基于分形理論的路域生態系統恢復研究初探

謝昧思，趙 塵

(南京林業大學土木工程學院，南京210037)

在道路工程建設結束后，需要對被擾動的生態系統進行恢復。而目前這種恢復活動主要以人工綠化為主，過于均勻性和規則化，進而易導致生態系統脆弱、外來物種入侵等情況的發生。

生態系統的穩定與否，在一定程度上與生態異質性情況有關，而分形理論又是量化考核生態異質性程度的有效手段之一。在景觀生態學領域中，應用分形維度指標來定量研究植被異質性情況已具備一定基礎。以此為借鑒，在道路兩側路域的小生境生態系統中，引用分形維數作為指標，量化考核路域景觀生態系統的異質性情況，評價生態系統的穩定性，進而指導綠化植被種植模式、優化路域景觀就具有一定的可行性。

1 分形理論簡介及應用

分形［1］(Fractal)一般是指一個粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成若干部分，且每一部分都(至少是大致)是整體縮小尺寸的形狀。分形體最主要的特征之一即為自相似性——物體局部放大與整體相似的特征。該特性因與尺度無關而成為分形幾何學與歐氏幾何學的主要區別，被稱為分形體的本質特征。而分形理論是以非規則幾何形態物體為研究對象，用非整數維即分數維度來描述這種具有自相似特征的理論。

植被在空間上的分布是典型的分維數體，它在空間所有尺度上都有細節，而分形維數就成為其結構復雜度描述工具，揭示其不同尺度上的異質性的特征。

2 分形理論的相關研究進展

分形幾何誕生至今不過40a，但它對多門科學的影響是巨大的。在描述和評價具有層次連續性、不規則性或隨機性等特征的線性方面具有很強大的功能，現已應用到各行各業中。

2.1 分形理論在土木工程中的研究進展

在土木工程的道路工程、巖土工程等方面的研究中，分形理論已作為聯系微觀結構與宏觀路用性能之間的橋梁。借助分形維度指標既可以定量判別路面抗滑性能［2］等宏觀性能，也可以描述軟土加固［3］等過程中的微觀變化情況。但是由于土木工程中的設計、施工指標都需要依靠長期的實踐總結作為依據，因此分形維數的統一指標尚未建立起來，需要進一步的研究和論證，尤其需要權威機構部門的指導性研究與驗證。

2.2 分形理論在規劃中的研究進展

在規劃方面，分形可以在宏觀層面對具有分形特征的路網、用地規劃等研究對象進行研究，較好地擬合城市道路網［4］，統籌配置道路與交叉口［5］，對不同地貌地區的城市化進程［6］、土地利用［7］及區域發展［8］進行特征分析，尋求內在變化規律。隨著計算機軟件的應用，規劃方面的研究也越來越多地借助地理信息系統技術，使研究更加快速便利。同時，由于地理信息系統自身的優勢度和可信度，分形理論在此方面的研究就具備了一定的應用前景和發展規模，并將越來越多的應用到實際的規劃案例中。

2.3 分形理論在地理信息系統中的研究進展

分形自創立開始，就是以海岸線等典型分形體作為研究對象，探討宏觀長度與測量尺度之間的關系。借助地理信息系統這一有效手段，專家學者們可 以 對 水 系［9］、 水 質［10］、 海 岸 線［11］、 地 質 災害［12］等分形體的多方面進行分析研究，并且深化了尺度效應［13－14］對地理信息系統影響的研究，分形理論的研究已經步入新的發展高度，有了更為廣闊的平臺，并開始了更加深刻和細致的研究。

2.4 分形理論在景觀生態學中的研究進展

在景觀生態學中，分形理論已經成為空間異質性、植被恢復、景觀、土壤等不同方面試驗和分析的重要手段，而結合尺度效應分析也成為景觀生態學中的熱點。

在空間異質性分形分析方面，王政權［15］系統地介紹了變異函數的結構分析等空間異質性的基本理論和方法，首次在植被空間異質性中引入分維數指標;James H.Brown［16］等人通過數據表明在生物多樣性中存在分形特征，并可進一步推廣到普遍的生態系統中;陳玉福［17］、辛曉平［18］、杜華強［19］等人分別通過變異矩半方差法、盒維數法(網格法)等不同方法對各類植被的異質性特征進行分析，得到了荒漠化程度、空間結構特征、物種構成等分形特征的量化結果。

在景觀斑塊分形分析方面，James R.Miller［20］等人通過對林區道路和景觀結構進行分析，得到林分分維數與林區道路密度分維數之間具有極顯著的正相關性的結論;Y.C.Cheng［21］、劉燦然［22］等人分別通過借助數字地面模型 (DTM)、RS、GIS等技術手段，采用三維盒子技術法、形狀指數分維數法等方法，對我國臺灣島、北京等地區的景觀植被斑塊的分形維度進行測算，并確定了尺度域和尺度效應。

在土壤分形分析方面，安韶山［23］、劉愛霞［24］等人分別通過研究黃土丘陵區草原帶、關中平原公路路堤邊坡樣地的土壤團聚體的分形特征及其對植被恢復的響應，得到植被恢復可降低土壤分維數、改善土壤結構的結論。

在分形分析的尺度特征研究方面，申衛軍［25－26］、柳錦寶［27］等人分別研究不同尺度范圍的分維數等指數變化情況，指出了尺度效應圖、尺度轉換等問題的重要性;Jennifer Moody － Weis［28］等人通過對公路兩旁兩種植物進行調查，首次提出了在大尺度上應用動態進程是在進行物種入侵和滅絕研究中收集精細尺度數據的有效方法。

在景觀生態學中，分形指數可以采用不同方法——如形狀指數、網格數、變異函數等方法進行計算，也可通過不同方式——地理信息系統和實地調研等方式進行獲取。而正是由于這種多樣性，使得分形維度指標在景觀生態學中沒有一個統一的標準，不同方法方式得到的結果之間也不存在換算關系，無法規范相關實驗研究。在今后的研究中，分形維度指標的比較分析和最終統一將是景觀生態學中分形理論發展的一個重要方向。而這也需要數學中分形和生態學中異質性兩方面的專家學者共同努力完成。

3 道路綠化現狀

目前國內外的道路綠化的研究內容主要在于植被恢復技術［29］、護坡機理［30］、植物配置［31］及各城市綠化現狀分析［32］等，對于路域植被群落的生態恢復研究并不多見［33］。雖然越來越多的學者認識到人工干預是輔助生態系統恢復的重要手段，但是如何快速量化考核路域生態系統恢復程度、推廣優質持久的恢復形式卻并沒有行之有效的辦法。

我國關于道路路域的生態恢復研究尚處于起步階段，對于一些新的理念的研究應用［34，35］也多以探討為主，并沒有進行深入量化研究，對植被生態系統的恢復認識也較為短淺，過多追求短期利益。雖然我國的路域植被恢復工作在工程結束后的短期內，都能暫時維持較為良好的效果，但是由于自然或人為的因素，路域生態系統不穩定，很難發揮長遠的生態效益［36－37］。因此，建立長期的植被恢復監管和評價機制迫在眉睫。

4 分形理論應用于路域生態系統恢復的發展趨勢

通過綜述分形理論在土木工程、規劃、景觀生態學以及地理信息系統中的研究進展，可以發現分形理論在相關學科中的應用已有一定規模，分形維數指標可以較好地聯系微觀結構與宏觀性能并量化評價兩者之間的關系。然而，在路域生態系統恢復方面，分形理論的應用尚不多見。至于分形維度在評價路域生態系統恢復情況的適用性、指標與方法、尺度轉換以及對今后的恢復工程指導管理等方面的研究更為空白。

在道路路域的生態系統恢復研究中，目前較多的研究著眼于景觀綠化，注重于植被恢復技術與管理模式，對于一些新理念的借鑒引入也不深入。同時，我國的道路路域植被恢復絕大多數是從綠化著手的，決策者極易受到短期利益的驅使，只追求短期的表面效果，而對于植被是否能夠進行長期的自我演替，形成自我維持的生態系統并不深究。這種速效的假象經常會導致長遠的生態危機，盲目引種速生植物也會加大人工維護的難度和費用，甚至引發物種入侵、帶來嚴重的生態災難。

通過借鑒分形理論在相關學科中的應用，希望可以發揮分形理論在描述不同尺度異質性的量化優勢，應用于道路路域小生境生態系統恢復的建設上。進而建立評價體系，填補道路路域生態系統恢復量化考核方面的空白，推動優質高效持久的路域植被生態系統恢復模式模型的推廣，優化道路質量，美化道路形式。讓短期的單純綠化逐漸轉變為長期的生態效益、社會效益、美學效益。

在得到一定的成果之后，將分形理論進一步推廣，應用到路域范圍中植被、地形、水、建筑(如橋梁、隧道)以及服務區等地貌的合理配置與規劃方面上，將工程中的破壞減小到最少，最大限度地貼近自然，回歸自然。使工程與自然融合，給后人留下具有長遠意義的生態公路。

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