道路交通發展的區域社會-生態效應評估*
——基于甘肅省的實證分析

蔣經民

（蘇交科集團股份有限公司規劃研究院，江蘇 南京 210000）

0 引言

道路設施建設歷來都是世界各國優先發展的基礎設施項目之一。楊新軍等[1]認為道路交通網絡作為區域人口、資源和信息等流動的通道，對于推動區域經濟一體化、城鄉融合發展與鄉村振興等具有重要支撐作用。同時，道路作為人類活動與地理環境系統相互作用的耦合界面，道路交通發展必然對區域社會、經濟和生態等要素產生顯著影響，并存在復雜互饋關系。因而成為交通地理、景觀生態、區域經濟等領域學者關注的重要命題。然而，由于道路系統和區域地理環境系統的復雜性，以往對于道路設施建設效應評估的研究多集中于社會、經濟或生態環境單一方面，而對宏觀區域尺度社會-經濟-環境綜合效應的定量研究仍然較少。唐紅林等[2]、王子僑等[3]認為近期源于生態學和復雜性理論的社會-生態系統理論可為其綜合效應評估提供思路。

根據王帥等[4]、唐紅林等[5]研究成果，社會-生態系統可以理解為人類與環境相互作用形成的具有復雜性、非線性、不確定性和多層嵌套等特性的耦合系統。Cumming[6]將復雜社會-生態系統加以分解，突出系統要素特點及其之間相互作用，為評估基礎設施建設利用不同資源而在某種程度上引起社會-生態系統多重變化提供了視角。Holling[7]進一步將社會-生態系統解構為社會、經濟和生態三個亞系統。其中，對道路交通發展的生態系統影響研究多集中于2 個內容：一是基于景觀生態學方法探討道路建設對區域生態系統的影響。Fu 和Liu[8]Cumming[9]、Imbernon 和Branthomme 研究認為，道路交通發展導致生態景觀分割、干擾、破壞和退化等負面影響，尤其對于森林和草地景觀影響最為深刻。二是從生物棲息視角進行分析，Forman和Alexander、Trombulak 和Frissell[12]等通過實地調查或遙感反演，開展道路建設對生物棲息地變化的影響分析。對經濟系統的影響集中于宏觀區域和微觀農戶兩個尺度，鞠晴江[13]和儲成龍等[14]研究認為道路基礎設施建設促進了四川省經濟增長和農戶脫貧。

甘肅省由于其“西北-東南”走向的狹長地形，以及內賦高原、丘陵、戈壁、沙漠等多種地貌形態，道路交通網絡對其資源配置（優化）與社會經濟快速發展具有更為顯著的支撐作用。但是道路交通發展與沿線區域社會資源、經濟資源之間的聯動效應仍然不明顯，這對甘肅省社會經濟發展形成制約。鑒于此，文章借鑒社會-生態系統與道路生態學相關理論，運用空間自相關、格蘭杰因果檢驗和景觀生態指數等方法，分析甘肅省道路交通網絡空間格局，并評估道路交通發展的社會-生態效應，為其未來道路交通發展和“路衍經濟”開發政策制定提供理論指導和幫助。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

甘肅省位于32°11′～42°57′ N，92°13′～108°46′E，處黃土高原、青藏高原與內蒙古高原的交匯地帶。其西北與新疆維吾爾自治區接壤，西南與南部分別與青海、四川兩省毗鄰，東南與陜西省接壤，東部為寧夏回族自治區和內蒙古自治區，面積為42.58×104km2。截至2021 年末，常住人口為2 490.02 萬人，國內生產總值為10 243.3億元。

其狹長地形對其社會經濟發展產生不利影響，制約著社會經濟與自然資源等要素在空間上的流動和聚集。而道路交通的發展對促進甘肅全域資源要素的流動具有重要正向影響。首先，根據“點—軸系統”理論，道路建設有助于區域經濟要素向道路沿線聚集，促進沿線區域發展；其次，在區域尺度上將實現全域資源的優化配置，促進產業結構調整；此外，農村公路的建設促進農村剩余勞動力的轉移和農產品的輸出，可能對區域農戶收入增長也具有正向貢獻。因此，在“一帶一路”倡議背景下，實施道路交通與區域發展的聯動效應研究對道路交通網絡空間布局優化與促進甘肅省社會經濟快速發展均具有重要意義。

1.2 數據來源

數據主要來源于社會經濟統計數據和遙感信息數據。其中，社會經濟統計數據主要來自于《甘肅省統計年鑒》（1990—2020年）以及各市州2020年統計年鑒和統計公報。遙感信息數據主要是土地利用數據和道路網絡數據，其中土地利用數據來自于自然資源部發布的2000—2020 年30 m 全球地表覆蓋數據集（http:∕∕globallandcover.com∕）；道路網絡數據來自于全國地理信息資源目錄服務系統1∶25萬全國基礎地理數據庫（https:∕∕www.webmap.cn∕）。此外，人口數據來源于第七次全國人口普查數據。

2 研究方法

2.1 空間自相關

空間自相關可揭示數據的空間依賴和空間異質性，以及探測變量的空間關聯性和集聚特征，分為全局空間自相關和局部空間自相關[15]。全局Moran’s I計算公式為[16]：

式中：I為全局Moran 指數；n為5 km×5 km 空間格網數量；xi和xj分別為格網單元i、j的道路網絡密度；xˉ為平均路網密度；Wij是格網地理單元i、j的空間關系測度。

全局空間自相關不能確切表示集聚或異常發生的具體空間位置，因此，為分析甘肅省全域格網地理單元空間關聯及差異程度，采用局部空間自相關方法深入分析，其表達式為[17]：

空間自相關檢驗的標準化統計Z為：

式中：E（I）、Var（I）分別為Z（I）的期望值和變異系數；正的Ii表示高值被高值所包圍（高—高），或低值被低值所包圍（低—低）；負的Ii表示低值被高值所包圍（低—高），或高值被低值所包圍（高—低）。

2.2 格蘭杰因果檢驗

道路建設與區域經濟增長、減緩貧困之間具有密切關聯。借鑒已有研究成果，在省域層面選取國內生產總值（GDP），在個體層面選取農民人均收入為經濟亞系統指標，運用格蘭杰因果檢驗方法識別道路交通網絡與經濟增長的因果關系。該方法由Granger和Sims提出，可以有效檢驗經濟現象之間的因果關系，在計量經濟領域得到了廣泛應用[18]。計算公式如下：

式中：RSS2為施加約束時的殘差平方和；RSS1為沒有施加約束時的殘差平方和；n為樣本容量；k為最大滯后階數，根據AIC 和SC 準則確定為1。F統計量檢驗結果判斷如下[19]：

當F＞Fα時，拒絕原假設，說明x有助于預測y；

當F＜Fα時，接受原假設，說明x不能預測y。

2.3 景觀格局指數

已有成果從區域尺度和道路沿線區域尺度2個方面出發，探討了道路建設對景觀生態的影響。在宏觀區域尺度，生態景觀的變化受多種因素影響，因而其對道路交通發展的生態影響評估結果存在局限性。文章借鑒相關成果[20-21]，以高速公路、普通國省干道和縣鄉公路沿線500 m、500 m 和200 m 區域為研究對象，評估道路建設的生態效應。并選取斑塊數量、斑塊面積、景觀破碎度指數和蔓延度指數進行定量測度。其中，景觀破碎度指數反映景觀被分割的破碎程度和景觀空間結構的復雜性，計算公式為[22]：

式中：LFIi代表第i類土地類型景觀破碎度指數，NPi為第i類土地類型斑塊數量，CAi為第i類土地類型斑塊總面積。

景觀蔓延度指數是指景觀中不同斑塊類型的團聚程度或延展趨勢，高蔓延度值證明景觀中的某種優勢斑塊類型形成了良好的連接性；反之則表明景觀是具有多種要素的密集格局。計算公式為：

式中：CONTAG代表蔓延度指數，Pi為i類斑塊面積比例，gik為i類斑塊和k類斑塊相毗鄰的數量，m為道路沿線景觀中斑塊類型數量。

3 結果分析

3.1 道路交通網絡空間格局

研究利用ArcGIS 10.2 軟件提取道路網絡密度，并根據自然斷點法將道路密度分為低密度、較低密度、中等密度、較高密度和高密度5個等級。結果顯示，低密度區與較低密度區主要分布于甘南州、隴南市等高山丘陵區，慶陽市等黃土溝壑區以及酒泉市、武威市等戈壁荒漠區。中等及以上密度區域主要分布于蘭州市、天水市、臨夏州和定西市4 個地區。整體而言，甘肅省道路網絡呈現“東南密，西北疏”的空間格局，并有一條“東南—西北”走向的中低道路密度線聯動全域（圖1a）。

為進一步識別道路密度空間特征，對其進行空間自相關分析。全局自相關Morans′I指數為0.16，z得分和顯著性分別為73.85 和p=0.00＜0.05，表明道路密度在地理格網單元上呈現“高—高”或“低—低”集聚特征。其次實施局部自相關分析，除甘南州和隴南市外，其余市、州級政府駐地，道路密度均呈現“高—高”聚集態勢，其中，以蘭州和天水2個地區聚集程度最高。而“低—高”聚集區主要集中于蘭州城市建成區周邊區域，這與蘭州市“兩山夾一河”的地貌條件緊密相關。在其余地區，均不存在集聚特征（圖1b）?？梢妳^域道路密度與政治、經濟和地理等要素具有密切聯系，在部分地區比較密集，而在其他區域分布稀疏。

3.2 道路交通發展的社會—生態效應

3.2.1 道路交通發展的社會效應

在社會層面，選取2000—2020 年人口數量、醫療床位數、城鎮化率、男女性別比、非農業人口數量和輸轉城鄉富余勞動力數量6個指標與道路里程進行Person相關分析。結果見表1，除人口數量外，其余指標均通過了顯著性檢驗，且Person相關系數均在0.80以上，證明道路交通發展對區域社會系統產生了重要影響。

表1 道路里程與社會系統指標的相關性

首先，由于城鄉之間基礎設施、生活水平等差異形成的拉力，以及鄉村農業勞動力剩余、農業經濟收益較低等推力，城鎮化處于快速增長的階段，而道路交通的發展促進了城鄉之間人口流動強度，區域城鎮人口從603.93 萬人上升至1 306.28 萬人，城鎮化率從24.01%增加至52.23%；其次，醫療衛生基礎設施均等化空間格局有賴于道路設施的發展，而甘肅省道路交通的發展促進了區域醫療設備的完善，醫療機構床位數從23.63萬張上升至71.12萬張；此外，在農民工“候鳥”式進城務工的背景下，道路基礎設施的建設和完善將擴大務工人數規模和務工空間距離，表現為輸轉城鄉勞動力數量的增加，其可能會對輸入地基礎設施服務、醫療和教育等方面產生壓力。最后，道路里程與男女性別比的Person相關系數為-0.961，可能是因為道路網絡的完善使背景下人口大量流動，但也表現出男性勞動力的流動數量大于女性的特征[23]，因而該區域的性別比呈現逐漸下降的態勢。

3.2.2 道路交通發展的經濟效應

從1990—2020 年，甘肅省道路里程從3.47×104km 增加至15.60×104km，增長了4.90 倍。利用Eviews 11 軟件識別道路交通發展與經濟增長的因果關系。首先將道路里程、GDP和農民人均純收入分別記為：LROAD、LGDP 和LINCOME，并分別進行單位根檢驗（ADF），結果顯示其滿足格蘭杰因果分析平穩性要求。格蘭杰因果檢驗結果表明，道路基礎設施的建設是區域經濟增長的格蘭杰原因，說明1990 年以來甘肅省大規模道路基礎設施的建設有助于經濟要素的集聚，并有效地促進了區域經濟發展，甘肅省GDP從1990年的242.80億元增加至2020年的9 016.70億元，增加了37.13倍。但經濟增長卻未促進道路基礎設施的建設。與農民人均純收入的格蘭杰因果檢驗結果表明，道路設施的建設有效增加了農民人均純收入，即道路建設對區域減貧、脫貧具有重要貢獻，農民人均純收入從430.98元增加至10 344.30 元，增加了24.03 倍。而農民人均純收入的增加對道路設施建設并沒有貢獻（表2）。

表2 道路交通與區域經濟增長的關系

3.2.3 道路交通發展的生態效應

甘肅省土地覆被類型有9大類，分別為耕地、林地、草地、灌木林、濕地、水體、裸地、人造地表、冰川和永久積雪用地。而2000—2020 年土地利用變化表明（圖2），道路、居住用地等人造地表面積增加明顯，而草地和耕地等面積逐步下降。

圖2 甘肅省2000—2020年土地覆被變化

為進一步識別道路交通發展與生態景觀之間的關系，以2020 年道路網絡數據為基礎，按高速公路、普通國省干道和縣鄉道兩側500 m、500 m 和200 m 作緩沖區。并將提取結果引入Fragtats 4.2 軟件計算景觀格局指數。結果表明：人工地表用地斑塊數量從4 275 個增加至7 255 個，面積從60 418.47 hm2增加至174 742.3 hm2；耕地斑塊從18 203 個上升至23 022 個，但面積卻減少61 579.8 hm2；灌木林斑塊數量從6 189個減少至4 059個，面積從7 561.19 hm2下降至3 699.01 hm2；草地斑塊數量從47 601個下降至37 174 個，面積減少56 797.4 hm2；林地斑塊從14 989 個上升至18 223 個，面積增加了49 577.7 hm2。而CONTAG從58.66 下降至55.11（表3）。以上結果表明，道路建設占據了沿線區域耕地和灌木林地，同時吸引居民點在沿線聚集，因而增加了耕地、灌木林地和人工地表的景觀破碎化程度，但卻未使草地和林地的景觀破碎程度增加。同時在整體道路沿線區域景觀尺度上卻削弱了各斑塊類型連接度，使其更為破碎化。

表3 甘肅省2000年和2020年景觀格局指數

4 結論與討論

4.1 結論

（1）甘肅省道路網呈現“東南密，西北疏”的空間格局，并在市（州）級行政駐地（城市）顯現“高—高”聚集態勢，其中以蘭州、天水兩市最為顯著。

（2）甘肅省道路基礎設施的建設對區域社會—生態系統產生了重要影響。其中，對社會系統的影響主要表現為非農業人口數量、城鎮化率、輸轉城鄉勞動力數量和醫療床位數的增加，以及男女性別比的下降。對經濟系統的影響在于道路交通的發展對區域經濟增長和減緩貧困具有顯著貢獻。而對生態系統的影響主要表現為道路建設增加了耕地、灌木林地和人工地表的景觀破碎化程度，并在整體道路沿線區域景觀尺度上削弱了各斑塊類型連接度。

4.2 討論

交通系統和社會-生態系統是2 個存在非線性作用的復雜系統，而且道路作為人類活動和地理環境相互作用的耦合界面，其對區域社會-生態系統存在多要素和跨尺度影響特征。文章在省域層面，嘗試將道路系統和局域社會-生態系統予以關聯，實現對道路交通發展綜合效應（結果）的評估，拓展了對道路基礎設施建設結果評估的內容。甘肅省受其狹長地形、多類地貌的影響，道路交通發展對區域資源聯動和社會經濟發展具有重要支撐作用，并將有助于實現脫貧攻堅和鄉村振興有效銜接。同時，“路衍經濟”（通過對公路沿線經濟要素集聚、擴散而衍生出的新的經濟形態）作為甘肅省著力打造的千億級產業集群之一，因而開展道路交通發展的社會-生態效應研究可為地方政府相關決策提供理論指導與幫助。未來研究應對道路系統與局域社會-生態系統之間的相互作用予以重點關注，并實現定量化探討，推動道路交通與區域社會經濟協同發展。