福建省道路網(wǎng)絡(luò)對森林覆蓋連接度的影響

趙超超，唐潤，翟瑞, 邱榮祖，胡喜生

(福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002)

當(dāng)全球森林面積逐年減少時，中國的森林面積卻在穩(wěn)步增加，其中不乏政策支持與人口城鎮(zhèn)化的影響[1]。同時，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交流的需求，中國的交通基礎(chǔ)設(shè)施在不斷完善，高速公路總里程與公路總里程均已位居世界第一[2]。森林在增加，道路網(wǎng)絡(luò)在蔓延，兩者不可避免地會產(chǎn)生交集與影響。道路是一種常見的線性基礎(chǔ)設(shè)施，具有很強的隔離性，與土地利用變化關(guān)系密切[3]。道路網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)繁榮和社會發(fā)展的同時，也會導(dǎo)致負(fù)面生態(tài)效應(yīng)，如侵占生境、污染環(huán)境、降低生境質(zhì)量、造成物種入侵和生境破碎等[4-5]。道路網(wǎng)絡(luò)的搭建使森林被切割細(xì)化，連接度下降，其中高等級公路的建設(shè)影響更大，甚至超過地形特征對生物的影響[6]。例如地衣和苔蘚便對交通污染物特別敏感，兩棲動物的繁殖遷移路線也常被道路打斷，道路噪音以及燈光也容易對動物產(chǎn)生驚擾。

景觀連接度以景觀中異類斑塊或同類斑塊為研究對象，研究它們在生態(tài)和功能過程上的有機聯(lián)系，反映了生物體或其生態(tài)過程在斑塊之間運動時景觀促進(jìn)或阻礙的程度[7-9]。景觀連接度影響著基因流動、種子傳播、動物遷徙以及土壤的侵害等生態(tài)系統(tǒng)功能，進(jìn)而對生態(tài)系統(tǒng)的完整性、穩(wěn)定性和可持續(xù)性產(chǎn)生影響。景觀中連接度高低取決于生物體的行為特性和景觀的結(jié)構(gòu)特征[10-12]，而生物體的行為特性影響著生物的擴(kuò)散能力，保障生物的擴(kuò)散能力才能使生物自由活動繁衍。所以提高景觀連接度可以保障生物的擴(kuò)散能力[13]，增強生物在景觀中的遷徙、覓食、繁衍和生存能力，從而減小種群滅絕的風(fēng)險[14-16]。

鑒于此，本文以福建省森林景觀連接度為研究對象，對有無道路網(wǎng)絡(luò)情形下森林景觀連接度的變化展開研究，進(jìn)一步探究不同等級道路對森林景觀連接度的影響程度，以期為道路網(wǎng)的布設(shè)提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 福建省森林資源現(xiàn)狀

福建的地形以低山丘陵為主，全省80%以上地區(qū)是山地和丘陵，復(fù)雜的地形使福建形成了多樣的地方性氣候，總體而言全省大部分地區(qū)屬中亞熱帶，東南少部分地區(qū)屬于南亞熱帶，適合林業(yè)發(fā)展，其森林覆蓋率達(dá)到65.95%，居全國首位。豐富的林業(yè)資源，為研究森林連接度提供了基礎(chǔ)；日新月異的道路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，為研究提供了更多對比的過程；豐富的地形種類，為研究提供了更多的方向，豐富了研究結(jié)果。研究福建這個森林大省，對其他各省公路建設(shè)的規(guī)劃研究有重大意義。

1.2 福建省干線公路建設(shè)現(xiàn)狀

出于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們出行便捷的需求，福建道路網(wǎng)絡(luò)在不斷完善和加密，截至2018年底，福建省公路總里程已達(dá)108 901 km，其中高速5 155 km、國道10 727 km、省道5 427 km、縣道15 124 km[17]?！逗{西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)高速公路網(wǎng)布局規(guī)劃(修編)(2008—2020年)》提出的高速公路“三縱八橫”已經(jīng)提早實現(xiàn)，由《福建省高速公路網(wǎng)規(guī)劃(2016—2030年)》提出的福建省高速公路網(wǎng)“六縱十橫”也已提上日程。

2 研究方法

2.1 研究數(shù)據(jù)的收集和處理

本研究采用的2000、2010和2018年福建省土地利用/覆蓋空間分布數(shù)據(jù)(30 m空間分辨率)集來源于中國科學(xué)院資源科學(xué)數(shù)據(jù)中心，該數(shù)據(jù)以各期Landsat TM/ETM遙感圖像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯而成。數(shù)據(jù)精度檢驗采取野外調(diào)查點隨機抽樣核查、核查線隨機抽樣核查、Kappa系數(shù)檢驗等方式，總體解譯精度大于95%[18]。

2.2 景觀類型的劃分

以2000、2010 和2018 年的福建省土地利用/覆蓋空間分布數(shù)據(jù)集為參考，根據(jù)研究區(qū)土地資源特征和景觀類型差異，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的地表組分特點，利用ArcGIS對2000、2010、2018年的土地利用覆蓋圖進(jìn)行重分類處理，將研究區(qū)劃分為6類景觀類型(見表1和圖1)[19-20]，由于森林占主體，本文主要研究對象為林地。

圖1 福建省土地利用/覆蓋分布(2000 、2010、2018 年)

表1 研究區(qū)分類

2.3 道路影響域的確定

李雙成等[21]根據(jù)各級公路的特征制定了公路影響閾值 (見表2)， 本研究參照該文獻(xiàn)以及國際上常用的標(biāo)準(zhǔn)，對各級道路影響生態(tài)系統(tǒng)面積的范圍大小設(shè)定為：高速公路1 000 m，國道、省道500 m，縣道250 m，鄉(xiāng)村道路100 m。據(jù)此對道路數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)設(shè)置，利用ArcGIS中的柵格擦除功能將設(shè)置緩沖區(qū)后的道路網(wǎng)絡(luò)從土地利用/覆蓋分布中擦除，從而得到2000、2010、2018年添加路網(wǎng)后的土地/利用覆蓋分布(見圖2)。

圖2 有道路情形下的福建省土地利用/覆蓋分布(2000 、2010、2018 年)

表2 各級道路特征及緩沖帶寬度

2.4 景觀連接度距離閾值的選擇

因為景觀中連接度高低取決于生物體的行為特性和景觀的結(jié)構(gòu)特征，而景觀斑塊連通的距離閾值就代表著生物體的活動范圍與生存的需求，與生物的行為特性有關(guān)系，所以計算景觀連接度指數(shù)時需要確定距離閾值，不同生物需要設(shè)置的閾值也不相同。斑塊間的距離超過閾值時，則生物的交流被阻斷；斑塊間的距離低于或等于閾值時，則該斑塊可以滿足該生物的遷徙擴(kuò)散。本研究中，森林連接度的計算都在2 000、4 000、6 000、8 000和10 000 m這 5個不同的景觀斑塊距離閾值下進(jìn)行[22]。

2.5 景觀指標(biāo)的計算與選取

本文運用景觀格局分析軟件FRAGSTATS3.3進(jìn)行各景觀指數(shù)的計算，分析景觀生態(tài)格局特征及其演變規(guī)律。選取景觀類別(landscape)水平上斑塊類型面積(CA)、斑塊個數(shù)(NP)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、分離度(SPLIT)、聚合度(AI)、斑塊粘合度指標(biāo)(patch cohesion index)和連接度(connectivity)等8類景觀指數(shù)作為評價因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 道路路網(wǎng)對森林景觀連接度的影響

分別對比3個年份有道路與無道路情形下景觀指數(shù)值(見表3)可知：相對于無道路情形，有道路情形下林地的斑塊面積減少了10%，但斑塊數(shù)量增加了50%，斑塊密度增加了近100%，并且最大斑塊指數(shù)大大減少，僅為無道路情形下的16%，可見路網(wǎng)對森林有著極強的切割作用，將森林切割成了更多細(xì)小的斑塊；其次，相對于無道路情形，3個年份道路網(wǎng)絡(luò)的添加都使得斑塊粘合度指標(biāo)下降了1%，林地聚合度下降了4%～10%，分離度變化明顯，由近3%增加到了30%。另外，對比2000、2010和2018 年有、無道路情形下不同閾值的連接度(見圖3)可以發(fā)現(xiàn)：相對于無路網(wǎng)情形，添加路網(wǎng)后，3個年份的連接度下降了20%～25%；且隨著閾值的增大，有、無道路情形下的連接度也逐漸增大。

表3 有無道路情形下福建省不同年份的景觀指數(shù)

圖3 有無道路網(wǎng)絡(luò)情形下福建省不同閾值連接度相關(guān)指數(shù)對比(2000、2010、2018年)

3.2 不同道路等級對森林連接度的影響

通過對比有、無路網(wǎng)情形下的森林景觀指數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)道路網(wǎng)對森林連接度的影響是明顯的，而不同的道路等級路網(wǎng)(見圖4)對森林連接度的影響也有所不同[23]。由圖5可知：當(dāng)閾值較低時，高速公路對森林連接度的影響最大，縣道次之，省道與國道影響最??；而當(dāng)閾值較高時，省道對森林連接度的影響最大，其次為縣道，高速公路與國道影響最??；當(dāng)閾值固定時，對比省道與國道(緩沖區(qū)距離均為500 m)對森林連接度的影響可知，省道比國道的影響更大，可見道路長度越長、道路分布越密集時，其對森林連接度的影響越大。另外，小閾值情形下，高速公路對森林連接度的影響較其他等級的公路更大，不僅是因為其長度較大，更深層次的原因是因為其有較大的路面寬度和交通量，且多為封閉行車，幾乎沒有生物能夠穿越，因此對生態(tài)影響范圍大，間接導(dǎo)致森林連接度的降低。而當(dāng)閾值增加時，高速公路對森林連接度的影響會有所減小，其影響會低于密度更高的省道與縣道。

圖5 不同等級道路情景下的森林景觀連接度對比

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究以福建省為例，針對森林連接度，從斑塊的尺度研究道路建設(shè)和森林破碎化的定量關(guān)系，使用公路影響閾值分析方法，利用地理信息系統(tǒng)，通過對比景觀指數(shù)，研究了福建省森林景觀在道路網(wǎng)中的變化，分析道路網(wǎng)對森林景觀連接度的影響。結(jié)果表明，道路網(wǎng)絡(luò)的存在使得森林連接度減小，并使得景觀破碎化程度明顯增高，大量斑塊被切割細(xì)化，生物體的擴(kuò)散與交流受到阻礙。對于福建省而言，不同等級道路對森林連接度的影響趨勢相近，但程度不同：當(dāng)閾值較小時，道路的影響程度大小依次為高速公路、縣道、省道、國道，這說明對于部分?jǐn)U散距離較小的森林種子(如馬尾松等)而言，高速公路等具有較寬路面和較大交通量的道路會顯著影響森林種子借助風(fēng)力、傳粉者等途徑傳播的效應(yīng)；當(dāng)閾值較大時，道路的影響程度大小依次為省道、縣道、高速公路、國道，這是因為對于部分?jǐn)U散距離較大的森林種子(如栓皮櫟等)而言，省道、縣道等道路具有較大的密度分布，會顯著抑制森林種子借助嚙齒動物等途徑傳播的效果[24]。所以，森林連接度的影響取決于道路影響范圍的大小以及道路的長度與密度，當(dāng)閾值設(shè)置小時，道路的影響范圍對森林連接度影響更大；當(dāng)閾值設(shè)置大時，道路的長度與密度對森林連接度的影響就更為明顯。

4.2 討論

綜上所述，通過合理規(guī)劃交通建設(shè)或者緩解道路的影響范圍，可以減少道路網(wǎng)絡(luò)對森林連接度的影響。

4.2.1 合理規(guī)劃路網(wǎng)

對于生態(tài)敏感區(qū)域，為了完全防止不利的生態(tài)影響，可以廢除修路計劃或避繞開重要的生態(tài)敏感區(qū)域，或者可以根據(jù)生物類型保持合理的道路與森林間隔。如避開兩棲動物春季繁殖時前往水塘的生物通道，便可以大量減少該區(qū)域兩棲動物的傷亡。其次，可以選擇不同的建設(shè)方式，例如將地面道路改為地下隧道或是跨線橋，以保證森林的連通性。對于構(gòu)建的道路嚴(yán)重影響森林的情況，可以調(diào)整區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)以實現(xiàn)移除或是永久關(guān)閉道路的目的。

4.2.2 緩解道路的影響

對于發(fā)展中的福建省來說，取消建設(shè)的代價太大，要想保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時減少道路網(wǎng)絡(luò)對森林連接度的影響，可采用緩解措施為路段提供足夠的水平孔隙率或滲透率，以保證生態(tài)流動正常進(jìn)行或盡量減少影響。最常見的緩解方法是為大小型動物和兩棲動物設(shè)置生態(tài)通道供它們通行，如橋涵、暗溝、暗管、穿越型獸道、小動物通道、生態(tài)跨線橋等。對于易受車燈與噪音干擾的路段，可在道路兩側(cè)設(shè)置土堤或植被，通過隔離交通噪音或光線來減少交通對動物的干擾。對于汽車尾氣排放量大的路段，可以設(shè)置道路綠化，選用滯塵量大的植物，或是凈化重金屬能力強的植物種類建設(shè)綠帶以阻滯污染物的擴(kuò)散，降低沿程污染以緩解道路對森林的影響。

4.2.3 生態(tài)損害的補償

如果上述緩解措施仍不能有效緩解道路對森林連接度的影響，則應(yīng)考慮森林生態(tài)破壞的補償措施。具體措施為：選擇適宜位置來恢復(fù)因道路損傷的生態(tài)功能、補償被侵害的面積、擴(kuò)大鄰近生態(tài)走廊、增加自然植被覆蓋面積、移除干擾自然功能的人工設(shè)施、改變用地性質(zhì)等，通過這些方法盡量減少道路對森林生態(tài)的影響，恢復(fù)生態(tài)環(huán)境并提高生境質(zhì)量。