《Journal of Cleaner Production》：Scale-dependent effects of road hierarchy and species dispersal capacities on ecological connectivity in urban agglomerations
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道路等级对生态连通性的多尺度影响及协同效应研究。提出整合道路等级、物种扩散能力及网络组织的多层级分析框架，以长沙-株洲-潭州都市圈为案例，发现高等级道路（如铁路、高速公路）显著削弱生态连通性，尤其是对低移动性物种；低等级道路存在尺度依赖效应，随扩散距离增加其影响从抑制转为促进；叠加不同等级道路产生非线性协同阻断，揭示生态网络连续性受道路系统多维度压力的耦合作用，为跨区域交通规划与生态保护协同提供理论依据。
李秀全|李金毅|马斌斌|唐忠刚|张东水|李超奎|田秦|杨晨|严英伟
湖南科技大学地球科学与空间信息工程学院，湘潭，411201，中国
摘要
了解交通基础设施如何在多个空间尺度上影响生态连通性对于区域生物多样性保护和可持续城市发展至关重要。然而，不同等级的道路如何与物种扩散能力相互作用，从而重塑斑块、走廊和整个生态网络之间的生态连通性，目前仍不清楚。现有研究往往将道路简化为同质的障碍物，这限制了我们捕捉尺度依赖性和非线性破碎过程的能力。为了解决这个问题，我们开发了一个多尺度、多层次的分析框架，该框架明确将道路等级视为连续的阻力梯度，并考虑了10到30公里范围内的物种扩散阈值。以中国长沙-株洲-湘潭城市聚集区（CZTUA）为案例研究，我们评估了在单一等级和多等级道路干扰情景下的生态连通性。结果表明：（1）高等级道路（如高速公路、铁路）对连通性构成了强烈的大规模障碍，特别是对于移动能力有限的物种。在铁路情景下，10公里扩散阈值时PC下降了30.66%，IIC下降了23.83%；而在30公里扩散阈值时，这些影响分别减弱至16.80%和17.32%。（2）低等级道路表现出明显的尺度依赖性效应：省级道路增强了局部连通性，而县级道路随着扩散距离的增加，其作用从抑制转变为促进。（3）重叠的道路等级会对生态网络产生非线性的、协同的破坏作用，这种影响会因物种的移动特性而放大。通过明确关联道路等级、扩散规模和网络结构，本研究深化了对尺度依赖性景观连通性的理论理解，并为将生态完整性纳入区域交通规划和多辖区环境治理提供了操作框架。
引言
快速的城市化和交通基础设施的不断扩张加剧了栖息地的破碎化，破坏了不同景观之间的生态连通性（Rincón等人，2021；Shi等人，2018；Xu等人，2023）。作为普遍存在的线性元素，道路系统改变了土地覆盖，阻碍了动物的移动，从而挑战了区域生物多样性的保护和生态安全（Staab等人，2015；Sun等人，2024）。重要的是，道路网络并非同质系统：铁路、高速公路以及一级和二级道路在宽度、交通量、围栏和相邻土地利用变化方面存在显著差异，因此产生了不同的生态屏障效应和影响范围（Cork等人，2024；Yang等人，2024b；Brennan等人，2022）。高等级的高速公路和铁路往往会造成更广泛的排斥区并增加野生动物的死亡率，而低等级道路则更频繁地破坏局部栖息地马赛克和生态走廊（Gregory等人，2021；Li等人，2022）。这些效应通过层次化的生态网络传播，局部结构破坏可能会累积起来，改变系统层面的连通性和移动路径（Kong等人，2022）。
大量研究探讨了交通基础设施如何破碎栖息地、改变野生动物移动方式以及塑造生态空间过程（Dominguez等人，2021；Wei等人，2022）。方法论的进步大大增强了连通性评估的能力。形态空间模式分析（MSPA）能够识别核心斑块和走廊（Zhai和Huang，2022；Zhang等人，2024），而基于图的指标可以量化功能网络配置并在干扰情况下识别关键节点（Tannier等人，2016；Zhao等人，2021）。此外，电路理论阻力模型的整合允许表示多种移动路径和异质景观阻力，为物种扩散过程提供了更高的真实性（Yang等人，2024a；Zhou等人，2024）。这些方法共同推进了对日益受人类主导地区生态结构和连通性变化的表征。道路引起的生态影响并不均匀，而是随着道路等级和相关结构特征的不同而显著变化。道路等级、宽度、围栏、交通量和表面特性创造了不同的生态阻力水平和物种特定的响应（Cork等人，2024；Yang等人，2024b）。例如，高等级的高速公路和铁路由于更宽的路面、围栏和更高的车辆速度，通常会形成更强的障碍（Li等人，2022）。然而，地方道路可能产生更微妙的影响；它们的影响往往在空间上更为广泛。尽管路边围栏的目的是为了交通安全，但它们可能会阻碍穿越机会并加剧种群隔离（Gregory等人，2021）。此外，野生动物穿越频率和物种丰富度与道路宽度呈负相关（Brennan等人，2022）。
学者们认识到生态网络具有内在的层次化组织结构：斑块作为生态源，走廊维持流动，网络结构支持系统层面的连通性。因此，已经应用了多层次指标来检测斑块、走廊和网络系统内的破碎化，并评估连锁的连通性影响（Matos等人，2019；Pirnat和Hladnik，2016）。结合物种扩散能力进一步增强了生态真实性的描述，特别是对于靠近城市基础设施的移动能力有限的物种（Liu等人，2018；Wei等人，2022）。证据表明，在城市化和交通扩张的情况下，扩散距离较短的物种会经历不成比例的更高连通性损失（Huang等人，2020；Saura和Pascual-Hortal，2007）。
此外，研究越来越多地超越单一城市分析，转向城市聚集区（UA）的背景，认识到许多物种的栖息地和迁徙路线超出了单个行政边界。跨越多个城市的道路网络可能会产生累积和协同的破碎效应，这可能是单一城市分析所低估的（Wu等人，2014；Mo等人，2017）。此外，有效的保护规划必须解决跨辖区的挑战，因为通常需要在UA范围内进行干预，以维持大都市区域的功能连通性（Yang和Jin，2024）。因此，从UA的角度来看，理解道路基础设施的累积、跨城市生态影响对于指导大规模连通性保护至关重要。
尽管取得了这些进展，但仍存在三个关键的知识空白。首先，许多研究将道路概念化为二元或简化的阻力分类，忽略了道路等级的功能异质性和它们不同的生态影响。这种简化限制了对分级道路系统如何累积性地塑造生态破碎性的理解。其次，大多数研究仅在单个组织层面上评估连通性，分别关注斑块、走廊或整个网络，或者依赖物种扩散阈值来推断生态过程。然而，很少有研究将多层次组织连通性与物种扩散响应结合起来，这限制了对基础设施压力如何改变多个生态系统组成部分的生态网络完整性的机制性洞察。第三，尽管生态过程跨越了行政边界，但在UA范围内的实证证据仍然稀缺。因此，现有研究对道路扩张的累积、跨城市生态影响了解有限，特别是在协调但异质的城市发展模式下，对生态网络连续性的新兴风险了解不足。
为了解决这些空白，本研究调查了道路等级如何影响不同组织层次（斑块、走廊、网络）的生态连通性，以长沙-株洲-湘潭城市聚集区作为一个快速城市化的代表性地区。采用了一个多层次的分析框架来阐明规模在生态对道路发展响应中的作用。生态网络的组织层次作为核心分析尺度，使用物种扩散阈值（10、20、30公里）作为生态敏感性参数来表征尺度依赖性的连通性响应。通过整合MSPA、基于图的指标和基于阻力的建模，我们量化了在不同道路发展情景和扩散能力下的连通性变化。
本研究通过以下方式为生态网络和基础设施规划文献做出了贡献：（1）建立了一个将道路类别与斑块级、走廊级和网络级连通性响应联系起来的层次框架；（2）将扩散敏感性分析与多层次网络评估相结合，揭示了尺度依赖性的破碎机制；（3）为快速发展的UA中的生态-交通协调提供了可操作的指导。这些发现支持了区域生态网络的优化，并有助于制定与生物多样性保护和韧性绿色基础设施相一致的规划策略。
方法框架
为了评估道路等级对城市聚集区生态连通性的尺度依赖性影响，我们开发了一个综合方法框架，结合了多情景模拟、基于阻力的生态网络建模和分层连通性评估（图1）。该框架基于景观连通性理论和最低成本路径原则，引入了两项方法论进展：（1）将道路等级建模为连续的阻力表面，以捕捉
斑块连通性的影响
在单因素情景下，所有斑块中delta概率连通性（∑dPC）值的总和在六个道路等级情景（A1至A6）之间表现出显著差异，反映了它们对景观连通性的不同影响（图5a）。在短距离扩散情况下，情景A2相对于基准情景A1，∑dPC下降了4.72%，表明生态连通性显著降低。相比之下，情景A5
尺度依赖性的连通性损失及其潜在机制
以往的研究主要集中在城市或县级景观上，这些景观中的道路网络和生态模式相对简单（Ji等人，2021；Mo等人，2017）。这些研究通常使用二元存在-缺失模型简化道路效应，并经常忽略道路等级和累积的网络扩张（Hu等人，2016；Mauri等人，2022）。相比之下，我们的研究考察了多个道路等级对组织尺度（斑块、走廊和生态）的长期影响
结论
本研究提供了一个综合框架，通过同时考虑道路等级、物种扩散能力和多情景阻力建模，来评估道路系统如何重塑生态连通性。得出了三个核心结论：（1）道路等级是组织层面连通性中断的主要驱动因素。高等级道路，特别是铁路和高速公路，形成了实质性的障碍，中断了走廊并削弱了整个网络的凝聚力。
作者贡献声明
李秀全：撰写——原始草稿，可视化，方法论，概念化。李金毅：可视化，验证，方法论，概念化。马斌斌：撰写——审稿与编辑，可视化，监督，方法论。唐忠刚：撰写——审稿与编辑。张东水：撰写——审稿与编辑。李超奎：撰写——审稿与编辑。田秦：撰写——审稿与编辑。杨晨：撰写——审稿与编辑。严英伟：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了湖南地理信息安全与应用工程研究中心的开放项目（项目编号：HNGISA2025006）、湖南科技大学的研究基金（项目编号：E52386）、自然资源部城市土地资源监测与模拟重点实验室的开放基金（项目编号：KF-023-08-09）、湖南省自然科学基金（项目编号：2024JJ5147）以及湖南省的重点项目的资助
