“全球变化与陆地生态系统”专栏

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Land 编委鉴赏

在当前城市气候风险不断加剧的研究背景下，本文从“热环境”这一往往被忽视却高度关键的维度切入城市生态连通性问题，具有鲜明的方法创新性和学科交叉价值。文章并未停留在传统土地利用或绿地网络分析层面，而是将地表热格局视为影响物种移动与生存的核心生态约束，这一视角对拓展景观生态学和城市生态学的研究边界具有重要启发意义。更为重要的是，该研究为未来从“降温基础设施”“热友好型城市设计”等方向开展实证与应用研究奠定了方法论基础，对干旱与高温城市的可持续规划具有长期参考价值。

• 文章导读

在全球气候变暖与城市化快速推进的背景下，城市热环境正深刻重塑生物生存与生态过程，尤其对本就处于高温胁迫下的沙漠城市影响尤为显著。传统生态连通性研究多关注土地利用与绿地格局，却较少从温度这一直接作用于生物生理与行为的关键因子出发。本文立足“热景观”视角，探讨城市中冷凉斑块作为“热避难所”的空间格局及其连通性演变，回应了“在持续升温的城市环境中，生态系统如何维持基本功能”的重要科学问题，对深化城市生态韧性与气候适应研究具有现实与前瞻意义。

• 研究材料与方法

本研究以美国亚利桑那州菲尼克斯都市区为研究区域。该区域位于典型沙漠气候带，夏季高温极端显著，城市扩张速度快，是全球研究城市热环境与生态适应问题的重要案例区。研究区内部土地利用类型复杂，涵盖建成区、农业用地、绿地及自然荒漠斑块，为分析热环境变化及其生态效应提供了理想的空间基础。

研究数据主要来源于多时相遥感资料。作者利用1985—2020年间的Landsat系列影像反演地表温度 (LST)，构建长期一致的城市热环境数据集；同时结合土地利用/覆盖数据，对不同类型地表的热特征进行区分。通过时间序列分析，刻画城市热格局在快速城市化过程中的演变趋势。

在方法上，研究将“热避难所”定义为相对周边环境具有显著降温效应的冷凉斑块，并在此基础上引入景观生态学中的连通性理论。作者分别从结构连通性与功能连通性两个层面展开分析：前者侧重热避难所斑块的空间分布与形态特征，后者则借助概率连通性指标，模拟生物在高温景观中通过冷凉斑块进行移动的潜在路径。通过对不同时段连通性指标的对比，评估城市热景观对生态过程的长期影响。

整体理论框架上，研究将城市视为由“热阻力面”与“热避难节点”共同构成的热景观系统，强调温度作为关键环境因子对生态连通性的制约作用，为从热环境视角理解城市生态格局演变提供了方法基础。

• 研究结果与讨论

1.热避难所空间组成与结构变化趋势显著，呈现“高温化、破碎化”特征

研究通过多时间序列的遥感数据分析发现，1985至2020年间，研究区域的地表热环境发生了明显变化。温度高于60℃的区域占比从1985年的零增长至2020年的超过60%，而低于25℃的冷斑块则几乎消失。低于40℃的热避难斑块占景观比例从1985年的显著存在下降至2015年不足1%。这表明热避难空间急剧萎缩，区域“高温化”趋势明显。

结构连通性指标进一步显示，热避难斑块的数量、总边缘长度、平均斑块大小与有效网格大小均呈下降趋势，尤其在45℃以下的温度阈值范围内更为显著。这些变化说明热避难斑块不仅在减少，也在变得更加破碎和孤立，结构连通性持续退化。

图2. 1985年至2020年间四项结构性格局指标的变化：(a) 斑块数量 (个)；(b) 总边缘长度 (米)；(c) 平均斑块大小 (公顷)；(d) 网格大小 (公顷)。这些指标是针对热避难斑块计算的，这些斑块的识别方法是设定从25℃到45℃不等的阈值，并将所有温度低于所选阈值的像元离散化。

2.功能连通性急剧下降，2000年为关键转折点

研究使用“概率连通性指数”(PC) 评估不同扩散距离 (100m、1000m、5000m) 下的热避难网络功能连通性。结果显示，1985至2000年间，所有扩散距离下的PC值均出现急剧下降，其中5000m距离下降最为显著。2000年后，PC值持续维持在接近零的水平，表明热避难斑块之间的功能连通性几乎完全丧失，无法支持物种在热环境中有效迁移。

这一变化与区域土地利用/覆被变化高度相关，尤其是灌溉农业用地的大幅减少。灌溉农业因其蒸散降温效应，曾是热避难斑块的主要来源。农业用地的丧失直接导致热避难网络断裂，进而影响物种的热适应与迁移能力。

图3. 在不同扩散距离 (100m、1000m、5000m) 下，概率连通性指数从1985年到2020年的变化情况。

3.农业用地是核心热避难来源，水资源安全影响深远

通过分析热避难斑块的土地覆被构成，研究发现灌溉农业是1985至2020年间最主要的冷斑块来源，其次是自然植被、土壤/荒漠和水体。然而，随着农业用地逐渐被开发，热避难斑块的总面积持续减少，且斑块重要性最高的区域也多与农业用地重叠。

这一发现揭示，水资源管理政策与农业可持续性直接影响热避难网络的存续。在干旱地区，农业灌溉不仅是粮食生产的基础，也承担着维持区域热环境稳定的生态功能。未来若因气候变化或水资源再分配导致农业用地进一步减少，热避难网络可能面临更严重的瓦解风险，进而威胁本地物种生存。

图4. 在1000m扩散距离下，所有低于40℃的热避难斑块 (外环) 以及其对网络连通性最重要的前10%斑块 (内环) 的土地覆被情况。环的尺寸分别根据各类别斑块的总面积进行缩放。当分隔内核圆与外环的白色环带较窄时 (例如在2015年和2020年)，表明用于连通性的前10%节点占据了所有避难斑块的很大面积比例。

• 研究总结

本研究通过分析美国凤凰城1985-2020年的地表温度与土地利用数据，发现该城市的热避难所面积急剧萎缩、破碎化加剧，其结构与功能连通性持续退化，并在2000年左右出现断崖式下降。研究指出，灌溉农业用地的丧失是导致热避难网络崩溃的关键原因。这一发现警示，在干旱城市，水资源与农业政策直接影响生态安全。未来需通过规划人工遮荫、推广清凉建材与耐旱绿化等措施，主动构建热缓冲空间，以缓解气候变化与城市化对野生动物带来的双重压力。

原文链接：https://www.mdpi.com/2073-445X/14/3/480

• Land  期刊介绍

主编：Christine Fürst, University of Halle, Germany

期刊创刊于2012年，期刊涵盖土地系统科学、地表景观、土壤和水、城乡发展、土地与气候相互作用、水-能源-土地-食物纽带关系 (WELF)、生物多样性研究和健康关系、土地建模和数据处理、生态系统服务以及多功能性等研究，并致力于人类可持续发展。现已被 Scopus、SSCI、AGRICOLA、AGRIS、GeoRef、RePEc 等多个关键数据库收录，5-Year Impact Factor: 3.4 (2024)。

2024 Impact Factor：3.2

2024 CiteScore：5.9

Time to First Decision：17.5 Days

Acceptance to Publication：2.5 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/land