本文发表于国际期刊Land Use Policy，2024年第137卷，通讯作者为武汉大学的刘耀林教授。
文章认为，生态学家和决策者努力发展和优化生态网络（EN），以防止景观破碎化，但集群结构在网络环境中的作用往往被忽视。文章建立了武汉城市网络集群管理模式，重点对识别出的网络集群进行划分，并实施差异化的优化、保护和强化措施。针对初步构建的网络在布局(连通性盲区)和质量(障碍和夹点)方面的缺陷，提出了一种优化方法。结果表明：①经过布局优化后，网络的连通性盲区明显缩小。②经过质量优化的ENs避免了崎岖、冗余和阻塞的廊道，同时对狭窄的廊道也给予了优先保护。③利用Infomap算法识别出了33个优化后的网络簇。④中心性指标可用于评价集群内生态边缘的保护重要性，连通性指标可用于评价集群间生态边缘的保护重要性和加强潜力。文章认为，将ENs集群管理模式纳入未来的生态保护规划对于保持生态完整性和连通性至关重要。
文章选择武汉都市圈为研究区，武汉都市圈是以武汉为中心，涵盖黄石、鄂州、黄冈、孝感、咸宁、仙桃、潜江、天门8个大中城市的区域经济联合体。研究由三个部分组成：①利用电路理论构建了陆地生态系统的初始ENs；②提出针对初始网络布局和质量缺陷的优化方法，对布局和质量优化后的网络进行了聚类识别和评价；③提出网络集群管理模式，根据识别出的集群对网络网络进行划分，并实施差异化的优化、保护和强化措施。
初始网络构建：①提取森林和草原景观类型作为MSPA分析的前景，其他景观类型作为MSPA分析的背景，选择面积大于4平方千米的核心斑块作为生态源。②引入自然区域质量评价来确定生态阻力面的空间分布，即用1减去每个像素的自然面积质量(范围从0到1)，并将结果乘以100来确定生态阻力。③使用Linkage Mapper软件，基于电路理论确定异质景观中生态廊道的方向和空间范围。
初始ENs的布局和质量优化：步骤一是消除初始ENs的生态盲区；①根据最小相对最小成本距离(Min_RLCD)识别生态盲区，将Min_RLCD划分为5个层次，以第1层次与其他部分之间的断点作为变化阈值，大于变化阈值的区域被确定为生态盲区。②用NDVI (Mod_)对自然区域的修正质量作为筛选标准，选择Mod_值高于草地平均值且面积大于4平方千米的优质斑块作为新增生态源。步骤二是解决EN布局优化后的质量缺陷；①利用Linkage Mapper软件中的Barrier Mapper模块识别生态廊道的屏障，利用Linkage Mapper软件的Pinchpoint Mapper模块识别生态廊道的pinch point。②基于步骤一优化后的网络，将生态屏障的生态阻值降低70%的屏障移除，最后对质量优化后的网络进行进一步重构。
优化ENs的聚类识别与评价：①将优化后的ENs抽象为节点，生态源和廊道分别表示为节点和边缘。使用Infomap online进行Infomap集群检测方法，将EN节点划分为特定的集群。构建Thiessen多边形来确定所有集群的空间边界，来探索ENs的集群结构。②采用中心性指标评价集群内生态边缘的保护重要性，构建连通性指标评价集群间生态边缘的保护重要性和加强潜力。
初始ENs的空间分布与布局优化结果显示：①初始生态廊道面积11133平方千米(占廊道总面积的78%)，以森林为主，主要分布在西河湖南线、北线和东线。在WHM中识别出总面积为15199.91平方千米的生态盲区，筛选了27个生态质量较高的生态源，新增生态源总面积约490.72平方千米。②生态网络优化和重构后，连接南北森林的ENs显著增加，大大提高了生物流的运输效率；西环西侧有密集分布的ENs，增强了该区域的景观连通性；盲区面积由15194.13平方千米缩减至3725.51平方千米。
布局优化后的ENs质量优化结果显示：①质量优化前确定的生态环境屏障面积约为202.26平方千米，这些地区密集分布着不透水的地表或农田。应退耕还林，清除破碎的建设用地，或在屏障中建立三维野生动物通道。②经过质量优化后，生态廊道单位距离的阻力成本显著降低，生物流动的阻碍明显减弱。③生态网络夹点面积约为177.40平方千米，主要位于陆地生态系统各生态源之间狭窄且不可替代的廊道内。应将其纳入生态保护规划，严格保护，防止自然或人为侵蚀。
优化后的ENs集群特征结果显示：根据生态节点(源)及其有效连接(廊道)，确定了33个生态环境集群。聚类检测显示随机行走的最短平均编码长度为4.35比特。生态边缘与生态集群的交互作用表明，生态集群之间有127条生态边缘，生态集群内部有401条生态边缘。①总体而言，西部湿地湿地生态边缘和EN集群的综合中心性在南部较高，其次是北部，中部和东部最低。②原生林提供了高质量的自然区域和大规模的迁徙通道；众多生态节点可以作为生物流动的中转站，所有生态网络的可达性都较高；生态边缘和EN集群的直线度中心性略低，表明区域生态边缘可能相对崎岖，导致生物流动的迂回。③EN集群间连通性贡献高的生态边缘主要分布在WHM的南北森林，连通性贡献度较低的生态边缘主要分布在湿地的中西部。④以上现象表明，跨EN集群的生态边缘不能满足生物流动的交互需求。应该增加生态边缘与生态集群内部其他生态节点之间的有效联系，以增强现有生态边缘对集群连通性的贡献。
文章根据生态网络集群的中心性，以生态网络集群为基本单位，将保护区划分为3个等级。(1)一级保护：保护区南北林业生态分区内的生态边缘，包含16个中心性极高的生态网络集群。(2)二级保护：位于湿地南北农林业生态分区内的生态边缘，包含13个中等中心性的EN集群。(3)三级保护：西部农业生态分区和中部城市化生态分区内的生态边缘。
研究提出了一种网络网络集群管理模式，根据识别出的集群对网络网络进行划分，并对其实施差异化的优化、保护和强化措施。这种模式将有助于实现可持续发展目标(SDG)的目标15(陆地生命)，该目标旨在保护、恢复和促进陆地生态系统的可持续利用。
文章同时指出了一些局限性。①本研究中网络环境的构建与优化仅限于城市群。未来的研究应充分考虑ENs在不同尺度上的相互作用。②在聚类检测中，EN被视为无向复杂网络，没有考虑不同方向的权重差异。未来研究应进一步探索基于网络方向特征的聚类检测算法，优先考虑网络的集群管理模式，以确保生态完整性和连通性。
原文请见：Lu Y, Huang D, Liu Y, et al. Exploring the optimization and management methods of ecological networks based on the cluster mode: A case study of Wuhan Metropolis, China. Land Use Policy, 2024, 137: 107021.
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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