）。傅伯杰等（2006）以土壤侵蚀现象严重的黄土高原区为研究对象，建立了多尺度的指数评价体系。

三 生态网络结构稳定性

网络分析作为一种切实可行的分析手段已经长期被应用于很多领域，例如社会科学领域、互联网领域等。近几年，随着GIS空间分析能力的不断发展以及遥感与计算机信息等技术的结合，网络分析逐渐被广泛地应用于生态学的研究（沈烽等，2016：94～98）。特别是景观生态学的引入，生态网络概念的提出，为生态学网络分析提供了新的思路。

生态网络分析方法是来源于投入产出分析法在生态学领域的应用，是一种分析生态系统作用关系、辨识系统内部、研究整体属性的系统分析方法。Hannon（1973）首次将“输入-输出”模型引入自然生态系统中，产生了生态网络分析思想（Ecological Network Analysis，ENA）。自此，生态网络分析方法成为研究生态系统的主流。1976年Finn改进了Hannon的方法，提出了一系列包括系统流通量、平均路径长度等指标在内的量化生态系统结构的指标及指数。1976年Patten等提出生态网络分析方法，该方法作为分析物质能量流动的手段得到大量的关注。环境元分析和上升性分析两大分支到20 世纪70年代初步形成。目前，ENA 方法作为国外研究生态系统的一种主流思想，在国内也被广泛地应用于社会经济、城市规划、景观生态等领域（韩博平，1993：41～45；李中才等，2011：5396～5405；张妍等，2017：4258～4267）。

生态网络分析领域涉及生态网络流动分析、信息分析、结构分析以及连接分析等。其中，生态网络结构分析对于深入探讨物质、能量流动具有重要意义。Wright认为随着路径的增加，物质流动的机会就会增加，因此路径长度和数量关系的研究显得尤为重要。Finn 建立了评价生态网络的重要指标：系统总流量（TST）、流入路径的平均长度（APL）和循环指数（CI）。

Ulanowicz和Norden等在信息理论的基础上定义了生态网络的平均交互信息（Average Mutual Information，AMI）概念。Rutledge等人认为，该值会随着生态网络物质、能量流动的提高而降低，也就是说，随着网络稳定性的提高而降低。其公式为：

式中：Tij表示由节点j流至节点i的流量；T表示网络通量；Ti表示流入节点i的总流量；Tj表示由节点j流出的总流量。

基于这样的认识，Ulanowicz和Norden认为，网络稳定性也可以认为是抵抗外界干扰变化的能力，进一步提出了评价生态网络稳定性的公式。当网络趋于稳定时，DR值随着AMI值的减小而增大。其公式为：

国内外关于生态网络的结构分析开展了很多的研究。Li等（2006）在计算资源交换的平均路径长度的基础上，结合上升性指标评价黄河流域生态系统发展的整体情况。之后，Bodini（2012）在Li等的研究基础上采用流量分布计算系统总流量（TST）、平均交互信息（AMI）等指标代表系统结构的复杂性，实现系统的水资源环境监测。Lu等（2014）将生态网络分析引入能源安全系统评估，结合网络上升性、网络稳定性等指标建立了基于生态网络分析的原始网络模型，对我国原油供应安全进行了整体评价。