基于網(wǎng)絡(luò)效能分析的生境網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化
——以蘇錫常地區(qū)白鷺為例

吳 未, 范詩薇, 歐名豪,2

1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院,南京 210095 2 農(nóng)村土地資源利用與整治國家地方聯(lián)合工程研究中心,南京 210095

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基于網(wǎng)絡(luò)效能分析的生境網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化
——以蘇錫常地區(qū)白鷺為例

吳 未1,2,*, 范詩薇1, 歐名豪1,2

1 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)土地管理學(xué)院,南京 210095 2 農(nóng)村土地資源利用與整治國家地方聯(lián)合工程研究中心,南京 210095

從網(wǎng)絡(luò)效能分析出發(fā)研究生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化具有重要意義。以快速城市化蘇錫常地區(qū)為小尺度研究區(qū)、蘇錫常及周邊15個(gè)城市為大尺度泛研究區(qū)、白鷺為焦點(diǎn)物種,通過采用引入并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)效能概念框架、識(shí)別和構(gòu)建不同尺度生境網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)了跨尺度下白鷺生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。結(jié)果表明：1)依據(jù)大尺度遷移網(wǎng)絡(luò)完善小尺度生境網(wǎng)絡(luò)得到的方案一和改變方案一網(wǎng)絡(luò)特性得到的方案二均是現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案；2)方案二與方案一相比,在平均路徑長度值增加、聚類系數(shù)值減少、節(jié)點(diǎn)度概率分布冪次關(guān)系擬合度提高,即小世界特性減弱、無標(biāo)度特性增強(qiáng)的基礎(chǔ)上,測度網(wǎng)絡(luò)連接度的α、β、γ指數(shù)值得到增加,同時(shí)新增生境節(jié)點(diǎn)和遷移廊道數(shù)量更少,具有更好的優(yōu)化成效；3)從網(wǎng)絡(luò)效能分析出發(fā),有益于提高生境網(wǎng)絡(luò)跨尺度下優(yōu)化方案的可行性,其分析思路既豐富了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的方法論研究,也為提高上位與下位規(guī)劃空間契合度的實(shí)踐提供了理論支持。但從網(wǎng)絡(luò)效能概念框架看,如網(wǎng)絡(luò)層級(jí)分析、其他尺度情景研究、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測度指標(biāo)等方面還亟待豐富與完善。

網(wǎng)絡(luò)效能分析；生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征；尺度；白鷺；蘇錫常地區(qū)

生境網(wǎng)絡(luò)在保障物種在不同生境間的物質(zhì)、能量和信息交流、遏制生境破碎化影響、提高生境質(zhì)量[1]、支持物種長期存活[2]等方面具有重要意義。由于建設(shè)用地大規(guī)模擴(kuò)張、土地集約化利用等人為因素[3],大量自然生境被侵占[4]、生境質(zhì)量下降、數(shù)量減少[5- 6],物種生境網(wǎng)絡(luò)遭受破壞[7]、物種遷移受阻[8]。加強(qiáng)尤其是快速城市化地區(qū)的生境網(wǎng)絡(luò)保護(hù)及其優(yōu)化研究十分迫切。

生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究目前雖然涉及了不同的尺度[9- 12],但主要探討了單一尺度下物種的生態(tài)過程及其對(duì)環(huán)境短期變化的反應(yīng)；較少涉及多尺度或跨尺度情景。但是物種棲息地的空間連續(xù)性、遷移范圍廣等特征決定了多尺度或跨尺度情景下生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究的必要性和緊迫性[13]。事實(shí)上,對(duì)于不同尺度的生境網(wǎng)絡(luò),不進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性考慮,不從整體性上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連通,大尺度的生境網(wǎng)絡(luò)很難在小尺度上得到落實(shí),同時(shí)小尺度的生境網(wǎng)絡(luò)也很難在大尺度上得到體現(xiàn)和獲得應(yīng)有的保護(hù)。將注重系統(tǒng)性、整體性的網(wǎng)絡(luò)效能分析方法[14]引入研究,豐富了網(wǎng)絡(luò)多尺度或跨尺度優(yōu)化的思路,提高了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案的可行性,其方法有益于拓展網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究視角,得到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[14- 15]。

1991年P(guān)atten提出了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)效能概念[14],之后Fath和Patten等進(jìn)行了深入研究[16- 17],目前國內(nèi)已將之應(yīng)用到生態(tài)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)研究[18- 20]并構(gòu)建出相應(yīng)的評(píng)價(jià)框架[18- 19],但鮮有涉及生境網(wǎng)絡(luò)研究,亟待檢驗(yàn)應(yīng)用。

本文以快速城市化蘇錫常地區(qū)為研究區(qū)域、白鷺(Egrettagarzetta)為焦點(diǎn)物種,通過采用引入并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)效能概念框架、識(shí)別和構(gòu)建不同尺度生境網(wǎng)絡(luò)、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性相結(jié)合的方法,實(shí)現(xiàn)了跨尺度情景白鷺生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。本文著眼于生態(tài)學(xué)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嘟Y(jié)合的方法,回答如何運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)效能分析方法優(yōu)化跨尺度生境網(wǎng)絡(luò)？網(wǎng)絡(luò)效能分析方法在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究中的作用和意義是什么等問題,以期拓展生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法論的研究。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蘇錫常地區(qū)位于江蘇南部太湖之濱,總面積1.75萬km2,水域面積占32.5%。地區(qū)以江蘇約17%的國土面積和人口,實(shí)現(xiàn)了約40%的GDP和地方財(cái)政收入。截止2015年區(qū)內(nèi)共有國家森林公園7個(gè)、國家濕地公園2個(gè)、省級(jí)自然保護(hù)區(qū)3個(gè)和縣級(jí)自然保護(hù)區(qū)1個(gè)。地區(qū)周邊還有固城湖自然保護(hù)區(qū)、湯山方山國家地質(zhì)公園、寶華山自然保護(hù)區(qū)、鎮(zhèn)江三山風(fēng)景名勝區(qū)、長江豚類自然保護(hù)區(qū)等其它重要自然遺產(chǎn)地[21]。論文設(shè)定蘇錫常3市及鄰近12個(gè)城市包括滬通鹽泰揚(yáng)鎮(zhèn)寧宣杭嘉湖紹等為泛研究區(qū),總面積11.91萬km2。

中國在世界候鳥遷徙中發(fā)揮著重大作用[22]。其中縱貫浙滬蘇魯津冀遼等地區(qū)的東部通道,為南北候鳥尤其是濕地水鳥的遷徙提供了重要繁殖地、停歇地和越冬地[23]。近20年來,農(nóng)用地的減少、建設(shè)用地的增加以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的下降[24],致使生境破碎化趨勢加劇。2000—2010年研究區(qū)內(nèi)焦點(diǎn)物種白鷺的適宜生境及生境網(wǎng)絡(luò)遭到了嚴(yán)重破壞[25]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)主要包括中國科學(xué)院國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)2010年TM遙感數(shù)據(jù)、1∶5萬數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)(30 m×30 m)、2010年全國縣(市)行政區(qū)劃圖以及中國觀鳥記錄中心2003—2015年觀測數(shù)據(jù)。TM影像經(jīng)解譯得到土地利用/覆被數(shù)據(jù),結(jié)合白鷺生境特點(diǎn)和數(shù)據(jù)精度,在ArcGIS 10.0中將區(qū)內(nèi)土地劃分為水田、旱地、園地、喬木林地、灌木林地、草地、城鄉(xiāng)建設(shè)用地、交通用地、灘涂沼澤、湖泊水庫、河流、溝渠/運(yùn)河和其他未利用地13類。

1.3 研究思路與步驟

1.3.1 網(wǎng)絡(luò)效能分析與研究思路

效能是指達(dá)到目標(biāo)的程度,強(qiáng)調(diào)質(zhì)量[26],可以通過不同的準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)度量[18]。網(wǎng)絡(luò)效能是一種空間效能[19],強(qiáng)調(diào)因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征變化而帶來的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變化。從網(wǎng)絡(luò)效能出發(fā)研究生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題,就是采用生境網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征變化帶來生境網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量變化的思路和方法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的目的。不同情景生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)采用的網(wǎng)絡(luò)效能分析思路和方法是不同的?？绯叨壬尘W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化情景中網(wǎng)絡(luò)效能分析,思路上更加關(guān)注生境網(wǎng)絡(luò)隨尺度外推或在鄰近尺度之間轉(zhuǎn)換時(shí)的變化情況及由此對(duì)生境網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量帶來的影響；方法上更加強(qiáng)調(diào)對(duì)生境網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尺度變化特征分析,可以采用如生態(tài)過程跨尺度變化、特征參數(shù)空間變化、生態(tài)模型尺度轉(zhuǎn)換[27]等方法。

網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系,通常從簡單的規(guī)則網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)育為復(fù)雜的小世界網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)等[27]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征分析通常包括整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析、中心性分析、塊模型分析3個(gè)方面。整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析包括網(wǎng)絡(luò)密度、網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)度、網(wǎng)絡(luò)等級(jí)、網(wǎng)絡(luò)效率等；中心性分析包括中心度、中介中心度、接近中心度等；塊模型分析包括空間聚類分析等。不同網(wǎng)絡(luò)之間比較時(shí)需要依據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)育情況選擇適宜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)。已有成果表明,小尺度生境網(wǎng)絡(luò)多傾向于小世界網(wǎng)絡(luò)[12]、大尺度生境網(wǎng)絡(luò)多傾向于無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)?？绯叨壬尘W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化情景中尺度變化問題就成為不同尺度網(wǎng)絡(luò)相互轉(zhuǎn)化問題。小世界網(wǎng)絡(luò)和無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)作為2類最典型的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[28],兩者相比,無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)具有更好的空間效能[20]。尺度上推過程中,跨尺度生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化情景的研究思路是實(shí)現(xiàn)研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)小世界網(wǎng)絡(luò)特性減弱的同時(shí)增強(qiáng)無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特性,尺度下推過程反之亦然；研究方法可采用特征參數(shù)空間變化分析法考察小世界網(wǎng)絡(luò)和無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量變化情況。

生境網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量目前尚沒有明確定義。研究表明影響(生境)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的因素大致包括兩類[29- 31]：一是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成要素質(zhì)量如生境斑塊/節(jié)點(diǎn)、歇腳石、潛在遷移廊道等；二是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征如網(wǎng)絡(luò)連接度、網(wǎng)絡(luò)閉合度、網(wǎng)眼密度等。跨尺度生境網(wǎng)絡(luò)情景中網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成要素沒有發(fā)生變化,因此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征是考察重點(diǎn)。

本文設(shè)定研究區(qū)為小尺度、泛研究區(qū)為大尺度,焦點(diǎn)物種遷移活動(dòng)從研究區(qū)到泛研究區(qū)為跨尺度過程。該情景生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化思路及步驟包括：1)分別構(gòu)建研究區(qū)小尺度生境網(wǎng)絡(luò)和泛研究區(qū)大尺度遷移網(wǎng)絡(luò)；2)比照兩種尺度生境網(wǎng)絡(luò),對(duì)小尺度生境網(wǎng)絡(luò)增補(bǔ)必要生境節(jié)點(diǎn)和遷移廊道得到方案一；3)測度方案一小世界網(wǎng)絡(luò)和無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量,并以此為依據(jù)對(duì)方案一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整得到方案二；4)評(píng)價(jià)研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果。

1.3.2 兩種生境網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

研究區(qū)白鷺小尺度生境網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建參照已有成果[12]采用最小成本路徑法實(shí)現(xiàn)。

泛研究區(qū)白鷺大尺度遷移網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建步驟為：1)采用生境斑塊約束條件模型[25]與重要觀測點(diǎn)(中國觀鳥記錄中心觀測數(shù)量不少于20只的觀測點(diǎn))相結(jié)合的方法識(shí)別出重要生境斑塊并轉(zhuǎn)化為生境節(jié)點(diǎn)。為方便研究,將重要觀測點(diǎn)劃分為400只以上、100—400只之間、20—100只之間3個(gè)等級(jí)。2)采用不受覓食半徑約束的直線連接法[12]模擬潛在遷移廊道。

1.3.3 小尺度生境網(wǎng)絡(luò)增補(bǔ)

我國境內(nèi)有2條白鷺長距離的南北向遷徙路線：南向路線,始于日本福岡,經(jīng)橫跨東海,到上海南匯、浙江嘉興地區(qū)終止；北向路線,始于中國香港,經(jīng)粵閩浙皖蘇等省,到江蘇鹽城地區(qū)終止[22]。上述2條遷徙路線均在泛研究區(qū)范圍內(nèi),本文主要討論研究區(qū)北向路線。增補(bǔ)內(nèi)容包括：1)與大尺度遷移網(wǎng)絡(luò)比照,識(shí)別出小尺度生境網(wǎng)絡(luò)中必需但缺失的A類生境節(jié)點(diǎn)和A類遷移廊道；2)采用白鷺10 km最大覓食半徑[32]與生境斑塊約束條件模型相結(jié)合的方法識(shí)別出A類遷移廊道中必需但缺失的踏腳石并轉(zhuǎn)換為B類生境節(jié)點(diǎn)；3)采用受最大覓食半徑約束的直線法[25]識(shí)別連接現(xiàn)有生境節(jié)點(diǎn)、A、B類生境節(jié)點(diǎn)的B類遷移廊道；4)將A、B類生境節(jié)點(diǎn)和遷移廊道增補(bǔ)到研究區(qū)小尺度生境網(wǎng)絡(luò)中,得到方案一。

1.3.4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量測度和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整

測度方案一的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量是檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)小世界特性或無標(biāo)度特性的常用標(biāo)準(zhǔn)。與相應(yīng)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)相比一般認(rèn)為,同時(shí)兼具較小平均路徑長度和較大聚類系數(shù)的網(wǎng)絡(luò)為小世界網(wǎng)絡(luò)[33]、節(jié)點(diǎn)度滿足冪律分布的網(wǎng)絡(luò)為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)[34]。本文選取平均路徑長度、聚類系數(shù)和節(jié)點(diǎn)度概率分布特征為小世界網(wǎng)絡(luò)和無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量[35](表1)。

表1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量表達(dá)式及意義

(1)表達(dá)式中,i、j分別為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),N為節(jié)點(diǎn)總數(shù),L為平均路徑長度,C為聚類系數(shù),aij為任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)i和j的連接邊,dij為節(jié)點(diǎn)i到節(jié)點(diǎn)j的距離,ki為節(jié)點(diǎn)度,Ei為在由節(jié)點(diǎn)i的ki個(gè)臨近節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的子網(wǎng)中實(shí)際存在的邊數(shù),p(k)為網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)度概率分布函數(shù)

依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征量測度結(jié)果調(diào)整方案一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使之平均路徑長度增加、聚類系數(shù)減小的同時(shí)生境節(jié)點(diǎn)度概率分布擬合曲線冪次關(guān)系擬合度提高,即減弱方案一小世界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性同時(shí)增強(qiáng)無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性,得到方案二。以上步驟在ArcGIS 10.0中完成。

1.3.5 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)

選用測度網(wǎng)絡(luò)連接度的α、β、γ指數(shù)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)[25]。

2 研究結(jié)果

2.1 泛研究區(qū)大尺度遷移網(wǎng)絡(luò)

圖1 白鷺觀測數(shù)量不少于20只的生境節(jié)點(diǎn)排序情況 Fig.1 The number ranking of observation spots where over 20 little egrets have been eye-witted

圖1為泛研究區(qū)91個(gè)白鷺重要觀測點(diǎn)(生境節(jié)點(diǎn))降序排列情況。其中,一級(jí)節(jié)點(diǎn)6個(gè)分布在滬杭湖鎮(zhèn)鹽5市,鹽城2個(gè)(大豐、垛梁河口)；杭州蕭山圍墾區(qū)1000只最多、鎮(zhèn)江句容800只次之。二級(jí)節(jié)點(diǎn)19個(gè),除宣杭紹嘉揚(yáng)5市外其余10市均有,滬通鹽各有3個(gè)。三級(jí)節(jié)點(diǎn)66個(gè),15市內(nèi)均有分布。

圖2為按照1.3.3節(jié)遷徙路線繪制的白鷺泛研究區(qū)遷移方向示意圖。南向路線在上海境內(nèi)由3個(gè)二級(jí)和1個(gè)一級(jí)生境節(jié)點(diǎn)構(gòu)成；北向路線主要由一級(jí)生境節(jié)點(diǎn)沿“杭湖—鎮(zhèn)/通—鹽”方向包括多條遷移路徑構(gòu)成,形成了以一級(jí)生境節(jié)點(diǎn)為集聚中心、二三級(jí)生境節(jié)點(diǎn)為輔的遷移網(wǎng)絡(luò)骨架(圖3)。

2.2 研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)方案一

圖4為研究區(qū)白鷺現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)。圖5、圖6為按照1.3.3節(jié)方法對(duì)白鷺生境網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化的中間過程圖。圖5中A類生境節(jié)點(diǎn)(紅色)17個(gè)、A類遷移廊道(綠色)32條,其中11個(gè)生境節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)距離較遠(yuǎn),與多數(shù)A類遷移廊道共同起著連接研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)和泛研究區(qū)遷移網(wǎng)絡(luò)的重要“橋接”作用；但是多數(shù)A類遷移廊道直線距離超出10 km最大覓食半徑需要增設(shè)踏腳石(B類生境節(jié)點(diǎn))和B類遷移廊道。圖6中B類生境節(jié)點(diǎn)(紫色)90個(gè)和B類遷移廊道(紫色,包括與A類遷移廊道重疊部分)186條,它們的增設(shè)提升了圖5中生境網(wǎng)絡(luò)密度并降低了目標(biāo)物種遷移難度。

圖2 泛研究區(qū)內(nèi)白鷺遷移方向示意圖Fig.2 The direction of migration of the little egret of pan-study area

圖3 泛研究區(qū)內(nèi)白鷺大尺度遷移網(wǎng)絡(luò)Fig.3 The network of the little egret′s migration of pan-study area

圖7為圖5和圖6最終疊加結(jié)果即方案一。與圖4相比,方案一所示研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)更能體現(xiàn)出白鷺整體向北遷移、群體數(shù)量龐大、棲息地分散、覓食時(shí)不結(jié)群等種群特征和生態(tài)過程。

圖4 研究區(qū)白鷺現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)Fig.4 The current habitat network of the little egret of the study area

圖5 研究區(qū)A類生境節(jié)點(diǎn)和遷移廊道識(shí)別結(jié)果Fig.5 The distribution of habitat nodes and corridors of Type A of the study area

圖6 研究區(qū)B類生境節(jié)點(diǎn)和遷移廊道識(shí)別結(jié)果Fig.6 The distribution of habitat nodes and corridors of Type B of the study area

圖7 研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案一Fig.7 The habitat network optimization result of the study area: Scenario1

2.3 研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)方案二

圖8為按照1.3.4節(jié)方法對(duì)方案一進(jìn)行調(diào)整后得到的研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)方案二。

圖8 研究區(qū)生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案二Fig.8 The habitat network optimization result of the study area: Scenario2

圖9 方案一與方案二的節(jié)點(diǎn)度概率分布擬合曲線Fig.9 The curves of node degree′s distribution probability of Scenario 1 and Scenario 2

生境網(wǎng)絡(luò)Habitatnetworks平均路徑長度/kmAveragepathlength聚類系數(shù)Clusteringcoefficient現(xiàn)狀Thecurrentstatus0.6520.669方案一Scenario10.6740.612方案二Scenario20.8070.421

2.4 優(yōu)化結(jié)果評(píng)價(jià)

表3為現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)、方案一、方案二的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)情況。1)方案一、方案二與現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)相比,生境節(jié)點(diǎn)和廊道數(shù)量均有增加,對(duì)應(yīng)的3個(gè)連接度指數(shù)值也變大了,表明方案一、方案二均為現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案。2)方案二新增生境節(jié)點(diǎn)和廊道數(shù)量與方案一相比數(shù)值均較小、但對(duì)應(yīng)的3個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)值均較大,說明方案二較方案一優(yōu)化成效更顯著,為推薦方案。3)方案二中新增生境節(jié)點(diǎn)72個(gè),對(duì)應(yīng)生境斑塊面積在10—100 hm2,以喬木林地、沼澤灘涂、湖泊水庫為主,包括部分水田,符合生境地類要求,主要在常州長蕩湖和滆湖、無錫漕湖和江陰望山湖、蘇州昆承湖和澄湖等地,均為易恢復(fù)的生境斑塊。

表3 不同方案下生境網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)指數(shù)變化情況

以上說明,跨尺度情景下基于網(wǎng)絡(luò)效能分析的生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化,可以通過采用識(shí)別和增補(bǔ)小尺度生境網(wǎng)絡(luò)在大尺度遷移網(wǎng)絡(luò)中缺失的生境節(jié)點(diǎn)、遷移廊道和踏腳石的方法得以實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上,依據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)空間變化,對(duì)小尺度生境網(wǎng)絡(luò)向大尺度遷移網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征轉(zhuǎn)換,網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成效會(huì)得到進(jìn)一步提升。

3 結(jié)論與討論

基于網(wǎng)絡(luò)效能分析思路和方法,實(shí)現(xiàn)了跨尺度情景白鷺生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。結(jié)果表明：1)依據(jù)大尺度遷移網(wǎng)絡(luò)增補(bǔ)小尺度生境網(wǎng)絡(luò)得到的方案一和改變方案一網(wǎng)絡(luò)特性得到的方案二均是現(xiàn)狀生境網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案；2)方案二與方案一相比,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征在實(shí)現(xiàn)減弱小世界特性、增強(qiáng)無標(biāo)度特性調(diào)整預(yù)期目標(biāo)的同時(shí)新增生境節(jié)點(diǎn)和遷移廊道數(shù)量更少、網(wǎng)絡(luò)連接度數(shù)值更大,說明優(yōu)化成效更好。反映出調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比單純增補(bǔ)生境節(jié)點(diǎn)和遷移廊道對(duì)生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化結(jié)果影響更顯著。3)從網(wǎng)絡(luò)效能分析出發(fā)優(yōu)化生境網(wǎng)絡(luò),使得生境網(wǎng)絡(luò)及其保護(hù)在上位規(guī)劃與下位規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)了較高的契合度,換言之,既保證了下位規(guī)劃在上位規(guī)劃中得到充分體現(xiàn)的同時(shí),也實(shí)現(xiàn)了上位規(guī)劃在下位規(guī)劃中得到精準(zhǔn)執(zhí)行,切實(shí)提高了生境網(wǎng)絡(luò)跨尺度情景優(yōu)化方案的可行性。該分析思路既拓展了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究方法論,也為各類空間規(guī)劃政策制定和行政管理實(shí)踐提供了理論支持。

網(wǎng)絡(luò)效能分析在不同情景生境網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中的思路和方法是不同的。就本情景而言,還應(yīng)在以下3個(gè)方深入探討：1)強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)整體與子網(wǎng)的關(guān)系,豐富網(wǎng)絡(luò)層級(jí)[35]分析；2)完善尺度研究如物種尺度、時(shí)間尺度、空間尺度等情景[36- 37]；3)拓展網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測度指標(biāo),如能量流的數(shù)量分析方法[14,38]、承載力指標(biāo)[39]等。

如前所述,網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量目前尚無明確定義,其測度方法及量化指標(biāo)也亟待提出和驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)效能一方面理論研究發(fā)展較為迅速,但共識(shí)與分歧并存；另一方面應(yīng)用研究相對(duì)滯后,實(shí)踐與檢驗(yàn)尚處于起步階段。網(wǎng)絡(luò)效能與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量都關(guān)注網(wǎng)絡(luò),必然存在一定邏輯關(guān)系,但內(nèi)在機(jī)理仍有待深入探討。

文中白鷺生境網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是通過采用兩種方法實(shí)現(xiàn)的,這既是已有成果[12]的延續(xù),也是基于“白鷺大尺度長距離遷移以空中飛行為主、小尺度短距離擴(kuò)散以行走與飛行相結(jié)合為主”的生物習(xí)性考慮,但相關(guān)應(yīng)用研究較少還有待檢驗(yàn)。

圖2中一級(jí)生境節(jié)點(diǎn)“湖州—鎮(zhèn)江—大豐”、“杭州—垛梁河口—大豐”、“鎮(zhèn)江—垛梁河口”間的直線距離均在200—300 km具有一定規(guī)律性；一級(jí)生境節(jié)點(diǎn)分布較稀疏地區(qū)如蘇錫常地區(qū),二級(jí)生境節(jié)點(diǎn)分布較密集,其成因值得探討。

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A network efficiency analysis approach to habitat network optimization: a case study of the little egret (Egrettagarzetta) in the Su-Xi-Chang area, China

WU Wei1,2, *, FAN Shiwei1, OU Minghao1,2

1CollegeofLandManagement,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210095,China2National&JointLocalEngineering,ResearchCenterforRuralLandResourcesUseandConsolidation,Nanjing210095,China

The network efficiency analysis method is used to study network systematization and integrity, which are important for the assessment of ecological networks. However, this method has rarely been applied in habitat network optimization studies. The objective of the present study was to use the network efficiency analysis method to develop a new approach to optimize habitat network analysis. A small-scale area of 1.75 × 105km2was selected in the Su-Xi-Chang region as the case study; and 12 neighboring cities, together with the Su-Xi-Chang area, covering 11.91 × 105km2, were selected as the large-scale study area. The little egret (Egrettagarzetta) was chosen as a regionally representative species in the study area. The method included three steps: 1) a conceptual framework for the network efficiency analysis was built to optimize the habitat network, in which the small-world and scale-free network concepts were introduced, with their network structural characteristics, which included average path length, cluster coefficients, and the probability distributions of node degrees. These structural characteristics were applied in step 3 as the assessment indicators; 2) the little egret habitat patches and small- and large-scale habitat networks were identified and simulated. The present status of the small-scale habitat network was obtained from previous research results. In the large-scale area analysis, the observation sites were obtained from a dataset for 2003—2015 on theChinaBirdReportwebsite. These were regarded as the habitats and those sites where > 20 little egrets were observed simultaneously were identified and transferred to habitat patches. Then, a large-scale habitat network was simulated using the same method used in the previous research; and 3) the present status of the small-scale habitat network was optimized using the large-scale habitat network and was designated as network A. Network B was generated by adjusting the network A structure and transferring its network structural characteristics. The network connectivity indexes α, β, and γ of the present status small-scale habitat network were used to calculate and compare networks A and B. The results showed that 1) the A and B networks represented the optimized results of the present status small-scale habitat network; 2) the increased average path length value, decreased cluster coefficient value, and increased goodness-of-fit of probability distribution of node degree for network B compared to that of network A showed that the network B small-world network characteristics had decreased, but its scale-free network characteristics had increased. This suggests that network B has a better fit to the large-scale habitat network than network A; and 3) the number of newly-added habitat nodes and the migration corridor for network B were smaller than network A, but its corresponding values for the network connectivity indexes α, β, and γ were greater. This suggests that network B results were better than those for network A, and therefore are the recommended, optimized results. The present study indicated that optimizing habitat networks using the network efficiency analysis method improved effectiveness, enriched network structure optimization methodology, and provided a theoretical basis for improved goodness-of-fit when undertaking spatial planning among upper- and lower-levels. However, further studies are required to improve conceptual frameworks, including aspects of network hierarchical analysis, scaling, and network quality assessment indicators.

network efficiency analysis; habitat network optimization; network structure characteristics; scale; the little egret (Egrettagarzetta); Su-Xi-Chang area

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41571176)；江蘇高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(2015SJD096)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)人文社會(huì)科學(xué)研究基金配套項(xiàng)目(SKPT2015018)

2016- 03- 27; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2017- 02- 22

10.5846/stxb201603270551

*通訊作者Corresponding author.E-mail: ww@njau.edu.cn

吳未, 范詩薇, 歐名豪.基于網(wǎng)絡(luò)效能分析的生境網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化——以蘇錫常地區(qū)白鷺為例.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(11):3872- 3880.

Wu W, Fan S W, Ou M H.A network efficiency analysis approach to habitat network optimization: a case study of the little egret (Egrettagarzetta) in the Su-Xi-Chang area, China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(11):3872- 3880.