基于生态网络对天津市市区立交桥下空间生态适宜性的分析

田 野，康琬超，任润从，张 萌，武天丽，段岩燕，莫训强

（1.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387；2.福建农林大学 资源与环境学院，福州 350002）

为了缓解城市交通拥堵，提高出行效率，在城市交通干道上建设立交桥已成为普遍做法.随着大量立交桥的建立，城市产生了一种新型空间——立交桥桥下空间[1-2].目前，国内对立交桥桥下空间的研究主要集中于桥下空间的设计、影响桥下空间利用的因素、如何通过合理规划桥下空间来满足周围居民生活需求等，而桥下空间对于改善生态环境的作用较少涉及，尤其是对于城市野生动物保育的贡献[3].有研究表明，城市野生动物是城市生态系统中的重要组成部分，对维持物种多样性、维护区域生态平衡和实现可持续发展具有不可替代的作用[4].快速的城市化进程给城市野生动物带来了巨大的环境压力，导致其栖息生境破碎化，而立交桥桥下空间作为城市生态网络中的一类特殊斑块或节点，为城市野生动物，如草兔（Lepus capensis）、刺猬（Erinaceus amurensis）、黄鼬（Mustela sibirica）等的迁移提供了可能[5].鉴于此，针对立交桥桥下空间生态适宜性的研究也多以城市野生动物为拟保护对象而展开，本研究采纳的也是这种范式.

本研究以天津市市区作为研究区域，对26座立交桥桥下空间的生态现状进行调查，运用层次分析法对其进行分级，确定立交桥桥下空间的生态适宜程度.运用GIS空间分析模块提取和分析天津市市区的生态网络，将生态适宜程度较好的桥梁斑块纳入到生态网络中，利用生态网络分析法探讨桥下空间在生态保护中的作用.在此基础上提出桥下空间生态环境优化的建议，为进一步发挥桥下空间的生态作用、优化天津市生态环境提供参考.

1 研究方法

1.1 数据来源与处理

选取天津市市区的26座立交桥为研究对象，包括辰泰桥、南仓桥、普济河道桥、天平桥、勤俭桥、志成桥、民权门桥、北营门桥、青云桥、金狮桥、卫昆桥、顺驰桥、赤峰桥、十一经路桥、东风桥、东兴桥、津昆桥、中山门桥、昆仑桥、复康路桥、王顶堤桥、八里台桥、宾悦桥、中石油桥、郁江桥和海津桥.遥感影像数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站（http：//www.gscloud.cn），对数据进行预处理和切割.根据研究目的将天津市市区景观分为7类，包括绿地、水域、建筑用地、空地及其他用地、一级路、二级路、目标桥梁斑块，通过目视解译对天津市市区地物进行景观分类.

1.2 层次分析法与专家打分法

根据天津市市区立交桥桥下空间的特点，结合实地调查经验，根据专家打分法确定指标权重，构建桥下空间生态适宜性的评价体系.该体系指标由2个一级指标（自然要素和人为要素）与7个二级指标构成.在自然要素中，包含阳光强度、植被结构、植被绿化率、斑块形状系数和野生动物可进入性等5个二级指标：阳光强度的因子权重为0.24，计算变量分别为灰蒙暗淡、较为灰暗、阳光熹微、较为明亮、明亮耀眼，对应的赋值分别为 2、4、6、8、10；植被结构的因子权重为0.15，计算变量分别为无植被、仅有1层、有2层、有3层、3 层以上，对应的赋值分别为 2、4、6、8、10；植被绿化率（R）的因子权重为0.15，计算变量分别为Ⅰ级（R＜20%）、Ⅱ级（20%≤R＜40%）、Ⅲ级（40%≤R＜60%）、Ⅳ级（60%≤R＜80%）、Ⅴ级（R＞80%），赋值分别为 2、4、6、8、10；斑块形状系数（D）的因子权重为 0.11，计算变量分别为Ⅰ级（D＜1.2）、Ⅱ级（1.2≤D＜1.3）、Ⅲ级（1.3≤D＜1.8）、Ⅳ级（1.8≤D＜2.9）、Ⅴ级（2.9≤D＜16），赋值分别为 2、4、6、8、10；野生动物可进入性的因子权重为0.22，计算变量分别为Ⅰ级（斑块封闭，周围车流量大）、Ⅱ级（开放程度适中，周围车流量适中）、Ⅲ级（斑块完全开放，周围车流量较小），赋值分别为2、6、10.人为要素中包含斑块功能和区域干扰2个二级指标：斑块功能的因子权重为0.09，计算变量分别为停车场、驾校、商用、仓库、市政设施、广场、隔离带、空地、公园、绿地，赋值分别为 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10；区域干扰的因子权重为0.04，计算变量分别为摊贩占地、践踏、垃圾堆放、休闲娱乐、无干扰、其他，赋值分别为2、4、6、8、10、1.

1.3 空间生态适宜性分析

桥下的空间生态适宜性共分为5级，各级的适宜程度综合值（H）和适宜程度分别为：Ⅰ级，0.8≤H≤1，桥下空间整体明亮，绿化程度好，绿地结构多以4层复合结构为主，野生动物可进入性强，人为干扰程度小；Ⅱ级，0.6≤H＜0.8，桥下空间整体明亮，绿化程度较好，绿地结构多以3层复合结构为主，有少数4层结构，野生动物可进入性强，人为干扰程度小；Ⅲ级，0.4≤H＜0.6，桥下空间整体明亮，绿化程度适中，绿地结构多以3层复合结构为主，有少数4层结构，野生动物可进入性差，人为干扰程度适中；Ⅳ级，0.2≤H＜0.4，桥下空间光线熹微，绿化程度较差，绿地结构多以林、灌2层为主，少数仅有1层，野生动物可进入性差，人为干扰程度大；Ⅴ级，0≤H＜0.2，桥下空间整体暗淡，绿化程度差，绿地结构单一，绿地结构仅有1层，野生动物可进入性极差，人为干扰程度极大.根据这一生态适宜性评价体系，对天津市26座典型立交桥的桥下空间生态适宜性进行打分.将计算结果通过归一化方法转化为生态适宜性程度值，并按照该值对桥下空间进行分类.

1.4 景观格局指数与廊道结构、网络结构分析

运用Arc GIS 10.2对天津市市区景观分类图进行栅格化（栅格大小为20 m×20 m），在此基础上应用Fragstats 4.2进行景观格局特征分析.由于生态网络由节点和廊道组成，因此生态网络的分析应包括生态廊道的结构分析与网络结构分析[6].选取廊道的数量、长度和密度进行廊道结构分析，运用网络连接度、线点率、网络闭合度以及成本比对网络结构进行描述[7-9].

1.5 最小成本路径分析

潜在的生态网络是由源或目标的质量、源与目标之间不同土地利用类型的景观阻力决定的[10-11].本研究参考文献[12]所设定的景观阻力值，结合不同景观对野生动物迁移干扰程度大小，设定天津市市区的景观阻力值.在此基础上运用GIS空间分析模块并利用最小成本路径构建潜在廊道.天津市市区的不同景观及景观阻力值（取值范围为1～1 000）分别为：绿地，1；建筑，1 000；桥梁，1～1 000；一级路，600；水域，600；二级路，300；空地，100.桥梁又分为5个景观亚类，分别为：生态适宜性等级Ⅰ级，1；生态适宜性等级Ⅱ级，200；生态适宜性等级Ⅲ级，300；生态适宜性等级Ⅳ级，600；生态适宜性等级Ⅴ级，1 000.

2 结果与分析

2.1 桥下空间生态适宜性概况

总的来看，天津市市区26座立交桥的桥下空间生态适宜性为中等水平，80%的桥下空间需要进行生态结构与功能方面的调整与完善.桥下空间根据阳光的照射条件可分为不同区域，不同区域的植被布置应有所区别[13]，而天津市市区部分立交桥桥下空间的植被栽种没有考虑桥下空间环境的阳光与水分条件，造成桥下空间植被枯萎，土壤裸露.桥下空间的利用以绿化和停车场为主，空间绿化程度整体较好，但从绿地质量来看，绿地覆盖程度较高的空间（绿地率在80%以上）仅占绿化空间总面积的15%，绿地率50%以下的占35%，绿地率在50%～80%之间的占50%.生态学上认为植物群落的层次越多，该植物群落的抗干扰性就越好[14].天津市市区立交桥桥下空间绿地结构较为单一，以单一灌丛或地被层为主，桥下空间绿地设计上缺乏植物层次搭配.桥下空间设计一般具有一定的封闭性（桥下空间使用上的封闭[15]），除绿地外的大多数立交桥桥下空间都处于封闭状态.这种设计是出于安全或者限制行人出入的考虑，也会造成桥下空间的野生动物可进入性下降.本研究中的立交桥桥下空间分散，破碎化严重，破碎的空间之间缺乏生态廊道的连接，各空间的连接度较低.立交桥桥下空间风力大、阳光照射少、噪声多、空气污染较为严重，已影响到城市环境和人类的身体健康，也严重制约了桥下空间的生态适应性[16].另外，部分立交桥的桥下空间缺乏有效的空间组织，空间利用不充分，存在闲置用地，该部分面积约占桥下空间面积总和的6.1%，此类空间多为封闭性空间，未进行合理利用，造成城市空间的浪费.

2.2 桥下空间生态适宜性分析

根据生态适宜性程度值对天津市区的26座立交桥进行分类，得出Ⅰ级桥梁3座、Ⅱ级桥梁4座、Ⅲ级桥梁7座、Ⅳ级桥梁9座、Ⅴ级桥梁3座，分布如图1所示.天津市立交桥桥下空间生态适宜性整体水平为Ⅲ级中等水平.生态适宜性较好的Ⅰ、Ⅱ级桥梁仅占27%，Ⅲ级及以下桥梁占73%.

图1 天津市立交桥桥下空间生态适宜性等级分布Fig.1 Distribution of ecological suitability grade under the overpass in Tianjin

2.3 景观格局指数分析

为了进一步探究立交桥桥下空间对天津市生态环境的作用，在不改变其他景观的情况下，将目标桥梁空间斑块按照道路的性质加入景观中，运用Fragstats 4.2进行景观水平的格局指数计算，得到类型A.将目标桥梁斑块单独作为一个属性加入到景观中，再次进行景观水平的格局指数计算，得到类型B.比较类型A和类型B的格局指数，结果如表1所示.由表1可以看出，在总面积不变的情况下，将桥梁斑块单独作为属性加入到景观中以后，多度（PR）、多样性指数（SHDI）、平均分形维数（FRAC_MN）与丰富度（PRD）均有小幅上升.由此可见，立交桥桥下空间对改善天津市的生态环境、提高景观格局多样性与完整性具有明显作用.

表1 天津市2种景观类型的景观水平格局指数Tab. 1 Landscape level index of two landscape types in Tianjin

2.4 生态网络分析

基于生态空间理论，源点是景观中促进景观过程发展的组分，具有一定的空间拓展性和连续性[17].参照《天津市生态用地保护红线划定方案》，将方案中现已建成的天津市市区较为重要的公园作为候选斑块.从延展性和连续性出发，选择大面积连续的生态公园（水上公园、刘园苗圃及梅江公园）作为生态网络的核心斑块.重要生态节点的分布情况如图2所示.

图2 天津市市区重要生态节点分布Fig.2 Distribution of important ecological nodes in Tianjin

将斑块抽象为源点，以天津市市中心绿廊作为原有生态廊道，运用GIS空间分析模块生成景观阻力面，并采用最短距离模型寻找潜在廊道，构建天津市市区生态网络A.在网络A的基础上，将生态适宜性等级为Ⅰ级与Ⅱ级的立交桥斑块加入生态网络中，构建出生态网络B，如图3所示.

2.5 廊道结构及网络结构分析

城市生态网络对能流、物流以及生物流动有明显的促进作用.网络中廊道的连通性、廊道相互交叉的频率对生态网络效率有着重要影响.因此运用生态网络分析法对网络A和B的廊道结构进行分析，结果如表2所示.

图3 天津市市区生态网络示意图Fig.3 Schematic diagram of the ecological network in Tianjin

表2 生态网络A与网络B的廊道结构指数和网络结构指数Tab.2 Corridor structure index and network structure index of ecological network A and B

由表2可以看出，生态网络中加入立交桥斑块后，网络B的复杂度要高于网络A.与网络A相比，网络B增加了15条生态廊道和9个重要生态节点，总长度增加30.33 km，廊道密度增加了0.09 km/km2，说明网络B具有更高的复杂性与密度.生态廊道作为线性生境，其密度关系到物种迁移与栖息，高密度的生态廊道可以为边缘种提供栖息地，更好地发挥生境作用.由此可见，立交桥桥下空间有利于改善天津生态环境和提高对野生动物的保护能力.同网络A相比，网络B中的α、β与γ指数均有所提升，说明它具有较高的连通性.在提高了闭合度与连接度的同时，网络B降低了成本比，有效减少了生态系统中的物质与能量损耗.

3 讨论与结论

本研究通过构建评价指标体系，采用层次分析法对天津市市区立交桥桥下空间进行了生态适宜性评价；采用最小成本路径法构建天津市市区潜在生态廊道，采用景观格局指数、廊道结构指数与网络结构指数对立交桥桥下空间的生态作用进行分析.结果表明，天津市市区立交桥桥下空间生态适宜性整体为中等水平，桥下空间能够有效提高天津市生态网络的闭合度与连通性，对关键性立交桥的桥下空间进行优化和保护，提高其生态适宜性水平，能够有效促进野生动物的迁移和保护.

在目前的桥下空间研究中，桥下空间的利用不仅要考虑桥梁自身的建筑结构特点，还应考虑桥梁在生态网络中的作用.一方面，对于已建成的城市立交桥，应重视其在生态网络结构中的作用，通过对列入重要生态节点的桥下空间进行科学设计、合理改造和升级，使其变为可利用的节点，成为市区生态网络的重要构成部分；另一方面，在未来进行立交桥尤其是桥下空间的规划和建设时，在保证行车安全的基础上，应增加桥下空间的植物多样性，加强桥下空间的生态设计，包括采光、植被的生态层次、城市野生动物进入性等.

城市景观中的斑块、廊道及其格局特征均受到人类的社会经济活动和城市建设的控制与影响.城市这一特殊基质对生态网络构建具有较大影响.本研究将生态适宜性较好的桥梁斑块纳入到生态网络中，利用生态网络分析方法验证了天津市市区立交桥桥下空间对天津市生态环境具有改善作用.尽管在构建生态网络时已考虑了人为干扰的因素，但城市景观生态格局是以人为核心的生态系统，本研究所构建的生态网络还有可改进的余地[18].

为了进一步提高天津市的生态环境质量，发挥立交桥桥下空间在改善城市生态网络结构与连通性中的作用，应充分利用现有立交桥桥下空间，加大对桥下空间环境的改进与治理力度，对不可利用的斑块和节点进行调整，使之成为生态网络中的一部分.对桥下空间环境的改进可从3方面入手：（1）在进行桥下空间植被布局时，应充分考虑阳光等生态因子对植被的影响，选择适宜植物进行种植.减少立交桥桥下空间荒地的数量，切实提高立交桥桥下空间的绿化程度.除重视生态因子作用外，在进行植被种植时应当进行科学的层次布局，对现有立交桥桥下空间植物群落结构进行完善；（2）对未利用空间进行规划时，应考虑生态学原则与效益，切实提高桥下空间利用的生态性，对现有停车场等具有使用价值的空间进行需求分析，根据周围居民的切实需要组织优化立交桥桥下空间的功能；（3）在立交桥桥下空间的利用中，封闭性空间是最常见的空间组织形式，这种封闭性不但对人有限制作用，对城市中常见的野生动物也有一定的限制作用.因此在未来空间的封闭性设计中，应考虑为小型野生动物保留通行廊道，进而增加桥下生态空间的连通性.