張 妍,鄭宏媚,陸韓靜

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

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城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究進(jìn)展

張 妍*,鄭宏媚,陸韓靜

北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875

自生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法提出40多年來(lái),其理論發(fā)展和應(yīng)用實(shí)踐不斷拓展,但直至21世紀(jì)才不斷引入到城市生態(tài)系統(tǒng)研究中,用以分析城市內(nèi)部多個(gè)主體和多種生態(tài)流構(gòu)成的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。目前,城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析集中于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法與指標(biāo)的拓展及多尺度的應(yīng)用研究,而生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法又形成了上升性分析和環(huán)境元分析兩大分支,多尺度應(yīng)用涵蓋了城市鑲嵌的區(qū)域背景尺度和城市內(nèi)部產(chǎn)業(yè)部門之間的細(xì)節(jié)尺度。然而,當(dāng)前研究仍存在著多尺度融合、多種生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法集成不足等問(wèn)題,這限制了城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。未來(lái)城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究集中于如下3點(diǎn)：(1)開(kāi)展多尺度城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析,包括城市群-城市-園區(qū)/社區(qū)等,構(gòu)建多級(jí)嵌套生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型；(2)集成上升性與環(huán)境元分析方法,提出由外在表征到內(nèi)在過(guò)程的城市生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)模式及模擬方法；(3)強(qiáng)調(diào)自然節(jié)點(diǎn)在城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的重要作用,形成社會(huì)經(jīng)濟(jì)節(jié)點(diǎn)與自然節(jié)點(diǎn)并重的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,并強(qiáng)調(diào)構(gòu)建多精度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型服務(wù)于不同的研究目的。

生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析；多尺度；城市；上升性分析；環(huán)境元分析

城市作為人類活動(dòng)高度集中的區(qū)域,在快速發(fā)展過(guò)程中面臨著嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題,如資源耗竭、大氣污染、垃圾肆虐、生態(tài)破壞等[1- 2]。為應(yīng)對(duì)城市發(fā)展面臨的資源環(huán)境問(wèn)題,我國(guó)著名生態(tài)學(xué)家馬世駿先生提出了社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的概念[3- 4],倡導(dǎo)運(yùn)用生態(tài)學(xué)原理與方法來(lái)解析和重構(gòu)城市生態(tài)系統(tǒng)。城市是一個(gè)有著組成結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的有機(jī)組織,城市中組分間的物質(zhì)能量交換往往涉及到多個(gè)主體、多種生態(tài)流,這些主體與生態(tài)流相互交織關(guān)聯(lián)在一起,形成了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài),由此,可以將城市生態(tài)系統(tǒng)組分及相互作用關(guān)系抽象為網(wǎng)絡(luò),引入生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究城市生態(tài)系統(tǒng)的研究[5- 6]。

1973年Hannon[7]首次將投入產(chǎn)出分析方法引入到自然生態(tài)系統(tǒng),分析了物質(zhì)與能量流動(dòng),標(biāo)志著生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析思想的形成[8]。之后,1976年Finn[9]改進(jìn)了Hannon的方法,提出了一系列量化生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指標(biāo)及指數(shù),包括系統(tǒng)流通量、平均路徑長(zhǎng)度和循環(huán)指數(shù)等,這極大地促進(jìn)了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的形成。在此基礎(chǔ)上,1976年P(guān)atten等[10]正式提出了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法,并指出該方法是識(shí)別系統(tǒng)中物質(zhì)和能量流動(dòng)相關(guān)信息的手段[11],可以定量研究網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部參與成員之間的相互作用關(guān)系[11-14],來(lái)理解生態(tài)系統(tǒng)的整體性和復(fù)雜性[15]。到了20世紀(jì)70年代末,已形成了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的兩大分支,環(huán)境元分析[11,16-17]和上升性分析[8,18],分別從網(wǎng)絡(luò)整體狀況及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)間互動(dòng)作用兩個(gè)方面開(kāi)展研究。其中上升性分析是基于信息理論來(lái)分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部物質(zhì)與能量流動(dòng)的整體表現(xiàn)[19],而環(huán)境元分析則深入至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的參與者,分析基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)流圖的成員間流量分布,進(jìn)而分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分布及功能關(guān)系[11,20]。一些學(xué)者也結(jié)合上升性分析和環(huán)境元分析優(yōu)勢(shì),開(kāi)展了由外在表征到內(nèi)在過(guò)程的研究[21- 23]。這些都為生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。目前已開(kāi)發(fā)出多種軟件,如Matlab[24]、NetMatCalc[25]、NETWRK[26]、WAND[27]、EcoPath[28]等,可有效提升生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的可見(jiàn)性和應(yīng)用效率。

目前,關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的研究已有綜述,但大多偏重于方法的發(fā)展歷程,1993年韓博平[19]概述了“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)”概念的發(fā)展歷程,同時(shí)針對(duì)環(huán)境元分析和上升性分析,分別介紹了網(wǎng)絡(luò)循環(huán)指數(shù)的改進(jìn)過(guò)程,以及網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)分析等方面的研究現(xiàn)狀。1999年Fath and Patten[11]對(duì)“生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析”的發(fā)展進(jìn)行了更為詳細(xì)的綜述,界定了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的定義,以及網(wǎng)絡(luò)的行為、結(jié)構(gòu)和功能等特征；接著針對(duì)環(huán)境元分析,結(jié)合自然生態(tài)系統(tǒng)的案例,詳述了存量分析、流量分析、效用分析等具體方法,并指出了環(huán)境元分析應(yīng)用的假設(shè)和局限性。2011年李中才等[8]人從網(wǎng)絡(luò)整體表現(xiàn)到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系,詳細(xì)解釋了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、上升性、鄰接特征、效用分析和隨機(jī)性指標(biāo),同時(shí)以自然生態(tài)系統(tǒng)為案例,指出網(wǎng)絡(luò)間接流量的貢獻(xiàn)。但是以上這些綜述都強(qiáng)調(diào)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)方法的發(fā)展,并沒(méi)有從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)方法多尺度的應(yīng)用、相關(guān)指標(biāo)的城市生態(tài)系統(tǒng)特征的描述及未來(lái)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景等方面進(jìn)行梳理與總結(jié)。本研究試圖通過(guò)綜述生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法在城市系統(tǒng)中的應(yīng)用,從而識(shí)別城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的優(yōu)勢(shì)及不足,為該方法在城市生態(tài)系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用提供指引,推動(dòng)城市生態(tài)學(xué)學(xué)科的發(fā)展。

1 上升性分析

上升性理論起初被用于量化生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展程度、識(shí)別干擾對(duì)系統(tǒng)的影響,同時(shí)也用來(lái)對(duì)比不同生態(tài)系統(tǒng)之間的發(fā)展?fàn)顟B(tài)[29]。Ulanowicz[18,30]指出當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)不斷發(fā)展時(shí),它的上升性和相應(yīng)的可持續(xù)性特征都隨之增加。這一理論包含眾多指標(biāo)可以對(duì)系統(tǒng)的總體發(fā)展?fàn)顩r和系統(tǒng)總通量、資源在系統(tǒng)傳遞的平均路徑長(zhǎng)度等開(kāi)展研究,具體指標(biāo)見(jiàn)表1[5,21-22,31-39]。

基于上升性理論在評(píng)價(jià)系統(tǒng)整體特征方面的優(yōu)越性,Bodini and Bondavalli[5]計(jì)算資源交換的平均路徑長(zhǎng)度,并評(píng)價(jià)系統(tǒng)在水資源利用過(guò)程中的可持續(xù)性狀態(tài)。Li等[33]在此基礎(chǔ)上選取上升性、發(fā)展能力和系統(tǒng)總開(kāi)銷評(píng)價(jià)黃河流域系統(tǒng)整體的發(fā)展。接著在2010年,Li和Yang[40]選取同樣的指標(biāo)評(píng)價(jià)了北京市城市水資源利用系統(tǒng)。與此同時(shí),為了定量化人為干擾對(duì)系統(tǒng)的影響,Fiscus[41]對(duì)比分析了自然生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò)和受到人類行為干擾后美國(guó)牛肉供應(yīng)鏈氮循環(huán)網(wǎng)絡(luò),指出兩種網(wǎng)絡(luò)的連接度、營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)、營(yíng)養(yǎng)級(jí)效率指標(biāo)的差異性。接著,Bodini[37]在Li等[33]的基礎(chǔ)上增加了系統(tǒng)總通量和平均交互信息指標(biāo),分析了美國(guó)Sarmato城市的水資源利用過(guò)程。Bodini等[42]同樣運(yùn)用上述指標(biāo)開(kāi)展研究,但是對(duì)比分析了3個(gè)城市系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)業(yè)部門之間的水交換網(wǎng)絡(luò),評(píng)價(jià)了意大利Emilia Romagna區(qū)域典型城市居住區(qū)的持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)。另外,也有學(xué)者從系統(tǒng)的抵抗力和系統(tǒng)效率入手,評(píng)價(jià)了城市的可持續(xù)性[43- 44,38],而劉耕源等[23]則從系統(tǒng)通量、結(jié)構(gòu)耦合程度等指標(biāo)評(píng)價(jià)了大連市生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展水平。Lu等[31]強(qiáng)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性指標(biāo),結(jié)合網(wǎng)絡(luò)上升性、平均交互信息等指標(biāo),評(píng)價(jià)了中國(guó)原油供應(yīng)安全,而Fang和Chen[21]在此基礎(chǔ)上,增加了網(wǎng)絡(luò)冗余度指標(biāo),評(píng)價(jià)了黑河流域水資源利用過(guò)程。另外也有學(xué)者通過(guò)強(qiáng)調(diào)營(yíng)養(yǎng)級(jí)結(jié)構(gòu)指標(biāo)的重要性,評(píng)價(jià)了北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)或典型社區(qū)[22,45]的碳代謝過(guò)程。上升性分析是一種研究系統(tǒng)外在表征的有效手段,但是這些指標(biāo)不能針對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)展開(kāi)分析,而環(huán)境元分析是有效的解決這一問(wèn)題的方法與手段。

表1 上升性分析指標(biāo)

2 環(huán)境元分析

環(huán)境元分析主要基于傳統(tǒng)的Leontief投入產(chǎn)出分析,但Suh[46]指出這種環(huán)境元分析與投入產(chǎn)出分析又有所不同,環(huán)境元分析類似于結(jié)構(gòu)路徑分析(SPA),而且框架趨于融合Ghoshian框架,而不是Leontief框架[46- 48]。該方法應(yīng)用的前提是系統(tǒng)呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài),也就是系統(tǒng)內(nèi)每一個(gè)參與者其輸入和輸出的資源量都是相等的[11],在此基礎(chǔ)上開(kāi)展對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在結(jié)構(gòu)分布和功能關(guān)系的研究[49-56](表2)。

表2 環(huán)境元分析指標(biāo)

環(huán)境元分析在城市系統(tǒng)的應(yīng)用較多集中在多種物質(zhì)[57]、能源[49,58]、碳元素的研究[49-58],另外也包含對(duì)水[59]、硫[60]、氮[61]等要素分析,主要采用流量分析、效用分析和控制分析等方法。流量分析集中于對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)間綜合流量的計(jì)算,分析成員對(duì)網(wǎng)絡(luò)的貢獻(xiàn)[31,49,58]、對(duì)比分析了直接與間接流量[53,59- 61]、明確了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的生態(tài)角色[62- 65]、模擬網(wǎng)絡(luò)生態(tài)層階結(jié)構(gòu)[2,6,66- 67]。效用分析方法集中于節(jié)點(diǎn)間生態(tài)關(guān)系的研究,確定了生態(tài)關(guān)系的占比結(jié)構(gòu)[2]、分析了生態(tài)關(guān)系的穩(wěn)定性[68],對(duì)比了直接與綜合生態(tài)關(guān)系變化[6,53,64- 65,69]及不同精度網(wǎng)絡(luò)模型的生態(tài)關(guān)系變化[35,70]、識(shí)別了上下游分布[63,71]、估算了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的凈效益[1,55,62]及間接效益的比重[52]、評(píng)價(jià)了網(wǎng)絡(luò)整體共生水平[21,57,72]?？刂品治龇椒泄?jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響的識(shí)別,包括直接和綜合控制強(qiáng)度的對(duì)比[57]、節(jié)點(diǎn)依賴程度和控制程度的對(duì)比[53,65,72]。

3 多尺度應(yīng)用

2002年Bodini and Bondavalli[5]首次將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法引入到城市系統(tǒng),自此,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的應(yīng)用范圍不斷拓展,包括將城市作為一個(gè)節(jié)點(diǎn),分析其鑲嵌的城市群、流域、國(guó)家、全球生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中物質(zhì)與能量流動(dòng),為城市系統(tǒng)研究提供了不同尺度的背景場(chǎng)；也有深入到城市節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部,分析城市內(nèi)部多節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)或典型社區(qū)/園區(qū)中物質(zhì)與能量的流動(dòng),為識(shí)別城市內(nèi)部的差異性提供了詳細(xì)的決策數(shù)據(jù)(圖1)。

城市背景尺度研究多集中于水[33]、能源[62]等關(guān)鍵要素,較少關(guān)注多種物質(zhì)的綜合代謝過(guò)程[73](圖2),跨越全球、國(guó)家、流域和城市群等多個(gè)尺度。水要素的研究大多集中于流域尺度,如2009年Li等[33]采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究水資源利用系統(tǒng),分析了1998—2006年黃河流域水提供、水生產(chǎn)、水消費(fèi)等子系統(tǒng)13個(gè)節(jié)點(diǎn)間的水流動(dòng)過(guò)程,并提出相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上,有學(xué)者基于物質(zhì)能量流動(dòng)過(guò)程構(gòu)建了虛擬水生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,模擬了生產(chǎn)與消費(fèi)部門之間商品傳遞過(guò)程中所負(fù)載的全部水資源,如白洋淀流域[34]、黑河流域[21]等,另外也有學(xué)者以灰水足跡量作為路徑流量構(gòu)建了2006—2013年滇池流域水代謝網(wǎng)絡(luò)模型[74]。2012年Yang等[57]將虛擬水模型應(yīng)用到全球尺度,分析了1995—1999年世界范圍13個(gè)區(qū)域之間農(nóng)業(yè)和畜禽養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的虛擬水流動(dòng)過(guò)程。在國(guó)家、城市群尺度上也開(kāi)展了能源要素的研究,如Lu等[31]以中國(guó)原油生產(chǎn)與消費(fèi)部門、外部供應(yīng)為節(jié)點(diǎn),分析了2001—2010年中國(guó)原油供應(yīng)安全；而Zhang等[62]以中國(guó)7大區(qū)30個(gè)省區(qū)為節(jié)點(diǎn),基于地區(qū)間投入產(chǎn)出表構(gòu)建了隱含能生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型。之后,有學(xué)者將隱含能生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到城市群尺度的研究中,分析了京津冀城市群能源代謝過(guò)程,構(gòu)建了3地多個(gè)產(chǎn)業(yè)部門之間的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[63],并將能源代謝與碳足跡相結(jié)合,分析了能源與碳兩個(gè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)特征的差異[75]。除了關(guān)注于關(guān)鍵的生態(tài)要素外,有學(xué)者采用物質(zhì)流分析方法,在核算多種物質(zhì)與能量的基礎(chǔ)上,剖析了中國(guó)社會(huì)代謝過(guò)程,構(gòu)建了包括環(huán)境節(jié)點(diǎn)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[1,73]。

圖1 城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的多尺度應(yīng)用Fig.1 The multi-scale analysis of ecological network analysis in urban ecosystems

圖2 城市背景尺度文獻(xiàn)匯總Fig.2 The references in the scale of treating city as one node in a network圓圈中數(shù)字代表文中參考文獻(xiàn)編號(hào)

城市細(xì)節(jié)尺度主要以代謝的視角開(kāi)展研究,構(gòu)建了城市范圍內(nèi)的代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,以及社區(qū)/園區(qū)代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型(圖3)。Borrett[76]指出可以研究自然生態(tài)系統(tǒng)成員之間相互作用關(guān)系及流通量分布的分析方法拓展到產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)領(lǐng)域,引入概念“代謝”概念開(kāi)展產(chǎn)業(yè)或城市系統(tǒng)資源流動(dòng)過(guò)程研究[77]。

圖3 城市細(xì)節(jié)尺度文獻(xiàn)匯總Fig.3 The references in the scale of specifying sectors in an urban system

在Ecological Indicators?？囊黄獙?dǎo)語(yǔ)中也指出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析是一種研究城市代謝的有效方法,它將傳統(tǒng)的黑箱模式拓展到研究?jī)?nèi)部社會(huì)經(jīng)濟(jì)部門和外界環(huán)境之間的相互作用關(guān)系[78]。要素分析方面集中于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法與物質(zhì)流、能量流方法的結(jié)合,對(duì)多種物質(zhì)統(tǒng)一核算后構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,當(dāng)然還涉及到碳[79]、水[59]、能源[66]、硫[80]、氮[61]等關(guān)鍵要素的研究?；谖镔|(zhì)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,一些學(xué)者通過(guò)結(jié)合能值[69]和火用[81]、物質(zhì)流分析[55,71]等核算方法構(gòu)建了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,模擬了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分布和功能關(guān)系。還有的學(xué)者將投入產(chǎn)出分析與物質(zhì)流分析[2,82]、火用[43]、能值[6]相結(jié)合,精細(xì)化了代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型。城市碳代謝研究成果突出體現(xiàn)在時(shí)空尺度生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建,包括考慮城市內(nèi)外環(huán)境和產(chǎn)業(yè)部門[53]的模型,或僅考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)部門[49,58]的模型,或以土地利用轉(zhuǎn)換為基礎(chǔ)構(gòu)建空間生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[35,70]；能源要素研究中所構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型有兩類,一是實(shí)物能流網(wǎng)絡(luò),二是隱含能源流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[49,58]。實(shí)物能源網(wǎng)絡(luò)包括考慮實(shí)物型網(wǎng)絡(luò)流量的能源產(chǎn)業(yè)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型[44]、能源代謝網(wǎng)絡(luò)模型[66]等,以及、不同精細(xì)度城市能源代謝生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的對(duì)比研究[67]。水要素研究中所構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型不同之處在于對(duì)自然組分考量程度的差異。Bodini及其團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的網(wǎng)路模型中充分考慮了自然生態(tài)系統(tǒng)的影響,并將水源、泉水或溪流等與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的產(chǎn)業(yè)部門共同看作網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)[5,37],開(kāi)展了多個(gè)城市水系統(tǒng)的對(duì)比分析[42]。Li和Yang[40]在此基礎(chǔ)上,增加了對(duì)外部環(huán)境和景觀節(jié)點(diǎn)的考慮。而Zhang等[59]則從水代謝的角度入手,構(gòu)建了包含外部環(huán)境和產(chǎn)業(yè)部門的城市水代謝網(wǎng)絡(luò)模型。城市氮循環(huán)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型研究相對(duì)較少,僅Min等[61]對(duì)比了5個(gè)城市與22個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)的特征差異。在園區(qū)尺度,多集中于碳、硫等元素的研究,如硫網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征分析[80]、硫代謝網(wǎng)絡(luò)直接與間接流量特征[60]、硫代謝網(wǎng)絡(luò)生態(tài)關(guān)系分布[52],以及碳代謝網(wǎng)絡(luò)生態(tài)關(guān)系分析[64- 65]。社區(qū)層面集中于碳代謝過(guò)程研究,通過(guò)構(gòu)建與家庭部門相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)模型,開(kāi)展社區(qū)碳代謝網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析[22,45]。

4 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的發(fā)展體現(xiàn)在兩個(gè)階段,一是20世紀(jì)90年代方法探討及自然生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用的研究階段,二是21世紀(jì)初城市生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用的研究階段。1993年韓博平首次發(fā)表了有關(guān)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法的文章[19,83],之后其研究成果大多集中于某一類具體方法的分析與應(yīng)用。韓博平1993年指出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量流動(dòng)結(jié)構(gòu)的模擬,并界定了生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的基本組成：節(jié)點(diǎn)和路徑[83]。之后,韓博平在1995年也指出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析是一種研究生態(tài)系統(tǒng)整體行為和特征的方法,可以量化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的相互作用過(guò)程和強(qiáng)度、揭示生態(tài)系統(tǒng)整體性和復(fù)雜性及其形成機(jī)制[15]。在環(huán)境元分析方面,有成果利用再循環(huán)指數(shù)開(kāi)展了熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)鎂流動(dòng)過(guò)程研究[84],及中國(guó)黃淮海平原農(nóng)林與系統(tǒng)沙蘭場(chǎng)-小麥-玉米群落的氮、磷、鉀元素的循環(huán)效率研究[86]；有成果采用路徑分析探究了英吉利海峽生態(tài)系統(tǒng)中能量流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)信息[85]；有成果采用系統(tǒng)通量指標(biāo)分析了德國(guó)西部城市諾伊斯河口氮循環(huán)流動(dòng)通量。在上升性分析方面,有成果基于發(fā)展程度、冗余度和上升性指數(shù)研究了海洋生物間能量流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[87]、水生生態(tài)系統(tǒng)中磷流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[87]、東巴拿馬熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)中鎂流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)[88]的穩(wěn)定程度。

國(guó)內(nèi)最早將生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法引入城市生態(tài)系統(tǒng)研究的文獻(xiàn),始于2009年。張妍和楊志峰首次提出生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法是研究城市生態(tài)系統(tǒng)互動(dòng)關(guān)系的有效手段,并采用環(huán)境元分析中的效用分析方法,選取中國(guó)6大典型城市分析了社會(huì)經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和自然生態(tài)子系統(tǒng)之間相互作用關(guān)系[89]。在此基礎(chǔ)上,有學(xué)者將城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的部門,分析了大連市社會(huì)經(jīng)濟(jì)關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)部門之間[23]以及淮河流域水資源供需部門之間的相互作用關(guān)系[90-91]。劉耕源等[23]基于生態(tài)熱力學(xué)可用能核算,采用環(huán)境元方法分析了節(jié)點(diǎn)間通量及效用、路徑長(zhǎng)度及數(shù)量,評(píng)價(jià)了節(jié)點(diǎn)間可用能轉(zhuǎn)換效率,從而剖析了節(jié)點(diǎn)之間的作用方式、生態(tài)關(guān)系及共生狀況。張博在構(gòu)建淮河流域水資源供需網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上,突出了與城市系統(tǒng)相關(guān)的工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活、水處理、水分配等環(huán)節(jié)之間的水流路徑,并采用上升性分析中的平均交互信息指標(biāo)評(píng)價(jià)了系統(tǒng)可持續(xù)性,及網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)力、效率和平衡能力等方面特征。之后,盧小麗和秦曉楠[92]以物質(zhì)能量流動(dòng)上負(fù)載的信息傳遞為路徑,構(gòu)建了包括驅(qū)動(dòng)力、壓力、狀態(tài)、響應(yīng)、影響等5個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型,并采用上升性分析中的發(fā)展程度、冗余度和上升性指數(shù)分析了中國(guó)沿海城市生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度和抗干擾能力。

5 未來(lái)發(fā)展方向

從多尺度應(yīng)用來(lái)看,城市問(wèn)題的解決需要將城市放到其鑲嵌的大區(qū)域(全球、國(guó)家、流域、城市群)中來(lái)分析,檢測(cè)物質(zhì)與能量流動(dòng)過(guò)程,然而現(xiàn)有城市背景尺度的研究還相對(duì)較少,特別是在城市群尺度上研究則更小。在中國(guó)大力推動(dòng)城市群建設(shè)的大背景下,構(gòu)建城市群生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,分析多個(gè)城市協(xié)同與錯(cuò)位發(fā)展將是未來(lái)的研究熱點(diǎn)。同時(shí),現(xiàn)有城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究大多基于粗糙的或高聚合的數(shù)據(jù),構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)模型還不能體現(xiàn)與具體地點(diǎn)、活動(dòng)的關(guān)聯(lián),未來(lái)研究將集中于城市生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建,識(shí)別不同功能群的空間分布及相互物質(zhì)、能量傳遞關(guān)系。無(wú)論將城市作為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),還是將城市作為子網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而將其映射到空間上,需要構(gòu)建多級(jí)嵌套的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型,由上至下及由下至上多途徑、多層次追蹤生態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及路徑,為理解城市可持續(xù)發(fā)展提供方法與手段。

從生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用來(lái)看,上升性分析或環(huán)境元分析的應(yīng)用不斷發(fā)展,分別體現(xiàn)在外在特征評(píng)價(jià)及內(nèi)在機(jī)理剖析兩方面的貢獻(xiàn),但現(xiàn)有研究對(duì)兩者的結(jié)合并不多。對(duì)一個(gè)城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí),需要從外在表征與內(nèi)在過(guò)程兩個(gè)方面來(lái)分析,這樣才能更為全面的理解研究對(duì)象,力爭(zhēng)服務(wù)于不同的研究需要,如城市狀況的評(píng)價(jià)離不開(kāi)上升性分析,而導(dǎo)致城市狀況的原因剖析離不開(kāi)環(huán)境元分析。

從城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建來(lái)看,當(dāng)前分析網(wǎng)絡(luò)模型精度對(duì)研究結(jié)果影響的成果并不多見(jiàn),未來(lái)需要深入討論與分析構(gòu)建何種精度的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型可以服務(wù)于何種研究目標(biāo)。而且,大多強(qiáng)調(diào)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn),對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參與有所忽略。大多將環(huán)境作為一個(gè)節(jié)點(diǎn),或少數(shù)幾個(gè)節(jié)點(diǎn),并沒(méi)有充分突出自然節(jié)點(diǎn)在城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的貢獻(xiàn)。城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)不僅強(qiáng)調(diào)社會(huì)活動(dòng)改變的城市自然,以及自然對(duì)社會(huì)的資源供給與廢物接納作用,更要求改變社會(huì)活動(dòng),使其成為生態(tài)系統(tǒng)的組成與分室,遵循生態(tài)學(xué)運(yùn)行規(guī)律來(lái)發(fā)展。因此,社會(huì)經(jīng)濟(jì)節(jié)點(diǎn)與自然節(jié)點(diǎn)的參與整合研究同樣重要。

[1] Zhang Y, Liu H, Li Y T, Yang Z F, Li S S, Yang N J. Ecological network analysis of China′s societal metabolism. Journal of Environmental Management, 2012, 93(1): 254- 263.

[2] Zhang Y, Zheng H M, Fath B D, Liu H, Yang Z F, Liu G Y, Su M R. Ecological network analysis of an urban metabolic system based on input-output tables: Model development and case study for Beijing. Science of the Total Environment, 2014, 468- 469: 642- 653.

[3] 馬世駿, 王如松. 社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng). 生態(tài)學(xué)報(bào), 1984, 4(1): 1- 9.

[4] 王如松. 生態(tài)文明建設(shè)的控制論機(jī)理、認(rèn)識(shí)誤區(qū)與融貫路徑. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 2013, 28(2): 173- 181.

[5] Bodini A, Bondavalli C. Towards a sustainable use of water resources: A whole-ecosystem approach using network analysis. International Journal of Environment and Pollution, 2002, 18(5): 463- 485.

[6] Zhang Y, Yang Z F, Yu X Y. Ecological network and emergy analysis of urban metabolic systems: Model development, and a case study of four Chinese cities. Ecological Modelling, 2009, 220(11): 1431- 1442.

[7] Hannon B. The structure of ecosystems. Journal of Theoretical Biology, 1973, 41(3): 535- 546.

[8] 李中才, 徐俊艷, 吳昌友, 張漪. 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法研究綜述. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(18): 5396- 5405.

[9] Finn J T. Measures of ecosystem structure and function derived from analysis of flows. Journal of Theoretical Biology, 1976, 56(2): 363- 380.

[10] Patten B C, Bosserman R W, Finn J T, Cale W G. Propagation of cause in ecosystems // Patten B C, ed. Systems Analysis and Simulation in Ecology. New York: Academic Press, 1976.

[11] Fath B D, Patten B C. Review of the foundations of network environ analysis. Ecosystems, 1999, 2(2): 167- 179.

[12] Szyrmer J, Ulanowicz R E. Total flows in ecosystems. Ecological Modelling, 1987, 35(1/2): 123- 136.

[13] Fath B D, Killian M C. The relevance of ecological pyramids in community assemblages. Ecological Modelling, 2007, 208(2/4): 286- 294.

[14] Patten B C. Environs: Relativistic elementary particles for ecology. American Naturalist, 1982, 119(2): 179- 219.

[15] 韓博平. 關(guān)于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析理論的哲學(xué)思考. 自然辯證法研究, 1995, 11(7): 42- 45.

[16] Patten B C. Systems approach to the concept of environment. The Ohio Journal of Science, 1978, 78(4): 206- 222.

[17] 毛旭鋒, 崔麗娟, 王昌海. 基于網(wǎng)絡(luò)分析的濕地水文關(guān)系研究——以美國(guó)奧克弗諾基流域?yàn)槔? 濕地科學(xué), 2012, 10(3): 263- 270.

[18] Ulanowicz R E. Growth and Development: Ecosystems Phenomenology. New York: Springer, 1986.

[19] 韓博平. 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)雜志, 1993, 12(6): 41- 45.

[20] Levine S. Several measures of trophic structure applicable to complex food webs. Journal of Theoretical Biology, 1980, 83(2): 195- 207.

[21] Fang D L, Chen B. Ecological network analysis for a virtual water network. Environmental Science & Technology, 2015, 49(11): 6722- 6730.

[22] Lu Y, Chen B, Hayat T, Alsaedi A. Communal carbon metabolism: Methodology and case study. Journal of Cleaner Production, 2015, doi: 10.1016/j.jclepro.2015.10.137.

[23] 劉耕源, 楊志峰, 陳彬, 徐琳瑜, 張妍. 基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的城市代謝結(jié)構(gòu)模擬研究——以大連市為例. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(18): 5926- 5934.

[24] Fath B D, Borrett S R. A Matlab?function for network environ analysis. Environmental Modelling & Software, 2006, 21(3): 375- 405.

[25] Latham L G. Network flow analysis algorithms. Ecological Modelling, 2006, 192(3/4): 586- 600.

[26] Ulanowicz R E, Kay J J. A package for the analysis of ecosystem flow networks. Environmental Software, 1991, 6(3): 131- 142.

[27] Fath B D. Network analysis in perspective: Comments on “WAND: An ecological network analysis user-friendly tool”. Environmental Modelling & Software, 2004, 19(4): 341- 343.

[28] Christensen V, Pauly D. ECOPATH II-A software for balancing steady-state ecosystem models and calculating network characteristics. Ecological Modelling, 1992, 61(3/4): 169- 185.

[29] Ulanowicz R E, Wulff F. Comparing ecosystem structures: The Chesapeake Bay and the Baltic Sea // Cole J, Lovett G, Findlay S, eds. Comparative Analyses of Ecosystems. New York: Springer, 1991: 140- 166.

[30] Ulanowicz R E. Ecology, the Ascendent Perspective. New York: Columbia University Press, 1997.

[31] Lu W W, Su M R, Zhang Y, Yang Z F, Chen B, Liu G Y. Assessment of energy security in China based on ecological network analysis: A perspective from the security of crude oil supply. Energy Policy, 2014, 74: 406- 413.

[32] Baird D, Asmus H, Asmus R. Nutrient dynamics in the Sylt-R?m? Bight ecosystem, German Wadden Sea: An ecological network analysis approach. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2008, 80(3): 339- 356.

[33] Li Y, Chen B, Yang Z F. Ecological network analysis for water use systems-a case study of the Yellow River Basin. Ecological Modelling, 2009, 220(22): 3163- 3173.

[34] Mao X F, Yang Z F, Chen B, Chen H. Examination of wetlands system using ecological network analysis: A case study of Baiyangdian Basin, China. Procedia Environmental Sciences, 2010, 2: 427- 439.

[35] Xia L L, Fath B D, Scharler U M, Zhang Y. Spatial variation in the ecological relationships among the components of Beijing′s carbon metabolic system. Science of the Total Environment, 2016, 544: 103- 113.

[36] Baird D, Asmus H, Asmus R. Carbon, nitrogen and phosphorus dynamics in nine sub-systems of the Sylt-R?m? Bight ecosystem, German Wadden Sea. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2011, 91(1): 51- 68.

[37] Bodini A. Building a systemic environmental monitoring and indicators for sustainability: What has the ecological network approach to offer? Ecological Indicators, 2012, 15(1): 140- 148.

[38] Niquil N, Chaumillon E, Johnson G A, Bertin X, Grami B, David V, Bacher C, Asmus H, Baird D, Asmus R. The effect of physical drivers on ecosystem indices derived from ecological network analysis: Comparison across estuarine ecosystems. Estuarine, Coastal and Shelf Science, 2012, 108: 132- 143.

[39] Ulanowicz R E. Quantitative methods for ecological network analysis. Computational Biology and Chemistry, 2004, 28(5/6): 321- 339.

[40] Li Y, Yang Z F. Network structure analysis for environmental flow toward sustainable water use. Procedia Environmental Sciences, 2010, 2: 1737- 1744.

[41] Fiscus D A. Comparative network analysis toward characterization of systemic organization for human-environmental sustainability. Ecological Modelling, 2009, 220(22): 3123- 3132.

[42] Bodini A, Bondavalli C, Allesina S. Cities as ecosystems: Growth, development and implications for sustainability. Ecological Modelling, 2012, 245: 185- 198.

[43] Ravalde T, Keirstead J. Comparing performance metrics for multi-resource systems: The case of urban metabolism. Journal of Cleaner Production, 2015, doi: 10.1016/j.jclepro.2015.10.118.

[44] Kharrazi A, Masaru Y. Quantifying the sustainability of integrated urban waste and energy networks: Seeking an optimal balance between network efficiency and resilience. Procedia Environmental Sciences, 2012, 13: 1663- 1667.

[45] Lu Y, Chen B. Carbon metabolism in urban communities. Energy Procedia, 2015, 75: 2969- 2973.

[46] Suh S. Theory of materials and energy flow analysis in ecology and economics. Ecological Modelling, 2005, 189(3/4): 251- 269.

[47] Ghosh A. Input-output approach in an allocation system. Economica, 1958, 25(97): 58- 64.

[48] Defourny J, Thorbecke E. Structural path analysis and multiplier decomposition within a social accounting matrix framework. The Economic Journal, 1984, 94(373): 111- 136.

[49] Zhang Y, Zheng H M, Fath B D. Analysis of the energy metabolism of urban socioeconomic sectors and the associated carbon footprints: Model development and a case study for Beijing. Energy Policy, 2014, 73: 540- 551.

[50] Small G E, Sterner R W, Finlay J C. An ecological network analysis of nitrogen cycling in the Laurentian Great Lakes. Ecological Modelling, 2014, 293: 150- 160.

[51] Scharler U M, Fath B D. Comparing network analysis methodologies for consumer-resource relations at species and ecosystems scales. Ecological Modelling, 2009, 220(22): 3210- 3218.

[52] Zhang Y, Zheng H M, Fath B D. Ecological network analysis of an industrial symbiosis system: A case study of the Shandong Lubei eco-industrial park. Ecological Modelling, 2015, 306: 174- 184.

[53] Chen S Q, Chen B. Network environ perspective for urban metabolism and carbon emissions: A case study of Vienna, Austria. Environmental Science & Technology, 2012, 46(8): 4498- 4506.

[54] Fath B D. Distributed control in ecological networks. Ecological Modelling, 2004, 179(2): 235- 245.

[55] Zhang Y, Liu H, Fath B D. Synergism analysis of an urban metabolic system: Model development and a case study for Beijing, China. Ecological Modelling, 2014, 272: 188- 197.

[56] Fath B D, Patten B C. Network synergism: Emergence of positive relations in ecological systems. Ecological Modelling, 1998, 107(2/3): 127- 143.

[57] Yang Z F, Mao X F, Zhao X, Chen B. Ecological network analysis on global virtual water trade. Environmental Science & Technology, 2012, 46(3): 1796- 1803.

[58] Zhang Y, Zheng H M, Yang Z F, Li J J, Yin X A, Liu G Y, Su M R. Analysis of urban energy consumption in carbon metabolic processes and its structural attributes: A case study for Beijing. Journal of Cleaner Production, 2015, 103: 884- 897.

[59] Zhang Y, Yang Z F, Fath B D. Ecological network analysis of an urban water metabolic system: Model development, and a case study for Beijing. Science of the Total Environment, 2010, 408(20): 4702- 4711.

[60] Zhang Y, Zheng H M, Yang Z F, Liu G Y, Su M R. Analysis of the industrial metabolic processes for sulfur in the Lubei (Shandong Province, China) eco-industrial park. Journal of Cleaner Production, 2015, 96: 126- 138.

[61] Min Y, Jin X G, Chang J, Peng C H, Gu B J, Ge Y, Zhong Y. Weak indirect effects inherent to nitrogen biogeochemical cycling within anthropogenic ecosystems: A network environ analysis. Ecological Modelling, 2011, 222(17): 3277- 3284.

[62] Zhang Y, Zheng H M, Yang Z F, Su M R, Liu G Y, Li Y X. Multi-regional input-output model and ecological network analysis for regional embodied energy accounting in China. Energy Policy, 2015, 86: 651- 663.

[63] Zhang Y, Zheng H M, Yang Z F, Li Y X, Liu G Y, Su M R, Yin X A. Urban energy flow processes in the Beijing-Tianjin-Hebei (Jing-Jin-Ji) urban agglomeration: Combining multi-regional input-output tables with ecological network analysis. Journal of Cleaner Production, 2015, 114: 243- 256.

[64] Lu Y, Su M R, Liu G Y, Chen B, Zhou S Y, Jiang M M. Ecological network analysis for a low-carbon and high-tech industrial park. The Scientific World Journal, 2012,2012: 305474.

[65] Lu Y, Chen B, Feng K S, Hubacek K. Ecological network analysis for carbon metabolism of eco-industrial parks: A case study of a typical eco-industrial park in Beijing. Environmental Science & Technology, 2015, 49(12): 7254- 7264.

[66] Zhang Y, Zhang J Y, Yang Z F. Network relationship analysis of urban energy metabolic system. Procedia Environmental Sciences, 2010, 2: 1407- 1412.

[67] Zhang Y, Li S S, Fath B D, Yang Z F, Yang N J. Analysis of an urban energy metabolic system: Comparison of simple and complex model results. Ecological Modelling, 2011, 223(1): 14- 19.

[68] Li S S, Zhang Y, Yang Z F, Liu H, Zhang J Y. Ecological relationship analysis of the urban metabolic system of Beijing, China. Environmental Pollution, 2012, 170: 169- 176.

[69] Liu G Y, Yang Z F, Chen B, Zhang Y. Ecological network determination of sectoral linkages, utility relations and structural characteristics on urban ecological economic system. Ecological Modelling, 2011, 222(15): 2825- 2834.

[70] Zhang Y, Xia L L, Fath B D, Yang Z F, Yin X A, Su M R, Liu G R, Li Y X. Development of a spatially explicit network model of urban metabolism and analysis of the distribution of ecological relationships: case study of Beijing, China. Journal of Cleaner Production, 2016, 112: 4304- 4317.

[71] Yang Z F, Zhang Y, Li S S, Liu H, Zheng H M, Zhang J Y, Su M R, Liu G Y. Characterizing urban metabolic systems with an ecological hierarchy method, Beijing, China. Landscape and Urban Planning, 2014, 121: 19- 33.

[72] Mao X F, Yang Z F. Ecological network analysis for virtual water trade system: A case study for the Baiyangdian Basin in Northern China. Ecological Informatics, 2012, 10: 17- 24.

[73] Li Y T, Zhang Y, Yang N J. Ecological network model analysis of China′s endosomatic and exosomciatic societal metabolism. Procedia Environmental Sciences, 2010, 2: 1400- 1406.

[74] Wu B, Zeng W H, Chen H H, Zhao Y. Grey water footprint combined with ecological network analysis for assessing regional water quality metabolism. Journal of Cleaner Production, 2016, 112: 3138- 3151.

[75] Zheng H M, Fath B D, Zhang Y. An urban metabolism and carbon footprint analysis of the Jing-Jin-Ji regional agglomeration. Journal of Industrial Ecology, 2016, doi: 10.1111/jiec.12432.

[76] Borrett S R. Throughflow centrality is a global indicator of the functional importance of species in ecosystems. Ecological Indicators, 2013, 32: 182- 196.

[77] Wolman A. The metabolism of cities. Scientific American, 1965, 213(3): 179- 190.

[78] Chen B, Chen S Q. Eco-indicators for urban metabolism. Ecological Indicators, 2014, 47: 5- 6.

[79] Zhang Y, Xia L L, Xiang W N. Analyzing spatial patterns of urban carbon metabolism: A case study in Beijing, China. Landscape and Urban Planning, 2014, 130: 184- 200.

[80] 陳定江. 工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分析集成與復(fù)雜性研究[D]. 北京: 清華大學(xué), 2003.

[81] Liu G Y, Yang Z F, Su M R, Chen B. The structure, evolution and sustainability of urban socio-economic system. Ecological Informatics, 2012, 10: 2- 9.

[82] Liu H, Zhang Y. Ecological network analysis of urban metabolism based on input-output table. Procedia Environmental Sciences, 2012, 13: 1616- 1623.

[83] 韓博平. 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析. 自然雜志, 1993, (S1): 46- 49.

[84] 韓博平. 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中物質(zhì)流動(dòng)的再循環(huán)指數(shù)及其靈敏度分析. 系統(tǒng)工程理論方法應(yīng)用, 1993, 2(4): 71- 77.

[85] 韓博平. 生態(tài)系統(tǒng)中流動(dòng)路徑多樣性的測(cè)度. 生物多樣性, 1996, 4(2): 114- 118.

[86] 韓博平, 吳剛. 農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)元素N、P、K流動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)分析. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 1996, 7(1): 19- 22.

[87] 韓博平. 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中物質(zhì)、能量流動(dòng)的信息指標(biāo)及其靈敏度分析. 系統(tǒng)工程理論方法應(yīng)用, 1995, 4(1): 24- 29.

[88] 韓博平, 林鵬. 生態(tài)網(wǎng)絡(luò)中信息分析的方法與應(yīng)用. 廈門大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 1996, 35(4): 648- 651.

[89] 張妍, 楊志峰. 一種分析城市代謝系統(tǒng)互動(dòng)關(guān)系的方法. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 29(1): 217- 224.

[90] 石紅, 張博, 李媛, 海熱提. 基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的流域水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)方法研究. 水電能源科學(xué), 2015, 33(4): 38- 42.

[91] 張博. 基于生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析的流域水資源可持續(xù)性評(píng)價(jià)[D]. 北京: 北京工業(yè)大學(xué), 2014.

[92] 盧小麗, 秦曉楠. 沿海城市生態(tài)安全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性研究. 系統(tǒng)工程理論與實(shí)踐, 2015, 35(9): 2433- 2441.

A review of ecological network analysis in urban ecosystems

ZHANG Yan*, ZHENG Hongmei, LU Hanjing

StateKeyJointLaboratoryofEnvironmentalSimulationandPollutionControl,SchoolofEnvironment,BeijingNormalUniversity,Beijing100875,China

It has been more than forty years since the ecological network analysis was proposed, and its theories and applications have developed rapidly. Until 2002, the method had only been used to study urban ecosystems and to analyze interconnected networks, including multiple actors and ecological flows. Presently, the application of ecological network analysis to urban ecosystems includes its use at multi-scales and based on different indicators. It has been subdivided into Network Environ Analysis and Ascendency Analysis; and the multi-scales indicate regions comprised by cities and cities including industrial sectors. However, there are still aspects of the method that need to be improved, such as the application of multi-scales (e.g., using cities as nodes in a network or specifying sectors in urban systems) or the combined analysis of different indicators, and these limitations restrict the use of the method for urban planning and design. To continue the development of ecological network analysis in urban ecosystems, three main perspectives should be addressed: (1) the application of ecological network analysis at multi-scales, such as urban agglomerations and systems and industrial parks and communities, and the development of nested ecological networks; (2) the combination of Ascendency and Network Environ Analyses to develop an assessment system or method from external and internal attributes; and (3) emphasis on the importance of natural actors in urban ecosystems, along with merging socio-economic and natural actors to establish ecological networks with different precision.

ecological network analysis; multi-scale analysis; urban system; ascendency; network environ analysis

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0503005)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃“生態(tài)模擬”( NCET- 12-0059)；國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(51421065)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目 (41571521)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2015KJJCA09)；中美國(guó)際(地區(qū))合作交流項(xiàng)目(51661125010)

2016- 02- 24;

2016- 12- 13

10.5846/stxb201602240320

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangyanyxy@126.com

張妍,鄭宏媚,陸韓靜.城市生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析研究進(jìn)展.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(12):4258- 4267.

Zhang Y, Zheng H M, Lu H J.A review of ecological network analysis in urban ecosystems.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4258- 4267.