生态网络分析与实证研究 - 杨瑾

1、生态网络分析与实证研究生态网络分析与实证研究杨谨2016-3-31本节课主要内容本节课主要内容n 流量分析n 存量分析n 效用分析模型与模拟模型与模拟模型和模拟的区别在于，模型是“产出”，模拟是“过程”。模拟在系统分析和管理的中的作用是什么？从生态、社会和经济系统的模拟中可以获得什么有用信息？如何用模型获得这些信息？什么是模型?对现实的复制，展示理想状态；一系列成分假定；对现实的抽象；模型是现实的不完美的展示一对一的同构描绘定量数学模型 能够用于模拟。概念模型 用于识别系统边界、组分、属性和系统的结构关系。为什么要建立模型? 理论、研究、应用预测 因果关系（投入）增进理解 (状态)产生方案(产

2、出)投入产出模型外部环境源投入汇投入投入-状态状态-产出产出系统模型中的3 C要素组分 状态变量连接 流量控制 参数从自然系统到概念模型:多个假设、提取和简化样本I:生态系统丰度和物种分布？识别组分样本II:这些物种之间的数量关系？识别系统连接生物量B从概念模型到公式原则上是一个同构模拟过程每一个组分（状态变量）成为一个公式z1z2y2y1B=投入-产出tB=(z1+z2)(y1+y2)t样本III:组分之间的流动关系?识别控制关系:Quantifyingthenetworkempiricallyorthroughsimulation增加变量因子用STELLA进行模拟在MATLAB中进行网络分

3、析本节课主要内容本节课主要内容n 流量分析n 存量分析n 效用分析网络分析可视化可测量可管理社会网络分析早在 19411942 年 R. L. Lindenman 和 G. E. Hutchinson 创立了有关生态系统的营养动力学理论,提出食物循环概念,并对美国明尼苏达州的 Cedar Bog 湖泊进行了实证分析。 1973 年 Zaret 和 Paine 研究了生 态系统中分室间接作用,进一步扩展了营养动力学理论。 1966年，Leontief建立经济流动分析模型。Hannon首次使用经济学中投入产出模型 提出生态网络分析方法。1976 年 Patten 发表了生态网络分析方法的论文,标志

4、着该方法的形成。生态网络分析发展历程生态网络分析发展历程为什么用生态网络分析为什么用生态网络分析生态网络分析方法是分析生态系统组成要素间作用关系、从整体上辨识系统内在属性的一种分析方法,突出整体性、系统性,注重系统的结构与功能关系研究。 生态网络分析方法在生态系统分析、设计中占有重要地位,成为认知、探索这一复杂系统的行之有效的方法与工具。 生态网络分析方法在经济系统、城市代谢系统、产业生态模式等领域的应用研究较多路径分析-计算网络中的路径数量流量分析(gij=fij/Tj)识别间接路径的流动强度生态网络分析主要内容生态网络分析主要内容存量分析(cij=fij/xj)识别间接路径的存量强度效用分

5、析(dij=(fij-fji)/Ti)识别间接路径的效用强度x1x2x3f32f13z1y3y2f21f31y1A001100110Fffff0000013213132zz100yyyy123xxxx123投入产出存量内部流动连接基本概念基本概念存量变化dxdtzffyiiijjnjijni11x1x2x3f32f13z1y3y2f21f31y1xinouti存量变化dxdtzffyiiijjnjijni11x1x2x3f32f13z1y3y2f21f31y1xzfffyxffyxfffyi1132131122132233132133功能分析节点i的流量:Tfzi inijjni,1Tfyi

6、outjijni,1TTTi ini outi,平衡状态下:功能分析TSTTiin1系统总流量(TST):节点存量,xi总系统存量(TSS):TSSxiin1Ti？TST?TSS?是否平衡?x1x2x3g32=f32/T2g13=f13/T3z1y3y2g21=f21/T1g31=f31/T1y1产出环境(投入驱动)gij=fij/Tjgij表示从j流向其他组分的流量占j总流量的比重；Ggggg0000013213132x1x2x3g32=f32/T3g13=f13/T1z1y3y2g21=f21/T2g31=f31/T3y1投入环境(产出驱动)Letgij=fij/Tigij表示从j到i的流

7、量占i总流入流量的比重Ggggg0000013213132Proposition1(Patten1978):每个物体均处于两个环境中HHjHjHjHjHjHjHj投入产出二元性产出环境(投入驱动)的比重gij投入环境(产出驱动)的比重gijjijijTfg iijijTfgx1x2x31008022018201 . 00002 . 0000G010001000GG和G的n次方表示通过间接路径传递的流量G2表示通过2步离开j到达i的流量强度G2表示通过2步从j到达i的流量强度x1x2x3100802201820002. 00000002G0010000002Gx1x2x3100802201820

8、000000003G0000000003GG2表示通过3步离开j到达i的流量强度G2表示通过3步从j到达i的流量强度总结:G2表示通过2步传递的流量；G3表示通过3步传递的流量；Gm表示通过m步传递的流量；对m=1加和即为总流量。Gmm0其中Gmm2表示间接流量G的n次方不断变小，逐渐收敛NGIGmm01TNzTGzIGzmm01N是总产出流，包括所有直接和间接流同样，对于投入环境的流，也可计算其总流量10GIGNmm110GIyGyTmmNyT流量分解N=G0+G1+G2+G3+G4+integral=initial+direct+indirect间接流量往往大于直接流量GGmm2ninji

9、jninjijijijgginDI1111)(/当I/D1,表示间接效应占主要地位。反映了网络在系统组织上的作用。间接效应随着以下指标的增加而增加：连接度循环度系统阶次直接效应根据直接观察，从系统观的角度分析系统。直接观察仅仅反映故事的一半。循环指数(Finn1976,1980,FCI)TSTc=sum(dN-p)./dN).*T)N=1.0000000000.53691.38850.27750.78001.10060.66060.19710.50961.10190.28630.40390.24250.20450.52880.25331.29710.41920.25160.06050.1565

10、0.19040.16591.12410.07450.01650.01070.01310.01140.07711.0051dN=11.38851.10191.29711.12411.0051dN-1=00.38850.10190.29710.12410.0051(dN-1)/dN=00.27980.09240.22900.11040.0051(dN-p)./dN).*T=06.22980.75551.94240.27700.0035TSTc=sum(dN-p)./dN).*T)=9.2082kcalm-2d-1TST=83.5835kcalm-2d-1%cycled=TSTc/TST=9.208

11、2/83.5835=0.1102=11.02%网络同质性能量在网络内的分布情况。ijn1jn1i2ijijg1)(ngg2)CV(Gijg是G的元素的平均数G=0000000.3808000.50000.76000.475800.3670000000.32670.147600000.02890.14760.0779000.01240000.06860N=1.0000000000.53691.38850.27750.78001.10060.66060.19710.50961.10190.28630.40390.24250.20450.52880.25331.29710.41920.25160.0

12、6050.15650.19040.16591.12410.07450.01650.01070.01310.01140.07711.0051CVG=2.0195CVN=1.0676HF=CVG/CVN=1.8916x1x2x3c32=f32/x2c13=f13/x3z1y3y2c21=f21/x1c31=f31/x1y1存量分析cij=fij/xjcij为从存量j到i的流量Ccccc0000013213132C的n次方不收敛，因此必须首先进行无量纲化使pij=tcij来对C进行无量纲化处理。其中t是系统特征时间步长，0pij1选定t,P的n次方收敛QPIPmm01Q表示进入存量的投入xQz tx

13、PtIGz tmm01直接存量和间接存量分解Q=P0+P1+P2+P3+P4+总存量=起始+直接+间接网络效用分析决定网络内部的两两关系投入的流量减去流出的流量，来反映一个组分在网络中的作用。jiijijiijijggTffd作用类型作用类型作用方式作用方式 能量或物质在不同组分之间的流动；相互关系相互关系 根据定量分析，共有9种作用类型 00000 000( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )( , )9中可能的两两关系，用+,0,和表示作用类型作用类型A000100010F0001000010D0110010110010举例：举例：T100101d

14、ffTijijjii效用分析x1x2x31011009019直接符号矩阵直接符号矩阵sgn()D00000(sd21,sd12)=(+,)获取(sd32,sd23)=(+,)获取(sd31,sd13)=(0,0)无关x1x2x3直接关系：D0110010110010UDIDadj IDIDmm01()整体效用:Utility: U = I + D + D2 + D3 + D4 + 整体 = 起始 + 直接 + 间接 U09167008330083083330833300833083330833309167.sgn()U(sd21,sd12)=(+,)获取(sd32,sd23)=(+,)获取(s

15、d31,sd13)=(+,+)互利共生U表示无量纲的整体效用若恢复量纲，则用各部分投入量与U相乘 .TU100000100001091670083300830833308333008330833308333091679166678333308333833338333308333083330833309167bcutilityutility111759171219.整体效用大于直接效用，即为网络协同直接流量矩阵整体矩阵效用总结正效用11111.75负效用119.17比值1.0012.19关系总结正效用数量 27负效用数量22+/ 符号比值1.003.5,1,0,()0,0i jj ii jj i

16、i jni jj ii jii jj ii jnnnncannCAcannca,1,0,d()d0,d0i jj ii jj ii jni jj ii jji jj ii jnnnnannDAanna网络控制分析SchramskiJR,GattieDK,PattenBC,BorrettSR,FathBD,ThomasCR,WhippleSJ.Indirecteffectsanddistributedcontrolinecosystems;distributedcontrolintheenvironnetworksofaseven-compartmentmodelofnitrogenflowin

17、theNeuseRiverestuary,USA-Steady-stateanalysis.EcolModel2006;194:189201.SchramskiJR,GattieDK,PattenBC,BorrettSR,FathBD,WhippleSJ.Indirecteffectsanddistributedcontrolinecosystems;distributedcontrolintheenvironnetworksofaseven-compartmentmodelofnitrogenflowintheNeuseRiverestuaryUSA-Timeseriesanalysis.E

18、colModel2007;206:1830.网络系统指标Indicators FormulationsImplicationsTST系统总流量Finns Cycling Index (FCI)物质循环率N e t w o r k mutualism index (MI)组分之间相互作用协同程度System control index (CI)系统内组分之间控制关系强弱,11mmi jjif,1,1/nj jjjj jnTTSTn( )/SignU( )SignU ,112mmmmi ji jj i ij i icadam本节课主要内容本节课主要内容n 流量分析n 存量分析n 效用分析Loc:

19、local environment; Ene: energy production sector; W&S: Water and soil stock; Con: Construction sector; Agr: Agriculture sector; ITS: Industry (product manufactory), trade and service sector; Dom: Domestic sector; Ext: External domain and marketCarbon flows and ecological structure of city碳代谢研究Ch

20、enSQ,ChenB.Networkenvironperspectiveforurbanmetabolismandcarbonemissions:acasestudyofVienna,Austria.EnvironSciTechnol2012;46(8):4498506.Pyramidal structure: Producer: embedded environment(Local and external environment ); Conductive consumer: transform the natural resource to human use (Energy suppl

21、y, water&soil and construction sector); Secondary consumer (Agriculture, Industry, trade and service); Ultimate consumer (Domestic sector)碳代谢研究ChenSQ,ChenB.Networkenvironperspectiveforurbanmetabolismandcarbonemissions:acasestudyofVienna,Austria.EnvironSciTechnol2012;46(8):4498506.Direct Mutualis

22、m/Integral Mutualism 1.00/1.91LocEneW&SConAgrITSDomExtLoc0/+-/+-/+-Ene+0/+0/-0/-+W&S+0/-0/+0/-/+-/+Con+0/-0/-0/+-/+-/+Agr-/+0/+-/+ITS-+-0/+-/+Dom-+/-0/+-/+Ext+/-/+-+0Integral control allocationEneW&SConAgrITSDomEne0nonnon-W&Snon0non-Connonnon0-Agr0.060.210.0500.17-ITS0.610.470.71-0-D

23、om0.330.320.241.000.830Mutual relationshipControl effect碳代谢研究ChenSQ,ChenB.Networkenvironperspectiveforurbanmetabolismandcarbonemissions:acasestudyofVienna,Austria.EnvironSciTechnol2012;46(8):4498506.Emission outflow channelEffecting pathwayInteractive mutual relationships in SignUUltimate control of

24、 emission output (UC)5O(160 kg capita-1 year-1)25O ( = 2)+ ()0.208275O ( = 3)+ + + ()0.03535O ( = 2)+ ()0.093375O ( = 3)+ + ()0.02745O ( = 2)+ + + ()0.022475O ( = 3)+ + + ()0.0406O(629 kg capita1 year1)26O ( = 2)+ + ()0.040276O ( = 3)+ + ()0.00236O ( = 2)+ + ()0.038376O ( = 3)+ + + ()0.00246O ( = 2)

25、+ + ()0.029476O ( = 3)+ + ()0.00376O ( = 2) + ()0.0997O(1145 kg capita1 year1)27O ( = 2)+ + ()0.21537O ( = 2)+ + ()0.16647O ( = 2)+ + ()0.250Tracking carbon emissions from the city based on NUA and NCA碳代谢研究ChenSQ,ChenB.Networkenvironperspectiveforurbanmetabolismandcarbonemissions:acasestudyofVienna,

26、Austria.EnvironSciTechnol2012;46(8):4498506.IndicatorFormulationM e t a b o l i s m implicationMetabolic NetworkWith Loc&DisWithout Loc&DisNodesmMetabolic compartments86LinksLMetabolic linkages2812Link DensityMetabolic linking degree3.502.00ConnectanceMetabolic connectivity0.440.33TSTMetabolic size77134967FCICycling effect of metabolism1.000.85MIEq. (2)Metabolic system mutualism1.910.80SIEq. (3)Metabolic system synergism9.072.17CIEq. (7)Self-regulation of metabolism0.250.22/L m2/L mm11mijjifn1jjjjjjnTTSTnSyst