京广高铁沿线武汉乌龙泉镇生境质量演变特征研究

殷利华 杜慧敏 姚忠勇

生境是生物多样性的承载体，是生物赖以生存和繁殖的空间，对种群的存活与发展具有重要意义[1]，也是生物多样性保护的核心研究内容之一[2]，故生境质量从根本上决定了区域生物多样性水平[3]。关于生境质量的研究，涉及省域[4]、流域[5]、自然保护区[6]、城市、具体物种的栖息地区域[7]等不同尺度；研究内容包括人类活动、城市扩张对生境的影响[8-9]，土地利用变化和景观格局、生境质量的关系[10-11]，生境质量安全格局与生境优化[12-13]等，但对于道路、铁路等线性基础设施建设前后沿线生境质量变化的研究相对较少，尤其是高速铁路交通基础设施对沿线生境质量的影响程度尚不清楚。地表长距离的基础设施建设改变了土地利用方式，直接影响区域生境质量[14]。道路和铁路作为重要交通基础设施，在其建设与运营中会不可避免地对沿线区域生态环境造成扰动，尤其是当选线通过物种栖息地附近甚至内部时，将直接影响野生动物数量、生活、行为反应[15-16]和生境质量等，如交通工具致死直接导致野生动物数量减少，高路堤阻隔野生动物迁移，噪声、振动导致动物惊吓、回避等；对野生动物生境的影响通常表现为生境空间占用、生境面积缩减和破碎化、长期的运营干扰降低生境质量等。

目前，国外已开展多项探讨道路对两侧野生动物行为及数量影响的野外实验[17-19]。国内研究起步较晚，目前多为对国外道路生态学发展的综述，也有少数针对生态极敏感的青藏公路及铁路沿线重要物种的保护研究，内容涉及沿线野生有蹄类物种的动物通道使用、影响范围和距离[20-21]。总体来看，关于道路对沿线生境及野生动物影响的研究较多，但对于铁路基础设施建设对区域生境影响程度的相关研究和评估较缺乏，工程建设对生境质量的影响机制和影响程度尚待厘清，且由于场地环境、物种不同，面对的问题也呈现多样性，加强在地性研究积累有助于加强各地生境修复的具体指导。

关于生境质量影响的研究方法主要有加权评价法、层次分析法等，多为定性研究，而模型评估法更趋向于定量化、空间化和精细化，其中，生态系统服务和权衡综合评估（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs, InVEST）模型因具有数据量少、输入简单、评估结果精确、支持不同情景和尺度的评估及分析等优点，在国内外生境质量评估研究中被广泛应用[22]。

本研究选取京广高铁沿线的武汉江夏乌龙泉镇作为研究区，运用InVEST模型评估京广高铁武广段建设前中后3个典型年份沿线不同距离梯度的生境质量指数，其中2000年（建前）为高铁建设前的典型代表年份、2010年（建中）为建设期的典型代表年份、2020年（建后）为高铁稳定运营期典型代表年份，主要探讨以下问题：1）研究区域在高铁建设前后土地利用类型的变化特征；2）研究区域在高铁建设前后生境质量变化特征；3）高铁建设对沿线区域生境质量的影响，探究高铁等重大基础设施沿线生境质量时空变化特征，明确交通基础设施工程建设对区域和沿线生境质量的影响程度及范围，为中国高铁建设后沿线生态环境修复提供参考。

1 研究区域概况

京广高铁是中国高铁网中重要的一条，2005年开始建设，武广段、郑武段分别于2009年12月、2012年9月通车运营。研究区域为武汉市南部的江夏区乌龙泉镇（简称镇域，图1），镇域面积约173.5 hm2，位于滨湖丘陵地带，生境条件较好，属于亚热带季风气候，年均气温15.8～17.5℃，年降水量1 150～1 450 mm。京广高铁武广段穿越该区域中部，经过山地、林地、田野、自然河湖水体等地形地貌，野生动物种类较多，研究团队的预实验发现镇域内野生动物有狗獾、麂子、狐狸、松鼠、野兔、野猪、鸽子、斑鸠等。

图1 研究区域概况Overview of the research area

2 数据与方法

2.1 确定核心区范围

参考已有研究[23-24]，公路对沿线生态环境和野生动物的最大影响距离约为3 km，且公路对沿线野生动物和生态环境的影响可能比高铁更大[25-26]；交通基础设施是影响自然本底较好的乡野地段土地利用变化的核心因素，同时该范围内无较大面积的居民点集中区，其他道路较少，是较理想的研究范围。故本研究选取镇域生境良好代表段的高铁沿线两侧3 km范围作为生境影响观察范围（简称核心区），探讨高铁沿线近距离生境质量变化特征。京广铁路贯穿镇域南北，全长约14 km，核心区总面积约92 km2。

2.2 数据来源与预处理

2）数据预处理：运用ArcGIS将耕地和人造地表数据通过重分类分别提取，作为生境威胁源[28]。

2.3 单一土地利用类型动态度

描述区域某一时期某种土地利用类型的变化剧烈程度可以反映某种土地资源扩张或萎缩程度[27]，计算式为

式中：K为研究时段内某土地利用类型动态度，K值越大该时段人类活动越强烈；Ua、Ub分别指某种土地利用类型在研究时段初期和末期的面积；T为研究时长/年。

2.4 生境质量评估

通过InVEST 3.2模型的Habitat Quality模块，对核心区2000年、2010年和2020年生境质量开展评估，其原理是将土地利用类型与生物多样性胁迫因子建立联系，计算相应栅格内的生境质量。

1）生境威胁源选择参考已有研究成果[25]及InVEST模型使用手册，确定本研究的威胁源为人造地表和耕地，最远威胁距离分别为3 km、1 km，权重分别为0.80、0.60，得到每种土地利用类型对不同胁迫因子的敏感程度（表1）。

表1 土地利用类型对生境威胁因子敏感程度[28]Tab.1 Sensitivity of land use type to habitat threat factors[28]

2）通过InVEST 3.2模型计算生境质量指数，并在ArcGIS中运用空间分区统计得到各区域生境质量的均值（式2、3）[29-30]。生境质量指数取值范围为0～1，指数越接近1则表示区域生境质量越优，更适宜生物生存，生物多样性水平也越高；相反，指数越接近0，则生态系统可供生物生存繁衍的能力越低，越不利于维持区域生物多样性。计算式为

式中：Qxj为地类j中单元x的生境质量指数；Hj为 地类j的生境适宜度；Dxj为地类j中单元x的生境退化度；A为半饱和系数，一般设置为0.5；z为转化系数，设置为2.5；R为威胁源数量；Yr为 威胁源的栅格单元总数；wr是权重（取值范围为0～1.00）；ry是栅格单元上威胁源的个数；βx是栅格x的可达性水平（值越接近1，可达性越高）；Sjr是生境类型j对威胁源的敏感性；irxy是威胁源的影响距离。

3 结果与分析

3.1 镇域土地利用变化

研究时段内（2000—2020年），镇域耕地面积超过总面积的70%，其次是林地和水体的面积占比，湿地面积占比最少（表2）。耕地连片分布，林地主要分布在仙人山、张公山、牛奶山等山系中，水体主要有仙人湖和梁子湖，湿地主要分布在水系边缘，草地主要分布在林地中的部分区域，人造地表主要分布在核心区西北部区域，为城镇建设集中区（图2）。

图2 镇域土地利用分布图Distribution map of township land use

表2 高铁建设前后典型代表年份的核心区土地利用变化Tab.2 Land use changes in the core area in typical years before and after high-speed railway construction

3.1.1 土地利用面积变化

2010年较2000年：耕地、草地、建设用地面积增加，动态度表现为耕地＞建设用地＞草地；林地面积减少最多，湿地面积减少的动态度最高。2020年较2010年：耕地、林地、草地和湿地面积减少，湿地的动态度更高；水体和建设用地面积增加。综合2000—2020年整体来看，林地和湿地持续减少，建设用地持续增加，表明高铁建设对沿线建设用地的迅速扩增与林地和湿地减少有较强的影响。

3.1.2 土地利用空间分布变化

2010年较2000年：西北部林地转化为建设用地和耕地，中部林地减少明显，转化为耕地；东北部和中部的湿地转化为耕地；高铁沿线区域水体面积减少明显，转化为耕地。2020较2010年：核心区西北部建设集中区和高铁沿线区域耕地面积减少明显，分别转化为建设用地和水体；核心区内西北部林地转化为建设用地。

总体来看，高铁建设期（2000—2010年）对沿线林地的破坏最明显，且多数林地都被转化为耕地；运营期（2010—2020年）林地的破坏程度减少，林地和水体面积增长。这表明高铁建设促进了其他用地向耕地转化；运营期间，植树造林工程和退耕还林政策的实施使得部分被占用的林地重新得以恢复，水体得到保护，且水域面积因渔业养殖的建设得到扩张，沿线经济实力明显增强。靠近梁子湖风景区一侧的部分耕地转化为湿地和水体，虽然存在部分林地被转化为建设用地的情况，但所占面积极小，水体和湿地面积增加较多，且之后沿线区域生境质量持续变好，表明风景区建设在一定程度上利于沿线生态环境向良好趋势发展（图2）。

3.2 镇域生境质量演变分析

经InVEST 3.2模型运算，将生境质量采用等距离间隔法分为5个等级，得到镇域建前、建中、建后的生境质量空间分布（图3）；对比生境质量空间分布与土地利用空间分布，得到各生境等级下的土地类型（表3）。在ArcGIS中运用空间分区统计得到研究区域生境质量指数均值。为了进一步从时空演变维度分析生境质量变化，经计算得到各时段内生境质量等级变化的占比与空间分布（图4、5）。

图3 镇域高铁建设前中后期生境质量空间分布Spatial distribution of habitat quality before, during and after township construction of the high-speed railway

图4 镇域和核心区各质量等级面积在不同时期占比Area proportion of each quality grade of township and core area in different periods

表3 不同生境质量等级对应的土地类型Tab.3 Land types corresponding to different habitat quality grades

3.2.1 时间演变下的生境质量

镇域2000年、2010年和2020年的生境质量指数分别为0.44、0.39和0.40，说明高铁建设期间对乌龙泉镇整体生境影响明显，在2010—2020年运营期生境质量逐渐得到恢复，但可能无法恢复至建设前生境质量。具体表现特征为：1）生境质量“较差”的区域在2000—2020年 占 比 均 较 小，但 从2000—2010年面积在逐步增加，2020年面积相对较多，表明近20年内建设用地扩张严重；2）生境质量“一般”的区域面积最大，且呈现“先升后降”的特征，与耕地的变化特征一致，这与研究区域为乡村郊野地段，主要土地利用类型为耕地有关；3）生境质量“较好”的区域占比较少，这是因为草地及部分草地混合林面积较少；4）生境质量“好”的区域占比也较少，主要为零散分布的大片林地和水域周围，受高铁建设影响较小；5）生境质量“极好”的区域面积相对较多，且呈现“先降后升”的趋势，这与林地和水体的变化特征一致，与质量“一般”的区域变化相反，这与耕地和林地、水体相互转化有关。

3.2.2 空间演变下的生境质量

与建设前的2000年相比，建设中的2010年镇域内生境质量变差的区域分布在乌龙泉街道西北部建设集中区，主要是熊家畈等村的原林地和水体分布区域，这表明高铁建设对林地和水体生境干扰严重，并导致建设用地扩张；生境质量变好的区域零散分布于北部边缘和梁子湖边缘，主要是因为靠近梁子湖区域的部分耕地转化为湿地，这表明梁子湖风景区的建设在一定程度上促进了生境质量提高；生境质量不变的区域主要是中部和南部成片分布的耕地。

与建设中的2010年相比，建设后的2020年镇域内生境质量变差的区域面积较多，主要是因为耕地面积增加；生境质量变好的区域分布在梁子湖边缘和中部山林水体密集区，这表明在高铁运营期间，建设期间被破坏山体植被得到了修复、水体得到了保护；生境质量不变的区域主要分布在西北部建设区域密集区。近20年沿线生境质量整体下降，这表明研究区内大部分区域的生境质量可能会持续向更低水平转化，具有生境退化的潜在风险。

3.3 核心区生境质量变化分析

根据上述镇域生境质量代表年份的时间变化分析结果，核心区内生境质量指数变化与镇域整体变化趋势一致，均为“先增后减”，且生境质量指数均值比镇域高，表明高铁沿线核心区生境质量较好，这主要是由于核心区内建设用地较少（图4）。核心区内除“较差”的生境质量等级区域外，其他生境质量等级面积占比几乎等同于镇域生境质量等级面积占比，且镇域生境质量等级变化的区域主要集中在核心区范围内，因此核心区生境质量等级变化区域与镇域保持一致。高铁建设前后对核心区生境质量的影响和镇域的影响表现一致。

建中与建前相比，高铁西侧中部生境质量最优的水体面积减少，高铁东侧北部生境质量最优的片段化水体区域面积减少，均转化为耕地（图3）。生境质量变差的区域主要集中分布在中部和东北部，水体及边缘湿地部分转化为耕地，建设用地集中扩张（图5）。运营期与建中相比，高铁西侧中部生境质量较差的耕地区域转化为质量最优的水体区域，且比建前水体面积大，表明该段时间内沿线生态环境保护得到了当地政府部门重视并显现出“还湖”效果；高铁沿线东侧零散分布的小面积水体区域得到恢复，但未达到建前生境质量。整体来看，高铁建设对沿线核心区生境质量的影响明显（图5），生境质量整体变差，部分水域湿地生境质量提高。

图5 镇域生境质量等级变化的空间分布Spatial distribution of changes in township habitat quality grades

4 讨论

4.1 高铁沿线土地利用类型转变对生境质量的影响

土地利用类型转变是环境变化的重要影响因素，也是生境质量降低的主要原因之一[31]。农业耕作、城镇化建设、交通路网建设等人类活动是生境质量演化的重要驱动力，土地利用变化是人类活动最直接的反映[32-34]。耕地作为特殊的半人工半自然生态系统，农业耕作方式相对不利于当地部分敏感型野生生物的生存，而高铁建设时期其他用地向耕地转化也使得生境质量降低。镇域耕地面积占比达70%，且耕地是主要转化类型，因此镇域和核心区整体生境质量指数较低。

中国高铁约80%以上部分③建设在乡村郊野地区，耕地类型占比较大，在铁路建设后应关注区域用地类型的变化。对于耕地和建设用地等生境质量较差的区域应避免快速扩张，及时调整用地结构更有利于促进当地生态质量整体提升。

4.2 高铁沿线各距离梯度下生境质量变化特征

线性交通的影响程度会根据垂直距离、周边环境和交通强度的不同而各异[35]。有学者对道路等线性交通空间影响范围采用了“道路影响域”的概念，这对高铁沿线影响有很好的参考借鉴意义。Forman等研究发现道路影响域通常在沿线两侧呈不对称分布[36]，且总体对沿线的环境影响存在递减效应，距道路越远对生态环境影响越小，生境质量指数越高[37]。本研究根据研究区域地貌特征，将京广高铁沿线3 km核心区内的生境影响范围划为17个距离梯度，分别计算它们的生境质量指数（表4，图6），发现高铁对两侧的生境质量影响不同，对不同生境类型影响程度也各异。核心区沿线2 km范围内，高铁西侧以耕地和林地类型为主，随高铁距离变远，生境质量指数不断下降；东侧因靠近梁子湖风景区，以水域和湿地为主，生境质量指数不断增高。核心区沿线3 km范围内，生境质量指数变化更趋于复杂化，西侧先减后增，东侧先增后减，这与高速公路两侧生境质量指数变化有明显区别[22]。这表明两种交通设施对沿线生境质量的影响程度及机制存在差异，因用地类型的不同，生境质量变化趋势也存在区别，但其具体的影响程度和机制有待今后进一步深入研究。

图6 京广高铁沿线距离梯度下生境质量指数变化Hange of habitat quality index under the distance gradient along the Beijing - Guangzhou High-Speed Railway

表4 京广高铁东西两侧距离梯度划分Tab.4 Distance gradient division on the east and west sides of Beijing - Guangzhou High-Speed Railway

4.3 高铁沿线两侧生境质量影响的空间范围与生境类型关系

根据已有研究，道路影响区通常为100～1 000 m[38]，基于不同实验目标或不同物种生境的道路影响距离有明显差异，最小距离常包括35[39]、400[38]、250～1 000[40]、1 000[41]、1 300 m[42]等。笔者在上述相关研究基础上，尝试参考龚明昊等[43]递增法，探讨京广高铁对沿线生境质量影响的最远或最近的水平空间阈值距离。以2020年的生境指数为基础，在距铁路200～2 500 m范围内，每200 m处设置统计检测点，而因距高铁近距离区域其影响因素复杂，将距高铁200 m以内距离细分为0～50、＞50～100、＞100～200 m 3个梯度，在50 、100、150 m处设置更精密的检测点，探讨200 m以内的主要影响空间。通过ArcGIS分别计算每段距离下的平均生境质量指数。根据不同距离梯度下生境质量指数的突变值（P值）来反映高铁影响的空间范围。突变值指的是生境质量指数均值的转折点，即最高或最低点，其所在距离为最大或最小阈值距离。

结果显示（表5），高铁西侧各阈值分别约为400 m、1 400 m和2 600 m，且分布较均匀。高铁东侧各阈值分别为1 600 m和2 200 m，但分布不均匀，距离高铁越远其生境变化的峰值越多。这可能由于高铁西侧生境类型分布结构较为简单，东侧越靠近梁子湖流域生境结构越复杂。因此，核心区的生境质量受高铁建设和运营影响距离的最小阈值约400 m，最大阈值约2 600 m，这与道路生态学研究部分结论相同[40]，高铁生态干扰和生境影响的研究有待更多关注。

表5 京广高铁沿线两侧生境质量的距离阈值Tab.5 Distance thresholds of habitat quality along the Beijing - Guangzhou High-Speed Railway

5 结论

1）京广高铁武汉段镇域建设前后两侧土地利用类型变化多由耕地转化影响。京广高铁武汉段镇域建设时期大量林地、湿地和水体转化为耕地，而高铁建设后进入运营期，林地和水体面积明显增多，且多由耕地转化而来。这反映了样本段高铁建设对沿线用地类型的改变方向，以及建后不断改善沿线绿化和退耕还林等积极生态环境修复的结果。

2）京广高铁武汉段镇域和核心区建设前后生境质量总体表现为先降后升。镇域和核心区的生境质量在建设期间显著降低，建后有提升，但均低于建前2000年的生境质量均值，表明高铁进入运营期后虽然生境质量有提升，但高铁建设对沿线生境质量的破坏可能不可逆，同时需要当地政府后期投入更多典型的生境修复措施才有可能促使生境质量缓慢提升。各生境质量等级占比变化也有较大区别，但与土地利用变化度基本一致，土地利用类型的变化可以反映生境质量的变化。

3）京广高铁建设对镇域沿线两侧生境质量的影响特征近乎相反。核心区高铁西侧生境质量变化趋势较为简单，总体表现为随高铁距离增加，其生境质量“先降后升”的特征；东侧生境质量指数更为复杂，总体变化趋势与西侧相反（先增后减）。西侧的生境阈值分别约在400m、1 400 m和2 600 m，东侧的生境阈值分别约在1 600 m和2 200 m。两侧生境阈值存在差异，这主要是因为高铁西侧土地类型简单且空间分布相对均匀，而高铁东侧靠近水域，在边界位置影响因素复杂。同时由于梁子湖是武汉目前最大的城中湖，其沿线环境的保护和建设利用也同步开展，能初步起到控制生境质量呈线性快速降低的作用。

本研究通过对京广高铁武汉乌龙泉镇域的土地利用类型变化分析，探讨了高铁建设对该段沿线生境质量变化的基本内因，拓展了对中国城乡规划建设中基础设施对环境影响的新关注点。利用InVEST 3.2模型分析，结合用地类型不同年份变化的历史数据GIS分析，提出高铁建设对沿线两侧生境有不同的影响范围，为高铁沿线区域的生态保护区域范围的界定提供了空间参考和方法借鉴。同时也为沿线受影响区域的生态修复、生物多样性保护、乡镇建设发展方向及用地类型转化等策略的制定提供了建成后一定时间长度的影响规律与修复建议参考。

本研究选择某代表地段的典型年份进行分析，还存在选址代表性不足，以及分析结果的精度有待长期多样本实地调查、记录和监测后不断修正等问题。期待学界更多关注中国重大基础设施建设对沿线土地利用类型变化和对生境质量影响的研究，以及加强对沿线土地干扰和修复系列科学问题的关注，更好地提升中国生态基建品质和推动生态文明的在地研究成效。

① 林地指乔木覆盖且树冠盖度超过30%的土地，包括落叶阔叶林、常绿阔叶林、落叶针叶林、常绿针叶林、混交林，以及树冠盖度为10%～30%的疏林地。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1～3、5底图均来源于国家基础地理信息中心1:100万全国基础地理数据库；表1由作者根据参考文献[28]绘制；其余图表均由作者绘制。