斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)：景觀評(píng)價(jià)的功能流視角

陳端呂，李際平

（1.湖南文理學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖南 常德 415000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)：景觀評(píng)價(jià)的功能流視角

陳端呂1，李際平2

（1.湖南文理學(xué)院 資源環(huán)境與旅游學(xué)院，湖南 常德 415000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

景觀網(wǎng)絡(luò)從景觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到景觀功能網(wǎng)絡(luò)。景觀功能網(wǎng)絡(luò)將無形的景觀功能流落實(shí)于實(shí)際的空間中，更多地考慮功能“流”的聯(lián)系。由于景觀系統(tǒng)功能流空間的存在，以及流空間中由流勢(shì)差形成的流路徑，把斑塊作為景觀網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，從功能流的視角提出了可作為景觀整體評(píng)價(jià)的“斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)”模型。對(duì)模型闡述了節(jié)點(diǎn)、功能流路徑、功能流勢(shì)差三個(gè)維度的概念框架，指出了未來研究應(yīng)該對(duì)模型在景觀尺度及不同區(qū)域中的評(píng)價(jià)生態(tài)功能的適用性進(jìn)行實(shí)證檢驗(yàn)，并根據(jù)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正和完善。

斑塊耦合網(wǎng)絡(luò);功能流;景觀功能網(wǎng)絡(luò);概念框架;景觀評(píng)價(jià)

1 景觀網(wǎng)絡(luò)的演變與發(fā)展

1.1 從結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)到功能網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)之間存在著一種相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系，利用圖論的方法研究整體骨架成為重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)模型成為復(fù)雜系統(tǒng)的一種抽象描述方式和結(jié)構(gòu)形態(tài)，強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮卣?，從系統(tǒng)組分的關(guān)系視野為我們提供了一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的新視角、新方法。網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用，最早是從神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)以及郵電通訊網(wǎng)絡(luò)等開始的，這些網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)實(shí)存在的網(wǎng)絡(luò)或者解剖結(jié)構(gòu)上存在的網(wǎng)絡(luò)，表達(dá)了實(shí)體系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，是一種實(shí)體性結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。實(shí)體性結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用，表明從網(wǎng)絡(luò)的角度有助于認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的整體性和復(fù)雜性特征[1]。

近年來，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性科學(xué)的推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)研究作為剖析系統(tǒng)復(fù)雜性的手段，發(fā)展較快，有人從生物系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)制中，發(fā)現(xiàn)除了實(shí)體性結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，還存在系統(tǒng)組分通過非線性相互作用組成的功能網(wǎng)絡(luò)[2]，基因網(wǎng)絡(luò)[3]、蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)[4]和代謝網(wǎng)絡(luò)[5]是生物系統(tǒng)中三種重要的功能網(wǎng)絡(luò)。

從結(jié)構(gòu)的實(shí)體性拓展到功能視角，是現(xiàn)實(shí)性結(jié)構(gòu)到抽象性結(jié)構(gòu)的拓展。通過結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞路徑所形成的相互作用在大尺度下通常更多地表現(xiàn)為功能連接，其網(wǎng)絡(luò)是一種功能網(wǎng)絡(luò)。功能網(wǎng)絡(luò)是對(duì)結(jié)構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)透過現(xiàn)象表層去捕捉深層次的東西，結(jié)構(gòu)與功能相當(dāng)于符號(hào)與信息，功能網(wǎng)絡(luò)是顯性與隱含的交錯(cuò)，功能網(wǎng)絡(luò)包含結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)?？梢越柚诰W(wǎng)絡(luò)的概念、屬性和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究的各種方法來理解系統(tǒng)的演化和行為。

1.2 景觀網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)展

景觀是生態(tài)系統(tǒng)水平之上，基于人地綜合體的一個(gè)更高水平的等級(jí)系統(tǒng)[6-8]。景觀網(wǎng)絡(luò)是通過景觀組分空間關(guān)聯(lián)、功能過程關(guān)聯(lián)、宏觀上為達(dá)到結(jié)構(gòu)和功能整合的一種普遍存在的景觀結(jié)構(gòu)[9]，景觀生態(tài)學(xué)中的景觀網(wǎng)絡(luò)是由空間中相互聯(lián)系的廊道、斑塊與節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的實(shí)體，是一種景觀組分的空間結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主要是通過景觀廊道中通道效應(yīng)的組分形成空間可視的景觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[10]。

景觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主要由生境斑塊和廊道構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過跨越廊道形成物質(zhì)、能量和有機(jī)體等景觀功能流，廊道是景觀功能流的典型載體，只有廊道具有“橋”的作用，可在景觀整體中通過廊道進(jìn)行各景觀組分間的交互作用，產(chǎn)生能量流、物質(zhì)流和信息流的流動(dòng)和交換。景觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)依賴景觀空間的聯(lián)系，更多地考慮景觀的空間結(jié)構(gòu)，是景觀的構(gòu)型成分在空間上的體現(xiàn)，這種網(wǎng)絡(luò)從視角感知上應(yīng)該是具體的，是基于空間的網(wǎng)絡(luò)，由空間結(jié)構(gòu)特征切入進(jìn)而探討景觀生態(tài)過程及其生態(tài)價(jià)值[11-12]。

結(jié)構(gòu)是功能的表現(xiàn)，整體功能的內(nèi)部關(guān)系不一定可視[13]，功能聯(lián)系不只局限于廊道，于是發(fā)展了景觀功能網(wǎng)絡(luò)。景觀功能網(wǎng)絡(luò)更多地考慮功能“流”的聯(lián)系，把這種功能的相互作用抽象出來，作為網(wǎng)絡(luò)的邊，結(jié)點(diǎn)主要考慮功能，只有具有相互功能聯(lián)系的結(jié)點(diǎn)，才能抽象成網(wǎng)絡(luò)的邊。景觀功能網(wǎng)絡(luò)可將無形的景觀功能流落實(shí)于實(shí)際的空間中，有助于在強(qiáng)化景觀空間聯(lián)系的格局優(yōu)化中提升景觀的功能[14]，具有時(shí)間維度、或者空間維、或者時(shí)空二維度。如食物鏈網(wǎng)，具有時(shí)空二維度，即體現(xiàn)在時(shí)間過程中，又發(fā)生具體的空間里。完整的景觀功能網(wǎng)絡(luò)則具備跨尺度的功能聯(lián)系，是從基于空間格局的“可視網(wǎng)絡(luò)”到基于功能的“不可視網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展，并具有特定的景觀類型組成及功能等級(jí)[15]。當(dāng)然，從廣義上看，景觀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)也是一種景觀功能網(wǎng)絡(luò)，是可視的景觀功能網(wǎng)絡(luò)。

2 斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)的提出

景觀組分間的交互作用通過網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生能量、物質(zhì)、信息的流動(dòng)與交換，“流”的作用形成網(wǎng)絡(luò)的功能[16]。斑塊作為景觀組分，是景觀中物質(zhì)與能量遷移和信息交換的場(chǎng)所，斑塊是影響能量與物質(zhì)分布的重要因素，其形狀與大小共同影響斑塊的生境適宜性及斑塊間的生境異質(zhì)性[17]。任何一個(gè)斑塊都不是孤島，斑塊的各種現(xiàn)象都受到來自斑塊外部和穿過斑塊邊界因素的影響，斑塊關(guān)系通過表現(xiàn)為乘數(shù)效應(yīng)的復(fù)雜功能流形成景觀綜合體[18]。

把景觀作為處于不同空間的流動(dòng)鑲嵌體，以斑塊的個(gè)體行為和空間特征作為調(diào)控節(jié)點(diǎn)，以斑塊間功能流相互作用的源匯關(guān)系作為網(wǎng)絡(luò)邊，構(gòu)造反映組分及其相互耦合作用的網(wǎng)絡(luò)，這是景觀層次通過斑塊構(gòu)成的景觀功能網(wǎng)絡(luò)類型，稱之為“斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)”?！鞍邏K耦合網(wǎng)絡(luò)”研究發(fā)生在斑塊間的生態(tài)功能過程，是景觀生態(tài)學(xué)中“景觀功能網(wǎng)絡(luò)”的發(fā)展?！鞍邏K耦合網(wǎng)絡(luò)”是代表“斑塊的耦合體”整體結(jié)構(gòu)的骨架，有助于從網(wǎng)絡(luò)的角度認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的整體性和復(fù)雜性特征。

3 斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)

3.1 功能流空間

斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)是研究斑塊間的生態(tài)功能動(dòng)態(tài)過程，受到來自斑塊外部和穿過斑塊邊界因素的影響，在斑塊之間通過橫穿邊界進(jìn)行著復(fù)雜的景觀功能流。功能流反映了斑塊關(guān)系，是斑塊之間生態(tài)過程所發(fā)生的頻繁、雙向或多向的交互流動(dòng)現(xiàn)象，表現(xiàn)為物質(zhì)流、能量流或信息流等三種相互聯(lián)系與相互作用的不同形式。功能流強(qiáng)度是在斑塊間的聯(lián)系中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)與生態(tài)過程發(fā)生改變所產(chǎn)生的影響量，斑塊界面的厚度和對(duì)比度影響生態(tài)流，同時(shí)影響矢量的動(dòng)能,從而改變物質(zhì)的流通率和分布[17]。每個(gè)斑塊個(gè)體輸入輸出的功能流的類型，地位和流量在一定程度上決定斑塊的個(gè)體行為和空間特征[19]，而斑塊群體中互為源匯關(guān)系的功能流，是某種載于斑塊結(jié)節(jié)之間的連接上的流[20]，功能流流動(dòng)路徑隨時(shí)間的分布過程構(gòu)成一種“耦合”，形成不斷流動(dòng)的“流”創(chuàng)造的空間[21]。功能流空間的存在，使斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)在該空間中通過流的功能性邏輯映射出的空間組織關(guān)系。

3.2 功能流漲落

景觀斑塊在同一生態(tài)環(huán)境下存在內(nèi)部生物機(jī)制與環(huán)境資源利用競(jìng)爭(zhēng)的差異（勢(shì)差），導(dǎo)致了斑塊間的功能流從分散向集中高密度集聚，從低質(zhì)向高質(zhì)、高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)，從無序向有序連續(xù)積累。在不同的時(shí)空有不同的流動(dòng)路徑與流動(dòng)速度，當(dāng)輸入的功能流的流量、流速或流動(dòng)勢(shì)等特性值達(dá)到某個(gè)閾值時(shí)，將會(huì)引起斑塊內(nèi)部各元素或斑塊之間功能流的流動(dòng)路徑、流動(dòng)方式或相互作用發(fā)生改變，驅(qū)動(dòng)勢(shì)的總方向也影響著功能流的流動(dòng)方向，出現(xiàn)了多種多樣的流動(dòng)路徑、流動(dòng)方式以及相互作用，形成斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)功能流的流動(dòng)漲落。這些漲落又直接影響斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)中功能流的不同狀態(tài)以及耦合作用發(fā)生改變。斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)通過功能流的流動(dòng)漲落引起了內(nèi)部關(guān)聯(lián)，使景觀斑塊在景觀整體中呈現(xiàn)不同程度的耦合狀態(tài)，即“斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)”的結(jié)構(gòu)，發(fā)揮著結(jié)構(gòu)、功能和行為的調(diào)節(jié)和控制作用，進(jìn)而獲得景觀系統(tǒng)在特定時(shí)間、空間、功能和目標(biāo)下的有序與優(yōu)化。

4 斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)模型概念框架

生態(tài)功能的表現(xiàn)需要依賴超越于地面同質(zhì)系統(tǒng)的空間關(guān)聯(lián)。斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)方式的變化在功能演化的表現(xiàn)，通過功能流在景觀中產(chǎn)生了一種新的穩(wěn)定的功能流的流動(dòng)路徑或運(yùn)動(dòng)方式，從而不斷地進(jìn)行著功能流的交換，并把組元連接起來，構(gòu)成有一定功能、一定目標(biāo)、一定結(jié)構(gòu)的，具有流動(dòng)和傳遞特性的客體匯，形成因功能流的流動(dòng)而形成網(wǎng)絡(luò)的流結(jié)構(gòu)[22]。斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)把斑塊作為節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)聯(lián)系依賴斑塊功能流動(dòng)態(tài)。從物質(zhì)、能量和信息流動(dòng)方式來理解網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)方式及其進(jìn)化，確立了功能流視角的網(wǎng)絡(luò)框架。

斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)維度：節(jié)點(diǎn)、功能流路徑、功能流勢(shì)差，概念框架見圖1。（1）功能節(jié)點(diǎn)N (Node)。把斑塊作為一個(gè)功能節(jié)點(diǎn)。功能節(jié)點(diǎn)是斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)模型的重要組成，每個(gè)功能節(jié)點(diǎn)在空間上的投影即為景觀空間格局的一個(gè)斑塊結(jié)構(gòu)。（2）功能流路徑P (Path)。功能流在不同能級(jí)的斑塊間有序運(yùn)動(dòng)形成路徑。路徑是節(jié)點(diǎn)間物質(zhì)、能量與信息傳遞的通道。功能流路徑方向通過對(duì)流的“源”與“匯”以及流的通道的空間要素組織得以調(diào)控。（3）功能流勢(shì)差PD(Potential Difference)。每個(gè)斑塊在空間上的不連續(xù)性形成了斑塊邊界（界面），正是邊界的邊緣效應(yīng)使產(chǎn)生相互作用的兩個(gè)斑塊之間形成功能流勢(shì)差。在功能流傳遞的路徑上，功能流的驅(qū)動(dòng)，受驅(qū)動(dòng)力、阻力、干擾的共同作用，流的驅(qū)動(dòng)力和阻力的矢量和值形成功能流的網(wǎng)絡(luò)格局，功能流在不同能級(jí)的斑塊間有序運(yùn)動(dòng)，斑塊的能級(jí)特征由其空間位置、物質(zhì)組成、生物因素及其環(huán)境參數(shù)所決定，也就是流的驅(qū)動(dòng)因素。流的流動(dòng)需要克服種種阻力來實(shí)現(xiàn)對(duì)景觀的覆蓋和控制。

圖1 斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)的概念框架Fig.1 Conceptual framework of coupled patches network

5 未來研究方向

生態(tài)功能的表現(xiàn)使景觀越來越多地視為一個(gè)整體單位來思考、研究和管理，構(gòu)成對(duì)可持續(xù)發(fā)展環(huán)境進(jìn)行規(guī)劃和管理的最適宜的空間尺度。一定條件下，理論上存在某種最佳景觀構(gòu)型，其構(gòu)型骨架最佳選擇為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，可為組織中具體的實(shí)踐活動(dòng)提供一定的參考價(jià)值。

任何理論模型都要經(jīng)過實(shí)證研究的檢驗(yàn)才能完成理論到實(shí)踐的跨越，作為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)，從理論上分析能夠增加原有模型的解釋力，但斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與其系統(tǒng)生態(tài)功能的相關(guān)性在規(guī)律的模擬方面受到客觀條件的限制，同一地點(diǎn)也許不會(huì)發(fā)生各種網(wǎng)絡(luò)的存在，而且實(shí)證方面的研究更是缺乏，因此，未來研究應(yīng)該對(duì)模型在景觀尺度及不同區(qū)域中的評(píng)價(jià)生態(tài)功能的適用性進(jìn)行實(shí)證檢驗(yàn)，并根據(jù)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行進(jìn)一步的修正和完善。

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Coupling network of landscape patches from the perspective of function fl ows of landscape evaluation

CHEN Duan-lv1, LI Ji-ping2
(1.College of Resources environment and tourism, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, Hunan, China; 2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The landscape function network is proposed based on the landscape structure network. Relationship between landscape elements of landscape function network is expanded from visible space to invisible landscape function fl ow. Due to existing fl ow space and fl ow path formed by fl ow potential difference in fl ow space, so landscape patch can be taken as node of landscape network, and the coupling network of landscape patches model which can evaluate overall function of landscape sysytem was proposed from the perspective of the functional fl ow. The conceptual frameworks of coupling network of landscape patches model were expounded from the three aspects, namely, node, function fl ow path and function fl ow potential difference. It is pointed out that the suitability of the model structure which can express different ecological functions should be tested and corrected.

coupling network of landscape patches; function fl ows; landscape functions network; conceptual framework; landscape evaluation

S771.8

A

1673-923X(2013)01-0007-04

2012-10-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(3097362)；湖南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(12A100)；湖南文理學(xué)院博士啟動(dòng)基金（BSQD1015）

陳端呂(1965-)，男，湖南隆回人，教授，博士，主要從事景觀地理和3S技術(shù)的教學(xué)與科研工作

李際平(1957-)，男，湖南醴陵人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事林業(yè)系統(tǒng)工程教學(xué)與科研工作

[本文編校：歐陽欽]