基于復雜網絡理論的區域生態空間網絡格局及穩定性測度

李子豪 陳卉 萬山霖 盧江林

摘要： 研究以長三角地區為例，綜合多項生態系統服務評價識別生態源地，運用最小成本路徑模型構建生態空間網絡并概化為拓撲結構。基于復雜網絡理論，將生態網絡的穩定性測度進行拆解，靜態上對生態網絡的整體結構性特征、斑塊與廊道的中心性進行評價，動態上借助節點移除實驗，模擬隨機自然災害和刻意人為破壞2種情景，分析其網絡結構的變化趨勢。研究結果表明：1）長三角內生態網絡呈現“一核多廊”的空間格局，以浙皖交界的山地為核心向外擴展;2）生態網絡拓撲結構具有無標度網絡特征，不具備小世界特性，能量流動存在一定的滯塞性;3）長三角生態網絡受城鎮建設發展的脅迫較大，相較于隨機自然災害情景，人為破壞下生態網絡穩定性變化更加敏感;4）維持一定規模的生態空間并重點保護高中心性的節點和廊道，均可保障生態網絡的穩定性。基于上述結論，研究提出重點保護宣城—南京—常州和大別山—黃山2條重要的生態廊道，并結合網絡穩定性測度的閾值提出生態空間差異化的管控策略。

關鍵詞： 生態空間網絡，穩定性測度，復雜網絡理論，長三角地區

DOI： 10.12169/zgcsly.2021.04.25.0002

Spatial Pattern and Stability Measurement of Regional Ecological

Space Network Based on Complex Network Theory：

A Case Study of Yangtze River Delta

Li Zihao1Chen Hui1Wan Shanlin1Lu Jianglin2

（1.College of Architecture and Urban Planning， Tongji University， Shanghai， 200092， China;

2.School of Architecture and Urban Planning， Chongqing University， Chongqing， 400030， China）

Abstract： Taking the Yangtze River Delta as an example， this study integrates a number of ecosystem services evaluation to identify the ecological source， and uses the minimum cost path model to construct the ecological space network and then generalize it into a topological structure. Based on the complex network theory， the measurement of ecological network stability is disassembled to statically evaluate the structural characteristics of the ecological network and the centrality of patches and corridors， and dynamically simulate the 2 scenarios of random natural disasters and deliberate human destruction with the help of node removal experiments to analyze the changing trend of the network structure for both scenarios. The results show that： 1） The ecological network in the Yangtze River Delta presents a spatial pattern of “one core and many corridors”， which spreads with the mountainous areas at the junction of Zhejiang and Anhui provinces as the core; 2） The topological structure of ecological network has the scale-free network characteristics， which does not have the characteristics of small world， and there is a certain stagnation in energy flow; 3） The ecological network in the Yangtze River Delta is more threatened by urban development， and compared with the random natural disaster scenario， human destruction makes the stability of ecological network more sensitive;4） Maintaining a certain scale of ecological space and focusing on the protection of nodes and corridors with high centrality can ensure the stability of ecological networks. Based on the above conclusions， we propose the prioritized protection of two important ecological corridors， such as Xuancheng-Nanjing-Changzhou line and Dabieshan-Huangshan line， and the threshold of network stability measurement should be taken into consideration to clarify the management strategies of ecological spatial differentiation.

Keywords：ecological space network， stability measurement， complex network theory， Yangtze River Delta

科學謀劃國土空間開發保護格局，探討城鎮、農業、生態三類功能用地在空間上的配置，尋求一條生態環境與城市發展相耦合的道路，成為新時期國土空間規劃的必然趨勢[1-7] 和構建全域全要素管理的關鍵步驟[8] 。基于生態系統服務功能測度的結論，如何實現地域功能優化分區及指導“三區三線”的劃定，仍然是現階段國土空間規劃實踐中亟需解決的問題[9-10] 。在此背景下，本文試圖運用復雜網絡理論中的相關研究方法，以長江三角洲（以下簡稱為長三角地區）為例，探討區域生態空間網絡格局架構與特征，通過網絡 特征分析和穩定性測度進行結構性解析，從而引申出區域生態空間網絡規劃研究和實踐的相關思考。

1 生態空間網絡的內涵與研究進展

1.1 生態空間網絡的構建方法研究

人類活動導致的景觀破碎化和生境面積萎縮已經嚴重危害了生態系統服務功能的完整性[11-12] 。生態空間網絡能有效聯系各類生態斑塊主體，從而維護生態系統的完整性與可持續性[13-14] 。國內外學者從20世紀90年代開始關注生態空間網絡研究，在生物多樣性保護[15] 、景觀規劃[16] 等方面有較多的研究積累，逐漸形成了“源地識別—阻力面構建—廊道提取—判定安全格局”的基本范式[17] 。確定生態源地的方法主要分為3類：一是直接選取自然保護區、風景名勝區或大面積林地[18] ;二是從生態系統服務角度構建指標體系對斑塊的重要性進行評價[19] ;三是基于景觀連接度，運用形態學空間格局分析 （MSPA）進行篩選[20] 。而在廊道識別方法上，基于用地類型的阻力面賦值并利用最小阻力模型（MCR）剖析景觀生態安全格局已經成為主流[18，20-23] 。目前較多研究聚焦于網絡結構識別及生態空間規劃方案。而在后續的生態空間管控治理中，基于要素評價搭建的區域生態空間網絡的效益仍然值得探討。

1.2 圖論視角下生態空間網絡特征研究

基于圖論法的景觀連接度模型相較于基于個體的模型，具有較簡單的結構模式，近年來成為定量分析生態網絡結構特征的重要手段[11，24] 。現有計算模型主要分為2種類型：其一，以節點在網絡中的靜態屬性，如節點度、中心性、流入流出通量等指標，確定斑塊的保護等級，并通過實證研究證實其與重要性評價結果具有一致性[25] ;其二，從節點對生態網絡整體連接度的影響力出發，引入整體連通性指數（IIC）和可能連通性指數（PC），定量測度網絡結構動態變化中每一斑塊對維持景觀連接度及網絡生態系統服務功能價值的貢獻，從而評價斑塊的重要性[26] 。

這些方法均局限在研究斑塊對系統形態連接的靜態影響程度，并未將人類活動的干擾納入考慮，所以生態空間網絡在面對城市建設擴張的脅迫下，網絡整體效能能否繼續保持穩定仍不確定。此外，從國土空間規劃的管理邏輯上看，生態效益最大化往往并不意味著綜合效益最高[27] ，故在實際治理中需尋找可保障生態安全的閾值，即在保持生態空間網絡穩定性的前提下，尋找人類活動與之的最佳耦合關系。基于這一判斷，本文在現有生態空間網絡研究的基本框架上，引入人類活動干擾的變量設計移除實驗，衡量不同情景下生態網絡效能的變化趨勢，從而識別出對維持網絡結構具有重要作用的斑塊和廊道，實現更具針對性及差異化的管控，以期為區域生態規劃和治理提出理論依據和引導。

2 研究區域與研究方法

2.1 研究區域概況

長三角地區包括上海市、江蘇省、浙江省、安徽省全域。全區國土面積35.8萬 km2 ，約占全國土地總面積的3.73%。地勢南高北低，地形以平原為主，絕大部分地區海拔100 m以下，西南和南部有低丘、山地分布。境內河流水系豐富，江河湖泊密布。

長三角地區作為我國城鎮化程度最高的地區之一，區域內人類活動對生態空間的逐步蠶食已經造成區域生態系統服務供給能力降低、生物多樣性遭到威脅、水土流失與雨洪調節等生態環境風險日趨嚴重等問題[28-31] ，亟須構建合理的生態安全格局，以解決人與環境的協調發展問題，《長江三角洲區域一體化發展規劃綱要》（以下簡稱為《發展綱要》）中亦明確提出在全區內構建跨區域跨流域的生態網絡。

2.2 數據來源與數據處理

本研究基礎數據包括土地利用現狀、多年平均降雨數據、土壤類型、植被類型、歸一化植被指數產品（NDVI），植被凈初級生產力數據（NPP），數字高程模型（DEM）、地表蒸散發數 據、生態系統類型、國家級及省級自然保護區名錄、生態功能區劃等，柵格分辨率統一為1 km×1 km。

2.3 研究方法

本研究通過生態系統服務重要性評價，結合自然保護地體系和生態功能區劃進行校正以提取生態功能極重要區斑塊作為生態源地，運用最小成本路徑模型，構建生態空間網絡并進行拓撲結構提取。基于復雜網絡理論，選擇相應指標對生態網絡特征及斑塊與廊道的中心性進行評價，了解生態網絡的層級、效率和連接度，明晰不同斑塊、廊道在整個網絡中的作用。基于上述結論對生態空間網絡進行優化布局。

2.3.1 生態系統服務功能重要性評價

生態系統服務功能重要性評價是在分析區域主要生態系統類型及生態過程的基礎上，確定對保障區域生態安全格局與維護特殊生態功能較為重要的區域分布[32-33] 。本文選取水源涵養、水土保持、生物多樣性3類服務，具體評價模型參考生態環境部于2017年5月公布的《生態保護紅線劃定指南》。

2.3.2 區域生態網絡構建

運用Guidos軟件對極重要區斑塊進行MSPA分析，提取其核心區作為生態源地。生態廊道采用最小成本路徑模型提取，生態阻力面參考張豆等[21] 、鄧金杰等[34] 對高度城市化地區生態廊道的相關研究，按照景觀用地類型進行賦值，以生態源地的質心互為源匯目標，生成最小成本路徑。進一步將生態源地視為節點、生態廊道視為邊進行拓撲化處理，后續拓撲形態分析均借助Python語言中的NetworkX包進行運算。

2.3.3 生態空間網絡特征分析

取節點度及度分布、平均路徑長度和聚類系數作為測度指標對網絡基本靜態特征進行描述。指標計算時選擇無向網絡，網絡中邊的長度為累計阻力值。

生態節點度是指生態節點所連接的廊道數量，其統計學特征可說明生態網絡的層級結構關系[35-36] 。平均路徑長度是對于網絡中任意2個節點的最短路徑長度進行計算后得到的平均值，當路徑長度過大時，維持該生態網絡運轉也需要消耗更多能量，故可表征整個生態網絡物質流動的暢通性[37] 。聚類系數反映的是節點與各鄰接點之間的聯系程度，聚類系數越大則節點的鄰接點之間的聯系越頻繁，平均聚類系數越大則生態節點之間的聯系越緊密[25] 。

2.3.4 生態空間網絡斑塊重要性測度

選取復雜網絡理論中的度中心性、中介中心性、鄰近中心性3個測度指標，定量評價節點在生態網絡中的相對重要性。度中心性指該節點連接到其他節點的數目，表征斑塊連接的緊密性。中介中心性是網絡中任意2個節點最短路徑通過某節點的次數，是反映一個斑塊在其他2個斑塊最短路徑上擔任“橋梁”的次數。鄰近中心性反映在網絡中某一節點與其他節點之間的接近程度，以1個節點到其他各節點的最短路徑距離平均值的倒數表示，在生態網絡中可表明該節點處于相對中心位置，體現較強的可達性和踏腳石作用[23] 。

2.3.5 生態空間網絡穩定性測度

測度生態系統在遇到干擾時，維持生存及延續的特性，即穩定程度，可在移除實驗的基礎上參考通信工程、交通等領域魯棒性的相關方法[38-39] ，分為2種場景進行移除實驗。一種是隨機去掉節點的“隨機攻擊”策略，反映在遇到突發自然災害情景下生態網絡效能的變化趨勢;另一種則是“刻意攻擊”，引入“人類活動干擾半徑”控制情景模擬破壞的起始方向，將現有各類城鄉建設用地視為威脅源，依據吳健生等[40] 提出的建設用地發展對生態用地的最大影響半徑，以1 km，3 km，5 km， 10 km 為半徑進行多環緩沖區分析，優先攻擊易受人為活動干擾的生態節點。在同一圈層內的節點按照3種中心性標準化后的值取平均數由高到低排列，并基于上述2個步驟確定每個節點的移除次序，以觀察生態網絡效能的變化。

復雜網絡中全局效率值為網絡中每2個節點之間距離倒數的平均數，可用于表示網絡內物質能量流的運行能力。最大連接子圖大小的變化表征則可以反映網絡的整體破碎情況，故在移除實驗過程中選擇這2個指標來測度網絡效能的變化趨勢[38， 41] 。全局效率的公式為：

[38， 41] 。全局效率的公式為：

E= 2 N（N-1） ∑ i≤j1 d ij

（1）

式（1）中，N為節點總數，d ij 為2個節點之間的距離。

3 長三角地區生態空間網絡特征與穩定性

3.1 生態空間網絡格局

從生態系統服務測度結果看，長三角地區水源涵養服務重要區主要位于南部山地丘陵地區及長江、太湖、杭州灣、巢湖等重要水域;水土保持服務重要區主要位于浙江南部及浙皖交界的山地及安徽西部的大別山區;生物多樣性保護重要區則廣泛分布于各級重要的自然保護地周圍及區域重要的林地、濕地。這些地區整體上與自然生態系統類型密切相關，即植被覆蓋較好，城市建設擴張等人類活動干擾也較少，具有重要的區域生態價值。

將上述各類生態系統服務測度所得的重要區疊加，進行MSPA分析（圖1），對識別出的核心區斑塊按面積降序排列，遵從以最低限度的生態結構維持最高效生態系統服務的原則[42] ，篩除大量小面積、零碎的生態空間，最終確定20個生態源地，其可提供區域約90%的生態系統服務功能。 在此基礎上，共提取生態廊道總長度為11 289 km， 覆蓋范圍廣并連通所有生態源地。

從空間格局上看，研究范圍內南北呈現較大差異：南部地區斑塊面積大，廊道成短樹枝狀分布;而北部地區生態廊道則以帶狀自南向北、自西向東延伸。生態廊道穿越的用地類型以林地、濕地及農田為主，但在蘇南地區也存在多條廊道穿越城市建成區的情況，說明長三角地區的生態網絡格局的確受到高密度城鎮化的影響，城市擴展對生態空間的脅迫較強。

3.2 生態空間網絡特征

3.2.1 生態網絡結構

對區域內生態網絡的拓撲結構進行概化提取，共生成138個節點及225條邊（圖2），實現所有斑塊之間的全連通。其網絡平均度為3.15，即每個節點平均與其他約3個節點相連，整個網絡的連通性尚可。在大別山區和浙南山地等大型斑塊邊緣地帶，多條源內廊道在此匯集并形成一條源間廊道向外延展，說明長三角地區整體的開發行為和農業生產開發強度已經較高，除不便于利用的山地丘陵地區外，其余用地中可選擇的廊道走向單一，冗余度不足。

從節點度分布看，長三角地區生態網絡結構既不服從冪律分布也不服從泊松分布，卻又兼具兩者特征。一方面，節點度的分布較為均勻，多數生態節點度的值為3或4，即該節點與3或4個節點間有廊道相連;另一方面，度較高的節點明顯少于度較低的節點，少數節點對于整個生態網絡仍起到重要的控制作用，但若將與斑塊相連接的所有源間 廊道視為與斑塊質心直接相連，則其無標度特征明顯，相較于斑塊面積最大的浙南山地，浙皖交界的山地丘陵在整個網絡中起中樞作用。網絡平均聚類系數為0.149，平均路徑長度為8.17，不具有小世界特性，說明區域內潛在生態網絡能量流動具有一定的滯塞性。

3.2.2 節點功能重要性

生態網絡節點的3個中心度指標之間雖具有一定相關性，但高中心度節點分布特征在不同指標間存在顯著差異（圖3），說明不同生態節點在網絡結構中發揮著不同的功能。度中心性最高節點主要位于浙皖交界山地、大別山區的邊緣界面上，進而圈層狀遞減，說明在長三角地區南部大型斑塊內的各生態節點連接緊密性較強，但其余生態節點細碎且零散，連通性較差。中介中心性高值點則明顯以黃山、宣城為核心向北部帶狀延伸，其走向大致與《發展綱要》中所明確的寧杭生態走廊相同，部分節點串聯林地生態系統與城市聚落生態系統，承擔重要鉸接作用。鄰近中心性則呈現明顯層級分布特征，其最高值集中分布于浙皖交 界山區，浙南山區和大別山區內節點次

之，江蘇北部各節點值較低。這說明浙皖山地要素流動的可達性最高，在整個生態系統中占控制性地位，其兩翼次之。根據3類中心性指標進行標準化處理，形成綜合中心性評價，其整體結構與中介中心性的結構類似，節點重要性以黃山、宣城為核心向四周延伸遞減，等級較低節點主要分布于區域北側。

3.3 生態空間網絡穩定性

3.3.1 隨機攻擊情景

隨機攻擊情景下，最大連接子圖的變化整體上符合Logistics曲線變化趨勢（圖4），其曲線凹凸性變化點為網絡中移除21個節點，意味著當生態網絡中失效節點數量小于14%時，其最大連接子圖的變化趨勢較小，整體上網絡結構可以維持現狀;當超過這個閾值（14%），即表明生態網絡結構受到巨大破壞，其破碎化程度快速提升。因此，可以判定14%節點失效比是維護網絡整體結構的關鍵值。

當節點失效比達到40%，即移除網絡中55個節點時，整個網絡完全處于癱瘓狀態，最大連接子圖所包含的節點數量已不足30個，生態節點之間相互連通性差，已導致信息無法傳遞。而網絡癱瘓前全局效率變化曲線整體較為平緩（圖5），其趨勢與節點的移除比例呈現強相關性。

3.3.2 刻意攻擊情景

刻意攻擊情景下，網絡穩定性變化趨勢與隨機攻擊情景類似，但由于長三角地區生態網絡結構具有一定無標度的特征，其網絡脆弱性明顯高于隨機攻擊。從圖4、圖5的2種情景對比可知，在刪除相同比例節點時，其連接子圖及全局效率變化均快于隨機攻擊。此外，2條曲線隨刪除節點的增加，均表現出階梯狀下降趨勢，說明在刻意攻擊情境下，生態節點數量的變化雖有一定影響，但是重要度較高節點的刪除對網絡完整性與效率有至關重要的作用，一旦其被破壞，網絡穩定性會受到重創。因此，保障生態空間結構良好和穩定，既要維持一定的生態節點數量，也要針對關鍵節點進行針對性的保護措施。

從刻意攻擊情景下曲線的階梯狀下降態勢看，綜合重要性排序為7，15，23，61的4個節點對于網絡的穩定性具有重要意義。節點7位于巢湖南岸，其起到連接江蘇北部的生態節點與大別山地區的重要作用;節點23位于寧杭生態經濟帶的核心區域，其周圍受到城市化發展的較強脅迫;節點15及節點61則位于浙皖山區重要廊道上，具有重要的生態價值。除節點15外，其他重要節點均不落在生態源地內，說明部分未處于重要生態空間內，且易被忽視為生態廊道的轉折點或交匯點（如點23），但是對生態空間網絡的整體穩定性發揮重要作用，故在規劃時必須將其納入考慮范疇。

4 結論與策略

4.1 研究結論

本研究通過多項生態系統服務功能測度和最小阻力模型，識別出長三角地區生態空間呈現“一核多廊”格局，以浙皖交界的山地為核心生態源地，沿多條重要生態廊道向外延展。受差異化的城鎮開發水平影響，長三角地區南部生態廊道多分布于源地內部，源間廊道呈短樹枝狀分布，而北部地區生態廊道則以帶狀自南向北、自西向東延伸，部分穿越農業與城鎮用地。

基于復雜網絡理論對長三角生態空間網絡進行概化，其拓撲結構具有無標度網絡特征，不具備小世界特性，能量流動存在一定的滯塞性。從攻擊場景的模擬結果看，長三角地區生態網絡受城鎮建設發展的脅迫較強，人為破壞對生態網絡穩定性的影響強于隨機自然災害。維持一定規模的生態空間并重點保護高中心性的節點和廊道，均可保障生態網絡的穩定性。

4.2 規劃策略

4.2.1 長三角地區生態空間網絡構建

目前，長三角核心區26個城市劃定限制開發區面積10.2萬m2 ，其中皖南—浙西—浙南和大別山生態屏障與本研究所識別的區域核心生態空間一致。但目前規劃中所提出的長江生態廊道和淮河—洪澤湖生態廊道沿線現有的生態空間仍較為缺乏，而且大多位于城市發展的密集區，生態源地間連接性較弱。根據生態空間網絡格局識別結論，長江及淮河沿岸各城市應重點關注濱水地區生態維育，并預留南北向延伸的帶狀生態空間。

從網絡的穩定性來看，長三角地區生態空間網絡部分重要廊道空間受到城鎮建設發展的脅迫較大且冗余度不足，當受到破壞時往往對區域生態安全造成較大打擊。其中宣城—南京—常州線和大別山—黃山線尤為關鍵，二者均穿越了高密度的建成環境，其與生產、生活空間相鄰的界面易受到蠶食。在規劃中對于核心區域應當實行嚴格的管控措施，輔以生態修復策略以加寬廊道寬度，保障網絡整體生態安全。

4.2.2基于穩定性測度的生態空間差異化管控

將生態空間網絡穩定性納入生態規劃考量范疇，可根據識別出的閾值，將長三角區域生態網絡保護設為3個保護等級（禁止開發區、重點保護區和一般保護區），實行差異化管控，以維持生態安全。

由于節點失效比達到40%時，區域生態空間網絡完全崩潰，故從生態底線角度來看，應保障總節點數量的60%納入禁止開發區，實行嚴格的生態保護政策，限制人類開發活動。在空間選擇上，應綜合考慮生態系統服務評價與網絡連通度，既包含具有突出的生態系統服務價值的重要斑塊，也要關注重要生態廊道上具有串聯及鉸接作用的小規模生態空間。

由于超過14%的節點失效，生態網絡效率和完整性巨幅下降，故允許有條件開發的一般保護區不應超過總生態節點數量的14%。可選擇生態系統服務功能和連通度均較低的生態空間納入此類保護等級，禁止對生態環境進行具 有嚴重破壞的生產生活開發活動，但是可以引入生態產業進行適當開發，同時應注重生態廊道的疏通。

其余生態空間應當納入重點保護區，作為禁止開發區向城市建成區和一般保護區的過渡地帶。一方面采取相應措施約束人類開發行為，注重生態功能的修復與提高;另一方面可以考慮以生態公園、郊野公園等形式，在保護的前提下發揮其文化服務功能。

在國土空間規劃的大背景下，區域生態空間的規劃管控逐步成為空間治理的核心。未來，可以將復雜網絡中各指標的生態學意義進一步與生態空間的具體管控策略結合，進行更深入的思考。

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