城市生態網絡分析研究進展

張 妍,鄭宏媚,陸韓靜

北京師范大學環境學院, 環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室, 北京 100875

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城市生態網絡分析研究進展

張 妍*,鄭宏媚,陸韓靜

北京師范大學環境學院, 環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室, 北京 100875

自生態網絡分析方法提出40多年來,其理論發展和應用實踐不斷拓展,但直至21世紀才不斷引入到城市生態系統研究中,用以分析城市內部多個主體和多種生態流構成的關聯網絡。目前,城市生態網絡分析集中于生態網絡分析方法與指標的拓展及多尺度的應用研究,而生態網絡分析方法又形成了上升性分析和環境元分析兩大分支,多尺度應用涵蓋了城市鑲嵌的區域背景尺度和城市內部產業部門之間的細節尺度。然而,當前研究仍存在著多尺度融合、多種生態網絡分析方法集成不足等問題,這限制了城市生態網絡分析方法在城市規劃設計中的應用。未來城市生態網絡分析研究集中于如下3點：(1)開展多尺度城市生態網絡分析,包括城市群-城市-園區/社區等,構建多級嵌套生態網絡模型；(2)集成上升性與環境元分析方法,提出由外在表征到內在過程的城市生態系統評價模式及模擬方法；(3)強調自然節點在城市生態網絡中的重要作用,形成社會經濟節點與自然節點并重的生態網絡模型,并強調構建多精度的生態網絡模型服務于不同的研究目的。

生態網絡分析；多尺度；城市；上升性分析；環境元分析

城市作為人類活動高度集中的區域,在快速發展過程中面臨著嚴重的生態環境問題,如資源耗竭、大氣污染、垃圾肆虐、生態破壞等[1- 2]。為應對城市發展面臨的資源環境問題,我國著名生態學家馬世駿先生提出了社會-經濟-自然復合生態系統的概念[3- 4],倡導運用生態學原理與方法來解析和重構城市生態系統。城市是一個有著組成結構與功能關系的有機組織,城市中組分間的物質能量交換往往涉及到多個主體、多種生態流,這些主體與生態流相互交織關聯在一起,形成了網絡結構形態,由此,可以將城市生態系統組分及相互作用關系抽象為網絡,引入生態網絡分析方法研究城市生態系統的研究[5- 6]。

1973年Hannon[7]首次將投入產出分析方法引入到自然生態系統,分析了物質與能量流動,標志著生態網絡分析思想的形成[8]。之后,1976年Finn[9]改進了Hannon的方法,提出了一系列量化生態系統結構的指標及指數,包括系統流通量、平均路徑長度和循環指數等,這極大地促進了生態網絡分析方法的形成。在此基礎上,1976年Patten等[10]正式提出了生態網絡分析方法,并指出該方法是識別系統中物質和能量流動相關信息的手段[11],可以定量研究網絡內部參與成員之間的相互作用關系[11-14],來理解生態系統的整體性和復雜性[15]。到了20世紀70年代末,已形成了生態網絡分析的兩大分支,環境元分析[11,16-17]和上升性分析[8,18],分別從網絡整體狀況及網絡內部節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絡內部物質與能量流動的整體表現[19],而環境元分析則深入至網絡內部的參與者,分析基于生態網絡流圖的成員間流量分布,進而分析網絡內部復雜的結構分布及功能關系[11,20]。一些學者也結合上升性分析和環境元分析優勢,開展了由外在表征到內在過程的研究[21- 23]。這些都為生態網絡分析方法的應用提供了基礎。目前已開發出多種軟件,如Matlab[24]、NetMatCalc[25]、NETWRK[26]、WAND[27]、EcoPath[28]等,可有效提升生態網絡分析方法的可見性和應用效率。

目前,關于生態網絡分析方法的研究已有綜述,但大多偏重于方法的發展歷程,1993年韓博平[19]概述了“生態網絡”概念的發展歷程,同時針對環境元分析和上升性分析,分別介紹了網絡循環指數的改進過程,以及網絡穩定性和營養級結構分析等方面的研究現狀。1999年Fath and Patten[11]對“生態網絡分析”的發展進行了更為詳細的綜述,界定了網絡環境的定義,以及網絡的行為、結構和功能等特征；接著針對環境元分析,結合自然生態系統的案例,詳述了存量分析、流量分析、效用分析等具體方法,并指出了環境元分析應用的假設和局限性。2011年李中才等[8]人從網絡整體表現到網絡內部節點之間關系,詳細解釋了網絡穩定性、上升性、鄰接特征、效用分析和隨機性指標,同時以自然生態系統為案例,指出網絡間接流量的貢獻。但是以上這些綜述都強調生態網絡方法的發展,并沒有從生態網絡方法多尺度的應用、相關指標的城市生態系統特征的描述及未來生態網絡的應用前景等方面進行梳理與總結。本研究試圖通過綜述生態網絡分析方法在城市系統中的應用,從而識別城市生態網絡分析的優勢及不足,為該方法在城市生態系統中的廣泛應用提供指引,推動城市生態學學科的發展。

1 上升性分析

上升性理論起初被用于量化生態系統的發展程度、識別干擾對系統的影響,同時也用來對比不同生態系統之間的發展狀態[29]。Ulanowicz[18,30]指出當一個系統不斷發展時,它的上升性和相應的可持續性特征都隨之增加。這一理論包含眾多指標可以對系統的總體發展狀況和系統總通量、資源在系統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整體特征方面的優越性,Bodini and Bondavalli[5]計算資源交換的平均路徑長度,并評價系統在水資源利用過程中的可持續性狀態。Li等[33]在此基礎上選取上升性、發展能力和系統總開銷評價黃河流域系統整體的發展。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。與此同時,為了定量化人為干擾對系統的影響,Fiscus[41]對比分析了自然生態系統氮循環網絡和受到人類行為干擾后美國牛肉供應鏈氮循環網絡,指出兩種網絡的連接度、營養級結構、營養級效率指標的差異性。接著,Bodini[37]在Li等[33]的基礎上增加了系統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個城市系統內部產業部門之間的水交換網絡,評價了意大利Emilia Romagna區域典型城市居住區的持續發展狀態。另外,也有學者從系統的抵抗力和系統效率入手,評價了城市的可持續性[43- 44,38],而劉耕源等[23]則從系統通量、結構耦合程度等指標評價了大連市生態系統健康發展水平。Lu等[31]強調了網絡穩定性指標,結合網絡上升性、平均交互信息等指標,評價了中國原油供應安全,而Fang和Chen[21]在此基礎上,增加了網絡冗余度指標,評價了黑河流域水資源利用過程。另外也有學者通過強調營養級結構指標的重要性,評價了北京經濟技術開發區或典型社區[22,45]的碳代謝過程。上升性分析是一種研究系統外在表征的有效手段,但是這些指標不能針對網絡節點展開分析,而環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 環境元分析

環境元分析主要基于傳統的Leontief投入產出分析,但Suh[46]指出這種環境元分析與投入產出分析又有所不同,環境元分析類似于結構路徑分析(SPA),而且框架趨于融合Ghoshian框架,而不是Leontief框架[46- 48]。該方法應用的前提是系統呈現穩態,也就是系統內每一個參與者其輸入和輸出的資源量都是相等的[11],在此基礎上開展對網絡內在結構分布和功能關系的研究[49-56](表2)。

表2 環境元分析指標

環境元分析在城市系統的應用較多集中在多種物質[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絡內節點間綜合流量的計算,分析成員對網絡的貢獻[31,49,58]、對比分析了直接與間接流量[53,59- 61]、明確了網絡中節點的生態角色[62- 65]、模擬網絡生態層階結構[2,6,66- 67]。效用分析方法集中于節點間生態關系的研究,確定了生態關系的占比結構[2]、分析了生態關系的穩定性[68],對比了直接與綜合生態關系變化[6,53,64- 65,69]及不同精度網絡模型的生態關系變化[35,70]、識別了上下游分布[63,71]、估算了系統節點的凈效益[1,55,62]及間接效益的比重[52]、評價了網絡整體共生水平[21,57,72]。控制分析方法集中節點對網絡影響的識別,包括直接和綜合控制強度的對比[57]、節點依賴程度和控制程度的對比[53,65,72]。

3 多尺度應用

2002年Bodini and Bondavalli[5]首次將生態網絡分析方法引入到城市系統,自此,生態網絡分析方法的應用范圍不斷拓展,包括將城市作為一個節點,分析其鑲嵌的城市群、流域、國家、全球生態網絡中物質與能量流動,為城市系統研究提供了不同尺度的背景場；也有深入到城市節點的內部,分析城市內部多節點構成的生態網絡或典型社區/園區中物質與能量的流動,為識別城市內部的差異性提供了詳細的決策數據(圖1)。

城市背景尺度研究多集中于水[33]、能源[62]等關鍵要素,較少關注多種物質的綜合代謝過程[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]采用生態網絡分析方法研究水資源利用系統,分析了1998—2006年黃河流域水提供、水生產、水消費等子系統13個節點間的水流動過程,并提出相應的網絡評價指標。在此基礎上,有學者基于物質能量流動過程構建了虛擬水生態網絡模型,模擬了生產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,另外也有學者以灰水足跡量作為路徑流量構建了2006—2013年滇池流域水代謝網絡模型[74]。2012年Yang等[57]將虛擬水模型應用到全球尺度,分析了1995—1999年世界范圍13個區域之間農業和畜禽養殖業生產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]以中國原油生產與消費部門、外部供應為節點,分析了2001—2010年中國原油供應安全；而Zhang等[62]以中國7大區30個省區為節點,基于地區間投入產出表構建了隱含能生態網絡模型。之后,有學者將隱含能生態網絡模型應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,構建了3地多個產業部門之間的生態網絡模型[63],并將能源代謝與碳足跡相結合,分析了能源與碳兩個生態網絡特征的差異[75]。除了關注于關鍵的生態要素外,有學者采用物質流分析方法,在核算多種物質與能量的基礎上,剖析了中國社會代謝過程,構建了包括環境節點的生態網絡模型[1,73]。

圖1 城市生態網絡分析的多尺度應用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圓圈中數字代表文中參考文獻編號

城市細節尺度主要以代謝的視角開展研究,構建了城市范圍內的代謝生態網絡模型,以及社區/園區代謝生態網絡模型(圖3)。Borrett[76]指出可以研究自然生態系統成員之間相互作用關系及流通量分布的分析方法拓展到產業生態學領域,引入概念“代謝”概念開展產業或城市系統資源流動過程研究[77]。

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

在Ecological Indicators專刊的一篇導語中也指出生態網絡分析是一種研究城市代謝的有效方法,它將傳統的黑箱模式拓展到研究內部社會經濟部門和外界環境之間的相互作用關系[78]。要素分析方面集中于生態網絡分析方法與物質流、能量流方法的結合,對多種物質統一核算后構建生態網絡模型,當然還涉及到碳[79]、水[59]、能源[66]、硫[80]、氮[61]等關鍵要素的研究。基于物質能量轉換過程,一些學者通過結合能值[69]和火用[81]、物質流分析[55,71]等核算方法構建了生態網絡模型,模擬了系統的結構分布和功能關系。還有的學者將投入產出分析與物質流分析[2,82]、火用[43]、能值[6]相結合,精細化了代謝生態網絡模型。城市碳代謝研究成果突出體現在時空尺度生態網絡模型的構建,包括考慮城市內外環境和產業部門[53]的模型,或僅考慮社會經濟產業部門[49,58]的模型,或以土地利用轉換為基礎構建空間生態網絡模型[35,70]；能源要素研究中所構建的生態網絡模型有兩類,一是實物能流網絡,二是隱含能源流動網絡[49,58]。實物能源網絡包括考慮實物型網絡流量的能源產業生態網絡模型[44]、能源代謝網絡模型[66]等,以及、不同精細度城市能源代謝生態網絡模型的對比研究[67]。水要素研究中所構建的生態網絡模型不同之處在于對自然組分考量程度的差異。Bodini及其團隊構建的網路模型中充分考慮了自然生態系統的影響,并將水源、泉水或溪流等與社會經濟系統中的產業部門共同看作網絡中的節點[5,37],開展了多個城市水系統的對比分析[42]。Li和Yang[40]在此基礎上,增加了對外部環境和景觀節點的考慮。而Zhang等[59]則從水代謝的角度入手,構建了包含外部環境和產業部門的城市水代謝網絡模型。城市氮循環生態網絡模型研究相對較少,僅Min等[61]對比了5個城市與22個自然生態系統的特征差異。在園區尺度,多集中于碳、硫等元素的研究,如硫網絡結構特征分析[80]、硫代謝網絡直接與間接流量特征[60]、硫代謝網絡生態關系分布[52],以及碳代謝網絡生態關系分析[64- 65]。社區層面集中于碳代謝過程研究,通過構建與家庭部門相關的網絡模型,開展社區碳代謝網絡狀態分析[22,45]。

4 國內發展現狀

國內生態網絡分析的發展體現在兩個階段,一是20世紀90年代方法探討及自然生態系統應用的研究階段,二是21世紀初城市生態系統應用的研究階段。1993年韓博平首次發表了有關生態網絡分析方法的文章[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用。韓博平1993年指出生態網絡是對生態系統中物質、能量流動結構的模擬,并界定了生態網絡的基本組成：節點和路徑[83]。之后,韓博平在1995年也指出生態網絡分析是一種研究生態系統整體行為和特征的方法,可以量化網絡節點之間的相互作用過程和強度、揭示生態系統整體性和復雜性及其形成機制[15]。在環境元分析方面,有成果利用再循環指數開展了熱帶森林生態系統鎂流動過程研究[84],及中國黃淮海平原農林與系統沙蘭場-小麥-玉米群落的氮、磷、鉀元素的循環效率研究[86]；有成果采用路徑分析探究了英吉利海峽生態系統中能量流動網絡的營養結構信息[85]；有成果采用系統通量指標分析了德國西部城市諾伊斯河口氮循環流動通量。在上升性分析方面,有成果基于發展程度、冗余度和上升性指數研究了海洋生物間能量流動網絡[87]、水生生態系統中磷流動網絡[87]、東巴拿馬熱帶森林生態系統中鎂流動網絡[88]的穩定程度。

國內最早將生態網絡分析方法引入城市生態系統研究的文獻,始于2009年。張妍和楊志峰首次提出生態網絡分析方法是研究城市生態系統互動關系的有效手段,并采用環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濟子系統和自然生態子系統之間相互作用關系[89]。在此基礎上,有學者將城市生態網絡劃分為不同的部門,分析了大連市社會經濟關聯的產業部門之間[23]以及淮河流域水資源供需部門之間的相互作用關系[90-91]。劉耕源等[23]基于生態熱力學可用能核算,采用環境元方法分析了節點間通量及效用、路徑長度及數量,評價了節點間可用能轉換效率,從而剖析了節點之間的作用方式、生態關系及共生狀況。張博在構建淮河流域水資源供需網絡模型的基礎上,突出了與城市系統相關的工業、農業、生活、水處理、水分配等環節之間的水流路徑,并采用上升性分析中的平均交互信息指標評價了系統可持續性,及網絡恢復力、效率和平衡能力等方面特征。之后,盧小麗和秦曉楠[92]以物質能量流動上負載的信息傳遞為路徑,構建了包括驅動力、壓力、狀態、響應、影響等5個節點的網絡模型,并采用上升性分析中的發展程度、冗余度和上升性指數分析了中國沿海城市生態系統的穩定程度和抗干擾能力。

5 未來發展方向

從多尺度應用來看,城市問題的解決需要將城市放到其鑲嵌的大區域(全球、國家、流域、城市群)中來分析,檢測物質與能量流動過程,然而現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的大背景下,構建城市群生態網絡模型,分析多個城市協同與錯位發展將是未來的研究熱點。同時,現有城市生態網絡研究大多基于粗糙的或高聚合的數據,構建的網絡模型還不能體現與具體地點、活動的關聯,未來研究將集中于城市生態空間網絡模型的構建,識別不同功能群的空間分布及相互物質、能量傳遞關系。無論將城市作為網絡中的一個節點,還是將城市作為子網絡,進而將其映射到空間上,需要構建多級嵌套的生態網絡模型,由上至下及由下至上多途徑、多層次追蹤生態網絡節點及路徑,為理解城市可持續發展提供方法與手段。

從生態網絡分析應用來看,上升性分析或環境元分析的應用不斷發展,分別體現在外在特征評價及內在機理剖析兩方面的貢獻,但現有研究對兩者的結合并不多。對一個城市生態網絡的認識,需要從外在表征與內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,而導致城市狀況的原因剖析離不開環境元分析。

從城市生態網絡模型構建來看,當前分析網絡模型精度對研究結果影響的成果并不多見,未來需要深入討論與分析構建何種精度的生態網絡模型可以服務于何種研究目標。而且,大多強調社會經濟系統的貢獻,對自然生態系統的網絡參與有所忽略。大多將環境作為一個節點,或少數幾個節點,并沒有充分突出自然節點在城市生態網絡中的貢獻。城市生態網絡不僅強調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,使其成為生態系統的組成與分室,遵循生態學運行規律來發展。因此,社會經濟節點與自然節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

國家重點研發計劃項目(2016YFC0503005)；新世紀優秀人才支持計劃“生態模擬”( NCET- 12-0059)；國家自然科學基金創新研究群體項目(51421065)；國家自然科學基金面上項目 (41571521)；中央高校基本科研業務費專項資金(2015KJJCA09)；中美國際(地區)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

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