基于格網的近十年江西省道路網絡對土地利用變化影響閾值研究

榮月靜 張 慧 杜世勛

(1.山西省生態環境研究中心，太原 030000；2.環境保護部南京環境科學研究所，南京 210042；3.南京信息工程大學大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京 210044)

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基于格網的近十年江西省道路網絡對土地利用變化影響閾值研究

榮月靜1張 慧2，3杜世勛1

(1.山西省生態環境研究中心，太原 030000；2.環境保護部南京環境科學研究所，南京 210042；3.南京信息工程大學大氣環境與裝備技術協同創新中心，南京 210044)

依據全國生態環境十年變化(2000-2010年)遙感調查與評估項目中2000和2010年兩期土地利用數據和中國交通網2012年道路要素數據，基于ARCGIS格網分析方法，得到1km×1km、2km×2km…10km×10km十個尺度下道路網絡密度與土地利用轉化之間的相關系數，結合江西省2010年DEM數據，分析土地利用變化相應的地形(海拔、坡度和坡向)特征，計算道路網絡影響土地利用變化的路網密度閾值范圍。得出江西省道路網絡主要影響的土地利用轉化為林地向建設用地、農田向建設用地、林地向草地、林地向農田和農田向林地，其對應土地轉換的海拔范圍分別為167～291m、112～221m、367～422m、267～306m和180～273m；坡度范圍為0°～2°，為平地類型，說明人類活動主要集中在坡度較低的區域；坡向范圍為175°～195°，均為正南方向，說明受社會因素的影響，土地利用變化主要活躍在在南坡方向；道路網絡影響以上土地轉換路網密度閾值范圍為0.98～1.82km/km2、0.98～2.22km/km2、0.77～1.20km/km2、0.93～1.38km/km2、0.95～1.43km/km2，道路網絡影響土地利用轉換的路網密度呈先下降，在2km之后趨于不變，表明尺度愈大，路網對土地利用轉換所造成的影響愈小，但不會消失。

道路網絡；土地利用變化；閾值

道路等大型建設對生態環境造成巨大的影響，有研究表明，道路影響域涉及全球陸地的15%～20%以上[1]，道路生態學的研究從20世紀70年代不斷興起[2，3]，國外有關道路對生態環境影響的研究相對較多，著重于道路對物種[4]、種群[5]、土地利用[6]和景觀格局[7]的影響。國內道路生態學主要研究道路影響周邊景觀格局和土地利用變化等[8-10]。

有關道路網絡對土地利用變化的影響研究從20世紀90年代開始，由荷蘭和澳大利亞Sherwood和Burton率先研究道路網絡對土地利用分割、干擾和破壞[11]。21世紀以來，國內有關道路網絡對土地利用變化的影響研究逐漸增多，如國內2004年李雙成等[12]分析中國道路網絡建設引起土地利用及其生境破碎化的影響，得出公路等級越低、公路網路越復雜，土地利用的破碎化越明顯；2006年劉世梁等[13]以景洪市縱向嶺谷區為例，利用緩沖區分析，研究不同類型道路對土地利用變化的影響，得出低等級道路對區域景觀格局變化影響最大；2008年劉世梁等[14]分析了瀾滄江流域的道路網絡特征指數和道路網絡造成的生態干擾指數的相關性，得出道路網絡增加，會使土地利用受干擾強度增加，但短時期內二者相關性不顯著；2008年劉佳妮等[15]運用Forman的道路網絡理論和路網閾值分析方法，分析浙江省公路網對森林景觀的破碎化影響，得出國、省道和高速公路嚴重破壞森林面積，對森林景觀斑塊破碎化影響較大等。

生態閾值概念是20世紀7O年代由 May[16]首次提出，90年代生態閾值引起諸多學者的關注，如Perring等[17]、Kohn等[18]、Mark等[19]先后均研究了生物多樣性閾值，2007年Peter等[20]研究加勒比海珊瑚礁生態恢復的閾值。綜上，國外對道路網絡影響土地利用的閾值研究甚少。國內2009年鄭鈺、李曉文等[21]首次將道路網絡與生態閾值聯系在一起，應用GIS格網分析法，對云南縱向嶺區道路網絡對土地利用變化的閾值進行分析，得出路網是導致有林地向疏林地等土地利用變化的主要驅動因素，并定量得出路網影響土地利用變化的閾值范圍，此方法為研究路網對土地利用變化的綜合影響評價具有重要意義。

江西省近十年道路網絡不斷建設，其區市至各縣已通二級以上公路，鄉鎮至行政村基本通油路水泥路，路網結構復雜，公路的技術等級、通達率、通暢率提高，會影響到土地利用結構變化，本研究基于ARCGIS格網的方法，以江西省為研究區域，分析網格中道路網絡密度與土地利用變化的相關性，研究道路網絡影響土地利用類型變化的地形(海拔、坡度和坡向)特征，并得出道路網絡影響土地利用轉換的路網密度閾值范圍，這對江西省大型道路建設規劃以及土地利用管理具有很大的意義。

1 研究區域

本文選江西省為研究區域，地處長江中下游南岸，地理位置位于北緯24。29′14″～30。04′41″，東經113。34′36″～118。28′58″，面積16.69萬平方千米，地形地貌類型齊全，差異顯著，具有特殊的地勢和自然條件，全省山地丘陵多、平原盆地少；是國家重要的糧食主產區，是實施中部崛起戰略的重要省份，人均耕地少，土地利用率高，人地矛盾較為突出，土地利用結構類型多樣，農用地比重高，農用地中林地比重大；土地利用呈一定的地域分布規律，耕地、城鎮工礦用地等主要分布在平原、盆地、河谷地帶及周邊崗地與丘陵地區，林地、牧草地等主要分布在山地丘陵區域；近十年人類活動的日益增加，尤其是道路網絡不斷建設，依據《江西省農村公路建設規劃》，江西省至2005年底，全省農村公路(含村道)總里程達到111187公里，其中：縣道21924公里，鄉道28627公里，村道60636公里；一級公路58公里、二級公路2188公里、三級公路4589公里、四級公路43186公里、等外公路61166公里，農村公路交通面貌煥然一新、路網結構明顯改善，公路的技術等級、通達率、通暢率也將進一步提高。道路網絡的建設不斷影響土地利用類型的轉換，造成生態環境的破壞。

2 數據來源和研究方法

2.1 數據來源

本研究需要土地利用類型圖、全國道路網絡圖和數字地形高程圖。土地利用圖采用全國生態環境十年變化(2000-2010年)遙感調查與評估項目提供的2000年和2010年兩期土地利用數據，分辨率為30mx30m。江西省道路矢量數據來源于2012年交通網的全國道路網絡數據，將道路分為鐵路和公路兩種，其中公路包括國家干線公路、省干線公路、高速公路、縣級公路、鄉鎮村路和小路等；數字高程圖來源于美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯合測量的SRTM數據，分辨率為90m×90m，從中提取海拔、坡度、坡向等地形要素。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用處理

土地利用數據分類采用全國生態環境十年變化(2000-2010年)遙感調查與評估項目中對土地類型分類，包括以下七種類型：①林地(包括常綠闊葉林、常綠針葉林等)；②灌叢(常綠闊葉灌木林、落葉闊葉灌木林等)；③草地(草叢和稀疏草地等)；④濕地(河流、湖泊、水庫坑塘、運河水渠等)；⑤農田(水田、旱地等)；⑥建設用地(居住地、廠礦、交通用地、喬木綠地、灌木綠地等)；⑦裸地(裸土和裸巖)。

2.2.2 空間格網分析

根據研究區范圍和實際處理的可操作性綜合考慮，對研究區創建1kmx1km、2kmx2km…10kmx10km 10個不同尺度的空間網格，基于SPSS軟件平臺，運用Pearson相關分析方法，研究道路網絡與土地利用分布的相關性。在空間網絡分析過程中涉及到道路網絡密度、土地利用類型變化面積指數。其中，

道路網絡密度[22]是指：

(1)

式中：δi為某類道路網密度，km/km2，其中i代表高速公路、國道、省道或縣道等；∑Li為某類道路總長度，km；∑F為格網面積，km2。

土地利用類型轉化面積指數[21]是指：

(2)

式中：§ij為i類土地利用向j類土地利用的轉化的面積指數，%，其中ij代表i類土地利用向j類土地利用的轉化情況；∑Pi為土地利用轉化的面積，km2；∑F為格網面積，km2。

2.2.3 最近鄰法

采用ARCGIS的最近鄰法(Nearest Neighbor)，對研究區DEM數據進行重采樣(resample)，得到1km×1km、2km×2km、…10km×10km十個尺度的DEM，再利用Arcview下的surface擴展模塊，得到不同尺度下的坡度和坡向圖。

2.2.4 閾值分析

研究不同尺度下路網密度和土地利用轉換的Pearson相關性，選出相關系數高的類型，基于ARCGIS空間分析，分析各尺度道路網絡與主要土地利用轉換的地形特征，從而分析道路網絡影響土地利用轉換的閾值范圍。

3 研究結果

3.1 研究區土地利用變化情況分析

研究區2000-2010年土地利用類型結構，林地減少112.42km2，灌叢增加157.89 km2，草地增加17.6km2，濕地減少90.15km2，農田減少1663.48km2，建設用地增加1781.15km2。 2000-2010年土地利用轉化的面積為3258.43km2，約占整個研究區面積的1.95%；其中，主要的土地利用轉變有林地向灌叢、農田向建設用地、農田向林地、林地向建設用地、林地向農田、林地向草地等，其轉變面積分別為1584.98km2、1305.19km2、596.62km2、383.84km2、274.01km2、199.47km2(表1)。

表1 2000-2010年江西省主要土地利用轉移矩陣(km2)

3.2 道路網絡密度與土地利用變化的相關性分析

根據表3結果顯示，道路網絡密度與土地利用類型轉換之間的相關性范圍在-1～1之間，整體呈上升趨勢。其中，相關性范圍在0～1之間的表示道路網絡密度與土地利用轉換呈正相關，即隨著路網密度的增加，土地利用轉換增加，如農田向建設用地、林地向建設用地和農田向林地的轉換。相關性范圍在-1～0之間，表示道路網絡密度與土地利用轉換呈負相關，即隨著路網密度的增加，土地利用轉換減少，如林地向草地和林地向農田的轉換。

按照道路網絡密度與土地利用類型相關性分析，道路網絡對土地利用轉換相關性可以分為三類：強相關性、弱相關性、無相關性。其中，農田向建設用地、林地向建設用地這些土地利用轉換與路網密度在各研究尺度下均顯著相關，且相關系數高，說明路網密度是這些土地利用轉換的主要驅動因子，且呈正相關，說明隨著道路網絡密度的增加，農田和林地向建設用地轉換的面積不斷增多；林地向草地、林地向農田、農田向林地這些土地利用轉換與路網密度在各研究尺度下雖然顯著相關，但相關性系數較低，說明路網密度是這些土地利用轉換的驅動因子，但不是主要的驅動因子；林地向灌叢這類土地利用轉換與路網密度在各研究尺度下均不顯著相關，且相關系數非常低，說明路網密度不是這類土地利用轉換的驅動因子。

表3 不同研究尺度下的路網密度與土地利用轉換的Pearson相關系數

*p<0.05相關；**p<0.01顯著相關。

3.3 道路網絡影響土地利用變化的地形特征

選出道路網絡密度與土地利用轉換相關系數高的類型，基于ARCGIS空間分析，分析各尺度道路網絡與研究區主要土地利用轉換的地形特征，得出林地向建設用地轉換的海拔為167～291m，坡度為0°～2°(平地)，坡向為176°～189°(正南方向)；農田向建設用地轉換的海拔為112～221m，坡度為0°～1°(平地)，坡向為175°～186°(正南方向)；林地向草地轉換的海拔為367～422m，坡度為0°～2°(平地)，坡向為186°～195°(正南方向)；林地向農田轉換的海拔為267～306m，坡度為0°～2°(平地)，坡向為184°～195°(正南方向)；農田向林地轉換的海拔為180～273m，坡度為0°～2°(平地)，坡向為180°～193°(正南方向)(表4)。

3.4 道路網絡對土地利用轉換影響的路網密度閾值分析

通過不同尺度下，因路網建設導致土地利用從一種類型轉變為另一種類型的路網密度均值來界定會對土地利用造成影響的路網密度閾值范圍[21]。在不同尺度下，路網密度對土地利用轉換的影響存在一定的閾值范圍。道路網絡影響林地轉換為建設用地、農田轉換為建設用地、林地轉換為草地、林地轉換為農田和農田轉換為林地的路網密度閾值范圍依次為0.98～1.82km/km2、0.98～2.22km/km2、0.77～1.20km/km2、0.93～1.38km/km2和0.95～1.43km/km2；在相同的尺度下，路網對這5種土地利用類型變化的影響閾值范圍不同。例如，在所有尺度下，農田轉換為建設用地比林地轉換為建設用地的路網密度均值要大，且隨著尺度的增大，路網密度呈先下降后不變趨勢。從1km×1km到2km×2km尺度路網密度急速下降，2km×2km尺度后趨于變緩。

表4 不同尺度道路網絡影響土地利用變化的地形(海拔、坡度、坡向)特征

表5 不同空間尺度下道路網絡密度統計表(km/km2)

min：不同空間尺度下導致土地利用類型轉換的最小道路密度；max：不同空間尺度下導致土地利用類型轉換的最大道路密度；mean：不同空間尺度下導致土地利用類型轉換的平均道路密度。

4 結 論

(1)本研究基于ARCGIS格網的方法，將江西省區域分為1km×1km、2km×2km、…10km×10km十個尺度的網格，通過分析道路網絡與土地利用變化的相關性，得出道路網絡影響土地利用變化類型，進而分析這些土地利用變化的地形特征和影響這些土地利用變化的路網密度的閾值范圍。

(2)研究區道路網絡影響土地利用轉換的地形呈現海拔在為112～422m范圍之內，這與江西省耕地、城鎮用地主要分布在平原、盆地、河谷地帶及周邊崗地與丘陵地區；林地、牧草地等主要分布在山地丘陵區域；土地利用程度和利用效益相對較高，土地利用效益的區域差異明顯有關。坡度范圍為0°～2°，為平地類型，說明人類活動主要集中在坡度較低的區域；坡向范圍為175°～195°，均為正南方向，說明受社會因素的影響，土地利用變化主要活躍在在南坡方向。

(3)在相同的尺度下，路網對土地利用類型變化的影響閾值范圍不同，表明不同土地利用的系統穩定性和對路網的抵抗能力不同，農田轉換為建設用地比林地轉換為建設用地的路網密度均值要大，說明林地比農田的系統穩定性和對路網影響的抵抗能力更強；在不同尺度下，隨著格網尺度的增加，道路網絡影響土地利用轉換的路網密度呈先下降后，在2km之后趨于不變，表明尺度愈大，路網對土地利用轉換所造成的影響愈小，但不會消失。

(4)本研究方法分為不同尺度，針對不同區域道路網絡和土地利用變化有不同的結果。江西省具有獨特的地域和自然特征，其道路網絡十年來發生巨大的變化，尤其是農村公路在不斷建設中，這對土地利用變化有很大的影響，本研究運用格網的方法對道路網絡影響土地利用變化做了很好的評價。但本研究僅考慮了道路網絡影響土地利用變化的地形特征，若氣溫、降水和土壤等數據可得，則可更全面的得出道路網絡影響土地利用變化的諸多自然條件特征等，有待接下來進一步的研究。

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The Influentialthreshold of Road Network Impact on the Ecosystem in Last Years Based on Grid

RONG Yuejing1ZHANG Hui2，3DU Shixun1

(1.Research Center For Eco-Environment Science In Shanxi，Shanxi Taiyuan 030000，China；2.Nanjing Institute of Environmental Science，MEP，Nanjing 210042，China；3.Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology(CICAEET)，Nanjing Science&Technology，Nanjing 210044，China)

The data of land cover type of 2000 and 2010 was from the project of remote sensing survey and evaluation of national ecological environment changes during ten years (2000-2010 years)，The road net data was from Chinese traffic network. Based on the ARCGIS grid analysis method，The Peason correlation coefficient of road network density and Ecological system transformation with whole scale at 1kmx1km、2km×2km…10km×10km was calculated.Combined with the DEM data of Jiangxi Province in 2010，the topography (elevation，slope and aspect) features of the ecosystem change was analysed，and the road network density threshold of the ecosystem change was calculated. The results show that：(1) The land use change impacted by road network were Forest to construction，farmland to construction，forest to grass land，forest to farmland and farmland to forest.The Altitude was 167～291m、112～221m、367～422m、267～306m和180～273m，The slope range was 0°～2°(flat)，it shows that human activities are mainly concentrated in the region of low slope；The slope range was 175°～195°(South)，it shows that the land use changes mainly active in the southern direction explained by social factors；The road network density threshold impacted by road networks was 0.98～1.82km/km2，0.98～2.22km/km2，0.77～1.20km/km2，0.93～1.38km/km2，0.95～1.43km/km2，road network density effected by land use conversion decreased firstly，tends to be constant after the 2km，it shows that the scale is bigger，influence of land use conversion caused by road network was small，but will not disappear.

road network；land use changes；threshold

榮月靜，碩士，研究方向為區域生態恢復與資源可持續利用研究

杜世勛，碩士，研究方向為環境保護與生態環境修復研究

X21

A

1673-288X(2016)06-0226-05

引用文獻格式：榮月靜 等.基于格網的近十年江西省道路網絡對土地利用變化影響閾值研究[J].環境與可持續發展，2016，41(6)：226-230.