森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)及動(dòng)力學(xué)研究——以西洞庭湖區(qū)為例.pdf

1、景觀生態(tài)學(xué)研究大區(qū)域內(nèi)由多個(gè)不同生態(tài)系統(tǒng)組成的景觀空間結(jié)構(gòu)及相互作用、協(xié)調(diào)能力和動(dòng)態(tài)變化，是生態(tài)學(xué)的重要研究內(nèi)容。森林景觀格局的研究在景觀生態(tài)學(xué)的研究中占據(jù)重要地位。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的迅猛發(fā)展，對森林景觀格局規(guī)律的探索在研究手段和研究范圍上都有很大拓展，特別自20世紀(jì)后期復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推出，其系統(tǒng)性、復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性的研究思想被廣泛運(yùn)用于控制理論、社會合作、Internet等領(lǐng)域的研究。近年來，利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對生物系統(tǒng)的復(fù)雜性和自組織

2、性研究也開始起步。將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到森林景觀領(lǐng)域，是森林景觀研究從現(xiàn)實(shí)的物理模型到抽象的邏輯模型的升華，對大尺度、系統(tǒng)性研究森林景觀格局，指導(dǎo)森林經(jīng)營有著理論意義。
　　 本文以西洞庭湖區(qū)為研究對象，以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為指導(dǎo)，綜合運(yùn)用圖論、概率論、矩陣論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真等學(xué)科領(lǐng)域知識，圍繞“從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)視角看森林景觀格局及景觀指數(shù)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲笖?shù)關(guān)系”、“森林景觀格局網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力”、“以邊緣效應(yīng)為耦合作用的森林

3、景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變遷預(yù)測”三個(gè)問題，對森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模、分析、優(yōu)化及仿真。論文主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 (1)定義了景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)模型，構(gòu)建了景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)森林景觀分布格局，將森林景觀斑塊劃分闊葉林（分幼、中、成）、松類（分幼、中、成）、杉木林（分幼、中、成）、竹林、灌木林、經(jīng)濟(jì)林等十二類景觀;以道路、河流及非林地形成的封閉區(qū)域?yàn)閷ο?，抽取出森林景觀斑塊耦合體;將森林景觀按垂直維度劃分為喬

4、木、灌木和草本三個(gè)層次，計(jì)算出各層次不同景觀類型相鄰時(shí)的邊緣效應(yīng);以景觀斑塊為節(jié)點(diǎn)，邊緣效應(yīng)為邊權(quán)，構(gòu)建了基于森林景觀斑塊間耦合作用的含權(quán)網(wǎng)絡(luò)。
　　 (2)研究了不同耦合條件下景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲笖?shù)。以基于鄰接關(guān)系的森林景觀格局網(wǎng)絡(luò)為對象，從隨機(jī)選取的澧縣、黃石、龍?zhí)?、常德林場及河洑國有林場的耦合網(wǎng)絡(luò)分析得知，森林景觀格局網(wǎng)絡(luò)的度分布服從冪率分布，是一種無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)度值較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)的度與斑塊的面積和形狀指數(shù)呈現(xiàn)較強(qiáng)關(guān)系，

5、各種類型景觀斑塊節(jié)點(diǎn)的平均度值與該斑塊所在地域有關(guān);當(dāng)以斑塊間喬木、灌木、草本邊緣效應(yīng)大小為權(quán)時(shí)，基于喬木網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總強(qiáng)度與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)呈極大相關(guān)，基于灌木邊緣效應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總強(qiáng)度絕對值與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)相關(guān)，基于草本的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總強(qiáng)度與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)無關(guān);基于喬木和灌木邊緣效應(yīng)的耦合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的度與斑塊類型有關(guān)，而基于草本網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的度與斑塊類型無關(guān)。當(dāng)以喬木生產(chǎn)力為主要經(jīng)營目標(biāo)，生物多樣性為次要經(jīng)營目標(biāo)時(shí)，喬木、灌木、草本邊緣效應(yīng)的權(quán)重分別為

6、:0.731、0.188和0.081，該景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的度與景觀斑塊類型有關(guān)且網(wǎng)絡(luò)總點(diǎn)強(qiáng)度與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相關(guān)。
　　 (3)建立了景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)的抗毀性模型，并結(jié)合森林景觀的特點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)抗毀性進(jìn)行優(yōu)化和仿真。本文定義了針對森林景觀斑塊網(wǎng)絡(luò)的攻擊策略、約束條件和抗毀性指標(biāo)，根據(jù)對景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)魯棒性和脆弱性的仿真分析得出，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中25％節(jié)點(diǎn)受到隨機(jī)攻擊時(shí)，仍能保持大部分節(jié)點(diǎn)的連通，但若關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（即度值最大的1～2個(gè)節(jié)點(diǎn)）受

7、到攻擊時(shí)，網(wǎng)絡(luò)很快崩潰。通過改變關(guān)鍵斑塊的面積及形狀指數(shù)、去除孤島斑塊、增加網(wǎng)絡(luò)密度等手段，可提高網(wǎng)絡(luò)的抗攻擊能力。在森林景觀經(jīng)營過程中，對森林的采伐強(qiáng)度不宜超過區(qū)域中景觀斑塊的25％，且應(yīng)加強(qiáng)對周邊鄰接斑塊多、面積較大、形狀復(fù)雜的景觀類型的保護(hù)。
　　 (4)定義了森林景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)的演化動(dòng)力學(xué)模型，提出了森林景觀經(jīng)營的調(diào)控目標(biāo)和調(diào)控策略。隨著時(shí)間的變遷，森林景觀斑塊間邊緣效應(yīng)也將發(fā)生相應(yīng)變化，從而導(dǎo)致景觀斑塊耦合網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總