公路建設對路域植被變化的影響
——以連江縣X136路段為例

趙君，劉爽，趙朝輝，王愛軍，李鍵，胡喜生

（1.福建農(nóng)林大學 林學院，福建 福州 350002；2.福州市公路事業(yè)發(fā)展中心，福建 福州 350002；3.福建省福州市連江公路事業(yè)發(fā)展中心，福建 連江 350002；4.福建農(nóng)林大學 交通與土木工程學院，福建 福州 350002）

改革開放以來，我國經(jīng)濟實力的顯著增強，交通基礎設施建設步入持續(xù)快速發(fā)展通道[1-2]。截至2018年底，我國公路總里程高達485萬km，位居世界第一[3]。交通運輸業(yè)作為社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎性、服務性產(chǎn)業(yè)[4]，為實現(xiàn)國家基本現(xiàn)代發(fā)揮支撐作用和先導作用。近年來，公路建設和運營對周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的日益加劇的負面影響引發(fā)人們的關注。在道路建設過程中往往會破壞山體[5]，引起周圍天然植被群落退化[6-7]，導致水土流失、土壤結構發(fā)生變化等問題[8]，使得道路建設與路域生態(tài)環(huán)境之間高度不協(xié)調。隨著社會的發(fā)展，人民生活水平和生態(tài)環(huán)保意識逐漸提高，對交通運輸建設提出更高的要求[9]，交通運輸建設開始從“快速發(fā)展”轉向“高質量發(fā)展”，建設生態(tài)型公路成為道路建設的一大目標。與國外相比，我國生態(tài)型公路建設起步較晚[10]。生態(tài)型公路指在公路建設中應用生態(tài)學知識，充分考慮道路生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展，盡可能減小道路工程對生態(tài)環(huán)境的破壞，并通過綠化邊坡植被以達到美化公路的效果，從而建成景觀美麗且行駛舒適的公路，實現(xiàn)經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益的協(xié)調發(fā)展[11-12]。因此，如何平衡道路建設與路域生態(tài)環(huán)境之間的關系，提升道路生態(tài)環(huán)境質量和生態(tài)效益，建設生態(tài)型公路成為實現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要問題。

植被覆蓋是表征陸地表面生態(tài)環(huán)境狀況的直接信號[13]，其時空演變是路域生態(tài)環(huán)境質量評價的重要指標之一[14]。目前，有關生態(tài)環(huán)境的研究常借助植被指數(shù)和植被覆蓋度來進行評價，常用的指數(shù)主要包括歸一化植被指數(shù)（NDVI）、比值植被指數(shù)（RVI）、增強型植被指數(shù)（EVI）、綠度指數(shù)（GVI）等[15-16]。其中NDVI指數(shù)對植被生物物理特性具有較高的敏感性，并且算法精度高，因此被廣泛應用于植被動態(tài)監(jiān)測研究[17-18]。X136道路位于福建省福州市連江縣，是連江縣交通運輸網(wǎng)絡中的一條重要道路。本研究采用多時相Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)，以連江縣X136路段為例，借助多環(huán)緩沖分析和歸一化植被指數(shù)(NDVI)研究道路建設對路域植被覆蓋的影響，對路域生態(tài)環(huán)境進行監(jiān)測分析和綜合評價，以期為道路路域生態(tài)環(huán)境保護和植被恢復提供參考，為進一步提出路域生態(tài)修復措施提供理論基礎。

1 實驗研究方法

1.1 研究區(qū)概況

X136道路位于福建省福州市連江縣境內，區(qū)域內地貌類型復雜，多山地丘陵，地勢西北高、東南低，屬于中亞熱帶海洋性季風氣候，溫暖濕潤，雨量充沛。X136道路是連接連江縣城與透堡鎮(zhèn)的交通要道，全長約18公里，車流量較多，路域植被以針闊混交林為主，是一條典型的穿越低山丘陵區(qū)的縣級道路。該道路于1954年4月開工建設，起點位于連江東湖鎮(zhèn)飛石村與104國道交叉口，終點位于透堡鎮(zhèn)尖墩村，1958年8月份建成通車。截至2016年，此段公路使用時間已達設計年限，部分水泥砼面板邊角剝落，破損嚴重，縱橫縫有不同程度拉裂現(xiàn)象，舊路邊溝溝底偏薄，溝墻內壁損壞，邊溝堵塞易引起路基沖毀，存在安全隱患。因此連江縣交通運輸局于2016年5月對此路段進行改建，以行車安全舒適、排水疏通便利且與周邊環(huán)境協(xié)調為原則，采用加鋪和重鋪水泥砼路面的方式對該路段進行改造，并完善排水系統(tǒng)與安保設施，改建完成時間為2017年4月。

1.2 數(shù)據(jù)源及預處理

選用連江縣X136道路改建前（2013年8月4日）、改建中（2016年7月27日）、改建后（2019年9月22日）3個時相的Landsat 8 OLI遙感影像作為數(shù)據(jù)源，影像具體信息如表1所示。數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，空間分辨率為30 m，3幅影像云量覆蓋少且質量較好。利用ENVI 5.1軟件對影像進行輻射定標、大氣校正、裁剪等預處理，以減少地形、光照和大氣等因素對遙感影像的影響[19-20]。在ArcGIS 10.3軟件中，借助多環(huán)緩沖區(qū)分析工具進行路域緩沖區(qū)設計。

表1 研究區(qū)Landsat 8影像信息Tab.1 Landsat 8 image information in the study area

1.3 NDVI指數(shù)計算

在全球及區(qū)域陸地植被生態(tài)系統(tǒng)時空變化研究中，歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)是應用最廣泛的植被指數(shù)[21-22]，可以指示植被生長狀況和植被覆蓋狀況[23-24]。NDVI被定義為遙感影像的近紅外與可見光紅光波段的反射值之差除以兩者的和[25]，公式為

式中：NIR表示地表近紅外波段，R表示地表可見光的紅光波段。

NDVI的取值在[-1,1]之間，當-1＜NDVI＜0時，表示地表幾乎沒有植被；當0＜NDVI＜1時，表示植被覆蓋度高，且數(shù)值越大表示植被覆蓋的程度越好。

1.4 路域緩沖區(qū)設計

在ArcGIS中，以連江縣境內的X136線路段為基準，每500 m為一間隔，在道路兩側分別設計5個緩沖區(qū)，探究NDVI基于道路距離的梯度變化規(guī)律，揭示道路建設對路域植被的影響。

2 實驗結果與分析

2.1 道路路域NDVI時空演變特征分析

為消除不同季相對植被覆蓋的影響，首先對3幅影像NDVI進行標準化處理，并以0.2為間隔將其劃分為生態(tài)差、生態(tài)較差、生態(tài)中等、生態(tài)良好、生態(tài)優(yōu)5個生態(tài)等級（圖1），隨后統(tǒng)計研究區(qū)內每個生態(tài)等級的面積（表2）。結果表明，2013—2019年間，生態(tài)中等及以下的面積比例由8.1%上升為18.73%。生態(tài)差、生態(tài)中等、生態(tài)良好的面積比例呈現(xiàn)上升趨勢，其中生態(tài)良好等級的面積比例上升幅度最大，面積比例從2013年的12.86%上升到了2016年的47.79%。生態(tài)優(yōu)等級的面積比例呈現(xiàn)直線下降，從79.04%下降到33.48%，總體下降幅度超過45%，表明該路域2013—2019年間生態(tài)狀況呈現(xiàn)退化趨勢。

圖1 路域植被指數(shù)NDVI分級Fig.1 NDVIclassification of road area vegetation index

表2 X136道路緩沖區(qū)內生態(tài)等級面積比例Tab.2 The proportion of ecological grade area in the X136 road buffer zone

為更加明確研究區(qū)內植被時空變化狀況，利用ArcGIS中的柵格差值工具對3幅圖像進行疊加差值分析，將2016年NDVI圖像與2013年NDVI圖像疊加并相減，得到2013—2016年植被空間變化狀況（圖2a），同理將2019年NDVI圖像與2016年NDVI圖像疊加并相減，即可得到2016—2019年植被空間變化狀況（圖2b）。將差值結果進行重分類（3類），用紅色表示生態(tài)質量退化，黃色代表生態(tài)質量不變，綠色代表生態(tài)質量改善，統(tǒng)計不同植被變化的面積比例（表3），以此監(jiān)測2013—2019年間研究區(qū)域內植被的時空變化。研究結果表明，2013—2016年間，植被退化面積為24.17%，僅有0.30%的生態(tài)質量得到了改善，75.53%的區(qū)域生態(tài)質量未發(fā)生變化，因此圖2a以黃色區(qū)域為主；2016—2019年間，植被退化面積比例為38.24%，相比于2013—2016年，退化面積比例升高了14.07%，僅有56.93%的區(qū)域生態(tài)質量保持不變，4.83%的區(qū)域生態(tài)質量下降，圖2b以紅色和黃色為主，表明該區(qū)域2016—2019年間植被遭受到了破壞，生態(tài)質量呈現(xiàn)下降的趨勢。

表3 X136道路路緩沖區(qū)內生態(tài)質量變化面積比例Tab.3 The proportion of ecological quality change area in the X136 road buffer zone

圖2 路域植被指數(shù)的變化Fig.2 Changes in road area vegetation index

2.2 NDVI隨著道路緩沖距離的演變特征

分別計算3個年份在5個緩沖區(qū)內的NDVI值（圖3），以揭示NDVI隨道路距離變化的時空分布差異。圖3顯示，在時間分布上，2013—2019年NDVI值隨道路距離增加總體上呈現(xiàn)升高的趨勢，從0～500 m到500～1 000 m緩沖區(qū)NDVI值變化幅度最大，而在其他緩沖區(qū)內NDVI變化值僅有0.01或0.02，說明道路建設對路域1 000 m內的植被破壞較大，1 000 m之外道路建設對植被變化影響不大。從空間分布上看，在同一個緩沖區(qū)內NDVI2013>NDVI2016>NDVI2019，其中每個緩沖區(qū)內NDVI2013比NDVI2019值均高出0.2左右，NDVI2016比NDVI2019值高出0.08左右。2013—2019年NDVI呈現(xiàn)線性下降趨勢，表明該路線的重建對道路路域植被產(chǎn)生較為嚴重的影響，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量明顯下降。

圖3 NDVI隨著道路距離的變化規(guī)律Fig.3 NDVI changes with road distance

統(tǒng)計兩個階段不同緩沖區(qū)內植被變化面積比例（圖4a、圖4b），探究路域植被在不同空間的變化規(guī)律。2013—2016年，道路5個緩沖區(qū)內植被不變面積比例最大，占比在70%左右。前4環(huán)內，植被退化面積比例隨距離的增加而減少，由0～500 m的28.45%下降到1 500～2 000 m的21.68%，到2 000～2 500 m植被退化面積略有增加。植被改善面積比例變化不大，在2%～3.5%之間，所占區(qū)域總面積比例非常小，2013—2016年植被變化與道路距離之間沒有呈現(xiàn)顯著的變化規(guī)律。2016—2019年，5個緩沖區(qū)內仍是植被不變面積比例最大，但是各緩沖區(qū)內植被退化面積比例明顯增大，說明道路改建過程中工程建設破壞路域植被，導致路域生態(tài)退化。2016—2019年相對于2013—2016年，各環(huán)退化面積比例明顯增加，例如在0～500 m內退化面積比例由28.45%上升到42.29%，在2 000～2 500 m內退化面積相對增加較少為8.21%，其余各環(huán)內退化面積比例也有不同程度的上升。值得關注的是，各緩沖區(qū)在2013—2016年改善的面積比例與2016—2019年相比也呈現(xiàn)出上升的趨勢，例如在2 000～2 500 m緩沖內改善比例升高3.46%，其余緩沖區(qū)內改善面積比例也在1%～2%之間，這表明道路改建完成后植被在逐漸恢復，其中在2 000～2 500 m內植被恢復效果最好。

從總體來看（圖4c），2013—2019年每環(huán)植被變化均為退化面積占比最大，退化的面積比例和與道路之間的距離成反比，距離道路越遠，植被退化的面積越少。相反，植被不變的面積隨著與道路之間距離的增加而增大。在0～1 500 m的3個緩沖區(qū)內，植被退化所占面積均超過50%，并且以每環(huán)下降4%左右的速度變化，同時植被不變的面積在這個范圍內也以每環(huán)約4%的速度增加。而在1 500～2 500 m這2個緩沖區(qū)內，植被退化和植被不變的面積基本未發(fā)生變化。植被改善的面積在每環(huán)內所占比例均較小，介于1.20%～1.65%之間。

圖4 不同年份各緩沖區(qū)植被變化Fig.4 Vegetation changes in various buffer zones in different years

2013—2016年和2016—2019年兩個時間段同一緩沖區(qū)植被面積變化的幅度如圖所示（圖5）。結果表明，2016—2019年相較于2013—2016年來說，每一環(huán)植被退化面積均有增加，而植被不變面積均有減少，面積變化幅度隨與道路之間的距離不同而不同，總體上呈現(xiàn)植被退化面積變化幅度隨距離的增加而下降、植被不變面積變化幅度隨距離增加而增加的趨勢。其中，0～1 000 m內植被退化面積變化幅度呈現(xiàn)上升趨勢，植被不變面積變化幅度呈現(xiàn)下降趨勢，這與其他緩沖區(qū)呈現(xiàn)的變化相反。到500～1 000 m范圍內植被變化面積最大，植被退化面積增加了19.48%，而植被不變的面積下降了21.27%。2016—2019年植被改善面積比2013—2016年增多，整體呈現(xiàn)上升趨勢，增幅在0.8%～3.46%之間。

圖5 2016—2019年較2013—2016年各緩沖區(qū)植被面積變化幅度Fig.5 Changes in the vegetation area of each buffer zones between 2016-2019 and 2013-2016

3 結論與建議

3.1 結論

利用2013年、2016年和2019年3幅遙感影像計算NDVI指數(shù)，通過設計5個緩沖區(qū)，探究連江縣X136線路段生態(tài)環(huán)境狀況和變化趨勢以及道路建設對路域植被的影響，研究結果表明：

（1）2013—2019年，研究區(qū)NDVI值總體呈下降趨勢，生態(tài)中等及以下等級所占面積比例逐年上升，X136線路段路域生態(tài)環(huán)境整體呈現(xiàn)退化的趨勢。由于2016年道路實施改建工程，2016—2019年植被退化面積比例明顯高于2013—2016年，道路建設破壞了路域植被的生態(tài)環(huán)境。

（2）NDVI值隨道路距離增加總體上呈現(xiàn)升高的趨勢，這種變化在距離道路1 000 m范圍內比較明顯。2013—2016年，5個緩沖區(qū)均以植被不變?yōu)橹鳎脖蛔兓c道路距離之間沒有呈現(xiàn)顯著的變化規(guī)律。2016—2019年，各環(huán)緩沖區(qū)植被退化面積比例和改善面積比例均有不同程度地增加，呈現(xiàn)出植被退化面積比例隨道路距離的增加而減少、植被改善面積隨道路距離增加而增加的規(guī)律。從總體來看，道路改建工程破壞路域植被的生長，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負面的影響，這種影響隨著緩沖距離的增加而減小。

3.2 建議

道路建設對路域植被造成嚴重破壞，尤其是在道路路域1 000 m內，植被損害效果尤為明顯。道路改建僅僅花費不到一年的時間，但是仍然使得植被退化的面積比例呈現(xiàn)大幅度上漲。由于道路建設對土地等環(huán)境的影響，路域植被很難依靠自然界進行自我修復，在短時間內，生態(tài)環(huán)境恢復到改建前水平的可能性不大。道路建設等工程建設對植被和生態(tài)的影響是不可忽視的，路域生態(tài)的恢復不僅需要后期的生態(tài)修復措施，更重要的在建設中提高生態(tài)環(huán)境保護意識。因此建議在追求高質量、高效率道路建設的同時，樹立“保護優(yōu)先、改善在后”的意識，在道路建設過程中做好植被保護措施，減少對植被不必要的損害，尤其是在路域1 000 m內做好植被保護和生態(tài)改善。另外在建設完成后積極采取路域生態(tài)修復措施，可根據(jù)公路所處的區(qū)域地理環(huán)境，篩選出適宜種植的鄉(xiāng)土植物，并積極引進外來優(yōu)質物種，合理配置道路路域植物群落組成；采用喬灌草結合的種植模式，保障植物群落能夠在低養(yǎng)護或無養(yǎng)護的情況下保持自生自養(yǎng)。道路投入運營后，需要進一步加強路域生態(tài)環(huán)境保護，通過培養(yǎng)專業(yè)養(yǎng)護人員定期檢查植物生長狀況，加強病蟲害和雜草的防治，促進路域植被健康生長，讓生態(tài)修復措施能夠持久有效發(fā)揮作用。