易 浪， 潘 登

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410000)

不同等级道路网络对常宁市景观格局生态 效应的影响

易 浪， 潘 登

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410000)

针对常宁市域范围，利用GIS和Fragstat软件，通过建立缓冲区并进行情景分析，分析了不同等级道路对景观格局的影响。结果表明：常宁市内一级道路所影响面积最大，二级道路最小，而影响的斑块数目则为三级路>一级路>二级路>高速路，受影响生态面积为水田>灌木林地>茶园>旱地>其他建筑用地>有林地>水体>住宅用地>其他林地>疏林地>裸地>果园>其他园地，受影响斑块数目最高为灌木林地，其次为水田。情景分析表明，随着道路的建设，斑块分维数升高，但总体上，高等级道路对景观形状指数和斑块形状因子升高的贡献率最小。

道路网络； 景观格局； 生态迁移； 破碎化

作为重要的干扰源，道路网络对景观格局和生态过程的影响可能超过了人类活动的任何其他方面[1]。由道路建设引起的生境破碎化可引起一系列潜在的生态效应，定量分析道路网络存在造成破碎化特征和生态干扰对于道路生态系统的管理具有现实意义。据估计，道路网络的影响区域是其所占地面积的15～20倍[2]，道路网络对景观属性和生态过程的影响已蔓延到整个景观。随着景观生态学的发展，道路网络与景观格局及生态过程的关系成为道路生态学研究的热点问题[3]。目前许多学者对道路建设在景观尺度上的影响进行了初步研究[4-8]，并逐渐开始分析道路网络对生态效应的影响。已有研究表明低等级道路有显著的生态影响[9-10]，但以往的研究往往忽略低等级道路网对景观格局的切割及对斑块间生态过程迁移的影响，从景观角度看，低等级道路对区域的植被景观影响力不容小觑，在研究道路网对景观格局的生态影响时，考虑低等级道路的影响力可以在一定程度上完善不同等级道路对景观格局的影响程度，更有助于弥补和预测各等级道路所产生的影响效应。

景观格局往往涉及到多种生态学过程。景观的空间格局影响能量、物质以及生物在景观中的运动。一般而言，种群动态、生物多样性和生态系统过程等都不可避免地受到景观空间格局的制约或某种影响[11-14]。要实现在道路网络干扰下景观格局与生态过程的耦合，首先要了解区域内景观属性发生了何种变化以及这种变化对生态过程产生的影响[15]。

1 研究区概况

常宁市，中国油茶第一市，杉木楠竹之乡。位于湖南省南部(26°07′—26°36′N，112°07′—112°41′E)，湘江中游右岸，总面积2 046.6 km2。属中亚热带季风湿润性气候，地处亚热带常绿阔叶林带，植被类型多种多样。境内已知各类动物200余种。常宁市动植物资源丰富，水、矿产资源储量大，且三南道路(湘南、赣南、闽南)、S61、衡昆高速公路连接线、益娄衡高速、常茶高速、S320、S214、S317省道以及城内道路的存在，对生态系统产生强烈的干扰，各等级道路对生境的切割、破碎化过程改变了原有景观格局并间接影响了生态过程。使得在该区研究道路建设作用具有重要现实意义。

2 研究方法

2.1数据获取

本研究所采用的道路矢量数据利用常宁市1∶100万地形图(2010)数字化，以1∶25万中国基础地理信息中公路图、中国居民点分布图和2010年1∶10万土地利用类型图作为参考，根据我国交通部发布《公路工程技术标准(JTG B01-2003)》将研究区道路要素分为4类：高速公路、一级道路、二级道路、三级道路，以无道路干扰的森林景观作为对照区域。

2.2数据分析

通过量化斑块面积、数量和景观尺度上的破碎化来分析景观格局的变化；通过计算同类型斑块之间的平均距离，模拟不同生态过程下道路网络对生态迁移的阻隔效应。

2.2.1 缓冲区建立 缓冲区分析已经成为分析人类干扰对生态环境格局变化状况的主要手段之一。本研究通过分析缓冲区的景观要素来辨析道路网络对景观格局和过程的影响[8]。本研究采用国际常用标准[16-17]，在ArcGIS支持下，将高速路、一级、二级、三级道路的缓冲(buffer)数值设置为1 000 m、500 m、250 m和100 m，构建各级道路的缓冲带，缓冲带数值不包含道路本身宽度。

2.2.2 情景分析 利用ArcGIS软件，将景观类型分为住宅用地、其他园地、其他建筑用地、其他林地、旱地、有林地、果园、水田、水体、灌木林地、疏林地、茶园、裸地13类(表1)，然后分别设置无道路、三级道路、二级道路、一级道路和高速公路五种情景，每种情景叠加与之相对应的道路网络。再用Fragstat3.3统计分析各情景下的景观格局的变化。

2.2.3 景观格局分析 道路网络的形成对源斑块叠加，进行切割。基于缓冲区和情景划分，通过斑块数量、面积和分形等特征来反映景观格局的变化。

2.2.4 生态过程分析 利用ArcGIS将景观类型要素转为5 m×5 m的栅格文件。为反映道路网络对生态过程的阻隔效应，采用8邻规则，计算同类型斑块两两间的距离，其公式为：

Di=di+Ni

式中：Di——同类型斑块之间的总距离；

di——斑块类型i之间的距离，即中心斑块到与他最近的同类型斑块之间的直线距离；

Ni——斑块类型i的数目。

景观形状指数(Landscape Shape Index，LSI)是在景观尺度上计算板块整体的形状规则程度，正方形为基准，当形状为正方形时，LSI≥1，形状越不规则，LSI越大，其计算公式为：

表1 景观类型划分Tab1 Landscapeclassificationscheme一级类型二级类型含义耕地水田用于种植水稻、莲藕等水生农作物的耕地旱地无灌溉设施，主要靠天然降水种植旱生农作物的耕地林地有林地树木郁闭度≥02的乔木林地，包括红树林地和竹林地灌木林地灌木覆盖度≥40%的林地疏林地树木郁闭度≥01、<02的林地其他林地包括未成林地、迹地、苗圃等林地园地果园种植果树的园地茶园种植茶树的园地其他园地种植桑树、杜仲、棕榈、胡椒、药材等的园地建筑用地住宅用地用于生活居住的各类房屋用地及其附属设施用地其他建筑用地除居民点以外的建设用地水域水体陆地水域，海涂，沟渠、水工建筑物等用地其他土地裸地基本无植被覆盖或表层为岩石、石砾覆盖面积≥70%的土地

式中：E——同质板块边界总长度，0.25是正方形校正常数；

A——景观总面积。

分形维数(Fractal Dimension，FD)用来度量板块形状的复杂程度，其计算公式为：

式中：P——斑块的周长；

A——斑块的面积；

K——常数。

由于景观区域对生态迁移的过程有一定的承载能力，故可以通过设定不同的迁移距离来模拟不同生态过程发生的情景，本研究设置1 500 m、2 000 m、5 000 m和8 000 m四个迁移距离。

式中：R——生态迁移路径总数；

Rn——第个类型斑块的生态迁移路径数；

h——迁移距离。

面积加权的平均形状因子(AWMSI)在斑块级别上等于某斑块类型中各个斑块的周长与面积比乘以各自的面积权重之后的和；在景观级别上等于各斑块类型的平均形状因子乘以类型斑块面积占景观面积的权重之后的和。当AWMSI=1时说明所有的斑块形状为最简单的方形；当AWMSI值增大时说明斑块形状变得更复杂，更不规则。其计算公式为：

式中：n——某斑块类型所拥有的斑块数量；

P——斑块的周长；

A——斑块的面积；

q——各斑块各自的面积权重，该值由软件根据每个斑块的面积自主生成。

3 结果与分析

3.1不同等级道路网络景观格局的差异

利用ArcGIS的Clip命令，使各级道路的缓冲区域分别对景观环境进行切割，得到不同等级道路影响域内景观要素图层，统计各影响域的总面积及斑块数量。

比较各级道路影响生态系统面积大小(图1a)可以看出，一级道路影响的生态系统面积最大，三级路最低。这主要和道路的长度和缓冲区设定的距离有关，三级道路的总距离虽长，但其缓冲区距离最小，故影响的生态系统面积最小。图1b显示，道路修建影响的斑块数目则为一级道路>二级道路>三级道路>高速公路，说明总体上一级路网的存在对景观的影响程度最大。

图1 不同等级道路影响的生态系统面积(a) 和斑块数量(b)Fig.1 The ecosystem area and patch number influenced by different road grade

图2a显示的是不同等级道路建设对不同土地利用类型影响的斑块数目，图2b显示的是不同类型等级道路影响不同类型的面积之间的对比。从图中可知，总体上受道路影响最大的斑块面积为水田，其次为灌木林地，茶园和建筑用地；从受影响的斑块数目来看，灌木林地最高，其次为水体，水田和茶园，不同道路的影响趋势相近。结合当地实际情况，由于常宁市山地和丘陵占全市面积的65.5%，地势起伏较大，道路穿越较多的灌木林地，而同时由于三级道路网络分化最细，对斑块分布和切割最为明显，所以总体上来看，一级道路影响的面积最大，而三级道路影响的斑块数量最多。同时还能看出，从斑块数量的角度比较，受影响的建筑类用地面积较低，说明较之其他土地类型，建设用地在道路两侧呈现分散式分布。

3.2不同等级道路网络生态系统破碎化比较

为反映道路网络对生态系统破碎化的影响，选取斑块的面积加权的平均形状因子、分形维数和景观形状指数三个指标来定量表征生态系统及其生境破碎化程度。从指数的景观生态学意义上，形状因子大小反映了斑块的形状规则程度，分形维数是表征空间尺度范围内的形状复杂性的重要指标，景观形状指数则反映了斑块的聚合离散程度。

图2 不同等级道路对不同类型斑块数量(a)和面积(b)的影响Fig.2 Comparison of patch number(a)and area(b)of different land use types affected by different road grade

图3 不同情景下生态系统斑块景观形状指数、分形维数和形状因子的变化趋势Fig.3 The change trend of LSI，AWMSI and FD under different road scenarios

从图3可以看出，在没有道路建设的情景下，空间内的景观形状指数为29.7，叠加道路网络情景后，景观形状指数均有所升高，各情景的景观形状指数变化趋势为三级路>二级路>一级路>高速路，趋同于形状因子的变化。说明随着道路的建设，景观内斑块的聚集程度增高，且形状变得更不规则。分形维数的变化反映了随着道路等级的升高，景观空间总体形状变的更复杂，表明人类活动的干扰随之增强。情景分析对比表明，低等级道路对区域内斑块聚集度和形状规则性的变化贡献率最大，而总体上高速路的贡献率最小。这是由于低等级道路呈现出网络化状况，居民的生活生产等活动发生的强度、频率和聚集度最高，而高等级道路在早期仍然为线状分布的格局，其切割作用与区域生态系统破碎化影响较小。

3.3道路网络对生态过程迁移的影响

道路网络除了对源斑块进行直接切割，降低其生态承载力，还可通过间接的阻碍作用影响不同生态过程的迁移。本研究利用不同生态过程在同类型斑块间的迁移扩散距离，分析道路网络作用对生态过程迁移的影响。

总体上，道路对源斑块的破碎使得小型斑块增多，增加了生态过程可采取的路径数，也增加了迁移的中间过程，与无道路情景相比，景观中可通过的路径数从5 356条增加到39 233条。对比不同道路情景，随着迁移扩散能力的增强，生态过程迁移可采取的路径数减少，高等级道路对生态迁移的阻隔也更明显，道路网络的存在导致区域内斑块破碎化对迁移扩散能力较弱的生态过程(h=1 500 m，h=2 000 m)的影响较高，而对迁移扩散能力较强的生态过程(h=5 000 m，h=8 000 m)较低。

图4 道路网络对不同生态过程在斑块之间迁移扩散的影响Fig.4 Effect of road networks in on the migration of ecological processes between patches

4 结论与讨论

不同等级道路网络的生态效应是道路生态学研究的重点，尤其是景观格局和生态过程的耦合，低等级道路的生态效应是目前人们关注的热点。本研究在市域范围内，针对道路网络建设的负效应，在景观尺度下，利用斑块数量和形状特征，模拟不同生态过程的迁移扩散情景，对道路网络的生态效应进行研究。结果表明：与高等级道路相比，低等级道路对区域景观格局的改变和生态系统的破碎更为强烈，进而使小型斑块高度聚集，改变了源斑块的空间分布，道路网络的叠加增加了迁移扩散的路径，但同时也增多了生态过程发生的中间环节。短距离生态过程的迁移路径由于斑块破碎化的增加而增加，而长距离生态过程的迁移路径则由于中间环节的增加而减少。

研究结果表明，利用几何最邻近距离(Euclidean Nearest Neighbor Distance)定量分析生态迁移在同类型斑块间的扩散与利用最小耗费距离模型量化阻隔效应相比，可以观测到生态过程在特定斑块类型间进行迁移扩散时的情景，结合ArcGIS对斑块类型进行特定的划分和合并，还可模拟生态过程在多种类型斑块间迁移时较为复杂的情景，同时由于研究集中于道路的影响域内，可以较其他研究方法更为精准地排除其他干扰因素对景观格局、生态系统破碎化和生态过程迁移的影响，将道路网络对景观格局的影响力权重最大化。同时，根据研究结果可知，低等级道路造成的破碎化程度往往要稍高与高速公路，其主要原因在于高速公路的规划往往是经过多次论证，并且道路的路线规划是经过了仔细的实地勘测、尽量避免了生态脆弱区，施工完毕后也会对周边进行一定的绿化，而低等级道路，尤其是三级道路及以下的道路网络，其建设与规划考虑的侧重点往往只有便捷性，至于其环保、效率、有序等方面则考虑甚少，也就造成了低等级道路网在城市规划时与当地的土地利用方式产生了冲突，其结果必然是生态环境遭到破坏，生态系统的物质循环和能量流动受阻，故在城市道路网络规划时，首先应该对欲建设区域的土地利用方式或覆盖类型做出全面细致的调研，将区域生态系统作为一个整体考虑，在选择道路路线时，不应仅考虑其便捷性，而应综合考虑道路在建设过程中及建设后对景观格局造成的破碎程度，采取科学的模拟手段预测不同道路规划方案后对生态系统造成的负面影响，择取最优方案，以保证道路的设计合理、科学，使其交通的安全、通畅、环保、有序、便捷及其效率达到最高。

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EcologicaleffectsofdifferentgraderoadnetworkonlandscapeinChangningCity

YI Lang， PAN Deng

(Central South University of Forest and Technology， Changsha 410000， China)

Using GIS and Fragstats to establish a buffer，the landscape pattern and ecological process responded to different grade roads in Changning City were analyzed in the paper.The result shows that the first grade road has affected the biggest area， and the second grade road has affected the smallest area.The sequence of affected patch number is the third grade roads>the first grade roads>the second grade roads>highway.For the different ecosystems，the effect shows the area order is paddy field>shrub land>tea garden>dry land>other building land>forest land>body of water>residential land>other forest land>open forest land>bare land>orchard>other garden and patch number is shrub land>paddy field.Scenario analysis showed that road network development result in the increase of patch complexity and landscape fragmentation.The average patch area decreases while the patch number and fractal dimension increase with the actualization of road construction and planning，but the expressway affects little in general.

road network； landscape pattern； ecological migration； fragmentation

2015-12-08

中南林业科技大学研究生科技创新基金资助项目(CX2015A03)，湖南省研究生创新项目(CX2015B287)。

易 浪(1988-)，女，湖南省岳阳市人，硕士，主要从事景观生态研究。

X 820.3

A

1003 — 5710(2016)02 — 0081 — 06

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 02. 015

(文字编校：杨 骏)