基于分形理论的路域生态系统恢复研究初探

谢昧思，赵 尘

(南京林业大学土木工程学院，南京210037)

在道路工程建设结束后，需要对被扰动的生态系统进行恢复。而目前这种恢复活动主要以人工绿化为主，过于均匀性和规则化，进而易导致生态系统脆弱、外来物种入侵等情况的发生。

生态系统的稳定与否，在一定程度上与生态异质性情况有关，而分形理论又是量化考核生态异质性程度的有效手段之一。在景观生态学领域中，应用分形维度指标来定量研究植被异质性情况已具备一定基础。以此为借鉴，在道路两侧路域的小生境生态系统中，引用分形维数作为指标，量化考核路域景观生态系统的异质性情况，评价生态系统的稳定性，进而指导绿化植被种植模式、优化路域景观就具有一定的可行性。

1 分形理论简介及应用

分形［1］(Fractal)一般是指一个粗糙或零碎的几何形状，可以分成若干部分，且每一部分都(至少是大致)是整体缩小尺寸的形状。分形体最主要的特征之一即为自相似性——物体局部放大与整体相似的特征。该特性因与尺度无关而成为分形几何学与欧氏几何学的主要区别，被称为分形体的本质特征。而分形理论是以非规则几何形态物体为研究对象，用非整数维即分数维度来描述这种具有自相似特征的理论。

植被在空间上的分布是典型的分维数体，它在空间所有尺度上都有细节，而分形维数就成为其结构复杂度描述工具，揭示其不同尺度上的异质性的特征。

2 分形理论的相关研究进展

分形几何诞生至今不过40a，但它对多门科学的影响是巨大的。在描述和评价具有层次连续性、不规则性或随机性等特征的线性方面具有很强大的功能，现已应用到各行各业中。

2.1 分形理论在土木工程中的研究进展

在土木工程的道路工程、岩土工程等方面的研究中，分形理论已作为联系微观结构与宏观路用性能之间的桥梁。借助分形维度指标既可以定量判别路面抗滑性能［2］等宏观性能，也可以描述软土加固［3］等过程中的微观变化情况。但是由于土木工程中的设计、施工指标都需要依靠长期的实践总结作为依据，因此分形维数的统一指标尚未建立起来，需要进一步的研究和论证，尤其需要权威机构部门的指导性研究与验证。

2.2 分形理论在规划中的研究进展

在规划方面，分形可以在宏观层面对具有分形特征的路网、用地规划等研究对象进行研究，较好地拟合城市道路网［4］，统筹配置道路与交叉口［5］，对不同地貌地区的城市化进程［6］、土地利用［7］及区域发展［8］进行特征分析，寻求内在变化规律。随着计算机软件的应用，规划方面的研究也越来越多地借助地理信息系统技术，使研究更加快速便利。同时，由于地理信息系统自身的优势度和可信度，分形理论在此方面的研究就具备了一定的应用前景和发展规模，并将越来越多的应用到实际的规划案例中。

2.3 分形理论在地理信息系统中的研究进展

分形自创立开始，就是以海岸线等典型分形体作为研究对象，探讨宏观长度与测量尺度之间的关系。借助地理信息系统这一有效手段，专家学者们可 以 对 水 系［9］、 水 质［10］、 海 岸 线［11］、 地 质 灾害［12］等分形体的多方面进行分析研究，并且深化了尺度效应［13－14］对地理信息系统影响的研究，分形理论的研究已经步入新的发展高度，有了更为广阔的平台，并开始了更加深刻和细致的研究。

2.4 分形理论在景观生态学中的研究进展

在景观生态学中，分形理论已经成为空间异质性、植被恢复、景观、土壤等不同方面试验和分析的重要手段，而结合尺度效应分析也成为景观生态学中的热点。

在空间异质性分形分析方面，王政权［15］系统地介绍了变异函数的结构分析等空间异质性的基本理论和方法，首次在植被空间异质性中引入分维数指标;James H.Brown［16］等人通过数据表明在生物多样性中存在分形特征，并可进一步推广到普遍的生态系统中;陈玉福［17］、辛晓平［18］、杜华强［19］等人分别通过变异矩半方差法、盒维数法(网格法)等不同方法对各类植被的异质性特征进行分析，得到了荒漠化程度、空间结构特征、物种构成等分形特征的量化结果。

在景观斑块分形分析方面，James R.Miller［20］等人通过对林区道路和景观结构进行分析，得到林分分维数与林区道路密度分维数之间具有极显著的正相关性的结论;Y.C.Cheng［21］、刘灿然［22］等人分别通过借助数字地面模型 (DTM)、RS、GIS等技术手段，采用三维盒子技术法、形状指数分维数法等方法，对我国台湾岛、北京等地区的景观植被斑块的分形维度进行测算，并确定了尺度域和尺度效应。

在土壤分形分析方面，安韶山［23］、刘爱霞［24］等人分别通过研究黄土丘陵区草原带、关中平原公路路堤边坡样地的土壤团聚体的分形特征及其对植被恢复的响应，得到植被恢复可降低土壤分维数、改善土壤结构的结论。

在分形分析的尺度特征研究方面，申卫军［25－26］、柳锦宝［27］等人分别研究不同尺度范围的分维数等指数变化情况，指出了尺度效应图、尺度转换等问题的重要性;Jennifer Moody － Weis［28］等人通过对公路两旁两种植物进行调查，首次提出了在大尺度上应用动态进程是在进行物种入侵和灭绝研究中收集精细尺度数据的有效方法。

在景观生态学中，分形指数可以采用不同方法——如形状指数、网格数、变异函数等方法进行计算，也可通过不同方式——地理信息系统和实地调研等方式进行获取。而正是由于这种多样性，使得分形维度指标在景观生态学中没有一个统一的标准，不同方法方式得到的结果之间也不存在换算关系，无法规范相关实验研究。在今后的研究中，分形维度指标的比较分析和最终统一将是景观生态学中分形理论发展的一个重要方向。而这也需要数学中分形和生态学中异质性两方面的专家学者共同努力完成。

3 道路绿化现状

目前国内外的道路绿化的研究内容主要在于植被恢复技术［29］、护坡机理［30］、植物配置［31］及各城市绿化现状分析［32］等，对于路域植被群落的生态恢复研究并不多见［33］。虽然越来越多的学者认识到人工干预是辅助生态系统恢复的重要手段，但是如何快速量化考核路域生态系统恢复程度、推广优质持久的恢复形式却并没有行之有效的办法。

我国关于道路路域的生态恢复研究尚处于起步阶段，对于一些新的理念的研究应用［34，35］也多以探讨为主，并没有进行深入量化研究，对植被生态系统的恢复认识也较为短浅，过多追求短期利益。虽然我国的路域植被恢复工作在工程结束后的短期内，都能暂时维持较为良好的效果，但是由于自然或人为的因素，路域生态系统不稳定，很难发挥长远的生态效益［36－37］。因此，建立长期的植被恢复监管和评价机制迫在眉睫。

4 分形理论应用于路域生态系统恢复的发展趋势

通过综述分形理论在土木工程、规划、景观生态学以及地理信息系统中的研究进展，可以发现分形理论在相关学科中的应用已有一定规模，分形维数指标可以较好地联系微观结构与宏观性能并量化评价两者之间的关系。然而，在路域生态系统恢复方面，分形理论的应用尚不多见。至于分形维度在评价路域生态系统恢复情况的适用性、指标与方法、尺度转换以及对今后的恢复工程指导管理等方面的研究更为空白。

在道路路域的生态系统恢复研究中，目前较多的研究着眼于景观绿化，注重于植被恢复技术与管理模式，对于一些新理念的借鉴引入也不深入。同时，我国的道路路域植被恢复绝大多数是从绿化着手的，决策者极易受到短期利益的驱使，只追求短期的表面效果，而对于植被是否能够进行长期的自我演替，形成自我维持的生态系统并不深究。这种速效的假象经常会导致长远的生态危机，盲目引种速生植物也会加大人工维护的难度和费用，甚至引发物种入侵、带来严重的生态灾难。

通过借鉴分形理论在相关学科中的应用，希望可以发挥分形理论在描述不同尺度异质性的量化优势，应用于道路路域小生境生态系统恢复的建设上。进而建立评价体系，填补道路路域生态系统恢复量化考核方面的空白，推动优质高效持久的路域植被生态系统恢复模式模型的推广，优化道路质量，美化道路形式。让短期的单纯绿化逐渐转变为长期的生态效益、社会效益、美学效益。

在得到一定的成果之后，将分形理论进一步推广，应用到路域范围中植被、地形、水、建筑(如桥梁、隧道)以及服务区等地貌的合理配置与规划方面上，将工程中的破坏减小到最少，最大限度地贴近自然，回归自然。使工程与自然融合，给后人留下具有长远意义的生态公路。

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