海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段景觀動態與生態風險評估

姚小蘭,周 琳,吳挺勛,任明迅,*

1 海南大學生態與環境學院,海南省熱帶生態環境修復工程研究中心, 海口 570228 2 涼山州林業調查規劃設計院, 西昌 615000

海南省是我國唯一同時在建國家生態文明試驗區、國家公園和自由貿易港的省份。國家公園是我國自然保護地體系的主體[1],對維護生態系統原真性和完整性、生態系統功能以及區域生態安全具有重要意義[2—4]。海南熱帶雨林國家公園位于全球性的生物多樣性保護熱點地區與關鍵區域[5—6],擁有我國分布最集中和最完好的連片熱帶雨林和完整的熱帶植被垂直帶譜[7—8]。海南熱帶雨林國家公園的設立主要是保護熱帶雨林生態系統和海南長臂猿(Nomascushainanus)等重要物種的繁衍與種群恢復[9]。景觀格局是不同的生態系統或土地利用類型在空間上呈現不同的分布與組合形式[10],研究區域景觀格局及動態變化,評價人類活動影響下的景觀生態風險,是保障生態安全的基礎[11],有助于海南熱帶雨林國家公園的保護修復與規劃管理。

人類活動如道路修建等因素會影響不同土地利用類型的空間配置,改變生態過程,引起生態系統結構與功能發生變化[10]。海南島的高速公路建設增長迅猛,特別是2018年9月底通車的中線高速公路全長129 km、寬26 m,是迄今為止海南單條投資規模最大、建設里程最長的高速公路[12]。中線高速公路在海南熱帶雨林國家公園設立之前就已修建完成,約有長達40 km的路段穿越在國家公園境內(圖1)。它在建造初期非常重視生態保護,道路選址進行了認真論證,道路兩旁退耕還林和動土面及時綠化保障了中線高速公路的景觀狀況基本穩定[12]。但是,高速公路等大型道路可能影響到景觀連通性變化和生態系統完整性的變化,并逐漸累積車流及道路徑流帶來的生境隔離及污染等,存在中長期時間尺度上的潛在影響[13—16]。國家公園設立之后對生物多樣性保護和生態系統服務功能提出了更高的要求,如何降低未來較長時間的生態影響,是當前海南熱帶雨林國家公園和國家生態文明試驗區(海南)迫切需要解決的問題。

本研究根據中線高速公路的建造時間,選取2013年(高速公路未建)、2016年(高速公路在建)和2019年(高速公路全線貫通),針對高速公路兩側3 km的范圍進行景觀格局分析,運用GIS技術、Fragstats和景觀生態學理論定量評價三個年份的景觀動態及景觀生態風險。最后,結合道路生態學理論以及海南熱帶雨林國家公園的特點,提出相應的生態對策,為降低高速公路可能的在中長時間尺度上的生態學影響、開展后續具體物種的保護和生態系統服務功能的優化與提升提供理論依據和實踐指導。

1 研究區概況

結合海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段的地形、地勢和土地利用等特征,以及高速公路一般的影響距離,本研究選取高速公路兩側3 km范圍作為研究區域(圖1)。研究區域沿著高速公路兩側3 km進行選取,只要高速公路或其兩側3 km范圍處于國家公園界內,就都劃入研究區域。根據這一原則,本文研究區域的高速公路穿越段共長約60 km(圖1),地理范圍大致位于北緯18°33′16″ — 19°14′16″、東經108°44′32″— 110°04′43″。沿線地勢較平坦,海拔130 m—700 m左右。該區域內土地利用類型包括道路(高速公路、國道與省道等其他道路)、耕地(含裸地)、森林(天然林和人工林)、水域、城鎮(建筑用地)等[17]。

圖1 海南熱帶雨林國家公園與高速公路穿越段Fig.1 The map of Hainan Rainforest National Park and the expressway crossing section 左圖示海南島高速公路網絡及國家公園地理位置

2 研究方法

2.1 數據獲取

選取2013、2016和2019三年分別代表高速公路的修建前、修建中及修建完成三個時間段。利用ArcGIS 10.3經圖像鑲嵌融合、幾何校正等影像預處理從Google Earth得到的影像數據,空間分辨率為1 m×1 m。對海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段的土地利用類型進行解譯、勾繪,將該區域景觀類型劃分為道路、林地、耕地、水域和建設用地5個類型。

2020年5月,自駕車到達高速公路兩側對景觀類型及其分布進行實地驗證和矯正。景觀類型與分布面積總體分類精度高于85%,符合研究的需求[18]。

2.2 景觀格局指數

景觀格局指數能描述景觀格局,建立景觀結構與過程或現象的聯系,更好地解釋與理解景觀功能[19]。由于單個斑塊景觀指數的貢獻較小,本研究選取斑塊類型和景觀兩個水平的景觀格局指數進行分析(表1)。

斑塊類型的景觀格局指數按照如下方法計算[18]：針對5個斑塊類型,每個斑塊類型選取如下6個指標,即斑塊類型面積(CA)、最大斑塊指數(LPI)、斑塊密度(PD)、形狀指數(LSI)、平均分維數(FRAC_MN)和斑塊內聚力指數(COHESION)。

景觀水平的景觀指數按照蔓延度(CONTAG)、分離度(SPLIT)、景觀多樣性指數(SHDI)、景觀均勻度指數(SHEI)和聚集度(AI)5個指標進行計算與分析。以上計算均在Fragstats 4.3中進行。

2.3 景觀生態風險

通過景觀干擾度指數和景觀脆弱度指數,構建景觀生態風險評價模型[20]。基于解譯斑塊的平均面積,研究區域被劃分717個800 m×800 m的網格(采樣小區)進行等間距采樣。每個采樣小區的生態風險水平通過計算各網格中心點的生態風險指數(Ecological Risk Index, ERI)獲得,并在ArcGIS 10.3中利用Kriging插值編制生態風險程度圖。

3 結果與分析

3.1 斑塊類型特征

海南中線高速公路穿越段面積最大的景觀類型是林地和耕地,其次是水域和建設用地,高速公路和其它公路面積最小(圖2、表2)。2013年,景觀斑塊類型面積表現為林地>耕地> 水域>建設用地>其它道路。最大斑塊指數方面,林地>耕地>水域>其它道路>建設用地。斑塊密度方面,耕地>林地>建設用地>水域>其它道路。景觀形狀指數方面,其它道路>耕地>林地>建設用地>水域。平均分維數方面,其它道路>林地 = 水域>耕地>建設用地。斑塊內聚力指數方面,林地>其它道路>耕地>水域>建設用地。

表1 選取的景觀格局指數

圖2 海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段的景觀類型Fig.2 Landscape types of the expressway crossing section in Hainan Rainforest National Park

2016年,中線高速公路正在修建,高速公路斑塊面積(含高速公路和周邊動土區域)有325.51 hm2,高速公路最大斑塊指數為0.32%。其它斑塊類型指標與2013年變化趨勢基本一致。

2019年,高速公路穿越段已全線貫通運行,高速公路斑塊面積為168.97 hm2,最大斑塊指數為0.15%,斑塊密度為0.01,景觀形狀指數和平均分維數分別為36.63和1.44,斑塊內聚力指數則為99.72。其它斑塊類型指標與2016和2013年變化趨勢基本一致(表2)。

3.2 景觀動態

2013至2016年,高速公路、其他道路、耕地、建設用地和水域的斑塊面積增加,林地2016年較2013年斑塊面積減少3763.84 hm2；最大斑塊指數上,其他道路和耕地均降低,其他景觀類型均增加；斑塊密度上,中線高速公路、其他道路、林地、建設用地和水域均增長,耕地斑塊密度減少0.15；景觀形狀指數上,高速公路、建設用地和水域有所增長,其他景觀均降低；平均分維數較2013年變化較小；斑塊內聚力指數上,林地和耕地、其他道路、建設用地和水域均降低(表2)。

表2 海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段的斑塊類型特征

2019年與2016年比較,林地斑塊類型面積增長2252.05 hm2,但其它景觀類型指標均呈下降趨勢；各類斑塊的最大斑塊指數均降低；斑塊密度上,林地和耕地分別增長0.15、1.21,其它景觀類型均下降；景觀形狀指數上,高速公路、其它道路、林地和耕地均增加,增幅為12.29、12.23、2.26和18.13,建設用地和水域減少0.83和1.62；平均分維數變化較小；斑塊內聚力指數上,其它道路、林地和耕地分別降低0.01、0.01和0.2,高速公路斑塊內聚力指數降低0.07,水域增加0.01(表2)。

3.3 景觀尺度特征

2013、2016、2019年的景觀蔓延度指數,先降低后增加,整體上降低0.65(表3)。三年的分離度指數分別為21.83、25.57、30.32(表3),景觀破碎化呈現出逐漸增加趨勢。三年的聚集度指數變化不大,但景觀多樣性指數與均勻度指數均呈現出在2016年略有增加、2019年有所下降的格局(表3)。

表3 海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越路段景觀尺度特征

圖3 海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段不同等級生態風險的分布和比例Fig.3 Distribution and proportion of different degrees of ecological risks of the expressway crossing section in Hainan Rainforest National Park

3.4 景觀生態風險

根據Jenks最佳自然斷裂法[21],將景觀生態風險區分為5個等級：無風險(0.2476≤ERI<0.396)、較低風險(0.396≤ERI<0.4733)、低風險(0.4733≤ERI<0.5454)、中等風險(0.5454≤ERI<0.6017)、較高風險(0.6017≤ERI<0.7021)。

結果發現,高速公路兩側2 km以內的區域,特別是鄉鎮或居民點都屬于較高或中等風險區,約2 km以外的邊緣林地或耕地等屬于無風險和較低風險區(圖3)。高速公路的隧道和高架橋路段的生態風險較低(圖3)。2013、2016和2019年中等生態風險區面積占比分別為38.45%、40.21%和33.05%；較高生態風險地區面積占比為15.57%、14.81%和26.08%(圖4),主要分布在毛陽鎮、番陽鎮、萬沖鎮、什運鄉和紅毛鎮一帶,以道路和建設用地為主要景觀類型。這兩類區域加起來,2019年的生態風險區域占比(59.13%)顯著高于2016年(55.02%)、2013年(54.02%),景觀生態風險逐漸增加(圖3)。

4 討論

4.1 景觀動態

景觀的形成與變化是自然因素及人類活動共同作用的結果,表現了人類與地球環境物質與能量交互作用[22—24]。較小時間尺度上的人類活動是景觀動態的主要驅動力,對區域景觀造成潛在生態風險[25—28]。道路網建設是一類非常重要的人類活動,影響著全球陸域面積15%—20%的區域[15]。海南中線高速公路的修建與運營一定程度上改變了景觀類型的面積、比例及空間分布格局(圖2、3),但目前道路周邊景觀連通度的降幅較小、破碎化程度增幅趨勢不大(表3、圖3),中線高速公路目前沒有對景觀造成明顯影響。這可能是因為海南中線高速公路在貫穿熱帶雨林國家公園區域,使用了較多高架橋和隧道[5,9,12],降低了高速公路對兩側生態系統的隔離作用,較好地維持了生態系統完整性和景觀連續性。

值得注意的是,雖然當前海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段的景觀連續性與生態系統完整性較好,但是道路及其帶來的道路徑流、空氣污染與氣流擾動、外來物種擴散等,有可能通過長期累加效應,在較長時間尺度上影響到生態系統完整性和景觀連通性[15,27—28]。另外,海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段與昌化江河谷并行約40 km、共6次跨越昌化江[12]。寬達26 m的中線高速公路路面可能與昌化江河谷形成了一個更大隔離效應的區域,阻隔了兩側山地自然生態系統的連通性,影響到海南熱帶雨林國家公園的生態完整性和生態系統服務功能。國道224、五指山連接線(S26)以及從番陽鎮到五指山的高速公路進一步形成密集的道路網絡,導致海南熱帶雨林國家公園景觀破碎化程度增加,影響到生態系統的生態完整性,值得今后相關研究與管理實踐加以重視。

4.2 生態風險

景觀生態風險是區域尺度上生態風險評價的重要內容,主要反映人類活動或自然因素影響時,景觀格局與生態過程相互作用所產生的不利影響[29—30]。海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段的道路緊鄰兩側生態風險略高,向兩側越遠,生態風險值呈階梯狀降低(圖3),這主要是因為道路兩側分布著紅毛鎮、什運鄉、毛陽鎮、番陽鎮和萬沖鎮等人口聚居點,景觀類型以建設用地和各類道路為主,破碎化程度較大。低生態風險區多分布在高速公路2 km以外,以林地和大片耕地為主。由于高速公路的隧道和高架橋路段在一定程度上維持了景觀連續性,可以較好地維持兩側的生態系統連通性。因此,隧道和高架橋部分路段的生態風險較低(圖2、圖3)。

中線高速公路在2018年9月全線通車,2019年出現了較多的較高風險區域(圖3)。這表明,高速公路可能存在一定的中長期時間尺度的生態風險。研究表明,景觀分離度增加、破碎化程度加劇,會影響生態系統物質流、能量流和信息流,最終引起生態系統服務功能的改變,引發更高的生態風險[31—32]。道路的增加,不僅通過景觀尺度改變生態系統服務,道路及其伴隨著的車流、噪音與道路兩側污染物積累還可能進一步造成道路的生態隔離效應,阻斷擴散能力弱的物種如草本植物和兩棲爬行類動物等的遷移與基因流[14,16]。我們的前期研究發現,海南島特有植物盾葉苣苔(Metapetrocosmeapeltata)、煙葉報春苣苔(Primulinaheterotricha) 以及馬鈴苣苔屬(Oreocharis)植物在昌化江河谷(高速公路穿越段)兩側發生了顯著的遺傳分化[33,34]。高速公路有可能與昌化江河谷一起形成了更高強度的隔離作用,限制了這些植物的擴散與基因流,需要在今后的珍稀物種保育中給予關注。

景觀破碎化程度較嚴重,景觀生態風險較高時,在一定程度上會對生態系統服務功能如水源涵養產生影響[35]。高速公路穿越段2 km以內的地方都屬于中等或較高風險區,這些區域正位于生態敏感的海南島“三江源”地區,即海南島最大的三條河流南渡江、昌化江、萬泉河的發源地和最重要的水源涵養區,也是海南熱帶雨林國家公園水源涵養與水質凈化功能的核心地帶(圖1)。高速公路帶來的水、土、氣等方面污染的長期累積,可能影響到該區域水源涵養和水質凈化功能。因此,有必要在今后的研究中選取生態敏感區和脆弱區等關鍵節點開展長期生態監測,及時開展生態恢復,規避高速公路可能帶來的中長期風險。

4.3 生態對策建議

高架橋路段和隧道能夠基本維持高速公路兩側的生境連通性,可以在一定程度上降低高速公路造成的生境隔離與破碎化,降低生態風險(圖3)。但是,經實地調研,海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段現有2處隧道上方的植被都是橡膠林、檳榔林等人工林,林分極為簡單,缺乏健康的生態系統結構,生態廊道作用和水源涵養潛力等生態系統服務功能極為有限。建議對隧道上方的植被適當進行林下灌木叢、草本層的恢復,增加喬木物種多樣性,提高植被蔭蔽度和資源可獲得性,提升隧道上方作為生態廊道的作用。

對于長約40 km的高速公路穿越段,現有的2處隧道上方作為維持道路兩側生態系統完整性和景觀連通性遠遠不夠。建議選擇合適地方增建隧道式高架林地,種植本土植被,連通兩側的自然生態系統。在溪谷與濕地附近的高速公路穿越段,適當增加下穿涵洞,促進兩棲與爬行類動物的遷移和濕生植物的繁殖體擴散。通過橫跨高速公路的高架林地和下穿涵洞,實現立體式溝通道路兩側的生境連通性、生態過程連續性和生態系統完整性[36—38]。

另一方面,海南島雨季(每年5—10月)的降雨非常大,極容易將高速公路路面的污染物沖刷到周邊的土壤和水系,引起農田或水體污染,加劇高速公路形成的生境隔離效應。為降低道路徑流對路基地面的沖刷和減輕污染物的蔓延,可用引流水管和導流渠將道路徑流匯聚到磚石修建的水柜或水塘進行儲存和凈化處理(圖4)。這些水塘和水柜底部鋪設不同大小的沙礫,栽種重金屬富集能力和氮磷吸收能力較強的濕生植物,構建維護成本極低的人工濕地(圖4)。人工濕地的植物吸收、基質吸附、微生物降解等多重途徑[39—40]可以凈化道路徑流和截留重金屬。這一措施已經在高速公路穿越段部分路段開始實施(圖4),取得了良好效果。

圖4 海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段的道路徑流處理Fig.4 Road runoff treatments in expressway crossing section in Hainan Rainforest National Park

總之,海南熱帶雨林國家公園的高速公路穿越段林地和耕地景觀破碎化程度略微加劇,景觀生態風險稍有增加,但景觀整體格局基本保持穩定。隧道、高架林地以及已有的道路徑流的人工濕地處理等有效降低了區域生態風險。但是,景觀動態與生態風險的變化趨勢表明,高速公路穿越段的生境隔離作用及其伴隨的噪音、污染等,可能存在長期累積作用,在較長時間尺度上具有潛在的影響。建議在適當的地點增設隧道式高架林地和下穿涵洞等,更好地維持高速公路穿越段兩側的生態系統完整性和生境連通性；適當增加收集與處理道路徑流的沉淀池與人工濕地,降低道路帶來的污染和外來物種擴散等；并在關鍵節點如路網交叉口、重要水源地、隧道上方及下穿涵洞等設立長期監測樣點,掌握水文、氣象等基本生態過程及生境連通性的有效性等,及時掌握生態系統完整性和生態服務功能的動態變化,為保障與提升海南熱帶雨林國家公園生態系統完整性和生態系統服務功能等提供依據。

致謝：海南大學楊小波老師和美國加利福尼亞大學河濱分校李百煉老師提供建議和幫助,海南大學余瑞博士和凌少軍博士協助數據分析,向文倩博士生參加野外研究,特此致謝。