乌兰布和沙漠东北缘生态网络构建与优化研究

论文摘要

本研究以乌兰布和沙漠东北缘为研究区,基于复杂网络理论、景观生态学和GIS空间分析技术,首先对研究区基本生态状况进行了分析,之后利用累积耗费阻力模型,综合考虑多种因子构建了研究区潜在生态网络。基于复杂网络的多种评价指标,对研究区生态网络的拓扑结构进行了分析,结果显示网络非均匀性强、连接性差,需要进一步优化。之后,根据复杂网络增边策略及生态节点结构与功能的协同性,对研究区潜在生态网络进行了优化,分析了优化后网络的拓扑结构及鲁棒性。最后基于优化后的潜在生态网络,利用社区挖掘、最小生成树、泰森多边形及生态节点结构与功能协同性分析结果,构建了研究区生态安全格局。具体研究结果如下:（1）针对研究区干旱缺水、生态脆弱的的特点,本文选取对生态网络提取具有重要影响的植被覆盖度及地下水埋深两个因素进行研究,以反映其基本生态状况。研究发现,植被覆盖度整体呈上升趋势,沙漠边缘植被向西南扩张明显,沙漠呈回退趋势。对研究区地下水埋深的影响因素进行分析,提取了前5个主成分,利用上述主成分,基于地下水埋深测点数据进行协同克里金插值,结果显示研究区地下水埋深呈现由东南向西北递增的趋势。研究区基本生态状况有所改善,但西南部与东北部仍有较大差距,仍有改善空间。（2）利用斑块面积、斑块平均NDVI/MNDWI、斑块形状指数筛选得到了研究区417个生态源地。利用累积耗费阻力模型构建了研究区生态累积阻力面,进行了潜在生态廊道与生态节点的提取,形成了研究区潜在生态网络。根据生态节点间的连接关系,将潜在生态网络抽象为复杂网络的邻接矩阵表示形式,根据生态节点重要性及潜在生态廊道累积阻力值,利用引力模型设置了每条边的权重,最终形成了研究区复杂生态网络。（3）利用复杂网络理论中的多种指标,对研究区潜在生态网络的拓扑结构进行了分析。对其基本静态特征的分析显示,研究区潜在生态网络度分布基本符合幂律分布,是一个无标度网络,网络中点权最大值为15.37,最小值为0,绝大多数生态节点的点权很小;网络不具备小世界特性。对其相关特性的分析显示,网络是权-度相关的,非均匀性较高;网络呈现微弱的异配性,网络的鲁棒性较低;网络不存在聚-度相关性,不是一个层次网络。利用PageRank值和节点介数识别出了潜在生态网络中的重要节点,这些节点主要位于研究区中部。网络的核数为3,是一个不完全网络,连通性为546,网络的连通性较差,需进一步优化。（4）基于研究区潜在生态网络的结构与功能协同性,结合按度增边策略构建了针对研究区潜在生态网络的增边优化策略,分析了优化后网络的结构与功能协同性、鲁棒性及拓扑结构特性,结果显示优化后的网络非均匀性降低,连通性更强,具有更强的鲁棒性。利用复杂网络的分析方法,基于研究区优化后的潜在生态网络,进行了研究区生态节点分区、关键生态节点提取、骨架廊道提取和生态盲区识别,最终形成了研究区生态安全格局。结果显示,研究区共有关键生态节点17个,生态盲区1288.41km2,其中一级盲区771.83km2,二级盲区516.58km2,骨架廊道1176.82km。在9号、10号、4号、7号和3号分区中景观关键组分所占比例较高,在区域生态安全中具有较高重要性,是生态安全建设中的关键区域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1. 引言
•   1.1. 研究背景与意义
•     1.1.1. 沙漠化对生态环境及社会经济的影响
•     1.1.2. 荒漠绿洲交错区面临较高的沙漠化风险
•     1.1.3. 绿色生态网络是防治沙漠化的重要手段
•   1.2. 生态网络研究进展
•     1.2.1. 生态网络相关概念辨析
•     1.2.2. 生态网络相关理论基础
•     1.2.3. 生态网络国内外文献综述
•   1.3. 复杂系统理论
•     1.3.1. 复杂系统及其特征
•     1.3.2. 复杂系统理论研究进展
•     1.3.3. 地理学中的复杂系统研究进展
•     1.3.4. 复杂网络及其研究进展
• 2. 研究区概况与研究内容
•   2.1. 研究区概况
•   2.2. 数据来源及预处理
•   2.3. 研究内容
•     2.3.1. 研究目标及研究内容
•     2.3.2. 创新点
•     2.3.3. 技术路线
• 3. 乌兰布和沙漠东北缘植被及地下水埋深演变动态
•   3.1. 研究方法
•     3.1.1. 植被覆盖度演变分析
•     3.1.2. 研究区地下水埋深空间差值
•   3.2. 研究结果与分析
•     3.2.1. 植被覆盖度演变分析
•     3.2.2. 地下水埋深空间插值
•   3.3. 本章小节
• 4. 乌兰布和沙漠东北缘潜在生态网络构建
•   4.1. 研究方法
•     4.1.1. 生态源地提取
•     4.1.2. 生态累积阻力面构建
•     4.1.3. 潜在生态廊道提取
•     4.1.4. 潜在生态节点提取
•     4.1.5. 邻接矩阵构建
•   4.2. 研究结果与分析
•     4.2.1. 研究区生态源地提取
•     4.2.2. 生态累积阻力面构建
•     4.2.3. 潜在生态廊道提取
•     4.2.4. 邻接矩阵构建
•   4.3. 本章小节
• 5. 乌兰布和沙漠东北缘潜在生态网络拓扑结构分析
•   5.1. 研究方法
•     5.1.1. 复杂网络的基本静态特征
•     5.1.2. 复杂网络的相关特性
•     5.1.3. 节点重要性
•     5.1.4. 网络连通性
•   5.2. 结果与分析
•     5.2.1. 潜在生态网络的基本静态特征
•     5.2.2. 潜在生态网络的关联特性
•     5.2.3. 潜在生态网络的节点重要性
•     5.2.4. 潜在生态网络复杂网络的连通性
•   5.3. 本章小节
• 6. 潜在生态网络优化及生态安全格局构建
•   6.1. 研究方法
•     6.1.1. 潜在生态网络结构与功能协同性分析
•     6.1.2. 潜在生态网络的增边优化策略
•     6.1.3. 潜在生态网络鲁棒性分析
•     6.1.4. 生态节点分区
•     6.1.5. 关键节点与生态盲区识别
•     6.1.6. 骨架廊道识别
•   6.2. 结果与分析
•     6.2.1. 潜在生态网络结构与功能协同性分析
•     6.2.2. 优化后潜在生态网络空间结构分析
•     6.2.3. 优化后潜在生态网络结构与功能协同性分析
•     6.2.4. 潜在生态网络鲁棒性分析
•     6.2.5. 优化后潜在生态网络拓扑结构分析
•     6.2.6. 研究区生态节点分区
•     6.2.7. 关键生态节点识别
•     6.2.8. 研究区潜在生态网络骨架廊道识别
•     6.2.9. 研究区生态盲区识别
•   6.3. 本章小节
• 7. 结论与展望
•   7.1. 结论
•   7.2. 展望
• 参考文献
• 个人简介
• 导师简介
• 获得成果目录
• 致谢
• 附录A 文中关键代码
• 附录B 研究区复杂生态网络稀疏矩阵

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张启斌

导师: 岳德鹏

关键词: 生态网络,复杂网络,荒漠绿洲交错区,生态安全格局

来源: 北京林业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 数学,环境科学与资源利用

单位: 北京林业大学

分类号: X826;O157.5

DOI: 10.26949/d.cnki.gblyu.2019.000083

总页数: 147

文件大小: 15135K

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