生態網絡構建研究進展與展望

曹小朱宋鈺紅李世英

(1.西南林業大學園林園藝學院，云南 昆明 650224；2.國家林業與草原局西南風景園林工程技術研究中心，云南 昆明 650224)

引言

生態網絡[1]是由不同類型的生態節點連接起來的分散的生境網絡，這些生態節點通過生態廊道相互連接。生態網絡思想源于18世紀的城市美化[2]，如今其理念逐漸演變為修復破碎生境及物種棲息地，提高生態網絡的生態服務功能[3]。近年來，隨著城市人口的增加和城市的無節制擴張，城市與鄉村生境空間的分配更加傾向于生產建設，城市用地零亂，城鄉資源的供給不充足以及分配不均勻、物種的生存環境惡化、“三廢”等重大環境污染、城鄉之間的貧富差距擴大等問題不斷出現[4]。城鎮化和建設用地的不斷擴張，導致大型綠地生境斑塊被不斷侵占、蠶食，連接生態用地間的廊道也被隔斷，導致景觀之間連通性降低，城市化與生態環境之間沖突愈加凸顯，人類正常生產與生活及生物多樣性受到嚴重沖擊[5]。部分生態環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展構成了威脅。20世紀70年代以來，國際上出臺很多生態環境保護相關的政策，見表1。1972年，國際上開始重視人類生態環境的保護，其中對生態網絡的政策保護相對較早的是2020年IUCN(世界自然保護聯盟)發布的《通過生態網絡和生態走廊保護連通性的指南》。

表1 國際生態環境相關政策

我國一直把對生態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治理，全方位、全地域、全過程加強生態環境保護生態環境保護發生歷史性、轉折性、全局性變化，我們的祖國天更藍、山更綠、水更清”。面對一系列的生態問題，國內外生態學家陸續著手研究環境生態問題并提出有助于加強生態系統建設策略，如何識別綠地中可利用的斑塊并進行整合連接，構建有效的生態網絡空間進而加強生態廊道的建設，為生態環境優化提供動力。

表2 國內生態環境相關政策

1 生態網絡構建文獻計量分析

在中國學術期刊網站中國知網(CNKI)上以“生態網絡”為主題詞或關鍵詞，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來源期刊范圍內進行精確檢索共得到751篇。在中國碩博士學位論文數據庫中，共檢索到901篇相關學位論文。在Web of science上以“Ecological network”進行檢索，精確檢索到20084篇文獻。此外，在百度學術(主要包括知網、維普、萬方等)以“生態網絡”為主題詞共檢索到文獻126000篇。由圖1可知，關于生態網絡的發文量自1993年開始出現，核心期刊和CSSCI文獻數量目前處于上升的狀態且達到了峰值，具有較大的研究價值。碩博論文2002年開始出現并一直處于上升趨勢，碩博論文出現比學術論文較晚，且增加幅度小于學術論文。

圖1 CNKI“生態網絡”研究文獻增長趨勢變化

由圖2可知，隨著生態網絡研究不斷深入，從20世紀40年代出現了景觀格局、城市綠地系統、重力模型、景觀生態學、風景園林等相關研究點，其中關聯度較高的是網絡分析。由圖3可知，國內關于生態網絡研究主要聚焦于生態網絡、網絡分析、網絡構建、生態安全格局、森林生態網絡等方面，重點研究主要聚焦于綠地系統。由圖4可知，國外關于生態網絡相關的研究主題詞有動物、生態系統、人類、保護自然資源、生物多樣、生態學等，其中最主要的研究主題是動物，其次是生態系統。通過對國外相關文獻梳理，國外關于生態網絡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。由圖5可知，生態網絡相關主題研究中“網絡構建”與“生態網絡”共現次數最多，為69次，說明“生態網絡”研究中“網絡構建”是主要的研究熱點。

圖2 生態網絡相關研究點分析

圖3 CNKI“生態網絡”檢索研究內容

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

圖5 CNKI生態網絡相關研究主題共現矩陣分析

2 生態網絡構建研究進展

2.1 生態網絡構建國外研究進展

生態網絡是景觀生態學的研究重點，生態網絡結構耦合景觀格局、生態過程能夠發揮重要的生態系統服務功能，對于維持生物多樣性具有重要的意義，一個區域生態網絡結構的完整性和優劣性決定了生態服務功能的正常發揮[6，7]。國外對生態網絡的研究可以追溯到18世紀80年代，對如何更好地聯系斑塊進行研究。Mac等提出在區域空間的尺度上進行生態廊道的規劃，來更好地聯系不同生態斑塊類型，增加生物遷徙路徑的同時保證生物的生存空間。生態網絡構建體系和相關的構建思路在20世紀90年代逐漸成熟，國外以歐洲和美國為主要代表，主要經歷以下3個階段。

19世紀中期—20世紀初期，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、人文等資源相互聯系并得到更好的保護[8]。該案例打破了西方傳統的方正規則式景觀布局的局限，雖然當時沒有生態網絡的概念，但該公園體系表達的核心思想與生態網絡的概念十分謀和。

20世紀初期—20世紀中期，綠地空間規劃進入開敞式空間規劃時期，西方學者更多開始研究開放式空間尺度規劃。其中，麥克哈格的《設計結合自然》中首次提到開放綠色空間和生態廊道規劃系統，并于1928年在美國提出了第1個全面的跨洲綠地規劃，這影響了流域生態規劃的興起。1929年Cannon提出生態系統穩態概念，1935年Tansley提出生態系統概念，1940年Cabral提出的“自然連續體”理論等都是生態網絡思想的基礎[9]。

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

隨著生態網絡研究的深入，相關模型理論也被提出并成熟運用到生態網絡的研究之中，常用的方法模型有形態學空間格局分析(MSPA)方法、最小累積阻力(MCR)模型、圖論理論、電路理論、InVEST模型等，為生態網絡的研究提供了理論支撐與技術支持。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等基于形態學空間格局分析(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處重要生態斑塊間構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，確定了大型保護區之間的優先走廊，描述了網絡的結構[16]。Thinley等通過預測老虎的適宜性生境，識別了老虎遷徙潛在走廊，構建了點線結合的老虎保護區網絡，對網絡的有效性進行了評估[17]。

總體而言，國外生態網絡構建研究的范圍有大有小，相關的研究方法和途徑也比較多，同時也構建了較為完整的網絡構建框架。但是側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物種的生態遷徙廊道，對于生態源地、生態重要節點的識別研究較少。

2.2 生態網絡構建國內研究進展

相比歐美國家，國內生態網絡研究開始時間較晚，我國20世紀90年代才開始生態網絡相關研究。1993年，韓博平首次在中國發表關于生態網絡分析法的論文，闡述生態網絡是對生態系統中物質、能量流動結構的模擬[18]；并于1995年發表的文章中指出，生態網絡分析可以對網絡節點間的相互作用過程及相互作用強度進行量化分析，并且可以揭示生態網絡的形成機制，以此來分析生態系統的整體性、復雜性[19]。2009年，張妍和楊志峰首次將生態網絡分析方法引入我國城市生態系統研究，并指出生態網絡分析有助于城市生態系統間的相互作用，促進城市社會經濟與自然生態間的協調共生[20]。

目前，我國的生態網絡構建方法在融合國際生態網絡規劃的思想下逐步由定性分析走向定量構建，結合新興的3S技術，生態網絡構建的理論方法與模型趨于成熟，研究基本參照“生態源地識別—景觀連通性評價—阻力面設置—潛在廊道模擬及優化”模式[21]。其中，基于MSPA與MCR模型構建生態網絡構建己經成為公認的成熟的生態網絡構建及優化方法[22]。在生態網絡的研究規模上有國家尺度、地區尺度、城市尺度、社區尺度。如，成雨萍從生物過程、水文過程、人文過程角度考慮，構建了南方丘陵城市生境、水綠、游憩生態網絡，最終通過疊加調整形成復合型生態網絡，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為例，進行生態網絡構建優化研究[24]。卿鳳婷和彭羽運用RS與GIS技術，對北京順義區生態網絡進行構建[25]。李晟等基于生態敏感性、生態服務價值以及棲息地可達性角度，采用形態空間格局分析法(MSPA)、景觀指數評價綜合方法識別洞庭湖綠地生態關鍵區并進行空間生態網絡規劃[26]。

在生態網絡構建過程中，對于生態源地識別、廊道識別、生態阻力面構建、生態節點的識別，基于研究區域數據的不同所使用方法也不盡相同。如，在生態源地識別方面，識別方法主要分為3種，直接選取生態用地或者自然保護地作為生態源地；基于生態重要性進行生態源地識別，提取出生態系統服務供給高值區域作為生態源地；基于景觀連通性進行生態源地提取。在廊道識別方面，目前生態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種方法應用最為廣泛。在生態阻力面構建方面，目前較多采用基于現狀土地利用類型直接賦值和構建綜合評價指標體系的方式構建阻力面[27]。生態節點識別方面，目前大多數學者基于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，提取出了生態節點[28]。

綜上所述，生態網絡構建及優化主要基于土地利用方式、景觀格局、目標物種等自然生境特征，交通基礎設施、社會文化服務等自然與人文因素構建生態網絡分析，生態網絡構建在生態環境保護與修復實踐方面發揮著積極作用，同時也為城市更新及建設提供理論依據，保護城市生物多樣性。

3 展望

當前，國內外關于生態網絡構建的研究案例很多，且開始由定性發展到定量探究，相關的研究方法體系與模型理論也很多。但生態網絡構建與優化仍然存在很多問題與挑戰，如將理論運用到生境質量保護與恢復的實踐案例較少；鮮有統一的評價指標體系和能適應不同資源環境的生態網絡界定標準；在相關指標選擇與賦值方面主觀性較強等，導致不同的研究學者對于不同區域、不同研究尺度下的研究結果存在明顯差異。因此，探索建立一套生態網絡構建與優化的標準體系對于環境生態保護與恢復以及相關管理政策的制定是非常重要的。根據以上問題提出3點建議：完善相關指標體系，提高生態網絡構建與優化的科學性；加強對不同空間與區域生態過程的機制研究；借助學科交叉融合方法，探索新的研究方法體系與相關模型。