城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究進展

張 妍,鄭宏媚,陸韓靜

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室, 北京 100875

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城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究進展

張 妍*,鄭宏媚,陸韓靜

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室, 北京 100875

自生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法提出40多年來,其理論發(fā)展和應(yīng)用實踐不斷拓展,但直至21世紀才不斷引入到城市生態(tài)系統(tǒng)研究中,用以分析城市內(nèi)部多個主體和多種生態(tài)流構(gòu)成的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。目前,城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析集中于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法與指標的拓展及多尺度的應(yīng)用研究,而生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法又形成了上升性分析和環(huán)境元分析兩大分支,多尺度應(yīng)用涵蓋了城市鑲嵌的區(qū)域背景尺度和城市內(nèi)部產(chǎn)業(yè)部門之間的細節(jié)尺度。然而,當(dāng)前研究仍存在著多尺度融合、多種生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法集成不足等問題,這限制了城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法在城市規(guī)劃設(shè)計中的應(yīng)用。未來城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究集中于如下3點：(1)開展多尺度城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析,包括城市群-城市-園區(qū)/社區(qū)等,構(gòu)建多級嵌套生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型；(2)集成上升性與環(huán)境元分析方法,提出由外在表征到內(nèi)在過程的城市生態(tài)系統(tǒng)評價模式及模擬方法；(3)強調(diào)自然節(jié)點在城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的重要作用,形成社會經(jīng)濟節(jié)點與自然節(jié)點并重的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,并強調(diào)構(gòu)建多精度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型服務(wù)于不同的研究目的。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析；多尺度；城市；上升性分析；環(huán)境元分析

城市作為人類活動高度集中的區(qū)域,在快速發(fā)展過程中面臨著嚴重的生態(tài)環(huán)境問題,如資源耗竭、大氣污染、垃圾肆虐、生態(tài)破壞等[1- 2]。為應(yīng)對城市發(fā)展面臨的資源環(huán)境問題,我國著名生態(tài)學(xué)家馬世駿先生提出了社會-經(jīng)濟-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的概念[3- 4],倡導(dǎo)運用生態(tài)學(xué)原理與方法來解析和重構(gòu)城市生態(tài)系統(tǒng)。城市是一個有著組成結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的有機組織,城市中組分間的物質(zhì)能量交換往往涉及到多個主體、多種生態(tài)流,這些主體與生態(tài)流相互交織關(guān)聯(lián)在一起,形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài),由此,可以將城市生態(tài)系統(tǒng)組分及相互作用關(guān)系抽象為網(wǎng)絡(luò),引入生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究城市生態(tài)系統(tǒng)的研究[5- 6]。

1973年Hannon[7]首次將投入產(chǎn)出分析方法引入到自然生態(tài)系統(tǒng),分析了物質(zhì)與能量流動,標志著生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析思想的形成[8]。之后,1976年Finn[9]改進了Hannon的方法,提出了一系列量化生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指標及指數(shù),包括系統(tǒng)流通量、平均路徑長度和循環(huán)指數(shù)等,這極大地促進了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的形成。在此基礎(chǔ)上,1976年P(guān)atten等[10]正式提出了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法,并指出該方法是識別系統(tǒng)中物質(zhì)和能量流動相關(guān)信息的手段[11],可以定量研究網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部參與成員之間的相互作用關(guān)系[11-14],來理解生態(tài)系統(tǒng)的整體性和復(fù)雜性[15]。到了20世紀70年代末,已形成了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的兩大分支,環(huán)境元分析[11,16-17]和上升性分析[8,18],分別從網(wǎng)絡(luò)整體狀況及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點間互動作用兩個方面開展研究。其中上升性分析是基于信息理論來分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部物質(zhì)與能量流動的整體表現(xiàn)[19],而環(huán)境元分析則深入至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的參與者,分析基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)流圖的成員間流量分布,進而分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分布及功能關(guān)系[11,20]。一些學(xué)者也結(jié)合上升性分析和環(huán)境元分析優(yōu)勢,開展了由外在表征到內(nèi)在過程的研究[21- 23]。這些都為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。目前已開發(fā)出多種軟件,如Matlab[24]、NetMatCalc[25]、NETWRK[26]、WAND[27]、EcoPath[28]等,可有效提升生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的可見性和應(yīng)用效率。

目前,關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的研究已有綜述,但大多偏重于方法的發(fā)展歷程,1993年韓博平[19]概述了“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”概念的發(fā)展歷程,同時針對環(huán)境元分析和上升性分析,分別介紹了網(wǎng)絡(luò)循環(huán)指數(shù)的改進過程,以及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和營養(yǎng)級結(jié)構(gòu)分析等方面的研究現(xiàn)狀。1999年Fath and Patten[11]對“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析”的發(fā)展進行了更為詳細的綜述,界定了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的定義,以及網(wǎng)絡(luò)的行為、結(jié)構(gòu)和功能等特征；接著針對環(huán)境元分析,結(jié)合自然生態(tài)系統(tǒng)的案例,詳述了存量分析、流量分析、效用分析等具體方法,并指出了環(huán)境元分析應(yīng)用的假設(shè)和局限性。2011年李中才等[8]人從網(wǎng)絡(luò)整體表現(xiàn)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點之間關(guān)系,詳細解釋了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、上升性、鄰接特征、效用分析和隨機性指標,同時以自然生態(tài)系統(tǒng)為案例,指出網(wǎng)絡(luò)間接流量的貢獻。但是以上這些綜述都強調(diào)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)方法的發(fā)展,并沒有從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)方法多尺度的應(yīng)用、相關(guān)指標的城市生態(tài)系統(tǒng)特征的描述及未來生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景等方面進行梳理與總結(jié)。本研究試圖通過綜述生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法在城市系統(tǒng)中的應(yīng)用,從而識別城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的優(yōu)勢及不足,為該方法在城市生態(tài)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用提供指引,推動城市生態(tài)學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

1 上升性分析

上升性理論起初被用于量化生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展程度、識別干擾對系統(tǒng)的影響,同時也用來對比不同生態(tài)系統(tǒng)之間的發(fā)展狀態(tài)[29]。Ulanowicz[18,30]指出當(dāng)一個系統(tǒng)不斷發(fā)展時,它的上升性和相應(yīng)的可持續(xù)性特征都隨之增加。這一理論包含眾多指標可以對系統(tǒng)的總體發(fā)展狀況和系統(tǒng)總通量、資源在系統(tǒng)傳遞的平均路徑長度等開展研究,具體指標見表1[5,21-22,31-39]。

基于上升性理論在評價系統(tǒng)整體特征方面的優(yōu)越性,Bodini and Bondavalli[5]計算資源交換的平均路徑長度,并評價系統(tǒng)在水資源利用過程中的可持續(xù)性狀態(tài)。Li等[33]在此基礎(chǔ)上選取上升性、發(fā)展能力和系統(tǒng)總開銷評價黃河流域系統(tǒng)整體的發(fā)展。接著在2010年,Li和Yang[40]選取同樣的指標評價了北京市城市水資源利用系統(tǒng)。與此同時,為了定量化人為干擾對系統(tǒng)的影響,Fiscus[41]對比分析了自然生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò)和受到人類行為干擾后美國牛肉供應(yīng)鏈氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò),指出兩種網(wǎng)絡(luò)的連接度、營養(yǎng)級結(jié)構(gòu)、營養(yǎng)級效率指標的差異性。接著,Bodini[37]在Li等[33]的基礎(chǔ)上增加了系統(tǒng)總通量和平均交互信息指標,分析了美國Sarmato城市的水資源利用過程。Bodini等[42]同樣運用上述指標開展研究,但是對比分析了3個城市系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)業(yè)部門之間的水交換網(wǎng)絡(luò),評價了意大利Emilia Romagna區(qū)域典型城市居住區(qū)的持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。另外,也有學(xué)者從系統(tǒng)的抵抗力和系統(tǒng)效率入手,評價了城市的可持續(xù)性[43- 44,38],而劉耕源等[23]則從系統(tǒng)通量、結(jié)構(gòu)耦合程度等指標評價了大連市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展水平。Lu等[31]強調(diào)了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性指標,結(jié)合網(wǎng)絡(luò)上升性、平均交互信息等指標,評價了中國原油供應(yīng)安全,而Fang和Chen[21]在此基礎(chǔ)上,增加了網(wǎng)絡(luò)冗余度指標,評價了黑河流域水資源利用過程。另外也有學(xué)者通過強調(diào)營養(yǎng)級結(jié)構(gòu)指標的重要性,評價了北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)或典型社區(qū)[22,45]的碳代謝過程。上升性分析是一種研究系統(tǒng)外在表征的有效手段,但是這些指標不能針對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點展開分析,而環(huán)境元分析是有效的解決這一問題的方法與手段。

表1 上升性分析指標

2 環(huán)境元分析

環(huán)境元分析主要基于傳統(tǒng)的Leontief投入產(chǎn)出分析,但Suh[46]指出這種環(huán)境元分析與投入產(chǎn)出分析又有所不同,環(huán)境元分析類似于結(jié)構(gòu)路徑分析(SPA),而且框架趨于融合Ghoshian框架,而不是Leontief框架[46- 48]。該方法應(yīng)用的前提是系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài),也就是系統(tǒng)內(nèi)每一個參與者其輸入和輸出的資源量都是相等的[11],在此基礎(chǔ)上開展對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在結(jié)構(gòu)分布和功能關(guān)系的研究[49-56](表2)。

表2 環(huán)境元分析指標

環(huán)境元分析在城市系統(tǒng)的應(yīng)用較多集中在多種物質(zhì)[57]、能源[49,58]、碳元素的研究[49-58],另外也包含對水[59]、硫[60]、氮[61]等要素分析,主要采用流量分析、效用分析和控制分析等方法。流量分析集中于對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點間綜合流量的計算,分析成員對網(wǎng)絡(luò)的貢獻[31,49,58]、對比分析了直接與間接流量[53,59- 61]、明確了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的生態(tài)角色[62- 65]、模擬網(wǎng)絡(luò)生態(tài)層階結(jié)構(gòu)[2,6,66- 67]。效用分析方法集中于節(jié)點間生態(tài)關(guān)系的研究,確定了生態(tài)關(guān)系的占比結(jié)構(gòu)[2]、分析了生態(tài)關(guān)系的穩(wěn)定性[68],對比了直接與綜合生態(tài)關(guān)系變化[6,53,64- 65,69]及不同精度網(wǎng)絡(luò)模型的生態(tài)關(guān)系變化[35,70]、識別了上下游分布[63,71]、估算了系統(tǒng)節(jié)點的凈效益[1,55,62]及間接效益的比重[52]、評價了網(wǎng)絡(luò)整體共生水平[21,57,72]?？刂品治龇椒泄?jié)點對網(wǎng)絡(luò)影響的識別,包括直接和綜合控制強度的對比[57]、節(jié)點依賴程度和控制程度的對比[53,65,72]。

3 多尺度應(yīng)用

2002年Bodini and Bondavalli[5]首次將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法引入到城市系統(tǒng),自此,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的應(yīng)用范圍不斷拓展,包括將城市作為一個節(jié)點,分析其鑲嵌的城市群、流域、國家、全球生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中物質(zhì)與能量流動,為城市系統(tǒng)研究提供了不同尺度的背景場；也有深入到城市節(jié)點的內(nèi)部,分析城市內(nèi)部多節(jié)點構(gòu)成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)或典型社區(qū)/園區(qū)中物質(zhì)與能量的流動,為識別城市內(nèi)部的差異性提供了詳細的決策數(shù)據(jù)(圖1)。

城市背景尺度研究多集中于水[33]、能源[62]等關(guān)鍵要素,較少關(guān)注多種物質(zhì)的綜合代謝過程[73](圖2),跨越全球、國家、流域和城市群等多個尺度。水要素的研究大多集中于流域尺度,如2009年Li等[33]采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究水資源利用系統(tǒng),分析了1998—2006年黃河流域水提供、水生產(chǎn)、水消費等子系統(tǒng)13個節(jié)點間的水流動過程,并提出相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)評價指標。在此基礎(chǔ)上,有學(xué)者基于物質(zhì)能量流動過程構(gòu)建了虛擬水生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,模擬了生產(chǎn)與消費部門之間商品傳遞過程中所負載的全部水資源,如白洋淀流域[34]、黑河流域[21]等,另外也有學(xué)者以灰水足跡量作為路徑流量構(gòu)建了2006—2013年滇池流域水代謝網(wǎng)絡(luò)模型[74]。2012年Yang等[57]將虛擬水模型應(yīng)用到全球尺度,分析了1995—1999年世界范圍13個區(qū)域之間農(nóng)業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)過程的虛擬水流動過程。在國家、城市群尺度上也開展了能源要素的研究,如Lu等[31]以中國原油生產(chǎn)與消費部門、外部供應(yīng)為節(jié)點,分析了2001—2010年中國原油供應(yīng)安全；而Zhang等[62]以中國7大區(qū)30個省區(qū)為節(jié)點,基于地區(qū)間投入產(chǎn)出表構(gòu)建了隱含能生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型。之后,有學(xué)者將隱含能生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到城市群尺度的研究中,分析了京津冀城市群能源代謝過程,構(gòu)建了3地多個產(chǎn)業(yè)部門之間的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[63],并將能源代謝與碳足跡相結(jié)合,分析了能源與碳兩個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征的差異[75]。除了關(guān)注于關(guān)鍵的生態(tài)要素外,有學(xué)者采用物質(zhì)流分析方法,在核算多種物質(zhì)與能量的基礎(chǔ)上,剖析了中國社會代謝過程,構(gòu)建了包括環(huán)境節(jié)點的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[1,73]。

圖1 城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的多尺度應(yīng)用Fig.1 The multi-scale analysis of ecological network analysis in urban ecosystems

圖2 城市背景尺度文獻匯總Fig.2 The references in the scale of treating city as one node in a network圓圈中數(shù)字代表文中參考文獻編號

城市細節(jié)尺度主要以代謝的視角開展研究,構(gòu)建了城市范圍內(nèi)的代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,以及社區(qū)/園區(qū)代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型(圖3)。Borrett[76]指出可以研究自然生態(tài)系統(tǒng)成員之間相互作用關(guān)系及流通量分布的分析方法拓展到產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,引入概念“代謝”概念開展產(chǎn)業(yè)或城市系統(tǒng)資源流動過程研究[77]。

圖3 城市細節(jié)尺度文獻匯總Fig.3 The references in the scale of specifying sectors in an urban system

在Ecological Indicators?？囊黄獙?dǎo)語中也指出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析是一種研究城市代謝的有效方法,它將傳統(tǒng)的黑箱模式拓展到研究內(nèi)部社會經(jīng)濟部門和外界環(huán)境之間的相互作用關(guān)系[78]。要素分析方面集中于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法與物質(zhì)流、能量流方法的結(jié)合,對多種物質(zhì)統(tǒng)一核算后構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,當(dāng)然還涉及到碳[79]、水[59]、能源[66]、硫[80]、氮[61]等關(guān)鍵要素的研究?；谖镔|(zhì)能量轉(zhuǎn)換過程,一些學(xué)者通過結(jié)合能值[69]和火用[81]、物質(zhì)流分析[55,71]等核算方法構(gòu)建了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,模擬了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分布和功能關(guān)系。還有的學(xué)者將投入產(chǎn)出分析與物質(zhì)流分析[2,82]、火用[43]、能值[6]相結(jié)合,精細化了代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型。城市碳代謝研究成果突出體現(xiàn)在時空尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建,包括考慮城市內(nèi)外環(huán)境和產(chǎn)業(yè)部門[53]的模型,或僅考慮社會經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)部門[49,58]的模型,或以土地利用轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)構(gòu)建空間生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[35,70]；能源要素研究中所構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型有兩類,一是實物能流網(wǎng)絡(luò),二是隱含能源流動網(wǎng)絡(luò)[49,58]。實物能源網(wǎng)絡(luò)包括考慮實物型網(wǎng)絡(luò)流量的能源產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[44]、能源代謝網(wǎng)絡(luò)模型[66]等,以及、不同精細度城市能源代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的對比研究[67]。水要素研究中所構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型不同之處在于對自然組分考量程度的差異。Bodini及其團隊構(gòu)建的網(wǎng)路模型中充分考慮了自然生態(tài)系統(tǒng)的影響,并將水源、泉水或溪流等與社會經(jīng)濟系統(tǒng)中的產(chǎn)業(yè)部門共同看作網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點[5,37],開展了多個城市水系統(tǒng)的對比分析[42]。Li和Yang[40]在此基礎(chǔ)上,增加了對外部環(huán)境和景觀節(jié)點的考慮。而Zhang等[59]則從水代謝的角度入手,構(gòu)建了包含外部環(huán)境和產(chǎn)業(yè)部門的城市水代謝網(wǎng)絡(luò)模型。城市氮循環(huán)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型研究相對較少,僅Min等[61]對比了5個城市與22個自然生態(tài)系統(tǒng)的特征差異。在園區(qū)尺度,多集中于碳、硫等元素的研究,如硫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征分析[80]、硫代謝網(wǎng)絡(luò)直接與間接流量特征[60]、硫代謝網(wǎng)絡(luò)生態(tài)關(guān)系分布[52],以及碳代謝網(wǎng)絡(luò)生態(tài)關(guān)系分析[64- 65]。社區(qū)層面集中于碳代謝過程研究,通過構(gòu)建與家庭部門相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)模型,開展社區(qū)碳代謝網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析[22,45]。

4 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的發(fā)展體現(xiàn)在兩個階段,一是20世紀90年代方法探討及自然生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用的研究階段,二是21世紀初城市生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用的研究階段。1993年韓博平首次發(fā)表了有關(guān)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的文章[19,83],之后其研究成果大多集中于某一類具體方法的分析與應(yīng)用。韓博平1993年指出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是對生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量流動結(jié)構(gòu)的模擬,并界定了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的基本組成：節(jié)點和路徑[83]。之后,韓博平在1995年也指出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析是一種研究生態(tài)系統(tǒng)整體行為和特征的方法,可以量化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的相互作用過程和強度、揭示生態(tài)系統(tǒng)整體性和復(fù)雜性及其形成機制[15]。在環(huán)境元分析方面,有成果利用再循環(huán)指數(shù)開展了熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)鎂流動過程研究[84],及中國黃淮海平原農(nóng)林與系統(tǒng)沙蘭場-小麥-玉米群落的氮、磷、鉀元素的循環(huán)效率研究[86]；有成果采用路徑分析探究了英吉利海峽生態(tài)系統(tǒng)中能量流動網(wǎng)絡(luò)的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)信息[85]；有成果采用系統(tǒng)通量指標分析了德國西部城市諾伊斯河口氮循環(huán)流動通量。在上升性分析方面,有成果基于發(fā)展程度、冗余度和上升性指數(shù)研究了海洋生物間能量流動網(wǎng)絡(luò)[87]、水生生態(tài)系統(tǒng)中磷流動網(wǎng)絡(luò)[87]、東巴拿馬熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中鎂流動網(wǎng)絡(luò)[88]的穩(wěn)定程度。

國內(nèi)最早將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法引入城市生態(tài)系統(tǒng)研究的文獻,始于2009年。張妍和楊志峰首次提出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法是研究城市生態(tài)系統(tǒng)互動關(guān)系的有效手段,并采用環(huán)境元分析中的效用分析方法,選取中國6大典型城市分析了社會經(jīng)濟子系統(tǒng)和自然生態(tài)子系統(tǒng)之間相互作用關(guān)系[89]。在此基礎(chǔ)上,有學(xué)者將城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的部門,分析了大連市社會經(jīng)濟關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)部門之間[23]以及淮河流域水資源供需部門之間的相互作用關(guān)系[90-91]。劉耕源等[23]基于生態(tài)熱力學(xué)可用能核算,采用環(huán)境元方法分析了節(jié)點間通量及效用、路徑長度及數(shù)量,評價了節(jié)點間可用能轉(zhuǎn)換效率,從而剖析了節(jié)點之間的作用方式、生態(tài)關(guān)系及共生狀況。張博在構(gòu)建淮河流域水資源供需網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上,突出了與城市系統(tǒng)相關(guān)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、水處理、水分配等環(huán)節(jié)之間的水流路徑,并采用上升性分析中的平均交互信息指標評價了系統(tǒng)可持續(xù)性,及網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)力、效率和平衡能力等方面特征。之后,盧小麗和秦曉楠[92]以物質(zhì)能量流動上負載的信息傳遞為路徑,構(gòu)建了包括驅(qū)動力、壓力、狀態(tài)、響應(yīng)、影響等5個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)模型,并采用上升性分析中的發(fā)展程度、冗余度和上升性指數(shù)分析了中國沿海城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度和抗干擾能力。

5 未來發(fā)展方向

從多尺度應(yīng)用來看,城市問題的解決需要將城市放到其鑲嵌的大區(qū)域(全球、國家、流域、城市群)中來分析,檢測物質(zhì)與能量流動過程,然而現(xiàn)有城市背景尺度的研究還相對較少,特別是在城市群尺度上研究則更小。在中國大力推動城市群建設(shè)的大背景下,構(gòu)建城市群生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,分析多個城市協(xié)同與錯位發(fā)展將是未來的研究熱點。同時,現(xiàn)有城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究大多基于粗糙的或高聚合的數(shù)據(jù),構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型還不能體現(xiàn)與具體地點、活動的關(guān)聯(lián),未來研究將集中于城市生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建,識別不同功能群的空間分布及相互物質(zhì)、能量傳遞關(guān)系。無論將城市作為網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點,還是將城市作為子網(wǎng)絡(luò),進而將其映射到空間上,需要構(gòu)建多級嵌套的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,由上至下及由下至上多途徑、多層次追蹤生態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點及路徑,為理解城市可持續(xù)發(fā)展提供方法與手段。

從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用來看,上升性分析或環(huán)境元分析的應(yīng)用不斷發(fā)展,分別體現(xiàn)在外在特征評價及內(nèi)在機理剖析兩方面的貢獻,但現(xiàn)有研究對兩者的結(jié)合并不多。對一個城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的認識,需要從外在表征與內(nèi)在過程兩個方面來分析,這樣才能更為全面的理解研究對象,力爭服務(wù)于不同的研究需要,如城市狀況的評價離不開上升性分析,而導(dǎo)致城市狀況的原因剖析離不開環(huán)境元分析。

從城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建來看,當(dāng)前分析網(wǎng)絡(luò)模型精度對研究結(jié)果影響的成果并不多見,未來需要深入討論與分析構(gòu)建何種精度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型可以服務(wù)于何種研究目標。而且,大多強調(diào)社會經(jīng)濟系統(tǒng)的貢獻,對自然生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參與有所忽略。大多將環(huán)境作為一個節(jié)點,或少數(shù)幾個節(jié)點,并沒有充分突出自然節(jié)點在城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的貢獻。城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)不僅強調(diào)社會活動改變的城市自然,以及自然對社會的資源供給與廢物接納作用,更要求改變社會活動,使其成為生態(tài)系統(tǒng)的組成與分室,遵循生態(tài)學(xué)運行規(guī)律來發(fā)展。因此,社會經(jīng)濟節(jié)點與自然節(jié)點的參與整合研究同樣重要。

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A review of ecological network analysis in urban ecosystems

ZHANG Yan*, ZHENG Hongmei, LU Hanjing

StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

It has been more than forty years since the ecological network analysis was proposed, and its theories and applications have developed rapidly. Until 2002, the method had only been used to study urban ecosystems and to analyze interconnected networks, including multiple actors and ecological flows. Presently, the application of ecological network analysis to urban ecosystems includes its use at multi-scales and based on different indicators. It has been subdivided into Network Environ Analysis and Ascendency Analysis; and the multi-scales indicate regions comprised by cities and cities including industrial sectors. However, there are still aspects of the method that need to be improved, such as the application of multi-scales (e.g., using cities as nodes in a network or specifying sectors in urban systems) or the combined analysis of different indicators, and these limitations restrict the use of the method for urban planning and design. To continue the development of ecological network analysis in urban ecosystems, three main perspectives should be addressed: (1) the application of ecological network analysis at multi-scales, such as urban agglomerations and systems and industrial parks and communities, and the development of nested ecological networks; (2) the combination of Ascendency and Network Environ Analyses to develop an assessment system or method from external and internal attributes; and (3) emphasis on the importance of natural actors in urban ecosystems, along with merging socio-economic and natural actors to establish ecological networks with different precision.

ecological network analysis; multi-scale analysis; urban system; ascendency; network environ analysis

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0503005)；新世紀優(yōu)秀人才支持計劃“生態(tài)模擬”( NCET- 12-0059)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項目(51421065)；國家自然科學(xué)基金面上項目 (41571521)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(2015KJJCA09)；中美國際(地區(qū))合作交流項目(51661125010)

2016- 02- 24;

2016- 12- 13

10.5846/stxb201602240320

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangyanyxy@126.com

張妍,鄭宏媚,陸韓靜.城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究進展.生態(tài)學(xué)報,2017,37(12):4258- 4267.

Zhang Y, Zheng H M, Lu H J.A review of ecological network analysis in urban ecosystems.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4258- 4267.