道路路網(wǎng)景觀生態(tài)影響研究現(xiàn)狀

關(guān) 磊，崔慧珊，孔亞平，王 云

（交通運輸部科學(xué)研究院交通環(huán)保與安全研究中心，北京 100029）

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)的高速發(fā)展，道路路網(wǎng)由沿海發(fā)達地區(qū)向內(nèi)陸地區(qū)迅速擴張，大大推動了內(nèi)陸地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。然而，對于道路網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)系統(tǒng)的切割、破壞、降級、干擾等生態(tài)影響的重視度不夠。中西部地區(qū)原有的開發(fā)破壞較小，生態(tài)系統(tǒng)保護相對較好，道路建設(shè)和運營會造成動植物分布格局的變化，導(dǎo)致生境破碎，種群密度和物種豐富度下降，生物多樣性降低。同時，由于道路造成的生境破碎化，產(chǎn)生更多的邊緣效應(yīng)和廊道效應(yīng)，對原有自然生態(tài)過程造成干擾，影響到生態(tài)景觀的正常功能。運用景觀生態(tài)學(xué)方法研究道路網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)影響，能夠從較大尺度分析得到路網(wǎng)擴張可能造成的生態(tài)效應(yīng)，對于未來基于可持續(xù)發(fā)展的路網(wǎng)規(guī)劃具有重要的意義。

1 路網(wǎng)對生態(tài)系統(tǒng)影響的研究現(xiàn)狀

道路對周邊生態(tài)環(huán)境的影響主要分為直接影響和間接影響。直接影響主要是指道路路面、路基、邊坡等永久占地的直接侵占，而間接影響主要是指對周邊生態(tài)環(huán)境的干擾、生境降級、生境切割等方面，且其對周邊生境的影響還存在一定的影響范圍。Forman（2000）通過對美國現(xiàn)有路網(wǎng)的生態(tài)影響分析，發(fā)現(xiàn)大約20%的美國路域受到道路的生態(tài)影響，邊緣效應(yīng)幅度（DEI，Depth of Edge Influence）大約是道路直接影響的10倍左右。同時，F(xiàn)orman還針對高速公路對不同生態(tài)因子的影響范圍進行了研究，表明不同生態(tài)因子受影響的范圍不同，但其影響的范圍至少在100m以上，最大影響范圍達到了1000m，平均影響范圍在600m左右。李雙成等（2004）對我國現(xiàn)有路網(wǎng)的生態(tài)影響進行了研究，結(jié)果表明我國現(xiàn)有道路網(wǎng)絡(luò)影響生態(tài)系統(tǒng)面積占全國國土面積的18.37%，與For?man研究得到的美國大約20%的路域受到影響的結(jié)果基本一致。在不同級別的道路中，等級外道路的數(shù)量巨大，其影響的面積也最大，為161.76×104km2；其次是二級道路，其影響面積為5.86×104km2；影響面積排在第三的是高速公路，為4.59×104km2；再次是三級道路，其影響面積為2.27×l04km2；四級道路影響面積最小，僅為0.39×104km2。在各等級道路影響的不同生態(tài)系統(tǒng)面積中，道路級別越低，影響農(nóng)用地的比例越低。高速公路和一級道路對于農(nóng)用地的影響比例最高，均在70%以上。而各等級道路對林地和草地的影響比例則剛好相反，道路等級越低，影響林地和草地面積比例越大。各等級道路對荒漠和水體的影響比例沒有顯著差異，見表1[7]。除了對各等級道路的生態(tài)影響范圍的研究外，鄭鈺等（2009）以云南縱向嶺谷區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)為例進行了多尺度的景觀生態(tài)研究。從不同尺度對該地區(qū)路網(wǎng)進行相關(guān)分析和方差分析，研究云南縱向嶺谷區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)與生態(tài)系統(tǒng)分部的相關(guān)性及其獨立和交互作用。研究發(fā)現(xiàn)，道路網(wǎng)絡(luò)與生態(tài)系統(tǒng)分部的相關(guān)性與路網(wǎng)等級有關(guān)，其相關(guān)程度與路網(wǎng)等級呈反比，并且隨著研究尺度的改變而發(fā)生變化。在大多數(shù)尺度下，道路網(wǎng)絡(luò)和地形因子對生態(tài)系統(tǒng)分部既有獨立作用，也有交互作用。其中，高等級路網(wǎng)的獨立作用比較顯著，而低等級路網(wǎng)的獨立作用不太顯著。但是隨著尺度的增大，低等級路網(wǎng)對生態(tài)系統(tǒng)分部的獨立和交互作用均顯著，表明地形對低等級道路具有明顯的干擾或屏蔽效應(yīng)。

表1 各級道路特征及緩沖帶寬度

2 路網(wǎng)對景觀格局影響的研究現(xiàn)狀

道路貫穿于各類生態(tài)系統(tǒng)中，道路網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也產(chǎn)生了許多生態(tài)效應(yīng)。路網(wǎng)對區(qū)域生態(tài)環(huán)境的影響突出表現(xiàn)在對景觀生態(tài)格局的影響方面。近年來，國內(nèi)外有關(guān)路網(wǎng)對景觀格局影響的研究取得了較大的進展。景觀破碎化是路網(wǎng)對景觀生態(tài)格局影響的一種表現(xiàn)形式，它是指路網(wǎng)建設(shè)將原有自然區(qū)域隔離成更小和更獨立的區(qū)域。道路的建設(shè)和運營對生態(tài)系統(tǒng)的景觀破碎化有很大的貢獻，可能引發(fā)一系列潛在的生態(tài)效應(yīng)。因此，對道路建設(shè)造成破碎化的特征進行定量化描述，對于道路生態(tài)系統(tǒng)保護具有重要意義，為道路規(guī)劃和建設(shè)時期內(nèi)將路網(wǎng)對生態(tài)系統(tǒng)的景觀影響考慮在內(nèi)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于路網(wǎng)對景觀格局的影響，國外已經(jīng)開展了許多相關(guān)研究。Sari等（2002）對美國北大湖區(qū)道路擴張造成的破碎化進行了研究，結(jié)果表明道路的擴張是北大湖區(qū)破碎化的主要因素。道路建設(shè)在提高人類可到達性的同時，減少了土地植被覆蓋，增加了邊緣生境，改變了景觀結(jié)構(gòu)和功能。該項研究計算了78752km2范圍內(nèi)兩個生態(tài)區(qū)的八種土地覆蓋類型中的道路密度、景觀結(jié)構(gòu)和由于道路建設(shè)產(chǎn)生的邊緣生境。依據(jù)所設(shè)定的邊緣影響寬度，被道路影響的一種土地覆蓋類型在5%～60%范圍內(nèi)。道路增加了斑塊的數(shù)量和密度，減少了平均斑塊大小和最大斑塊指數(shù)，而斑塊大小變異系數(shù)以及斑塊形狀復(fù)雜性指數(shù)的改變依賴于生態(tài)水平以及土地覆蓋類別。該區(qū)域中道路分布的規(guī)模和變異強化了在特定覆蓋類型和適當或多尺度下監(jiān)測景觀指標和道路影響的重要性。盡管該區(qū)域被密集森林覆蓋，道路的片段化影響仍然是普遍的，顯著地改變了多種森林覆蓋類型以及不同生態(tài)范圍的景觀結(jié)構(gòu)。Davide等（2004）提出用于評價被線形基礎(chǔ)設(shè)施造成的自然生態(tài)系統(tǒng)破碎化的方法。該方法基于在景觀生態(tài)學(xué)研究中使用傳統(tǒng)的空間指示因子及其函數(shù)值。特別之處在于，由于新建工程造成的生態(tài)系統(tǒng)空間配置變化的影響第一次通過空間指示因子被量化，而后通過函數(shù)值對其進行評價，增強了影響評價過程的透明度，而且評價是基于實際的信息和數(shù)值化的信息。該方法應(yīng)用于意大利北部新建的一條高速公路，生態(tài)系統(tǒng)破碎化評價的結(jié)果用于比較可選擇的高速公路附屬設(shè)施，來確定影響最小的一個。研究的最終目標是推動政府在制定新的發(fā)展規(guī)劃時考慮生態(tài)保護問題。

國內(nèi)也在一定程度上開展了有關(guān)路網(wǎng)景觀格局影響的研究。李雙成等（2004）對我國各等級路網(wǎng)與生態(tài)系統(tǒng)景觀破碎化的關(guān)系進行了研究，通過將各等級路網(wǎng)從高到低逐級疊加，發(fā)現(xiàn)隨著路網(wǎng)等級的降低、道路密度的增加，生態(tài)系統(tǒng)的破碎化程度顯著增大，表現(xiàn)為斑塊數(shù)目增加，平均斑塊面積變小；平均斑塊分維數(shù)顯著增大，說明道路網(wǎng)絡(luò)切割出的斑塊形狀復(fù)雜性增加，邊緣面積增加，未受干擾的核心面積減少。劉世梁等（2005，2007）基于景觀生態(tài)學(xué)理論，從道路的建設(shè)期和運營期兩個方面分析道路網(wǎng)絡(luò)對景觀的影響，并提出了基于景觀格局和生態(tài)過程的生態(tài)環(huán)境指數(shù)，構(gòu)建道路綜合生態(tài)風(fēng)險評價的方法。本研究以瀾滄江流域的三個典型區(qū)域為例，分析道路網(wǎng)絡(luò)對其景觀格局的影響，結(jié)果表明綜合風(fēng)險指數(shù)和道路密度具有很高的一致性；模擬不同等級道路建設(shè)對景觀格局的影響，結(jié)果表明瀾滄江流域一級路影響的面積最大，三級路最小，而影響的斑塊數(shù)目則為一級路最高，高速公路最低；道路網(wǎng)絡(luò)所影響的生態(tài)系統(tǒng)類型面積最大的為林地，其次為草地，而影響的生態(tài)系統(tǒng)斑塊數(shù)目最高的為旱地，其次為林地。通過GIS軟件模擬道路修建前后區(qū)域內(nèi)景觀指數(shù)的變化發(fā)現(xiàn)，在道路的影響域內(nèi)，隨著道路的修建，其斑塊平均面積減少，而斑塊數(shù)目和平均分維數(shù)有一定程度的增加，但總體來說，高速公路的建設(shè)對景觀生態(tài)的貢獻較小。張曉峰等（2006）以江西省規(guī)劃路網(wǎng)為例，使用景觀生態(tài)學(xué)方法進行道路網(wǎng)規(guī)劃環(huán)境影響評價，從各景觀類型以及整體景觀層次上分析規(guī)劃道路網(wǎng)絡(luò)可能造成的景觀格局的變化，選取景觀破碎度、景觀優(yōu)勢度以及景觀多樣性指數(shù)等景觀指數(shù)量化規(guī)劃道路網(wǎng)絡(luò)對該區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的影響，為該地區(qū)基于生態(tài)保護的路網(wǎng)規(guī)劃提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。李月輝等（2012）以大興安嶺呼中林業(yè)局范圍內(nèi)的道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為研究對象，利用主成分分析法對林業(yè)局管轄的林場進行分析，對比其在有無道路情況下景觀格局的變化。研究結(jié)果表明，道路網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)使森林生態(tài)系統(tǒng)的景觀格局發(fā)生了明顯的變化：所有林場中的平均斑塊面積減小、數(shù)量增多、斑塊隔離度增加，表現(xiàn)出不同程度的破碎化，但其破碎化程度與道路密度之間無顯著相關(guān)關(guān)系。

3 基于破碎化理論的模型研究現(xiàn)狀

關(guān)于路網(wǎng)對生態(tài)系統(tǒng)的景觀破碎化影響，已經(jīng)開展了一系列相關(guān)研究，但要應(yīng)用于未來的路網(wǎng)優(yōu)化還需要建立相關(guān)的模型。Forman（2004）認為，由于道路網(wǎng)絡(luò)延伸廣泛且相互連通，對野生動植物和生態(tài)多樣性造成了較大的影響，美國大約有1%的野生動植物生境被道路直接或間接侵占，而在歐洲這一數(shù)字達到了2%～3%。除了其生境的喪失外，道路廊道的屏障效應(yīng)可能會對種群之間的交流造成一定程度的阻隔，種群之間的基因流減弱，每個斑塊中的種群遺傳多樣性下降，面臨較大的滅絕風(fēng)險，生境被隔離開，而道路寬度及路網(wǎng)密度是造成道路廊道屏障效應(yīng)的主要因素。因此，F(xiàn)orman等創(chuàng)造了基于破碎化理論的路網(wǎng)評價模型，將自然生態(tài)系統(tǒng)分為大型斑塊、小型斑塊、較寬的廊道和較窄的廊道四類生境類型，將道路及道路網(wǎng)絡(luò)對四類生境的影響劃分成不同等級并賦予相對影響值，根據(jù)四類生境的生態(tài)學(xué)意義為其設(shè)定了相應(yīng)的生態(tài)價值系數(shù)，用生態(tài)價值系數(shù)與道路和路網(wǎng)造成的相對影響值相乘，得到更系統(tǒng)和全面的綜合影響值，即可得出該道路或路網(wǎng)造成的綜合影響程度。李佳妮等（2008）運用Forman的道路網(wǎng)絡(luò)理論分析了浙江省國省道和高速公路對森林生態(tài)系統(tǒng)的景觀破碎化影響，并運用道路影響閾值分析方法對破壞較為嚴重的森林景觀板塊進行了更為深入的分析。結(jié)果表明，由于國道、省道網(wǎng)絡(luò)數(shù)量較多且分布廣泛，直接侵占和影響的森林面積較大，對森林生態(tài)服務(wù)功能的發(fā)揮有著較大的影響；而高速公路網(wǎng)絡(luò)由于隔離程度較高，使得森林景觀斑塊嚴重降級和破碎，極大地影響著生物多樣性；通過對浙江省中長期規(guī)劃路網(wǎng)的研究表明，到2020年底規(guī)劃路網(wǎng)與現(xiàn)有路網(wǎng)共同形成的道路網(wǎng)絡(luò)將對浙江省的森林景觀生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞，研究報告中對此提出了改進建議。

4 結(jié)語

根據(jù)以上綜述，利用GIS、Fragstats等一系列軟件及相關(guān)模型研究路網(wǎng)區(qū)域景觀生態(tài)影響在道路生態(tài)學(xué)大尺度研究方面已經(jīng)成為主流趨勢，且在國外一些地區(qū)得到了應(yīng)用，取得了良好的效果。但由于國內(nèi)在該方面起步較晚，對于路網(wǎng)景觀生態(tài)影響的研究尚不全面，大部分都是借鑒國外已有的成果和模型，應(yīng)用和研究成果較為匱乏。而我國目前正處于經(jīng)濟高速發(fā)展的時期，大規(guī)模的路網(wǎng)向生態(tài)環(huán)境敏感地區(qū)迅速擴張，因此在路網(wǎng)的規(guī)劃過程中整理收集國內(nèi)外已有的成果，再根據(jù)當?shù)貙嶋H情況對現(xiàn)有成果進行改進和優(yōu)化，對于維護該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的多樣性和完整性具有重要的意義，也能夠為現(xiàn)階段我國提出的在2020年基本建成“綠色循環(huán)低碳交通運輸體系”做出相應(yīng)的貢獻。

[1]André BotequilhaLeit?o,Jack Ahern.Applying landscape ecological concepts and metrics in sustainable landscape planning[J].Landscape and Urban Planning,2002(59):65-93.

[2]Davide Geneletti.Using spatial indicators and value func?tions to assess ecosystem fragmentation caused by linear in?frastructures[J].International Journal of Applied Earth Ob?servation and Geoinformation,2004(5):1-15.

[3]Forman RTT.Estimate of the area affected ecologically by the road system in the United States[J].Conservation Biolo?gy,2000(14):36-46.

[4]Sari C Saunders,Mo R Mislivets,Jiquan Chen,et al.Ef?fects of roads on landscape structure within nested ecologi?cal units of the Northern Great Lakes Region[J].Biological Conserbation,2002(103):209-225.

[5]何磊，唐亞，李紹才.生命科學(xué)進展（第二卷）——道路網(wǎng)絡(luò)生態(tài)影響研究進展[M].北京：高等教育出版社，2006：175-194.

[6]黃曉霞，江源，顧衛(wèi)，等.GIS支持下的中國西部道路建設(shè)生態(tài)影響區(qū)劃[J].生態(tài)學(xué)報，2006，26（4）：1221-1230.

[7]李雙成，許月卿，周巧富.中國道路網(wǎng)與生態(tài)系統(tǒng)破碎化關(guān)系統(tǒng)計分析[J].地理科學(xué)進展，2004，23（5）：78-86.

[8]李月輝，吳志豐，陳宏偉，等.大興安嶺林區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)對景觀格局的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012，23（8）：2087-2092.

[9]劉佳妮，李偉強，包志毅.道路網(wǎng)絡(luò)理論在景觀破碎化效應(yīng)研究中的應(yīng)用[J].生態(tài)學(xué)報，2008，28（9）：4352-4362.

[10]劉世梁，楊志峰，崔保山，等.道路對景觀的影響及其生態(tài)風(fēng)險評價——以瀾滄江流域為例[J].生態(tài)學(xué)雜志，2005，24（8）：897-901.

[11]劉世梁，溫敏霞，崔保山.不同道路類型對瀾滄江流域景觀的生態(tài)影響[J].地理研究，2007，26（3）：486-490.

[12]袁睿佳，孫石，鄧輔唐.高速公路建設(shè)與景觀生態(tài)學(xué)應(yīng)用研究[J].云南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，29（S1）：260-266.

[13]趙振斌，包浩生，馬榮生.城市網(wǎng)格化極其景觀生態(tài)效應(yīng)研究——以西安市為例[J].地理科學(xué)，2001，21（5）：433-438.

[14]張曉峰，周偉.道路網(wǎng)規(guī)劃對景觀格局影響的分析方法研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2006，3（6）：976-979.

[15]張曉峰，周偉.基于GIS的生態(tài)景觀結(jié)構(gòu)分析及其在道路網(wǎng)規(guī)劃環(huán)評中的應(yīng)用[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，33（2）：197-202.

[16]鄭鈺，李曉文，崔保山，等.云南縱向嶺谷區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)系統(tǒng)影響的尺度效應(yīng)[J].生態(tài)學(xué)報，2009，29（8）：4268-4278.