道路路网景观生态影响研究现状

关 磊，崔慧珊，孔亚平，王 云

（交通运输部科学研究院交通环保与安全研究中心，北京 100029）

随着我国经济持续的高速发展，道路路网由沿海发达地区向内陆地区迅速扩张，大大推动了内陆地区的经济发展。然而，对于道路网络对生态系统的切割、破坏、降级、干扰等生态影响的重视度不够。中西部地区原有的开发破坏较小，生态系统保护相对较好，道路建设和运营会造成动植物分布格局的变化，导致生境破碎，种群密度和物种丰富度下降，生物多样性降低。同时，由于道路造成的生境破碎化，产生更多的边缘效应和廊道效应，对原有自然生态过程造成干扰，影响到生态景观的正常功能。运用景观生态学方法研究道路网络的生态影响，能够从较大尺度分析得到路网扩张可能造成的生态效应，对于未来基于可持续发展的路网规划具有重要的意义。

1 路网对生态系统影响的研究现状

道路对周边生态环境的影响主要分为直接影响和间接影响。直接影响主要是指道路路面、路基、边坡等永久占地的直接侵占，而间接影响主要是指对周边生态环境的干扰、生境降级、生境切割等方面，且其对周边生境的影响还存在一定的影响范围。Forman（2000）通过对美国现有路网的生态影响分析，发现大约20%的美国路域受到道路的生态影响，边缘效应幅度（DEI，Depth of Edge Influence）大约是道路直接影响的10倍左右。同时，Forman还针对高速公路对不同生态因子的影响范围进行了研究，表明不同生态因子受影响的范围不同，但其影响的范围至少在100m以上，最大影响范围达到了1000m，平均影响范围在600m左右。李双成等（2004）对我国现有路网的生态影响进行了研究，结果表明我国现有道路网络影响生态系统面积占全国国土面积的18.37%，与For⁃man研究得到的美国大约20%的路域受到影响的结果基本一致。在不同级别的道路中，等级外道路的数量巨大，其影响的面积也最大，为161.76×104km2；其次是二级道路，其影响面积为5.86×104km2；影响面积排在第三的是高速公路，为4.59×104km2；再次是三级道路，其影响面积为2.27×l04km2；四级道路影响面积最小，仅为0.39×104km2。在各等级道路影响的不同生态系统面积中，道路级别越低，影响农用地的比例越低。高速公路和一级道路对于农用地的影响比例最高，均在70%以上。而各等级道路对林地和草地的影响比例则刚好相反，道路等级越低，影响林地和草地面积比例越大。各等级道路对荒漠和水体的影响比例没有显著差异，见表1[7]。除了对各等级道路的生态影响范围的研究外，郑钰等（2009）以云南纵向岭谷区道路网络为例进行了多尺度的景观生态研究。从不同尺度对该地区路网进行相关分析和方差分析，研究云南纵向岭谷区道路网络与生态系统分部的相关性及其独立和交互作用。研究发现，道路网络与生态系统分部的相关性与路网等级有关，其相关程度与路网等级呈反比，并且随着研究尺度的改变而发生变化。在大多数尺度下，道路网络和地形因子对生态系统分部既有独立作用，也有交互作用。其中，高等级路网的独立作用比较显著，而低等级路网的独立作用不太显著。但是随着尺度的增大，低等级路网对生态系统分部的独立和交互作用均显著，表明地形对低等级道路具有明显的干扰或屏蔽效应。

表1 各级道路特征及缓冲带宽度

2 路网对景观格局影响的研究现状

道路贯穿于各类生态系统中，道路网络的建设也产生了许多生态效应。路网对区域生态环境的影响突出表现在对景观生态格局的影响方面。近年来，国内外有关路网对景观格局影响的研究取得了较大的进展。景观破碎化是路网对景观生态格局影响的一种表现形式，它是指路网建设将原有自然区域隔离成更小和更独立的区域。道路的建设和运营对生态系统的景观破碎化有很大的贡献，可能引发一系列潜在的生态效应。因此，对道路建设造成破碎化的特征进行定量化描述，对于道路生态系统保护具有重要意义，为道路规划和建设时期内将路网对生态系统的景观影响考虑在内奠定了基础。

关于路网对景观格局的影响，国外已经开展了许多相关研究。Sari等（2002）对美国北大湖区道路扩张造成的破碎化进行了研究，结果表明道路的扩张是北大湖区破碎化的主要因素。道路建设在提高人类可到达性的同时，减少了土地植被覆盖，增加了边缘生境，改变了景观结构和功能。该项研究计算了78752km2范围内两个生态区的八种土地覆盖类型中的道路密度、景观结构和由于道路建设产生的边缘生境。依据所设定的边缘影响宽度，被道路影响的一种土地覆盖类型在5%～60%范围内。道路增加了斑块的数量和密度，减少了平均斑块大小和最大斑块指数，而斑块大小变异系数以及斑块形状复杂性指数的改变依赖于生态水平以及土地覆盖类别。该区域中道路分布的规模和变异强化了在特定覆盖类型和适当或多尺度下监测景观指标和道路影响的重要性。尽管该区域被密集森林覆盖，道路的片段化影响仍然是普遍的，显著地改变了多种森林覆盖类型以及不同生态范围的景观结构。Davide等（2004）提出用于评价被线形基础设施造成的自然生态系统破碎化的方法。该方法基于在景观生态学研究中使用传统的空间指示因子及其函数值。特别之处在于，由于新建工程造成的生态系统空间配置变化的影响第一次通过空间指示因子被量化，而后通过函数值对其进行评价，增强了影响评价过程的透明度，而且评价是基于实际的信息和数值化的信息。该方法应用于意大利北部新建的一条高速公路，生态系统破碎化评价的结果用于比较可选择的高速公路附属设施，来确定影响最小的一个。研究的最终目标是推动政府在制定新的发展规划时考虑生态保护问题。

国内也在一定程度上开展了有关路网景观格局影响的研究。李双成等（2004）对我国各等级路网与生态系统景观破碎化的关系进行了研究，通过将各等级路网从高到低逐级叠加，发现随着路网等级的降低、道路密度的增加，生态系统的破碎化程度显著增大，表现为斑块数目增加，平均斑块面积变小；平均斑块分维数显著增大，说明道路网络切割出的斑块形状复杂性增加，边缘面积增加，未受干扰的核心面积减少。刘世梁等（2005，2007）基于景观生态学理论，从道路的建设期和运营期两个方面分析道路网络对景观的影响，并提出了基于景观格局和生态过程的生态环境指数，构建道路综合生态风险评价的方法。本研究以澜沧江流域的三个典型区域为例，分析道路网络对其景观格局的影响，结果表明综合风险指数和道路密度具有很高的一致性；模拟不同等级道路建设对景观格局的影响，结果表明澜沧江流域一级路影响的面积最大，三级路最小，而影响的斑块数目则为一级路最高，高速公路最低；道路网络所影响的生态系统类型面积最大的为林地，其次为草地，而影响的生态系统斑块数目最高的为旱地，其次为林地。通过GIS软件模拟道路修建前后区域内景观指数的变化发现，在道路的影响域内，随着道路的修建，其斑块平均面积减少，而斑块数目和平均分维数有一定程度的增加，但总体来说，高速公路的建设对景观生态的贡献较小。张晓峰等（2006）以江西省规划路网为例，使用景观生态学方法进行道路网规划环境影响评价，从各景观类型以及整体景观层次上分析规划道路网络可能造成的景观格局的变化，选取景观破碎度、景观优势度以及景观多样性指数等景观指数量化规划道路网络对该区域生态系统的影响，为该地区基于生态保护的路网规划提供基础数据。李月辉等（2012）以大兴安岭呼中林业局范围内的道路网络系统为研究对象，利用主成分分析法对林业局管辖的林场进行分析，对比其在有无道路情况下景观格局的变化。研究结果表明，道路网络的出现使森林生态系统的景观格局发生了明显的变化：所有林场中的平均斑块面积减小、数量增多、斑块隔离度增加，表现出不同程度的破碎化，但其破碎化程度与道路密度之间无显著相关关系。

3 基于破碎化理论的模型研究现状

关于路网对生态系统的景观破碎化影响，已经开展了一系列相关研究，但要应用于未来的路网优化还需要建立相关的模型。Forman（2004）认为，由于道路网络延伸广泛且相互连通，对野生动植物和生态多样性造成了较大的影响，美国大约有1%的野生动植物生境被道路直接或间接侵占，而在欧洲这一数字达到了2%～3%。除了其生境的丧失外，道路廊道的屏障效应可能会对种群之间的交流造成一定程度的阻隔，种群之间的基因流减弱，每个斑块中的种群遗传多样性下降，面临较大的灭绝风险，生境被隔离开，而道路宽度及路网密度是造成道路廊道屏障效应的主要因素。因此，Forman等创造了基于破碎化理论的路网评价模型，将自然生态系统分为大型斑块、小型斑块、较宽的廊道和较窄的廊道四类生境类型，将道路及道路网络对四类生境的影响划分成不同等级并赋予相对影响值，根据四类生境的生态学意义为其设定了相应的生态价值系数，用生态价值系数与道路和路网造成的相对影响值相乘，得到更系统和全面的综合影响值，即可得出该道路或路网造成的综合影响程度。李佳妮等（2008）运用Forman的道路网络理论分析了浙江省国省道和高速公路对森林生态系统的景观破碎化影响，并运用道路影响阈值分析方法对破坏较为严重的森林景观板块进行了更为深入的分析。结果表明，由于国道、省道网络数量较多且分布广泛，直接侵占和影响的森林面积较大，对森林生态服务功能的发挥有着较大的影响；而高速公路网络由于隔离程度较高，使得森林景观斑块严重降级和破碎，极大地影响着生物多样性；通过对浙江省中长期规划路网的研究表明，到2020年底规划路网与现有路网共同形成的道路网络将对浙江省的森林景观生态系统造成严重破坏，研究报告中对此提出了改进建议。

4 结语

根据以上综述，利用GIS、Fragstats等一系列软件及相关模型研究路网区域景观生态影响在道路生态学大尺度研究方面已经成为主流趋势，且在国外一些地区得到了应用，取得了良好的效果。但由于国内在该方面起步较晚，对于路网景观生态影响的研究尚不全面，大部分都是借鉴国外已有的成果和模型，应用和研究成果较为匮乏。而我国目前正处于经济高速发展的时期，大规模的路网向生态环境敏感地区迅速扩张，因此在路网的规划过程中整理收集国内外已有的成果，再根据当地实际情况对现有成果进行改进和优化，对于维护该地区生态环境的多样性和完整性具有重要的意义，也能够为现阶段我国提出的在2020年基本建成“绿色循环低碳交通运输体系”做出相应的贡献。

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