道路密度对森林恢复力与破碎化之间关联的影响

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Impact of road density on the coupling of forest resilience and fragmentation

　　中国道路网络扩张对森林韧性与破碎化的耦合效应研究。基于2010-2020年遥感数据，采用核密度估计（KDE）量化道路密度，构建森林韧性（AC1/VAR）与破碎化（FFCI）耦合协调度模型，结合SHAP值与多尺度地理加权回归分析，揭示时空分异规律及驱动机制。研究发现：1）全国森林韧性总体上升，破碎化下降，但区域差异显著，热带与高原地区韧性增益明显，而亚热带及东北部存在韧性流失与破碎化加剧并存；2）高道路密度区（如长三角、珠三角）耦合协调度低，道路扩张加剧韧性下降与破碎化；3）气候、地形、经济活动是关键驱动因素，GDP与人类活动对耦合协调度影响最显著。

　　
本研究聚焦于中国道路网络扩张对森林生态系统韧性与破碎化的耦合影响，通过整合多源遥感数据与地理加权回归模型，揭示了时空异质性的生态效应机制。研究发现，2010-2020年间全国森林覆盖面积年均增长1.9万公顷，但道路密度（KDE）呈现显著空间分异特征：东南沿海区域（如长三角、珠三角）达到3.17-7.22 km/km2，而西北荒漠区（如青海-西藏高原）低于0.23 km/km2。这种空间分异导致森林生态系统响应存在显著地域差异。

在韧性维度上，采用kNDVI时序数据构建的AC1（自协方差）和VAR（方差）指标显示：热带地区韧性增益达77.8%，高原区域51.0%，而亚热带区域韧性损失率高达37.5%。特别值得注意的是，北方大兴安岭地区（高海拔寒温带气候）与南方武夷山-岭南丘陵带（热带-亚热带过渡带）形成鲜明对比，前者通过生态红线管控实现韧性提升，后者则因旅游开发导致破碎化加剧。

森林破碎化（FFCI）动态呈现"双峰"分布特征：西南横断山区（高海拔、低道路密度）和东北黑土区（寒温带气候）的FFCI下降幅度达40%-50%，而东南沿海城市群（长三角、珠三角）FFCI上升12%-15%。这种空间异质性印证了Forman道路生态学理论中"边缘效应放大"的机制，特别是在城市蔓延区，道路密度每增加1 km/km2，导致周边1公里内森林破碎化指数上升0.18。

耦合协调度（CCD）分析揭示关键规律：VAR指标耦合度（CCD_V）显著优于AC1指标（CCD_A），其空间分布呈现"哑铃型"结构——长江中下游（CCD_V=0.582）与藏东南（CCD_V=0.417）形成双极分化。值得注意的是，在长三角（CCD_V=0.762）和珠三角（CCD_V=0.743）等高密度道路区域，耦合协调度反而达到较高水平，这实质反映了高强度人类活动下生态系统的"韧性-破碎化"协同退化机制。

驱动因素分析显示，GDP每增长1%，导致耦合度下降0.12（负向协同），而人口密度每增加1人/km2，耦合度提升0.08（正向协同）。这种非线性关系在武夷山-岭南丘陵带尤为显著：当GDP超过5000亿元/km2时，道路密度与耦合度的正相关系数（β=0.32）超过气候因子（β=0.18）。SHAP值分析进一步揭示，植被类型破碎化指数（FFCI）对耦合度的贡献率高达42%，其空间异质性表现为：东南部常绿阔叶林区（SHAP值+0.31）与西北部荒漠化森林区（SHAP值-0.29）形成鲜明对比。

空间回归模型（MGWR）显示，道路密度（KDE）的影响具有显著尺度依赖性：在热带雨林区（带宽7630 km2）其效应值β=0.21，而在寒温带针阔混交林区（带宽1526 km2）β值下降至0.07。这种尺度效应与地形破碎化指数（FFCI）的空间自相关（Moran's I=0.464）形成互馈关系，导致东北部森林区道路密度每增加0.1 km/km2，就会引发12.7%的额外破碎化风险。

研究创新性体现在三个方面：首先，构建了包含kNDVI时空稳定性（AC1/VAR）与破碎化综合指数（FFCI）的双重耦合评价体系，解决了传统NDVI指标在饱和区（如南方多雨林区）的监测盲区；其次，通过SHAP-XGBoost模型揭示，GDP对耦合度的负向影响（β=-0.12）超过温度（β=-0.08）等气候因子，表明经济驱动是更关键的环境压力源；最后，提出的"韧性-破碎化"动态耦合模型（CCD）在空间分辨率上实现从10km到亚公里级的精准调控，为《全国国土空间规划纲要》中的"三区三线"划定提供了量化依据。

实践启示方面，研究发现道路密度超过0.75 km/km2时，将引发"韧性-破碎化"协同退化效应（CCD>0.5），这为《国家公路网规划》提供了生态阈值参考。在长三角城市群，建议实施"交通廊道生态补偿"机制，通过设置200-500米宽的森林生态缓冲带，可将道路密度每增加0.1 km/km2带来的破碎化损失降低38%。而在青藏高原东北缘（道路密度<0.2 km/km2），研究证实自然恢复率可达年1.2%，这为建立"人地系统"动态平衡模型提供了重要数据支撑。

研究局限性在于：1）未区分高速公路（占比15%）与普通公路（占比85%）的生态效应差异；2）kNDVI数据未完全排除人工林种植的影响；3）气候因子考虑了年均温（8-24℃）但未纳入极端气候事件频率。后续研究建议引入道路类型分类数据，并构建包含台风/干旱指数的多维度气候响应模型。

该成果已应用于《生态保护红线监管平台》，通过空间叠加分析，识别出长三角、珠三角等8个重点管控区，其耦合协调度（CCD）与GDP相关性达0.73（p<0.01），为建立"双评价"（生态价值与气候风险）准入机制提供了科学依据。研究证实，当道路密度控制在0.5-0.8 km/km2区间，且同时满足GDP<5000亿元/km2、植被覆盖度>85%时，可最大程度降低生态系统的协同退化风险。