“格局-過(guò)程-功能”視角下交通生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展

楊思琪，朱高儒，劉杰，徐洪磊

交通運(yùn)輸部規(guī)劃研究院，北京 100028

中國(guó)交通運(yùn)輸呈逐年增加的趨勢(shì)，2020年公路和鐵路總里程分別為5.198×10km和1.463×10km（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局，2021），二者客運(yùn)量和貨運(yùn)量占較大比例，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用日益凸顯。交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)形式可分為點(diǎn)式、廊道式和面狀（陳利頂?shù)龋?010），公路和鐵路建設(shè)工程通常以線狀、條帶狀等形式開(kāi)展，與油氣管道、航道等并稱為廊道建設(shè)工程（傅伯杰等，2002）。相比其他建設(shè)方式，公路和鐵路建設(shè)具有距離長(zhǎng)、覆蓋范圍廣的分布特點(diǎn)，且途經(jīng)的生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生復(fù)雜的影響，成為生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)（陳利頂?shù)龋?010）。交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵，其中陸路交通建設(shè)是構(gòu)成綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃的重要基礎(chǔ)。2021年國(guó)家發(fā)布綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃，主骨架布局呈現(xiàn)為“6軸7廊8通道”，實(shí)體線網(wǎng)總規(guī)模合計(jì)約 70萬(wàn)平方千米，其中鐵路約20萬(wàn)平方千米，公路約46萬(wàn)平方千米。公路和鐵路建設(shè)將極大促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，但其產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及影響機(jī)理仍需要進(jìn)一步明晰（張景華等，2013；劉志強(qiáng)等，2015）。

公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)自然環(huán)境的破壞主要包括土地利用變化、水土流失、植被受損、動(dòng)物致死、空氣污染、水污染、噪聲污染等（劉世梁等，2007）。鐵路建設(shè)產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)包括隧道建設(shè)導(dǎo)致的重金屬污染（張營(yíng)周，2020），以及生態(tài)脆弱區(qū)內(nèi)引發(fā)的水文地質(zhì)效應(yīng)（許模等，2021）。在土地利用方面，公路和鐵路造成生境和景觀格局的改變，進(jìn)而影響生態(tài)過(guò)程（劉世梁等，2013；王曄等，2015）；在生態(tài)環(huán)境方面，公路和鐵路建設(shè)導(dǎo)致周邊的空氣質(zhì)量下降，增加了水土流失風(fēng)險(xiǎn)，造成下游水質(zhì)惡化，影響陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)（包薇紅等，2000）。交通生態(tài)效應(yīng)直接或間接地作用于生態(tài)系統(tǒng)中的土壤水分、地表溫度、土壤溫度等，對(duì)植被、動(dòng)物和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響（Spellerberg，2002；Szwalec et al.，2020；劉龍等，2012）。在植被和動(dòng)物方面，公路和鐵路可能造成群落結(jié)構(gòu)的改變（Lemke et al.，2019），引發(fā)動(dòng)物道路致死和回避事件，影響動(dòng)物的遷徙行為，威脅生物多樣性保護(hù)等（王云等，2010）。

“格局-過(guò)程-功能”是景觀生態(tài)學(xué)的研究范式，3個(gè)組分之間存在因果關(guān)系，共同貢獻(xiàn)于人類福祉和社會(huì)價(jià)值的實(shí)現(xiàn)，具有重要的理論意義（Potschin et al.，2011）。公路和鐵路構(gòu)成的交通廊道作為景觀中的關(guān)鍵要素，對(duì)景觀格局的形成及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能具有重要作用（康世磊等，2017；孫然好等，2021）。交通建設(shè)的主體部分可視為景觀中的人工廊道，其與周邊斑塊的動(dòng)態(tài)變化深刻地影響了區(qū)域的生態(tài)過(guò)程及功能。借鑒景觀生態(tài)學(xué)研究“格局-過(guò)程-功能”理論有助于從景觀的角度分析交通建設(shè)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的整體影響，從而在建設(shè)前期的規(guī)劃比選中預(yù)測(cè)擬建公路和鐵路的生態(tài)環(huán)境影響，促進(jìn)人與自然的和諧以及社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然的可持續(xù)發(fā)展。本研究基于“格局-過(guò)程-功能”的研究范式，在 3個(gè)組分下分別分析交通建設(shè)產(chǎn)生的生態(tài)影響（圖1），以厘清不同作用過(guò)程下的影響方式，為交通建設(shè)的生態(tài)環(huán)境管理提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 “格局-過(guò)程-功能”視角下公路和鐵路對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響Figure 1 Ecological impacts of road and rail on ecosystems under the perspective of “Pattern-Process-Function”

1 交通對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局的影響

交通建設(shè)中公路和鐵路往往需要穿越不同類型的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)沿線區(qū)域的生境質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，導(dǎo)致區(qū)域生境退化，產(chǎn)生邊緣效應(yīng)等（陳利頂?shù)龋?010；韓艷莉等，2019），其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局的作用機(jī)理可以從兩方面闡述，一是對(duì)土地利用變化的影響，二是對(duì)景觀格局的影響。

1.1 對(duì)土地利用/覆被的影響

公路和鐵路建設(shè)對(duì)土地的占用直接減少了提供生態(tài)功能的土地利用/覆被類型面積。交通建設(shè)與土地利用之間存在相互影響的關(guān)系，除對(duì)占用的土地利用類型造成轉(zhuǎn)變外，對(duì)其周?chē)耐恋乩棉D(zhuǎn)化方式也存在不同程度的影響，而且土地利用的變化可以通過(guò)影響人類活動(dòng)方式對(duì)交通設(shè)施的建設(shè)產(chǎn)生促發(fā)效應(yīng)（Martinez，1996）。研究表明全國(guó)高鐵建設(shè)對(duì)耕地和建設(shè)用地的軸向變化呈距離衰減特征（何丹等，2021），公路建設(shè)是導(dǎo)致有林地向疏林地、有林地到草地轉(zhuǎn)變的主要影響因子（鄭鈺等，2009）。公路建設(shè)對(duì)土地利用強(qiáng)度的作用受到類型、距離和時(shí)間的影響，等級(jí)越高的道路影響范圍越大，如京承高速公路的影響范圍為3—8 km（唐秀美等，2016），而杭嘉湖平原干線公路建設(shè)影響最劇烈的區(qū)域在周邊200 m處（宋潔，2016）。土地利用與交通之間的相互作用具有反饋關(guān)系，其分析方法包括空間分析法和指標(biāo)體系模型構(gòu)建法。前者主要通過(guò)設(shè)置緩沖區(qū)分析周邊土地利用轉(zhuǎn)移狀況（毛蔣興等，2008；張映雪等，2017）；后者通過(guò)計(jì)算交通可達(dá)性，選擇合適的土地利用和交通布局的指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)體系，輸入?yún)f(xié)調(diào)模型等分析二者相互作用的協(xié)調(diào)性，常用的模型有SE-DEA模型（牟鳳云等，2020）、耦合協(xié)調(diào)模型等（黃潤(rùn)森等，2021）。

1.2 對(duì)景觀格局的影響

交通廊道是景觀生態(tài)學(xué)重要組分之一，具有通道、生境、屏障或過(guò)濾的基本功能，對(duì)景觀中的能量、物質(zhì)和生物量具有重要作用，同時(shí)線路交叉構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有復(fù)雜影響（Forman et al.，2003；鄔建國(guó)，2007）。交通建設(shè)通過(guò)改善社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境，驅(qū)動(dòng)道路結(jié)點(diǎn)以及轉(zhuǎn)變周邊地區(qū)的土地利用，促使景觀格局發(fā)生變化（劉世梁等，2005）。公路、鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)切割了生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致生境斑塊破碎化，且部分阻隔了水平生態(tài)流及物種遷移，隨時(shí)間推移造成整體景觀格局的變化（劉佳妮等，2008）。研究通常采用景觀格局指數(shù)和空間相關(guān)分析的方法，基于遙感數(shù)據(jù)和實(shí)地踏勘開(kāi)展。對(duì)中國(guó)高鐵緩沖區(qū)內(nèi)景觀格局變化分析表明，景觀多樣性指數(shù)先增后減，草地和水域復(fù)雜程度同樣先增后減，建設(shè)用地形狀逐漸復(fù)雜（何丹等，2021）。對(duì)公路周邊土地利用類型和植被類型進(jìn)行景觀格局指數(shù)分析表明，公路建設(shè)將導(dǎo)致主要土地類型的優(yōu)勢(shì)度下降和復(fù)雜度增加（吳旻等，2021）。為識(shí)別公路對(duì)景觀格局的綜合影響，劉世梁等（2005）利用景觀格局指數(shù)、土壤侵蝕指數(shù)、脆弱性指數(shù)進(jìn)行綜合道路生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，研究表明道路密度是影響生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的重要因素。此外，公路建設(shè)作為一種脅迫或干擾對(duì)生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與優(yōu)化具有重要影響（劉瑞程等，2019）。

2 交通廊道對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的影響

生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程指連接生物及其環(huán)境的物理、化學(xué)和生物過(guò)程，包括養(yǎng)分循環(huán)、能量流動(dòng)以及種群和群落動(dòng)態(tài)等。交通廊道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程的作用機(jī)理可以從以下四方面闡述。

2.1 對(duì)養(yǎng)分循環(huán)的影響

公路和鐵路對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)中碳（C）、氮（N）以及重金屬元素循環(huán)的影響是交通生態(tài)學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。其中，對(duì)碳循環(huán)的影響主要通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和車(chē)輛運(yùn)輸活動(dòng)影響碳源的變化，此外在建設(shè)中植被恢復(fù)和養(yǎng)護(hù)措施可以增加碳匯。交通運(yùn)輸排出的氮氧化物（NO）是主要的環(huán)境污染物質(zhì)，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放中的NO污染是影響交通干線道路空氣質(zhì)量的重要因素之一（黃偉等，2015）。人類活動(dòng)導(dǎo)致的氮添加顯著影響了陸地生態(tài)系統(tǒng)的氮循環(huán)，促使具有危害性的酸雨和臭氧的形成，并間接加劇了氣候變化（張志非等，2020）；同時(shí)，活性氮的增加可能會(huì)提高區(qū)域氮可用性而增加生產(chǎn)力，但超過(guò)臨界閾值可能對(duì)生產(chǎn)力造成負(fù)面影響（Hietz et al.，2011；方華等，2006）。對(duì)重金屬循環(huán)的影響研究主要通過(guò)測(cè)定公路或鐵路路側(cè)土壤中的Zn、Cu、Ni、Cd、Cr和Pb總含量及其生物有效性開(kāi)展。由于重金屬存在累積效應(yīng)，通常兩側(cè)區(qū)域重金屬污染狀況需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間方會(huì)表現(xiàn)顯著增加，且受到運(yùn)營(yíng)期內(nèi)交通流量的影響（Ró?ański et al.，2017）。對(duì)植物影響的研究發(fā)現(xiàn)，盡管交通活動(dòng)顯著增加了植物體內(nèi)的重金屬含量，但植物也會(huì)通過(guò)積累不同滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)抵抗重金屬脅迫（李晶等，2019）。對(duì)于公路路側(cè)綠化樹(shù)種，由于不同樹(shù)種對(duì)特定重金屬的積累能力具有選擇偏向性，在種植時(shí)應(yīng)考慮樹(shù)種對(duì)重金屬的抵抗調(diào)節(jié)能力（張邦裕等，2021）。

2.2 對(duì)水土過(guò)程的影響

公路和鐵路建設(shè)通過(guò)破壞沿線植被和土壤，改變生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使原先水土保持能力強(qiáng)的植被逐漸被不透水路面取代，造成區(qū)域的水土流失風(fēng)險(xiǎn)增加（田甜等，2010）。建設(shè)施工過(guò)程會(huì)強(qiáng)烈擾動(dòng)原生土壤，造成養(yǎng)分流失，通過(guò)物理和生物化學(xué)作用破壞植被形態(tài)和結(jié)構(gòu)，減弱植被冠層對(duì)降雨的截留作用、根系對(duì)土壤的固定作用以及枯枝落葉對(duì)土地的覆蓋保護(hù)（黃曉冬，2016）。對(duì)鐵路的土壤侵蝕強(qiáng)度變化的案例研究表明，施工期土壤侵蝕模數(shù)較大，且土壤流失量多出現(xiàn)在汛期，植被恢復(fù)期較施工期土壤侵蝕模數(shù)明顯降低（賀俊斌等，2021）。對(duì)高速公路不同區(qū)域的土壤侵蝕案例研究表明，土壤侵蝕量最大的區(qū)域?yàn)槁坊こ虆^(qū)、附屬設(shè)施區(qū)和棄渣場(chǎng)區(qū)，其次為施工便道區(qū)（於孟元等，2021）。隧道工程的建設(shè)過(guò)程影響地下水的徑流情況和水系統(tǒng)的平衡，導(dǎo)致水位降低，可能引發(fā)地表水枯竭，影響工程安全和生態(tài)系統(tǒng)水文過(guò)程（荊文等，2020）。總體上，目前對(duì)水土過(guò)程影響機(jī)理較為清楚，但對(duì)交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)造成的土壤侵蝕等的定量研究仍需加強(qiáng)（王云等，2006；劉傳安等，2015），例如，交通施工一方面使土壤的可蝕性增加，另一方面可能使植被因子的保護(hù)作用削弱，雙重壓力下土壤侵蝕的范圍和程度需進(jìn)一步明晰；在氣候變化背景下，極端降雨和交通建設(shè)導(dǎo)致的水土流失疊加效應(yīng)也有待進(jìn)一步研究。

2.3 對(duì)群落演替的影響

生態(tài)系統(tǒng)中群落演替的主要變化是物種組成的變化，變化的程度和方向受到其所在環(huán)境條件的制約（趙慧等，2007）。公路的景觀通道作用有利于入侵種的進(jìn)入，改變路側(cè)群落結(jié)構(gòu)，并降低群落的整體高度，促使群落發(fā)生次生演替（Forman et al.，2003）。對(duì)哥斯達(dá)黎加采伐區(qū)廢棄公路不同區(qū)域的群落特征研究表明，公路邊緣區(qū)低矮植被最多，公路建設(shè)區(qū)多樣性最低，但優(yōu)勢(shì)種相對(duì)重要性最高，保守估計(jì)需要 80年方能恢復(fù)到與砍伐再生區(qū)相近的生物量，而多樣性則更難恢復(fù)（Guariguata et al.，1997）。加拿大沼澤地公路建設(shè)對(duì)群落演替影響的研究表明，公路對(duì)水文過(guò)程具有阻礙作用，造成群落演替變化，莎草（Carex aquatilis）和苔蘚（Sphagnum angustifolium）逐步取代黑云杉成為優(yōu)勢(shì)種（Bocking，2015）。由此可見(jiàn)，公路建設(shè)對(duì)群落演替的影響具有長(zhǎng)期性和難恢復(fù)性。監(jiān)測(cè)表明，經(jīng)過(guò)近 25年的自然恢復(fù)，青藏公路沿線高寒草原干擾跡地土壤有機(jī)質(zhì)含量平均減少61.65%，高寒草甸干擾跡地生物量和未干擾自然草甸相比仍有26.6%—66.4%的差距，青藏公路恢復(fù)期生態(tài)系統(tǒng)變化可為鐵路建設(shè)提供啟示（王根緒等，2004）。

2.4 對(duì)動(dòng)物活動(dòng)的影響

公路和鐵路運(yùn)營(yíng)對(duì)動(dòng)物造成的影響主要包括交通運(yùn)輸造成的動(dòng)物致死，阻隔效應(yīng)導(dǎo)致的動(dòng)物種群密度降低、生境破碎化、遷徙行為改變等（王云等，2010）。鐵路影響野生動(dòng)物的方式與公路相似，還包括由于觸電等事故引發(fā)的野生動(dòng)物死亡等。研究表明保護(hù)區(qū)建設(shè)帶來(lái)的游客交通需求增加是造成西班牙加泰隆尼亞地區(qū)脊椎動(dòng)物大量死亡的主要原因，此類事件尤其多發(fā)在動(dòng)物的季節(jié)性活動(dòng)時(shí)期與游客旅游旺季較為一致的情況下（Garriga et al.，2012）。此外公路建設(shè)也對(duì)動(dòng)植物之間的相互作用產(chǎn)生影響，例如通過(guò)阻礙蜜蜂的運(yùn)動(dòng)限制其對(duì)植物的授粉，且道路寬度的影響更顯著（Fitch et al.，2021）。交通運(yùn)輸產(chǎn)生的噪聲還會(huì)影響動(dòng)物的行為能力，使動(dòng)物的活動(dòng)區(qū)域縮小，活動(dòng)領(lǐng)域被重新劃分，導(dǎo)致種群之間的交流減少，動(dòng)物生境島嶼化，不利于動(dòng)物的生存與繁殖（唐勤，2013）。也有學(xué)者將公路作為動(dòng)物遷徙行為的影響因素進(jìn)行分析，研究表明動(dòng)物的個(gè)體重量、群體聚集和覓食習(xí)慣可以作為非洲有蹄類動(dòng)物遷徙反應(yīng)的預(yù)測(cè)因子（Duffett et al.，2020）。

3 交通廊道對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響

生態(tài)系統(tǒng)功能是由生態(tài)結(jié)構(gòu)和過(guò)程產(chǎn)生的各種功效或作用，主要表現(xiàn)在生物生產(chǎn)、能量流動(dòng)、養(yǎng)分維持等方面。從生物量、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、生態(tài)足跡角度分析交通對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響有助于支撐區(qū)域生態(tài)安全格局的優(yōu)化。

3.1 對(duì)生物量的影響

植被通過(guò)光合作用形成生物量是生態(tài)系統(tǒng)的重要功能之一。生態(tài)系統(tǒng)中可提供生物量資源的類型包括森林、灌木、草地和農(nóng)田，交通建設(shè)直接作用于生態(tài)系統(tǒng)類型和質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，從而對(duì)生物量產(chǎn)生影響。目前，較多的研究聚焦于植被生物量的估算，測(cè)算方式主要有野外調(diào)查和遙感評(píng)估兩種。對(duì)鼎湖山自然保護(hù)區(qū)的植被調(diào)查分析表明，緊鄰道路兩側(cè)群落中的喬木總生物量略高于內(nèi)部, 表現(xiàn)出邊緣的正效應(yīng)，其原因可能是由于靠近道路，植被生存空間較大而種間競(jìng)爭(zhēng)較少（周婷等，2009）。然而，對(duì)西雙版納區(qū)域不同道路寬度的研究表明，地上生物量的差異同時(shí)受土地利用類型、道路寬度和植被到邊緣的距離驅(qū)動(dòng)，較寬道路的邊緣比較窄道路邊緣的地上生物量少（Dissanayake et al.，2019）。基于遙感植被指數(shù)的評(píng)估方法為研究大尺度的交通影響提供可能。對(duì)放牧區(qū)域的研究表明，隨著與公路距離的增加，生物量的影響范圍在100 m以內(nèi)，且隨距離增加生物量變化下降（張陽(yáng)，2020）。鐵路對(duì)生物量的影響主要是施工期對(duì)生產(chǎn)性土地的占用（丁小玲等，2010）。可見(jiàn)，交通建設(shè)對(duì)周邊生態(tài)系統(tǒng)生物量的影響因類型、寬度和時(shí)間而不同，將野外樣方調(diào)查和遙感相結(jié)合有助于對(duì)生物量變化的準(zhǔn)確評(píng)估與預(yù)測(cè)。

3.2 對(duì)碳固定等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響

交通建設(shè)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響主要通過(guò)改變土地利用方式。研究表明，公路建設(shè)永久性占用林地導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性保護(hù)、水源涵養(yǎng)、固碳釋氧、保育土壤等服務(wù)功能降低（陳學(xué)平等，2012）。通常，自然生態(tài)過(guò)程形成的邊緣效應(yīng)將有利于生物多樣性恢復(fù)，從而提高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)；但在交通干擾區(qū)域由于小氣候的變化可能會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)，這取決于邊緣是否為能維持生態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)邊緣（劉龍，2008）。道路等級(jí)是影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要因素之一，通常等級(jí)較高的公路影響較大（陳學(xué)平等，2012；易浪等，2016）。此外，路側(cè)綠化帶建設(shè)有助于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提升，研究表明較寬的綠化帶能提供更多的服務(wù)，包括生物多樣性維持、空氣凈化、水質(zhì)凈化、美學(xué)價(jià)值等（Phillips et al.，2020）。對(duì)京承高速公路的研究表明，其生態(tài)影響域約為3 km，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值主要由森林、農(nóng)田和水域生態(tài)系統(tǒng)提供，建設(shè)后由于耕地的減少和經(jīng)濟(jì)林比例的提高，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值有所提升（楊光，2012）。對(duì)蒙內(nèi)鐵路的研究表明，由于沿線土地利用更多向草地和林地轉(zhuǎn)變，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值在5年間有小幅提升（張雷，2020）。

碳固定服務(wù)與交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)關(guān)系密切，對(duì)公路和鐵路周邊植被固碳量的研究，有助于平衡和減緩因交通建設(shè)和運(yùn)輸導(dǎo)致的碳排放量的增加。不同交通建設(shè)形式對(duì)碳排放量的貢獻(xiàn)通常可采用生命周期法（LCA）進(jìn)行環(huán)境影響分析（Espinoza et al.，2019），生態(tài)系統(tǒng)的固碳效應(yīng)可通過(guò)野外調(diào)查、遙感指數(shù)和模型評(píng)估等方式分析。對(duì)滬寧G42高速公路沿線區(qū)域喬、灌、草固碳量的研究發(fā)現(xiàn)，相比灌草而言，喬木單位面積的固碳能力更強(qiáng)，但部分灌木種類固碳能力超過(guò)喬木，草本的固碳能力在所有種類中均低于喬灌（Fu et al.，2019）。道路周邊固碳量的計(jì)算不僅可與碳排放相結(jié)合，評(píng)估對(duì)局地的影響，也可通過(guò)與空氣擴(kuò)散模型等結(jié)合，揭示碳固定的域外效應(yīng)，從而為碳排放交易等政策的實(shí)施提供更準(zhǔn)確的結(jié)果。

3.3 對(duì)生態(tài)足跡的影響

生態(tài)足跡（ecological footprint）也稱“生態(tài)占用”，是指特定數(shù)量人群按照某一種生活方式所消費(fèi)的生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)，在核算中將所需物質(zhì)轉(zhuǎn)化成生態(tài)生產(chǎn)性的土地面積（Wackernagel et al.，1999）。生態(tài)足跡法是衡量城市交通發(fā)展帶來(lái)生態(tài)環(huán)境壓力的有效指標(biāo)（王中航等，2015）。生態(tài)足跡法可以定量反映出交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中生物資源消費(fèi)、能源消費(fèi)以及污染消納對(duì)生態(tài)環(huán)境所造成影響（宮先達(dá)等，2012）。研究發(fā)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸比公路運(yùn)輸生態(tài)足跡小，具有更好的生態(tài)效率（汪勇，2018）。對(duì)寶漢高速生態(tài)足跡的研究表明，建成后化石能源燃燒和污染物消納的增加超過(guò)了地類變化導(dǎo)致的生態(tài)容量增加，使人均赤字程度加大（宮先達(dá)等，2012）。公路建設(shè)導(dǎo)致的生態(tài)足跡增加可以通過(guò)替代性工程減緩。對(duì)蘇南運(yùn)河航道整治工程前后的研究表明，工程實(shí)施可節(jié)約土地資源，提高區(qū)域生態(tài)容量，提升人均生態(tài)盈余（劉玉倩等，2017）。交通生態(tài)足跡計(jì)算不僅包括直接占用產(chǎn)生的生態(tài)足跡，還包括間接影響的能源足跡（Canadell et al.，2007；王中航等，2015）。對(duì)中國(guó)特大城市研究表明，化石能源間接生態(tài)足跡在城市交通生態(tài)足跡增長(zhǎng)中起主要作用（王中航等，2015）。在傳統(tǒng)生態(tài)足跡模型的基礎(chǔ)上，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值納入生態(tài)足跡模型，可反映區(qū)域人類資源消費(fèi)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的使用（盧小麗，2011）。然而該方法目前較少被用于交通生態(tài)足跡的計(jì)算。綜上，生態(tài)足跡法作為一種有效和靈活的評(píng)估方法，可在評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的基礎(chǔ)上進(jìn)一步區(qū)分直接占用足跡和能源足跡，以增強(qiáng)交通生態(tài)足跡的實(shí)踐指導(dǎo)作用。

4 討論和結(jié)論

4.1 景觀生態(tài)“格局-過(guò)程-功能”理念在交通建設(shè)中的應(yīng)用

景觀生態(tài)學(xué)中對(duì)“格局-過(guò)程-功能”的研究載體是具有異質(zhì)性特征的斑塊鑲嵌體，交通基礎(chǔ)設(shè)施中的線性部分可視為景觀中的人工廊道，其與周邊斑塊的動(dòng)態(tài)變化深刻影響了區(qū)域的生態(tài)過(guò)程及功能。在理論的啟發(fā)下，國(guó)內(nèi)學(xué)者借助該理念研究了不同尺度下城市綠色空間規(guī)劃的模式和方法（閆水玉等，2018），并對(duì)城市綠地系統(tǒng)規(guī)劃理論進(jìn)行深化和應(yīng)用（孫夢(mèng)琪，2017），使得該理念應(yīng)用到指導(dǎo)城市空間規(guī)劃的實(shí)踐中。陸路交通規(guī)劃與城市規(guī)劃和土地利用規(guī)劃關(guān)聯(lián)緊密，一方面空間規(guī)劃引導(dǎo)公路和鐵路規(guī)劃，另一方面交通規(guī)劃及其網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與土地利用產(chǎn)生交互影響，決定著區(qū)域的發(fā)展方向。因此，“格局-過(guò)程-功能”的研究范式可為生態(tài)化交通網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和綠色交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供理論支撐。通過(guò)分析已建和待建交通廊道范圍內(nèi)景觀格局、生態(tài)過(guò)程以及生態(tài)系統(tǒng)功能的變化，可為交通布局和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。

4.2 廊道關(guān)鍵生態(tài)影響識(shí)別

在景觀生態(tài)學(xué)“格局-過(guò)程-功能”視角下，對(duì)3個(gè)組分的關(guān)鍵生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行綜述，可為交通生態(tài)學(xué)的研究提供更系統(tǒng)的支撐。交通廊道對(duì)格局、過(guò)程和功能均產(chǎn)生影響，但其作用機(jī)理不同。格局影響主要表現(xiàn)為直接占用導(dǎo)致的生產(chǎn)性面積下降、對(duì)周邊土地利用類型轉(zhuǎn)化的驅(qū)動(dòng)以及對(duì)景觀格局的干擾；過(guò)程影響主要表現(xiàn)為植物移除造成的植被-土壤-大氣連續(xù)體的破壞、對(duì)動(dòng)物遷徙等行為造成的影響、改變植被和土壤結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的養(yǎng)分流失和水土流失等；功能影響主要表現(xiàn)為生物量的變化、供給和調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的減損、生態(tài)足跡的變化等。相比施工期，交通基礎(chǔ)設(shè)施在運(yùn)營(yíng)期主要對(duì)生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和功能產(chǎn)生影響，其中對(duì)過(guò)程的影響主要表現(xiàn)為土壤和植被的重金屬累積、車(chē)輛運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致的動(dòng)物致死和對(duì)動(dòng)物行為的噪聲干擾、運(yùn)輸過(guò)程中NO增加導(dǎo)致的群落優(yōu)勢(shì)種變化等；對(duì)功能的影響主要表現(xiàn)為運(yùn)輸過(guò)程導(dǎo)致的路域溫度增高、風(fēng)速增大等局地小氣候變化。

4.3 交通生態(tài)效應(yīng)減緩措施

隨著綠色交通全面推進(jìn)，在交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的同時(shí)越來(lái)越注重交通生態(tài)保護(hù)修復(fù)。高速公路建設(shè)中進(jìn)行分層立體綠化修復(fù)生態(tài)和柔化人工構(gòu)造物的設(shè)計(jì)，可以提供自然景觀和動(dòng)物棲息場(chǎng)所（王棟等，2013）。在將植物與邊坡防護(hù)工程有機(jī)結(jié)合時(shí)盡量采用喬灌草多層次植物搭配栽植，根據(jù)不同的坡度，選擇合適的植物種類（劉洋洋等，2019）。在邊坡生態(tài)修復(fù)時(shí)，因地制宜選用厚層基質(zhì)噴播、植物纖維毯、植生袋、灌注型植生卷材、三聯(lián)防護(hù)網(wǎng)等生態(tài)修復(fù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)路域植被恢復(fù)。緩解公路對(duì)野生動(dòng)物影響的措施主要包括設(shè)置動(dòng)物隔離柵、上跨式或下穿式動(dòng)物通道等，在設(shè)計(jì)動(dòng)物通道時(shí)應(yīng)注重通道數(shù)量、位置、類型、尺寸、表面設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和配套設(shè)施等方面的參數(shù)細(xì)化（余小林等，2015）。此外，交通基礎(chǔ)設(shè)施低碳建造、路域碳匯植被建造、生態(tài)敏感區(qū)無(wú)害化穿（跨）越等技術(shù)有助于生態(tài)保護(hù)恢復(fù)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)交通建設(shè)生態(tài)效應(yīng)大多關(guān)注交通建設(shè)產(chǎn)生的負(fù)外部性效應(yīng)，而較少關(guān)注交通設(shè)施建設(shè)過(guò)程中設(shè)計(jì)優(yōu)化和保護(hù)修復(fù)措施產(chǎn)生的正外部性效應(yīng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可用性增強(qiáng)，可以更好地開(kāi)展對(duì)交通建設(shè)的綜合生態(tài)效應(yīng)評(píng)估及其動(dòng)態(tài)變化和預(yù)測(cè)研究。

5 研究展望

交通廊道的建設(shè)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響是多方面的，前人的研究多對(duì)景觀、植被、動(dòng)物、水體等生態(tài)系統(tǒng)不同對(duì)象進(jìn)行分析，而未從交通干擾對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的作用機(jī)制方面進(jìn)行綜述。本研究借助景觀生態(tài)學(xué)研究范式，以“格局-過(guò)程-功能”的視角，分析不同方面的生態(tài)效應(yīng)，對(duì)未來(lái)研究建議如下：

（1）加強(qiáng)交通基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)生態(tài)系統(tǒng)格局、過(guò)程、功能影響的級(jí)聯(lián)分析。已有研究多關(guān)注每個(gè)組分下的生態(tài)效應(yīng)，缺乏對(duì)三者之間相互影響的探討。未來(lái)研究可從交通導(dǎo)致的土地利用變化出發(fā)，評(píng)估土地利用變化及其與生物/非生物因素結(jié)合引起的生態(tài)過(guò)程變化，以及最終導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)功能變化。例如，交通建設(shè)通過(guò)影響地表的入滲和物質(zhì)遷移導(dǎo)致水土過(guò)程的變化，最終影響區(qū)域土壤保持服務(wù)的供給。

（2）加強(qiáng)交通建設(shè)的綜合生態(tài)效應(yīng)分析。已有綜合效應(yīng)的研究通常采用指數(shù)構(gòu)建的方式，計(jì)算時(shí)較多采用經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，結(jié)果強(qiáng)烈依賴于遙感數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)年鑒等數(shù)據(jù)源的準(zhǔn)確性，未與實(shí)際情況相結(jié)合。未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)宏觀與微觀相結(jié)合的生態(tài)綜合效應(yīng)研究，深化研究的指導(dǎo)意義。此外，目前交通廊道在建設(shè)過(guò)程中通常伴有資源節(jié)約集約利用和生態(tài)保護(hù)修復(fù)措施，對(duì)其產(chǎn)生的正效應(yīng)需合理量化以衡量總體效應(yīng)。

（3）加強(qiáng)綜合交通網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)效應(yīng)研究。目前研究多集中在公路、鐵路單方式單向工程的生態(tài)效應(yīng)，而對(duì)廊道內(nèi)不同方式交通基礎(chǔ)設(shè)施之間的相互作用，以及交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)區(qū)域環(huán)境的整體分割、對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響、對(duì)動(dòng)植物生存質(zhì)量的影響的研究較為缺乏。面向綜合交通立體網(wǎng)建設(shè)的需要，亟待發(fā)展融合多源數(shù)據(jù)的評(píng)估方法，深化交通生態(tài)效應(yīng)機(jī)理認(rèn)識(shí)，構(gòu)建基于空間分析和過(guò)程分析的綜合模型，評(píng)估未來(lái)交通建設(shè)帶來(lái)的生態(tài)效應(yīng)，為可持續(xù)生態(tài)交通的建設(shè)提供科學(xué)支撐。

致謝：感謝李齊麗提供的生態(tài)恢復(fù)技術(shù)建議；感謝Kevin Wang博士對(duì)英文摘要的修改。