基于生態(tài)網(wǎng)絡對天津市市區(qū)立交橋下空間生態(tài)適宜性的分析

田 野，康琬超，任潤從，張 萌，武天麗，段巖燕，莫訓強

（1.天津師范大學地理與環(huán)境科學學院，天津300387；2.福建農(nóng)林大學 資源與環(huán)境學院，福州 350002）

為了緩解城市交通擁堵，提高出行效率，在城市交通干道上建設立交橋已成為普遍做法.隨著大量立交橋的建立，城市產(chǎn)生了一種新型空間——立交橋橋下空間[1-2].目前，國內(nèi)對立交橋橋下空間的研究主要集中于橋下空間的設計、影響橋下空間利用的因素、如何通過合理規(guī)劃橋下空間來滿足周圍居民生活需求等，而橋下空間對于改善生態(tài)環(huán)境的作用較少涉及，尤其是對于城市野生動物保育的貢獻[3].有研究表明，城市野生動物是城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，對維持物種多樣性、維護區(qū)域生態(tài)平衡和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的作用[4].快速的城市化進程給城市野生動物帶來了巨大的環(huán)境壓力，導致其棲息生境破碎化，而立交橋橋下空間作為城市生態(tài)網(wǎng)絡中的一類特殊斑塊或節(jié)點，為城市野生動物，如草兔（Lepus capensis）、刺猬（Erinaceus amurensis）、黃鼬（Mustela sibirica）等的遷移提供了可能[5].鑒于此，針對立交橋橋下空間生態(tài)適宜性的研究也多以城市野生動物為擬保護對象而展開，本研究采納的也是這種范式.

本研究以天津市市區(qū)作為研究區(qū)域，對26座立交橋橋下空間的生態(tài)現(xiàn)狀進行調(diào)查，運用層次分析法對其進行分級，確定立交橋橋下空間的生態(tài)適宜程度.運用GIS空間分析模塊提取和分析天津市市區(qū)的生態(tài)網(wǎng)絡，將生態(tài)適宜程度較好的橋梁斑塊納入到生態(tài)網(wǎng)絡中，利用生態(tài)網(wǎng)絡分析法探討橋下空間在生態(tài)保護中的作用.在此基礎(chǔ)上提出橋下空間生態(tài)環(huán)境優(yōu)化的建議，為進一步發(fā)揮橋下空間的生態(tài)作用、優(yōu)化天津市生態(tài)環(huán)境提供參考.

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與處理

選取天津市市區(qū)的26座立交橋為研究對象，包括辰泰橋、南倉橋、普濟河道橋、天平橋、勤儉橋、志成橋、民權(quán)門橋、北營門橋、青云橋、金獅橋、衛(wèi)昆橋、順馳橋、赤峰橋、十一經(jīng)路橋、東風橋、東興橋、津昆橋、中山門橋、昆侖橋、復康路橋、王頂?shù)虡?、八里臺橋、賓悅橋、中石油橋、郁江橋和海津橋.遙感影像數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心國際科學數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn），對數(shù)據(jù)進行預處理和切割.根據(jù)研究目的將天津市市區(qū)景觀分為7類，包括綠地、水域、建筑用地、空地及其他用地、一級路、二級路、目標橋梁斑塊，通過目視解譯對天津市市區(qū)地物進行景觀分類.

1.2 層次分析法與專家打分法

根據(jù)天津市市區(qū)立交橋橋下空間的特點，結(jié)合實地調(diào)查經(jīng)驗，根據(jù)專家打分法確定指標權(quán)重，構(gòu)建橋下空間生態(tài)適宜性的評價體系.該體系指標由2個一級指標（自然要素和人為要素）與7個二級指標構(gòu)成.在自然要素中，包含陽光強度、植被結(jié)構(gòu)、植被綠化率、斑塊形狀系數(shù)和野生動物可進入性等5個二級指標：陽光強度的因子權(quán)重為0.24，計算變量分別為灰蒙暗淡、較為灰暗、陽光熹微、較為明亮、明亮耀眼，對應的賦值分別為 2、4、6、8、10；植被結(jié)構(gòu)的因子權(quán)重為0.15，計算變量分別為無植被、僅有1層、有2層、有3層、3 層以上，對應的賦值分別為 2、4、6、8、10；植被綠化率（R）的因子權(quán)重為0.15，計算變量分別為Ⅰ級（R＜20%）、Ⅱ級（20%≤R＜40%）、Ⅲ級（40%≤R＜60%）、Ⅳ級（60%≤R＜80%）、Ⅴ級（R＞80%），賦值分別為 2、4、6、8、10；斑塊形狀系數(shù)（D）的因子權(quán)重為 0.11，計算變量分別為Ⅰ級（D＜1.2）、Ⅱ級（1.2≤D＜1.3）、Ⅲ級（1.3≤D＜1.8）、Ⅳ級（1.8≤D＜2.9）、Ⅴ級（2.9≤D＜16），賦值分別為 2、4、6、8、10；野生動物可進入性的因子權(quán)重為0.22，計算變量分別為Ⅰ級（斑塊封閉，周圍車流量大）、Ⅱ級（開放程度適中，周圍車流量適中）、Ⅲ級（斑塊完全開放，周圍車流量較?。x值分別為2、6、10.人為要素中包含斑塊功能和區(qū)域干擾2個二級指標：斑塊功能的因子權(quán)重為0.09，計算變量分別為停車場、駕校、商用、倉庫、市政設施、廣場、隔離帶、空地、公園、綠地，賦值分別為 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10；區(qū)域干擾的因子權(quán)重為0.04，計算變量分別為攤販占地、踐踏、垃圾堆放、休閑娛樂、無干擾、其他，賦值分別為2、4、6、8、10、1.

1.3 空間生態(tài)適宜性分析

橋下的空間生態(tài)適宜性共分為5級，各級的適宜程度綜合值（H）和適宜程度分別為：Ⅰ級，0.8≤H≤1，橋下空間整體明亮，綠化程度好，綠地結(jié)構(gòu)多以4層復合結(jié)構(gòu)為主，野生動物可進入性強，人為干擾程度?。虎蚣?，0.6≤H＜0.8，橋下空間整體明亮，綠化程度較好，綠地結(jié)構(gòu)多以3層復合結(jié)構(gòu)為主，有少數(shù)4層結(jié)構(gòu)，野生動物可進入性強，人為干擾程度??；Ⅲ級，0.4≤H＜0.6，橋下空間整體明亮，綠化程度適中，綠地結(jié)構(gòu)多以3層復合結(jié)構(gòu)為主，有少數(shù)4層結(jié)構(gòu)，野生動物可進入性差，人為干擾程度適中；Ⅳ級，0.2≤H＜0.4，橋下空間光線熹微，綠化程度較差，綠地結(jié)構(gòu)多以林、灌2層為主，少數(shù)僅有1層，野生動物可進入性差，人為干擾程度大；Ⅴ級，0≤H＜0.2，橋下空間整體暗淡，綠化程度差，綠地結(jié)構(gòu)單一，綠地結(jié)構(gòu)僅有1層，野生動物可進入性極差，人為干擾程度極大.根據(jù)這一生態(tài)適宜性評價體系，對天津市26座典型立交橋的橋下空間生態(tài)適宜性進行打分.將計算結(jié)果通過歸一化方法轉(zhuǎn)化為生態(tài)適宜性程度值，并按照該值對橋下空間進行分類.

1.4 景觀格局指數(shù)與廊道結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分析

運用Arc GIS 10.2對天津市市區(qū)景觀分類圖進行柵格化（柵格大小為20 m×20 m），在此基礎(chǔ)上應用Fragstats 4.2進行景觀格局特征分析.由于生態(tài)網(wǎng)絡由節(jié)點和廊道組成，因此生態(tài)網(wǎng)絡的分析應包括生態(tài)廊道的結(jié)構(gòu)分析與網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分析[6].選取廊道的數(shù)量、長度和密度進行廊道結(jié)構(gòu)分析，運用網(wǎng)絡連接度、線點率、網(wǎng)絡閉合度以及成本比對網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行描述[7-9].

1.5 最小成本路徑分析

潛在的生態(tài)網(wǎng)絡是由源或目標的質(zhì)量、源與目標之間不同土地利用類型的景觀阻力決定的[10-11].本研究參考文獻[12]所設定的景觀阻力值，結(jié)合不同景觀對野生動物遷移干擾程度大小，設定天津市市區(qū)的景觀阻力值.在此基礎(chǔ)上運用GIS空間分析模塊并利用最小成本路徑構(gòu)建潛在廊道.天津市市區(qū)的不同景觀及景觀阻力值（取值范圍為1～1 000）分別為：綠地，1；建筑，1 000；橋梁，1～1 000；一級路，600；水域，600；二級路，300；空地，100.橋梁又分為5個景觀亞類，分別為：生態(tài)適宜性等級Ⅰ級，1；生態(tài)適宜性等級Ⅱ級，200；生態(tài)適宜性等級Ⅲ級，300；生態(tài)適宜性等級Ⅳ級，600；生態(tài)適宜性等級Ⅴ級，1 000.

2 結(jié)果與分析

2.1 橋下空間生態(tài)適宜性概況

總的來看，天津市市區(qū)26座立交橋的橋下空間生態(tài)適宜性為中等水平，80%的橋下空間需要進行生態(tài)結(jié)構(gòu)與功能方面的調(diào)整與完善.橋下空間根據(jù)陽光的照射條件可分為不同區(qū)域，不同區(qū)域的植被布置應有所區(qū)別[13]，而天津市市區(qū)部分立交橋橋下空間的植被栽種沒有考慮橋下空間環(huán)境的陽光與水分條件，造成橋下空間植被枯萎，土壤裸露.橋下空間的利用以綠化和停車場為主，空間綠化程度整體較好，但從綠地質(zhì)量來看，綠地覆蓋程度較高的空間（綠地率在80%以上）僅占綠化空間總面積的15%，綠地率50%以下的占35%，綠地率在50%～80%之間的占50%.生態(tài)學上認為植物群落的層次越多，該植物群落的抗干擾性就越好[14].天津市市區(qū)立交橋橋下空間綠地結(jié)構(gòu)較為單一，以單一灌叢或地被層為主，橋下空間綠地設計上缺乏植物層次搭配.橋下空間設計一般具有一定的封閉性（橋下空間使用上的封閉[15]），除綠地外的大多數(shù)立交橋橋下空間都處于封閉狀態(tài).這種設計是出于安全或者限制行人出入的考慮，也會造成橋下空間的野生動物可進入性下降.本研究中的立交橋橋下空間分散，破碎化嚴重，破碎的空間之間缺乏生態(tài)廊道的連接，各空間的連接度較低.立交橋橋下空間風力大、陽光照射少、噪聲多、空氣污染較為嚴重，已影響到城市環(huán)境和人類的身體健康，也嚴重制約了橋下空間的生態(tài)適應性[16].另外，部分立交橋的橋下空間缺乏有效的空間組織，空間利用不充分，存在閑置用地，該部分面積約占橋下空間面積總和的6.1%，此類空間多為封閉性空間，未進行合理利用，造成城市空間的浪費.

2.2 橋下空間生態(tài)適宜性分析

根據(jù)生態(tài)適宜性程度值對天津市區(qū)的26座立交橋進行分類，得出Ⅰ級橋梁3座、Ⅱ級橋梁4座、Ⅲ級橋梁7座、Ⅳ級橋梁9座、Ⅴ級橋梁3座，分布如圖1所示.天津市立交橋橋下空間生態(tài)適宜性整體水平為Ⅲ級中等水平.生態(tài)適宜性較好的Ⅰ、Ⅱ級橋梁僅占27%，Ⅲ級及以下橋梁占73%.

圖1 天津市立交橋橋下空間生態(tài)適宜性等級分布Fig.1 Distribution of ecological suitability grade under the overpass in Tianjin

2.3 景觀格局指數(shù)分析

為了進一步探究立交橋橋下空間對天津市生態(tài)環(huán)境的作用，在不改變其他景觀的情況下，將目標橋梁空間斑塊按照道路的性質(zhì)加入景觀中，運用Fragstats 4.2進行景觀水平的格局指數(shù)計算，得到類型A.將目標橋梁斑塊單獨作為一個屬性加入到景觀中，再次進行景觀水平的格局指數(shù)計算，得到類型B.比較類型A和類型B的格局指數(shù)，結(jié)果如表1所示.由表1可以看出，在總面積不變的情況下，將橋梁斑塊單獨作為屬性加入到景觀中以后，多度（PR）、多樣性指數(shù)（SHDI）、平均分形維數(shù)（FRAC_MN）與豐富度（PRD）均有小幅上升.由此可見，立交橋橋下空間對改善天津市的生態(tài)環(huán)境、提高景觀格局多樣性與完整性具有明顯作用.

表1 天津市2種景觀類型的景觀水平格局指數(shù)Tab. 1 Landscape level index of two landscape types in Tianjin

2.4 生態(tài)網(wǎng)絡分析

基于生態(tài)空間理論，源點是景觀中促進景觀過程發(fā)展的組分，具有一定的空間拓展性和連續(xù)性[17].參照《天津市生態(tài)用地保護紅線劃定方案》，將方案中現(xiàn)已建成的天津市市區(qū)較為重要的公園作為候選斑塊.從延展性和連續(xù)性出發(fā)，選擇大面積連續(xù)的生態(tài)公園（水上公園、劉園苗圃及梅江公園）作為生態(tài)網(wǎng)絡的核心斑塊.重要生態(tài)節(jié)點的分布情況如圖2所示.

圖2 天津市市區(qū)重要生態(tài)節(jié)點分布Fig.2 Distribution of important ecological nodes in Tianjin

將斑塊抽象為源點，以天津市市中心綠廊作為原有生態(tài)廊道，運用GIS空間分析模塊生成景觀阻力面，并采用最短距離模型尋找潛在廊道，構(gòu)建天津市市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡A.在網(wǎng)絡A的基礎(chǔ)上，將生態(tài)適宜性等級為Ⅰ級與Ⅱ級的立交橋斑塊加入生態(tài)網(wǎng)絡中，構(gòu)建出生態(tài)網(wǎng)絡B，如圖3所示.

2.5 廊道結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分析

城市生態(tài)網(wǎng)絡對能流、物流以及生物流動有明顯的促進作用.網(wǎng)絡中廊道的連通性、廊道相互交叉的頻率對生態(tài)網(wǎng)絡效率有著重要影響.因此運用生態(tài)網(wǎng)絡分析法對網(wǎng)絡A和B的廊道結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果如表2所示.

圖3 天津市市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡示意圖Fig.3 Schematic diagram of the ecological network in Tianjin

表2 生態(tài)網(wǎng)絡A與網(wǎng)絡B的廊道結(jié)構(gòu)指數(shù)和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)指數(shù)Tab.2 Corridor structure index and network structure index of ecological network A and B

由表2可以看出，生態(tài)網(wǎng)絡中加入立交橋斑塊后，網(wǎng)絡B的復雜度要高于網(wǎng)絡A.與網(wǎng)絡A相比，網(wǎng)絡B增加了15條生態(tài)廊道和9個重要生態(tài)節(jié)點，總長度增加30.33 km，廊道密度增加了0.09 km/km2，說明網(wǎng)絡B具有更高的復雜性與密度.生態(tài)廊道作為線性生境，其密度關(guān)系到物種遷移與棲息，高密度的生態(tài)廊道可以為邊緣種提供棲息地，更好地發(fā)揮生境作用.由此可見，立交橋橋下空間有利于改善天津生態(tài)環(huán)境和提高對野生動物的保護能力.同網(wǎng)絡A相比，網(wǎng)絡B中的α、β與γ指數(shù)均有所提升，說明它具有較高的連通性.在提高了閉合度與連接度的同時，網(wǎng)絡B降低了成本比，有效減少了生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)與能量損耗.

3 討論與結(jié)論

本研究通過構(gòu)建評價指標體系，采用層次分析法對天津市市區(qū)立交橋橋下空間進行了生態(tài)適宜性評價；采用最小成本路徑法構(gòu)建天津市市區(qū)潛在生態(tài)廊道，采用景觀格局指數(shù)、廊道結(jié)構(gòu)指數(shù)與網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)指數(shù)對立交橋橋下空間的生態(tài)作用進行分析.結(jié)果表明，天津市市區(qū)立交橋橋下空間生態(tài)適宜性整體為中等水平，橋下空間能夠有效提高天津市生態(tài)網(wǎng)絡的閉合度與連通性，對關(guān)鍵性立交橋的橋下空間進行優(yōu)化和保護，提高其生態(tài)適宜性水平，能夠有效促進野生動物的遷移和保護.

在目前的橋下空間研究中，橋下空間的利用不僅要考慮橋梁自身的建筑結(jié)構(gòu)特點，還應考慮橋梁在生態(tài)網(wǎng)絡中的作用.一方面，對于已建成的城市立交橋，應重視其在生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中的作用，通過對列入重要生態(tài)節(jié)點的橋下空間進行科學設計、合理改造和升級，使其變?yōu)榭衫玫墓?jié)點，成為市區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡的重要構(gòu)成部分；另一方面，在未來進行立交橋尤其是橋下空間的規(guī)劃和建設時，在保證行車安全的基礎(chǔ)上，應增加橋下空間的植物多樣性，加強橋下空間的生態(tài)設計，包括采光、植被的生態(tài)層次、城市野生動物進入性等.

城市景觀中的斑塊、廊道及其格局特征均受到人類的社會經(jīng)濟活動和城市建設的控制與影響.城市這一特殊基質(zhì)對生態(tài)網(wǎng)絡構(gòu)建具有較大影響.本研究將生態(tài)適宜性較好的橋梁斑塊納入到生態(tài)網(wǎng)絡中，利用生態(tài)網(wǎng)絡分析方法驗證了天津市市區(qū)立交橋橋下空間對天津市生態(tài)環(huán)境具有改善作用.盡管在構(gòu)建生態(tài)網(wǎng)絡時已考慮了人為干擾的因素，但城市景觀生態(tài)格局是以人為核心的生態(tài)系統(tǒng)，本研究所構(gòu)建的生態(tài)網(wǎng)絡還有可改進的余地[18].

為了進一步提高天津市的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，發(fā)揮立交橋橋下空間在改善城市生態(tài)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與連通性中的作用，應充分利用現(xiàn)有立交橋橋下空間，加大對橋下空間環(huán)境的改進與治理力度，對不可利用的斑塊和節(jié)點進行調(diào)整，使之成為生態(tài)網(wǎng)絡中的一部分.對橋下空間環(huán)境的改進可從3方面入手：（1）在進行橋下空間植被布局時，應充分考慮陽光等生態(tài)因子對植被的影響，選擇適宜植物進行種植.減少立交橋橋下空間荒地的數(shù)量，切實提高立交橋橋下空間的綠化程度.除重視生態(tài)因子作用外，在進行植被種植時應當進行科學的層次布局，對現(xiàn)有立交橋橋下空間植物群落結(jié)構(gòu)進行完善；（2）對未利用空間進行規(guī)劃時，應考慮生態(tài)學原則與效益，切實提高橋下空間利用的生態(tài)性，對現(xiàn)有停車場等具有使用價值的空間進行需求分析，根據(jù)周圍居民的切實需要組織優(yōu)化立交橋橋下空間的功能；（3）在立交橋橋下空間的利用中，封閉性空間是最常見的空間組織形式，這種封閉性不但對人有限制作用，對城市中常見的野生動物也有一定的限制作用.因此在未來空間的封閉性設計中，應考慮為小型野生動物保留通行廊道，進而增加橋下生態(tài)空間的連通性.