曾琬瑩，謝夢晴，王倩娜

(四川大學 建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065)

黨的二十大報告指出，協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境保護和經(jīng)濟社會發(fā)展對于保障國土空間永續(xù)發(fā)展具有重大意義[1]。《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》[2]對我國道路建設提出了適應國土空間開發(fā)保護格局的新要求。在現(xiàn)今高質(zhì)量發(fā)展國土空間布局背景下，科學評價和分析道路的生態(tài)影響，對減少道路給生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的負面作用、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大實踐指導意義[3]。

20世紀90年代起，隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術的不斷進步，道路生態(tài)效應的相關研究開始關注道路與景觀格局和過程的關系。Andrews等[4]、Lamont等[5]學者率先研究了道路對自然生態(tài)系統(tǒng)的切割與干擾，F(xiàn)orman[6]提出的道路網(wǎng)絡影響模型因其可以反映道路網(wǎng)絡與不同景觀之間的相互關系與空間位置而最具代表性。目前國內(nèi)已有學者基于一年份數(shù)據(jù)展開了相關研究，如：富偉等[7]分析了道路對景觀格局和功能的影響；王麗等[8]探究了深圳市道路的景觀格局效應；李倩雯等[9]基于景觀格局指數(shù)分析了道路建設對西南地區(qū)景觀格局的影響。以上研究多側重于景觀結構的破碎化，結構和功能、格局和過程之間有著密切的相互關系，將生態(tài)網(wǎng)絡作為耦合景觀結構、生態(tài)過程和功能的重要途徑[10]引入，能夠有效揭示道路建設所引起的生境破碎化對生態(tài)格局的影響效應，闡述道路和生態(tài)系統(tǒng)的相互作用機制。

成渝城市群位于國家道路“五縱兩橫”分布格局的交匯區(qū)，具有重要戰(zhàn)略地位[11]，至2020年，其已具備功能完善的綜合交通運輸網(wǎng)絡，成為西部地區(qū)內(nèi)引外聯(lián)的重要樞紐與門戶[12]。選取成渝城市群為研究對象，基于2020年土地利用和交通數(shù)據(jù)，結合形態(tài)學空間格局分析(morphological spatial pattern analysis，MSPA)、景觀連通性指數(shù)和最小累積阻力模型(minimum cumulative resistance，MCR)構建生態(tài)網(wǎng)絡，通過道路網(wǎng)絡模型量化道路綜合影響值，再運用景觀格局指數(shù)、圖論法和核密度分析法，對比分析道路網(wǎng)絡影響下研究區(qū)生態(tài)格局改變的程度，可得道路出現(xiàn)前后對生態(tài)系統(tǒng)造成的影響，對于未來道路規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義[13]，為新時期國土空間格局優(yōu)化提供科學支撐與決策參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

成渝城市群(27°67′～32°32′N、101°95′～108°95′E)位于我國西南地區(qū)，包括四川省的15個市，重慶市的27個區(qū)(縣)以及開縣、云陽的部分地區(qū)[14](圖1a)，總面積18.50×104km2。隨著城鎮(zhèn)化和經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提高，成渝城市群的交通網(wǎng)絡密度逐年遞增(圖1b)。截至2020年，成都和重慶的道路網(wǎng)密度分別達到了8.3 km/km2和7.0 km/km2[15]。

圖1 研究區(qū)地理位置與2020年交通路網(wǎng)圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)包括：成渝城市群縣級行政區(qū)劃數(shù)據(jù)集、2020年高速公路、鐵路、國道、省道、縣道數(shù)據(jù)，源自國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心(http://www.geodata.cn/)；2020年30 m土地利用柵格數(shù)據(jù)，源自GlobeLand30(http://www.globallandcover.com/)；自然保護區(qū)數(shù)據(jù)，源自資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)；一級河流數(shù)據(jù)，源自資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心(https://www.resdc.cn/)；DEM數(shù)據(jù)，源自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。以上數(shù)據(jù)基于ArcGIS 10.2合并裁剪后使用，地理坐標系統(tǒng)一為GCS_WGS_1984。

1.3 研究方法

研究方法主要由3部分組成，即生態(tài)格局構建、道路影響值識別及生態(tài)格局變化對比?；贛SPA法和MCR模型識別核心生態(tài)源地與生態(tài)廊道，疊合構建道路出現(xiàn)前的生態(tài)格局；運用道路影響模型識別并提取會對生態(tài)格局造成重大影響的道路，作為干擾生態(tài)格局的影響來源；再采用景觀格局指數(shù)、圖論法和核密度分析法，比較道路出現(xiàn)前后生態(tài)格局及生態(tài)網(wǎng)絡的變化情況。

1.3.1 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡構建

(1)基于MSPA和景觀連通性的生態(tài)源地識別

基于MSPA法識別生態(tài)源地能夠提高生態(tài)源地選取的科學性[16]。提取耕地、林地、草地與水域作為MSPA分析的前景數(shù)據(jù)，利用Guidos Toolbox 2.6軟件，采用八鄰域分析法，邊緣寬度設置為90 m[17]進行運算。選取面積閾值10 km2以上的斑塊作為大型核心區(qū)[18]并基于confer 2.6計算其斑塊重要性指數(shù)(dPC)指數(shù)[19]，挑選值最大的15個斑塊[20]與自然保護區(qū)疊加，得到生態(tài)源地。

(2)基于MCR和重力模型的生態(tài)廊道提取及生態(tài)網(wǎng)絡構建

選取土地利用類型、距鐵路距離等指標作為阻力因子，參考相關文獻[20]，利用ArcGIS 10.2中的Cost Distance工具加權疊加得到綜合阻力面。MCR模型通過計算得到最小累積阻力路徑作為生態(tài)廊道[21]。其公式如下。

式中：Dij表示從源點j到源點i的空間距離，Ri表示空間單元i的阻力值。

1.3.2 道路綜合影響值量化及提取

選取高速公路、鐵路、國道、省道、縣道共5種道路類型，依據(jù)Forman[6]提出的道路網(wǎng)絡影響模型，量化道路綜合影響值(表1)，提取綜合影響值大于20會對自然生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重破壞的道路，借助道路緩沖帶寬度[22]得到其影響范圍：高速公路和鐵路為1 000 m，國道、省道為500 m，縣道為100 m。

表1 道路網(wǎng)絡影響模型的斑塊類型與道路影響劃分準則Tab.1 Patch type and road impact classification based on road network impact model

1.3.3 道路出現(xiàn)前后變化分析及可視化

分別采用景觀格局指數(shù)、圖論法和核密度分析法，對比分析道路出現(xiàn)前后生態(tài)格局與生態(tài)網(wǎng)絡的變化。

(1)道路出現(xiàn)前后生態(tài)格局的變化分析及可視化

選取3類共6個景觀格局指數(shù)反映道路網(wǎng)絡影響下研究區(qū)景觀的破碎化與多樣性[23-26]。包括：密度大小及差異指標——斑塊數(shù)目(number of patches，NP)、平均斑塊面積(mean patch size，MPS)；景觀破碎化程度指標——最大斑塊指數(shù)(largest patch index，LPI)、斑塊密度(patch density，PD)；景觀多樣性指標——香農(nóng)多樣性指數(shù)(Shannon’s diversity index，SHDI)、聚集度指數(shù)(aggregation index，AI)、蔓延度(landscapecontagionindex，CONTAG)。

應用Fragstats 4.2軟件，利用移動窗口法獲取景觀格局指數(shù)的空間分布圖，完成可視化分析。根據(jù)研究區(qū)尺度[27]，選取100 m作為適宜粒度，經(jīng)反復調(diào)試，移動窗口半徑設置為1 500 m。

(2)道路出現(xiàn)前后生態(tài)網(wǎng)絡變化分析及可視化

基于圖論法，選取廊道網(wǎng)絡結構分析中常用的網(wǎng)絡測度指標：網(wǎng)絡閉合指數(shù)(α指數(shù))、網(wǎng)絡連接度指數(shù)(β指數(shù))和網(wǎng)絡連通率指數(shù)(γ指數(shù))對生態(tài)網(wǎng)絡進行評價。

式中：L為生態(tài)廊道數(shù)；V為生態(tài)節(jié)點數(shù)。

(3)道路出現(xiàn)前后生態(tài)節(jié)點變化及可視化

生態(tài)節(jié)點分為生態(tài)關鍵點、生態(tài)干擾點兩類。選取生態(tài)廊道交點作為生態(tài)關鍵點[28]。生態(tài)干擾點是人為活動干擾生態(tài)過程的聚集區(qū)域，可能導致生態(tài)廊道斷裂等問題[1]。剔除高架橋、涵洞、山體隧道等能夠作為野生生物遷徙通道的點位后，選取生態(tài)廊道與道路的交點作為生態(tài)干擾點。利用ArcGIS10.2對生態(tài)節(jié)點進行提取和可視化分析，最后結合衛(wèi)星圖進行對比驗證。

2 結果與分析

2.1 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡分析

2.1.1 生態(tài)源地識別結果

研究區(qū)共計得到25個生態(tài)源地(表2)，總面積95 033.26 km2，不同生態(tài)源地之間的dPC值差距較大，生境適宜性和景觀連通性有待加強。面積較大及連通性較好的源地都相對集中分布在四川境內(nèi)，而重慶受其地勢的影響境內(nèi)的生態(tài)源地面積更小(圖2)。

圖2 研究區(qū)生態(tài)源地分布Fig.2 Distribution of ecological sources in the study area

表2 研究區(qū)生態(tài)源地統(tǒng)計Tab.2 Statistics of ecological source areas in the study area

2.1.2 生態(tài)廊道提取及生態(tài)網(wǎng)絡構建結果

根據(jù)生態(tài)阻力因子權重疊加得到研究區(qū)的綜合阻力面(圖3)。結合重力模型共得到重要廊道31條，長度4 127.57 km，一般廊道269條，長度36 735.37 km。生態(tài)廊道一定程度形成閉環(huán)較均勻地分布在研究區(qū)大部分地區(qū)，連接南北，橫穿東西，生態(tài)網(wǎng)絡內(nèi)部結構之間具有較好的空間聯(lián)系(圖4)。

圖3 研究區(qū)綜合阻力面Fig.3 Comprehensive resistance surface of the study area

圖4 研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡構建Fig.4 Construction of ecological network in the study area

2.2 道路綜合影響值量化及提取結果

道路系統(tǒng)為經(jīng)濟社會發(fā)展提供支撐的同時，也會影響核心生態(tài)源地的連續(xù)性及生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，基于生態(tài)源地斑塊提取得到綜合影響值大于20的道路網(wǎng)絡總長度5 167.52 km(圖5)，以成渝高速、渝蓉高速、遂渝高速、成渝鐵路和成達鐵路為主。

圖5 綜合影響值大于20的道路網(wǎng)絡Fig.5 Road network with a combined impact value greater than 20

表3表明，鐵路因其密度低，且大部分選線都在生態(tài)源地邊緣，總影響值最低；省道和縣道影響的斑塊最多，是因為這兩種道路的分布范圍最高，最為分散。而高速公路由于在生態(tài)源地內(nèi)部形成了環(huán)形結構，導致其綜合影響值遠高于其他道路類型。

表3 研究區(qū)各類型道路對生態(tài)源地的影響數(shù)量與影響值Tab.3 Number and value of impacts of roads in the study area on ecological sources

2.3 道路出現(xiàn)前后生態(tài)格局及生態(tài)網(wǎng)絡的變化分析及可視化

基于前文得到的25個生態(tài)源地，將提取的道路網(wǎng)絡進行疊加，對比分析道路出現(xiàn)前后的生態(tài)格局及生態(tài)網(wǎng)絡變化。

2.3.1 道路出現(xiàn)前后生態(tài)格局的變化分析及可視化

NP指數(shù)的高值區(qū)受道路影響后呈向內(nèi)蔓延填充的變化趨勢(圖6)，說明道路會加劇景觀的破碎化程度。草地和水域的NP指數(shù)呈現(xiàn)降低的變化趨勢，這是由于它們位于道路的影響緩沖范圍內(nèi)，在進行道路建設時更易被侵占。MPS指數(shù)的低值區(qū)主要分布在研究區(qū)的宜賓市、巴中市等，在道路和生態(tài)用地交錯帶最為顯著，說道路沿線景觀的破碎化最為嚴重。

圖6 道路出現(xiàn)前后密度大小及差異指標NP、MPS指數(shù)空間分布

圖7表明，PD指數(shù)的空間分布沒有發(fā)生明顯變化，但整體呈下降趨勢，表明道路的存在導致生態(tài)斑塊之間逐漸分離。研究區(qū)北部，即綿陽市、德陽市等區(qū)域的LPI值變化明顯，說明該區(qū)域景觀內(nèi)部物種豐富度降低。其中，耕地與林地的LPI指數(shù)分別下降了88.87%與58.44%，二者受到的影響最為強烈，優(yōu)勢景觀的優(yōu)勢度降低。

圖7 道路出現(xiàn)前后景觀破碎化程度指標PD、LPI指數(shù)空間分布

SHDI整體數(shù)值降低(圖8)，說明研究區(qū)整體景觀類型所占比例趨于均衡化，景觀異質(zhì)性增加，優(yōu)勢景觀類型的控制減弱；由于道路的適度干擾轉(zhuǎn)換為景觀演替驅(qū)動力使自然斑塊內(nèi)部的生態(tài)系統(tǒng)多樣性增加，SHDI高值區(qū)域的空間分布擴張明顯，尤其是研究區(qū)的北部和東部(綿陽市、南充市和重慶城區(qū))。道路出現(xiàn)前后蔓延度指數(shù)均處于中等水平，說明雖然受到道路的切割影響，斑塊的空間連續(xù)性依舊較強，這是由于人類會有意識的將耕地集中連片分布，而耕地作為優(yōu)勢景觀類型一定程度保證了研究區(qū)的斑塊間具有良好的連接性。

圖8 道路出現(xiàn)前后景觀多樣性指標SHDI、AI和CONTAG指數(shù)空間分布

2.3.2 道路出現(xiàn)前后生態(tài)網(wǎng)絡變化分析及可視化

格局的破碎化導致物質(zhì)流、信息流、物種流在格局中的水平流動受阻，從而影響到生態(tài)網(wǎng)絡的結構[22]。計算提取得到道路出現(xiàn)后的生態(tài)源地分布情況(圖9)。生態(tài)源地總面積降至80 393.05 km2，表明約15.41%的生境在道路的作用下喪失。結合景觀格局指數(shù)分析結果可知，生態(tài)源地的兩大優(yōu)勢景觀耕地和林地的破碎化導致了生境喪失，大型核心區(qū)與自然保護區(qū)的重疊減少，大量自然保護區(qū)獨立存在，導致源地數(shù)量增加(表4)。

圖9 道路出現(xiàn)后研究區(qū)生態(tài)源地分布Fig.9 Distribution of ecological sources in the study area after road appearance

表4 道路出現(xiàn)后生態(tài)源地統(tǒng)計Tab.4 Statistics of ecological source areas after road appearance

構建道路出現(xiàn)后的生態(tài)網(wǎng)絡并進行對比分析(圖10)。受到道路影響后生態(tài)網(wǎng)絡的空間分布發(fā)生顯著變化。由于兩大優(yōu)勢景觀耕地和林地的連通性降低，斑塊面積減小，研究區(qū)重要廊道的數(shù)量減少至20條，總長度2 237.14 km，降幅高達45.80%，尤以中部地區(qū)為甚。生態(tài)源地總數(shù)量的增加導致一般廊道增加至721條，總長度44 082.40 km。由景觀格局指數(shù)的空間分布變化可知，研究區(qū)內(nèi)部的生態(tài)系統(tǒng)多樣性分布不均和斑塊破碎化導致重要廊道在研究區(qū)中部存在明顯缺位，表明道路使生態(tài)源地間各個物種流廊道的能量傳遞和物質(zhì)遷移通暢程度均有所下降。

圖10 道路出現(xiàn)后研究區(qū)生態(tài)網(wǎng)絡構建Fig.10 Construction of ecological network in the study area after road appearance

網(wǎng)絡測度指標α、β和γ指數(shù)分別降至0.14、1.18和0.44(表5)。表明受到道路的影響后，生態(tài)源地的連接水平與網(wǎng)絡連通率降低，生態(tài)網(wǎng)絡中的環(huán)路數(shù)量偏少，網(wǎng)絡的生態(tài)效能降低，節(jié)點建設存在著孤立化、點狀化和平面化問題。

表5 道路出現(xiàn)前后研究區(qū)網(wǎng)絡連接度評價Tab.5 Evaluation of network connection in the study area before and after road appearance

2.3.3 道路出現(xiàn)前后生態(tài)節(jié)點變化分析及可視化

研究表明，原有生態(tài)關鍵點214個，生態(tài)干擾點679個；受到道路影響后，二者數(shù)量分別為176個和590個(表6)。生態(tài)關鍵點、生態(tài)干擾點二者的降幅分別為17.80%、13.10%。生態(tài)關鍵點的降幅遠高于生態(tài)干擾點，生態(tài)網(wǎng)絡結構的穩(wěn)定性受到較大影響。

表6 道路出現(xiàn)前后生態(tài)節(jié)點數(shù)量變化Tab.6 Changes in the number of ecological nodes before and after road appearance

研究區(qū)生態(tài)關鍵點的分布由部分聚集轉(zhuǎn)為分散分布(圖11)，物種遷移的關鍵點之間距離拉遠將削減生態(tài)源地間的物種交流，導致區(qū)域內(nèi)部的生態(tài)安全格局穩(wěn)定性減弱。生態(tài)干擾點的變化趨勢呈現(xiàn)出以成都和重慶為中心的“雙核”發(fā)展趨勢(圖12)，道路對物種遷移等生態(tài)過程的干擾逐漸轉(zhuǎn)移至成都和重慶周邊區(qū)域。

圖11 道路出現(xiàn)前后研究區(qū)生態(tài)關鍵點空間分布

圖12 道路出現(xiàn)前后研究區(qū)生態(tài)干擾點空間分布Fig.12 Spatial distribution of ecological disturbance points in the study area before and after road appearance

3 討論與結論

3.1 討論

為響應《成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈國土空間規(guī)劃(2021—2035年)(征求意見稿)》“在打造國際性綜合交通樞紐集群的同時筑牢生態(tài)屏障”的發(fā)展要求，本研究以成渝城市群為研究對象，引入道路網(wǎng)絡影響模型，分析了道路出現(xiàn)后對生態(tài)格局造成的生境喪失、破碎化和生態(tài)效能降低等影響。研究在選取景觀格局指數(shù)時，僅考慮指數(shù)之間的關聯(lián)而忽略了不同景觀類型對于景觀格局指數(shù)的適宜性，今后需根據(jù)不同的景觀類型挑選相對應的適宜指數(shù)[9]；研究對比分析了道路出現(xiàn)前后生態(tài)格局的變化。但道路的影響集中體現(xiàn)在其出現(xiàn)和延伸的過程中[13]，后期研究可選取適宜周期，對道路的延伸過程進行進一步研究。

3.2 結論與建議

本研究以西部地區(qū)成渝城市群整體為研究對象，提出并探究了區(qū)域尺度道路網(wǎng)絡影響的研究思路。結果顯示：(1)研究區(qū)生態(tài)源地占總面積的51.37%，核心生態(tài)源地主要分布在四川境內(nèi)，斑塊間連通性良好，生態(tài)格局穩(wěn)定。在道路的直接影響下生態(tài)源地數(shù)量增加56.00%，面積減少了14 640.21 km2，研究區(qū)中部受到的影響最為顯著。其兩大優(yōu)勢景觀即耕地和林地的景觀連接度受到嚴重影響，整體生態(tài)格局呈現(xiàn)破碎化、連續(xù)性降低和景觀異質(zhì)性增加的趨勢；(2)生態(tài)源地的變化導致其廊道網(wǎng)絡與生態(tài)節(jié)點受到影響。重要廊道的長度降幅高達45.80%，網(wǎng)絡測度指標α、β、γ指數(shù)分別下降76.67%、38.86%和40.54%，表明生態(tài)源地的連接水平與網(wǎng)絡的連通率降低，節(jié)點建設存在著孤立化、點狀化和平面化問題。生態(tài)關鍵點由部分聚集轉(zhuǎn)為分散分布，數(shù)量減少了17.80%，生態(tài)干擾點的高密度分布區(qū)呈現(xiàn)以成都和重慶為中心的“雙核”發(fā)展趨勢。結果表明：道路出現(xiàn)導致研究區(qū)約51.41%的生境喪失，其中道路沿線景觀和優(yōu)勢景觀的景觀連接度受到嚴重影響，整體呈現(xiàn)生態(tài)格局破碎化、景觀分布均衡化的趨勢；生態(tài)源地的連接水平與網(wǎng)絡連通率降低使得生態(tài)網(wǎng)絡中的環(huán)路數(shù)量偏少，重要廊道長度減少了1 890.43 km，生態(tài)關鍵點數(shù)量減少、距離拉遠削減了生態(tài)源地間的物種交流，導致生態(tài)網(wǎng)絡的生態(tài)效能降低，生態(tài)安全格局穩(wěn)定性減弱。

目前國土空間格局優(yōu)化往往以生態(tài)系統(tǒng)自身的空間特征為主，缺乏增強生態(tài)系統(tǒng)抗干擾性等目標的相關研究[1]。為有助于落實成渝城市群兩地生態(tài)友好道路建設和生態(tài)修復，結合研究結果提出以下策略和建議。

(1)推進核心生態(tài)源地管控。遵循 “盡量避讓生態(tài)空間，優(yōu)先保護大面積完整生態(tài)空間”的國土空間可持續(xù)發(fā)展原則。通過道路避開斑塊中心、增設廊道防護設施、設立野生動物天橋等措施減少優(yōu)先保護生態(tài)核心源地，減少路網(wǎng)拓展對生態(tài)斑塊的分割。

(2)道路合理選線引導國土空間優(yōu)化可持續(xù)發(fā)展。二十大報告明確提出要大力推進國土空間開發(fā)格局優(yōu)化，提升生態(tài)系統(tǒng)的多樣性、穩(wěn)定性、持續(xù)性。未來道路建設宜采用將交通量引導至已建高等級道路，低等級道路集中緊湊發(fā)展的策略來減少生產(chǎn)生活對生態(tài)系統(tǒng)的干擾；新建道路選線以低生態(tài)功能區(qū)域為主要用地來源，盡量避讓林地等高生態(tài)功能的用地類型，以保護生態(tài)空間不受侵蝕。