土地利用与气候连通性整合的国家级保护区网络链接框架

《Landscape Ecology》：Integrating land-use and climate connectivity to link protected areas at the country level

　　

专业中文摘要翻译 背景：高生物多样性潜力且在气候变化下保持稳定的生态廊道是长期保护规划的核心。然而，空间优先化框架很少将土地利用阻力与气候稳定性整合为一个统一的方法，限制了其在景观管理和政策中的操作价值。 目标：研究人员旨在开发一种生态连通性框架，共同纳入土地利用阻力和气候稳定性，以绘制保护区间的连接路径，并对关键参数化选择导致的方法学不确定性进行量化和沟通。 方法：研究人员将该框架应用于葡萄牙陆地保护区网络。采用全因子设计，研究人员在多个权重下变化土地利用阻力、气候阻力和扩散能力，以生成优化的连接方案。由这些方案导出的选择频率图被输入第二轮优化，产生集合连通性解和缓冲廊道。 结果：单个解决方案覆盖葡萄牙未保护土地的0.74%；集合解覆盖0.07%，经1 km缓冲后升至2.3%。扩散能力参数化引入的连通性结果不确定性大于土地利用或气候阻力评分，表明其值得在未来研究中特别关注。中北部地区的保护区成为最关键的网络枢纽，在两种阻力梯度下均表现出最高的中心性。集合解突出了跨参数化高度一致的区域，提升了空间优先级的稳健性。 结论：整合土地利用和气候阻力可识别出兼具功能性和气候韧性的廊道。明确映射不确定性并生成集合优先化的连接路径，提高了空间建议的可靠性，为规划者提供了一个将连通性目标嵌入保护与土地管理决策的实用工具。

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一、研究背景与科学问题

在全球范围内，栖息地破碎化和气候变化正以前所未有的速度威胁生物多样性。生态廊道作为连接破碎化栖息地的关键纽带，对于保障物种迁移、基因流动和生态系统韧性至关重要。尽管欧盟《栖息地指令》、《2030年生物多样性战略》等政策已将连通性置于保护核心，但在实际操作层面，如何系统性地识别既满足当前景观渗透性又能在未来气候条件下持续发挥功能的廊道，仍面临严峻挑战。

现有连通性评估方法存在明显局限：基于土地利用的结构连通性虽能反映当前景观阻力，却忽略了气候变迁对廊道长期适宜性的影响；而单纯的气候连通性方法则可能指向人为干扰严重的区域，导致实际不可行。更关键的是，多数研究依赖单一确定性模型输出，未能充分量化因阻力赋值、扩散尺度等参数化选择带来的不确定性，使得空间优先级的可靠性和可辩护性大打折扣。因此，亟需一种能够同时整合土地利用与气候维度、并系统处理不确定性的集成框架，为国家尺度保护区网络的韧性规划提供科学支撑。

二、研究设计与核心发现

针对上述空白，研究人员提出了一种创新性的集成连通性框架，并将其应用于葡萄牙大陆的陆地保护区网络（约占国土面积23%）。该研究的核心发现包括：

1. 1.
   集合解决方案的高效性与稳健性：通过全因子实验生成的297个独立连通性解，仅占未保护土地的0.74%；而最终集合解（经1 km缓冲后）仅占2.3%，却能实现全国保护区网络的完整结构连通。这表明该框架能以极小土地成本维持国家级连通性。
2. 2.
   扩散能力是最大不确定性来源：在土地利用阻力、气候阻力和移动窗口（模拟扩散能力）三个因素中，移动窗口参数化导致的连通性结果变异性最大（仅70%廊道面积显示高一致性），远高于土地利用阻力（78%）和气候阻力（100%）。这意味着未来研究应优先关注扩散能力的实证数据获取。
3. 3.
   中北部保护区为核心枢纽：网络分析表明，葡萄牙中北部地区的保护区在两个阻力梯度下均表现出最高中心性，其连接对整个网络的完整性贡献最大，是优先保护的“无 regrets”节点。
4. 4.
   双维优化效果显著：集合解中的廊道在土地利用阻力和气候阻力两个指标上均显著低于背景矩阵平均值，证明框架成功识别出兼具低人类干扰和高气候韧性的路径，实现了双重目标的平衡。

三、关键技术方法

研究人员采用了以下关键方法：

1. 1.
   多源阻力面构建：基于2018年葡萄牙土地利用图（COS2018）和OpenStreetMap道路数据，结合专家知识将土地利用分为三类阻力情景（值域1-1000）；气候阻力则由地形崎岖指数、大陆度指数和坡向三个标准化图层相乘得到，同样设置三种情景。
2. 2.
   Omniscape电路理论建模：分别对土地利用和气候阻力运行Omniscape软件（基于电路理论的单向连通性模型），采用5 km、20 km、50 km三种移动窗口半径模拟不同扩散能力，获得累积电流图后反转为累积阻力图。
3. 3.
   全因子设计与加权集成：通过3（土地利用阻力）×3（气候阻力）×3（移动窗口）=27种组合，每种组合内再以0.1为步长测试11种土地利用与气候阻力的加权比例（从纯土地利用到纯气候），共生成297个连通性解。
4. 4.
   MulTyLink最小斯坦纳树求解：利用MulTyLink软件（基于贪心随机自适应搜索算法GRASP）将连通性问题转化为最小斯坦纳树问题，识别出连接所有保护区的最优单像素宽路径，随后外扩1 km形成最终廊道，并排除高干扰区域。
5. 5.
   不确定性量化与集合建模：通过计算各因素水平内频率层的相对范围指数（Relative Range Index）和最终解的空间一致性（Concordance，值域1-3），系统量化参数化不确定性；最终将所有解的频率选加后反转为阻力层，再次运行MulTyLink生成集合解。

四、主要研究结果详解

1. 空间范围与频率选择

297个简单解（100 m宽）总面积52,467 ha（占未保护土地0.74%），其中位选择频率仅为9次（四分位距3-28），但高频区域（>200次）形成了连接几乎所有保护区的连续通路。集合简单解仅5,491 ha（0.07%），但其细胞中位选择频率高达168次；经1 km缓冲并排除高干扰区后，最终廊道扩展至162,197 ha（2.3%）。空间格局呈现明显区域分化：中部地区拥有最长廊道和最高密度，南部则以短距离高频率廊道为主。

2. 集合解的阻力特征

与未保护矩阵相比，集合简单解和缓冲解的土地利用阻力与气候阻力均显著降低（图4），验证了框架的双重优化有效性。缓冲解的平均阻力略高于简单解，因为廊道拓宽是通过简单几何缓冲而非进一步优化实现的。

3. 参数敏感性分析

移动窗口参数化导致最高不确定性：仅70%廊道面积在三种尺度下完全一致（一致性=3）。土地利用阻力居中（78%），气候阻力最低（100%）。这表明连通性解对生物物理阻力梯度的鲁棒性优于对分析尺度的依赖性。

4. 单条廊道属性分析

• •
  土地利用阻力：沿海西北部、中西部和南部部分廊道平均阻力最高，阿尔克瓦水库（Alqueva dam）所在的内陆廊道也出现高值，指示局部屏障。
• •
  气候阻力：呈现明显经向梯度——西部沿海最低，向内陆递增，表明气候适宜性从海岸向内陆递减。
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  高干扰密度：集中在西北和中西部沿海，代表廊道质量的潜在退化源。
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  渗流指数：中西部廊道的渗流指数最高，表明这些连接对整体网络完整性的贡献最大。

五、讨论与结论总结

讨论部分核心观点：

1. 1.
   集成框架的必要性：单独考虑土地利用或气候均会导致系统性偏差——前者可能忽视气候不适应性，后者可能导向人为破碎化严重的区域。本研究通过加权线性组合实现了双目标平衡，是一种“无 regrets”的连通性设计策略。
2. 2.
   不确定性意识框架的价值：集合建模将主观假设（阻力值、扩散尺度）的空间后果显式化，使保护管理者能区分“稳健优先项”（跨参数化一致的廊道）与“条件性优先项”（依赖特定参数的廊道）。这种透明度在葡萄牙这类地中海景观中尤为重要——土地碎片化、多部门竞争激烈，保护干预必须具有社会法律上的可辩护性。
3. 3.
   双层优先化框架：结合选择频率（空间可靠性）与网络拓扑指标（廊道重要性），可建立三级分区管理机制：
   • •
     高稳健-高重要：立即严格保护与修复的“无 regrets”核心；
   • •
     高重要-低稳健：需针对性数据采集与有条件管控的区域；
   • •
     高稳健-低重要：提供冗余缓冲的备用连接。
4. 4.
   规划治理启示：建议将连通性目标正式纳入葡萄牙国家生态保护区（REN）的法律框架，使其从单一的生物物理灾害评估扩展到结构性渗透与气候持久性指标，从而将概念性连通性转化为可执行的管理目标。

结论部分翻译：

整合土地利用和气候阻力可识别出兼具功能性和气候韧性的廊道。明确映射不确定性并生成集合优先化的连接路径，提高了空间建议的可靠性，为规划者提供了一个将连通性目标嵌入保护与土地管理决策的实用工具。