海南热带雨林中道路基础设施如何影响生态连通性？

文章来源

作者单位：海南大学生态学院，海南大学热带农林学院，不列颠哥伦比亚大学林学院，北京山水自然保护中心

出版期刊：Transportation Research Part D: Transport and Environment

影响因子：IF₂₀₂₃=7.4

中科院分区（2023）：1区

出版时间：2024.12.16

DOI：https://doi.org/10.1016/j.trd.2024.104539

研究背景

在过去的几十年里，各国对交通基础设施的大量投资，全球道路网络迅速扩大。这一趋势对生态系统带来了严峻挑战，如野生动物路杀、栖息地破碎化及生态廊道阻断，尤其在生物多样性丰富的地区影响尤为显著。道路的物理特征（如照明、边缘植被）和交通流量（如车速、车流量）都会影响动物的活动模式，不同物种对道路的适应能力也存在差异。目前，关于道路基础设施如何影响生态廊道的研究仍然有限。传统的最小成本路径（LCP）模型在评估景观连通性方面存在不足，而基于图论和电路理论的方法可以更精准地模拟物种迁徙过程，为生态保护提供更科学的决策依据。

本研究通过模拟野生动物廊道，分析不同扩散能力物种对道路的响应模式，为优化海南热带雨林的生态保护提供科学依据。

研究范围

研究区位于海南岛中部热带雨林地区（图1.a）,地理特征独特，生态系统多样。研究范围——海南热带雨林区域的划定综合考虑了植被分布、地形特征和高分辨率遥感数据（图1.b）。该区域内共有31个自然保护区，总面积5303.54平方千米，占全岛陆地自然保护区的96.7%。其中，海南热带雨林国家公园是面积最大的核心保护区，周边还分布着甘什岭、大田和万宁低地雨林等重要保护地。

图1. （a）研究区域的位置;（b）保护区和道路基础设施的分布。

研究方法

本研究综合运用多情景分析、基于图论——电路理论的生态网络建模和景观连通性评估方法，以构建海南热带雨林地区的野生动物廊道，并量化不同类型道路基础设施对生境连通性的影响。

• 核心生态斑块识别：基于保护区核心区域的数据，结合森林分布、植被覆盖度（NDVI）等生态指标，运用GIS空间分析方法筛选出56个核心生态斑块。

• 阻力面构建：选取10个生态因子（如土地利用类型、坡度、海拔、NDVI、道路和水体距离等）构建阻力面，赋值方式参考文献和专家意见，并通过多因子加权方法生成综合阻力面。

• 多情景分析：设计五种道路情景（S1-S5），逐步引入不同等级的道路，评估道路对生境连通性的影响，并根据不同距离缓冲区调整阻力值（图2）。

图2. 具有不同道路等级的场景。

• 廊道构建：利用Linkage Mapper工具，基于最小成本路径（LCP）和阻力面数据，模拟四类虚拟物种的生态廊道，并构建生态网络。

• 连通性评估：构建一个多级评估体系，采用Graphab 2.8计算PC、BC、dPC等指数评估生态网络的整体连通性、关键斑块作用及廊道质量，同时结合电路理论（Circuitscape）分析关键廊道的重要性，识别连通性最高的核心通道。

  

主要结论

不同道路基础设施对整体景观连通性的影响

在S1到S5情景中，所有物种的连通性概率（PC）随扩散距离的变化都显著减小（图3）。结合图3我们可以发现，与具有短距离传播能力（5 km）的物种相比，高速公路对具有中长距离传播能力（1 km）的物种的影响更为明显。在S3-S2情景中，PC下降率从0.01%到0.09%不等，这表明国道对物种扩散的影响最小。

图3. 不同场景（S1-S5）的连接概率（PC）。

不同道路基础设施对斑块尺度景观连通性的影响

从情景S1到S5，总体斑块重要性指数（ΣdPC）和斑块中介中心性指数（ΣBC）通常随着物种扩散距离的增加而增加（图4）。

图4. 总体补丁重要性指数（ΣdPC）和补丁中介中心性指数（ΣBC）在情景（S1-S5）和分散距离（1k、5k、10k、15k）中的变化。

单个斑块的连接在不同的扩散距离下有着显著差异（图5）。一般来说，大多数路段的dPC值较低，集中在0到0.1之间，只有少数路段在特定道路等级的影响下会表现出较高的dPC值。斑块的BC值与物种扩散距离呈正相关。大多数斑块的BC值较低，集中在一个小范围内。然而，少数斑块BC值显著较高，并在景观连通性中发挥关键的中介作用。随着扩散距离的增加，物种可以更频繁地使用垫脚石斑块。在较短的传播距离（1 km）处，单个斑块BC值显示出最小的变化，并且主要受高速公路和省级道路的影响。

图5. 不同扩散距离（1公里、5公里、10公里、15公里）的单个斑块的斑块重要性指数（dPC） 和斑块中介中心性指数（BC）值。

景观组分分析表明，随着物种扩散距离的增加，景观组分的数量逐渐减少，。对于扩散能力较弱的物种（扩散距离1 km），其活动范围受到道路破碎化的限制，导致景观被分割成多个独立的组分。对于不同的虚拟物种而言，当扩散距离达到10 km或15 km时，生态斑块之间的连通性在研究区域内基本能够得到保证。然而，在道路破碎化较严重的情境下（10 km扩散距离下的S4-S5情景），部分生态斑块仍可能因道路阻隔而失去连通性，进而形成多个独立的景观组分。

图6. 基于GRAPH跨情景（S1-S5）和扩散距离（1km、5km、10km、15km）的关键斑块识别和景观成分分析。

不同道路基础设施对廊道连通性的影响

随着扩散距离的增加，总长度、总阻力、廊道质量和廊道冗余度均增加（图7）。从情景S1到S5，廊道的总长度和连接数减少，而总阻力增加，廊道之间的连接质量总体上得到了提高。

图7. 不同情景（S1-S5）和分散距离（1k、5k、10k、15k）的廊道连通性指标的变化。

在廊道层面，不同的道路类型对生态廊道的形成有显著影响（图8）。具有中低传播能力（1公里、5公里）的物种的主要走廊主要位于热带雨林国家公园及其周边地区的低地雨林中。对于具有中高扩散能力（10 km、15 km）的物种，关键廊道主要分布在霸王岭、毛瑞、吊罗山和尖峰岭等大型关键生境斑块附近。

图8. 不同情景下关键生态廊道的空间分布和扩散距离（1km、5km、10km、15km）。

讨论

• 道路基础设施建设是全球生物多样性热点地区面临的重要挑战。本研究通过多情景分析，揭示了不同道路类型对野生动物廊道的影响，并强调了生态连通性保护的重要性。

• 首先，高速公路因其宽度和高流量交通，对生态连通性的阻隔作用最强，尤其显著影响短距离（1 km）和中等距离（5 km）扩散物种的生境连通性和廊道功能。

• 其次，省道和乡村道路虽宽度较小、流量较低，但因其高密度和网络化分布，依然对生态连通性造成较大影响，特别是对中等扩散距离物种的影响不容忽视。这表明，即使是较低等级的道路，也可能通过累积效应加剧生境破碎化，导致物种资源获取受限。短距离扩散物种，如一些严格的树栖动物、以及受微环境影响较大的物种，因其活动范围有限，更容易受到生境破碎的影响。

• 在斑块尺度上，与短距离扩散物种相比，长距离扩散物种表现出了更强的对景观破碎化的适应性，在理论上长距离扩散物种对景观破碎化具有更强的适应能力，能够利用“踏脚石”栖息地进行迁移。然而，现实情况表明，栖息地的进一步破碎化、道路风险（如路杀）、以及人为干扰，使得其生存状况依然严峻。

• 为了更好地平衡基础设施建设与生态保护，应在关键廊道交汇处设立生态缓冲区，并建设跨越通道（如树冠桥、地下通道和绿色立交桥），减少道路对野生动物迁徙的影响。同时，加强保护区之间的连通性，确保关键物种的栖息地不被割裂。

• 未来研究应加强实地调研数据的收集，进一步优化物种扩散与生态廊道模型，为海南热带雨林的生态保护提供更加精准的科学依据。