南方紅壤丘陵區(qū)公路路域生態(tài)脆弱性空間分異規(guī)律

李春強(qiáng)，王 琳,2,3，劉智才,2,3，劉 輝，張冬珠

(1. 福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350108；2. 福州大學(xué) 遙感信息工程研究所，福建 福州 350108；3. 福建省水土流失遙感監(jiān)測(cè)評(píng)估與災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350108)

0 引言

自20世紀(jì)80年代“生態(tài)脆弱帶”的概念提出后[1]，生態(tài)脆弱性逐漸成為全球環(huán)境和生態(tài)變化研究中的熱點(diǎn)問題，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，針對(duì)生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的理論框架、評(píng)價(jià)模型和應(yīng)用研究區(qū)域展開了眾多研究。

在全球尺度上，Nguyen等[2]結(jié)合全球人口普查數(shù)據(jù)集，提取5組領(lǐng)域的16個(gè)影響因子，構(gòu)建了全球生態(tài)環(huán)境脆弱性評(píng)估模型，繪制了全球規(guī)模的生態(tài)脆弱性地圖。在城市和區(qū)域尺度上，王志杰等[3]用空間主成分分析法對(duì)漢中市生態(tài)脆弱性進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，并從不同海拔梯度、行政區(qū)劃研究其空間分布特征。姚昆等[4]結(jié)合GIS技術(shù)與AHP-PCA熵組合權(quán)重模型構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，綜合對(duì)比與分析了大渡河中上游地區(qū)2000—2015年不同時(shí)期的生態(tài)脆弱性狀況。徐超璇等[5]基于SRP模型，結(jié)合主成分分析法和地理探測(cè)器，選取14項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)體系，研究了張家口地區(qū)的生態(tài)脆弱狀況及主要影響因素。也有學(xué)者針對(duì)不同產(chǎn)業(yè)生態(tài)聚集區(qū)進(jìn)行了脆弱性研究，如鄧偉等[6]利用Landsat-7 ETM+衛(wèi)星影像對(duì)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)脆弱性進(jìn)行綜合評(píng)估，揭示了研究區(qū)生態(tài)脆弱性程度及其分布差異。Dzoga等[7]采用文獻(xiàn)審查、社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查，計(jì)算了1983—2015年溫度和降水量的變化來確定暴露、敏感性和適應(yīng)性指標(biāo)，從而研究了肯尼亞沿海捕魚區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化的生態(tài)脆弱性特征。Dobkowitz等[8]在現(xiàn)有脆弱指數(shù)基礎(chǔ)上建立了3尺度6個(gè)獨(dú)立指數(shù)的評(píng)估體系，來評(píng)估氣候變化影響下巴西東北部農(nóng)業(yè)的生態(tài)脆弱性特征。

總體來說，這些研究大都集中于宏觀區(qū)域尺度，且更多關(guān)注的是區(qū)域生態(tài)脆弱性的總體特征、生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)方法或評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建設(shè)，而有針對(duì)性地對(duì)工程建設(shè)項(xiàng)目的小尺度生態(tài)脆弱性研究尚不多見。近年來雖有部分針對(duì)高速公路路域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)的研究，如楊晶等[9]用RSEI監(jiān)測(cè)嘉赤公路建設(shè)對(duì)路域生態(tài)質(zhì)量的影響程度，通過計(jì)算環(huán)境變優(yōu)變差的面積及百分比得出2013—2017年間整體路域環(huán)境質(zhì)量先變差后改善的結(jié)論;石振武等[10]基于TOPSIS模型對(duì)黑龍江省公路施工路域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，用組合賦權(quán)法構(gòu)建出較為科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,但這些研究大多停留在環(huán)境評(píng)價(jià)、生態(tài)監(jiān)測(cè)層面，沒有引入生態(tài)脆弱性及其脆弱程度等級(jí)的理念，而進(jìn)一步描述路域生態(tài)脆弱性空間分異規(guī)律的研究則更少。莆炎高速所處的南方紅壤丘陵山區(qū)屬于全國(guó)八大生態(tài)脆弱區(qū)之一[11]，土質(zhì)松軟，地勢(shì)較高，易引發(fā)水土流失等生態(tài)脆弱性問題，以其為研究對(duì)象，開展公路建設(shè)項(xiàng)目尺度下的生態(tài)脆弱性研究，探尋公路建設(shè)活動(dòng)與路域生態(tài)脆弱性程度的空間分異規(guī)律，具有典型性和代表性，以期為公路工程建設(shè)對(duì)生態(tài)脆弱區(qū)路域生態(tài)環(huán)境的空間影響研究提供幫助和參考，為公路設(shè)計(jì)施工及運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)等全過程管理提供理論依據(jù)和決策支持。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

莆炎高速公路是我國(guó)沈海高速(G15)橫七連接線(G1517)的重要組成部分，東起福建省莆田市，經(jīng)江西省，直達(dá)湖南省的炎陵縣。本研究范圍為福建三明市境內(nèi)尤溪縣和大田縣交界處的莆炎高速YA12標(biāo)段。該標(biāo)段于2018年11月正式開工(工期24個(gè)月)，始于尤溪縣坂面鎮(zhèn)的漈頭村，穿過大田縣梅山鄉(xiāng)璞溪村，終點(diǎn)位于梅山鄉(xiāng)后埔村，路線總長(zhǎng)度8.123 km。地理位置處于117°58′～118°40′E，25°58′～26°00′N之間，屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候。標(biāo)段沿線地形破碎復(fù)雜，起伏較大，為山地丘陵地貌，土壤以紅壤為主，土層薄而貧瘠，易發(fā)生滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，屬于我國(guó)南方典型紅壤丘陵生態(tài)脆弱區(qū)[11]。標(biāo)段施工難度大，其中橋梁2座共計(jì)1 316.75 m，隧道2座共計(jì)5 823.5 m，橋隧比高達(dá)88%。公路建設(shè)期間，隧道及棄渣場(chǎng)的開挖、橋梁建設(shè)施工過程對(duì)地表的人為擾動(dòng)和污水廢渣的排放勢(shì)必會(huì)破壞路域生態(tài)環(huán)境，加劇路域水土流失等生態(tài)脆弱化問題。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

本研究選擇覆蓋莆炎高速公路YA12標(biāo)段路域范圍的Landsat-8衛(wèi)星影像為研究數(shù)據(jù)源，條帶編號(hào)為(120, 42)，成像時(shí)間為2019-11-16(項(xiàng)目施工中期)。另外，以覆蓋研究區(qū)域的數(shù)字高程模型(GDEM V2)作為輔助數(shù)據(jù)。

針對(duì)獲取的Landsat-8多光譜影像，進(jìn)行必要的輻射定標(biāo)，并利用FLAASH (Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes)模型進(jìn)行大氣校正，以消除大氣對(duì)成像數(shù)據(jù)的影響。

1.3 研究路域范圍的界定

本研究路域緩沖區(qū)即生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)范圍的界定，參考了國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范對(duì)高速公路沿線生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)范圍的規(guī)定。例如，《公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B03—2006)中規(guī)定[12]，路域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)范圍的劃定應(yīng)根據(jù)公路區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)類型確定其評(píng)價(jià)等級(jí)，按從低到高3個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)以公路用地邊界外不小于100，200，300 m的緩沖區(qū)作為生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的范圍。南方紅壤丘陵區(qū)地形復(fù)雜，有大面積的植被森林也有水土流失的高發(fā)區(qū)，該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)等級(jí)可劃為1級(jí)，即公路用地邊界外不小于300 m的緩沖區(qū)作為路域生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)范圍。另外，國(guó)際上對(duì)于評(píng)測(cè)高速公路環(huán)境生態(tài)的影響，一般選公路兩側(cè)各1 km的緩沖區(qū)范圍[13]。

因此，本研究考慮生態(tài)脆弱區(qū)高速公路建設(shè)對(duì)沿線林地的破壞，路域評(píng)價(jià)范圍應(yīng)不小于建設(shè)邊界外300 m；結(jié)合施工棄渣場(chǎng)等的場(chǎng)址，考慮研究路段在紅壤丘陵復(fù)雜山區(qū)易水土流失的問題，將本研究路域的范圍界定為公路兩側(cè)各1 km的緩沖區(qū)范圍，使路域基本能夠涵蓋到高速公路建設(shè)各時(shí)期的直接或間接影響區(qū)域。

2 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

2.1 生態(tài)脆弱性等級(jí)

我國(guó)目前還沒有關(guān)于生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)的統(tǒng)一分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本研究在《生態(tài)環(huán)境狀況評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ192—2015)的基礎(chǔ)上[14]，借鑒以往區(qū)域生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)方法和國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的系統(tǒng)研究[15]，并結(jié)合公路沿線實(shí)地外業(yè)踏勘的具體情況，確定該路域生態(tài)脆弱性等級(jí)并將其量化為生態(tài)脆弱性指數(shù)值(Ecological Vulnerability Index，EVI)，如表1所示。

表1 路域生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)分級(jí)

結(jié)合莆炎高速YA12標(biāo)段外業(yè)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料，在研究區(qū)范圍內(nèi)采集60個(gè)樣本點(diǎn)，并賦予相應(yīng)的EVI值作為因變量參與評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建。例如，遙感影像上植被覆蓋明顯較豐富、長(zhǎng)時(shí)間未受人類活動(dòng)影響的區(qū)域，可采集為微度脆弱等級(jí)的樣本點(diǎn)；遙感影像中公路設(shè)施等受人類影響較大且未來長(zhǎng)時(shí)間難以恢復(fù)的區(qū)域，采集為極度脆弱等級(jí)的樣本點(diǎn)；按照類似評(píng)價(jià)方法采集其他等級(jí)的樣本點(diǎn)。采集的60個(gè)樣本點(diǎn)在研究區(qū)內(nèi)空間均勻分布。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的提取及其歸一化

考慮到莆炎高速YA12段路域的生態(tài)環(huán)境特征及人為干擾狀況，選擇植被、土壤、濕度、溫度指數(shù)、高程、坡度6項(xiàng)定量指標(biāo)作為莆炎高速公路路域生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如表2所示。

表2 生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)

各生態(tài)脆弱性評(píng)價(jià)因子生成以后，由于量綱不一致，彼此之間難以直接比較，因此需要對(duì)各因子進(jìn)行歸一化處理，將每個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)范化為0到10之間的數(shù)值，公式如下。

A=10×(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

(1)

式中，A為因子歸一化后的值；X為因子歸一化之前的值；Xmin和Xmax分別為因子的最小值和最大值。

2.3 回歸模型的構(gòu)建

方程中自變量太多時(shí)一些相關(guān)性不顯著的因子會(huì)影響預(yù)測(cè)的結(jié)果，在回歸分析前，需要對(duì)各因子相關(guān)性進(jìn)行篩選[16]。本研究通過計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)篩選出與莆炎高速YA12段路域EVI相關(guān)性最高的生態(tài)脆弱性的評(píng)價(jià)因子，把幾個(gè)相對(duì)接近的變量歸為同類，見表3。

表3 遙感指數(shù)與路域生態(tài)脆弱性指數(shù)值的相關(guān)系數(shù)

植被指數(shù)中NDVI的相關(guān)系數(shù)最大，為-0.856；土壤指數(shù)中SI的相關(guān)系數(shù)最大，為0.855；濕度指數(shù)中NDMI的相關(guān)系數(shù)最大，為-0.874。因此，分別選取NDVI，SI，NDMI，LST為植被指數(shù)、土壤指數(shù)、濕度指數(shù)、熱指數(shù)的代表，選取H和SLOPE為地形因子的代表，共6項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化定量指標(biāo)參與計(jì)算，構(gòu)建生態(tài)脆弱性多元線性回歸評(píng)價(jià)模型：

EVI=-0.623×NDVI+0.283×SI-0.181×

NDMI+0.057×LST-0.287×H+0.090×

SLOPE+10.989。

(2)

建立的模型決定系數(shù)R2為0.942，回歸方程擬合較好；F檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)值為143.488，檢驗(yàn)p值<0.001，根據(jù)多元線性回歸分析的原理，建立的回歸方程有效。

根據(jù)該模型方程和表1中路域生態(tài)脆弱性等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過柵格運(yùn)算可得到莆炎高速公路YA12段路域生態(tài)脆弱性的等級(jí)劃分情況。同時(shí)，利用現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)與模型計(jì)算獲得的對(duì)應(yīng)樣本點(diǎn)的EVI建立混淆(誤差)矩陣，計(jì)算出評(píng)價(jià)模型的總精度為83.33%，Kappa系數(shù)為0.79，模型精度滿足研究要求[17]。

3 結(jié)果分析

本質(zhì)上，緩沖區(qū)就是以圖斑形式顯示的拓?fù)鋽?shù)據(jù)，通過疊置分析，統(tǒng)計(jì)緩沖區(qū)內(nèi)各類相關(guān)的屬性和空間數(shù)據(jù)，即獲得需要的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。本研究基于緩沖區(qū)構(gòu)建“緩沖區(qū)階梯”分析不同緩沖距離、不同建設(shè)形式的EVI變化，以求得莆炎高速YA12段公路建設(shè)與路域生態(tài)脆弱性的空間分異規(guī)律。

3.1 全路域不同緩沖距離的空間分異規(guī)律

由于Landsat-8影像和GDEM V2數(shù)據(jù)皆為30 m的空間分辨率，因此使用30 m作為空間間隔距離，在公路兩側(cè)逐步建立階梯式的連續(xù)緩沖區(qū)帶，即“緩沖區(qū)階梯”，并分別統(tǒng)計(jì)各個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)的平均EVI(表4)，構(gòu)建平均EVI的變化曲線(圖1)。

表4 高速公路路域不同緩沖區(qū)距離下的平均EVI

圖1 高速公路路域不同緩沖區(qū)距離下的平均EVI曲線

結(jié)合表4和圖1可知：

該路域生態(tài)系統(tǒng)的平均EVI隨著緩沖區(qū)距離的增加而逐漸降低，說明高速公路對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響隨著與公路距離的增加而逐漸降低，符合距離衰減規(guī)律。

全路域的平均EVI變化曲線在緩沖距離270 m范圍內(nèi)快速降低，隨后降速放緩，在緩沖距離270～300 m時(shí)基本穩(wěn)定。說明該公路兩側(cè)300 m范圍內(nèi)是生態(tài)脆弱敏感區(qū)，在施工中應(yīng)當(dāng)給予重視，可由此劃定300 m緩沖范圍的生態(tài)重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域作為“生境緩沖區(qū)”[18]，以減少公路建設(shè)的邊緣干擾，降低生態(tài)脆弱化的程度及預(yù)防路域環(huán)境惡化的發(fā)生。

若將平均EVI變化曲線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的值看作路域生態(tài)脆弱性的“背景值”，則路域30 m緩沖范圍內(nèi)(即受公路建設(shè)影響最強(qiáng)的范圍)的平均EVI較背景值僅提高了0.293，這也反映了該標(biāo)段工程建設(shè)所引起的地表擾動(dòng)對(duì)該路域生態(tài)脆弱性的影響不大。

3.2 不同公路建設(shè)形式的空間分異規(guī)律

研究區(qū)公路主要以隧道、橋梁和路基3種建設(shè)手段為主，其中橋梁和路基的建設(shè)形式會(huì)破壞地表原有的土地覆蓋類型，引發(fā)較為劇烈的地表變化；而隧道建設(shè)形式由于其穿山而過的特點(diǎn)，對(duì)原生地表環(huán)境的影響較小。將該標(biāo)段公路分為隧道建設(shè)和非隧道建設(shè)2種形式，分區(qū)段研究不同公路建設(shè)形式對(duì)路域生態(tài)脆弱性影響的空間分異區(qū)別。在隧道段和非隧道段的公路中線兩側(cè)分別建立30 m間隔的緩沖區(qū)階梯，構(gòu)建2種區(qū)段的平均EVI變化曲線，如圖2所示。

圖2 高速公路分區(qū)段不同緩沖區(qū)距離下的平均EVI曲線

(1)非隧道建設(shè)形式

非隧道建設(shè)形式的平均EVI隨著緩沖距離的增大而降低，且越靠近公路中線其下降速度越快。為了明顯表示EVI下降速度的變化，逐段計(jì)算其斜率變化并表示為圖3。

圖3 非隧道段平均EVI斜率曲線

由圖3可知，在距公路中線360 m緩沖距離內(nèi)，平均EVI降低的速度顯著較高，超過360 m后平均EVI變化速率趨于穩(wěn)定。這說明路基鋪設(shè)和橋梁搭建等非隧道建設(shè)形式對(duì)生態(tài)脆弱性的影響集中在公路中線兩側(cè)360 m緩沖范圍內(nèi)。因此，針對(duì)非隧道形式的公路建設(shè)，其生態(tài)脆弱性的重點(diǎn)保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)在前述300 m緩沖區(qū)的基礎(chǔ)上再外拓60 m。

(2)隧道建設(shè)形式

從圖2可以看出，隧道建設(shè)形式的平均EVI隨著緩沖區(qū)距離的增大反而在緩慢增加。這是由于隧道建設(shè)形式對(duì)原生生態(tài)擾動(dòng)最大的是山體中隧道的入口和出口處，絕大部分公路從山體腹部穿過，對(duì)其地表原生生態(tài)環(huán)境的干擾破壞并不明顯，而隨著緩沖距離的逐漸增大，受到隧道出入口較高的生態(tài)脆弱值的影響，平均EVI就開始緩慢上升。因此針對(duì)隧道建設(shè)形式，緩沖區(qū)分析并不能很好地表現(xiàn)其對(duì)生態(tài)脆弱性影響的變化，此時(shí)使用EVI值剖面線法來表現(xiàn)高速公路隧道建設(shè)形式對(duì)生態(tài)脆弱性的影響變化則更為直觀(圖4)。

圖4 高速公路沿線EVI值剖面圖

從圖4中可以看出，在2段隧道內(nèi)部(璞溪隧道和新嶺侖隧道)的EVI值波動(dòng)小且穩(wěn)定，而在隧道出入口處EVI值則發(fā)生突變，且均處于高值。這說明隧道建設(shè)形式對(duì)公路沿線兩側(cè)的生態(tài)脆弱性程度影響不大，而生態(tài)脆弱化的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)則存在于隧道的出口和入口處。高速公路的隧道出入口的建設(shè)活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致一定范圍的土地退化和植被破壞，地表生態(tài)系統(tǒng)短期內(nèi)難以恢復(fù)到建設(shè)前的水平。因此，在隧道出入口一定范圍內(nèi)建設(shè)時(shí)要特別注意對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，盡量減少不必要的干擾破壞并及時(shí)進(jìn)行建設(shè)后生態(tài)再恢復(fù)工作。

4 結(jié)論

以莆炎高速YA12標(biāo)段路域?yàn)檠芯繉?duì)象，將定量化和空間化的理念引入公路建設(shè)項(xiàng)目尺度下的生態(tài)脆弱性研究，利用“緩沖區(qū)階梯”探尋公路建設(shè)活動(dòng)對(duì)路域生態(tài)脆弱性影響的空間分異規(guī)律，得到以下結(jié)論：

將生態(tài)脆弱性定量化(建立回歸模型，R2=0.942，F(xiàn)=143.488，P<0.001)和空間化(展布分級(jí)區(qū)劃圖的總精度=83.33%，Kappa系數(shù)=0.79)后，通過30 m間隔的“緩沖區(qū)階梯”研究不同公路建設(shè)形式、不同緩沖距離下生態(tài)脆弱性的空間分異和特征變化，為公路建設(shè)的生態(tài)環(huán)境影響評(píng)估和生態(tài)脆弱性研究提供了一種新的思路和方法。

路域生態(tài)脆弱性程度與緩沖距離成反比。隨著與公路距離的接近而逐漸增大，路域30 m緩沖范圍內(nèi)是受公路建設(shè)影響最強(qiáng)的區(qū)域。根據(jù)該緩沖范圍內(nèi)平均EVI相較于背景值的上升程度(僅升高0.293)，可推斷該標(biāo)段的公路建設(shè)行為引起的地表擾動(dòng)對(duì)路域生態(tài)脆弱性的影響較為有限。

公路兩側(cè)300 m緩沖區(qū)范圍可認(rèn)定為路域生態(tài)環(huán)境的重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，而針對(duì)路基、橋梁為主的建設(shè)形式則需要外延至360 m緩沖范圍。隧道出入口建設(shè)對(duì)生態(tài)脆弱性的影響遠(yuǎn)大于隧道內(nèi)部，因此隧道出入口也是路域生態(tài)監(jiān)控的重點(diǎn)區(qū)域，在建設(shè)時(shí)應(yīng)重視對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)，盡量減少不必要的干擾破壞并及時(shí)進(jìn)行竣工后生態(tài)重建工作。