道路建设对大熊猫栖息地的干扰作用——基于核密度估计的分析

秦 青，孟 冬，仇 剑，傅 晗，王秋娟，韩燕敏，钟 义，周 晓

（1.中国科学院 生态环境研究中心，北京 100085；2.中国公园协会，北京 100835；3.中国自然资源经济研究院，北京 101149；4.大熊猫国家公园珍稀动物保护生物学国家林业和草原局重点实验室（中国大熊猫保护研究中心），四川 成都 611830；5.中国野生动物保护协会，北京 100714）

大熊猫（Ailuropoda melanoleuca）是中国特有的珍 稀保护动物，是生物多样性保护的旗舰物种，具有“伞护效应”，受到普遍关注。近年来，野外大熊猫数量和栖息地面积得以增长［1］，但目前33 个野外大熊猫局域种群中仍有24 个面临着较高的生存风险。2017 年，国务院印发《大熊猫国家公园体制试点方案》，旨在增加大熊猫栖息地的连通性和完整性。2018 年，大熊猫国家公园管理局正式成立；2019 年，中央全面深化改革委员会第六次会议审议通过《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系指导意见》；2021 年，中国正式建立了包括大熊猫国家公园、东北虎豹国家公园等在内的第一批5 个国家公园，将重点生态区域划入保护范围，提高保护力度。如何协调国家公园与周边区域经济发展的关系，是科学合理保护大熊猫及其栖息地的关键，也是近年来相关部门关注的重点和学者研究的热点。

区域经济发展不断加速，修建道路等基础设施改变了土地利用格局［2］，部分区域在过去的发展中缺乏合理科学的规划，干扰了大熊猫等野生动物的生存繁衍。其中，交通道路对生态环境的干扰压力较普遍［3］，由于道路的阻隔，大熊猫栖息地被分割成许多斑块，不同种群之间无法进行基因交流［4］。道路对大熊猫及其栖息地的影响体现在：修建道路占用土地，不同程度地改变着栖息地的结构［5］。理论上，道路在大熊猫栖息地内嵌入点、线、面及其干扰扩散半径越大，对大熊猫栖息地及大熊猫的活动干扰也就越大［6］。一般来说，有人类活动干扰的区域，大熊猫会主动选择规避或者放弃对这些区域栖息地的选择［7］。修建道路后，交通车辆及行人的噪声等明显增加［8］，干扰了大熊猫的生息繁衍。同时，道路基本对所有动物起到阻碍作用，尤其是高速公路等级别较高的交通道路，车流量大、噪声影响大，一般动物无法逾越。道路的阻隔效应使得物种生境破碎化［9］，物种种群被分割成多个局域小种群，一旦发生病疫等，小种群就面临更高的灭绝可能［10］。可以说，人类干扰强度和生态系统脆弱度显著相关［11］，人类干扰强度较大的区域往往也是生态保护的重点区域［12］。

关于干扰，曾辉等［13］选取水电站、道路、居民点3 种人类活动，以卧龙保护区为例，采用GIS 空间分析方法，利用遥感影像数据得出3 种人类活动对保护区的干扰程度和变化规律；张洪云等［14］选择工业、旅游业、交通道路、农业、养殖业等人类土地利用活动，提取各因子的斑块数量和面积，分析其对自然保护区的隔离和干扰强度；许辉等［15］运用核密度分析方法研究了新疆旅游资源的空间格局。Risteskia等［16］提出了优化旅游空间格局的规划，有利于分散旅游地环境压力；李海萍等［17］采用GIS 技术和核密度分析方法，分路段、污染物和车型3 个层次，对京津冀干线公路污染的空间特征进行了分析，发现路网布局是污染强度空间差异的主要因素，路网密度大、公路使用率高是排放强度高的直接原因；黄聪等［18］利用核密度分析方法，研究了余江县农村居民点的聚集性，发现不同级别的农村居民点具有明显的空间差异性。

根据实地调查情况，结合第三、四次全国大熊猫调查数据，大熊猫栖息地最常见的干扰类型是道路建设。根据道路等级不同，划分为高速公路、国道、省道、县道、乡村道5 类。基于已有研究基础，针对目前大熊猫栖息地及其保护现状，选取20 个大熊猫栖息地分布的典型县域，将这些区域的高速公路、国道、省道、县道、乡村道等，从干扰半径和干扰密度两个方面分析道路对大熊猫栖息地的干扰作用。具体来说：①结合实际监测情况，参考相关文献，确定各类型道路的干扰距离经验值作为半径。②采用Arc-GIS空间分析模块将各类型道路分别和大熊猫栖息地矢量图层叠加。③利用ArcGIS 栅格计算器得到各类型道路对大熊猫生存环境的干扰密度。④考虑实际中各类道路不是孤立存在的，将各类道路与大熊猫栖息地图层叠加在一起，对其赋权后得到复合干扰密度，分析不同区域的干扰密度差异。

1 研究区域概况

四川省现有野外大熊猫数量1378 只，大熊猫栖息地和潜在栖息地分布在11 个市（州）的41 个县，总面积243.85 万hm2，其中：大熊猫栖息地面积202.72 万hm2、潜在栖息地面积41.13 万hm2［4］。本文所选区域野外大熊猫数量总计1220 只，占四川省总数的87.96%；大熊猫栖息地面积共有161.86hm2，占四川省大熊猫栖息地总面积的66.38%。

这20 个县域的野生大熊猫数量最多的是平武县、宝兴县、汶川县，分别为335 只、181 只、165 只；最少的是理县、冕宁县、泸定县，分别为5 只、3 只、1 只。对比近两次全国大熊猫调查数据（图1），野生大熊猫数量增加最多的是平武县，其次是宝兴县和天全县，分别增加了105 只、38 只、26 只。野生大熊猫数量减少的县有9 个，减少最多的是北川县，其次是汶川县、九寨沟县，分别减少了32 只、22 只、13只。北川县和汶川县大熊猫数量减少有地震等自然原因，九寨沟县大熊猫数量减少的原因可能是因为周边发展旅游和修路等对大熊猫栖息地造成干扰，导致大熊猫数量下降。

图1 研究区域各县的野生大熊猫数量Figure 1 Number of wild giant pandas in every county

这20 个县域的大熊猫栖息地面积排前三位的是平武县、宝兴县和汶川县，分别为28.83 万hm2、19.28 万hm2、14.83 万hm2；面积排后两位的是泸定县、安县，分别为21718hm2、16275hm2（图2）。从变化率看，大熊猫栖息地面积增加的有理县、雷波县、泸定县，分别增长了535.29%、344.21%、116.24%，可见近年来这些县域的生态环境得到了不同程度的改善。大熊猫栖息地面积减少的县有马边县、九寨沟县、汶川县从变化率来看，马边县的大熊猫栖息地减少了37. 27%，九寨沟县大熊猫栖息地减少了11.38%，主要原因是：九寨沟地区大力发展旅游，修建道路占用土地，往来游客的噪音对栖息地的干扰加剧。汶川县大熊猫栖息地减少了10. 95%，除2008年大地震原因之外，近年来该县的旅游开发力度加大，对栖息地的干扰加剧。

图2 研究区域各县的大熊猫栖息地面积Figure 2 Habitat area of giant pandas in every county

研究区域大熊猫栖息地内的道路主要是伐木便道，随着国家天然林保护工程的实施，这些便道大都被废弃，因此其影响正在逐渐减弱。但交通主干道的隔离作用不容忽视，它们的影响往往是持久的和不可逆转的。四川省各山系在大熊猫栖息地内分布格局和干扰强度不同。据调查，目前分布的道路情况是：大相岭、小相岭栖息地分别有高速公路13km、18km，其他山系没有；大相岭、邛崃山栖息地分别有国道16km、16km，邛崃山、岷山、凉山栖息地分别有省道88km、58km、17km，其他山系没有；县乡道在各山系分布都十分普遍，其中：岷山最多（305km），其次是邛崃山（288km）、凉山（219km），大相岭最少（88km）。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

本文使用的各类型道路数据是利用中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台的遥感数据解译并经过土地利用类型分类系统处理而来的。研究区域各县域的野生大熊猫数量、大熊猫栖息地面积及其分布矢量图等数据源自于国家林业和草原局、四川省林业和草原局提供的全国第三次和第四次大熊猫调查数据。全国大熊猫调查每十年开展一次，第四次大熊猫调查于2015 年全部结束，2021 年正式出版《全国大熊猫第四次调查报告》，相关研究至今仍然沿用此数据。为便于研究，并兼顾数据的时效性和可获取性，本文中的道路数据采用2017 年的各县域遥感数据，分辨率为30m，利用ENVI5.3 软件对数据影像进行校正、裁剪等，利用ArcGIS10.3软件进行影像分类、叠加等，为后期的缓冲分析和核密度分析做准备。

2.2 研究方法

由于大熊猫生物习性方面的回避效应，道路等在景观格局中的镶嵌使得大熊猫栖息地景观破碎化、生境质量下降，造成适宜性栖息地的丧失［19，20］。贺超等［21］利用缓冲区分析的方法，对道路、居民点等对大熊猫的干扰半径和范围进行了分析和研究；李杰等［22］利用ArcGIS 的空间缓冲（Buffer）分析，点状干扰以干扰距离为半径，线状干扰和面状干扰以干扰距离为边长作为缓冲区，确定人类活动对黑颈鹤各干扰类型的干扰范围。

缓冲区的空间分析通常以点、线、面代表所要分析的目标地理要素，采用阴影面积表示这些目标地理要素对周边环境的干扰影响范围（图3）。假如是单条道路，则以干扰半径为宽，结合道路的长度可以得到干扰的范围和面积。但实际上道路是互相交叉的，且道路对大熊猫等动物的干扰是辐射性的，仅用缓冲距离对道路等经济干扰做估计，可能会低估其实际影响的程度［23］。如果再考虑不同等级的道路和不同经济类型干扰的强度，则无法准确估计其对大熊猫的干扰强度。

图3 GIS缓冲示意图Figure 3 Schematic diagram of GIS

核密度估计（Kernel Density Estimation）是利用一个移动的单元格对点或线的格局密度进行估计。假设数据是x1，x2，…，xn，那么x处的密度为：

式中：k 为核函数；h 为带宽（如果是线的话）或半径（如果是点的话），h ＞0；（x - xi）为估计点x 到样本点xi的距离［24］。

核密度估计方法用于显示物体的空间分布态势及变化趋势（图4），其几何意义是在每个计算点的中心处密度分布最高，并向外逐渐降低，当距离中心一定范围时，密度变为0［25］。核密度估计相比较缓冲区估计更加科学合理。本文运用ArcGIS10.3 软件，在分析道路对大熊猫栖息地干扰半径的基础上，进一步尝试用核密度分析方法对各类道路的干扰密度进行估计，能够充分说明大熊猫栖息地受到道路干扰的强度。

图4 核密度分析示意图Figure 4 Diagrammatic sketch of nuclear density analysis

3 道路对大熊猫栖息地的干扰作用分析

对大熊猫栖息地来说，在道路系统两侧会产生一个缓冲影响的区域，并沿道路系统延伸。对大熊猫野外栖息活动来说，这种缓冲影响范围造成栖息生境丧失，更重要是切割和隔离了栖息地。道路系统在景观斑块分类中以廊道形式出现，在GIS 空间分析中以线状地理信息表示。道路的影响程度受到道路等级、道路宽度、交通流量、周围环境等多种因素的影响。一般来说，道路等级越高，路面越宽，干扰的范围也越大［26］；交通量越大，道路密度越高，干扰强度越大，生境破碎化程度越高［27］。本文从干扰半径和干扰密度两个方面分析道路对大熊猫栖息地的干扰作用。

3.1 道路的干扰半径

道路的干扰半径即垂直于道路的干扰距离，在此范围之内几乎很少出现大熊猫的活动痕迹，在此范围之外，距离道路越远，大熊猫的活动痕迹逐渐增多。关于道路对大熊猫栖息地的干扰，干扰半径的研究是比较多的。如欧阳志云等［28］研究了四川卧龙地区人类社会经济活动中的不同公路类型对大熊猫栖息地的干扰范围，认为公路两侧大概60m 范围内人类活动对大熊猫干扰最为强烈，61—210m内人类活动对大熊猫的干扰较强烈，210—720m 内人类活动对大熊猫的干扰一般强烈，720m以外人类活动对大熊猫基本没有影响；曾治高等［29］研究了秦岭地区公路对大熊猫的干扰范围，在县（乡）公路两侧0.15m—1km范围没有发现大熊猫的活动痕迹，认为秦岭地区的县（乡）公路对大熊猫的干扰范围至少是1km。

结合全国大熊猫调查实际监测数据，本文按照不同等级道路分类，对其干扰距离进行了梳理总结（表1）。高速公路周边直线距离7km以内无大熊猫活动痕迹点，10km以内缓慢增加，10km以外快速增加，14km达到最高值；国道周边直线距离5km 以内无大熊猫活动痕迹点，8km 以内缓慢增加，8km 以外快速增加，12km 达到最高值；省道周边直线距离2km以内无大熊猫活动痕迹点，6km 以内缓慢增加，6km以外快速增加，10km 达到最高值；县道周边直线距离1km 以内无大熊猫活动痕迹点，3km 以内缓慢增加，3km以外快速增加，11km达到最高值；乡村道周边直线距离1km 以内无大熊猫活动痕迹点，2km以内缓慢增加，2km 以外快速增加，10km 达到最高值［30］。

表1 各级道路对大熊猫干扰半径（单位：km）Table 1 Roads impact assessment criteria

干扰半径的分类总结是研究道路对大熊猫干扰作用的基础，在掌握各类道路的干扰半径基础上，可利用ArcGIS软件进行缓冲区分析，并进一步对道路的干扰密度进行核密度估计，从而更清晰地了解道路对大熊猫栖息地的干扰强度，有利于制定更加科学合理的大熊猫保护政策。

3.2 道路的干扰密度

道路的隔离效应受到道路本身的等级和交通流量的双重影响。道路的密度常被用作评价道路网络对动物生境破碎化的参数［30］。一般来说，道路密度越大，干扰越密集，生境破碎化程度越高，对大熊猫迁徙的阻力越大，越容易影响物种基因交流，从而威胁物种繁衍。本文拟对高速公路、国道、省道、县道、乡村道5 类道路对大熊猫栖息地的干扰密度进行逐一分析。

高速公路的干扰密度：高速公路等级最高、路况较好，适于大车同行，但车流量相对较高、噪音较大，对大熊猫栖息地的干扰最大。高速公路因为造价较高，所以一般修建不会特别密集。虽然仅就高速公路本身来说，理论上其对大熊猫及栖息地的干扰密度最大，但是因为高速公路通常距离大熊猫栖息地相对较远，实际的影响范围较小。近年来，由于国家对大熊猫保护的高度重视和对生物多样性、生态保护的重视，高速公路等修建都要经过严格的环评，尽可能避开栖息地。从图5 可见，高速公路对大熊猫栖息地的干扰主要表现在荥经县和石棉县的小部分区域。

图5 高速公路对大熊猫栖息地的干扰Figure 5 Interference density of highway

国道的干扰密度：相较于高速公路，国道对大熊猫栖息地的干扰作用略强。从图6 可见，汶川县、都江堰市、天全县、荥经县都有国道直接横穿大熊猫栖息地内部，导致大熊猫受到的干扰十分强烈，靠近国道区域的直线距离7km 之内几乎没有大熊猫痕迹点［31］。石棉县也有G108 国道穿过大相岭的泥巴山，尽管干扰密度不高，但也破坏了两侧植被，造成大熊猫种群隔离，增大了道路两侧大熊猫的基因交流难度［32］。

图6 国道对大熊猫栖息地的干扰Figure 6 Interference density of national road

省道的干扰密度：相较于高速公路和国道，省道对大熊猫栖息地的干扰密度较大。从图7 可见，主要是九寨沟县、平武县、汶川县、宝兴县和凉山州的大部分区域都有省道从大熊猫栖息地内穿过，且对大熊猫的干扰较为强烈。对比近两次大熊猫野外调查数据发现，除平武县和宝兴县的野外大熊猫数量有所增加外，其他县域均有所下降（汶川县有地震原因，暂不考虑）。因此，省道对大熊猫栖息地的干扰密度应引起高度重视，当地政府及相关部门对省道的建设应进行科学合理规划，尽可能避开大熊猫栖息地。

图7 省道对大熊猫栖息地的干扰Figure 7 Interference density of provincial road

县道的干扰密度：相比较高速公路、国道和省道，尽管县道对大熊猫栖息地的干扰范围较大，但干扰密度较小。从图8 可见，安县和都江堰的县道并不在大熊猫核心栖息地内，对大熊猫的干扰作用不是很明显；但北川县、洪雅县、美姑县、雷波县等区域的大熊猫栖息地内的县道分布较多，对大熊猫的干扰较大。

图8 县道对大熊猫栖息地的干扰Figure 8 Interference density of county road

乡村道的干扰密度：相比其他各类道路，乡村道路的分布最广，大部分乡村道路是村民人为踩出来的乡村小道，这些道路不稳定，基本随村民生产活动而变化，比如采伐、放牧、采药等，人到哪里路就到哪里。从图9 可见，干扰密度较高的区域是都江堰市和安县等地。虽然乡村道的干扰密度最大，但是因为退耕还林等工程实施，政府对栖息地周边居民采取转移安置措施，部分居民区已搬离栖息地，这类干扰在逐渐减弱。尽管因天然林保护、退耕还林和生态移民等，很多村民已搬离原来的住所，保护区内基本无居民居住，但是部分栖息地周边因为自然资源丰富，还有部分村民频繁活动。

图9 乡村道对大熊猫栖息地的干扰Figure 9 Interference density of rural road

所有道路的复合干扰密度：现实生活中，道路是交叉的网络，而不是离散和独立的，因此加剧了对大熊猫栖息地景观的破碎化，使得大熊猫生境加倍退化［33］。将几种等级的道路叠加在一起，道路便形成网络状分布模式，从而对大熊猫栖息地空间格局的干扰变成网状式或者多核式。这种网络状的干扰格局对大熊猫栖息地的干扰效应成倍增加，严重影响了大熊猫迁徙活动和种群基因交流。这种网络状的道路干扰可看作是道路的复合干扰，复合干扰密度自然大大高于单类道路的干扰密度。从图10 可见，所有类型道路的复合干扰密度，干扰密度较高的区域是都江堰、安县、石棉县、冕宁县、荥经县、洪雅县、雷波县等，这些区域应引起相关部门重视。

图10 所有道路的复合干扰Figure 10 Compound interference density of all types of roads

4 结论与讨论

从本文研究来看，就道路本身来说，级别越高，则路面越宽、车流人流量越大，噪音等对大熊猫栖息地的干扰也会越大。研究区域的高速公路建设因为保护政策的限制，一般都会经过严格的环评，其修建一般会尽可能避开大熊猫栖息地，因此高速公路对大熊猫栖息地的干扰作用并不明显。研究区域的小部分国道横穿大熊猫栖息地，对大熊猫造成了一定程度的干扰，但这些国道的干扰密度并不大。相较而言，研究区域的省道对大熊猫的干扰作用较大，应引起高度重视。研究区域的县道分布较广，但大部分并不在大熊猫栖息地核心范围内，因此对大熊猫的干扰作用不明显。在5 种道路中，乡村道路的分布最广，部分乡村道路是村民人为踩出来的乡村小道，这些道路不稳定，基本随村民生产活动而变化，有些甚至深入到大熊猫栖息地腹部。尽管乡村道本身的干扰半径不大，但是因为分布广且交叉重叠，实际对大熊猫栖息地的干扰密度较大，应着重治理。

结合实际监测数据，本文对比了高速公路、国道、省道、县道、乡村道周边大熊猫痕迹点的数量和密度，发现高速公路周边的大熊猫栖息地质量最低，其次为国道，然后是省道、县道和乡村道，进一步印证了本文的结论。随着人口增长、经济发展，研究区域20 个县市公路通车里程总数近年来基本处于持续上升阶段，并呈加速增长态势。道路修建不仅占用了大量土地，同时车流、人声和粉尘等对大熊猫栖息地的干扰不断增强。虽然道路的宽度不会大面积、集中成片地占据栖息地生境较大斑块，但是由于大熊猫对人为活动空间的回避，导致大熊猫沿道路纵向干扰范围向外移动。假设道路网络在某些或某块栖息地的四周形成一个封闭结构，或者即使道路没有形成完全封闭的斑块，但道路网络上的缺口不足够大，没有超出大熊猫日常活动的范围，则大熊猫也难以逾越，就会形成一个个被隔离的局域小种群，这将严重影响大熊猫的基因交流。大小相岭和凉山等区域分布有多个大熊猫局域小种群，因为基因交流受限，其种群繁衍受到严重影响。未来，道路建设中应着重加强上述干扰密度较高区域的规划和治理，尽可能避开大熊猫栖息地。