基于复杂网络理论和电路模型的酒泉市生态网络优化

doi:10.13287/j.1001-9332.202401.021

应用生态学报 ›› 2024, Vol. 35 ›› Issue (1): 237-246.doi: 10.13287/j.1001-9332.202401.021

基于复杂网络理论和电路模型的酒泉市生态网络优化

石晶^1,2,3, 石培基^1,2,3*, 王梓洋^1,2,3, 万雅^1,2,3, 程番苑^1,2,3, 王丽蓉^1,2,3

¹西北师范大学地理与环境科学学院, 兰州 730070;
²西北师范大学甘肃省绿洲资源环境与可持续发展实验室, 兰州 730070;
³甘肃省土地利用与综合整治工程研究中心, 兰州 730070

收稿日期:2023-08-21 接受日期:2023-11-24 出版日期:2024-01-18 发布日期:2024-03-21
通讯作者: * E-mail: xbsdspj@163.com
作者简介:石晶, 男, 1997年生, 硕士研究生。主要从事区域发展与规划管理研究。E-mail: shijingnwnu@126.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(41771130,42101276)和西北师范大学绿洲科学科研成果突破行动计划项目(NWNU-LZKX-202306)

Ecological network optimization of Jiuquan City, Gansu, China based on complex network theory and circuit model

SHI Jing^1,2,3, SHI Peiji^1,2,3*, WANG Ziyang^1,2,3, WAN Ya^1,2,3, CHENG Fanyuan^1,2,3, WANG Lirong^1,2,3

¹College of Geography and Environment Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China;
²Key Laboratory of Resource Environment and Sustainable Development of Oasis, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China;
³Gansu Engineering Research Center of Land Utilization and Comprehension Consolidation, Lanzhou 730070, China

Received:2023-08-21 Accepted:2023-11-24 Online:2024-01-18 Published:2024-03-21

摘要/Abstract

摘要： 构建科学合理的生态网络是优化国土空间开发保护格局的关键,对保障区域生态安全和促进生态系统良性循环具有重要意义。既有研究在生态网络“鲁棒性”评价中多采用节点攻击法(破坏生态源地),而现实中生态廊道相比源地更脆弱,节点攻击法尚缺乏合理性。本研究以酒泉市为研究区,基于电路模型构建生态网络,采用复杂网络理论中的随机增边、节点度和节点介数低者优先增边3种策略对生态网络进行拓扑结构优化,并构建了边攻击策略对优化前后的生态网络“鲁棒性”进行对比,遴选最佳网络优化策略。结果表明: 酒泉市共识别出生态源地65个,总面积20275.15 km²,草地占源地面积的89.5%。识别生态廊道179条,全长6387.16 km。识别生态障碍点共158个,总面积1385.5 km²,未利用地占障碍点总面积的92.2%。识别生态夹点63个,主要集中在源地边缘及廊道交汇处。其中,11处障碍点与夹点的空间分布位置较一致,是生态网络优化中需重点修复的区域。3种优化策略均显著提高了酒泉市生态网络的稳定性,按度增边优化策略的生态网络在随机攻击和蓄意攻击模式下最大连通子图相对大小和边连通率均最稳定,是酒泉市生态网络的最佳优化方案。

关键词: 生态网络, 复杂网络理论, 优化策略, 鲁棒性, 酒泉市

Abstract: Building a scientific and reasonable ecological network is the key for optimizing the pattern of territorial development and protection, and is of great significance for ensuring regional ecological security and promoting the virtuous cycle of ecosystems. In previous studies, nodal attack method (destruction of ecological source area) was often used in the “robustness” evaluation of ecological networks. Actually, the ecological corridor is more fragile than the source area, and thus the nodal attack method is not reasonable. In this study, taking Jiuquan City as the research area, based on the circuit model to construct the ecological network, we carried out the topology optimization of ecological network by using three strategies (random edge increase, node degree and priority edge increase with low node intermedium number) in complex network theory. We compared and analyzed the “robustness” of ecological network before and after optimization by constructing edge attack strategy, and selected the best network optimization strategy. The results showed that 65 ecological source areas were identified in Jiuquan City, with a total area of 20275.15 km², and that grassland accounted for 89.5% of the source area. We identified 179 ecological corridors with a total length of 6387.16 km, 158 ecological barrier points with a total area of 1385.5 km². The unused land accounted for 92.2% of the total barrier points area. We identified 63 ecological pinch points, mainly concentrated in the source edge and corridor intersection. Among them, the spatial distribution of 11 barrier points and pinch points was consistent, which was the key area to be repaired in ecological network optimization. The three optimization strategies had significantly improved the stability of ecological network in Jiuquan City. The relative size of the maximum connected subgraph and the edge connected rate of the ecological network of the optimization strategy of adding edges according to degree were all the most stable under random attack mode and deliberate attack mode, which was the best optimization scheme for ecological network in Jiuquan City.

Key words: ecological network, complex network theory, optimize the strategy, robustness, Jiuquan City

石晶, 石培基, 王梓洋, 万雅, 程番苑, 王丽蓉. 基于复杂网络理论和电路模型的酒泉市生态网络优化[J]. 应用生态学报, 2024, 35(1): 237-246.

SHI Jing, SHI Peiji, WANG Ziyang, WAN Ya, CHENG Fanyuan, WANG Lirong. Ecological network optimization of Jiuquan City, Gansu, China based on complex network theory and circuit model[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2024, 35(1): 237-246.

参考文献

[1] 焦胜, 刘奕村, 韩宗伟, 等. 基于生态网络-人类干扰的国土空间生态修复优先区诊断: 以长株潭城市群为例. 自然资源学报, 2021, 36(9): 2294-2307
[2] 王晨旭, 刘焱序, 于超月, 等. 国土空间生态修复布局研究进展. 地理科学进展, 2021, 40(11): 1925-1941
[3] Huang KX, Li P, Wang D. et al. Incorporating circuit theory, complex networks, and carbon offsets into the multi-objective optimization of ecological networks: A case study on karst regions in China. Journal of Cleaner Production, 2023, 383: 135512
[4] 孙传谆, 李鹏, 邓羽, 等. 基于生态系统空间异质性的美丽中国生态建设分区. 地理学报, 2022, 77(11): 2902-2919
[5] 董毓伊, 冯秀丽, 黄俊杰, 等. 国土空间生态保护修复重点区域识别研究: 以宁波市为例. 中国土地科学, 2023, 37(6): 96-105
[6] 张潆文, 苏腾, 张富刚, 等. 新时期我国国土空间生态修复理念与模式探讨. 应用生态学报, 2021, 32(5): 1573-1580
[7] 陈瑾, 赵超超, 赵青, 等. 基于MSPA分析的福建省生态网络构建. 生态学报, 2023, 43(2): 603-614
[8] 冯舒, 唐正宇, 俞露, 等. 城市群生态网络协同构建场景要素与路径分析: 以粤港澳大湾区为例. 生态学报, 2022, 42(20): 8223-8237
[9] 彭建, 李冰, 董建权, 等. 论国土空间生态修复基本逻辑. 中国土地科学, 2020, 34(5): 18-26
[10] Zhang R, Zhang QP, Zhang L, et al. Identification and extraction of a current urban ecological network in Minhang District of Shanghai based on an optimization method. Ecological Indicators, 2022, 136: 108647
[11] 陈亚宁, 李忠勤, 徐建华, 等. 中国西北干旱区水资源与生态环境变化及保护建议.中国科学院院刊, 2023, 38(3): 385-393
[12] 张学渊, 魏伟, 周亮, 等. 西北干旱区生态脆弱性时空演变分析. 生态学报, 2021, 41(12): 4707-4719
[13] 闫玉玉, 孙彦伟, 刘敏. 基于生态安全格局的上海国土空间生态修复关键区域识别与修复策略. 应用生态学报, 2022, 33(12): 3369-3378
[14] 杨凯, 曹银贵, 冯喆, 等. 基于最小累积阻力模型的生态安全格局构建研究进展. 生态与农村环境学报, 2021, 37(5): 555-565
[15] 李恒凯, 刘玉婷, 李芹, 等. 基于MCR模型的南方稀土矿区生态安全格局分析. 地理科学, 2020, 40(6): 989-998
[16] 李久林, 胡大卫, 储金龙, 等. 基于未来情景模拟的安徽省潜山市生态网络构建与优化. 应用生态学报, 2023, 34(6): 1474-1482
[17] 胡其玉, 陈松林. 基于生态系统服务供需的厦漳泉地区生态网络空间优化. 自然资源学报, 2021, 36(2): 342-355
[18] 刘祥平, 张贞, 李玲玉, 等. 多维视角下天津市生态网络结构演变特征综合评价. 应用生态学报, 2021, 32(5): 1554-1562
[19] Kindlmann P, Burel F. Connectivity measures: A review. Landscape Ecology, 2008, 23: 879-890
[20] 倪庆琳, 丁忠义, 侯湖平, 等. 基于电路理论的生态格局识别与保护研究: 以宁武县为例. 干旱区资源与环境, 2019, 33(5): 67-73
[21] 侯宏冰, 郭红琼, 于强, 等. 基于LMBA策略的鄂尔多斯市生态空间网络优化. 农业机械学报, 2021, 52(1): 219-227
[22] Yu Q, Yue DP, Wang YH, et al. Optimization of ecological node layout and stability analysis of ecological network in desert oasis: A typical case study of ecological fragile zone located at Deng Kou County (Inner Mongolia). Ecological Indicators, 2018, 84: 304-318
[23] 黄心怡, 赵小敏, 郭熙, 等. 鄱阳湖平原土地利用变化对生态网络稳定性影响的模拟分析. 农业工程学报, 2022, 38(9): 277-287
[24] Song S, Xu DW, Hu SS, et al. Ecological network optimization in urban central district based on complex network theory: A case study with the urban central district of Harbin. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2021,18: 1427
[25] 裴燕如, 武英达, 于强, 等. 荒漠绿洲区潜在生态网络增边优化鲁棒性分析. 农业机械学报, 2020, 51(2): 172-179
[26] 杨林哲, 牛腾, 于强, 等. 基于复杂网络理论的生态空间优化: 以松花江流域为例. 北京林业大学学报, 2022, 44(9): 91-103
[27] Wang ZY, Shi PJ, Zhang XB, et al. Research on landscape pattern construction and ecological restoration of Jiuquan City based on ecological security evaluation. Sustainability, 2021, 13: 5732
[28] 张玲. 借鉴以色列沙漠农业成功经验促进酒泉市戈壁农业发展的几点思考. 甘肃农业, 2019, 10(4): 69-74
[29] 曹诚, 陈永宁. 生态脆弱地区绿色金融发展. 中国金融, 2017(20): 92-93
[30] 牛腾, 岳德鹏, 张启斌, 等. 潜在生态网络空间结构与特性研究. 农业机械学报, 2019, 50(8): 166-175
[31] 霍锦庚, 时振钦, 朱文博, 等. 郑州大都市区生态网络构建及格局优化. 应用生态学报, 2023, 34(3): 742-750
[32] 曹秀凤, 刘兆顺, 李淑杰, 等. 基于生态安全格局的国土空间生态修复关键区域识别:以吉林省松原市为例. 中国环境科学, 2022, 42(6): 2779-2787
[33] 陈南南, 康帅直, 赵永华, 等. 基于MSPA和MCR模型的秦岭(陕西段)山地生态网络构建. 应用生态学报, 2021, 32(5): 1545-1553
[34] 潘竟虎, 王云. 基于CVOR和电路理论的讨赖河流域生态安全评价及生态格局优化. 生态学报, 2021, 41(7): 2582-2595
[35] 覃彬桂, 林伊琳, 赵俊三, 等. 基于InVEST模型和电路理论的昆明市国土空间生态修复关键区域识别. 中国环境科学, 2023, 43(2): 809-820
[36] 方晟浩, 肖尧, 李平, 等. 基于边攻击策略的城市交通网络鲁棒性分析. 兰州交通大学学报, 2022, 41(5): 23-27
[37] Holme P, Kim BJ, Yoon CN, et al. Attack vulnerability of complex networks. Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics, 2002, 65: 056109
[38] 章鹏, 韩华, 谢先招, 等. 边权重的混合攻击策略. 河南科技大学学报: 自然科学版, 2017, 38(6): 38-43
[39] Barabasi AL, Albert R. Emergence of scaling in random networks. Science, 1999, 286: 509-512
[40] Watts DJ,Strogatz SH. Collective dynamics of ‘small-world' networks. Nature, 1998, 393: 440-442
[41] Zhang LN, Qiang Z, Xu EQ. Improving the ecological network optimization with landscape connectivity: A case study of Neijiang City, Sichuan Province. Environmental Science and Pollution Research, 2023, 30: 54753-54769
[42] 潘竟虎, 刘晓. 疏勒河流域景观生态风险评价与生态安全格局优化构建. 生态学杂志, 2016, 35(3): 791-799
[43] 金银丽, 周冬梅, 周凡, 等. 疏勒河流域生态安全网络构建及优化. 应用生态学报, 2023, 34(4): 1063-1072
[44] 朱纯超. 基于不同蓄意攻击策略的复杂网络鲁棒性研究. 博士论文. 南昌: 华东交通大学, 2022

基于复杂网络理论和电路模型的酒泉市生态网络优化

Ecological network optimization of Jiuquan City, Gansu, China based on complex network theory and circuit model

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	梁华秋, 沈梦晗, 邵明, 姚朋. 基于生态系统服务供需的临沂市固碳生态网络构建 [J]. 应用生态学报, 2024, 35(3): 759-768.
[2]	窦寒梅, 赵锐锋, 陈喜东, 石晶, 王景发, 刘福寿. 西北干旱区国土空间生态修复优先区识别——以黑河流域张掖市为例 [J]. 应用生态学报, 2024, 35(2): 469-479.
[3]	黄俊达, 黄金玲, 陈超劲. 以自然保护地为主体的广州市域生态网络构建 [J]. 应用生态学报, 2024, 35(1): 247-254.
[4]	郝梦媛, 刘殿锋. 基于兴趣点识别生境风险的生态网络构建——以武汉城市圈为例 [J]. 应用生态学报, 2023, 34(9): 2471-2480.
[5]	谢卓洪, 雷敏, 刘利杰, 莫燕卿, 战国强, 刘萍. 珠三角城市群景观生态格局评价与优化 [J]. 应用生态学报, 2023, 34(9): 2481-2488.
[6]	毛媛媛, 徐凡, 高义轩, 黄坤, 李欣, 胡浩. 基于形态学空间格局分析的汝州市蓝绿生态网络构建与规划应用 [J]. 应用生态学报, 2023, 34(8): 2226-2236.
[7]	李久林, 胡大卫, 储金龙, 尹海伟. 基于未来情景模拟的安徽省潜山市生态网络构建与优化 [J]. 应用生态学报, 2023, 34(6): 1474-1482.
[8]	李晶, 陈松林, 李晨欣, 周萍. 基于生态网络分析的厦漳泉地区土地碳代谢 [J]. 应用生态学报, 2023, 34(5): 1375-1383.
[9]	杜箫宇, 吕飞南, 王春雨, 宇振荣. 基于MSPA-Conefor-MCR的县域尺度生态网络构建——以延庆区为例 [J]. 应用生态学报, 2023, 34(4): 1073-1082.
[10]	霍锦庚, 时振钦, 朱文博, 薛华, 陈鑫. 郑州大都市区生态网络构建及格局优化 [J]. 应用生态学报, 2023, 34(3): 742-750.
[11]	马彩虹, 刘园园, 杨航, 李聪慧, 杨中华. 宁夏灵武市“生态-经济”双网格局演变及互作关系 [J]. 应用生态学报, 2023, 34(11): 3095-3104.
[12]	吴倩莲, 李飞雪, 张启舜, 李满春. 基于网络分析的城市生态空间结构优化——以常州市为例 [J]. 应用生态学报, 2022, 33(7): 1983-1992.
[13]	岳文泽, 侯丽, 夏皓轩, 韦静娴, 卢有朋. 基于生态系统服务供需平衡的宁夏固原生态修复分区与优化策略 [J]. 应用生态学报, 2022, 33(1): 149-158.
[14]	沈钦炜, 林美玲, 莫惠萍, 黄宇斌, 胡欣雨, 魏凌伟, 郑郁善, 陆东芳. 佛山市生态网络构建及优化 [J]. 应用生态学报, 2021, 32(9): 3288-3298.
[15]	陈南南, 康帅直, 赵永华, 周煜杰, 闫瑾, 卢雅茹. 基于MSPA和MCR模型的秦岭(陕西段)山地生态网络构建 [J]. 应用生态学报, 2021, 32(5): 1545-1553.