道路网影响区景观格局变化分析——以呼伦贝尔市为例

杨艳刚，崔慧姗，柳雁玲，王 云，关 磊，黄山倩

（1.交通运输部科学研究院，北京 100029；2.吉林省高等级公路建设局，吉林 长春 130024）

0 引言

道路是交通基础设施的重要组成部分[1]。道路网的形成加剧了土地利用的强度，对周边生态系统产生了累积性、复杂性、不可逆的影响[2-3]，是导致野生动物死亡、栖息地质量下降、种群割裂、生境和景观破碎化及生物多样性丧失的驱动因素[4-7]。

国内外学者就道路网对景观生态系统影响方面的研究已有很多[8-9]。20 世纪90 年代以来，随着3S 技术的发展，有关道路网的研究逐步深入，研究领域也拓展到路网对生态系统过程及功能的影响[2]，以及路网变化过程中景观格局变化[10]、路网影响区土地利用变化[11]等方面。国外研究主要关注道路网生态累积影响、景观破碎化影响等方面[12]，如Forman 研究了道路网对景观生态系统的累积影响效用[13]；Saunders 探讨了道路建设对景观结构及土地利用的影响[14]；Forman 提出了不同等级道路影响域[15]。整体上，基本明确了路网对景观生态的影响，但还缺乏有关道路网景观影响程度及时空尺度的研究。

国内对路网景观生态影响的研究多集中于不同等级道路网的尺度效应[16]、道路网与生态系统破碎化的关系等方面[17]，且道路网景观生态效应研究多在省域尺度[18]、市域尺度[19-22]上开展。这些研究基本明确了道路网对景观生态影响的性质，但关注路网对景观格局影响的时间尺度和空间范围的较少，没有在景观尺度上明确不同道路网规模对周边景观的影响及道路网对路侧景观的影响范围，导致在开展路网生态影响评价时，影响范围确定困难，难以提出针对性保护措施。

景观格局指数高度浓缩景观格局信息，是反映其结构组成和空间配置某些方面特征的定量指标[23-24]，用于量化表达不同路网布局形式下景观格局的变化及特征，是识别路网作用景观机制、分析其生态效应的重要前提。本文将应用景观格局分析法，分析呼伦贝尔市1988—2015 年间4 个时期道路网及其影响区内景观格局的变化，研究道路网形成和加密过程中，邻近道路网区域内景观格局的时空变化，进而确定不同规模路网对景观格局影响的空间范围，以期为在区域尺度上确定路网适度规模、合理规划路网布局提供科学依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区域概况

呼伦贝尔市地处东经115°31′～126°04′、北纬47°05′～53°20′之间，总面积25.28 万km2；气候类型属于温带大陆性季风气候，地区年均温度为-3～0℃，年均降水量250～380 mm，年蒸发量1300～1900mm[25]；地形总体呈西高东低并缓慢过渡形态。从大兴安岭西麓到呼伦贝尔草原的西端植被与土壤类型发生明显的区域分异。区域东部为山地，分布着粗骨性土壤，植被类型以森林及山地草原为主，向西延伸逐步过渡到森林草原、草甸、草甸草原，土壤类型为黑钙土。再向西延伸，气候逐渐干旱，土壤类型以栗钙土为主[26]。

截至2016 年底，呼伦贝尔已形成了以2 条国家高速（G10 绥满高速公路和G5511 集阿高速公路）、3条国道（国道111,301和332）和5条省道（省道201,202,203,301,302）为主骨架，以县乡、边防、专用公路为脉络的公路网[27]。

1.2 数据获取与处理

研究区行政边界数据来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http://www.igadc.cn）。根据研究目的，结合研究区内的实际土地利用与分布情况，按照《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017） 二级分类标准，将该区土地利用类型划分为林地、草地、耕地、建设用地、水域及其他用地，共6 个一级分类20 个二级分类。选取1988年、2000 年、2012 年和2015 年空间分辨率为30m×30m 的Landsat TM 数据为数据源，成像时间在8～9 月间，云覆盖率均低于0.1%。研究所用各期道路矢量数据分别来自对应年份发布的内蒙古自治区交通图，其中2015年度道路矢量数据来自1∶25万内蒙古自治区公路电子地图。

利用遥感图像处理软件ERDAS 2010，对遥感影像进行几何校正、辐射定标、大气校正、多波段图像合成和裁剪等预处理；建立解译标志，利用野外调查数据和Google Earth 近期影像数据选取训练样本和验证样本；采用常用的最大似然监督分类法对4 期影像数据分别进行分类处理，并对分类结果进行后处理，确保分类结果的总精度达到80%以上。

1.3 景观指数筛选

景观指数能定量表示景观格局信息[28]，主要可分为景观斑块水平、景观类型水平和景观水平3 个层次，且各层次内部景观指数之间存在一定的相关性[29]。景观指数由于其自身的局限性和冗余性，在运用景观格局指标时，应根据研究需要与指标的实际意义，结合生态学过程慎重选择[30]。本文针对道路建设、道路网形成过程中对生态因子影响及景观格局的作用方式，重点研究不同缓冲区内景观水平上景观格局的变化，为此筛选了斑块密度（Patch Density,PD）、平均斑块面积（Average Patch Area,AREA-MN）、景观形状指数（Landscape Shape Index,LSI）、边缘密度（Edge Density,ED）、蔓延度指数（CONTAG）及多样性指数（Shannon's Diversity Index,SHDI）共6 个景观指数，用于反映景观组成、结构及分布特征。各指数生态学意义如表1所示。

表1 景观格局指数及其生态学意义

1.4 道路网提取与缓冲区生成

首先，收集1988 年、2000 年、2012 年和2015 年呼伦贝尔市交通图并进行数字化，生成路网矢量数据并统一进行投影转换。然后，利用ArcGIS 10.3 软件包中的缓冲区分析（Buffer）功能生成缓冲区。由于距离公路越近的区域，受公路建设的影响越大，根据《环境影响评价技术导则 生态影响》（HJ 19—2011）[31]，公路建设生态影响范围一般为两侧500m 以内，而公路对景观的影响一般略大于此范围，因此本文分别提取道路两侧0～100m,100～200m,200～300m,300～500m,500～1000m 共5 个缓冲区。接着，将上述缓冲区与景观类型解译数据进行叠加，运用Frag⁃stats 4.2 分别计算不同缓冲区内的景观指数。最后，对各景观指数进行两个层面的对比：①对比不同年份路侧缓冲区内景观格局指数变化，分析路网密度由疏至密变化过程中，路侧景观指数的变化；②对比路网不同距离缓冲区内景观指数的变化，分析路网对路侧景观格局影响的距离。

2 路网影响区内景观组成及格局变化分析

2.1 区域路网变化特征分析

呼伦贝尔市1988 年、2000 年、2012 年、2015 年道路网长度变化情况如图1 所示。对比各阶段路网里程可看出，在1988—2015 年近30 年间，区内路网长度逐步增加，由1988 年的2 662km 增加到2015 年的4 138km，增长55.44%；路网密度也由0.011km/km2增大到0.016km/km2。

图1 不同时期呼伦贝尔市路网规模柱状图

2.2 路网影响区景观类型组成及变化分析

研究区不同距离缓冲区内景观类型均以草地景观为主，在1988 年、2000 年和2012 年，0～100m,100～200m,200～300m 缓冲区内农田景观比例高于森林景观，随着缓冲区距离的增大，森林景观面积比例增加，占比超过农田景观（见表2）。总体来看，在1988 年和2000 年，路网两侧各缓冲区距离内景观比例主要以草地景观和农田景观为主，道路网主要分布于地势相对平坦的草原和农田地带。随着道路网的延伸，至2015年道路进入研究区北部林地，两侧森林景观和其他类型景观（沙地、湿地等）逐渐增多，草地景观、农田景观占比下降。

表2 研究区不同距离缓冲区内景观类型比例

2.3 不同路网密度下道路网两侧景观格局变化分析

比较不同年份路侧不同距离缓冲区内景观指数的变化情况，发现1988—2015年间，随着路网密度逐年增加，斑块密度（PD）均呈现先下降后增加的趋势，2000 年路侧斑块密度较1988 年下降，其后逐渐上升；路侧各缓冲区距离内平均斑块面积均呈现下降的趋势，即随着道路网密度的增加，路侧景观中平均斑块面积下降，在0～100m、100～200m 缓冲区内，平均斑块面积在1988—2000年间出现小幅增加。

边缘密度（ED）反映景观中异质斑块间物质、能量、物种及其他信息交换的潜力及相互影响强度[32]。遭受扰动的生态系统在恢复过程中，异质斑块增加，边缘密度增加，景观异质性进一步提高。随着恢复进程的推进，初始的小斑块进一步扩展、合并，边缘密度下降，并逐步趋近于周边未受干扰的景观异质性格局。在1988—2015年间，随着路网密度的增加，0～100m 缓冲区内边缘密度增加，大于100m 缓冲区内各时期边缘密度差异不大。

景观形状指数（LSI）综合反映景观斑块的异质程度。在耕地、林地、人工斑块类型占比高或草地、湿地、水体等自然形成的斑块面积占比小的景观中，空间结构复杂，景观形状指数（LSI）较高。在1988—2015 年路网加密过程中，不同距离缓冲区内景观形状指数均随着路网的加密而出现明显增加。

蔓延度指数（CONTAG）用于描述景观里不同斑块类型的团聚程度或延展趋势。一般来说，高蔓延度指数表明景观中的某种优势斑块类型形成了良好的连接性[33]，反之则表明景观具有多种要素的密集格局。在1988 年、2000 年、2012 年、2015 年4 个阶段内，道路网两侧不同距离缓冲区内蔓延度指数均呈“先略上升，而后逐渐下降”的趋势。

景观多样性指数（SHDI）反映景观组分数量和比例的变化情况。由多个组分构成的景观中，当各组分比例相等时，多样性指数最高。就本文研究结果来看，在1988—2015年间，随着路网的加密，路侧缓冲区内景观多样性指数增加。

2.4 道路网不同距离内景观格局变化分析

对比路侧不同距离缓冲区内的斑块密度（PD），发现0～100m 缓冲区内，由于道路这一相对连续完整的斑块的存在，斑块密度很低；在100～200m 和200～300m 缓冲区内，路侧景观斑块密度明显增加；在300～1000m 缓冲区内，景观斑块密度逐渐下降。

随着与道路距离的增大，缓冲区内平均斑块面积（AREA-MN）先减小后增加，0～100m 缓冲区内平均斑块面积较大是由相对完整单一的道路斑块嵌入造成；在100～300m 缓冲区内，平均斑块面积出现了较明显的下降；在300～500m 缓冲区内，平均斑块面积有所增加；在500～1000m缓冲区内，平均斑块面积出现了明显增加。

在0～100m 缓冲区内道路与其周边景观斑块间存在明显且较为平整的边缘，边缘密度（ED）较高；随着与道路距离的增加，在100～200m 和200～300m缓冲区内边缘密度出现下降；在300～1000m缓冲区内，边缘密度增加。

在0～100m 缓冲区内，景观形状指数（LSI）较低；在200～300m 缓冲区内，景观形状指数增大，可能因为该距离内受道路建设及路网形成影响，异质性增加，因而导致形状指数增大。在大于300m 的缓冲区内，景观形状指数呈下降趋势，说明路侧景观结构由复杂变得相对简单，即由破碎化的景观格局逐渐向具有相对完整平滑边缘的近自然斑块类型变化，反映出该缓冲内，道路建设对景观格局影响较小。

在100～200m,200～300m 缓冲区内景观蔓延度指数（CONTAG）增大，即距离道路越远，景观优势斑块的连接性越好；在500～1000m 缓冲区内，蔓延度指数却呈下降趋势。

在1988年、2000年、2012年3个阶段，景观多样性指数（SHDI）均随着与道路距离的增大而逐渐增大，即距离道路越远的地方，景观越多样。在2015年，多样性指数则随着与道路距离的增大而降低，但总体来看同距离缓冲区之间多样性指数值差异不大。

以上各指标在不同年份的大小和变化情况如图2所示。

3 不同距离缓冲区及不同路网密度下景观格局变化分析

3.1 不同路网密度下景观格局变化分析

本文应用ArcGIS 空间分析工具和景观指数分析工具，分析了呼伦贝尔市1988—2015 年近30年间路网不同距离缓冲区内的景观格局变化，发现景观斑块的演变趋势受路网密度增加的显著影响。随着路网密度的增加（1988—2015 年），区域景观整体呈现一定程度的破碎化，具体表现为不同距离缓冲区内斑块密度均增大，平均斑块面积减小，陈辉对青藏铁路不同距离缓冲区生态系统结构影响研究也发现了这一规律[34]。究其原因可能是，这一时期研究区内增加的多条贯通道路对区域景观产生了显著影响，如省道203、国道232 等，同时随着社会经济的持续发展，研究区内路网持续加密，道路沿线人类活动强度增加，这都会造成区内斑块密度的增加。

随着路网密度的增加，不同距离缓冲区内景观形状指数、景观多样性指数增大，表明区域内景观类型增加，景观结构变得复杂，异质性增加，破碎化程度加深。景观多样性指数增大的可能原因是道路网延伸至原本没有道路的景观类型中，新建道路路侧景观类型增加（见表2），因此造成了景观多样性指数增大。蔓延度指数呈先上升而后逐渐下降的趋势，究其原因是这一时期内路网加密并未引起路侧景观中不同斑块类型间团聚程度发生变化，或路网对区域景观格局影响程度并未增加，因此景观斑块间的连接性得到了一定程度的恢复，而在2000—2015年间，路网持续加密造成研究区内连续分布的景观持续被切割，蔓延度指数下降。

景观格局变化的驱动因子主要有人为因子和自然因子，驱动力主要有城镇化作用机制、水资源约束机制、技术进步机制及人口增长促进等[35]。就研究区而言，在近30年内，区内路网逐渐加密，即便新增加的道路主要为省道、县乡道等低等级道路，其仍然造成生态系统破碎化，这与李双成有关道路网与生态系统破碎化关系的研究结果相似[17]，即路网增加造成生态系统的破碎化。

3.2 路网不同距离内景观格局变化分析

各景观指数在100～300m 缓冲区内均发生显著变化。

（1）在100～200m,200～300m 缓冲区内，斑块密度明显增大、平均斑块面积显著减小，区域景观破碎化程度加大；在300～1000m 缓冲区内，景观斑块密度逐渐下降，平均斑块面积增大，破碎化程度有所降低。

（2）在100～200m,200～300m 缓冲区内边缘密度、形状指数增加，表明在这一距离内斑块形状变得简单，景观异质性降低；在300～1000m缓冲区内边缘密度增加、形状指数下降，表明斑块间边缘镶嵌形式变得复杂，景观异质性增加，斑块类型及镶嵌格局更趋近于自然景观类型。

由此可推测，路网对周边景观生态系统的影响距离范围可能在道路两侧300m 范围以内，这与王云等得出的“道路对景观格局的影响距离为单侧200m”[36]结果相似。

4 结语

本文以呼伦贝尔市为例，通过分析其1988—2015 年间4 个时期道路网及其影响区内景观格局的变化，探讨了道路网形成和加密过程中，不同距离缓冲区内景观格局的时空变化。研究发现，随着路网加密，路侧空间结构变得复杂，斑块密度增大，平均斑块面积减小，破碎化程度加深，原有相对单一的景观类型由于路网形成而变得多样。

受遥感数据回访周期、空间分辨率、云遮挡等的局限，在多期遥感数据中获取时间完全一致且无云条件下的影像难度很大，另外该研究涉及数据量大、分类分级复杂，这也在一定程度上会影响分析精度[37]。由于道路影响域是一个不等宽且不连续的区域，且宽度受分析尺度影响，为进一步明确道路影响域及影响机理，还应采用不同时空分辨率的多源遥感数据进行综合分析判断，同时考虑不同分析尺度间的转换问题。