摘要：道路建設(shè)促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，通過直接改變原有生態(tài)系統(tǒng)、間接增強(qiáng)人類活動進(jìn)而改變原有生態(tài)系統(tǒng)的途徑對周圍生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。定量評估道路建設(shè)對植被凈初級生產(chǎn)力(NetPrimaryProductivity，NPP)的影響對掌握線性工程生態(tài)環(huán)境影響，進(jìn)行社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)安全權(quán)衡具有一定現(xiàn)實(shí)意義。本研究基于西南地區(qū)2016年道路和2015年NPP數(shù)據(jù)，利用核密度(KernelDensity，KD)表征道路影響域和影響強(qiáng)度，借助ArcGIS平臺，分析不同土地覆被和經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)度下道路建設(shè)與NPP的關(guān)系。結(jié)果表明：(1)搜索半徑為0.5km時(shí)，道路KD范圍為[0.0，47.3]，其中道路KD為零的區(qū)域約占研究區(qū)總面積的79.8%，這些未受道路干擾區(qū)域大部分位于西藏、青海、四川西部、貴州和云南的西北部;道路KD為(0.0，5.0]的區(qū)域約占道路KD非零區(qū)域面積的88.4%，除成都、重慶、貴陽、南寧、昆明等城市外，區(qū)域大部分地區(qū)道路密度仍處于較低水平。(2)從不同土地覆被下道路KD與NPP的關(guān)系來看，中低道路干擾條件下，林地、耕地和人工表面穩(wěn)定性更強(qiáng)，道路KD小于4.1時(shí)NPP相對穩(wěn)定，而草地、濕地和其他土地覆被在道路KD大于2.1后，NPP出現(xiàn)急劇變化。隨道路KD增大NPP趨于發(fā)散，這可能是由道路密度增加后其兩側(cè)人類干擾類型多樣化引起。(3)以縣級行政區(qū)劃為單位，按單位面積道路KD由小到大的順序，將研究區(qū)分成5個(gè)部分：分區(qū)1—分區(qū)5。在分區(qū)1，NPP隨道路KD增大呈先波動升高，相對穩(wěn)定變化后降低再發(fā)散;在分區(qū)2—分區(qū)5，NPP隨道路KD增大總體呈降低趨勢，且變異性逐漸增加，經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段、線性變化階段、發(fā)散階段。根據(jù)本研究結(jié)果，道路建設(shè)需重點(diǎn)關(guān)注生態(tài)敏感脆弱區(qū)的植被保護(hù)，如草地和濕地，應(yīng)盡量避免較高密度道路建設(shè)帶來的生態(tài)系統(tǒng)退化問題，同時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的地區(qū)制定適宜的保護(hù)方案。
關(guān)鍵詞：道路建設(shè);植被凈初級生產(chǎn)力;核密度;生態(tài)系統(tǒng)
道路建設(shè)在促進(jìn)區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，通過直接改變原有生態(tài)系統(tǒng)、間接增強(qiáng)人類活動進(jìn)而改變原有生態(tài)系統(tǒng)的途徑對周圍生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響[1—2]。植被凈初級生產(chǎn)力(NetPrimaryProductivity，NPP)是植被所固定的有機(jī)碳中扣除本身呼吸消耗的部分，是表征陸地生態(tài)過程的關(guān)鍵參數(shù)，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展評價(jià)的重要指標(biāo)[3—5]。
因此，定量評估道路建設(shè)對NPP的影響對于掌握線性工程生態(tài)環(huán)境影響，進(jìn)行社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)安全權(quán)衡具有一定現(xiàn)實(shí)意義。相對于直接影響，道路建設(shè)帶來的間接影響更不容忽視。在人類活動向自然生態(tài)系統(tǒng)滲透的過程中，道路起到了血管作用，成為物質(zhì)輸送的最重要通道，各種人類活動也不斷地被引入和疊加。道路工程在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也會對周圍生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生一定影響[6—7]。
道路網(wǎng)絡(luò)化引起景觀破碎化，使生態(tài)系統(tǒng)水文連通性受阻、流域徑流過程受到影響等[8—9]，這些影響也是道路工程對NPP影響的潛在途徑。除評估道路建設(shè)的直接影響，在一定空間范圍內(nèi)評估道路建設(shè)帶來的其他活動對生態(tài)系統(tǒng)格局和過程產(chǎn)生的影響也有一定必要性。相對于常用的道路密度和緩沖區(qū)的計(jì)算方法，道路核密度(KernelDensity，KD)引入搜索半徑代表道路影響域，KD函數(shù)代表隨距離增加道路影響衰減的模式，能更客觀地反映道路建設(shè)的影響，并可反映不同道路建設(shè)的疊加效應(yīng)[10—12]。
西南地區(qū)是我國森林和水資源等自然資源最為豐富的地區(qū)，也是我國重要的生態(tài)屏障區(qū)[13]。但是該地區(qū)地形起伏大、生態(tài)系統(tǒng)敏感、脆弱，日益增強(qiáng)的人類活動成為影響該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要因素，尤其是城市化發(fā)展、重大工程建設(shè)等成為其生態(tài)安全的潛在威脅[14—15]。本研究基于西南地區(qū)2016年道路網(wǎng)絡(luò)、2015年NPP數(shù)據(jù)，利用KD估算方法、借助ArcGIS平臺，研究西南地區(qū)道路建設(shè)對NPP的影響，以期為該地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)安全權(quán)衡提供科學(xué)依據(jù)。
1研究區(qū)與研究方法
1.1研究區(qū)概況
西南地區(qū)包括四川、云南、貴州、廣西、重慶五省以及西藏和青海的部分縣市。該地區(qū)深居內(nèi)陸，地勢西高東低，地形崎嶇不平，地貌復(fù)雜多樣，是我國喀斯特和冰川地貌分布最廣泛的區(qū)域[16]。由于地形地貌的限制，長期以來西南地區(qū)交通運(yùn)輸發(fā)展緩慢，制約了其經(jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著新一輪西部大開發(fā)、“一帶一路”、長江經(jīng)濟(jì)帶及精準(zhǔn)扶貧等政策的實(shí)施，西南地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)水平得到明顯提升。2011—2018年西南地區(qū)各省(區(qū)、市)經(jīng)濟(jì)平均增速大幅高于全國平均增速[17]。而在這一過程中，交通路網(wǎng)的改善起著重要支撐作用。目前，西南地區(qū)現(xiàn)已形成以鐵路、公路為主的交通網(wǎng)絡(luò)體系[18]。
1.2研究方法
1.2.1數(shù)據(jù)來源
西南地區(qū)NPP數(shù)據(jù)來自于中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所提供的2015年西南地區(qū)月度凈初級生產(chǎn)力生態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)集，NPP的估算由植物吸收的光合有效輻射和實(shí)際光能利用率表示[19]。道路數(shù)據(jù)采用的是2016年全國電子地圖中的道路網(wǎng)絡(luò)(包括地鐵、高速、國道、鐵路、九級路、省道、縣道、城市快速路、鄉(xiāng)鎮(zhèn)村道、其他道路)。
1.2.2道路KD估算方法
道路KD估算首先需要定義分辨率，并按照確定的分辨率將矢量道路圖層?xùn)鸥窕幚恚儆?jì)算空間上任意一個(gè)柵格的KD。KD估算方法為：首先，定義搜索半徑;其次，以此柵格為圓心以設(shè)定的搜索半徑為半徑畫圓找出落在圓內(nèi)所有道路的柵格;再次，通過核函數(shù)計(jì)算出每個(gè)道路柵格對該柵格的密度貢獻(xiàn)值;最后，將該柵格搜索半徑范圍內(nèi)所有道路柵格對該柵格的密度貢獻(xiàn)值累加即為該柵格的KD。KD估算中常用的核函數(shù)為Rosenblatt⁃Parzen核估計(jì)[20—21]。
在KD估算中，搜索半徑的選擇對于計(jì)算結(jié)果影響較大：搜索半徑越大，空間上點(diǎn)密度變化越光滑，生成的結(jié)果更抽象從而掩蓋密度結(jié)構(gòu);搜索半徑越小，密度變化越突兀不平，能展示更多的細(xì)節(jié)[21];在具體的應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同需求，選取合適的搜索半徑。本研究根據(jù)線性工程特點(diǎn)和以往道路影響域的研究[22—25]，以0.5km為搜索半徑來分析西南地區(qū)路網(wǎng)KD特征，基于此分析NPP與道路KD的關(guān)系。
2結(jié)果與分析
2.1西南地區(qū)道路KD分布
西南地區(qū)大部分區(qū)域道路KD為零，非零區(qū)域的道路KD也較低。道路KD為零的區(qū)域約占研究區(qū)總面積的79.8%，大部分位于西藏、青海、四川西部、貴州和云南的西北部，這些地區(qū)處于青藏高原或者青藏高原的東部和東南邊緣，人類活動強(qiáng)度較小;研究區(qū)道路KD最大值為47.3，出現(xiàn)在成都、德陽一帶。非零區(qū)域中，道路KD在(0.0，5.0]范圍內(nèi)的區(qū)域約占研究區(qū)總面積的17.8%，占道路KD非零區(qū)域的88.4%;道路KD在(5.0，36.0]范圍內(nèi)的區(qū)域面積隨道路KD的增加，柵格數(shù)(面積)明顯減少;道路KD大于36.0的面積已極小。
西南地區(qū)道路KD空間分布不均，呈現(xiàn)出東高西低的特征。道路KD較高的地區(qū)主要分布在交通路網(wǎng)復(fù)雜的東部地區(qū)，包括四川、重慶、貴州、云南和廣西等地，這些地區(qū)也是道路KD“熱點(diǎn)”(道路KD較高)出現(xiàn)最多的地區(qū)，而西部地區(qū)如西藏和青海部分地區(qū)道路KD較低。
2.2不同土地覆被下道路KD與NPP的關(guān)系分析
道路KD非零區(qū)域不同土地覆被類型面積百分比為：林地(43.7%)>耕地(37.1%)>草地(12.1%)>人工表面(4.6%)>濕地(2.1%)>其他(0.4%)。隨著道路KD的增大，林地、草地、耕地等受人類干擾較低的土地覆被面積百分比逐漸降低，而人工表面面積百分比比例迅速升高，特別是當(dāng)?shù)缆稫D大于21.0后，土地覆被基本為人工表面。不同土地覆被下，道路KD和NPP之間呈現(xiàn)不同關(guān)系模式。
隨著道路KD的升高，林地、耕地和人工表面經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段、線性變化階段、發(fā)散階段;草地、濕地和其他土地覆被(包括裸巖、裸土、戈壁、沙漠、苔蘚/地衣等)經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段、升高穩(wěn)定階段、發(fā)散階段;隨著道路KD的逐漸增大，NPP變幅逐漸增加，系統(tǒng)呈現(xiàn)較大不穩(wěn)定性。
2.3不同縣域分區(qū)道路KD與NPP的關(guān)系分析
西南地區(qū)地形、交通、經(jīng)濟(jì)、人口空間異質(zhì)性較大，地形平坦的地區(qū)往往交通便利、經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高、人口密度大。道路密度間接反映了一個(gè)地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對自然生態(tài)系統(tǒng)的干擾程度。本文利用西南地區(qū)縣級行政區(qū)劃和道路KD，計(jì)算縣級行政區(qū)道路KD平均值，并在ArcGIS平臺下利用聚類分析將研究區(qū)縣級行政區(qū)根據(jù)道路KD平均值分成5個(gè)分區(qū)，分區(qū)1—分區(qū)5的道路KD平均值遞增，各分區(qū)的道路KD范圍。分區(qū)1包括西藏、青海南部、四川西部、云南西北部，位于青藏高原及其東部邊緣，土地覆被類型以草地為主。
分區(qū)1中道路KD與NPP的關(guān)系與2.2中土地覆被類型為草地時(shí)道路KD與NPP的關(guān)系相似：相對穩(wěn)定階段后，隨道路KD增大NPP呈波動上升趨勢，當(dāng)?shù)缆稫D超過3條道路交叉的道路KD最大值時(shí)，隨道路KD增大NPP不斷降低。在該分區(qū)，相對穩(wěn)定階段后中度干擾情況下NPP反而增加，但隨道路KD的進(jìn)一步增大，NPP變幅增加的同時(shí)其值迅速降低。分區(qū)2主要包括云南中西部地區(qū)、東部的文山壯族苗族自治州，四川的雅安市、宜賓市、樂山市、達(dá)州和廣元等，土地覆被以林地和耕地為主。
在分區(qū)2，道路KD較低時(shí)，隨道路KD增大NPP呈略微下降趨勢，之后經(jīng)歷小幅增加后迅速近線性降低，之后發(fā)散。分區(qū)3和分區(qū)4包括廣西、貴州大部分地區(qū)，重慶、四川和云南東部等地區(qū)。這兩個(gè)分區(qū)隨道路KD增大NPP變化呈相似規(guī)律，相對穩(wěn)定階段后，NPP線性降低，且變幅增加。分區(qū)5主要包括成都市、德陽市及貴州中部少部分地區(qū)，是研究區(qū)道路最為密集的區(qū)域。隨道路KD增大NPP變化規(guī)律與分區(qū)3和分區(qū)4相近，但相對穩(wěn)定階段NPP明顯低于分區(qū)3和分區(qū)4。
3討論
3.1不同土地覆被下道路對NPP的影響分析
不同土地覆被類型下，道路KD與NPP的關(guān)系呈不同模式，但也具有一定的共同特征。首先，在道路KD較低區(qū)域，不同土地覆被均經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段，而這一階段一般以一條或兩條道路交叉道路KD最大值為分界點(diǎn)。NPP是生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，可表征生態(tài)系統(tǒng)活力和健康[26—27]，而干擾環(huán)境下NPP的變化則反映了生態(tài)系統(tǒng)在干擾脅迫下的抵抗力和恢復(fù)力，是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要體現(xiàn)[28—29]。道路KD較低時(shí)，不同土地覆被下NPP均出現(xiàn)相對穩(wěn)定階段，說明各類土地覆被下生態(tài)系統(tǒng)均具有一定穩(wěn)定性。林地、耕地和人工表面穩(wěn)定性更強(qiáng)，可在道路KD小于4.1時(shí)保持NPP的相對穩(wěn)定;而草地、濕地和其他土地覆被在道路KD大于2.1后，NPP出現(xiàn)急劇變化。
從道路KD與NPP關(guān)系來看，面對道路干擾，林地、耕地和人工表面相比于草地、濕地和其他土地覆被具有更強(qiáng)穩(wěn)定性。其次，在道路KD較高區(qū)域NPP趨于發(fā)散，可能由道路建設(shè)之后兩側(cè)人類干擾類型多樣化引起。如道路兩側(cè)行道樹的種植、綠地公園的修建、有坡度地區(qū)道路修建后水流的阻斷使道路靠近上坡位一側(cè)水分增加等均會顯著彌補(bǔ)道路修建的直接和間接干擾帶來的NPP的降低，而道路建設(shè)后永久性建筑物的擴(kuò)張、裸露地面的增加等均會使NPP明顯降低[30—31]。
此外，道路KD越大，景觀破碎化越嚴(yán)重，平均斑塊面積越小，單個(gè)柵格內(nèi)包含不同土地覆被類型等，也會增加相同道路KD下NPP的異質(zhì)性[32]。相對穩(wěn)定階段后，不同土地覆被間道路KD與NPP之間關(guān)系差異最大，隨道路KD增加：林地、耕地和人工表面三種土地覆被類型NPP近線性降低，草地、濕地和其他土地覆被類型NPP有突然升高的過程，且較平穩(wěn)。這可能與草地、濕地和其他土地覆被類型主要分布在西部地區(qū)，而這些地區(qū)在有道路建設(shè)的地方一般水源條件比較好有關(guān)。
此外，居住在附近的人類對植被的管理等均會促進(jìn)植被NPP的升高[33]。在六種土地覆被類型中，人工表面NPP與道路KD之間關(guān)系規(guī)律性較強(qiáng)，具體表現(xiàn)為：隨道路KD增大，NPP從相對穩(wěn)定階段過渡到線性降低階段，且NPP的標(biāo)準(zhǔn)差在六種土地覆被中最小，直到道路KD>24.0之后，NPP與道路KD之間關(guān)系才呈現(xiàn)明顯發(fā)散趨勢。耕地和林地NPP與道路KD之間關(guān)系規(guī)律性僅次于人工表面;其他土地覆被NPP與道路KD之間關(guān)系規(guī)律性最弱。其他土地覆被包含多種類別，未受干擾狀態(tài)下其NPP差異較大，而受干擾之后穩(wěn)定性也各不相同，因此呈現(xiàn)出較大變異。
3.2西南地區(qū)道路建設(shè)對NPP影響的區(qū)域特征
在不同分區(qū)下，NPP隨道路KD的增加呈現(xiàn)不同特征。除分區(qū)1外，分區(qū)2—分區(qū)5中NPP隨道路KD增大均經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段、線性變化階段、發(fā)散階段，且NPP均呈現(xiàn)相對穩(wěn)定段>線性變化段>發(fā)散段的規(guī)律，說明在這些區(qū)域，道路工程修建帶來的直接和間接影響顯著降低了周圍土地覆被的NPP。在分區(qū)1，NPP隨道路KD增大呈先波動升高，相對穩(wěn)定變化后降低再發(fā)散，其相對穩(wěn)定階段的道路KD范圍較其他分區(qū)均要小，且隨道路KD增大NPP降低的速率比其他分區(qū)大。
分區(qū)1位于青藏高原及其東部邊緣，土地覆被以草地為主，該區(qū)域道路KD與NPP的關(guān)系和土地覆被為草地時(shí)二者關(guān)系相一致。高興川等[34]研究表明，青藏高原地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的連接率從1976年以來從1.8逐漸上升到2016年的2.1，這反映了該地區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)拓展。道路KD為(0.0，5.0]時(shí)，隨道路KD增大，該地區(qū)NPP波動增加，說明適度干擾下生態(tài)系統(tǒng)NPP較穩(wěn)定，中度干擾類型有利于NPP的升高，出現(xiàn)這種情況的原因可能有：首先，道路密集的區(qū)域往往是生態(tài)環(huán)境條件較好的區(qū)域;其次，道路建設(shè)后行道樹的栽種、道路密集區(qū)水資源的引入可改善周圍植被狀況[35]。
此外，分區(qū)1生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱，當(dāng)?shù)缆稫D進(jìn)一步增大，一旦超過生態(tài)承受范圍，會導(dǎo)致NPP的急劇減少。分區(qū)2—分區(qū)4道路建設(shè)對NPP的影響大致相同，未受干擾區(qū)域NPP值也相近，這主要是因?yàn)檫@些地區(qū)分布在云南大部分區(qū)域、四川東部、重慶、貴州和廣西地區(qū)，這些地區(qū)氣候均屬于亞熱帶季風(fēng)型，水熱條件相似。此外，這些地區(qū)道路建設(shè)水平相近，尤其是分區(qū)2和分區(qū)3，其道路KD范圍相近，分別為0—32.7、0—31.8。
4結(jié)論
本文利用KD估算方法、借助ArcGIS平臺研究了西南地區(qū)不同土地覆被、道路KD分區(qū)下NPP隨道路KD的變化情況，得到如下結(jié)論：
(1)在搜索半徑0.5km下，西南地區(qū)道路KD范圍為[0.0，47.3]，其中道路KD為零區(qū)域約占研究區(qū)總面積的79.8%，主要分布在西藏、青海、四川西部、貴州和云南的西北部;道路KD為(0.0，5.0]的區(qū)域占道路KD非零區(qū)域的88.4%;道路KD“熱點(diǎn)”主要分布在東部地區(qū)，除成都、重慶、貴陽、南寧、昆明等城市外，區(qū)域大部分地區(qū)道路密度仍處于較低水平。
(2)在中低道路干擾條件下，林地、耕地和人工表面穩(wěn)定性更強(qiáng)，可在道路KD小于4.1時(shí)保持NPP的相對穩(wěn)定，而草地、濕地和其他土地覆被在道路KD大于2.1后，NPP出現(xiàn)急劇變化;高強(qiáng)度道路干擾下NPP趨于發(fā)散，可能由道路建設(shè)之后兩側(cè)人類干擾類型多樣化引起。(3)除單位面積道路KD較小的分區(qū)1外，其他分區(qū)(分區(qū)2—分區(qū)5)NPP隨道路KD的增加總體呈降低趨勢，且變異性逐漸增加，經(jīng)歷了相對穩(wěn)定階段、線性變化階段、發(fā)散階段。
綜上，不同的區(qū)域植被NPP隨道路KD的增大呈不同變化模式，這主要是因?yàn)椴煌貐^(qū)道路建設(shè)對植被的影響受自然因素和人為因素的共同作用，如自然背景、土地覆被組成和人類活動強(qiáng)度等。本研究結(jié)果表明：在六種土地覆被類型中，草地、濕地等土地覆被類型對道路建設(shè)較為敏感，在生態(tài)敏感性和脆弱性較高的西部地區(qū)，道路建設(shè)帶來的影響與東部地區(qū)截然不同。因此，在進(jìn)行道路建設(shè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的地區(qū)制定適宜的保護(hù)方案。
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作者：蔣愛萍2，靳甜甜1，∗，張麗萍2，李倩雯1，朱博然3，張迪1
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