姚小蘭,周 琳,吳挺勛,任明迅,*

1 海南大學生態(tài)與環(huán)境學院,海南省熱帶生態(tài)環(huán)境修復工程研究中心, 海口 570228 2 涼山州林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設計院, 西昌 615000

海南省是我國唯一同時在建國家生態(tài)文明試驗區(qū)、國家公園和自由貿(mào)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(tài)系統(tǒng)原真性和完整性、生態(tài)系統(tǒng)功能以及區(qū)域生態(tài)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(qū)與關(guān)鍵區(qū)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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)或土地利用類型在空間上呈現(xiàn)不同的分布與組合形式[10],研究區(qū)域景觀格局及動態(tài)變化,評價人類活動影響下的景觀生態(tài)風險,是保障生態(tài)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(guī)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(tài)過程,引起生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能發(fā)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(guī)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(nèi)(圖1)。它在建造初期非常重視生態(tài)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(wěn)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(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)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(tài)影響,是當前海南熱帶雨林國家公園和國家生態(tài)文明試驗區(qū)(海南)迫切需要解決的問題。

本研究根據(jù)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(cè)3 km的范圍進行景觀格局分析,運用GIS技術(shù)、Fragstats和景觀生態(tài)學理論定量評價三個年份的景觀動態(tài)及景觀生態(tài)風險。最后,結(jié)合道路生態(tài)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(tài)對策,為降低高速公路可能的在中長時間尺度上的生態(tài)學影響、開展后續(xù)具體物種的保護和生態(tài)系統(tǒng)服務功能的優(yōu)化與提升提供理論依據(jù)和實踐指導。

1 研究區(qū)概況

結(jié)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(cè)3 km范圍作為研究區(qū)域(圖1)。研究區(qū)域沿著高速公路兩側(cè)3 km進行選取,只要高速公路或其兩側(cè)3 km范圍處于國家公園界內(nèi),就都劃入研究區(qū)域。根據(jù)這一原則,本文研究區(qū)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(jīng)108°44′32″— 110°04′43″。沿線地勢較平坦,海拔130 m—700 m左右。該區(qū)域內(nèi)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(zhèn)(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(wǎng)絡及國家公園地理位置

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)據(jù),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(qū)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(cè)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(shù)

景觀格局指數(shù)能描述景觀格局,建立景觀結(jié)構(gòu)與過程或現(xiàn)象的聯(lián)系,更好地解釋與理解景觀功能[19]。由于單個斑塊景觀指數(shù)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(shù)進行分析(表1)。

斑塊類型的景觀格局指數(shù)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(shù)(LPI)、斑塊密度(PD)、形狀指數(shù)(LSI)、平均分維數(shù)(FRAC_MN)和斑塊內(nèi)聚力指數(shù)(COHESION)。

景觀水平的景觀指數(shù)按照蔓延度(CONTAG)、分離度(SPLIT)、景觀多樣性指數(shù)(SHDI)、景觀均勻度指數(shù)(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(tài)風險

通過景觀干擾度指數(shù)和景觀脆弱度指數(shù),構(gòu)建景觀生態(tài)風險評價模型[20]?；诮庾g斑塊的平均面積,研究區(qū)域被劃分717個800 m×800 m的網(wǎng)格(采樣小區(qū))進行等間距采樣。每個采樣小區(qū)的生態(tài)風險水平通過計算各網(wǎng)格中心點的生態(tài)風險指數(shù)(Ecological Risk Index, ERI)獲得,并在ArcGIS 10.3中利用Kriging插值編制生態(tài)風險程度圖。

3 結(jié)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(xiàn)為林地>耕地> 水域>建設用地>其它道路。最大斑塊指數(shù)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(shù)方面,其它道路>耕地>林地>建設用地>水域。平均分維數(shù)方面,其它道路>林地 = 水域>耕地>建設用地。斑塊內(nèi)聚力指數(shù)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(shù)

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(qū)域)有325.51 hm2,高速公路最大斑塊指數(shù)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(shù)為0.15%,斑塊密度為0.01,景觀形狀指數(shù)和平均分維數(shù)分別為36.63和1.44,斑塊內(nèi)聚力指數(shù)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(tài)

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(shù)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(shù)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(shù)較2013年變化較??；斑塊內(nèi)聚力指數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)變化較?。话邏K內(nèi)聚力指數(shù)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(nèi)聚力指數(shù)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(shù),先降低后增加,整體上降低0.65(表3)。三年的分離度指數(shù)分別為21.83、25.57、30.32(表3),景觀破碎化呈現(xiàn)出逐漸增加趨勢。三年的聚集度指數(shù)變化不大,但景觀多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)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(tài)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(tài)風險

根據(jù)Jenks最佳自然斷裂法[21],將景觀生態(tài)風險區(qū)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(jié)果發(fā)現(xiàn),高速公路兩側(cè)2 km以內(nèi)的區(qū)域,特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)或居民點都屬于較高或中等風險區(qū),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(qū)(圖3)。高速公路的隧道和高架橋路段的生態(tài)風險較低(圖3)。2013、2016和2019年中等生態(tài)風險區(qū)面積占比分別為38.45%、40.21%和33.05%；較高生態(tài)風險地區(qū)面積占比為15.57%、14.81%和26.08%(圖4),主要分布在毛陽鎮(zhèn)、番陽鎮(zhèn)、萬沖鎮(zhèn)、什運鄉(xiāng)和紅毛鎮(zhèn)一帶,以道路和建設用地為主要景觀類型。這兩類區(qū)域加起來,2019年的生態(tài)風險區(qū)域占比(59.13%)顯著高于2016年(55.02%)、2013年(54.02%),景觀生態(tài)風險逐漸增加(圖3)。

4 討論

4.1 景觀動態(tài)

景觀的形成與變化是自然因素及人類活動共同作用的結(jié)果,表現(xiàn)了人類與地球環(huán)境物質(zhì)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(tài)的主要驅(qū)動力,對區(qū)域景觀造成潛在生態(tài)風險[25—28]。道路網(wǎng)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(qū)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(qū)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(cè)生態(tài)系統(tǒng)的隔離作用,較好地維持了生態(tài)系統(tǒng)完整性和景觀連續(xù)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(xù)性與生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)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(qū)域,阻隔了兩側(cè)山地自然生態(tài)系統(tǒng)的連通性,影響到海南熱帶雨林國家公園的生態(tài)完整性和生態(tài)系統(tǒng)服務功能。國道224、五指山連接線(S26)以及從番陽鎮(zhèn)到五指山的高速公路進一步形成密集的道路網(wǎng)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(tài)系統(tǒng)的生態(tài)完整性,值得今后相關(guān)研究與管理實踐加以重視。

4.2 生態(tài)風險

景觀生態(tài)風險是區(qū)域尺度上生態(tài)風險評價的重要內(nèi)容,主要反映人類活動或自然因素影響時,景觀格局與生態(tài)過程相互作用所產(chǎn)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(cè)生態(tài)風險略高,向兩側(cè)越遠,生態(tài)風險值呈階梯狀降低(圖3),這主要是因為道路兩側(cè)分布著紅毛鎮(zhèn)、什運鄉(xiāng)、毛陽鎮(zhèn)、番陽鎮(zhèn)和萬沖鎮(zhèn)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(tài)風險區(qū)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(xù)性,可以較好地維持兩側(cè)的生態(tài)系統(tǒng)連通性。因此,隧道和高架橋部分路段的生態(tài)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(xiàn)了較多的較高風險區(qū)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(tài)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(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流和信息流,最終引起生態(tài)系統(tǒng)服務功能的改變,引發(fā)更高的生態(tài)風險[31—32]。道路的增加,不僅通過景觀尺度改變生態(tài)系統(tǒng)服務,道路及其伴隨著的車流、噪音與道路兩側(cè)污染物積累還可能進一步造成道路的生態(tài)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(fā)現(xiàn),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(cè)發(fā)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(guān)注。

景觀破碎化程度較嚴重,景觀生態(tài)風險較高時,在一定程度上會對生態(tài)系統(tǒng)服務功能如水源涵養(yǎng)產(chǎn)生影響[35]。高速公路穿越段2 km以內(nèi)的地方都屬于中等或較高風險區(qū),這些區(qū)域正位于生態(tài)敏感的海南島“三江源”地區(qū),即海南島最大的三條河流南渡江、昌化江、萬泉河的發(fā)源地和最重要的水源涵養(yǎng)區(qū),也是海南熱帶雨林國家公園水源涵養(yǎng)與水質(zhì)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(qū)域水源涵養(yǎng)和水質(zhì)凈化功能。因此,有必要在今后的研究中選取生態(tài)敏感區(qū)和脆弱區(qū)等關(guān)鍵節(jié)點開展長期生態(tài)監(jiān)測,及時開展生態(tài)恢復,規(guī)避高速公路可能帶來的中長期風險。

4.3 生態(tài)對策建議

高架橋路段和隧道能夠基本維持高速公路兩側(cè)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(tài)風險(圖3)。但是,經(jīng)實地調(diào)研,海南熱帶雨林國家公園高速公路穿越段現(xiàn)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(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),生態(tài)廊道作用和水源涵養(yǎng)潛力等生態(tài)系統(tǒng)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(tài)廊道的作用。

對于長約40 km的高速公路穿越段,現(xiàn)有的2處隧道上方作為維持道路兩側(cè)生態(tài)系統(tǒng)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(cè)的自然生態(tài)系統(tǒng)。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(xiàn)立體式溝通道路兩側(cè)的生境連通性、生態(tài)過程連續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)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(nóng)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(gòu)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(zhì)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(jīng)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(tài)風險稍有增加,但景觀整體格局基本保持穩(wěn)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(qū)域生態(tài)風險。但是,景觀動態(tài)與生態(tài)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?shù)牡攸c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(cè)的生態(tài)系統(tǒng)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(guān)鍵節(jié)點如路網(wǎng)交叉口、重要水源地、隧道上方及下穿涵洞等設立長期監(jiān)測樣點,掌握水文、氣象等基本生態(tài)過程及生境連通性的有效性等,及時掌握生態(tài)系統(tǒng)完整性和生態(tài)服務功能的動態(tài)變化,為保障與提升海南熱帶雨林國家公園生態(tài)系統(tǒng)完整性和生態(tài)系統(tǒng)服務功能等提供依據(jù)。

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(xié)助數(shù)據(jù)分析,向文倩博士生參加野外研究,特此致謝。