福建省城鎮(zhèn)-交通系統(tǒng)的景觀分隔效應(yīng)

張?zhí)旌?，羅 濤，邱全毅，甘永洪,3，張 婷

(1.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所，城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廈門 361021；2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.漳州師范學(xué)院，漳州 363000)

城市化以及與之相關(guān)聯(lián)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是對(duì)環(huán)境造成巨大影響的重要人類活動(dòng)之一[1-2]。近年來，中國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)使全國城市化率2010年末達(dá)49.95％，城市建成區(qū)面積由2000年的22427 km2上升到40058 km2[3-4]。幾十年來，在“要想富。先修路”思想的引領(lǐng)下，國家及各級(jí)地方政府對(duì)于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入持續(xù)大幅增加。以公路建設(shè)為例，全國公路網(wǎng)總里程即將在2010年398萬 km基礎(chǔ)上，到2015年增至450萬km[5]。一個(gè)覆蓋全國的巨大城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)初步形成并正在日益完善。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在不同空間尺度上，對(duì)我國國土空間產(chǎn)生分隔效應(yīng)，并在景觀尺度上表現(xiàn)為區(qū)域景觀的深度破碎化[6-7]。

景觀分隔和破碎化所引發(fā)的諸如棲息地破碎、縮小，生物多樣性降低，景觀障礙增多、動(dòng)物遷徙困難，空氣、水、固廢污染滯留等系列生態(tài)破壞效應(yīng)[8-9]，對(duì)區(qū)域生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[10-11]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問題進(jìn)行了廣泛的研究并試圖提供解決方法[12-15]。蘭州大學(xué)李太安等在全國尺度上對(duì)我國由于城市和道路建設(shè)所造成的景觀分隔效應(yīng)進(jìn)行了首次分析嘗試，其研究指出道路分割生態(tài)基質(zhì)嚴(yán)重影響生態(tài)系統(tǒng)完整性，道路規(guī)劃者需要從景觀尺度而非運(yùn)輸廊道本身審視生態(tài)影響。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)福建省區(qū)位

福建省地處中國東南，介于北緯23°32′—28°19′，東經(jīng)115°51′—120°52′之間，背山面海，與臺(tái)灣一水相隔(圖1)。全省陸地面積12.40萬 km2，境內(nèi)山地、丘陵占全省面積80％以上，森林覆蓋率達(dá)62％，居全國第一。全省轄9個(gè)設(shè)區(qū)市、26個(gè)市轄區(qū)、14個(gè)縣級(jí)市、45個(gè)縣(含與大陸沒有道路交通相連的金門縣)。在本研究基準(zhǔn)年份(2007年)，全省城市化率為48.7％，城市建成區(qū)面積為917.5 km2[18]。

近年來，福建境內(nèi)沈海、福銀、廈蓉、京臺(tái)等一批高速路相繼建成通車，全省公路形成“一縱兩橫”的高速路、“兩縱兩橫”的國道、“八縱九橫”的省道為骨架的公路網(wǎng)系統(tǒng)。至2007年底，全省公路通車?yán)锍踢_(dá)86926 km，公路密度達(dá)0.716 km/km2。其中，高速路通車?yán)锍踢_(dá)1366 km[18]。

1.2 跨邊界有效柵格

(1)

式中,meff(j)為第j個(gè)報(bào)告單位柵格面積值；Atj為第j個(gè)報(bào)告單位總面積大??；Aij為第j個(gè)報(bào)告單位中第i個(gè)斑塊面積大小。

該指標(biāo)的數(shù)學(xué)解釋是：以某一報(bào)告單位內(nèi)柵格的平均面積大小來指示該報(bào)告單位內(nèi)兩個(gè)隨機(jī)點(diǎn)同時(shí)落在同一斑塊內(nèi)的概率[14]。從生態(tài)學(xué)角度來看，該指標(biāo)顯示動(dòng)物活動(dòng)范圍的大小和種群豐富度的高低。因?yàn)?，兩個(gè)任意點(diǎn)落入同一斑塊的概率值大小直接與斑塊面積大小相關(guān)，斑塊面積越大，則概率值也越大，則動(dòng)物在其棲息地斑塊內(nèi)活動(dòng)范圍更廣，個(gè)體處在同一區(qū)域的概率更大，更有利于繁衍、遷徙等活動(dòng)，有利于維持和提高種群豐富度。

(2)

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究將福建省道路交通網(wǎng)絡(luò)按類別和等級(jí)分為：鐵路、高速路、國道、省道、縣道(含建成區(qū)外城市街道)。各類交通設(shè)施有效寬度及其選擇依據(jù)見表1。全省城鎮(zhèn)建成區(qū)范圍根據(jù)“福建省情地圖集2009年2月版”經(jīng)過數(shù)字化處理得出。

福建省城鎮(zhèn)建成區(qū)、鐵路、高速路、國道、省道及縣道網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)見圖2。構(gòu)建該網(wǎng)絡(luò)所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源為：交通和建成區(qū)數(shù)據(jù)由福建省情地圖集經(jīng)ArcGIS 9.3數(shù)字化處理得到；TM遙感影像下載自遙感數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)http://ids.ceode.ac.cn/query.html；福建省地市行政區(qū)劃數(shù)據(jù)取自中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所地理空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。鑒于本研究所使用的交通數(shù)據(jù)只細(xì)化到縣道，因此沒有縣道和不與大陸公路連接的島嶼被舍棄。福建省各地市城鎮(zhèn)建成區(qū)及交通設(shè)施占地情況統(tǒng)計(jì)匯總見表2。

表1 研究區(qū)各類交通設(shè)施分類統(tǒng)計(jì)

圖2 福建省城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)

2 結(jié)果

從圖2及表2可見，福建省城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)在東南沿海地區(qū)密集分布，并以福州市和廈漳泉3市形成雙核心格局。向西、向北則逐漸稀疏。南平市城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)密度最低(用地面積比0.012)。從道路分布格局看，交通干線(鐵道、高速路、國道)經(jīng)過地帶密度較高，形成三橫兩縱的骨架，省道、縣道都沿此骨架向全省空間范圍拓展。

2.1 福建省景觀分隔現(xiàn)狀

由福建省城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)分隔景觀基質(zhì)所產(chǎn)生的斑塊分級(jí)見圖3。從區(qū)域分布看，廈門、泉州、漳州3市(廈、泉、漳地區(qū))集中了全省最密集的斑塊面積小于50 km2的小斑塊。景觀破碎化嚴(yán)重區(qū)域主要位于沿海(海岸線向內(nèi)約10 km范圍內(nèi))、城鎮(zhèn)周邊和交通干線兩側(cè)。由圖3可見，上述地區(qū)聚集了大部分的小面積斑塊。福建省景觀破碎化嚴(yán)重區(qū)域呈三橫兩縱展開。其中，三橫分別由西向東通向福州、泉州、漳州，兩縱則由南向北，一條沿海從漳州經(jīng)過東部各市到寧德，一條平行于海岸貫穿西部三明和北部南平。

表2 各地市城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)用地面積統(tǒng)計(jì)

*該比率指建成區(qū)面積占該行政區(qū)國土面積比率；**該比率指該行政區(qū)內(nèi)交通道路緩沖面積加建成區(qū)面積占國土面積比率

圖3 福建省城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)分隔景觀基質(zhì)現(xiàn)狀

面積為0—15 km2的斑塊數(shù)量最多，但所占面積比率最小。面積比率最大的景觀斑塊面積大小位于301—500 km2之間，占全省面積的近20％。1000 km2以上的斑塊面積比率超過20％，表明福建省還存在大面積生態(tài)完整性較良好的區(qū)域(圖3，表3)。

以300 km2為標(biāo)準(zhǔn)劃分景觀斑塊大小，并以地級(jí)市為單位，分級(jí)統(tǒng)計(jì)景觀斑塊。東部6市和西部3市分別集中了小斑塊和大斑塊。廈門、泉州和漳州3市小于300 km2的斑塊面積占全市面積比率，以及該級(jí)斑塊數(shù)量占全市斑塊數(shù)比率均高于南平、三明和龍巖3市。其中南平市擁有研究區(qū)最大斑塊，其值為2361.5 km2(圖4)。

2.2 福建省景觀破碎化現(xiàn)狀

2.2.1 地市尺度上的景觀破碎化評(píng)價(jià)

以地級(jí)市為報(bào)告單位，福建省景觀破碎程度整體格局呈現(xiàn)西輕東重、北輕南重格局。東部沿海6市(寧德市、福州市、莆田市、泉州市、廈門市、漳州市)中除了莆田市，其他5市跨邊界有效柵格值均低于600 km2，而西部3市(南平市、三明市、龍巖市)的值均高于600 km2。

西部3市的景觀破碎程度由北向南漸次加重。東部6市也有同樣趨勢(shì)。以莆田市為界，北部寧德市和福州市的景觀破碎化程度明顯輕于南部的泉州市、廈門市和漳州市。景觀破碎化最嚴(yán)重區(qū)域位于以廈門市為核心的廈門、泉州和漳州3市(其跨邊界有效柵格值均在400 km2以下)。最輕微區(qū)域位于北部的南平市。其他5市則處于這兩極之間(400—800 km2)，整體呈現(xiàn)三級(jí)梯度分布(圖5)。

表3 研究區(qū)景觀斑塊分級(jí)統(tǒng)計(jì)

*該比率指該類斑塊數(shù)量占全部斑塊數(shù)量的比率；**該比率指該類斑塊總面積占研究區(qū)總面積比率

圖4 各市分級(jí)斑塊數(shù)及面積比率

圖5 以福建省地級(jí)市為報(bào)告單位的跨邊界有效柵格計(jì)算結(jié)果

2.2.2 縣(市、區(qū))尺度上的景觀破碎化評(píng)價(jià)

圖6 以福建省各縣(市、區(qū))為報(bào)告單位的值計(jì)算結(jié)果取值范圍為1.8 km2到1304.1 km2

以縣(市、區(qū))為報(bào)告單位，其計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了福建省景觀破碎化西輕東重、北輕南重的整體格局(圖6)。將84個(gè)縣(市、區(qū))的跨邊界有效柵格值由小到大排序，排名前42位以內(nèi)(上半?yún)^(qū))的縣(市、區(qū))，除西部龍巖市武平縣外，其余41個(gè)縣(市、區(qū))都隸屬東部6市。排名后42位以內(nèi)(下半?yún)^(qū))的縣(市、區(qū))， 29個(gè)縣(市、區(qū))隸屬西部3市。

3 討論

3.1 對(duì)比分析

3.1.1 區(qū)域差異與影響因素

福建省城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)造成的景觀破碎化整體上呈現(xiàn)北輕南重、西輕東重的空間格局。以行政區(qū)域統(tǒng)計(jì)，跨邊界有效柵格值由小到大分為第1組團(tuán)(廈門市、泉州市和漳州市)，第2組團(tuán)(寧德市、福州市和莆田市)，第3組團(tuán)(南平市、三明市和龍巖市)。以地理區(qū)位分析，全省景觀破碎化程度由沿海向內(nèi)陸次第減弱。結(jié)合交通網(wǎng)絡(luò)的布局分析，景觀破碎化嚴(yán)重區(qū)域沿交通干線成帶狀分布。

福建省地勢(shì)由西北向東南漸次下降。閩西、閩中兩大山帶從北至南斜貫福建省。省內(nèi)閩江、晉江、九龍江下游沖積成四大平原(漳州平原、福州平原、泉州平原、興化平原)[18]。西部、北部地區(qū)較大的地形坡度限制或阻礙了城市擴(kuò)張和交通建設(shè)[14]。沿海地區(qū)則與之相反。地理地形空間格局的差異是造成84縣(市、區(qū))景觀破碎化由內(nèi)陸向沿海漸次加重的重要原因。

此外，中國沿海地區(qū)是經(jīng)濟(jì)活動(dòng)最為活躍的區(qū)域。福建省大規(guī)模的出口經(jīng)濟(jì)活動(dòng)導(dǎo)致沿海城市化和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模、速度遠(yuǎn)高于內(nèi)陸[22]。景觀破碎化作為人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的一種生態(tài)效應(yīng)，呈現(xiàn)出由沿海向內(nèi)陸的擴(kuò)散趨勢(shì)。同時(shí)，交通干線兩側(cè)景觀破碎化程度顯著嚴(yán)重的現(xiàn)象再次表明了交通基礎(chǔ)設(shè)施生態(tài)效應(yīng)研究的迫切性[14]。

3.1.2 國內(nèi)外對(duì)比分析

國內(nèi)同樣處于沿海地帶的江蘇省景觀破碎化程度高于其他各省市，應(yīng)與該省處于人類活動(dòng)強(qiáng)度居全國之首的長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)圈有密切關(guān)系[24]。

圖7 國內(nèi)外地區(qū)跨邊界有效柵格值比較圖

在未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，廈泉漳3市應(yīng)當(dāng)通過采取相應(yīng)生態(tài)工程技術(shù)措施，設(shè)法避免景觀的進(jìn)一步破碎化，防止生物多樣性繼續(xù)降低并修復(fù)遭到破壞的環(huán)境生態(tài)功能[15]。而南三龍3市由于尚存良好的生態(tài)保育機(jī)會(huì)，應(yīng)設(shè)法維護(hù)目前良好的生態(tài)完整性，防止先破壞后修復(fù)[25]。

3.2 生態(tài)影響與生態(tài)規(guī)劃

城市化進(jìn)程和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)，同時(shí)也加劇了對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)，導(dǎo)致棲息地破碎、縮小，生物多樣性降低、道路交通致死等[9]。其直接表現(xiàn)為景觀破碎化程度的加強(qiáng)，最終結(jié)果則是對(duì)生態(tài)系統(tǒng)完整性的破壞[6]。為緩解和預(yù)防由城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)于區(qū)域生態(tài)安全的影響，道路交通設(shè)施的生態(tài)效應(yīng)研究和相應(yīng)的工程技術(shù)手段研究亟待加強(qiáng)。

受未來新一輪的城市化發(fā)展和交通建設(shè)影響，福建省中西部面臨景觀破碎化加重和生態(tài)功能衰減的挑戰(zhàn)。生態(tài)型的道路規(guī)劃、城市建設(shè)，以及緊密結(jié)合城鎮(zhèn)、交通發(fā)展的景觀規(guī)劃急需得到重視和實(shí)施[15,26,27]。一些國外的方法措施值得借鑒，如合并道路、建立生態(tài)聯(lián)通廊道等。這些措施致力于提高景觀斑塊之間的景觀連通性，提升斑塊景觀生態(tài)功能。本研究的結(jié)論可為相關(guān)領(lǐng)域工作者提供參考信息，便于認(rèn)識(shí)現(xiàn)狀、進(jìn)行分析或劃定標(biāo)準(zhǔn)閾值等。

3.3 關(guān)于指標(biāo)

由于數(shù)據(jù)可獲得性等方面的考慮，本研究的空間分辨率限于縣(市)尺度。只選擇了有硬化路面的高速路、國道、省道等。還有許多引發(fā)景觀分隔效應(yīng)的分隔因素沒有被納入考慮，包括鄉(xiāng)道、未鋪筑路面和水體、山巖等自然因素[12]。此外，由于新農(nóng)村建設(shè)和村村通家家通道路工程的建設(shè)，舊道路翻新改造等，尚有大量的交通路面沒有被納入本研究范圍。采用更高精度的航片數(shù)據(jù)固然可以將此類數(shù)據(jù)納入并提高精度，但是，此類因素的生態(tài)影響方式和程度尚未確定，因此也無法和上述有鋪裝路面的景觀分隔效應(yīng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的類比。各類分隔因素本身性質(zhì)的不同也會(huì)導(dǎo)致其生態(tài)效應(yīng)的不同。例如水域、河流既可以作為分割要素，但同時(shí)也具有廊道功能，有利于生物分布和遷徙。而未鋪筑路面、橋梁、隧道的景觀障礙性顯然不如高速路。

4 結(jié)論與展望

景觀破碎化對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)造成破壞和擾動(dòng)。如何通過生態(tài)修復(fù)與保育手段緩解、消除城市化和交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)帶來的此類影響，是重要的后續(xù)工作。與此相關(guān)的景觀規(guī)劃、生態(tài)規(guī)劃、道路生態(tài)技術(shù)等研究、實(shí)踐急需展開。由于城鎮(zhèn)-交通網(wǎng)絡(luò)的生態(tài)效應(yīng)呈現(xiàn)中尺度區(qū)域特征，以往對(duì)于城鎮(zhèn)節(jié)點(diǎn)生態(tài)影響的研究需要向區(qū)域網(wǎng)絡(luò)拓展。此外，跨邊界有效柵格指標(biāo)在不同景觀尺度上的適用性和轉(zhuǎn)換方法也是下一步研究驗(yàn)證的要點(diǎn)。

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