易 浪， 潘 登

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410000)

不同等級道路網(wǎng)絡(luò)對常寧市景觀格局生態(tài) 效應(yīng)的影響

易 浪， 潘 登

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410000)

針對常寧市域范圍，利用GIS和Fragstat軟件，通過建立緩沖區(qū)并進(jìn)行情景分析，分析了不同等級道路對景觀格局的影響。結(jié)果表明：常寧市內(nèi)一級道路所影響面積最大，二級道路最小，而影響的斑塊數(shù)目則為三級路>一級路>二級路>高速路，受影響生態(tài)面積為水田>灌木林地>茶園>旱地>其他建筑用地>有林地>水體>住宅用地>其他林地>疏林地>裸地>果園>其他園地，受影響斑塊數(shù)目最高為灌木林地，其次為水田。情景分析表明，隨著道路的建設(shè)，斑塊分維數(shù)升高，但總體上，高等級道路對景觀形狀指數(shù)和斑塊形狀因子升高的貢獻(xiàn)率最小。

道路網(wǎng)絡(luò)； 景觀格局； 生態(tài)遷移； 破碎化

作為重要的干擾源，道路網(wǎng)絡(luò)對景觀格局和生態(tài)過程的影響可能超過了人類活動的任何其他方面[1]。由道路建設(shè)引起的生境破碎化可引起一系列潛在的生態(tài)效應(yīng)，定量分析道路網(wǎng)絡(luò)存在造成破碎化特征和生態(tài)干擾對于道路生態(tài)系統(tǒng)的管理具有現(xiàn)實意義。據(jù)估計，道路網(wǎng)絡(luò)的影響區(qū)域是其所占地面積的15～20倍[2]，道路網(wǎng)絡(luò)對景觀屬性和生態(tài)過程的影響已蔓延到整個景觀。隨著景觀生態(tài)學(xué)的發(fā)展，道路網(wǎng)絡(luò)與景觀格局及生態(tài)過程的關(guān)系成為道路生態(tài)學(xué)研究的熱點問題[3]。目前許多學(xué)者對道路建設(shè)在景觀尺度上的影響進(jìn)行了初步研究[4-8]，并逐漸開始分析道路網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)效應(yīng)的影響。已有研究表明低等級道路有顯著的生態(tài)影響[9-10]，但以往的研究往往忽略低等級道路網(wǎng)對景觀格局的切割及對斑塊間生態(tài)過程遷移的影響，從景觀角度看，低等級道路對區(qū)域的植被景觀影響力不容小覷，在研究道路網(wǎng)對景觀格局的生態(tài)影響時，考慮低等級道路的影響力可以在一定程度上完善不同等級道路對景觀格局的影響程度，更有助于彌補和預(yù)測各等級道路所產(chǎn)生的影響效應(yīng)。

景觀格局往往涉及到多種生態(tài)學(xué)過程。景觀的空間格局影響能量、物質(zhì)以及生物在景觀中的運動。一般而言，種群動態(tài)、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)過程等都不可避免地受到景觀空間格局的制約或某種影響[11-14]。要實現(xiàn)在道路網(wǎng)絡(luò)干擾下景觀格局與生態(tài)過程的耦合，首先要了解區(qū)域內(nèi)景觀屬性發(fā)生了何種變化以及這種變化對生態(tài)過程產(chǎn)生的影響[15]。

1 研究區(qū)概況

常寧市，中國油茶第一市，杉木楠竹之鄉(xiāng)。位于湖南省南部(26°07′—26°36′N，112°07′—112°41′E)，湘江中游右岸，總面積2 046.6 km2。屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤性氣候，地處亞熱帶常綠闊葉林帶，植被類型多種多樣。境內(nèi)已知各類動物200余種。常寧市動植物資源豐富，水、礦產(chǎn)資源儲量大，且三南道路(湘南、贛南、閩南)、S61、衡昆高速公路連接線、益婁衡高速、常茶高速、S320、S214、S317省道以及城內(nèi)道路的存在，對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的干擾，各等級道路對生境的切割、破碎化過程改變了原有景觀格局并間接影響了生態(tài)過程。使得在該區(qū)研究道路建設(shè)作用具有重要現(xiàn)實意義。

2 研究方法

2.1數(shù)據(jù)獲取

本研究所采用的道路矢量數(shù)據(jù)利用常寧市1∶100萬地形圖(2010)數(shù)字化，以1∶25萬中國基礎(chǔ)地理信息中公路圖、中國居民點分布圖和2010年1∶10萬土地利用類型圖作為參考，根據(jù)我國交通部發(fā)布《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2003)》將研究區(qū)道路要素分為4類：高速公路、一級道路、二級道路、三級道路，以無道路干擾的森林景觀作為對照區(qū)域。

2.2數(shù)據(jù)分析

通過量化斑塊面積、數(shù)量和景觀尺度上的破碎化來分析景觀格局的變化；通過計算同類型斑塊之間的平均距離，模擬不同生態(tài)過程下道路網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)遷移的阻隔效應(yīng)。

2.2.1 緩沖區(qū)建立 緩沖區(qū)分析已經(jīng)成為分析人類干擾對生態(tài)環(huán)境格局變化狀況的主要手段之一。本研究通過分析緩沖區(qū)的景觀要素來辨析道路網(wǎng)絡(luò)對景觀格局和過程的影響[8]。本研究采用國際常用標(biāo)準(zhǔn)[16-17]，在ArcGIS支持下，將高速路、一級、二級、三級道路的緩沖(buffer)數(shù)值設(shè)置為1 000 m、500 m、250 m和100 m，構(gòu)建各級道路的緩沖帶，緩沖帶數(shù)值不包含道路本身寬度。

2.2.2 情景分析 利用ArcGIS軟件，將景觀類型分為住宅用地、其他園地、其他建筑用地、其他林地、旱地、有林地、果園、水田、水體、灌木林地、疏林地、茶園、裸地13類(表1)，然后分別設(shè)置無道路、三級道路、二級道路、一級道路和高速公路五種情景，每種情景疊加與之相對應(yīng)的道路網(wǎng)絡(luò)。再用Fragstat3.3統(tǒng)計分析各情景下的景觀格局的變化。

2.2.3 景觀格局分析 道路網(wǎng)絡(luò)的形成對源斑塊疊加，進(jìn)行切割。基于緩沖區(qū)和情景劃分，通過斑塊數(shù)量、面積和分形等特征來反映景觀格局的變化。

2.2.4 生態(tài)過程分析 利用ArcGIS將景觀類型要素轉(zhuǎn)為5 m×5 m的柵格文件。為反映道路網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)過程的阻隔效應(yīng)，采用8鄰規(guī)則，計算同類型斑塊兩兩間的距離，其公式為：

Di=di+Ni

式中：Di——同類型斑塊之間的總距離；

di——斑塊類型i之間的距離，即中心斑塊到與他最近的同類型斑塊之間的直線距離；

Ni——斑塊類型i的數(shù)目。

景觀形狀指數(shù)(Landscape Shape Index，LSI)是在景觀尺度上計算板塊整體的形狀規(guī)則程度，正方形為基準(zhǔn)，當(dāng)形狀為正方形時，LSI≥1，形狀越不規(guī)則，LSI越大，其計算公式為：

表1 景觀類型劃分Tab1 Landscapeclassificationscheme一級類型二級類型含義耕地水田用于種植水稻、蓮藕等水生農(nóng)作物的耕地旱地?zé)o灌溉設(shè)施，主要靠天然降水種植旱生農(nóng)作物的耕地林地有林地樹木郁閉度≥02的喬木林地，包括紅樹林地和竹林地灌木林地灌木覆蓋度≥40%的林地疏林地樹木郁閉度≥01、<02的林地其他林地包括未成林地、跡地、苗圃等林地園地果園種植果樹的園地茶園種植茶樹的園地其他園地種植桑樹、杜仲、棕櫚、胡椒、藥材等的園地建筑用地住宅用地用于生活居住的各類房屋用地及其附屬設(shè)施用地其他建筑用地除居民點以外的建設(shè)用地水域水體陸地水域，海涂，溝渠、水工建筑物等用地其他土地裸地基本無植被覆蓋或表層為巖石、石礫覆蓋面積≥70%的土地

式中：E——同質(zhì)板塊邊界總長度，0.25是正方形校正常數(shù)；

A——景觀總面積。

分形維數(shù)(Fractal Dimension，F(xiàn)D)用來度量板塊形狀的復(fù)雜程度，其計算公式為：

式中：P——斑塊的周長；

A——斑塊的面積；

K——常數(shù)。

由于景觀區(qū)域?qū)ι鷳B(tài)遷移的過程有一定的承載能力，故可以通過設(shè)定不同的遷移距離來模擬不同生態(tài)過程發(fā)生的情景，本研究設(shè)置1 500 m、2 000 m、5 000 m和8 000 m四個遷移距離。

式中：R——生態(tài)遷移路徑總數(shù)；

Rn——第個類型斑塊的生態(tài)遷移路徑數(shù)；

h——遷移距離。

面積加權(quán)的平均形狀因子(AWMSI)在斑塊級別上等于某斑塊類型中各個斑塊的周長與面積比乘以各自的面積權(quán)重之后的和；在景觀級別上等于各斑塊類型的平均形狀因子乘以類型斑塊面積占景觀面積的權(quán)重之后的和。當(dāng)AWMSI=1時說明所有的斑塊形狀為最簡單的方形；當(dāng)AWMSI值增大時說明斑塊形狀變得更復(fù)雜，更不規(guī)則。其計算公式為：

式中：n——某斑塊類型所擁有的斑塊數(shù)量；

P——斑塊的周長；

A——斑塊的面積；

q——各斑塊各自的面積權(quán)重，該值由軟件根據(jù)每個斑塊的面積自主生成。

3 結(jié)果與分析

3.1不同等級道路網(wǎng)絡(luò)景觀格局的差異

利用ArcGIS的Clip命令，使各級道路的緩沖區(qū)域分別對景觀環(huán)境進(jìn)行切割，得到不同等級道路影響域內(nèi)景觀要素圖層，統(tǒng)計各影響域的總面積及斑塊數(shù)量。

比較各級道路影響生態(tài)系統(tǒng)面積大小(圖1a)可以看出，一級道路影響的生態(tài)系統(tǒng)面積最大，三級路最低。這主要和道路的長度和緩沖區(qū)設(shè)定的距離有關(guān)，三級道路的總距離雖長，但其緩沖區(qū)距離最小，故影響的生態(tài)系統(tǒng)面積最小。圖1b顯示，道路修建影響的斑塊數(shù)目則為一級道路>二級道路>三級道路>高速公路，說明總體上一級路網(wǎng)的存在對景觀的影響程度最大。

圖1 不同等級道路影響的生態(tài)系統(tǒng)面積(a) 和斑塊數(shù)量(b)Fig.1 The ecosystem area and patch number influenced by different road grade

圖2a顯示的是不同等級道路建設(shè)對不同土地利用類型影響的斑塊數(shù)目，圖2b顯示的是不同類型等級道路影響不同類型的面積之間的對比。從圖中可知，總體上受道路影響最大的斑塊面積為水田，其次為灌木林地，茶園和建筑用地；從受影響的斑塊數(shù)目來看，灌木林地最高，其次為水體，水田和茶園，不同道路的影響趨勢相近。結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，由于常寧市山地和丘陵占全市面積的65.5%，地勢起伏較大，道路穿越較多的灌木林地，而同時由于三級道路網(wǎng)絡(luò)分化最細(xì)，對斑塊分布和切割最為明顯，所以總體上來看，一級道路影響的面積最大，而三級道路影響的斑塊數(shù)量最多。同時還能看出，從斑塊數(shù)量的角度比較，受影響的建筑類用地面積較低，說明較之其他土地類型，建設(shè)用地在道路兩側(cè)呈現(xiàn)分散式分布。

3.2不同等級道路網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)破碎化比較

為反映道路網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)系統(tǒng)破碎化的影響，選取斑塊的面積加權(quán)的平均形狀因子、分形維數(shù)和景觀形狀指數(shù)三個指標(biāo)來定量表征生態(tài)系統(tǒng)及其生境破碎化程度。從指數(shù)的景觀生態(tài)學(xué)意義上，形狀因子大小反映了斑塊的形狀規(guī)則程度，分形維數(shù)是表征空間尺度范圍內(nèi)的形狀復(fù)雜性的重要指標(biāo)，景觀形狀指數(shù)則反映了斑塊的聚合離散程度。

圖2 不同等級道路對不同類型斑塊數(shù)量(a)和面積(b)的影響Fig.2 Comparison of patch number(a)and area(b)of different land use types affected by different road grade

圖3 不同情景下生態(tài)系統(tǒng)斑塊景觀形狀指數(shù)、分形維數(shù)和形狀因子的變化趨勢Fig.3 The change trend of LSI，AWMSI and FD under different road scenarios

從圖3可以看出，在沒有道路建設(shè)的情景下，空間內(nèi)的景觀形狀指數(shù)為29.7，疊加道路網(wǎng)絡(luò)情景后，景觀形狀指數(shù)均有所升高，各情景的景觀形狀指數(shù)變化趨勢為三級路>二級路>一級路>高速路，趨同于形狀因子的變化。說明隨著道路的建設(shè)，景觀內(nèi)斑塊的聚集程度增高，且形狀變得更不規(guī)則。分形維數(shù)的變化反映了隨著道路等級的升高，景觀空間總體形狀變的更復(fù)雜，表明人類活動的干擾隨之增強。情景分析對比表明，低等級道路對區(qū)域內(nèi)斑塊聚集度和形狀規(guī)則性的變化貢獻(xiàn)率最大，而總體上高速路的貢獻(xiàn)率最小。這是由于低等級道路呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化狀況，居民的生活生產(chǎn)等活動發(fā)生的強度、頻率和聚集度最高，而高等級道路在早期仍然為線狀分布的格局，其切割作用與區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)破碎化影響較小。

3.3道路網(wǎng)絡(luò)對生態(tài)過程遷移的影響

道路網(wǎng)絡(luò)除了對源斑塊進(jìn)行直接切割，降低其生態(tài)承載力，還可通過間接的阻礙作用影響不同生態(tài)過程的遷移。本研究利用不同生態(tài)過程在同類型斑塊間的遷移擴散距離，分析道路網(wǎng)絡(luò)作用對生態(tài)過程遷移的影響。

總體上，道路對源斑塊的破碎使得小型斑塊增多，增加了生態(tài)過程可采取的路徑數(shù)，也增加了遷移的中間過程，與無道路情景相比，景觀中可通過的路徑數(shù)從5 356條增加到39 233條。對比不同道路情景，隨著遷移擴散能力的增強，生態(tài)過程遷移可采取的路徑數(shù)減少，高等級道路對生態(tài)遷移的阻隔也更明顯，道路網(wǎng)絡(luò)的存在導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)斑塊破碎化對遷移擴散能力較弱的生態(tài)過程(h=1 500 m，h=2 000 m)的影響較高，而對遷移擴散能力較強的生態(tài)過程(h=5 000 m，h=8 000 m)較低。

圖4 道路網(wǎng)絡(luò)對不同生態(tài)過程在斑塊之間遷移擴散的影響Fig.4 Effect of road networks in on the migration of ecological processes between patches

4 結(jié)論與討論

不同等級道路網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)效應(yīng)是道路生態(tài)學(xué)研究的重點，尤其是景觀格局和生態(tài)過程的耦合，低等級道路的生態(tài)效應(yīng)是目前人們關(guān)注的熱點。本研究在市域范圍內(nèi)，針對道路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的負(fù)效應(yīng)，在景觀尺度下，利用斑塊數(shù)量和形狀特征，模擬不同生態(tài)過程的遷移擴散情景，對道路網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)效應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：與高等級道路相比，低等級道路對區(qū)域景觀格局的改變和生態(tài)系統(tǒng)的破碎更為強烈，進(jìn)而使小型斑塊高度聚集，改變了源斑塊的空間分布，道路網(wǎng)絡(luò)的疊加增加了遷移擴散的路徑，但同時也增多了生態(tài)過程發(fā)生的中間環(huán)節(jié)。短距離生態(tài)過程的遷移路徑由于斑塊破碎化的增加而增加，而長距離生態(tài)過程的遷移路徑則由于中間環(huán)節(jié)的增加而減少。

研究結(jié)果表明，利用幾何最鄰近距離(Euclidean Nearest Neighbor Distance)定量分析生態(tài)遷移在同類型斑塊間的擴散與利用最小耗費距離模型量化阻隔效應(yīng)相比，可以觀測到生態(tài)過程在特定斑塊類型間進(jìn)行遷移擴散時的情景，結(jié)合ArcGIS對斑塊類型進(jìn)行特定的劃分和合并，還可模擬生態(tài)過程在多種類型斑塊間遷移時較為復(fù)雜的情景，同時由于研究集中于道路的影響域內(nèi)，可以較其他研究方法更為精準(zhǔn)地排除其他干擾因素對景觀格局、生態(tài)系統(tǒng)破碎化和生態(tài)過程遷移的影響，將道路網(wǎng)絡(luò)對景觀格局的影響力權(quán)重最大化。同時，根據(jù)研究結(jié)果可知，低等級道路造成的破碎化程度往往要稍高與高速公路，其主要原因在于高速公路的規(guī)劃往往是經(jīng)過多次論證，并且道路的路線規(guī)劃是經(jīng)過了仔細(xì)的實地勘測、盡量避免了生態(tài)脆弱區(qū)，施工完畢后也會對周邊進(jìn)行一定的綠化，而低等級道路，尤其是三級道路及以下的道路網(wǎng)絡(luò)，其建設(shè)與規(guī)劃考慮的側(cè)重點往往只有便捷性，至于其環(huán)保、效率、有序等方面則考慮甚少，也就造成了低等級道路網(wǎng)在城市規(guī)劃時與當(dāng)?shù)氐耐恋乩梅绞疆a(chǎn)生了沖突，其結(jié)果必然是生態(tài)環(huán)境遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動受阻，故在城市道路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時，首先應(yīng)該對欲建設(shè)區(qū)域的土地利用方式或覆蓋類型做出全面細(xì)致的調(diào)研，將區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)作為一個整體考慮，在選擇道路路線時，不應(yīng)僅考慮其便捷性，而應(yīng)綜合考慮道路在建設(shè)過程中及建設(shè)后對景觀格局造成的破碎程度，采取科學(xué)的模擬手段預(yù)測不同道路規(guī)劃方案后對生態(tài)系統(tǒng)造成的負(fù)面影響，擇取最優(yōu)方案，以保證道路的設(shè)計合理、科學(xué)，使其交通的安全、通暢、環(huán)保、有序、便捷及其效率達(dá)到最高。

[1] KAREIVA P.Roads and ecology[J].Trends in Ecology & Evolution，2001，16(8)；430.

[2] FORMAN R T T，DEBLINGER D R.The ecological road-effect zone of a Massachusetts(U.S.A)suburban highway[J].Conservation Biology，2000，14(1)：36-46.

[3] 汪自書，曾輝，魏建兵，等.道路生態(tài)學(xué)中的景觀生態(tài)問題[J].生態(tài)學(xué)雜志，2007，26(10)：1665-1670.

[4] Merrill T，Mattson D J，Wrighy R G，etal.Defining landscapes suitable for restoration of grizzly bearsUrsusarctosin Idaho[J].Biological Conservation，1999，87：231-248.

[5] Forman R T T，etal.Road traffic and nearby grassland bird patterns in a suburbanizing landscape[J].Environmental Management，2000，29：782-800.

[6] 蔣依依.旅游地道路生態(tài)持續(xù)性評價——以云南省玉龍縣為例[J].生態(tài)學(xué)報，2011，31(21)：6328-6337.

[7] 史培軍，陳晉，潘耀忠等.深圳市土地利用變化機制分析[J].地理學(xué)報，2000，55(2)：151-160.

[8] 張鐿鋰，閻建忠，劉林山等.青藏公路對區(qū)域土地利用和景觀格局的影響——以格爾木至唐古拉山段為例[J].地理學(xué)報，2002，57(3)：253-266.

[9] 擺萬奇，張永民，閻建忠，等.大渡河上游地區(qū)土地利用動態(tài)模擬分析[J].地理研究，2005，24(2)：206-212.

[10] 李月輝，胡遠(yuǎn)滿，李秀珍，等.道路生態(tài)研究進(jìn)展[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2003，14(3)：447-452.

[11] Turner M G.Landscape ecology in North America：Past，present，and future[J].Ecology，2005，86：1967-1974.

[12] Turner M G.1989.Landscape ecology：The effect of pattern on process.Annual Review of Ecology and Systematic[J]，Ecology，1989，20；171-197.

[13] 董寧，韓興國，鄔建國，等.內(nèi)蒙古鄂爾多斯市城市化時空格局變化及其驅(qū)動力[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2012，23(4)：1097-1103.

[14] 王巍，馬克平，高賢明，等.東靈山地區(qū)脊椎動物對遼東櫟堅果捕食的時空格局[J].植物學(xué)報，2000，42(3)：289.

[15] 呂一河，陳利頂，傅伯杰，等.景觀格局與生態(tài)過程的耦合途徑分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2007，26(3)：1-10.

[16] 李雙成，許月卿，周巧富，等.中國道路網(wǎng)與生態(tài)系統(tǒng)破碎化關(guān)系統(tǒng)計分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2004，23(5)：78-85.

[17] 富偉，劉世梁，崔保山，等.基于景觀格局與過程的云南省典型地區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)生態(tài)效應(yīng)[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2009，20(8)：1925-1931.

EcologicaleffectsofdifferentgraderoadnetworkonlandscapeinChangningCity

YI Lang， PAN Deng

(Central South University of Forest and Technology， Changsha 410000， China)

Using GIS and Fragstats to establish a buffer，the landscape pattern and ecological process responded to different grade roads in Changning City were analyzed in the paper.The result shows that the first grade road has affected the biggest area， and the second grade road has affected the smallest area.The sequence of affected patch number is the third grade roads>the first grade roads>the second grade roads>highway.For the different ecosystems，the effect shows the area order is paddy field>shrub land>tea garden>dry land>other building land>forest land>body of water>residential land>other forest land>open forest land>bare land>orchard>other garden and patch number is shrub land>paddy field.Scenario analysis showed that road network development result in the increase of patch complexity and landscape fragmentation.The average patch area decreases while the patch number and fractal dimension increase with the actualization of road construction and planning，but the expressway affects little in general.

road network； landscape pattern； ecological migration； fragmentation

2015-12-08

中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金資助項目(CX2015A03)，湖南省研究生創(chuàng)新項目(CX2015B287)。

易 浪(1988-)，女，湖南省岳陽市人，碩士，主要從事景觀生態(tài)研究。

X 820.3

A

1003 — 5710(2016)02 — 0081 — 06

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 02. 015

(文字編校：楊 駿)