武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)魯棒性模擬及穩(wěn)定性分析

黃悅, 李紅波, 歐國良

武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)魯棒性模擬及穩(wěn)定性分析

黃悅1,2, 李紅波1,*, 歐國良3

1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院, 武漢 430070 2. 武漢永業(yè)賽博能規(guī)劃勘測有限公司, 武漢 430061 3. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑與環(huán)境工程學(xué)院, 深圳 518055

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在不同破壞程度或干擾強度下呈現(xiàn)出不同的魯棒性, 勢必造成區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性風(fēng)險?；谖錆h城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與識別, 建立節(jié)點和廊道的重要性評價體系, 運用魯棒模型模擬隨機干擾情景下的魯棒性變化評價生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性特征。結(jié)果表明: 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行拓撲網(wǎng)絡(luò)提取, 共生成117個節(jié)點和189條連接線, 重要性等級較高的節(jié)點占23.9%, 主要分布在研究區(qū)中北部區(qū)域, 重要性較低的節(jié)點占節(jié)點總數(shù)的51.3%, 主要分布在研究區(qū)的西北和東南地區(qū); 采用重力模型判別生態(tài)廊道重要性, 得到17條重要廊道, 28條一般廊道, 重要廊道對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性具有極大影響; 節(jié)點數(shù)量和重要度對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性具有顯著影響, 當(dāng)節(jié)點失效率低于50%時, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性變化較小, 整體處于較高的穩(wěn)定性; 當(dāng)節(jié)點失效率在50%—85%時, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)極其不穩(wěn)定; 當(dāng)節(jié)點失效比率達到85%時, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)開始癱瘓; 依據(jù)生態(tài)節(jié)點和廊道的重要性以及模擬結(jié)果, 分別提出生態(tài)節(jié)點保護和廊道建設(shè)的差異化管理策略。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò); 穩(wěn)定性; 魯棒性; 武漢城市圈

0 前言

我國目前已進入以都市圈和城市群為主要動力的發(fā)展階段, 產(chǎn)業(yè)的聚集, 就業(yè)機會的增加, 資源的分配, 尤其是土地資源利用變化, 直接擾動了區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)能力[1]。在生態(tài)文明建設(shè)戰(zhàn)略背景下, 都市圈規(guī)劃的實施和建設(shè)必然摒棄以往幾十年來生態(tài)環(huán)境為代價的發(fā)展模式, 盡管地方政府已采取行動, 不斷協(xié)調(diào)經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護的關(guān)系, 但這種模式發(fā)展慣性短期難以完全消除, 在時間和空間尺度上, 都市圈內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)擾動此起彼伏在所難免。城市圈空間點-軸式擴張和圈層結(jié)構(gòu)發(fā)展、追求短期效益、城市內(nèi)部生態(tài)污染、生物多樣性減少等問題, 對城市圈生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定性造成一定的顯著風(fēng)險[2-3]。生態(tài)網(wǎng)絡(luò)作為分析生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化規(guī)律行之有效的方法[4-6], 將各個生態(tài)要素空間連接成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 其穩(wěn)定性對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、功能的復(fù)雜性和保護生物多樣性具有關(guān)鍵作用[7]。不同地區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有相應(yīng)的地域特征, 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和穩(wěn)定性分析是空間規(guī)劃及生態(tài)建設(shè)的重要依據(jù), 因此, 研究生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性對生態(tài)系統(tǒng)保護與治理具有重要意義。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在不同破壞程度和干擾強度下呈現(xiàn)出不同的穩(wěn)定性, 而生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的魯棒性用以表征生態(tài)系統(tǒng)對特性或系統(tǒng)參數(shù)擾動的不敏感性, 即當(dāng)某個系統(tǒng)遭遇外部沖擊或內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化對其造成影響時, 系統(tǒng)的變化趨勢以及保持原有系統(tǒng)功能的能力, 是衡量整體網(wǎng)絡(luò)運行效率的重要指標(biāo)[8-9]。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的魯棒性分析通常采用節(jié)點效率大小進行排序, 它可以通過對控制變量來測試網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與否, 來處理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、風(fēng)險管控等問題[10-11]。目前, 有關(guān)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性領(lǐng)域的研究主要集中在人工智能、通信工程、計算機科學(xué)等領(lǐng)域, 通過干擾抑制或信息間隙決策理論進行網(wǎng)絡(luò)魯棒性優(yōu)化[12-15]解決耦合層之間的級聯(lián)障礙獲得整個網(wǎng)絡(luò)的最佳魯棒流量分配規(guī)則[16]。許多學(xué)者對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的理論和技術(shù)進行了廣泛探索, 將其他學(xué)科的理論方法融入到生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的研究上, 通過阻力因子選取、評價指標(biāo)體系構(gòu)建、地理信息技術(shù)應(yīng)用等方法來研究生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。對于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的已有研究成果雖然比較豐富, 然而現(xiàn)有研究局限于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與優(yōu)化[17], 從不同尺度層面分析區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)[18], 并兼顧網(wǎng)絡(luò)特征識別與生態(tài)服務(wù)水平提升[19], 缺乏生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與組織層面的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析。有研究嘗試?yán)敏敯粜詠矸治錾鷳B(tài)網(wǎng)絡(luò)的空間結(jié)構(gòu)和內(nèi)部功能, 例如: 采用不同增邊策略分析荒漠綠洲區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化前后魯棒性的變化特征[20]; 基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)評價方法, 分析復(fù)雜層級網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)與空間魯棒性對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、功能穩(wěn)定性的影響[21]。魯棒性已成為網(wǎng)絡(luò)控制理論中的一個重要研究領(lǐng)域, 在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性研究上的重要性初顯。

本研究以武漢城市圈為研究區(qū), 采用最小累積阻力模型構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)并提取拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu), 通過Pajek軟件計算網(wǎng)絡(luò)的點度、緊密度、中介度、和特征向量指數(shù), 構(gòu)建節(jié)點綜合重要度模型, 評定節(jié)點級別; 運用重力模型判別生態(tài)源地之間潛在生態(tài)廊道的相互作用強度, 識別重要生態(tài)廊道; 運用魯棒性模型分析武漢城市圈網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性程度, 通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞情景模擬, 分析網(wǎng)絡(luò)的連通魯棒性和脆弱魯棒性的變化, 以此來判斷武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性狀況。以期為區(qū)域生物多樣性保護、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和生態(tài)保護規(guī)劃及相關(guān)工作的開展提供參考依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

武漢城市圈(29°05'—31°51' N, 112°30'—116°07' E)位于湖北省東部、長江中游, 指以武漢市為中心, 包括武漢及其周邊100 km范圍內(nèi)的黃石、黃岡、鄂州、孝感、咸寧、仙桃、潛江、天門9個城市所組成的城市群(圖1)。武漢城市圈占湖北省面積的三分之一, 卻貢獻了全省60%的GDP, 是湖北省經(jīng)濟發(fā)展的核心區(qū)域, 也是中部崛起的重要戰(zhàn)略支點。武漢城市圈從2007年開始著力推進“資源節(jié)約型和環(huán)境友好型”社會試點區(qū)建設(shè), 明確環(huán)境保護與資源節(jié)約的發(fā)展機制, 推動跨區(qū)域經(jīng)濟建設(shè)與生態(tài)保護的可持續(xù)發(fā)展。2018年, 城市圈總面積約5.8萬km2, 常住人口約3800萬, 形成了優(yōu)勢互補、資源共享的經(jīng)濟發(fā)展格局。隨著經(jīng)濟建設(shè)與城鎮(zhèn)用地的擴張, 快速城鎮(zhèn)化與生態(tài)環(huán)境的矛盾日益突出, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能逐漸弱化, 因此, 研究武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性狀況顯得極其重要。

圖1 研究區(qū)位置示意圖

Figure 1 Sketch map of the location of the study area.

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究數(shù)據(jù)主要包括2018年的Landsat TM/ OLI遙感影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、道路矢量數(shù)據(jù)。遙感影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云(http: //www.gscloud.cn/), 空間分辨率為30 m。2019年的道路數(shù)據(jù)來源于OpenStreetMap網(wǎng)站(https://www.openstreetmap.org/), 主要采用高速路、國道、省道和縣道4類道路。利用RS軟件采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒▽b感影像數(shù)據(jù)進行解譯分類, 參考《土地利用現(xiàn)狀分類》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T21010— 2017)[22], 并根據(jù)實際情況進行重新分類, 得到6類土地利用分類圖(圖2), 解譯精度為83.7%, 滿足本研究要求。

1.3 研究方法

1.3.1 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

以林地、草地和水域作為前景數(shù)據(jù), 采用形態(tài)學(xué)空間格局方法(MSPA)[23]識別和提取出對物種遷移和能量交換具有重要作用的核心區(qū)景觀。選用景觀連通性指數(shù)對面積大于100 km2的核心區(qū)斑塊進行景觀連接度評價, 斑塊重要性指數(shù)越高, 說明重要性越大, 提取出斑塊重要性指數(shù)大于1.2的10個核心區(qū)斑塊作為研究的生態(tài)源地。阻力面的構(gòu)建需要綜合考慮自然和人為等因素, 考慮數(shù)據(jù)的可獲取性和研究區(qū)的實際情況, 參考相關(guān)文獻[24-26], 從自然地理和人為活動等方面選取景觀類型、高程、坡度、距道路距離、距建設(shè)用地距離5個指標(biāo)來構(gòu)建綜合阻力面, 使用GIS軟件中的成本距離模塊中的最小成本路徑工具, 根據(jù)生態(tài)源地和阻力面, 生成目標(biāo)源地到其他源地斑塊的最小累積阻力路徑, 從而獲得了由生態(tài)源地和生態(tài)廊道組成的武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(圖3)。

圖2 土地利用類型圖

Figure 2 Land use classification.

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點綜合重要度評價

節(jié)點與源地分布在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi), 對維持生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性具有重要影響。生態(tài)斑塊與生態(tài)節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的組織結(jié)構(gòu)和發(fā)揮的具體生態(tài)功能對其重要性具有極大影響。利用Pajek軟件[27-29]對構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行拓撲結(jié)構(gòu)提取, 生成武漢城市圈的拓撲網(wǎng)絡(luò)圖。結(jié)合研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的自身特性, 通過計算網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的點度、緊密度、中介度和特征向量度, 構(gòu)建節(jié)點綜合重要度評價模型, 對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行評估, 得到網(wǎng)絡(luò)中各要素的綜合重要程度[30]。點度表示與某一節(jié)點所相連的廊道數(shù)量, 數(shù)值越大表示該節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中可調(diào)度的物質(zhì)資源越多, 能量流和生態(tài)流在該節(jié)點進行傳輸?shù)目赡苄栽酱?。緊密度指某節(jié)點與其他任一節(jié)點的最小距離之和, 其值越大說明節(jié)點之間的功能聯(lián)系越強。中介度表示其他節(jié)點兩兩間的所有最小距離路徑中有包含該節(jié)點的比例。特征向量度是指在經(jīng)過一定的變換后方向仍不發(fā)生改變的向量。若某節(jié)點與聯(lián)系節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)中心位置時, 則該節(jié)點的特征向量度最大[31]。節(jié)點重要性的計算公式如下:

Q=θD+ηC+γB+δH(1)

式中:Q表示節(jié)點的綜合重要度值;D、C、B、H分別表示某生態(tài)節(jié)點的點度、緊密度、中介度和特征向量度;、、、、分別表示相應(yīng)的權(quán)重值。

1.3.3 生態(tài)廊道重要性評價

生態(tài)廊道的有效性和重要性可以根據(jù)生態(tài)源地斑塊之間的相互作用強度來定量分析[32]。生態(tài)源地的面積和生態(tài)廊道的寬度對物種的遷移環(huán)境具有很大影響, 廊道寬度是基于標(biāo)準(zhǔn)化后的累計成本距離所提取, 廊道越寬其阻力值就越小。寬度較大的生態(tài)廊道更便于物種遷徙和能量流通, 有利于促進生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。重力模型能夠?qū)臻g中各個研究對象彼此之間的作用強度和依存關(guān)系進行定量描述, 一般用來分析在地理空間中研究對象的相互聯(lián)系。基于重力模型, 生成生態(tài)源地斑塊之間的相互作用矩陣, 根據(jù)各個斑塊之間的相互作用強度, 從而識別和提取重要生態(tài)廊道。重力模型計算公式如下:

式中:G是源地斑塊與之間的相互作用力;N和N為斑塊和的權(quán)重值;D是兩斑塊之間標(biāo)準(zhǔn)化的廊道阻力值;P為斑塊的阻力值;P為斑塊的阻力值;S和S為兩斑塊的面積;L表示斑塊到斑塊之間的平均標(biāo)準(zhǔn)化廊道累積阻力值;max指網(wǎng)絡(luò)中所有廊道阻力的最大值。

1.3.4 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性分析

生態(tài)系統(tǒng)在面臨特定干擾時依然維持生存延續(xù)功能的特性以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性程度可用魯棒性刻度[33]。根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)理論, 通常采用連通魯棒性和脆弱魯棒性指標(biāo)[34-37]進行網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的評價。本研究采取隨機去掉生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的“隨機攻擊”模式, 據(jù)此探究對應(yīng)情景下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的動態(tài)變化情況。為保證隨機情景設(shè)置的客觀性, 利用“在線隨機數(shù)生成器工具”, 隨機生成117個整數(shù), 對網(wǎng)絡(luò)中的117個節(jié)點進行隨機排序。按照隨機數(shù)的排列順序, 將數(shù)字對應(yīng)的節(jié)點進行攻擊, 并計算出每次攻擊后的魯棒性。

圖3 武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

Figure 3 Ecological network in Wuhan metropolitan area

1)連通魯棒性。連通魯棒性表示在外力干擾破壞下造成網(wǎng)絡(luò)要素的損失后, 系統(tǒng)為了維護網(wǎng)絡(luò)中各要素的穩(wěn)定連通以及物質(zhì)和能量傳輸?shù)哪芰ΑＴ诰W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受到攻擊時, 連通性越大, 表明網(wǎng)絡(luò)的隨機應(yīng)對能力越強。計算公式如下:

式中:c表示連通魯棒性;為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(=1、2、3…); |D|表示刪除節(jié)點時生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中邊的數(shù)目; |V|表示刪除節(jié)點時網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)目。

2)脆弱魯棒性。在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中, 常用脆弱魯棒性指標(biāo)來反映網(wǎng)絡(luò)在遭受外界攻擊時能量的運行效率。物質(zhì)信息流的運行能力一般用全局效率表示[38-40], 基于脆弱魯棒性與全局效率表達的相似性, 因而采用全局效率計算公式來表征網(wǎng)絡(luò)的脆弱魯棒性值, 值越大表明系統(tǒng)運行得越高效, 前提是假設(shè)節(jié)點兩兩之間的能量均從最短路徑進行流動。計算公式如下:

式中:E表示生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的脆弱性魯棒值;表示網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù);和表示從屬于同一網(wǎng)絡(luò)中的不相同的節(jié)點;f指兩個節(jié)點之間的最短距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)點綜合重要度評價

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論, 在不考慮源地面積和信息流傳播量大小的前提下, 假設(shè)源地、節(jié)點之間的物質(zhì)能量流動和信息傳播的方向均為雙向流動, 從最小累積阻力模型構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)提取拓撲網(wǎng)絡(luò), 將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)簡化成由節(jié)點和線組成的無方向且無加權(quán)邊的拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。利用Pajek軟件將生態(tài)源地(大型生態(tài)斑塊)、生態(tài)節(jié)點(生態(tài)源地中心點和廊道交點)、生態(tài)廊道(如綠道、河渠、湖泊)進行拓撲提取, 生成117個節(jié)點和189條連接線(圖4)。將.net文件導(dǎo)入到Pajek中, 使用Draw命令生成拓撲圖像(圖5)。

圖4 研究區(qū)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Figure 4 Network structure of the study area.

圖5 拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Figure 5 Topological network structure.

基于Pajek軟件, 通過輸入一系列的計算命令來運算網(wǎng)絡(luò)中生態(tài)節(jié)點的點度、緊密度、中介度和特征向量度。將計算結(jié)果進行Z-core無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理, 再采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重值θ、η、γ、δ(表1), 根據(jù)公式(1)計算節(jié)點綜合重要性, 并采用聚類分析法將節(jié)點重要度劃分為高、較高、一般、較低、低5個等級。

由表2和圖6可以看出, 節(jié)點數(shù)量基本呈正態(tài)分布, 其中, 重要性等級高和較高的節(jié)點僅占總節(jié)點數(shù)量的23.9%, 且主要分布在研究區(qū)中北部, 林地景觀面積廣闊, 該區(qū)域生態(tài)源地面積較大, 生態(tài)廊道密集, 生態(tài)節(jié)點分布較多, 發(fā)揮著生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的能量信息傳播的重要功能。重要性低和較低的節(jié)點占節(jié)點總數(shù)的51.3%, 主要分布在研究區(qū)的西北和東南地區(qū), 該區(qū)域生態(tài)斑塊比較分散, 生態(tài)廊道冗長, 連通性較差, 物種遷徙和能量信息流動易受阻。東部地區(qū)節(jié)點數(shù)量較少, 重要性低的節(jié)點居多, 零星分布有重要性較高的節(jié)點, 該區(qū)域的生態(tài)廊道為南北延伸的狹長通道, 節(jié)點連接的廊道數(shù)量較少, 景觀連通性相應(yīng)較差。重要性高或較高的節(jié)點對維護生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定具有關(guān)鍵作用, 因此, 針對這類節(jié)點應(yīng)提出具有相對應(yīng)的保護建議, 提高區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

2.2 生態(tài)廊道重要性

完整生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的主要組成要素為生態(tài)節(jié)點和生態(tài)廊道, 節(jié)點和廊道的效率都會對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。因此, 在保障生態(tài)系統(tǒng)安全和維持生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時, 不僅要關(guān)注生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點, 還要重點把握生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中廊道的重要性程度。生態(tài)源與目標(biāo)源之間的相互作用強度是衡量源地之間生態(tài)廊道有效性和重要性的主要指標(biāo)之一。通常認為, 生境質(zhì)量越好的斑塊越能減少物種遷徙, 降低生態(tài)流流動交換時的阻力, 增加物質(zhì)能量信息傳輸中生物的幸存比率[41]。因此, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與優(yōu)化都需要對潛在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行修正和優(yōu)化, 為完善生態(tài)網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)完整和功能穩(wěn)定以及構(gòu)建合理科學(xué)的生態(tài)空間提供重要依據(jù)。基于重力模型, 建立了10個生態(tài)源地相互間的作用力矩陣(表3)。在參考已有研究的基礎(chǔ)上[42], 考慮到利于武漢城市圈生態(tài)環(huán)境差異化管理, 根據(jù)生態(tài)源地的大小, 并依據(jù)作用力數(shù)值大小對廊道進行重要性分級, 大于100的作為重要廊道, 等于或小于100的當(dāng)作一般廊道。

武漢城市圈基于重力模型識別的重要廊道有17條, 主要分布在研究區(qū)的北部和東南部, 主要連接北部的大別山林區(qū)和南部的九宮山等山群(圖7)。這些重要生態(tài)廊道是物種能量與信息交換的主要通道, 也是阻力最小的便捷路徑。一般廊道數(shù)量較多, 分布廣泛, 經(jīng)過研究區(qū)的大部分市縣, 距離人類聚集活動區(qū)域較近, 受人類活動干擾頻繁, 且生態(tài)斑塊面積較小, 不適宜大范圍的物種遷移活動。

表1 節(jié)點綜合重要度評價指標(biāo)權(quán)重

表2 節(jié)點綜合重要度評價結(jié)果

圖6 節(jié)點綜合重要度的空間分布

Figure 6 Spatial distribution of node comprehensive importance.

表3 基于重力模型的生態(tài)源地間相互作用矩陣

圖7 生態(tài)廊道重要性分級

Figure 7 Ecological corridor importance classification.

2.3 魯棒性模擬

運用魯棒模型分析生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通魯棒性和脆弱魯棒性通常需要先假設(shè)某個特定的場景, 即某種情景假設(shè)[43]。武漢城市圈尚處于都市圈培育階段,城鎮(zhèn)化加速、土地利用及覆被過去和將來變化依然顯著, 而且每隔3～5年發(fā)生一次嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點存在隨機破壞的潛在風(fēng)險。因此, 本研究選擇“隨機攻擊”破壞模式, 有序地刪除網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點, 模擬隨機破壞情景, 計算生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的兩種魯棒性。

刪除的節(jié)點數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性具有極大影響。由圖8可以看出, 在隨機破壞情景模擬下, 網(wǎng)絡(luò)的連通魯棒性和脆弱魯棒性與節(jié)點刪除數(shù)量密切相關(guān), 且均呈下降趨勢。連通魯棒性的起始值為0.55, 脆弱魯棒性的起始值為0.26, 魯棒值越大說明網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性越強。當(dāng)刪除節(jié)點數(shù)量小于57%時, 連通魯棒性起伏較小, 網(wǎng)絡(luò)暫時處于相對穩(wěn)定狀態(tài), 當(dāng)刪除節(jié)點數(shù)量達到57%時, 連通魯棒性開始出現(xiàn)明顯下降, 下降后呈平緩下降趨勢, 當(dāng)刪除節(jié)點數(shù)量達到85%時, 連通魯棒性值開始發(fā)生劇烈下降, 說明此時的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)遭到較大程度的破壞, 網(wǎng)絡(luò)中剩下的節(jié)點不具備景觀連通功能, 整個網(wǎng)絡(luò)開始趨于癱瘓狀態(tài)。當(dāng)刪除節(jié)點數(shù)量僅為8.5%時, 脆弱魯棒性值開始呈下降趨勢, 這與此時刪除節(jié)點的重要程度有關(guān), 與刪除節(jié)點有關(guān)聯(lián)的節(jié)點數(shù)量較多且處于網(wǎng)絡(luò)的中部區(qū)域; 當(dāng)刪除節(jié)點數(shù)量達到47%和68%時, 脆弱魯棒性出現(xiàn)平緩下降趨勢, 當(dāng)刪除節(jié)點數(shù)量達到88%時, 脆弱魯棒性值急劇下降, 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重, 整體網(wǎng)絡(luò)開始處于癱瘓狀態(tài)。

圖8 連通魯棒性和脆弱魯棒性的變化

Figure 8 Change of connectivity and fragile robustness.

連通魯棒性和脆弱魯棒性整體變化趨勢基本一致, 可以判定, 85%左右的節(jié)點失效臨界值是武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)維護整體結(jié)構(gòu)功能的關(guān)鍵, 也是保持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和連通性的重要臨界值, 當(dāng)節(jié)點失效比率低于85%時, 連通魯棒性雖有下降但趨勢緩慢, 脆弱魯棒性有小幅上升但整體呈緩慢下降趨勢; 當(dāng)節(jié)點失效比高于85%時, 連通魯棒性和脆弱魯棒性均呈急劇下降趨勢, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)開始處于癱瘓狀態(tài)。由此可知, 節(jié)點失效比率是影響生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵指標(biāo), 網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以由一定區(qū)間內(nèi)的節(jié)點失效率來反映, 也可用來量化整體網(wǎng)絡(luò)空間的復(fù)雜性。

節(jié)點數(shù)量對整體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性具有重要影響, 也對豐富物種類別程度和生態(tài)功能多樣性具有關(guān)鍵作用。比較兩種魯棒性曲線的變化趨勢, 可以發(fā)現(xiàn)脆弱魯棒性的波動起伏比連通魯棒性要高, 說明節(jié)點數(shù)量對網(wǎng)絡(luò)運行效率的影響高于對網(wǎng)絡(luò)連通性的影響, 從而影響到整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性?？傮w看, 在節(jié)點失效率較低時, 武漢城市圈的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)處于比較穩(wěn)定的狀態(tài), 說明在自然狀態(tài)下生態(tài)系統(tǒng)能夠進行自我調(diào)節(jié), 物種信息流動阻力仍較小, 對生物多樣性的影響變化不大。只有當(dāng)節(jié)點失效率大于85%時, 這種自我調(diào)節(jié)能力開始急劇下降直至完全喪失。節(jié)點失效率過大時, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點破壞程度大于生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力, 關(guān)鍵節(jié)點被破壞, 原有的運輸通道被割斷, 物質(zhì)信息流動嚴(yán)重受阻, 從而導(dǎo)致生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性加強, 不利于生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)健康發(fā)展。重要程度高的節(jié)點對維持生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性具有關(guān)鍵作用, 刪除節(jié)點的綜合重要度越高, 對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的影響越大, 越容易造成網(wǎng)絡(luò)連通魯棒性和脆弱魯棒性發(fā)生劇烈變化, 因此, 重要度高的節(jié)點是保障網(wǎng)絡(luò)連通性和能量信息傳遞的關(guān)鍵, 對維持生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性起著重要作用。

3 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)保護管理策略

3.1 生態(tài)節(jié)點保護策略

節(jié)點是保持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和連通性的關(guān)鍵, 其在網(wǎng)絡(luò)中的貢獻程度、數(shù)量、相互作用力是維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和復(fù)雜性的重要因素。為實現(xiàn)節(jié)點在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的重要作用, 依據(jù)節(jié)點綜合重要度評價結(jié)果, 制定重點保護、一般保護、廣泛保護3種節(jié)點保護策略。

(1)重點保護策略。對重要度較高的節(jié)點進行保護來維持生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。該類節(jié)點數(shù)量較少, 相對集中在鄂州市的湖泊區(qū)域和黃岡市的大別山區(qū), 節(jié)點所對應(yīng)土地利用類型多為林地, 對整體網(wǎng)絡(luò)空間的穩(wěn)定性產(chǎn)生關(guān)鍵影響, 因此, 在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)空間遭受到一定干擾破壞時, 重點保護這類節(jié)點能保證生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的基本功能, 但處于該保護策略下的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)處于較敏感的狀態(tài), 且穩(wěn)定性較低, 若生態(tài)網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)被破壞導(dǎo)致節(jié)點繼續(xù)喪失, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)將很快完全癱瘓。

(2)一般保護策略。對節(jié)點綜合重要度一般以上的節(jié)點進行保護, 保護節(jié)點數(shù)量高于重要保護策略, 可將總節(jié)點數(shù)量的48%納入該保護策略中, 主要為武漢城市圈的北部林地, 雖然能保護的節(jié)點數(shù)不到總節(jié)點數(shù)量的一半, 但能夠保證生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的相對穩(wěn)定。

(3)廣泛保護策略。對節(jié)點重要性等級為二級以上的節(jié)點進行保護, 保護節(jié)點數(shù)占總節(jié)點數(shù)量的76%, 主要集中于研究區(qū)的北部和南部區(qū)域。由于被保護的節(jié)點數(shù)量多, 景觀類型豐富, 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)能夠在較長時間范圍內(nèi)維持自身的穩(wěn)定性, 其生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能不會因外界干擾而發(fā)生較大波動。

3.2 廊道重要性保護策略

生態(tài)廊道是連接生態(tài)源地的重要生態(tài)流通道, 由于不同廊道的功能和效用存在差異, 其在網(wǎng)絡(luò)中的建設(shè)能力和所發(fā)揮的作用也有差別。根據(jù)廊道重要性的判別結(jié)果, 針對生態(tài)廊道重要性差異, 制定不同的廊道保護策略, 從而提升整個生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的完整性和穩(wěn)定性。

(1)重要生態(tài)廊道保護建設(shè)策略。重要生態(tài)廊道相對集中于研究區(qū)的北部和東南部區(qū)域, 連接的是具有關(guān)鍵生態(tài)功能的生態(tài)源地, 是國家森林公園、自然保護區(qū)和水源保護區(qū)的重要連接通道, 是阻力較小的流通路徑。重要廊道的主要土地利用類型為林地, 應(yīng)強化該類生態(tài)廊道的保護建設(shè), 促進核心生態(tài)源地之間的物質(zhì)交換和信息流通。

(2)一般生態(tài)廊道保護建設(shè)策略。一般生態(tài)廊道廣泛分布在研究區(qū)的中部和西部區(qū)域, 連接的斑塊主要是面積較小且較為分散的生態(tài)源地, 源地間的相互作用力較小或距離較長, 該類生態(tài)廊道阻力較大, 對源間生態(tài)物質(zhì)流的流通有一定影響, 且研究區(qū)重要廊道數(shù)量多于一般廊道。因此, 對一般廊道進行緩沖區(qū)保護建設(shè), 能更好地提高生態(tài)網(wǎng)絡(luò)整體的安全性和穩(wěn)定性。

4 討論

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是有效分析生態(tài)系統(tǒng)功能和組織結(jié)構(gòu)的重要手段, 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性對于生態(tài)建設(shè)具有重要意義。在城市大規(guī)模擴張或城市圈高速發(fā)展階段, 原有的生態(tài)環(huán)境遭到破壞, 生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性面臨挑戰(zhàn)。魯棒性反映了生態(tài)系統(tǒng)在遭受外部環(huán)境沖擊或內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化時的敏感性, 可以表征建設(shè)用地擴張、生態(tài)空間壓縮時生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性變化, 把握當(dāng)前的生態(tài)建設(shè)狀況, 從而對區(qū)域生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供一定指導(dǎo)。一方面, 武漢城市圈每3—5年發(fā)生一次嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害, 對生態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有潛在的擾動風(fēng)險, 為維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性, 可通過災(zāi)前的工程建設(shè)和災(zāi)后的生態(tài)恢復(fù), 重建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。另一方面, 武漢城市圈處于都市圈的培育階段, 建設(shè)用地作為武漢城市圈迅速發(fā)展的表現(xiàn), 其面積的不斷擴張勢必對生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展造成影響, 引發(fā)環(huán)境污染、生物多樣性減少等生態(tài)環(huán)境問題。因此, 在土地利用覆被未來變化的不確定性下, 模擬生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在隨機破壞情景下的魯棒性變化, 對節(jié)點和廊道進行差異化保護, 對于提升生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性具有重要意義。

關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的分析方法, 國內(nèi)目前相關(guān)的研究內(nèi)容較少。在參考借鑒電氣工程、通信工程等交叉學(xué)科的網(wǎng)絡(luò)魯棒性分析思路與方法的基礎(chǔ)上, 本研究構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)魯棒性模型, 分析武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。受限于篇幅, 僅考慮了隨機攻擊的情景模式下的連通魯棒性和脆弱魯棒性, 并且在分析節(jié)點失效情況時, 僅考慮了節(jié)點失效時的比率, 未能考慮節(jié)點失效之后可能恢復(fù)的概率。在遙感數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)結(jié)合的背景下, 編程語言和拓撲網(wǎng)絡(luò)方法的應(yīng)用使生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性研究更具科學(xué)性, 未來在生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和復(fù)雜性領(lǐng)域的研究還須進一步深入。

5 結(jié)論

基于節(jié)點綜合重要性評價、廊道重要性評價以及魯棒性分析, 對武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行拓撲網(wǎng)絡(luò)提取, 分析節(jié)點的綜合重要程度, 識別出不同重要性等級的生態(tài)廊道, 模擬遭受破壞隨機情景下生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的連通魯棒性和脆弱魯棒性對整體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的影響。評價武漢城市圈的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性, 提出了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)保護管理策略的設(shè)想, 對未來區(qū)域生態(tài)網(wǎng)絡(luò)保護管理策略的制定具有一定指導(dǎo)意義, 可為城市圈國土空間規(guī)劃編制和自然保護區(qū)劃定提供一定參考。結(jié)論如下:

(1)武漢城市圈的拓撲網(wǎng)絡(luò)共有117個節(jié)點和189條邊, 根據(jù)節(jié)點綜合重要度評價結(jié)果, 重要性等級較高的節(jié)點占23.9%, 主要分布在研究區(qū)中北部林地區(qū)域, 是物種遷移和能量交換的重要功能性區(qū)域; 重要性較低的節(jié)點占節(jié)點總數(shù)的51.3%, 主要分布在研究區(qū)的西北和東南地區(qū), 該區(qū)域生態(tài)斑塊比較分散, 離人類活動區(qū)域較近, 受人類活動影響較大, 物種遷徙和能量信息流動易受阻。

(2)基于重力模型, 得到武漢城市圈重要生態(tài)廊道有17條, 一般生態(tài)廊道有28條。重要廊道主要分布在研究區(qū)的北部和東南部林地區(qū)域, 是生物信息流和能量流交換的重要通道, 對維持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性具有重要作用。一般廊道數(shù)量多, 且分布較為分散, 連接的節(jié)點距離較遠, 易發(fā)生斷裂, 不利于大規(guī)模的物種遷移活動。

(3)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與節(jié)點的重要度和數(shù)量密切相關(guān), 重要度高的節(jié)點對于維持生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性具有重要作用, 節(jié)點數(shù)量也在一定程度上影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。武漢城市圈的連通魯棒性起始值為0.55, 脆弱魯棒性起始值為0.26, 隨著節(jié)點數(shù)量的減少, 兩種魯棒性均呈下降趨勢; 85%的節(jié)點失效率是維持網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和連通性的重要臨界值, 說明要維持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性, 必須保證一定數(shù)量的重要度高的節(jié)點, 這也是保護武漢城市圈整體生態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功能的關(guān)鍵。

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Robustness simulation and stability analysis of ecological network in Wuhan metropolitan area

HUANG Yue1,2, LI Hongbo1,*, OU Guoliang3

1.College of Public Administration, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China 2.Wuhan Yongye Cyber Energy Planning and Survey Company Limited, Wuhan 430061, China 3.School of Construction and Environmental Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, China

Ecological networks show different robustness under different levels of damage or interference intensity, which is bound to cause the regional ecosystem risk. Based on the construction and identification of the ecological network of the Wuhan metropolitan area, the importance evaluation system of nodes and corridors was established, and the robust model was used to simulate the robustness changes under random interference scenarios to evaluate the stability of the ecological network. The results showed that: (1) Based on the complex network theory a topological network consisted by 117 nodes and 189 connecting lines was generated according to the ecological network of the Wuhan metropolitan area. The nodes with higher importance level accounted for 23.93%, which were mainly distributed in the central and northern part of the study area. The nodes with lower importance accounted for 51.28% of the total number of nodes, mainly distributed in the northwest and southeast of the study area. (2) The gravity model was used to determine the importance of ecological corridors. 17 important corridors were obtained, and 28 were general corridors. Important corridor had a great impact on the connectivity and stability of the ecological network. (3) The number and importance of nodes had a significant impact on the stability of the network. When the node failure rate was less than 50%, the ecological network stability change was small, and the overall stability was relatively high; when the node failure rate was between 50%-85%, the ecological network was extremely unstable; when the node failure rate reached 85%, the ecological network began to paralyze. (4) Based on the importance of ecological nodes and corridors and simulated results, differentiated management strategies for ecological node protection and corridor construction were proposed.

ecological network; stability; robustness; Wuhan metropolitan area

10.14108/j.cnki.1008-8873.2024.01.008

X171.4

A

1008-8873(2024)01-063-11

2021-07-30;

2021-09-17

國家自然科學(xué)基金項目(41871179, 42077432 ); 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主科技創(chuàng)新基金項目(2016RC014)

黃悅(1996—), 女, 湖北黃岡人, 碩士研究生, 主要研究方向為土地生態(tài)與土地經(jīng)濟, E-mail: 1028407741@qq.com

通信作者:李紅波, 男, 博士, 教授, 主要從事土地生態(tài)與土地經(jīng)濟研究, E-mail: lihb20132013@163.com

黃悅, 李紅波, 歐國良. 武漢城市圈生態(tài)網(wǎng)絡(luò)魯棒性模擬及穩(wěn)定性分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2024, 43(1): 63–73.

HUANG Yue, LI Hongbo, OU Guoliang. Robustness simulation and stability analysis of ecological network in Wuhan metropolitan area[J]. Ecological Science, 2024, 43(1): 63–73.