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跨尺度评估框架揭示武汉道路网络扩张导致生态连通性下降12.36%-8.42%，高强度干扰区面积扩大65.38%，提出生态优化路径。
罗佳怡|李金海|孔学松|林菲菲
武汉大学资源与环境科学学院，中国武汉珞喻路129号，430079
摘要
尽管城市道路基础设施的扩张是经济增长的关键驱动力，但它也带来了严重的生态扰动，如景观破碎化、物种迁移受阻以及栖息地退化。在满足城市社会经济需求的同时平衡道路网络发展与生态网络保护，是实现可持续城市化的关键挑战。本研究开发了一个跨尺度评估框架，用于评估道路网络在区域和地方层面引起的生态扰动。以中国武汉为例，我们通过三个维度分析了2014年至2022年间道路网络与生态网络之间的时空动态：道路网络扩张模式、生态网络稳定性评估以及跨尺度关联。在区域尺度上，道路网络的扩张使生态网络的连通度降低了12.36%，连通性程度降低了8.71%，连通性比率降低了8.42%，从而削弱了整个生态系统的稳定性。生态扰动显著加剧，表现为总体扰动强度增加了60%，高扰动区域的空间范围扩大了65.38%。我们的分析表明，局部道路压力系统性地破坏了区域尺度的生态连通性。基于这些发现，我们提出了一条多层次的生态优化路径，以支持武汉的生态保护规划。这项研究加深了对道路-生态网络相互作用的理解，并为快速城市化的地区的可持续空间规划提供了政策相关见解。
引言
全球城市化进程伴随着道路网络（RN）的迅速扩张。到2050年，全球道路网络预计将增加2500万公里，相对于2010年的总长度增长了近60%（Laurance等人，2014年）。虽然道路网络对区域经济发展至关重要（He等人，2025年），但它们对自然景观和生态系统产生了深远而多方面的影响（Pan等人，2024年；Zheng等人，2025年）。这些与道路网络相关的生态影响是广泛的（Coffin，2007年），包括栖息地丧失和侵占（Yue等人，2024年）、景观破碎化（Liu等人，2019年）、野生动物与车辆碰撞的风险（Grilo等人，2020年）、噪音和光污染（Qin等人，2024年）、入侵物种的传播（Dai等人，2025年）以及水文条件的改变（Xu等人，2024年，Xu等人，2024年）。总体而言，道路影响了地球约20%的陆地表面（Ibisch等人，2016年）。鉴于道路网络扩张的持续速度，这些不利影响预计将加剧，导致更加严重的生态后果。
中国前所未有的城市化进程加剧了快速扩张的道路网络与生态可持续性之间的紧张关系。从1978年到2021年，全国道路总长度从89万公里激增至528万公里（Jin & Chen，2023年）。这一大规模的基础设施发展已经对生态系统造成了严重破坏，主要表现为栖息地丧失、景观破碎化以及对野生动物生存的威胁加剧（Li等人，2010年；Wang等人，2022年）。这些影响在生态脆弱的自然保护区尤为严重（Li等人，2024年）。在这种背景下，中国的《交通基础设施五年行动计划》（2023年至2027年）提倡进一步加密道路网络和加速国际交通枢纽的发展，可能会进一步加剧现有的环境压力。
道路发展从根本上重塑了人类与生态系统的互动，主要通过提高空间可达性（Ren等人，2022年）。通过减少偏远地区的障碍，道路促进了经济活动，但同时也加剧了人与环境的冲突。更直接的是，它们成为定居点扩张和土地利用向自然生态系统转变的通道，尤其是在野生地与城市交界处（Kuklina等人，2023年）。这种基础设施与自然植被的交织破坏了栖息地，增加了边缘效应，提高了生态脆弱性（Wells等人，2020年）——这种关系在道路与野火风险增加的空间耦合中得到了体现（Kuklina等人，2021年）。值得注意的是，道路引起的生态影响的时间滞后效应常常被忽视（Miao等人，2019年）。生态系统对景观破碎化的响应并不立即显现，而是随着时间的推移通过累积效应逐渐显现——这种时间上的脱节经常导致对生态后果的低估。因此，尽管道路网络具有社会经济价值，但它们对生态系统产生了净负面影响，其中不利影响始终超过潜在的好处。
道路引起的生态扰动发生在不同的空间尺度上，这对全面评估构成了挑战（Wei等人，2022年）。在地方尺度上，道路网络通过土地转换直接减少了生态斑块的面积（Geneletti，2003年；Mann等人，2019年），并将栖息地分割成更小、孤立的单元，同时通过边缘效应和污染扩散破坏了相邻的生态系统（Coffin，2007年；Zou等人，2022年）。在更广泛的区域尺度上，由道路基础设施引起的累积破碎化降低了景观连通性，阻碍了物种迁移和物质流动（Karlson & Mortberg，2015年；Llausàs & Nogué，2012年）。尽管认识到这些多尺度影响，研究往往仍局限于特定的分析尺度内。对于宏观尺度的连通性损失，基于图论的网络分析已成为标准的定量工具（Zhao等人，2019年）。然而，在地方尺度上，现有的评估主要依赖于基于离散“斑块马赛克模型”的传统景观指标（Frazier & Kedron，2017b）。虽然这些离散方法对于结构分析有效，但可能忽略了生态扰动在空间上的连续性和梯度性。因此，越来越多的人呼吁整合“梯度表面模型”以更好地捕捉这种连续性（Frazier & Kedron，2017a）。另一个限制是普遍依赖单一维度指标，这些指标往往不足以全面描述生态扰动的复杂性（Chang等人，2022年）。
当前关于道路网络生态影响的研究存在两个关键限制。首先，研究大多按空间尺度划分，要么关注区域连通性损失，要么孤立地关注地方斑块的变化。这种划分忽视了大规模破碎化和地方栖息地退化共同驱动生态扰动的跨尺度相互作用，突显了需要一个综合的、跨尺度的评估框架。其次，现有的评估指标缺乏系统地捕捉道路如何破坏生态网络的过程的能力。道路影响通过结构破碎化、功能衰退和栖息地质量下降表现出来，其强度通常随距离线性衰减。虽然最近的复合指数试图纳入道路效应区和破碎化程度（Freudenberger等人，2013年），但它们往往未能考虑栖息地的内在特征——特别是栖息地质量，这是物种持续存在的关键因素（Marlianingrum等人，2021年）。对生态扰动的更完整描述应该整合栖息地结构、破碎化程度和栖息地质量，以反映生态脆弱性。这种脆弱性，加上道路引起的压力强度——后者随距离和道路分类而变化——决定了总体生态扰动（Wei等人，2022年；Zhang等人，2024年）。因此，全面评估需要从跨尺度的角度量化生态脆弱性与道路网络压力之间的相互作用。
基于跟踪生态网络（ENs）时空变化的框架（Kubacka等人，2025年），本文提出了一种新的复合指标：道路网络局部生态扰动指数（RLDI）。RLDI将道路效应区的概念与三个关键影响维度相结合：生态斑块密度、破碎化程度和栖息地质量。本研究旨在回答三个关键问题：（1）道路网络与生态网络相互作用的时空动态是什么？（2）如何开发一个综合指标来量化这些多维度的生态扰动？（3）生态扰动分析提出了哪些生态保护的空间优化策略？
研究区域
武汉是湖北省的首府，位于江汉平原东部，长江中游（图1）。该市面积为8569.15平方公里，由长江和汉江划分为13个行政区。武汉自然资源丰富，水体面积约占总面积的25%，森林覆盖率达到了14.69%。近年来，武汉经历了快速的经济增长。到2022年，其城市化率已达到
方法
本研究采用了一个跨尺度的分析框架，系统地评估道路引起的生态扰动（图2）。该框架包括四个集成模块：（1）道路演变分析。使用加权核密度估计方法分析道路网络的时空演变特征。根据道路等级划定道路影响区，为后续分析提供基础。（2）多尺度扰动评估。在区域尺度上，
道路网络的演变
2014年至2022年间，武汉的道路网络大幅扩张，所有功能类别的道路总长度都有所增加（图3）。高速公路增加了218.17公里，达到799.31公里，特别是沿内环路走廊的连通性得到了显著提升。主干道的相对增长最为明显，增加了413.63公里——几乎是初始长度的1.5倍。
道路网络在区域和地方尺度上的生态影响
理解道路网络对生态空间的影响机制和强度对于建立生态安全模式至关重要。虽然以往的研究主要关注景观尺度的连通性指标或局部边缘效应（Wei等人，2010年），但很少有研究开发出综合的跨尺度框架来分析道路引起的生态扰动。本研究揭示了道路网络影响的显著尺度依赖性异质性：在2014年至2022年间，生态
结论
本研究开发并应用了一个新的跨尺度分析框架，研究了2014年至2022年中国武汉地区道路网络与生态网络相互作用的动态。该研究有三个主要贡献：首先，它通过一个将区域尺度结构连通性分析与地方尺度扰动量化系统联系起来的框架，推进了方法论的整合。其次，它提供了尺度依赖性生态响应的实证证据，展示了
CRediT作者贡献声明
罗佳怡：撰写——原始草稿，可视化，方法论，正式分析，数据整理。李金海：方法论，正式分析。孔学松：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念化。林菲菲：可视化，监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42571248，42171414）的支持。
