泉三高速公路動物通道選址研究
——以云豹為例

吳 旻,陳 瑾,趙超超,翟 瑞,蘇雨秋,鄭金興,胡喜生,*

1 福建林業(yè)職業(yè)技術學院園林系, 南平 353000 2 福建農林大學交通與土木工程學院, 福州 350002

出于經濟發(fā)展和人們出行便捷的需求,高速路網在不斷完善和加密。有數(shù)據表明“十三五”期間高速公路擴張仍將延續(xù),預計到2020年全國高速公路通車里程達16萬km[1]。而中國的高速公路里程早在2014年已位居世界第一,高速公路憑借其快速、高效、容量大等特點對周邊區(qū)域經濟效益及社會效益產生舉足輕重的作用。在一系列積極影響的大背景下也不可忽略其負面生態(tài)影響,特別是公路建設的過程和建成后的運營,對動物棲息地的破壞與切割,使其生境的數(shù)量和質量大大下降[2]。而且高速公路強封閉性引起的阻隔效應使公路兩側甚至更大范圍內的種群移動擴散受限[3],不利于動物覓食與繁殖,從而導致種群數(shù)量減少及區(qū)域內生物多樣性下降[4]。與“7918”路網的分割一樣,這也會將野生動物的棲息地切割地越來越小,只不過前者滿足了我們對美好生活的需求,而后者卻會導致動物種群的減少甚至滅絕[5]。

動物通道的存在將破碎的生境重新連接在一起,加深種群間的聯(lián)系,緩解種群交流不利的影響,同時為動物提供一個安全的通行環(huán)境,減少穿越公路造成的死亡,從而減少種群滅絕的風險[6],故其作為緩解公路不利影響切實可行的方法被采用。隨著保護意識的增強,我國對野生動物通道的研究也愈發(fā)重視,但多數(shù)只停留在通道形式、尺寸及引導措施的理論性探討[7- 12]。對于歐美一些起步較早的國家而言,從基礎性的探討[13-15],已深入到通道位置[16]及后期監(jiān)測[17-18]的研究中,并取得了豐富成果。我國對動物通道研究,尤其是通道位置確定等已引起學者的重視[19-20],并指出應將通道位置與物種和環(huán)境結合起來[6,21-23],以避免現(xiàn)在多是利用現(xiàn)有的涵洞橋梁兼做通道及僅考慮通道類型、尺寸的等間距布置導致通道設置主觀性強、針對性差的問題。動物通道位置的設置既要符合動物活動路線,又要考慮動物活動區(qū)域所處的環(huán)境,而生境適宜性評價是將物種與環(huán)境耦合分析其對多個環(huán)境因素的不同表現(xiàn),故根據生境質量評價對動物活動路線預測是動物通道科學選址的保證。

由于動物擁有趨利避害的本能,其活動是不斷尋找適宜生境的過程,這種選擇類似于高山流水[23]。據此本文以泉三高速為例,在評價研究區(qū)生境適宜性的基礎上,借助GIS的水文分析模塊分析水流運動趨勢即動物傾向活動路線,進而通過與高速公路路線疊加確定動物通道位置,以期為高速公路規(guī)劃設計中動物通道選址提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

泉三高速公路起自福建省晉江市蘇塘村止于三明市高速路口,全長284.5km,是福建省第一條在高速公路主線上設計并已投用的雙向六車道高速公路。泉三高速是福建省“三縱八橫”中不可或缺的一員,也是國家“7918”高速公路網中第十五橫的一段。其連接了福建沿海和西部山區(qū),對推動西部山區(qū)發(fā)展起到至關重要的作用；與中西部路網相連也加深了我國中西部地區(qū)與東南沿海的聯(lián)系,對促進我國中東西部共同發(fā)展有重大意義。

本文研究范圍為三明三元區(qū)及梅列區(qū),如圖1所示。三明格氏栲省級自然保護區(qū)處于公路路段周邊,保護區(qū)作為世界上最大的格氏栲天然林,其優(yōu)越的自然環(huán)境,為動植物的繁衍生息提供了良好的條件。保護區(qū)內生活著國家一級保護動物云豹(Neofelisnebulosa)、蟒蛇(Pythonmolurus),國家二級重點保護動物黑熊(Ursusthibetanus)、獼猴(Maccacamulatta)等24種,福建省重點保護動物14種,動物種類豐富。泉三高速在規(guī)劃修建時并未考慮設計動物通道,雖沒穿過保護區(qū),但考慮該路段在保護區(qū)野生動物的活動范圍內,在路段沿線開展動物通道選址研究具有一定理論價值和借鑒意義。本文以保護區(qū)內國家一級保護動物云豹為目標物種探討動物通道選址的技術方法。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Study location

2 研究方法

2.1 生境適宜性評價方法

2.1.1評價指標體系構建

云豹是高度樹棲性的物種,經常在樹上休息和狩獵。其棲息于亞熱帶和熱帶山地及丘陵常綠林中,生活的垂直高度可達海拔1600—3000m[3]。且有研究顯示坡度越緩,豹類出現(xiàn)的概率越大[24]。鑒于前人對云豹生境適應性評價指標構建鮮見報道,本文綜合前人對云豹生境相關報道[3]并借鑒生活環(huán)境較為相近的狍(Capreoluspygargus)有關生境適應性評價指標[25]構建云豹生境適應性評價體系。主要從自然環(huán)境和人類活動干擾兩方面原因構建云豹生境適宜性評價體系的指標：①土地覆蓋類型,②平均胸徑,③郁閉度,④道路密度,⑤道路距離,⑥水源距離,⑦海拔,⑧坡度,⑨地貌。其中土地覆蓋類型、海拔、坡度、地貌的數(shù)據從中科院資源環(huán)境科學數(shù)據中心獲取,平均胸徑、郁閉度數(shù)據從林業(yè)二類調查數(shù)據庫獲取,道路網絡和河流網絡經百度地圖矢量化獲取。因子賦值是一個評價指標刻度的表征,根據評價因子對動物生境的影響進行賦值,對生境越有利則賦值越高。本文在前人研究[6,25]基礎上,進一步拓展評價因子的賦值區(qū)間,對各因子預處理實際數(shù)據進行分級賦值[6,25](表1),研究區(qū)域范圍內各指標所對應的柵格圖如圖2所示。

表1 評價因子賦值

圖2 各評價因子柵格圖Fig.2 Grid of evaluation factors

2.1.2指標權重確定

通過對各因子預處理實際數(shù)據進行分級賦值,各評價因子的相對重要性在參考前人研究成果[6,25]的基礎上,根據所構建的生境適宜性評價指標體系采用專家咨詢法確定(表2),專家涉及動物學、地理學、生態(tài)學、公路設計、交通工程等領域。

2.1.3生境適宜性指數(shù)計算

在評價因子賦值及權重確定的前提下,利用GIS中的柵格計算器計算生境適宜性指數(shù),從而根據生境適宜性指數(shù)大小確定區(qū)域內生境適宜性及分布情況,其中生境適宜性指數(shù)(HSI)利用下式計算：

表2 評價因子相對權重

式中,Ci為第i個評價因子的分級賦值,Wi為各評價因子的權重。

2.2 動物通道位置的確定方法

將動物傾向活動路線理解成不斷尋找適宜生境的過程,從生境適宜性指數(shù)較低向生境適宜性指數(shù)較高的區(qū)域移動。動物傾向活動路線,可通過GIS中的水文分析工具模擬水流的運動情況達到目的,因水流從高往低流的原理類似于動物由生境質量差往生境質量好的區(qū)域移動的傾向選擇。水流原是在高程差異的基礎上有了方向選擇,現(xiàn)在將生境適宜性評價結果替代高程,以生境質量作為方向選擇的基礎。由于生境適宜性指數(shù)越高的區(qū)域動物往此處聚集的概率越大可對應此處高程越低水流積聚越多,故將HSI的反值柵格替代高程模型建立地表水流模型,通過填洼先確定流向,進而確定流量,最后得到水流運動情況。水流流量大小與動物活動的概率成正比,將流量通過自然間隔分類法分為四個等級,選出一、二級的水流與高速公路圖層疊加,相交的區(qū)域即可作為動物通道的理想位置。

3 結果與分析

3.1 生境適宜性評價

圖3 生境適宜性評價Fig.3 Assessment of habitat suitability

基于GIS技術根據HIS計算模型計算柵格生境適宜性指數(shù)并繪制其分布圖(圖3),由圖3可知,HSI較高區(qū)域集中在研究區(qū)中部、北部及南部高海拔山區(qū),這些地區(qū)多為高大的天然林和人工林,郁閉度較高,能為云豹提供較好的隱蔽、捕食、繁殖環(huán)境。同時,此區(qū)域道路密度小,距道路距離遠,受人類活動干擾小,是云豹適宜的生境。HSI中等地區(qū)主要位于研究區(qū)中、西部低海拔緩坡地帶,地形以小起伏山地和丘陵為主。此區(qū)域雖道路密度較小且與道路有一定距離,但區(qū)域內林分較為稀疏,林分平均胸徑較小,導致生境適宜性相對較差。HSI最差區(qū)域位于研究區(qū)中、西部低海拔臺地或平原,其形成的原因由于西部是農村居民點及大片水田和旱地,中部則為三明市的市中心,有一定的城市化規(guī)模,再加上密集的路網支撐便利的交通,由于此處受到人類活動干擾大,導致植被覆蓋度低,不適合動物在此棲息。

3.2 通道位置的確定

根據水文分析結果(圖4),通過將水流流量大小分級并與高速公路圖層疊加,其水文流量潛在流向路線在生境適宜性評價圖(圖3)形成一定規(guī)律,即從較不適宜生境至適宜生境的活動規(guī)律。活動路線與高速公路路段形成的潛在交點即云豹穿越高速公路的3個潛在通道位置(圖5),通道①位于三明市臺江伐木場附近,通道②位于三明市梅列區(qū)葉坑村附近,通道③位于三明市三元區(qū)莘口鎮(zhèn)坂頭村附近。三者都是通道的理想位置,其中通道①是高速公路與水流二級匯流的交點,通道②、③是高速公路與水流一級匯流的交點,這意味著通道②、③的利用率會高于通道①。研究結果表明,本研究基于GIS技術采用生境適宜性評價結合水文分析探討高速公路云豹通道選址具有一定可行性,所確定的3個通道位置符合云豹活動的生境要求,從而為高速公路動物通道選址提供了方法。

圖4 水文分析Fig.4 Hydrological analysis

圖5 通道位置Fig.5 Channel location

4 結論與討論

本文采用生境適宜性評價,通過目標物種對不同生境因子的依賴性及生境因子對其活動的影響程度構建生境適宜性指數(shù)模型定量評價生境質量,再結合水文分析得到動物傾向活動路線,進而與高速公路圖層疊加確定通道位置。這種方法將動物活動與環(huán)境因素綜合考慮,通過將生境質量量化的方式增強通道選址的客觀性,是對費時費力進行野外監(jiān)測[26]和有地區(qū)限制及主觀影響的專家咨詢[11]的有效彌補。經生境適宜性評價模擬出的路線是基于生境模擬的一種大概率事件,或許與自然界動物活動路徑的真實情況有所偏差,但對動物通道選址仍具有重要參考意義。本文以云豹為例,對其在研究區(qū)域范圍內的高速公路通道選址模擬表明,在泉三高速與三明市臺江伐木場、三明市梅列區(qū)葉坑村、三明市三元區(qū)莘口鎮(zhèn)坂頭村等3處交錯處應建立云豹高速公路通道,此3處均與格氏栲自然保護區(qū)生境相聯(lián)系,是云豹活動的重要區(qū)域范圍交錯區(qū)。由此,可以認為本研究提出的動物通道選址理論具有一定理論性,可在高速公路動物通道選址設計中借鑒應用。

評價因子的選擇和賦值作為生境適宜性評價的重要基礎[27-29],本文生境適宜性評價因子的選擇既綜合了前人對其他動物通道選址研究中的指標,也有針對性地融合了云豹種群活動的生境生態(tài)學、地理學要求,比較符合云豹生境適宜性評價實際。賦值則根據目標物種云豹喜高海拔,適山地的生境傾向選擇進行分級賦值,是一種普遍適用的相對重要性賦值。因子權重是基于參考前人對其他動物通道選擇時的指標及其權重,采用專家咨詢法經過4輪問卷調查獲得本研究適宜性評價指標體系的權重結構。因此,在適宜性評價體系的構建及其權重的確定過程中,既參考了前人有關研究,也充分采納了動物學、地理學、生態(tài)學、公路設計、交通工程等領域專家的意見和建議,具有一定的理論基礎。

本研究基于生境適宜性評價,確定了云豹的3處高速公路通道選址位置。經現(xiàn)場勘查,目前未設立動物通道。因此,可在所選地址周邊設置紅外相機等手段進行監(jiān)測,觀察是否有野生保護動物尤其是云豹出入。若發(fā)現(xiàn)存在野生動物活動,則需要結合實際條件優(yōu)化建立動物通道,以維護野生動物的活動需求、保證野生動物的生存需求。

動物通道選址僅為高速公路建設過程中的一個環(huán)節(jié),通道選址建成后仍需配合后期監(jiān)測落實動物利用的情況,以驗證模擬設計路線與動物實際活動路線的吻合性。通過長期監(jiān)測和驗證,了解動物對通道的使用效率,對動物利用率高的通道要定期維護,對選址存在偏差的方案進行修正,以期在高速公路設計和建設時提供準確的動物通道位置,充分發(fā)揮其應有的生態(tài)效能。