蔣愛萍,靳甜甜,張麗萍,李倩雯,朱博然,張 迪

1 中國水利水電科學研究院,北京 100038 2 山東科技大學地球科學與工程學院,青島 266590 3 河海大學水文水資源學院,南京 210009

道路建設在促進區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展的同時,通過直接改變原有生態(tài)系統(tǒng)、間接增強人類活動進而改變原有生態(tài)系統(tǒng)的途徑對周圍生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[1—2]。植被凈初級生產(chǎn)力(NPP)是植被所固定的有機碳中扣除本身呼吸消耗的部分,是表征陸地生態(tài)過程的關鍵參數(shù),也是陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展評價的重要指標[3—5]。因此,定量評估道路建設對NPP的影響對于掌握線性工程生態(tài)環(huán)境影響,進行社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)安全權衡具有一定現(xiàn)實意義。相對于直接影響,道路建設帶來的間接影響更不容忽視。在人類活動向自然生態(tài)系統(tǒng)滲透的過程中,道路起到了血管作用,成為物質輸送的最重要通道,各種人類活動也不斷地被引入和疊加。道路工程在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時,也會對周圍生態(tài)系統(tǒng)結構和功能產(chǎn)生一定影響[6—7]。道路網(wǎng)絡化引起景觀破碎化,使生態(tài)系統(tǒng)水文連通性受阻、流域徑流過程受到影響等[8—9],這些影響也是道路工程對NPP影響的潛在途徑。除評估道路建設的直接影響,在一定空間范圍內評估道路建設帶來的其他活動對生態(tài)系統(tǒng)格局和過程產(chǎn)生的影響也有一定必要性。相對于常用的道路密度和緩沖區(qū)的計算方法,道路核密度(KD)引入搜索半徑代表道路影響域,KD函數(shù)代表隨距離增加道路影響衰減的模式,能更客觀地反映道路建設的影響,并可反映不同道路建設的疊加效應[10—12]。

西南地區(qū)是我國森林和水資源等自然資源最為豐富的地區(qū),也是我國重要的生態(tài)屏障區(qū)[13]。但是該地區(qū)地形起伏大、生態(tài)系統(tǒng)敏感、脆弱,日益增強的人類活動成為影響該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要因素,尤其是城市化發(fā)展、重大工程建設等成為其生態(tài)安全的潛在威脅[14—15]。本研究基于西南地區(qū)2016年道路網(wǎng)絡、2015年NPP數(shù)據(jù),利用KD估算方法、借助ArcGIS平臺,研究西南地區(qū)道路建設對NPP的影響,以期為該地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)安全權衡提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

西南地區(qū)包括四川、云南、貴州、廣西、重慶五省以及西藏和青海的部分縣市。該地區(qū)深居內陸,地勢西高東低,地形崎嶇不平,地貌復雜多樣,是我國喀斯特和冰川地貌分布最廣泛的區(qū)域[16]。由于地形地貌的限制,長期以來西南地區(qū)交通運輸發(fā)展緩慢,制約了其經(jīng)濟發(fā)展。隨著新一輪西部大開發(fā)、“一帶一路”、長江經(jīng)濟帶及精準扶貧等政策的實施,西南地區(qū)社會經(jīng)濟水平得到明顯提升。2011—2018年西南地區(qū)各省(區(qū)、市)經(jīng)濟平均增速大幅高于全國平均增速[17]。而在這一過程中,交通路網(wǎng)的改善起著重要支撐作用。目前,西南地區(qū)現(xiàn)已形成以鐵路、公路為主的交通網(wǎng)絡體系[18]。

1.2 研究方法

1.2.1數(shù)據(jù)來源

西南地區(qū)NPP數(shù)據(jù)來自于中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所提供的2015年西南地區(qū)月度凈初級生產(chǎn)力生態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)集,NPP的估算由植物吸收的光合有效輻射和實際光能利用率表示[19]。道路數(shù)據(jù)采用的是2016年全國電子地圖中的道路網(wǎng)絡(包括地鐵、高速、國道、鐵路、九級路、省道、縣道、城市快速路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)村道、其他道路)。

1.2.2道路KD估算方法

道路KD估算首先需要定義分辨率,并按照確定的分辨率將矢量道路圖層柵格化處理,再計算空間上任意一個柵格的KD。KD估算方法為：首先,定義搜索半徑；其次,以此柵格為圓心以設定的搜索半徑為半徑畫圓找出落在圓內所有道路的柵格；再次,通過核函數(shù)計算出每個道路柵格對該柵格的密度貢獻值；最后,將該柵格搜索半徑范圍內所有道路柵格對該柵格的密度貢獻值累加即為該柵格的KD。KD估算中常用的核函數(shù)為Rosenblatt-Parzen核估計[20—21]。在KD估算中,搜索半徑的選擇對于計算結果影響較大：搜索半徑越大,空間上點密度變化越光滑,生成的結果更抽象從而掩蓋密度結構；搜索半徑越小,密度變化越突兀不平,能展示更多的細節(jié)[21]；在具體的應用中,應根據(jù)不同需求,選取合適的搜索半徑。本研究根據(jù)線性工程特點和以往道路影響域的研究[22—25],以0.5km為搜索半徑來分析西南地區(qū)路網(wǎng)KD特征,基于此分析NPP與道路KD的關系。

2 結果與分析

2.1 西南地區(qū)道路KD分布

西南地區(qū)大部分區(qū)域道路KD為零,非零區(qū)域的道路KD也較低(圖1)。道路KD為零的區(qū)域約占研究區(qū)總面積的79.8%,大部分位于西藏、青海、四川西部、貴州和云南的西北部,這些地區(qū)處于青藏高原或者青藏高原的東部和東南邊緣,人類活動強度較小；研究區(qū)道路KD(km/km2)最大值為47.3(圖2),出現(xiàn)在成都、德陽一帶。非零區(qū)域中,道路KD在(0.0,5.0]范圍內的區(qū)域約占研究區(qū)總面積的17.8%,占道路KD非零區(qū)域的88.4%；道路KD在(5.0,36.0]范圍內的區(qū)域面積隨道路KD的增加,柵格數(shù)(面積)明顯減少；道路KD大于36.0的面積已極小(圖1)。

圖1 2016年西南地區(qū)道路核密度(KD)頻率分布圖Fig.1 Frequency distribution map of road Kernel density (KD) in southwest China in 2016

西南地區(qū)道路KD空間分布不均,呈現(xiàn)出東高西低的特征(圖2)。道路KD較高的地區(qū)主要分布在交通路網(wǎng)復雜的東部地區(qū),包括四川、重慶、貴州、云南和廣西等地,這些地區(qū)也是道路KD“熱點”(道路KD較高)出現(xiàn)最多的地區(qū),而西部地區(qū)如西藏和青海部分地區(qū)道路KD較低。圖2中成都市、德陽市和綿陽市中心道路KD分別為25.3、16.4、16.3,是西南地區(qū)路網(wǎng)較為密集的地區(qū)；圖2中遵義市、保山市和香格里拉市代表西南地區(qū)道路密度中等的城市,其市中心道路KD分別為13.1、12.5、11.1；圖2中那曲市、扶沖村、南木村中心道路KD分別為7.2、3.5和1.9,代表偏遠城市、村莊和偏遠小村莊的道路密集程度。

圖2 2016年西南地區(qū)道路KD分布圖(搜索半徑0.5km,分辨率50m)Fig.2 Distribution map of road KD in southwest China in 2016 (Search radius is 0.5km,resolution is 50m)

2.2 不同土地覆被下道路KD與NPP的關系分析

道路KD非零區(qū)域不同土地覆被類型面積百分比為：林地(43.7%)>耕地(37.1%)>草地(12.1%)>人工表面(4.6%)>濕地(2.1%)>其他(0.4%)。隨著道路KD的增大,林地、草地、耕地等受人類干擾較低的土地覆被面積百分比逐漸降低,而人工表面面積百分比比例迅速升高,特別是當?shù)缆稫D大于21.0后,土地覆被基本為人工表面(圖3和圖4)。

圖3 西南地區(qū)土地覆被面積累積百分比隨道路KD的變化Fig.3 The cumulative percentage of land cover area varied with road KD in southwest China

圖4 西南地區(qū)土地覆被面積隨道路KD的變化Fig.4 land cover area varied with road KD in southwest China

不同土地覆被下,道路KD和NPP之間呈現(xiàn)不同關系模式(圖5)。隨著道路KD的升高,林地、耕地和人工表面經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段、線性變化階段、發(fā)散階段；草地、濕地和其他土地覆被(包括裸巖、裸土、戈壁、沙漠、苔蘚/地衣等)經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段、升高穩(wěn)定階段、發(fā)散階段；隨著道路KD的逐漸增大,NPP變幅逐漸增加,系統(tǒng)呈現(xiàn)較大不穩(wěn)定性。

圖5 不同土地覆被下NPP隨道路KD的變化Fig.5 Changes of NPP with road KD under different land coverNPP：植被凈初級生產(chǎn)力 Net primary productivity；圖中豎線條表示n條道路交叉核密度最大值(n=1,2,…,24)

2.3 不同縣域分區(qū)道路KD與NPP的關系分析

西南地區(qū)地形、交通、經(jīng)濟、人口空間異質性較大,地形平坦的地區(qū)往往交通便利、經(jīng)濟發(fā)展程度高、人口密度大。道路密度間接反映了一個地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展對自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度。本文利用西南地區(qū)縣級行政區(qū)劃和道路KD,計算縣級行政區(qū)道路KD平均值,并在ArcGIS平臺下利用聚類分析將研究區(qū)縣級行政區(qū)根據(jù)道路KD平均值分成5個分區(qū),分區(qū)1—分區(qū)5的道路KD平均值遞增,各分區(qū)的道路KD范圍如圖6所示。

圖6 西南地區(qū)2016年道路KD分區(qū)Fig.6 Road KD zoning map of southwest China in 2016

分區(qū)1包括西藏、青海南部、四川西部、云南西北部,位于青藏高原及其東部邊緣,土地覆被類型以草地為主(圖7)。分區(qū)1中道路KD與NPP的關系(圖8)與2.2中土地覆被類型為草地時道路KD與NPP的關系相似：相對穩(wěn)定階段后,隨道路KD增大NPP呈波動上升趨勢,當?shù)缆稫D超過3條道路交叉的道路KD最大值時,隨道路KD增大NPP不斷降低。在該分區(qū),相對穩(wěn)定階段后中度干擾情況下NPP反而增加,但隨道路KD的進一步增大,NPP變幅增加的同時其值迅速降低。分區(qū)2主要包括云南中西部地區(qū)、東部的文山壯族苗族自治州,四川的雅安市、宜賓市、樂山市、達州和廣元等,土地覆被以林地和耕地為主(圖7)。在分區(qū)2,道路KD較低時,隨道路KD增大NPP呈略微下降趨勢,之后經(jīng)歷小幅增加后迅速近線性降低,之后發(fā)散。分區(qū)3和分區(qū)4包括廣西、貴州大部分地區(qū),重慶、四川和云南東部等地區(qū)。這兩個分區(qū)隨道路KD增大NPP變化呈相似規(guī)律,相對穩(wěn)定階段后,NPP線性降低,且變幅增加。分區(qū)5主要包括成都市、德陽市及貴州中部少部分地區(qū),是研究區(qū)道路最為密集的區(qū)域。隨道路KD增大NPP變化規(guī)律與分區(qū)3和分區(qū)4相近,但相對穩(wěn)定階段NPP明顯低于分區(qū)3和分區(qū)4。

圖7 西南地區(qū)2016年土地覆被分區(qū)Fig.7 Land cover zoning map of southwest China in 2016

圖8 不同道路KD分區(qū)下NPP變化Fig.8 Changes of NPP under different road KD zones

3 討論

3.1 不同土地覆被下道路對NPP的影響分析

不同土地覆被類型下,道路KD與NPP的關系呈不同模式,但也具有一定的共同特征。首先,在道路KD較低區(qū)域,不同土地覆被均經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段,而這一階段一般以一條或兩條道路交叉道路KD最大值為分界點。NPP是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要指標,可表征生態(tài)系統(tǒng)活力和健康[26—27],而干擾環(huán)境下NPP的變化則反映了生態(tài)系統(tǒng)在干擾脅迫下的抵抗力和恢復力,是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)[28—29]。道路KD較低時,不同土地覆被下NPP均出現(xiàn)相對穩(wěn)定階段,說明各類土地覆被下生態(tài)系統(tǒng)均具有一定穩(wěn)定性。林地、耕地和人工表面穩(wěn)定性更強,可在道路KD小于4.1時保持NPP的相對穩(wěn)定；而草地、濕地和其他土地覆被在道路KD大于2.1后,NPP出現(xiàn)急劇變化。從道路KD與NPP關系來看,面對道路干擾,林地、耕地和人工表面相比于草地、濕地和其他土地覆被具有更強穩(wěn)定性。其次,在道路KD較高區(qū)域NPP趨于發(fā)散,可能由道路建設之后兩側人類干擾類型多樣化引起。如道路兩側行道樹的種植、綠地公園的修建、有坡度地區(qū)道路修建后水流的阻斷使道路靠近上坡位一側水分增加等均會顯著彌補道路修建的直接和間接干擾帶來的NPP的降低,而道路建設后永久性建筑物的擴張、裸露地面的增加等均會使NPP明顯降低[30—31]。此外,道路KD越大,景觀破碎化越嚴重,平均斑塊面積越小,單個柵格內包含不同土地覆被類型等,也會增加相同道路KD下NPP的異質性[32]。

相對穩(wěn)定階段后,不同土地覆被間道路KD與NPP之間關系差異最大,隨道路KD增加：林地、耕地和人工表面三種土地覆被類型NPP近線性降低,草地、濕地和其他土地覆被類型NPP有突然升高的過程,且較平穩(wěn)。這可能與草地、濕地和其他土地覆被類型主要分布在西部地區(qū),而這些地區(qū)在有道路建設的地方一般水源條件比較好有關。此外,居住在附近的人類對植被的管理等均會促進植被NPP的升高[33]。

在六種土地覆被類型中,人工表面NPP與道路KD之間關系規(guī)律性較強,具體表現(xiàn)為：隨道路KD增大,NPP從相對穩(wěn)定階段過渡到線性降低階段,且NPP的標準差在六種土地覆被中最小,直到道路KD>24.0之后,NPP與道路KD之間關系才呈現(xiàn)明顯發(fā)散趨勢。耕地和林地NPP與道路KD之間關系規(guī)律性僅次于人工表面；其他土地覆被NPP與道路KD之間關系規(guī)律性最弱(圖5)。其他土地覆被包含多種類別,未受干擾狀態(tài)下其NPP差異較大,而受干擾之后穩(wěn)定性也各不相同,因此呈現(xiàn)出較大變異。

3.2 西南地區(qū)道路建設對NPP影響的區(qū)域特征

在不同分區(qū)下,NPP隨道路KD的增加呈現(xiàn)不同特征。除分區(qū)1外,分區(qū)2—分區(qū)5中NPP隨道路KD增大均經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段、線性變化階段、發(fā)散階段,且NPP均呈現(xiàn)相對穩(wěn)定段>線性變化段>發(fā)散段的規(guī)律,說明在這些區(qū)域,道路工程修建帶來的直接和間接影響顯著降低了周圍土地覆被的NPP。在分區(qū)1,NPP隨道路KD增大呈先波動升高,相對穩(wěn)定變化后降低再發(fā)散,其相對穩(wěn)定階段的道路KD范圍較其他分區(qū)均要小,且隨道路KD增大NPP降低的速率比其他分區(qū)大(圖8)。分區(qū)1位于青藏高原及其東部邊緣,土地覆被以草地為主,該區(qū)域道路KD與NPP的關系和土地覆被為草地時二者關系相一致。高興川等[34]研究表明,青藏高原地區(qū)交通網(wǎng)絡的連接率從1976年以來從1.8逐漸上升到2016年的2.1,這反映了該地區(qū)交通網(wǎng)絡的持續(xù)拓展。道路KD為(0.0,5.0]時,隨道路KD增大,該地區(qū)NPP波動增加,說明適度干擾下生態(tài)系統(tǒng)NPP較穩(wěn)定,中度干擾類型有利于NPP的升高,出現(xiàn)這種情況的原因可能有：首先,道路密集的區(qū)域往往是生態(tài)環(huán)境條件較好的區(qū)域；其次,道路建設后行道樹的栽種、道路密集區(qū)水資源的引入可改善周圍植被狀況[35]。此外,分區(qū)1生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱,當?shù)缆稫D進一步增大,一旦超過生態(tài)承受范圍,會導致NPP的急劇減少。由圖8可知,分區(qū)2—分區(qū)4道路建設對NPP的影響大致相同,未受干擾區(qū)域NPP值也相近,這主要是因為這些地區(qū)分布在云南大部分區(qū)域、四川東部、重慶、貴州和廣西地區(qū),這些地區(qū)氣候均屬于亞熱帶季風型,水熱條件相似。此外,這些地區(qū)道路建設水平相近,尤其是分區(qū)2和分區(qū)3,其道路KD范圍相近,分別為0—32.7、0—31.8。

4 結論

本文利用KD估算方法、借助ArcGIS平臺研究了西南地區(qū)不同土地覆被、道路KD分區(qū)下NPP隨道路KD的變化情況,得到如下結論：

(1)在搜索半徑0.5km下,西南地區(qū)道路KD范圍為[0.0,47.3],其中道路KD為零區(qū)域約占研究區(qū)總面積的79.8%,主要分布在西藏、青海、四川西部、貴州和云南的西北部；道路KD為(0.0,5.0]的區(qū)域占道路KD非零區(qū)域的88.4%；道路KD“熱點”主要分布在東部地區(qū),除成都、重慶、貴陽、南寧、昆明等城市外,區(qū)域大部分地區(qū)道路密度仍處于較低水平。

(2)在中低道路干擾條件下,林地、耕地和人工表面穩(wěn)定性更強,可在道路KD小于4.1時保持NPP的相對穩(wěn)定,而草地、濕地和其他土地覆被在道路KD大于2.1后,NPP出現(xiàn)急劇變化；高強度道路干擾下NPP趨于發(fā)散,可能由道路建設之后兩側人類干擾類型多樣化引起。

(3)除單位面積道路KD較小的分區(qū)1外,其他分區(qū)(分區(qū)2—分區(qū)5)NPP隨道路KD的增加總體呈降低趨勢,且變異性逐漸增加,經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段、線性變化階段、發(fā)散階段。

綜上,不同的區(qū)域植被NPP隨道路KD的增大呈不同變化模式,這主要是因為不同地區(qū)道路建設對植被的影響受自然因素和人為因素的共同作用,如自然背景、土地覆被組成和人類活動強度等。本研究結果表明：在六種土地覆被類型中,草地、濕地等土地覆被類型對道路建設較為敏感,在生態(tài)敏感性和脆弱性較高的西部地區(qū),道路建設帶來的影響與東部地區(qū)截然不同。因此,在進行道路建設時,應根據(jù)不同的地區(qū)制定適宜的保護方案。