海南省高速公路路域生态系统恢复评价方法研究

王　倜， 陶双成， 薛　铸， 吕晓宇， 王　风

(1.交通运输部科学研究院， 北京　100029；　2.海南省交通运输厅， 海南 海口　570204)



海南省高速公路路域生态系统恢复评价方法研究

王倜1， 陶双成1， 薛铸1， 吕晓宇2， 王风2

(1.交通运输部科学研究院， 北京100029；2.海南省交通运输厅， 海南 海口570204)

[摘要]采用系统评分与主成分分析结合的评价方法，在2013年对海南省3条已建20 a的高速公路路域生态系统恢复情况进行了评价，其中评价指标的选择综合考虑了环境和生物因子及其相互关系。评价结果表明，海南省高速公路路域生态系统恢复质量大多为中等，具有较大的提升潜力；植被生长相关因子及相邻土地利用等环境因子是影响生态系统恢复的关键因素。评价方法具有可行性并且评价结果基本反映了当地高速公路路域生态系统恢复现状，同时也为区域路域生态系统恢复方向及恢复措施的制定提供了重要参考，还可以为其他地区开展类似评价研究提供借鉴。

[关键词]公路路域； 生态系统恢复； 评价方法

1概述

高速公路路域生态系统的研究范围为路面硬化区域外至征地界之间(土路肩、边坡、排水沟等)行车可视范围，是路域生物因子的主要载体[1]。路域生态系统由于环境的特殊性，其组成、结构和演替等均不同于周围自然生态群落和单纯的人工生态系统[2]，同时由于环境具有线性的特点，其生境属于廊道生境或者边缘生境[3]，而且路域环境被人为划分范围其生态系统运作在一定程度上依赖人类活动。由于高速公路路域生态系统的以上特殊性，国内目前已经涉及一定深度的研究，主要研究内容包括路域生态影响[4，5]和生态恢复[6，7]的评价，一般通过指标体系的构建等方法开展评价研究[8]，例如层次分析法(Analytic Hierarchy Process)是近年来在应用较为广泛的定量与定性结合的评价方法，已经在相关评价研究中采用，具有一定的系统性和科学性[9]。除此之外，国外学者还对生态系统恢复评价的主要评价指标选择进行了探讨[10]，同时有学者还建议考虑影响路域生态系统恢复的“贡献因子”和“减损因子”作为评价标准[11]。

虽然目前已有路域生态系统恢复相关评价方法的评价研究，但是评价对象多针对较为单一的对象，例如边坡防护[12]、绿化植被生长[9]等，综合环境与生物因素的区域性评价研究仍较少[6]，而且缺乏对路域生态系统长期演替后恢复情况的评价[13]。与此同时，现有评价方法评价的变量个数一般较多[6]，这无疑增加了计算量并增加分析问题的复杂性，以致可能无法确定影响评价的结果的主要和关键因子，评价研究结果对于路域生态系统恢复方向的优化与恢复措施的制定和实施并无实际贡献。因此本文的研究拟采用系统评分法和主成分分析法(Principal Component Analysis)结合的评价方法，综合掌握路域生态恢复现状的同时，使用主成分分析法化繁为简，采用STPS软件从选定的评价指标中通过数据分析确定影响路域生态恢复的关键综合性指标，以便研究结果能够有效应用于提高路域生态系统恢复质量的实际操作中。评价指标的选取也综合考虑了路域生态系统恢复中的人为活动及其产生的多方面环境系统变化，强调植被为主的生物因子的恢复能力，注重评价系统的整体性和综合性。评价方法研究以海南省已建20 a的3条最早高速公路(东线、西线、海文)为依托工程，研究结果旨在弄清现阶段海南省高速公路路域生态系统恢复情况及影响路域生态系统恢复的主要环境因子，并为今后海南省公路路域生态系统恢复的方向、技术和措施等的改进提供基础数据，也可以类似环境下路域生态系统恢复评价研究提供示范。

2研究区域概况

海南自然条件优越，生物资源丰富，生态系统多样，气候潮湿多雨，四季常绿，极利于植物生长，为海南公路生态恢复奠定了较好的环境条件[14]。海南省公路总里程已达22 916 km(2011年)，形成了覆盖全岛的公路网，其中环岛高速公路G98(包括西线高速和东线高速)和海文高速S11(海口至文昌)建设时间较早(1995年)，属于海南省第一批建设的高速公路。路线大部分靠近海岸线，地势较为平缓，途经区域植被多为农田植被、经济林和人工林。按照目前生态公路建设发展趋势来看，海南省早起高速公路路域生态恢复虽然取得了一定成绩，但是经过20 a时间的发展演替一些问题也逐渐凸显，亟需找到关键问题所在，并对以往的生态恢复技术和理念及时进行调整和升级，确保路域生态系统恢复的正确方向，以适应生态公路建设发展趋势。

3研究方法

3.1主成分分析法

主成分分析(PCA)旨在利用降维的思想，把多指标转化为少数几个综合指标，这样既可减轻收集信息的工作量，且各综合指标代表的信息不重叠，便于研究[15]。选取A1(第1个综合指标)为第1主成分，F1方差最大，Var(F1)越大，表示F1包含的信息越多。如果第1主成分不足以代表原来n个指标，再考虑选取F2，即选第2个线性组合为第2主成分，F1已有的信息不再出现在F2中，即Cov(F1，F2)=0。依此类推可以构造出第3、第4，……，第m个主成分。这些新的指标F1，F2，…，Fm(m≤n)充分反映原指标的信息，并且相互独立。计算公式如下：

F1=y1，2ZX1+y2，2ZX2+…+yn，2ZXn

……

Fm=y1，mZX1+y2，mZX2+…+yn，mZXn

式中：y1，i，y2，i，…，yn，i(i=1，2，…，m)为X的协方差阵Σ的特征值多对应的特征向量，ZX1，ZX2，…，ZXn是原始变量经过标准化处理的值。

主成分分析的精度分析：

本次研究使用STPS 19软件对原始调查数据(定量和定性)进行主成分分析的数据运算。首先采用KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验和Bartlett’s Test of Sphericity(巴特利特球形检验)对样本适合性进行了检验。KMO取值介于0和1之间，≥0.5才能满足主成分分析；同时Bartlett’s Test of Sphericity结果也应该具有显著性才能进行主成分分析。

3.2系统评分法

采用5分制的评价标准现场直接对定性指标的专家评分，现场记录的定量数据在总体评价中也要先进行5分制的归一化处理。分值相加得出每个样本的累计分值，将累计分值划分为4个等级进行评价分析(见表1)，此等级评分的方法已广泛应用于各行业的评价研究中[16，17]。

表1 评分等级表Table1 Scoreratingtable总分等级说明5～131较低14～202一般21～273中等≥284较高

3.3评价指标选取方法

3.3.1选取原则

评价指标的确定是开展路域生态系统恢复评价的首要问题，指标的选取应以最大可能科学、有效、全面的反应路域生态新系统的特点为指导思想，遵循客观性、代表性、可操作性、独立性、可比性等原则，以减少因指标选取不当而导致的评价结果偏离。与此同时，指标的选择还考虑了海南省高速公路的区域环境和植被特点，咨询专业领域的专家并参考了大量研究文献，力争更客观合理的对海南省高速公路路域生态系统恢复情况进行评价。

3.3.2指标选取与评述(见表2)

生态系统指生物与环境构成的统一整体，是一个相互作用的平衡动态过程。路域生态系统虽然有别于自然生态系统，但是仍属于生态系统的领域，其中环境和生物体是不可缺少的基本组成因子，评价其生态系统恢复需要从基本组成因子中选择评价因子。在自然生态系统中，植物多样性是整个生态系统中最重要的因子，直接影响系统内的动物及微生物的多样性[18]，虽然路域环境与自然环境有一定的差异，但由于其广阔的面积和多样性的环境，对植被生长和维护植被多样性也是比较有利的，公路路域因此成为各种典型植被(非自然)和潜在植被生长的重要场所，因而植被多样性被普遍认为是路域生态系统恢复评价需要考察的一个最重要的基础指标，所以通过专家咨询首先选择了植被类型多样性(X1，乔灌草组成的植被类型数量)和物种丰富度(X2，植被种类数量)指标。其次Preston很早(1962)就发现，部分路域植物种类会随着路域面积的增加而数量增多[19]，同时由于路域范围被限定为只能进行绿化恢复，所以路域绿化面积(X3)与植物种类分布有相关性，也是评价路域生态系统特征的重要指标。再者路域原生自然植被、人工建植植被、自然恢复植被等均属于路域植被范畴，但是人工建植植被占有绝对重要的位置，其生长情况、群落结构、物种组成3个子因子可以综合反映路域生态系统的总体植被生长性状，所以绿化植被现状(X4)是评价路域生态系统特征的关键综合指标。同时由于依托研究的高速公路建设时间早，周围土地开发利用程度也比较深，人为活动频繁，不同的土地开发利用类型会产生不同程度的生态影响，因此邻近土地利用指标(X5)属于减损因子也应考虑[11]。近年来海南省外来有害物种入侵较为严重[20]，多为人为传播及绿化引种不当引起，已经在公路沿线大面积散播，侵蚀路域绿化范围，严重影响了路域生态安全，作为重要的减损因子，外来种干扰指标(X6)也应重点考虑。此外，植被类型和种类的多样性和动物的生存息息相关，多样的植被类型和物种，可以为各种动物提供多样化的食物和栖息场所，导致其多样性丰富[21]，动物作为组成生态系统不可或缺的生物因子，其对路域生态系统的利用程度(X7)也能够反映恢复质量。

表2 评价指标体系Table2 Systemofevaluationindexes指标指标名称属性X1植被类型多样性(定量)+X2物种丰富度(定量)+X3路域绿化面积(定量)+X4绿化植被现状(定性)+X5邻近土地利用(定性)-X6外来种干扰强度(定性)-X7动物利用价值(定性)+

3.4数据的获取

按照公路里程平均布点的原则，每条高速公路选择了10个路段，共选择了30个路段，每段进行50 m的长度的调查，每个路段50 m的长度为1个调查样本，但是由于公路两侧均要进行调查，因此总调查样本为60个。在调查样本内进行定量和定性指标的数据获取，定量数据一般采用现场调查和测定获取，定性数据采用专家评分法获取。

本研究于2013年对60个调查样本进行了调查。调查方法是在50 m长的路域范围内记录现有植被类型多样性数量和物种丰富度数量，并估算路域绿化范围的面积，同时邀请领域内专家按照评分标准对调查样本进行打分。

4调查结果分析与评价

4.1调查结果及分析

对于路域绿化面积指标，由于评分样本区域的长度一定(50 m)，因此只对路域宽度展开评价。按照高速公路的建设标准，路域宽度一般为10～15 m(一侧)，本次调查大约有67%的路段(50 m平均宽度)属于此类别，路域宽度大于15 m的(一般为大边坡开挖和填筑路段)有11处，宽度介于5～10 m的有5处，小于5 m的(一般为陡边坡开挖路段)有4处。结果表明，研究区域内路域面积相当可观，例如一条100 km的路线按照路域12 m的平均宽度计算，路域面积可达240 hm2，说明高速公路路域可作为植被的生长场所，如果采取必要的保护手段，也能够保证植被多样性得以保护，路域生态效益得以发挥。

研究区域内的植被类型一般包括乔木、灌木、草地、蕨类、农田植被等几类，一般情况下植被类型的多样性越高，路域生态系统的稳定性和多样性就越好。本次调查发现具有3～4种植被类型的路段最多(49处，82%)，2处路段植被类型≥5，3处路段植被类型仅有1种。调查结果说明，研究区域的植被类型以乔+灌+草的组合居多，结构比较稳定，有利于群落的演替发展。

物种丰富度即植被种类数量，海南省由于优越的环境条件植被种类非常丰富，本次调查的研究区域内，43%的路段具有20～30种植被，28%的路段具有10～19种植被，仅2个路段的物种丰富度>30，6个路段的物种丰富度<5。

路域生态系统的有害种入侵或多或少对路域生态系统的植被种类、结构、多样性等产生影响，对整体群落演替产生负面效应。根据本次调查结果，大约36%和35%的路段属于中度和轻度干扰，占据了干扰类型的绝大多数，其余多为较强干扰，主要种类为蟛蜞菊(Wedeliachinensis)等。

绿化植被生长指标，指公路人工绿化植被(乔灌木为主)的生长状况，包括高度、胸径、生长势、群落结构、物种组成等。海南省公路绿化率情况较好，根据本次调查90%以上的路段仍较好的保留了早期种植的乔灌木，其中约60%的乔灌木生长情况较好，只有约10%的乔灌木由于人为和环境的因素生长情况不佳。路域绿化植被经过20 a的生长，很多路段的乔木胸径及株高十分可观，已经形成了稳定的群落，为林下植被的演替和野生动物提供了前期条件和栖息地，提高了路域生态系统的保护价值。

调查公路沿线邻近土地利用类型一般包括城镇(建设)用地、农田、经济林、果园林、人工林。城镇(建设)用地由于对路域生态系统的负面影响较大，不利于其保护与恢复，而邻近的人工林或者原生林地则为路域生态系统的保护提供了有利的条件。本次调查的结果显示，研究区域紧邻的经济林(37%)和农田(32%)区域较多，其次为果园林地(17%)，剩下的位于城镇化(建设用地)区域(7%)，有5出路段紧邻人工林。调查结果表明研究区域以农副业区为主，比如大面积种植的橡胶林、桉树林、水稻、蔬菜等。

公路路域对于野生动物的利用价值，主要通过路域植被的密度和类型的多样性体现。本次调查发现公路沿线动物以鸟类为主，其次分布有一些爬行类和两栖类，其他种类分布较少，主要是由于高速公路的交通噪声干扰对于野生动物的栖息影响很大，因此评价主要针对现有动物类型开展。调查结果显示约67%的调查路段对于现有动物具有中等利用价值，具有较高和很高利用价值的共计22%，其余路段为利用价值低及无利用价值。海南省公路路域绿化情况总体较好，高大茂密的乔灌木为鸟类的筑巢和觅食提供了一定的场所，茂密的灌草丛也为爬行类和两栖类提供了必要的庇护，因此对于现有动物而言是比较适合利用的。

4.2生态恢复现状评价

对每个位置的分值进行计算以评价路域生态恢复现状，结果显示所有路段的分值介于13～35之间(见图1)。得分23的路段最多有13处，其次是24分(6处)和21分(处)。结果表明大多数路段(39处)的分值介于20～26之间。

图1　调查路段数量及对应的生态恢复现状分值Figure 1　Number of roadside sites of different ecological 　restoration status scores

对60处路段的生态系统保护等级进行分析(见图2)，结果表明绝大多数路段(60%)的恢复等级为中等，其次为一般等级(30%)，有5处路段的恢复等级较高，仅有1处路段的恢复等级偏低。说明研究区域内路域生态系统的恢复现状尚可，具有提高保护等级的潜力。

图2　路域生态系统生态恢复现状分级Figure 2　Ecological restoration status of roadside 　regions according to classes

4.3主成分分析及评价

使用STPS软件主成分分析法对调查和评价的原始数据进行处理。首先对数据进行KMO和Bartlett的检验，从结果可以看出(见表3)：数据满足主成分分析法的要求(KMO：0.500；Bartlett：0.000)，然后采用STPS进行主成分分析。从表4结果可知：前2个主成分对应的特征根>1，提取前2个主成分的累计方差贡献率达到85.054% ，超过80%，因此，2个主成分基本可以反映全部指标的信息，可以代替原来的7个指标。利用表5最后计算得出的2个主成分的成分矩阵。

从表5的结果可知：主成分1与绿化植被生长、多样性、面积有较强的相关性，主成分2与邻居土地利用有较强的相关性，2个主成分基本反映了7个指标的信息。因此可以将主成分1解释为与植被生长有关的指标，主成分2解释为以土地利用为主的环境因素指标。与植被生长的相关因素是影响路域生态系统恢复正常演替发展的关键指标，是制定生态恢复措施应首先考虑的。

表3 KMO值和Bartlett检验结果Table3 KMOandBartlett’stest取样足够度的Kaiser-Meyer-Olkin度量0.500Bartlett的球形度检验Bartlett’sTestofSphericity近似卡方Approx.Chi-Square62.898df21Sig.0.000

表4 方差分解主成分提取分析表Table4 Totalvarianceexplained成份初始特征值提取平方和载入合计方差的/%累积/%合计方差的/%累积/%14.41062.99562.9954.41062.99562.99521.54422.05985.0541.54422.05985.05430.74210.60495.65840.1772.52498.18250.0771.10499.28660.0430.61499.90070.0070.100100.000

表5 成分矩阵Table5 Componentmatrix指标成份12植被类型多样性0.786-0.429物种丰富度0.8930.063路域绿化面积0.9800.129绿化植被生长0.874-0.384邻近土地利用0.3510.913外来种干扰强度0.715-0.323动物利用价值0.7970.504

5讨论与建议

5.1组合评价方法的可行性

目前的评价研究普遍采用的AHP法通过对指标计算权重进行综合评分[22]，评价结果能反映每个指标的质量优劣，从而综合评价描述对象。这种方法虽然具有科学性但是往往容易忽视指标之间的关联性，对影响复杂路域生态系统的关键因子把握不明确，在实际工程中不易操作，推广应用意义不大。使用系统评分法和主成分分析结合的评价方法，可以在掌握较大范围路域生态系统总体现状的基础上，进一步了解影响路域生态系统恢复的关键性因子，为采取实际的措施提供正确方向和基础数据。依托海南省高速公路开展的评价研究，对目前高速公路生态恢复现状进行了比较客观的评价，而且通过主成分分析摸清了影响路域生态系统恢复的关键点，包括植被生长和土地利用。本次研究的结果具有科学性，在海南省高速公路路域生态系统评价研究中具有可行性。

5.2植被在路域生态系统恢复中的重要性

根据评价结果，路域范围内生长的植被，包括人工建植植被、自然恢复植被和原生植被，组成了路域生态系统中最重要的生物因子，直接影响了路域生态系统恢复的质量、演替的方向、相关生物因子的生存发展等其他因素，鉴于植被的重要性，因此加强对路域范围内植被的保护和养护是保证路域生态系统恢复最重要的手段。目前一般通过公路主体设计阶段的生态环保设计[23，24]和后期的绿化恢复工程[25，26]，这两个阶段进行植被保护与恢复，相关的研究成果也比较丰富。前期的生态环保设计主要是通过优化路线走向和施工技术减少对路域原生植被的破坏，后期绿环工程通过建植人工植被并进行养护使路域环境逐步向自然生态系统过渡，路域植被后期的保护和养护是一个漫长的过程，需要有效的管理手段和先进的技术方法。对植被的有效保护，正是目前海南省公路路域生态恢复工程中比较欠缺的，直接影响生态恢复的质量等级。同时，根据现场调查和评价结果，不仅人工植被需要保护和养护，自然恢复和原生植被也应具有同等重要的生态地位而亟需保护，其对于路域生态系统的多样性相关指标十分重要。有学者提出，植被保护对象和保护手段上应具有多样性，而且各种典型植被和潜在植被都是保护重点[27]，以此保护植被多样性，研究结果符合本研究评价结果。此外路域植被的绿化面积，在一定程度上保证了植被群落体积量和生物量，尤其是高速公路建设会占用大量的土地，除去路面硬化范围被永久占用外，其他区域均为植被保护与恢复的潜在区域，并且面积非常可观，很大程度上也是属于一种线性区域的“自然保护区”。该区域面积越大，越能缓和外界的干扰，使植被群落能够稳定建立和演替，能够影响了路域生态系统的恢复质量。

5.3环境因子在路域生态系统恢复中的作用

评价结果显示以邻近土地利用为主的环境因子指标也是影响路域生态系统恢复的重要因素。随着当地大量原生自然植被的破坏，以及农田和经济林的过度经营开发，可能会威胁沿线路域生态系统和生物多样的安全[28]，因此路域生态环境有可能会成为当地自然植被及动物一个越来越重要的生长和栖息场所。理论上紧邻自然或半自然区域的路域生态系统将会有更大的机会获得其他本土自然种类的进入并建立自然群落，现场调查也发现紧邻林地的调查路段不但植被生长状况好，而且与植被类型和物种多样性正相关。国外有关学者还认为紧邻的自然植被不但拓展了公路绿地的面积，还能为路域生态系统受外来有害种的侵入提供天然屏障[29]。但是被农田和建设用地包围的路域生态系统，与上述情况相比，其稳定性和多样性相对都比较低。

5.4建议

评价研究的最终目的是将评价结果用于指导海南省高速公路路域生态恢复，优化生态恢复设计和方向，提高恢复技术和措施。根据本次研究结果，给予海南省高速公路生态恢复工程以下几点建议：

① 海南省高速公路生态恢复改善和提高的潜力巨大，建议提前做好相应的路域生态恢复工程管理工作，建立管理机构，理顺管理职责；

② 已建的高速公路，采取多种措施重点做好现有路域内植被(人工及自然植被)的保护和养护工作，区别对待有害入侵种和自然恢复植被种类；

③ 新建高速公路应按照生态公路建设理念做好工程的环保景观设计，绿化恢复工程应不仅仅停留在满足覆盖率和生长速度等表面指标的追求上，建议关注群落结构和物种组成的优化和改良，提高路域生态系统多样性，保证路域生态系统恢复的持续性。

路域生态系统恢复评价方法是系统性很强的综合工程，地域及时空的差异，科研的进步等都会影响评价方法和指标的选择。本研究基于海南省区域环境特点，虽然对其他类似地区开展相关研究具有示范意义，但是评价方法和指标体系仍有待完善，适用性还需要些加强。

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Research on Evaluation Method of Ecosystem Restoration of Roadside Regions in Hainan Province

WANG Ti1， TAO Shuangcheng1， XUE Zhu1， LV Xiaoyu2， WANG Feng2

(1.China Academy of Transportation Sciences， Beijing 100029， China；2.Hainan Provincial Department of Transportation， Haikou， Hainan 570204， China)

[Abstract]According to the use of system scoring and PCA methods，three highway which build 20 years ago were evaluated on ecosystem restoration of roadside regions in Hainan province in 2013.And the select of evaluation index were take into account environmental and biological factors and their relationship comprehensively.The evaluation results indicate that，the quality of the ecosystem restoration of roadside regions in Hainan are mostly moderate，and this may have greater potential to enhance；related factors about vegetation growth and adjoining land use and so on is the key factors in the impact of ecosystem restoration.The evaluation method is feasible and the evaluation results basically reflect conservation status of roadside’s ecosystem.This research will provide important references for direction and measures of ecological restoration，and also an example for similar studies in other areas.

[Key words]roadside regions； ecosystem restoration； evaluation method

[中图分类号]U 418.9； S 731.8； X821

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0075-06

[作者简介]王倜(1983-)，男，重庆万州人，硕士研究生，助理研究员，主要从事公路环保方面的研究。

[基金项目]交通运输部建设科技项目(2013318221470)；海南省交通科技项目(JT20120898016)

[收稿日期]2014-11-18