生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究進展與展望

曹小朱宋鈺紅李世英

(1.西南林業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650224；2.國家林業(yè)與草原局西南風(fēng)景園林工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650224)

引言

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[1]是由不同類型的生態(tài)節(jié)點連接起來的分散的生境網(wǎng)絡(luò)，這些生態(tài)節(jié)點通過生態(tài)廊道相互連接。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)思想源于18世紀(jì)的城市美化[2]，如今其理念逐漸演變?yōu)樾迯?fù)破碎生境及物種棲息地，提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)服務(wù)功能[3]。近年來，隨著城市人口的增加和城市的無節(jié)制擴張，城市與鄉(xiāng)村生境空間的分配更加傾向于生產(chǎn)建設(shè)，城市用地零亂，城鄉(xiāng)資源的供給不充足以及分配不均勻、物種的生存環(huán)境惡化、“三廢”等重大環(huán)境污染、城鄉(xiāng)之間的貧富差距擴大等問題不斷出現(xiàn)[4]。城鎮(zhèn)化和建設(shè)用地的不斷擴張，導(dǎo)致大型綠地生境斑塊被不斷侵占、蠶食，連接生態(tài)用地間的廊道也被隔斷，導(dǎo)致景觀之間連通性降低，城市化與生態(tài)環(huán)境之間沖突愈加凸顯，人類正常生產(chǎn)與生活及生物多樣性受到嚴(yán)重沖擊[5]。部分生態(tài)環(huán)境問題不僅威脅到群眾的生命健康安全，同時也對國家的安全發(fā)展構(gòu)成了威脅。20世紀(jì)70年代以來，國際上出臺很多生態(tài)環(huán)境保護相關(guān)的政策，見表1。1972年，國際上開始重視人類生態(tài)環(huán)境的保護，其中對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的政策保護相對較早的是2020年IUCN(世界自然保護聯(lián)盟)發(fā)布的《通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)和生態(tài)走廊保護連通性的指南》。

表1 國際生態(tài)環(huán)境相關(guān)政策

我國一直把對生態(tài)的重視程度和保護力度放在重要的位置，近十幾年出臺了一系列法規(guī)政策和作出了重要講話，見表2。在黨的二十次全國代表大會上，習(xí)近平總書記明確提出“綠水青山就是金山銀山的理念，堅持山水林田湖草沙一體化保護和系統(tǒng)治理，全方位、全地域、全過程加強生態(tài)環(huán)境保護生態(tài)環(huán)境保護發(fā)生歷史性、轉(zhuǎn)折性、全局性變化，我們的祖國天更藍、山更綠、水更清”。面對一系列的生態(tài)問題，國內(nèi)外生態(tài)學(xué)家陸續(xù)著手研究環(huán)境生態(tài)問題并提出有助于加強生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)策略，如何識別綠地中可利用的斑塊并進行整合連接，構(gòu)建有效的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間進而加強生態(tài)廊道的建設(shè)，為生態(tài)環(huán)境優(yōu)化提供動力。

表2 國內(nèi)生態(tài)環(huán)境相關(guān)政策

1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建文獻計量分析

在中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)站中國知網(wǎng)(CNKI)上以“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”為主題詞或關(guān)鍵詞，截至2023年3月共檢索到5731篇文獻，其中，中文文獻有3069篇，英文文獻有2678篇。通過在SCI來源期刊、EI來源期刊、核心期刊、CSSCI來源期刊、CSCD來源期刊范圍內(nèi)進行精確檢索共得到751篇。在中國碩博士學(xué)位論文數(shù)據(jù)庫中，共檢索到901篇相關(guān)學(xué)位論文。在Web of science上以“Ecological network”進行檢索，精確檢索到20084篇文獻。此外，在百度學(xué)術(shù)(主要包括知網(wǎng)、維普、萬方等)以“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”為主題詞共檢索到文獻126000篇。由圖1可知，關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)文量自1993年開始出現(xiàn)，核心期刊和CSSCI文獻數(shù)量目前處于上升的狀態(tài)且達到了峰值，具有較大的研究價值。碩博論文2002年開始出現(xiàn)并一直處于上升趨勢，碩博論文出現(xiàn)比學(xué)術(shù)論文較晚，且增加幅度小于學(xué)術(shù)論文。

圖1 CNKI“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”研究文獻增長趨勢變化

由圖2可知，隨著生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究不斷深入，從20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了景觀格局、城市綠地系統(tǒng)、重力模型、景觀生態(tài)學(xué)、風(fēng)景園林等相關(guān)研究點，其中關(guān)聯(lián)度較高的是網(wǎng)絡(luò)分析。由圖3可知，國內(nèi)關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究主要聚焦于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)分析、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、生態(tài)安全格局、森林生態(tài)網(wǎng)絡(luò)等方面，重點研究主要聚焦于綠地系統(tǒng)。由圖4可知，國外關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究主題詞有動物、生態(tài)系統(tǒng)、人類、保護自然資源、生物多樣、生態(tài)學(xué)等，其中最主要的研究主題是動物，其次是生態(tài)系統(tǒng)。通過對國外相關(guān)文獻梳理，國外關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究的主要聚焦點在于考慮動物棲息地生境的保護與恢復(fù)。由圖5可知，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)主題研究中“網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建”與“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”共現(xiàn)次數(shù)最多，為69次，說明“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”研究中“網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建”是主要的研究熱點。

圖2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究點分析

圖3 CNKI“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”檢索研究內(nèi)容

圖4 Web of science中“Ecological network”主題詞分布

圖5 CNKI生態(tài)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究主題共現(xiàn)矩陣分析

2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究進展

2.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建國外研究進展

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是景觀生態(tài)學(xué)的研究重點，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)耦合景觀格局、生態(tài)過程能夠發(fā)揮重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，對于維持生物多樣性具有重要的意義，一個區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性和優(yōu)劣性決定了生態(tài)服務(wù)功能的正常發(fā)揮[6，7]。國外對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究可以追溯到18世紀(jì)80年代，對如何更好地聯(lián)系斑塊進行研究。Mac等提出在區(qū)域空間的尺度上進行生態(tài)廊道的規(guī)劃，來更好地聯(lián)系不同生態(tài)斑塊類型，增加生物遷徙路徑的同時保證生物的生存空間。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建體系和相關(guān)的構(gòu)建思路在20世紀(jì)90年代逐漸成熟，國外以歐洲和美國為主要代表，主要經(jīng)歷以下3個階段。

19世紀(jì)中期—20世紀(jì)初期，以美國和歐洲為代表的西方國家掀起一場公園運動的狂潮，如美國景觀設(shè)計之父奧姆斯特德的紐約中央公園、波士頓翡翠項鏈公園，其中波士頓翡翠項鏈公園體系是最好的景觀綠道，利用周邊的河流水體、綠地、森林等自然景觀作為紐帶，將沿途多個城市公園聯(lián)系起來形成一條綿延十幾公里的景觀綠帶，使該體系中的植物、動物、人文等資源相互聯(lián)系并得到更好的保護[8]。該案例打破了西方傳統(tǒng)的方正規(guī)則式景觀布局的局限，雖然當(dāng)時沒有生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的概念，但該公園體系表達的核心思想與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的概念十分謀和。

20世紀(jì)初期—20世紀(jì)中期，綠地空間規(guī)劃進入開敞式空間規(guī)劃時期，西方學(xué)者更多開始研究開放式空間尺度規(guī)劃。其中，麥克哈格的《設(shè)計結(jié)合自然》中首次提到開放綠色空間和生態(tài)廊道規(guī)劃系統(tǒng)，并于1928年在美國提出了第1個全面的跨洲綠地規(guī)劃，這影響了流域生態(tài)規(guī)劃的興起。1929年Cannon提出生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)概念，1935年Tansley提出生態(tài)系統(tǒng)概念，1940年Cabral提出的“自然連續(xù)體”理論等都是生態(tài)網(wǎng)絡(luò)思想的基礎(chǔ)[9]。

20世紀(jì)中期至今，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(Ecological Network)在20世紀(jì)80年代起源于物種保護，一開始的側(cè)重點在于視覺的連接性和生物之間的信息、能量、物質(zhì)的流動，研究到至今的主張修復(fù)破碎化生境及物種棲息地，重視生態(tài)網(wǎng)絡(luò)多樣的服務(wù)功能，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究蓬勃發(fā)展[10]。國外學(xué)者對于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究逐漸成熟并借助相關(guān)理論及軟件構(gòu)建相對完善的研究體系，形成了“生態(tài)基底分析—生態(tài)源地提取—廊道節(jié)點提取—生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化”的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模式。如，Linehan等[11]和Conine等[12]歸納了構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的具體步驟，主要包括土地利用評價、野生動物評價、生境適宜性分析、節(jié)點及連接度分析和網(wǎng)絡(luò)整體評估。

隨著生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究的深入，相關(guān)模型理論也被提出并成熟運用到生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究之中，常用的方法模型有形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)方法、最小累積阻力(MCR)模型、圖論理論、電路理論、InVEST模型等，為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究提供了理論支撐與技術(shù)支持。如，Knaapen等提出了最小成本距離模型(MCR)，并用于研究分析生物物種在遷徙過程中的最佳路徑，加強對物種生存空間的保護[13]。Ritters等基于形態(tài)學(xué)空間格局分析(MSPA)方法對研究地進行景觀格局演變分析研究和對生態(tài)源地的識別[14]。Schwaida等運用成本分析工具和AHP方法，為2處重要生態(tài)斑塊間構(gòu)建了一條供大中型哺乳動物遷徙的走廊[15]。Barnett等針對物種分布如何應(yīng)對氣候變化的認識，使用最小成本和電路理論方法，以北美大型保護區(qū)之間最少的人類改造的土地為例，建立了多尺度的連通性模型，確定了大型保護區(qū)之間的優(yōu)先走廊，描述了網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)[16]。Thinley等通過預(yù)測老虎的適宜性生境，識別了老虎遷徙潛在走廊，構(gòu)建了點線結(jié)合的老虎保護區(qū)網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)的有效性進行了評估[17]。

總體而言，國外生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建研究的范圍有大有小，相關(guān)的研究方法和途徑也比較多，同時也構(gòu)建了較為完整的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建框架。但是側(cè)重基于物種活動軌跡和生長位置等特性識別某一具體目標(biāo)物種的生態(tài)遷徙廊道，對于生態(tài)源地、生態(tài)重要節(jié)點的識別研究較少。

2.2 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建國內(nèi)研究進展

相比歐美國家，國內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究開始時間較晚，我國20世紀(jì)90年代才開始生態(tài)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究。1993年，韓博平首次在中國發(fā)表關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析法的論文，闡述生態(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[18]；并于1995年發(fā)表的文章中指出，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析可以對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的相互作用過程及相互作用強度進行量化分析，并且可以揭示生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的形成機制，以此來分析生態(tài)系統(tǒng)的整體性、復(fù)雜性[19]。2009年，張妍和楊志峰首次將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法引入我國城市生態(tài)系統(tǒng)研究，并指出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析有助于城市生態(tài)系統(tǒng)間的相互作用，促進城市社會經(jīng)濟與自然生態(tài)間的協(xié)調(diào)共生[20]。

目前，我國的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法在融合國際生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的思想下逐步由定性分析走向定量構(gòu)建，結(jié)合新興的3S技術(shù)，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的理論方法與模型趨于成熟，研究基本參照“生態(tài)源地識別—景觀連通性評價—阻力面設(shè)置—潛在廊道模擬及優(yōu)化”模式[21]。其中，基于MSPA與MCR模型構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建己經(jīng)成為公認的成熟的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及優(yōu)化方法[22]。在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究規(guī)模上有國家尺度、地區(qū)尺度、城市尺度、社區(qū)尺度。如，成雨萍從生物過程、水文過程、人文過程角度考慮，構(gòu)建了南方丘陵城市生境、水綠、游憩生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，最終通過疊加調(diào)整形成復(fù)合型生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，并提供具有可實施性的參考意見[23]。劉乙斐基于MSPA 和MCR模型以北京市延慶區(qū)為例，進行生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建優(yōu)化研究[24]。卿鳳婷和彭羽運用RS與GIS技術(shù)，對北京順義區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行構(gòu)建[25]。李晟等基于生態(tài)敏感性、生態(tài)服務(wù)價值以及棲息地可達性角度，采用形態(tài)空間格局分析法(MSPA)、景觀指數(shù)評價綜合方法識別洞庭湖綠地生態(tài)關(guān)鍵區(qū)并進行空間生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃[26]。

在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中，對于生態(tài)源地識別、廊道識別、生態(tài)阻力面構(gòu)建、生態(tài)節(jié)點的識別，基于研究區(qū)域數(shù)據(jù)的不同所使用方法也不盡相同。如，在生態(tài)源地識別方面，識別方法主要分為3種，直接選取生態(tài)用地或者自然保護地作為生態(tài)源地；基于生態(tài)重要性進行生態(tài)源地識別，提取出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給高值區(qū)域作為生態(tài)源地；基于景觀連通性進行生態(tài)源地提取。在廊道識別方面，目前生態(tài)廊道的提取方法主要有最小累積阻力模型(MCR)和電路理論，這2種方法應(yīng)用最為廣泛。在生態(tài)阻力面構(gòu)建方面，目前較多采用基于現(xiàn)狀土地利用類型直接賦值和構(gòu)建綜合評價指標(biāo)體系的方式構(gòu)建阻力面[27]。生態(tài)節(jié)點識別方面，目前大多數(shù)學(xué)者基于MCR模型和Arc GIS中的空間分析工具進行識別，如李航鶴等將借助MCR模型識別出的生態(tài)廊道與累積阻力表面的“脊線”在Arc GIS中進行空間疊加分析，提取出了生態(tài)節(jié)點[28]。

綜上所述，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及優(yōu)化主要基于土地利用方式、景觀格局、目標(biāo)物種等自然生境特征，交通基礎(chǔ)設(shè)施、社會文化服務(wù)等自然與人文因素構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析，生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在生態(tài)環(huán)境保護與修復(fù)實踐方面發(fā)揮著積極作用，同時也為城市更新及建設(shè)提供理論依據(jù)，保護城市生物多樣性。

3 展望

當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的研究案例很多，且開始由定性發(fā)展到定量探究，相關(guān)的研究方法體系與模型理論也很多。但生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化仍然存在很多問題與挑戰(zhàn)，如將理論運用到生境質(zhì)量保護與恢復(fù)的實踐案例較少；鮮有統(tǒng)一的評價指標(biāo)體系和能適應(yīng)不同資源環(huán)境的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)界定標(biāo)準(zhǔn)；在相關(guān)指標(biāo)選擇與賦值方面主觀性較強等，導(dǎo)致不同的研究學(xué)者對于不同區(qū)域、不同研究尺度下的研究結(jié)果存在明顯差異。因此，探索建立一套生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)體系對于環(huán)境生態(tài)保護與恢復(fù)以及相關(guān)管理政策的制定是非常重要的。根據(jù)以上問題提出3點建議：完善相關(guān)指標(biāo)體系，提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與優(yōu)化的科學(xué)性；加強對不同空間與區(qū)域生態(tài)過程的機制研究；借助學(xué)科交叉融合方法，探索新的研究方法體系與相關(guān)模型。