基于格网的近十年江西省道路网络对土地利用变化影响阈值研究

荣月静 张 慧 杜世勋

(1.山西省生态环境研究中心，太原 030000；2.环境保护部南京环境科学研究所，南京 210042；3.南京信息工程大学大气环境与装备技术协同创新中心，南京 210044)



基于格网的近十年江西省道路网络对土地利用变化影响阈值研究

荣月静1张 慧2，3杜世勋1

(1.山西省生态环境研究中心，太原 030000；2.环境保护部南京环境科学研究所，南京 210042；3.南京信息工程大学大气环境与装备技术协同创新中心，南京 210044)

依据全国生态环境十年变化(2000-2010年)遥感调查与评估项目中2000和2010年两期土地利用数据和中国交通网2012年道路要素数据，基于ARCGIS格网分析方法，得到1km×1km、2km×2km…10km×10km十个尺度下道路网络密度与土地利用转化之间的相关系数，结合江西省2010年DEM数据，分析土地利用变化相应的地形(海拔、坡度和坡向)特征，计算道路网络影响土地利用变化的路网密度阈值范围。得出江西省道路网络主要影响的土地利用转化为林地向建设用地、农田向建设用地、林地向草地、林地向农田和农田向林地，其对应土地转换的海拔范围分别为167～291m、112～221m、367～422m、267～306m和180～273m；坡度范围为0°～2°，为平地类型，说明人类活动主要集中在坡度较低的区域；坡向范围为175°～195°，均为正南方向，说明受社会因素的影响，土地利用变化主要活跃在在南坡方向；道路网络影响以上土地转换路网密度阈值范围为0.98～1.82km/km2、0.98～2.22km/km2、0.77～1.20km/km2、0.93～1.38km/km2、0.95～1.43km/km2，道路网络影响土地利用转换的路网密度呈先下降，在2km之后趋于不变，表明尺度愈大，路网对土地利用转换所造成的影响愈小，但不会消失。

道路网络；土地利用变化；阈值

道路等大型建设对生态环境造成巨大的影响，有研究表明，道路影响域涉及全球陆地的15%～20%以上[1]，道路生态学的研究从20世纪70年代不断兴起[2，3]，国外有关道路对生态环境影响的研究相对较多，着重于道路对物种[4]、种群[5]、土地利用[6]和景观格局[7]的影响。国内道路生态学主要研究道路影响周边景观格局和土地利用变化等[8-10]。

有关道路网络对土地利用变化的影响研究从20世纪90年代开始，由荷兰和澳大利亚Sherwood和Burton率先研究道路网络对土地利用分割、干扰和破坏[11]。21世纪以来，国内有关道路网络对土地利用变化的影响研究逐渐增多，如国内2004年李双成等[12]分析中国道路网络建设引起土地利用及其生境破碎化的影响，得出公路等级越低、公路网路越复杂，土地利用的破碎化越明显；2006年刘世梁等[13]以景洪市纵向岭谷区为例，利用缓冲区分析，研究不同类型道路对土地利用变化的影响，得出低等级道路对区域景观格局变化影响最大；2008年刘世梁等[14]分析了澜沧江流域的道路网络特征指数和道路网络造成的生态干扰指数的相关性，得出道路网络增加，会使土地利用受干扰强度增加，但短时期内二者相关性不显著；2008年刘佳妮等[15]运用Forman的道路网络理论和路网阈值分析方法，分析浙江省公路网对森林景观的破碎化影响，得出国、省道和高速公路严重破坏森林面积，对森林景观斑块破碎化影响较大等。

生态阈值概念是20世纪7O年代由 May[16]首次提出，90年代生态阈值引起诸多学者的关注，如Perring等[17]、Kohn等[18]、Mark等[19]先后均研究了生物多样性阈值，2007年Peter等[20]研究加勒比海珊瑚礁生态恢复的阈值。综上，国外对道路网络影响土地利用的阈值研究甚少。国内2009年郑钰、李晓文等[21]首次将道路网络与生态阈值联系在一起，应用GIS格网分析法，对云南纵向岭区道路网络对土地利用变化的阈值进行分析，得出路网是导致有林地向疏林地等土地利用变化的主要驱动因素，并定量得出路网影响土地利用变化的阈值范围，此方法为研究路网对土地利用变化的综合影响评价具有重要意义。

江西省近十年道路网络不断建设，其区市至各县已通二级以上公路，乡镇至行政村基本通油路水泥路，路网结构复杂，公路的技术等级、通达率、通畅率提高，会影响到土地利用结构变化，本研究基于ARCGIS格网的方法，以江西省为研究区域，分析网格中道路网络密度与土地利用变化的相关性，研究道路网络影响土地利用类型变化的地形(海拔、坡度和坡向)特征，并得出道路网络影响土地利用转换的路网密度阈值范围，这对江西省大型道路建设规划以及土地利用管理具有很大的意义。

1 研究区域

本文选江西省为研究区域，地处长江中下游南岸，地理位置位于北纬24。29′14″～30。04′41″，东经113。34′36″～118。28′58″，面积16.69万平方千米，地形地貌类型齐全，差异显著，具有特殊的地势和自然条件，全省山地丘陵多、平原盆地少；是国家重要的粮食主产区，是实施中部崛起战略的重要省份，人均耕地少，土地利用率高，人地矛盾较为突出，土地利用结构类型多样，农用地比重高，农用地中林地比重大；土地利用呈一定的地域分布规律，耕地、城镇工矿用地等主要分布在平原、盆地、河谷地带及周边岗地与丘陵地区，林地、牧草地等主要分布在山地丘陵区域；近十年人类活动的日益增加，尤其是道路网络不断建设，依据《江西省农村公路建设规划》，江西省至2005年底，全省农村公路(含村道)总里程达到111187公里，其中：县道21924公里，乡道28627公里，村道60636公里；一级公路58公里、二级公路2188公里、三级公路4589公里、四级公路43186公里、等外公路61166公里，农村公路交通面貌焕然一新、路网结构明显改善，公路的技术等级、通达率、通畅率也将进一步提高。道路网络的建设不断影响土地利用类型的转换，造成生态环境的破坏。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本研究需要土地利用类型图、全国道路网络图和数字地形高程图。土地利用图采用全国生态环境十年变化(2000-2010年)遥感调查与评估项目提供的2000年和2010年两期土地利用数据，分辨率为30mx30m。江西省道路矢量数据来源于2012年交通网的全国道路网络数据，将道路分为铁路和公路两种，其中公路包括国家干线公路、省干线公路、高速公路、县级公路、乡镇村路和小路等；数字高程图来源于美国太空总署(NASA)和国防部国家测绘局(NIMA)联合测量的SRTM数据，分辨率为90m×90m，从中提取海拔、坡度、坡向等地形要素。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用处理

土地利用数据分类采用全国生态环境十年变化(2000-2010年)遥感调查与评估项目中对土地类型分类，包括以下七种类型：①林地(包括常绿阔叶林、常绿针叶林等)；②灌丛(常绿阔叶灌木林、落叶阔叶灌木林等)；③草地(草丛和稀疏草地等)；④湿地(河流、湖泊、水库坑塘、运河水渠等)；⑤农田(水田、旱地等)；⑥建设用地(居住地、厂矿、交通用地、乔木绿地、灌木绿地等)；⑦裸地(裸土和裸岩)。

2.2.2 空间格网分析

根据研究区范围和实际处理的可操作性综合考虑，对研究区创建1kmx1km、2kmx2km…10kmx10km 10个不同尺度的空间网格，基于SPSS软件平台，运用Pearson相关分析方法，研究道路网络与土地利用分布的相关性。在空间网络分析过程中涉及到道路网络密度、土地利用类型变化面积指数。其中，

道路网络密度[22]是指：

(1)

式中：δi为某类道路网密度，km/km2，其中i代表高速公路、国道、省道或县道等；∑Li为某类道路总长度，km；∑F为格网面积，km2。

土地利用类型转化面积指数[21]是指：

(2)

式中：§ij为i类土地利用向j类土地利用的转化的面积指数，%，其中ij代表i类土地利用向j类土地利用的转化情况；∑Pi为土地利用转化的面积，km2；∑F为格网面积，km2。

2.2.3 最近邻法

采用ARCGIS的最近邻法(Nearest Neighbor)，对研究区DEM数据进行重采样(resample)，得到1km×1km、2km×2km、…10km×10km十个尺度的DEM，再利用Arcview下的surface扩展模块，得到不同尺度下的坡度和坡向图。

2.2.4 阈值分析

研究不同尺度下路网密度和土地利用转换的Pearson相关性，选出相关系数高的类型，基于ARCGIS空间分析，分析各尺度道路网络与主要土地利用转换的地形特征，从而分析道路网络影响土地利用转换的阈值范围。

3 研究结果

3.1 研究区土地利用变化情况分析

研究区2000-2010年土地利用类型结构，林地减少112.42km2，灌丛增加157.89 km2，草地增加17.6km2，湿地减少90.15km2，农田减少1663.48km2，建设用地增加1781.15km2。 2000-2010年土地利用转化的面积为3258.43km2，约占整个研究区面积的1.95%；其中，主要的土地利用转变有林地向灌丛、农田向建设用地、农田向林地、林地向建设用地、林地向农田、林地向草地等，其转变面积分别为1584.98km2、1305.19km2、596.62km2、383.84km2、274.01km2、199.47km2(表1)。

表1 2000-2010年江西省主要土地利用转移矩阵(km2)

3.2 道路网络密度与土地利用变化的相关性分析

根据表3结果显示，道路网络密度与土地利用类型转换之间的相关性范围在-1～1之间，整体呈上升趋势。其中，相关性范围在0～1之间的表示道路网络密度与土地利用转换呈正相关，即随着路网密度的增加，土地利用转换增加，如农田向建设用地、林地向建设用地和农田向林地的转换。相关性范围在-1～0之间，表示道路网络密度与土地利用转换呈负相关，即随着路网密度的增加，土地利用转换减少，如林地向草地和林地向农田的转换。

按照道路网络密度与土地利用类型相关性分析，道路网络对土地利用转换相关性可以分为三类：强相关性、弱相关性、无相关性。其中，农田向建设用地、林地向建设用地这些土地利用转换与路网密度在各研究尺度下均显著相关，且相关系数高，说明路网密度是这些土地利用转换的主要驱动因子，且呈正相关，说明随着道路网络密度的增加，农田和林地向建设用地转换的面积不断增多；林地向草地、林地向农田、农田向林地这些土地利用转换与路网密度在各研究尺度下虽然显著相关，但相关性系数较低，说明路网密度是这些土地利用转换的驱动因子，但不是主要的驱动因子；林地向灌丛这类土地利用转换与路网密度在各研究尺度下均不显著相关，且相关系数非常低，说明路网密度不是这类土地利用转换的驱动因子。

表3 不同研究尺度下的路网密度与土地利用转换的Pearson相关系数

*p<0.05相关；**p<0.01显著相关。

3.3 道路网络影响土地利用变化的地形特征

选出道路网络密度与土地利用转换相关系数高的类型，基于ARCGIS空间分析，分析各尺度道路网络与研究区主要土地利用转换的地形特征，得出林地向建设用地转换的海拔为167～291m，坡度为0°～2°(平地)，坡向为176°～189°(正南方向)；农田向建设用地转换的海拔为112～221m，坡度为0°～1°(平地)，坡向为175°～186°(正南方向)；林地向草地转换的海拔为367～422m，坡度为0°～2°(平地)，坡向为186°～195°(正南方向)；林地向农田转换的海拔为267～306m，坡度为0°～2°(平地)，坡向为184°～195°(正南方向)；农田向林地转换的海拔为180～273m，坡度为0°～2°(平地)，坡向为180°～193°(正南方向)(表4)。

3.4 道路网络对土地利用转换影响的路网密度阈值分析

通过不同尺度下，因路网建设导致土地利用从一种类型转变为另一种类型的路网密度均值来界定会对土地利用造成影响的路网密度阈值范围[21]。在不同尺度下，路网密度对土地利用转换的影响存在一定的阈值范围。道路网络影响林地转换为建设用地、农田转换为建设用地、林地转换为草地、林地转换为农田和农田转换为林地的路网密度阈值范围依次为0.98～1.82km/km2、0.98～2.22km/km2、0.77～1.20km/km2、0.93～1.38km/km2和0.95～1.43km/km2；在相同的尺度下，路网对这5种土地利用类型变化的影响阈值范围不同。例如，在所有尺度下，农田转换为建设用地比林地转换为建设用地的路网密度均值要大，且随着尺度的增大，路网密度呈先下降后不变趋势。从1km×1km到2km×2km尺度路网密度急速下降，2km×2km尺度后趋于变缓。

表4 不同尺度道路网络影响土地利用变化的地形(海拔、坡度、坡向)特征

表5 不同空间尺度下道路网络密度统计表(km/km2)

min：不同空间尺度下导致土地利用类型转换的最小道路密度；max：不同空间尺度下导致土地利用类型转换的最大道路密度；mean：不同空间尺度下导致土地利用类型转换的平均道路密度。

4 结 论

(1)本研究基于ARCGIS格网的方法，将江西省区域分为1km×1km、2km×2km、…10km×10km十个尺度的网格，通过分析道路网络与土地利用变化的相关性，得出道路网络影响土地利用变化类型，进而分析这些土地利用变化的地形特征和影响这些土地利用变化的路网密度的阈值范围。

(2)研究区道路网络影响土地利用转换的地形呈现海拔在为112～422m范围之内，这与江西省耕地、城镇用地主要分布在平原、盆地、河谷地带及周边岗地与丘陵地区；林地、牧草地等主要分布在山地丘陵区域；土地利用程度和利用效益相对较高，土地利用效益的区域差异明显有关。坡度范围为0°～2°，为平地类型，说明人类活动主要集中在坡度较低的区域；坡向范围为175°～195°，均为正南方向，说明受社会因素的影响，土地利用变化主要活跃在在南坡方向。

(3)在相同的尺度下，路网对土地利用类型变化的影响阈值范围不同，表明不同土地利用的系统稳定性和对路网的抵抗能力不同，农田转换为建设用地比林地转换为建设用地的路网密度均值要大，说明林地比农田的系统稳定性和对路网影响的抵抗能力更强；在不同尺度下，随着格网尺度的增加，道路网络影响土地利用转换的路网密度呈先下降后，在2km之后趋于不变，表明尺度愈大，路网对土地利用转换所造成的影响愈小，但不会消失。

(4)本研究方法分为不同尺度，针对不同区域道路网络和土地利用变化有不同的结果。江西省具有独特的地域和自然特征，其道路网络十年来发生巨大的变化，尤其是农村公路在不断建设中，这对土地利用变化有很大的影响，本研究运用格网的方法对道路网络影响土地利用变化做了很好的评价。但本研究仅考虑了道路网络影响土地利用变化的地形特征，若气温、降水和土壤等数据可得，则可更全面的得出道路网络影响土地利用变化的诸多自然条件特征等，有待接下来进一步的研究。

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The Influentialthreshold of Road Network Impact on the Ecosystem in Last Years Based on Grid

RONG Yuejing1ZHANG Hui2，3DU Shixun1

(1.Research Center For Eco-Environment Science In Shanxi，Shanxi Taiyuan 030000，China；2.Nanjing Institute of Environmental Science，MEP，Nanjing 210042，China；3.Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology(CICAEET)，Nanjing Science&Technology，Nanjing 210044，China)

The data of land cover type of 2000 and 2010 was from the project of remote sensing survey and evaluation of national ecological environment changes during ten years (2000-2010 years)，The road net data was from Chinese traffic network. Based on the ARCGIS grid analysis method，The Peason correlation coefficient of road network density and Ecological system transformation with whole scale at 1kmx1km、2km×2km…10km×10km was calculated.Combined with the DEM data of Jiangxi Province in 2010，the topography (elevation，slope and aspect) features of the ecosystem change was analysed，and the road network density threshold of the ecosystem change was calculated. The results show that：(1) The land use change impacted by road network were Forest to construction，farmland to construction，forest to grass land，forest to farmland and farmland to forest.The Altitude was 167～291m、112～221m、367～422m、267～306m和180～273m，The slope range was 0°～2°(flat)，it shows that human activities are mainly concentrated in the region of low slope；The slope range was 175°～195°(South)，it shows that the land use changes mainly active in the southern direction explained by social factors；The road network density threshold impacted by road networks was 0.98～1.82km/km2，0.98～2.22km/km2，0.77～1.20km/km2，0.93～1.38km/km2，0.95～1.43km/km2，road network density effected by land use conversion decreased firstly，tends to be constant after the 2km，it shows that the scale is bigger，influence of land use conversion caused by road network was small，but will not disappear.

road network；land use changes；threshold

荣月静，硕士，研究方向为区域生态恢复与资源可持续利用研究

杜世勋，硕士，研究方向为环境保护与生态环境修复研究

X21

A

1673-288X(2016)06-0226-05

引用文献格式：荣月静 等.基于格网的近十年江西省道路网络对土地利用变化影响阈值研究[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：226-230.