福建省道路网络对森林覆盖连接度的影响

赵超超，唐润，翟瑞, 邱荣祖，胡喜生

(福建农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350002)

当全球森林面积逐年减少时，中国的森林面积却在稳步增加，其中不乏政策支持与人口城镇化的影响[1]。同时，随着经济的发展和交流的需求，中国的交通基础设施在不断完善，高速公路总里程与公路总里程均已位居世界第一[2]。森林在增加，道路网络在蔓延，两者不可避免地会产生交集与影响。道路是一种常见的线性基础设施，具有很强的隔离性，与土地利用变化关系密切[3]。道路网络的发展在促进经济繁荣和社会发展的同时，也会导致负面生态效应，如侵占生境、污染环境、降低生境质量、造成物种入侵和生境破碎等[4-5]。道路网络的搭建使森林被切割细化，连接度下降，其中高等级公路的建设影响更大，甚至超过地形特征对生物的影响[6]。例如地衣和苔藓便对交通污染物特别敏感，两栖动物的繁殖迁移路线也常被道路打断，道路噪音以及灯光也容易对动物产生惊扰。

景观连接度以景观中异类斑块或同类斑块为研究对象，研究它们在生态和功能过程上的有机联系，反映了生物体或其生态过程在斑块之间运动时景观促进或阻碍的程度[7-9]。景观连接度影响着基因流动、种子传播、动物迁徙以及土壤的侵害等生态系统功能，进而对生态系统的完整性、稳定性和可持续性产生影响。景观中连接度高低取决于生物体的行为特性和景观的结构特征[10-12]，而生物体的行为特性影响着生物的扩散能力，保障生物的扩散能力才能使生物自由活动繁衍。所以提高景观连接度可以保障生物的扩散能力[13]，增强生物在景观中的迁徙、觅食、繁衍和生存能力，从而减小种群灭绝的风险[14-16]。

鉴于此，本文以福建省森林景观连接度为研究对象，对有无道路网络情形下森林景观连接度的变化展开研究，进一步探究不同等级道路对森林景观连接度的影响程度，以期为道路网的布设提供参考依据。

1 研究区概况

1.1 福建省森林资源现状

福建的地形以低山丘陵为主，全省80%以上地区是山地和丘陵，复杂的地形使福建形成了多样的地方性气候，总体而言全省大部分地区属中亚热带，东南少部分地区属于南亚热带，适合林业发展，其森林覆盖率达到65.95%，居全国首位。丰富的林业资源，为研究森林连接度提供了基础；日新月异的道路网络建设，为研究提供了更多对比的过程；丰富的地形种类，为研究提供了更多的方向，丰富了研究结果。研究福建这个森林大省，对其他各省公路建设的规划研究有重大意义。

1.2 福建省干线公路建设现状

出于经济发展和人们出行便捷的需求，福建道路网络在不断完善和加密，截至2018年底，福建省公路总里程已达108 901 km，其中高速5 155 km、国道10 727 km、省道5 427 km、县道15 124 km[17]。《海峡西岸经济区高速公路网布局规划(修编)(2008—2020年)》提出的高速公路“三纵八横”已经提早实现，由《福建省高速公路网规划(2016—2030年)》提出的福建省高速公路网“六纵十横”也已提上日程。

2 研究方法

2.1 研究数据的收集和处理

本研究采用的2000、2010和2018年福建省土地利用/覆盖空间分布数据(30 m空间分辨率)集来源于中国科学院资源科学数据中心，该数据以各期Landsat TM/ETM遥感图像为主要数据源，通过人工目视解译而成。数据精度检验采取野外调查点随机抽样核查、核查线随机抽样核查、Kappa系数检验等方式，总体解译精度大于95%[18]。

2.2 景观类型的划分

以2000、2010 和2018 年的福建省土地利用/覆盖空间分布数据集为参考，根据研究区土地资源特征和景观类型差异，结合研究区内的地表组分特点，利用ArcGIS对2000、2010、2018年的土地利用覆盖图进行重分类处理，将研究区划分为6类景观类型(见表1和图1)[19-20]，由于森林占主体，本文主要研究对象为林地。

图1 福建省土地利用/覆盖分布(2000 、2010、2018 年)

表1 研究区分类

2.3 道路影响域的确定

李双成等[21]根据各级公路的特征制定了公路影响阈值 (见表2)， 本研究参照该文献以及国际上常用的标准，对各级道路影响生态系统面积的范围大小设定为：高速公路1 000 m，国道、省道500 m，县道250 m，乡村道路100 m。据此对道路数据进行缓冲区设置，利用ArcGIS中的栅格擦除功能将设置缓冲区后的道路网络从土地利用/覆盖分布中擦除，从而得到2000、2010、2018年添加路网后的土地/利用覆盖分布(见图2)。

图2 有道路情形下的福建省土地利用/覆盖分布(2000 、2010、2018 年)

表2 各级道路特征及缓冲带宽度

2.4 景观连接度距离阈值的选择

因为景观中连接度高低取决于生物体的行为特性和景观的结构特征，而景观斑块连通的距离阈值就代表着生物体的活动范围与生存的需求，与生物的行为特性有关系，所以计算景观连接度指数时需要确定距离阈值，不同生物需要设置的阈值也不相同。斑块间的距离超过阈值时，则生物的交流被阻断；斑块间的距离低于或等于阈值时，则该斑块可以满足该生物的迁徙扩散。本研究中，森林连接度的计算都在2 000、4 000、6 000、8 000和10 000 m这 5个不同的景观斑块距离阈值下进行[22]。

2.5 景观指标的计算与选取

本文运用景观格局分析软件FRAGSTATS3.3进行各景观指数的计算，分析景观生态格局特征及其演变规律。选取景观类别(landscape)水平上斑块类型面积(CA)、斑块个数(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、分离度(SPLIT)、聚合度(AI)、斑块粘合度指标(patch cohesion index)和连接度(connectivity)等8类景观指数作为评价因子。

3 结果与分析

3.1 道路路网对森林景观连接度的影响

分别对比3个年份有道路与无道路情形下景观指数值(见表3)可知：相对于无道路情形，有道路情形下林地的斑块面积减少了10%，但斑块数量增加了50%，斑块密度增加了近100%，并且最大斑块指数大大减少，仅为无道路情形下的16%，可见路网对森林有着极强的切割作用，将森林切割成了更多细小的斑块；其次，相对于无道路情形，3个年份道路网络的添加都使得斑块粘合度指标下降了1%，林地聚合度下降了4%～10%，分离度变化明显，由近3%增加到了30%。另外，对比2000、2010和2018 年有、无道路情形下不同阈值的连接度(见图3)可以发现：相对于无路网情形，添加路网后，3个年份的连接度下降了20%～25%；且随着阈值的增大，有、无道路情形下的连接度也逐渐增大。

表3 有无道路情形下福建省不同年份的景观指数

图3 有无道路网络情形下福建省不同阈值连接度相关指数对比(2000、2010、2018年)

3.2 不同道路等级对森林连接度的影响

通过对比有、无路网情形下的森林景观指数，可以发现道路网对森林连接度的影响是明显的，而不同的道路等级路网(见图4)对森林连接度的影响也有所不同[23]。由图5可知：当阈值较低时，高速公路对森林连接度的影响最大，县道次之，省道与国道影响最小；而当阈值较高时，省道对森林连接度的影响最大，其次为县道，高速公路与国道影响最小；当阈值固定时，对比省道与国道(缓冲区距离均为500 m)对森林连接度的影响可知，省道比国道的影响更大，可见道路长度越长、道路分布越密集时，其对森林连接度的影响越大。另外，小阈值情形下，高速公路对森林连接度的影响较其他等级的公路更大，不仅是因为其长度较大，更深层次的原因是因为其有较大的路面宽度和交通量，且多为封闭行车，几乎没有生物能够穿越，因此对生态影响范围大，间接导致森林连接度的降低。而当阈值增加时，高速公路对森林连接度的影响会有所减小，其影响会低于密度更高的省道与县道。

图5 不同等级道路情景下的森林景观连接度对比

4 结论与讨论

4.1 结论

本研究以福建省为例，针对森林连接度，从斑块的尺度研究道路建设和森林破碎化的定量关系，使用公路影响阈值分析方法，利用地理信息系统，通过对比景观指数，研究了福建省森林景观在道路网中的变化，分析道路网对森林景观连接度的影响。结果表明，道路网络的存在使得森林连接度减小，并使得景观破碎化程度明显增高，大量斑块被切割细化，生物体的扩散与交流受到阻碍。对于福建省而言，不同等级道路对森林连接度的影响趋势相近，但程度不同：当阈值较小时，道路的影响程度大小依次为高速公路、县道、省道、国道，这说明对于部分扩散距离较小的森林种子(如马尾松等)而言，高速公路等具有较宽路面和较大交通量的道路会显著影响森林种子借助风力、传粉者等途径传播的效应；当阈值较大时，道路的影响程度大小依次为省道、县道、高速公路、国道，这是因为对于部分扩散距离较大的森林种子(如栓皮栎等)而言，省道、县道等道路具有较大的密度分布，会显著抑制森林种子借助啮齿动物等途径传播的效果[24]。所以，森林连接度的影响取决于道路影响范围的大小以及道路的长度与密度，当阈值设置小时，道路的影响范围对森林连接度影响更大；当阈值设置大时，道路的长度与密度对森林连接度的影响就更为明显。

4.2 讨论

综上所述，通过合理规划交通建设或者缓解道路的影响范围，可以减少道路网络对森林连接度的影响。

4.2.1 合理规划路网

对于生态敏感区域，为了完全防止不利的生态影响，可以废除修路计划或避绕开重要的生态敏感区域，或者可以根据生物类型保持合理的道路与森林间隔。如避开两栖动物春季繁殖时前往水塘的生物通道，便可以大量减少该区域两栖动物的伤亡。其次，可以选择不同的建设方式，例如将地面道路改为地下隧道或是跨线桥，以保证森林的连通性。对于构建的道路严重影响森林的情况，可以调整区域道路网络以实现移除或是永久关闭道路的目的。

4.2.2 缓解道路的影响

对于发展中的福建省来说，取消建设的代价太大，要想保证经济发展的同时减少道路网络对森林连接度的影响，可采用缓解措施为路段提供足够的水平孔隙率或渗透率，以保证生态流动正常进行或尽量减少影响。最常见的缓解方法是为大小型动物和两栖动物设置生态通道供它们通行，如桥涵、暗沟、暗管、穿越型兽道、小动物通道、生态跨线桥等。对于易受车灯与噪音干扰的路段，可在道路两侧设置土堤或植被，通过隔离交通噪音或光线来减少交通对动物的干扰。对于汽车尾气排放量大的路段，可以设置道路绿化，选用滞尘量大的植物，或是净化重金属能力强的植物种类建设绿带以阻滞污染物的扩散，降低沿程污染以缓解道路对森林的影响。

4.2.3 生态损害的补偿

如果上述缓解措施仍不能有效缓解道路对森林连接度的影响，则应考虑森林生态破坏的补偿措施。具体措施为：选择适宜位置来恢复因道路损伤的生态功能、补偿被侵害的面积、扩大邻近生态走廊、增加自然植被覆盖面积、移除干扰自然功能的人工设施、改变用地性质等，通过这些方法尽量减少道路对森林生态的影响，恢复生态环境并提高生境质量。