结合有限元仿真和复杂网络来优化生态网络：以中国喀斯特地区为例的研究

《Journal of Cleaner Production》：Incorporating finite-element simulation and complex networks to optimize ecological networks: A case study on karst regions in China

　　马中浩|李鹏|邱月|高飞婷|周大敏
四川师范大学地理与资源学院，成都，610101，中国

**摘要**
生态网络（ENs）在维护区域生态安全和增强生态系统服务方面发挥着至关重要的作用。本研究介绍了一个协作优化框架，该框架结合了机械分析和复杂网络分析，以提高生态网络的连通性和鲁棒性。通过将压力识别与网络结构重构相结合，该框架能够在减轻局部风险的同时增强全球连通性和鲁棒性。该框架包括：（1）识别典型喀斯特地区的生态网络；（2）引入有限元仿真来进行生态网络的风险评估和优化；（3）从拓扑角度分析生态网络，并验证有限元仿真的优化结果；（4）整合拓扑特征和压力条件，提出生态恢复策略。选择中国西南部一个典型的喀斯特地区作为案例研究，该地区以严重的岩石沙漠化、生态脆弱性和人类活动导致的栖息地破碎化为特征，以评估该框架的可行性。传统的生态网络研究往往忽视了外部干扰下走廊的稳定性。为了克服这一限制并实现更基于物理的风险评估，本研究将有限元仿真引入生态网络研究。来自机械工程的有限元仿真将生态走廊转化为三维机械模型。此外，将景观格局指数映射到材料属性上，并利用归一化差异植被指数（NDVI）和道路网络密度来定义动态负荷，量化走廊的压力分布并识别高风险断裂区。然后，基于复杂网络构建了一个加权无向拓扑网络，分析节点中心性和聚类特征，揭示生态网络的空间不平衡和连通性脆弱性。通过添加“垫脚石”实现了协作优化，结果走廊压力最大减少了14.5%，自然连通性从0.340增加到0.368，表明网络鲁棒性得到了提高。本研究为增强景观连通性和构建生态网络提供了精确的决策支持。

**引言**
快速的城市化和城市扩张正在日益影响生态系统。人类活动导致空气和水污染、森林和植被退化、极端天气事件频发、动植物种群数量急剧下降以及受保护栖息地的退化和破碎化（Ren等人，2023年）。为了强调这些生态问题的严重性，联合国将2021-2030年定为“生态系统恢复十年”（Gordon等人，2009年）。在这种情况下，必须制定有效的保护策略来应对维持生态功能的基本单元。作为支持物种生存和生态过程的基础空间要素，栖息地在保护生物多样性和改善栖息地质量方面发挥着关键作用（He等人，2014年；Ma等人，2023年）。当代的生态保护和恢复实践强调系统性和整体性方法，构建生态网络（ENs）可以为生物多样性保护提供有效支持（Gao等人，2024年）。生态网络连接生态源，增强生态源之间的景观连通性，稳定生物过程，并促进生态保护和恢复（Peng等人，2024年）。最近的研究逐渐建立了一个范式，涉及生态源的识别、抗性表面的分析以及走廊的构建（Tang等人，2024年）。将生态系统服务和景观格局分析整合到生态网络构建过程中丰富了研究结果（S. Wang等人，2025年）。这些先前的研究为确保生态系统稳定性和提高景观连通性提供了有力的支持。然而，大多数研究仅限于现有框架，很少与其他学科结合。喀斯特景观是全球生态最脆弱和异质性最高的陆地生态系统之一，其特点是地表和地下环境的独特二元结构。与同质的平原不同，这些地区面临严重的挑战，如岩石沙漠化、不连续的土壤覆盖和高水文波动性，使得栖息地自然破碎且高度不稳定。在这种复杂的地形中，生态走廊不仅是空间通道，还是容易受到自然侵蚀和人为压力破坏的物理脆弱结构。因此，仅关注模式连通性的标准生态网络评估往往无法捕捉到喀斯特走廊的内在结构脆弱性。这使得喀斯特景观成为验证机械稳定性模型的理想试验场，因为栖息地连通性和结构脆弱性之间的冲突在这些地区最为明显。这些限制在喀斯特地区尤为重要，因为那里的生态系统由于薄土层、强烈的岩石沙漠化和高度异质的景观结构而本质上非常脆弱。在这样的环境中，生态走廊更容易受到结构不稳定性和外部干扰下的快速退化。传统的生态网络方法主要强调空间连通性和抗性模式，往往无法捕捉到喀斯特景观中走廊的机械脆弱性和结构脆弱性。因此，它们可能低估了局部故障风险和走廊中断的连锁效应。因此，迫切需要能够量化结构稳定性并识别生态网络中高风险段的分析框架，特别是在生态脆弱的喀斯特地区。此外，尽管生态网络对于防止景观破碎化至关重要，但它们在保护生态空间结构方面的潜力仍未得到充分利用。尽管取得了这些进展，现有的方法论通常仍然受限于景观生态学的传统原则（X. Wang等人，2025年）。这种学科隔离限制了我们诊断生态走廊内在脆弱性的能力，特别是它们对外部压力和内部结构弱点的敏感性（Xie等人，2025年）。例如，可以识别生态走廊；然而，它们在人为压力条件下的结构鲁棒性和功能稳定性在很大程度上仍未得到量化（Zhang等人，2026年）。迫切需要整合来自其他领域的分析工具，以量化这些动态过程并提供对生态网络恢复力的更机械化的理解。从系统动态的角度来看，机械系统和生态网络之间存在基本的可比性：人为干扰通过景观矩阵传播，就像应力波通过物理结构传播一样，其中材料中的“高应力”区域对应于最容易破碎的生态走廊。然而，必须明确指出，这种生态过程与机械过程之间的类比是一个有用的但高度简化的模型假设。近年来，跨学科方法在生态网络研究中得到了越来越多的应用，结合了空间分析、复杂系统科学和基于工程的建模方法，以更好地理解生态连通性和系统动态。这些努力丰富了分析视角，但大多数研究仍然分别关注结构特征或功能评估。明确将网络拓扑与基于过程的仿真相结合的集成框架仍然相对有限。基于这一背景，有限元仿真和复杂网络理论已被引入生态网络研究。

**有限元仿真**
有限元仿真是一种计算数值技术，常用于工程和物理学中，用于分析复杂结构对外部力、压力和其他物理效应的响应（Van Vinh等人，2022年）。有限元仿真将复杂系统细分为更小、更简单的部分，以精确模拟应力分布并识别潜在的故障位置（Ereiz等人，2022年）。在生态学背景下，我们将生态网络（特别是走廊）概念化为一个整体结构，并应用有限元仿真。在这里，外部力类似于人为压力，材料属性来自景观的特征。这使我们能够从机械角度量化内部应力分布，并识别生态走廊最容易破碎的高风险段（Liu等人，2022年）。引入有限元仿真使生态网络优化策略能够从机械角度得到指导，从机械角度分析生态环境对走廊构成的风险程度，从而量化走廊内不同位置的风险水平，从而制定更精确的优化策略（Mai等人，2023年）。有限元仿真是机械工程和土木工程中的常用技术，它以非常低的成本促进了设计合理性和优化策略的探索（Qiu等人，2024年）。在生态网络的背景下，“垫脚石”指的是小型、战略性地放置的栖息地斑块，它们有助于物种在较大生态源之间的移动，从而增强整体连通性。通过减少长距离扩散障碍，垫脚石可以加强生态流动并减轻破碎化效应（Gao等人，2026年）。因此，有限元仿真可以指导生态网络优化的垫脚石的战略性放置。虽然有限元仿真提供了对生态结构内应力分布和机械响应的过程性理解，但它并未明确捕捉到生态网络的拓扑组织和连通性模式。因此，需要额外的分析框架来描述生态系统的结构配置及其空间交互模式。在我们的框架中，“应力集中”作为生态网络内结构脆弱性的定量指标。表现出高应力值的区域并不意味着立即发生物理断裂，而是表明高生态风险区域。这些是关键瓶颈，在这些区域，外部干扰的累积影响超过了景观的缓冲能力，使得走廊在未来最容易发生功能破碎或中断。复杂网络理论提供了一个补充的拓扑框架（Wang等人，2024年）。它将生态网络抽象为一个由节点和边组成的网络图（Niu等人，2024年）。通过计算基于节点的指标，如度中心性、介数中心性和接近中心性，复杂网络理论量化了每个生态源在维持整体景观连通性方面的相对功能重要性（Men和Pan，2024年）。这识别了对信息流动、物种扩散或网络稳定性最关键的节点，从而从系统层面指导保护优先级。此外，引入复杂网络理论有助于从拓扑角度有效分析生态源之间的关系，有助于改善源与走廊之间的关系，并指导生态恢复策略（Jian等人，2024年）。结合有限元仿真和复杂网络可以弥补复杂网络无法分析内部走廊条件的不足，同时允许复杂网络在拓扑尺度上提供优化策略。因此，在这项研究中，我们旨在开发和展示一个整合了景观生态学、复杂网络理论和有限元仿真的集成框架。

**研究区域和数据来源**
研究区域位于中国西南部的典型喀斯特地区，即喀斯特峰群洼地地区（103.40°–109.78°E，21.60°–26.18°N），位于贵州高原向广西盆地的过渡斜坡上（图1）。总面积为166,900平方公里，其中喀斯特面积占52.2%（87,200平方公里）。此外，该地区存在显著的海拔梯度（500–1,700米），并且经历热带-亚热带湿润季风气候，年平均温度...

**生态网络的识别**
生态网络代表了在区域尺度上构建的生态系统各个组成部分的整合。根据对研究区域生态网络的分析，生态源主要分布在生物量高、坡度平缓、地形起伏小的区域，并且与现有保护区有很高的重叠度。相比之下，受人类干扰影响的区域表现出明显的景观破碎化（Gong等人，2021年）。基于...

**有限元仿真的转换和应用**
本研究首次将机械工程中的有限元仿真引入生态网络分析。将生态走廊转化为可量化的三维应力模型。应力等高线图直观地识别了高风险和稳定区域，与传统仅描述空间模式的景观指数相比，提供了更动态和详细的风险评估。景观格局指数被创新性地映射到材料属性上（Young...

**结论**
由于传统生态网络优化框架缺乏对有限元仿真的考虑，本研究整合了景观生态学、复杂网络和有限元仿真，构建了一个“拓扑特征-应力条件”协作分析框架。所提出的框架能够实现对能源网络（ENs）中结构脆弱性的定量识别和精确优化。为了直观展示该框架，我们通过一个案例研究进行了验证。案例研究中使用了CRediT作者贡献声明：
- 马忠浩：撰写初稿、数据管理、概念构建；
- 李鹏：撰写、审稿与编辑、资金筹措、数据管理、概念构建；
- 邱月：撰写、审稿与编辑、形式分析、数据管理；
- 高菲婷：撰写、审稿与编辑、形式分析、数据管理；
- 周大民：撰写、审稿与编辑、形式分析、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些因素可能会影响本文所报告的工作结果。

**致谢**
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2022YFF1300701）以及西藏自治区科技项目（项目编号：XZ202501ZY0027）的支持。