斑块耦合网络：景观评价的功能流视角

陈端吕，李际平

（1.湖南文理学院 资源环境与旅游学院，湖南 常德 415000；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410000）

斑块耦合网络：景观评价的功能流视角

陈端吕1，李际平2

（1.湖南文理学院 资源环境与旅游学院，湖南 常德 415000；2.中南林业科技大学，湖南 长沙 410000）

景观网络从景观结构网络发展到景观功能网络。景观功能网络将无形的景观功能流落实于实际的空间中，更多地考虑功能“流”的联系。由于景观系统功能流空间的存在，以及流空间中由流势差形成的流路径，把斑块作为景观网络的节点，从功能流的视角提出了可作为景观整体评价的“斑块耦合网络”模型。对模型阐述了节点、功能流路径、功能流势差三个维度的概念框架，指出了未来研究应该对模型在景观尺度及不同区域中的评价生态功能的适用性进行实证检验，并根据结果对模型进行进一步的修正和完善。

斑块耦合网络;功能流;景观功能网络;概念框架;景观评价

1 景观网络的演变与发展

1.1 从结构网络到功能网络

网络和系统之间存在着一种相互对应的关系，利用图论的方法研究整体骨架成为重点。网络模型成为复杂系统的一种抽象描述方式和结构形态，强调了系统结构的拓扑特征，从系统组分的关系视野为我们提供了一种系统结构研究的新视角、新方法。网络模型的应用，最早是从神经网络、计算机网络、交通网络以及邮电通讯网络等开始的，这些网络是现实存在的网络或者解剖结构上存在的网络，表达了实体系统的实际结构，是一种实体性结构网络。实体性结构网络的研究和应用，表明从网络的角度有助于认识系统的整体性和复杂性特征[1]。

近年来，随着系统复杂性科学的推进，网络研究作为剖析系统复杂性的手段，发展较快，有人从生物系统的复杂机制中，发现除了实体性结构网络，还存在系统组分通过非线性相互作用组成的功能网络[2]，基因网络[3]、蛋白质网络[4]和代谢网络[5]是生物系统中三种重要的功能网络。

从结构的实体性拓展到功能视角，是现实性结构到抽象性结构的拓展。通过结构网络的信息传递路径所形成的相互作用在大尺度下通常更多地表现为功能连接，其网络是一种功能网络。功能网络是对结构性网络透过现象表层去捕捉深层次的东西，结构与功能相当于符号与信息，功能网络是显性与隐含的交错，功能网络包含结构网络。可以借助于网络的概念、属性和复杂网络研究的各种方法来理解系统的演化和行为。

1.2 景观网络的形成与发展

景观是生态系统水平之上，基于人地综合体的一个更高水平的等级系统[6-8]。景观网络是通过景观组分空间关联、功能过程关联、宏观上为达到结构和功能整合的一种普遍存在的景观结构[9]，景观生态学中的景观网络是由空间中相互联系的廊道、斑块与节点所构成的实体，是一种景观组分的空间结构网络，主要是通过景观廊道中通道效应的组分形成空间可视的景观结构网络[10]。

景观结构网络，主要由生境斑块和廊道构成网络系统通过跨越廊道形成物质、能量和有机体等景观功能流，廊道是景观功能流的典型载体，只有廊道具有“桥”的作用，可在景观整体中通过廊道进行各景观组分间的交互作用，产生能量流、物质流和信息流的流动和交换。景观结构网络依赖景观空间的联系，更多地考虑景观的空间结构，是景观的构型成分在空间上的体现，这种网络从视角感知上应该是具体的，是基于空间的网络，由空间结构特征切入进而探讨景观生态过程及其生态价值[11-12]。

结构是功能的表现，整体功能的内部关系不一定可视[13]，功能联系不只局限于廊道，于是发展了景观功能网络。景观功能网络更多地考虑功能“流”的联系，把这种功能的相互作用抽象出来，作为网络的边，结点主要考虑功能，只有具有相互功能联系的结点，才能抽象成网络的边。景观功能网络可将无形的景观功能流落实于实际的空间中，有助于在强化景观空间联系的格局优化中提升景观的功能[14]，具有时间维度、或者空间维、或者时空二维度。如食物链网，具有时空二维度，即体现在时间过程中，又发生具体的空间里。完整的景观功能网络则具备跨尺度的功能联系，是从基于空间格局的“可视网络”到基于功能的“不可视网络”的发展，并具有特定的景观类型组成及功能等级[15]。当然，从广义上看，景观结构网络也是一种景观功能网络，是可视的景观功能网络。

2 斑块耦合网络的提出

景观组分间的交互作用通过网络产生能量、物质、信息的流动与交换，“流”的作用形成网络的功能[16]。斑块作为景观组分，是景观中物质与能量迁移和信息交换的场所，斑块是影响能量与物质分布的重要因素，其形状与大小共同影响斑块的生境适宜性及斑块间的生境异质性[17]。任何一个斑块都不是孤岛，斑块的各种现象都受到来自斑块外部和穿过斑块边界因素的影响，斑块关系通过表现为乘数效应的复杂功能流形成景观综合体[18]。

把景观作为处于不同空间的流动镶嵌体，以斑块的个体行为和空间特征作为调控节点，以斑块间功能流相互作用的源汇关系作为网络边，构造反映组分及其相互耦合作用的网络，这是景观层次通过斑块构成的景观功能网络类型，称之为“斑块耦合网络”。“斑块耦合网络”研究发生在斑块间的生态功能过程，是景观生态学中“景观功能网络”的发展。“斑块耦合网络”是代表“斑块的耦合体”整体结构的骨架，有助于从网络的角度认识系统的整体性和复杂性特征。

3 斑块耦合网络模型假设

3.1 功能流空间

斑块耦合网络是研究斑块间的生态功能动态过程，受到来自斑块外部和穿过斑块边界因素的影响，在斑块之间通过横穿边界进行着复杂的景观功能流。功能流反映了斑块关系，是斑块之间生态过程所发生的频繁、双向或多向的交互流动现象，表现为物质流、能量流或信息流等三种相互联系与相互作用的不同形式。功能流强度是在斑块间的联系中导致结构与生态过程发生改变所产生的影响量，斑块界面的厚度和对比度影响生态流，同时影响矢量的动能,从而改变物质的流通率和分布[17]。每个斑块个体输入输出的功能流的类型，地位和流量在一定程度上决定斑块的个体行为和空间特征[19]，而斑块群体中互为源汇关系的功能流，是某种载于斑块结节之间的连接上的流[20]，功能流流动路径随时间的分布过程构成一种“耦合”，形成不断流动的“流”创造的空间[21]。功能流空间的存在，使斑块耦合网络在该空间中通过流的功能性逻辑映射出的空间组织关系。

3.2 功能流涨落

景观斑块在同一生态环境下存在内部生物机制与环境资源利用竞争的差异（势差），导致了斑块间的功能流从分散向集中高密度集聚，从低质向高质、高强度运转，从无序向有序连续积累。在不同的时空有不同的流动路径与流动速度，当输入的功能流的流量、流速或流动势等特性值达到某个阈值时，将会引起斑块内部各元素或斑块之间功能流的流动路径、流动方式或相互作用发生改变，驱动势的总方向也影响着功能流的流动方向，出现了多种多样的流动路径、流动方式以及相互作用，形成斑块耦合网络功能流的流动涨落。这些涨落又直接影响斑块耦合网络中功能流的不同状态以及耦合作用发生改变。斑块耦合网络通过功能流的流动涨落引起了内部关联，使景观斑块在景观整体中呈现不同程度的耦合状态，即“斑块耦合网络”的结构，发挥着结构、功能和行为的调节和控制作用，进而获得景观系统在特定时间、空间、功能和目标下的有序与优化。

4 斑块耦合网络模型概念框架

生态功能的表现需要依赖超越于地面同质系统的空间关联。斑块耦合网络空间结构方式的变化在功能演化的表现，通过功能流在景观中产生了一种新的稳定的功能流的流动路径或运动方式，从而不断地进行着功能流的交换，并把组元连接起来，构成有一定功能、一定目标、一定结构的，具有流动和传递特性的客体汇，形成因功能流的流动而形成网络的流结构[22]。斑块耦合网络把斑块作为节点，节点联系依赖斑块功能流动态。从物质、能量和信息流动方式来理解网络的运动方式、结构方式及其进化，确立了功能流视角的网络框架。

斑块耦合网络存在网络的三个维度：节点、功能流路径、功能流势差，概念框架见图1。（1）功能节点N (Node)。把斑块作为一个功能节点。功能节点是斑块耦合网络模型的重要组成，每个功能节点在空间上的投影即为景观空间格局的一个斑块结构。（2）功能流路径P (Path)。功能流在不同能级的斑块间有序运动形成路径。路径是节点间物质、能量与信息传递的通道。功能流路径方向通过对流的“源”与“汇”以及流的通道的空间要素组织得以调控。（3）功能流势差PD(Potential Difference)。每个斑块在空间上的不连续性形成了斑块边界（界面），正是边界的边缘效应使产生相互作用的两个斑块之间形成功能流势差。在功能流传递的路径上，功能流的驱动，受驱动力、阻力、干扰的共同作用，流的驱动力和阻力的矢量和值形成功能流的网络格局，功能流在不同能级的斑块间有序运动，斑块的能级特征由其空间位置、物质组成、生物因素及其环境参数所决定，也就是流的驱动因素。流的流动需要克服种种阻力来实现对景观的覆盖和控制。

图1 斑块耦合网络的概念框架Fig.1 Conceptual framework of coupled patches network

5 未来研究方向

生态功能的表现使景观越来越多地视为一个整体单位来思考、研究和管理，构成对可持续发展环境进行规划和管理的最适宜的空间尺度。一定条件下，理论上存在某种最佳景观构型，其构型骨架最佳选择为复杂网络，可为组织中具体的实践活动提供一定的参考价值。

任何理论模型都要经过实证研究的检验才能完成理论到实践的跨越，作为复杂网络的斑块耦合网络，从理论上分析能够增加原有模型的解释力，但斑块耦合网络的结构与其系统生态功能的相关性在规律的模拟方面受到客观条件的限制，同一地点也许不会发生各种网络的存在，而且实证方面的研究更是缺乏，因此，未来研究应该对模型在景观尺度及不同区域中的评价生态功能的适用性进行实证检验，并根据结果对模型进行进一步的修正和完善。

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Coupling network of landscape patches from the perspective of function fl ows of landscape evaluation

CHEN Duan-lv1, LI Ji-ping2
(1.College of Resources environment and tourism, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, Hunan, China; 2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The landscape function network is proposed based on the landscape structure network. Relationship between landscape elements of landscape function network is expanded from visible space to invisible landscape function fl ow. Due to existing fl ow space and fl ow path formed by fl ow potential difference in fl ow space, so landscape patch can be taken as node of landscape network, and the coupling network of landscape patches model which can evaluate overall function of landscape sysytem was proposed from the perspective of the functional fl ow. The conceptual frameworks of coupling network of landscape patches model were expounded from the three aspects, namely, node, function fl ow path and function fl ow potential difference. It is pointed out that the suitability of the model structure which can express different ecological functions should be tested and corrected.

coupling network of landscape patches; function fl ows; landscape functions network; conceptual framework; landscape evaluation

S771.8

A

1673-923X(2013)01-0007-04

2012-10-10

国家自然科学基金项目(3097362)；湖南省教育厅重点项目(12A100)；湖南文理学院博士启动基金（BSQD1015）

陈端吕(1965-)，男，湖南隆回人，教授，博士，主要从事景观地理和3S技术的教学与科研工作

李际平(1957-)，男，湖南醴陵人，教授，博士，博士生导师，主要从事林业系统工程教学与科研工作

[本文编校：欧阳钦]