黃土丘陵溝壑區道路建設和居民地擴張對生境破碎的影響

黃杉杉, 馬超

黃土丘陵溝壑區道路建設和居民地擴張對生境破碎的影響

黃杉杉1, 馬超2,3,*

1. 鄭州工商學院,國土資源與環境教研室, 鄭州 451400 2. 河南理工大學, 自然資源部礦山時空信息與生態修復重點實驗室, 焦作 454003 3. 河南理工大學, 黃河流域耕地保護與城鄉高質量發展研究中心, 焦作 454003

探究黃土丘陵溝壑區自然與人為因素導致的陸表景觀破碎與植被損失, 可為貧困山區經濟發展與環境保護提供科學依據?；?018年Google Earth和Landsat OLI光學遙感影像, 采用緩沖區分析、疊加分析、景觀指數分析等地理空間分析方法, 定量描述了道路和居民地建設導致的紫金山地區景觀破碎化和植被指數損失。結果表明: (1)研究區溝谷底部坡度低于8°, 與兩側坡度相差較大, 景觀被溝谷切割, 直接侵蝕面積占區域總面積的6.19%; (2)2018年紫金山地區道路密度達0.70 km·km-2, 交通便利的同時, 刺激了周邊居民地的擴張, 導致4.01%的區域被道路和居民地直接壓占; (3)區內64.87%的面積間接受到人類活動的影響, 道路和居民地將景觀切割為249個斑塊, 景觀破碎化程度極高, 僅有10.44%的斑塊適合作為中小型野生動物棲息地; (4)2018年紫金山地區18.09%植被NDVI受溝谷侵蝕和人類活動的共同影響, 植被覆蓋空間差異性顯著。紫金山地區地表景觀主要受人類活動的嚴重干擾, 導致野生動物棲息地和植被NDVI受到一定影響。

紫金山地區; 道路網絡; 道路緩沖區; 居民地緩沖區; 景觀破碎化; 植被損失

0 前言

道路是景觀生態學中干擾廊道的代表類型, 道路網絡貫穿于各類景觀中, 隨著全球城市化進程的快速推進, 道路生態學正快速成長為景觀生態學研究的一個重要分支[1]。道路增加了物質流、能量流、信息流和價值流快速流動的同時, 也增強了人類對景觀干擾的廣度和深度[2]。人工道路與自然景觀往往以不太和諧的方式交錯在一起, 干擾并改變著自然過程和原始景觀生態格局[3-4]。道路對景觀生態的影響主要表現在: (1)道路建設直接壓占土地, 導致植被生產力缺失和下降[5]; (2)道路網絡對原始景觀格局會產生很大的影響, 加劇了景觀結構的破碎化程度[6]; (3)各種類型的道路建設會直接或間接影響野生動物的生存空間和環境, 導致棲息地面積減少或喪失, 道路交通甚至會造成動物死亡[7-8]。采用遙感技術可以動態恢復景觀變化歷史, 對于長時序景觀生態學的格局、過程和變化研究具有優勢[9-10]。穆彬等主要依靠遙感監測技術提出了道路生態影響評價體系和方法, 為一般道路生態研究提供借鑒和參考[11]。部分學者通過緩沖區分析法探究道路對景觀生態的影響[12-13]; 葉麗敏等通過研究道路建設對不同緩沖區景觀的影響規律, 得出500 m道路緩沖區對景觀格局的影響較大, 在200 m緩沖區范圍內不同道路類型差異較大[14]; 畢愷藝等分別在景觀類型和層次上統計道路貢獻和緩沖區對景觀格局的影響, 結果表明道路加劇了景觀的破碎化程度, 緩沖區的大小制約景觀格局的變化速率[15]; 黃夢娜等參考國際標準對道路建立緩沖區, 計算得出全國10%的陸地面積和58%的保護區受到道路的影響[16]。

然而, 當前研究仍存在一些問題: (1)國內大多數學者集中在土地利用景觀格局變化的定量描述上, 缺少道路網絡對動植物生存空間的數量、質量的干擾研究; (2)部分研究對于道路導致的陸表景觀破碎化分析尚不完善, 需要綜合考慮人類活動和地區自然地理因素對景觀生態的影響; (3)多數研究范圍集中于行政區的道路網絡, 缺少對黃土丘陵溝壑區自然切割疊加人工道路切割對景觀影響的研究。本文以黃土高原腹地典型貧困縣山西臨縣為例, 選取紫金山地區島嶼型地理單元, 基于道路等級、道路所處的環境特征等因素構建道路干擾緩沖區, 定量評價了紫金山流域道路干擾造成的景觀破碎化, 以及間接造成的野生動物棲息地和植被損失。期望通過研究貧困山區道路網絡建設對紫金山地區造成的影響, 認識當地經濟發展對黃土丘陵溝壑區景觀生態造成的影響, 洞悉經濟發展對生態環境的破壞程度, 為貧困山區生態環境保護提供一定的信息支持。

1 材料與方法

1.1 研究區

研究區位于山西省臨縣北部, 與興縣南部接壤, 是由黃河—湫水河—呂梁山脈圍限而形成的天然內陸島嶼型封閉生境, 面積為2431 km2, 周長234.2 km。研究區地處黃土高原腹地, 地理上處于溫帶半干旱氣候與溫帶半濕潤氣候的過渡帶, 地貌類型屬于典型的黃土丘陵溝壑, 地貌侵蝕嚴重, 地形破碎, 溝壑縱橫。區內最高點為紫金山及大肚山主峰, 其海拔高度分別為1820 m和1822 m。最低點為西南角的黃河河床部位, 海拔大約700 m, 地勢東高西低, 高差超過1100 m(圖1)。

經過多年發展, 該區形成了由鐵路、高速公路、干線公路、縣級路、鄉村道路組成的道路網絡, 其中, 南北向臨—興縣級公路從紫金山東側穿過, 與太(原)—佳(縣)高速公路相接, 交通便利。然而, 作為生態干擾作用強烈的人類活動之一, 高等級通道建設必然給流域生態系統和環境帶來諸多影響。研究道路干擾的強度、程度及其對流域景觀格局的影響對于區域生態環境保護意義重大。

圖1 研究區地理位置圖

Figure 1 Geographical location map of the study area

1.2 研究數據

研究數據包括: 來源于美國地質調查局(USGS)的Landsat-8 OLI的衛星遙感影像 (http://www.usgs. gov), 成像時間為2018年9月4日, 空間分辨率為30 m, 通過彩色合成、輻射定標、大氣校正、波段運算, 裁剪等一系列數據預處理, 用于分析道路及人類活動影響區對紫金山地區造成的生態損失; 基于Google Earth的高分辨率衛星影像, 成像時間2018/11/1的0.41 m, 空間分辨率為0.41 m, 用于對2018年紫金山地區道路和居民地進行遙感解譯。

數字高程模型數據: 90 m水平分辨率的航天飛機雷達地形測繪使命數字高程模型(SRTM3 DEM, v4.0: ftp://e0mss21u.ecs.nasa.gov/srtm/), 借助GIS流域分析模型, 獲得紫金山流域匯水線和集水范圍, 便于準確界定研究區范圍; 1:400萬行政區劃矢量圖、行政矢量邊界來源于中國基礎地理信息中心(http://ngcc.sbsm.gov.cn/ngcc/), 用于繪制研究區地理位置圖。

1.3 研究方法

(1)野生動物敏感距離

道路對景觀的空間影響遠大于道路本身壓占面積, 參照道路生態學中野生動物對不同等級道路的敏感范圍和相關文獻, 研究通過建立緩沖區, 定量表達不同等級道路對野生動物的影響范圍。最終根據道路等級、鋪設類型和道路特點, 建立緩沖區(表1)。

(2)景觀指數選取

為了反映景觀中被道路和居民地分割無路斑塊的結構特征和人類的干擾程度, 研究在斑塊級別(Patch-level)和景觀級別(Landscape-level)上, 選取7個景觀指數來體現道路網絡和居民地緩沖區導致的紫金山地區景觀破碎化情況(表2), 其中所涉及到的景觀指數均由Fragstats 4.2?計算得到。

2 結果與分析

2.1 溝谷分割導致的景觀破碎

研究利用數字高程模型數據(DEM)提取匯水線和坡度(slope), 根據研究區坡度范圍0°—57.92°, 將坡度分為5個等級: 0°—8°、8°—14°、14°—20°、20°—26°和26°—58°。研究區平均坡度為14.93°, 地面坡度多在20°以下, 地面侵蝕方式以細溝侵蝕為主, 參考相關文獻[24], 設置溝谷緩沖區為0.1 km, 獲得由溝谷切割導致的自然景觀破碎。

研究區溝谷總長度為756.2 km, 密度為0.31 km·km-2,其中, 溝谷坡度低于8°, 紫金山周圍及研究區北部地區溝谷兩側坡度大于20°, 兩側坡度起伏大, 導致整個景觀被溝谷分割。據統計, 溝谷侵蝕影響面積為150.4 km2, 占區域總面積的6.19%。

表1 野生動物敏感距離設定值及依據

表2 景觀指數的選取

2.2 道路和居民地壓占景觀

利用成像于2018/11/1的0.41 m高分辨率遙感影像(Google Earth), 輔以2018/9/04成像的Landsat 8衛星遙感影像, 對紫金山地區道路進行遙感解譯并對將道路區分為鐵路、高速公路、干線公路、縣級公路和鄉村公路5級。這些道路縱橫交錯, 導致紫金山地區地表景觀破碎化嚴重(圖2(a))。道路建設又帶來周邊居民地的擴張, 研究根據2018年紫金山地區的居民地的遙感解譯, 分析道路和居民地等基礎設施用地壓占景觀面積(圖2(b))。

通過影像調查和地學統計, 研究區內現有鐵路1條(影像量測路基寬度8 m), 境內長度70.2 km; 高速公路4條(影像量測路面寬度24 m), 境內總長105.5 km; 干線公路11段(影像量測路面寬度12 m), 境內長度341.8 km; 縣級公路36段(影像量測路面寬度7—8 m), 境內長度650 km; 鄉村道路49段(影像量測路面寬度3—4 m), 境內長度483.9 km。研究區內共有101條道路, 總長度達1651.4 km。

圖2 道路和居民地壓占景觀

Figure 2 The landscape occupation by roads and residential areas

道路網密度是評價區域交通和發展水平的重要指標。在一定區域內, 一般用道路網的總里程與該區域總面積的比值來定義道路密度。紫金山地區道路密度高達0.70 km·km-2, 處于我國開源地圖(OpenStreetMap, OSM)道路密度第二等級[25]。研究通過測量各級道路寬度以及路肩半徑, 計算道路(路基, 路肩及附屬設施)和居民地壓占景觀面積(表3)。

通過統計計算道路(包括路基, 路肩及附屬設施)和居民地面積, 得到道路壓占景觀總面積為20.83 km2, 居民地壓占面積為76.67 km2, 道路和居民地等基礎設施建設用地共壓占面積占區域總面積的4.01%。

2.3 道路疊加居民地緩沖區導致的野生動物棲息地損失

在分布有縱橫交錯的道路網絡景觀中, 棲息地是影響野生動物種群生存的一個關鍵因素, 道路建設和其他線性基礎設施建設造成棲息地面積減少、品質降低, 甚至生境喪失, 從而影響野生動物的生存[26-27]。根據野生動物對不同道路的敏感范圍, 研究將鐵路和高速公路、干線公路、縣級公路、鄉村公路的緩沖區分別設置為1.5 km、1.0 km、0.5 km、0.25 km作為影響野生動物棲息地范圍(圖3a)。根據道路類型設置的緩沖區, 使景觀面積減小, 邊緣增加(圖3b)。根據野生動物對居民地的敏感范圍, 本文將居民地緩沖區設置為0.5 km(圖3c)。將道路和居民地緩沖區合并, 合并為人類活動影響區, 可以看到由于道路和居民地等基礎設施建設的切割, 整個景觀變的支離破碎(圖3d)。

結果表明: 道路將地表景觀分割, 緩沖區總面積為1243 km2, 占整個研究區總面積的51.13%, 景觀面積被侵占過半。在居民地緩沖區作用下, 景觀變化產生穿孔現象, 并將道路進一步疊加, 合并成人類活動影響區, 面積達1577 km2, 占研究區總面積的64.87%。景觀在人類活動和自然因素作用下, 產生穿孔(perforation)、分割(dissection)、破碎化(fragmentation)三種空間類型, 斑塊產生縮小(shrinkage)甚至消失(attrition)的變化過程, 野生動物棲息地遭到嚴重破壞, 這直接影響到野生動物種群的生存和繁衍。

利用景觀生態學軟件Fragstats 4.2?, 對道路緩沖區以及人類活動影響區切割后的景觀指標指標進行統計, 并計算斑塊面積、周長和分形維數的平均值, 分析紫金山地區景觀受人類活動的影響(表4)。

表4統計得出景觀被道路網絡緩沖區分割成150塊大小不一的斑塊, 無路斑塊的最大面積為98.88 km2, 平均斑塊面積為8.74 km2, 平均斑塊周長為16.55 km, 斑塊密度為0.06, 最大斑塊指數()為4.06%。疊加居民地緩沖區, 地表景觀被切割為249個斑塊, 得到的無路斑塊最大面積為91.65 km2, 平均面積減少一半以上, 為3.96 km2, 平均斑塊周長減少為10.89 km。平均分形維數無較大變化, 說明居民地擴張對景觀的干擾程度較低。斑塊密度增加為0.1, 最大斑塊指數()下降到3.77%。景觀斑塊破碎化指數由0.47增加到0.84, 居民地的擴張加劇了景觀的破碎化程度。

為進一步分析道路建設和居民用地擴張導致景觀破碎對野生動物棲息地的影響, 研究將斑塊面積分為0≤AREA≤0.1、0.1

圖4統計得出小于0.1 km2的斑塊個數為28個, 占斑塊總數的18.67%; 斑塊面積在0.1—10 km2的斑塊個數為81個, 占斑塊總數的54%; 大于10 km2的斑塊有41個, 占斑塊總數的27.33%。相較道路影響, 居民地擴張使小于0.1 km2的斑塊個數增加到84, 占斑塊總數的33.74%; 斑塊面積在0.1—10 km2的斑塊個數為139個, 占斑塊總數的55.82%; 大于10 km2的斑塊僅有26個, 占斑塊總數的10.44%。隨著居民地的擴張, 適合作為野生動物棲息地的斑塊個數和百分比逐漸減少, 不適合野生動物生存的斑塊個數劇烈增加。人類活動是景觀破碎化的主導因素, 間接導致了野生動物生存空間的減小甚至喪失。

表3 各級道路和居民地壓占景觀面積統計表

圖3 道路和居民地對景觀的切割

Figure 3 Cutting of the landscape by roads and residential areas

表4 景觀指數統計表

2.4 道路疊加居民地緩沖區對植被指數的影響

植被對維持生態系統平衡起著具有重要作用, 植被生長狀況是研究區域生態環境變化的重要指標。研究以植被指數NDVI作為評價該地區的景觀生態指標。根據2018/9/04成像的Landsat 8遙感衛星影像(30 m分辨率), 通過多波段影像合成、輻射定標、大氣校正和波段運算, 獲得紫金山地區的NDVI密度分割圖像(圖5a)。參考已有研究結果, 研究設置道路影響區為距離各級道路路肩30 m處[28], 居民地影響區為100 m[29], 兩者合并作為人類活動對自然植被的影響區, 獲得道路和居民地導致的植被NDVI損失圖(圖5b)。

圖4 斑塊面積分布直方圖

Figure 4 Histogram of patch area distribution

圖5 2018年紫金山地區植被分布及損失狀況

Figure 5 Vegetation distribution and loss in Zijin Mountain area in 2018

2018年紫金山地區NDVI均值為0.60, 植被總體長勢良好。從圖5(a)可以看出, 低值多分布于黃河沿岸低海拔地區, 溝谷侵蝕嚴重, 不利于植被生長, 溝谷處NDVI低于0.4, 在溝谷及兩側區域NDVI值均低于平均值。高值多分布于紫金山一帶等高海拔地區, 植被覆蓋具有明顯的空間差異性。

圖5(b)可以看出, 人類活動聚集區主要分布于黃河流域沿岸、湫水河沿岸以及研究區最南部, 植被NDVI低于區域均值; 紫金山一帶道路密度小, 人類活動影響小, 植被NDVI高于區域均值。據統計, 研究區81.91%的區域未受到壓占; 6.19%受到溝谷侵蝕緩沖區的壓占, 面積為150.4 km2, 壓占NDVI占研究區NDVI總和的4.27%; 人類活動影響區面積為289.4 km2, 占區域總面積的10.15%, 壓占NDVI占研究區NDVI總和的10.04%, 是溝谷侵蝕作用的2倍。81.91%區域為未影響區域, 其NDVI均值為0.62?？梢? 人類活動占主導作用, 是造成該地區植被損失的主要因素。

3 討論

3.1 生境破碎對動物棲息地的影響

道路對景觀的直接作用表現為: 斑塊數量增加而面積減小、形狀趨于不規則、內陸生境面積縮小、廊斑塊之間彼此隔離。研究通過對2018年紫金山地區進行匯水線提取, 設置各級道路和居民建設用地緩沖區, 計算和統計分析在溝谷侵蝕景觀的作用下, 道路和居民地緩沖區導致景觀被分割的斑塊指標。剔除由道路和居民地緩沖區內部形態分割得到面積小于0.1 km2的極小斑塊, 被認為不適宜野生動物生存的區域, 這類斑塊主要分布在研究區南部地區。參考相關文獻[30], 斑塊面積在0.1—10 km2被認為適宜昆蟲類、小型爬行動物等生存; 10 km2以上的被認為能為中小型野生動物提供一定生存空間, 這類斑塊分布于研究區遠離縣城的北部山區。在全球道路制圖研究中, 斑塊面積在100 km2以上具有能夠為大型野生動物提供較高生態服務和價值的棲息地[31], 以此為標準, 很顯然, 紫金山地區沒有能作為這種穩定生態服務功能的棲息地?？梢? 道路等居民基礎設施用地建設造成景觀斑塊破碎, 野生動物生存空間不斷被分割, 棲息地不斷縮小, 甚至消失。

3.2 道路建設和居民地擴張對植被的直接影響

紫金山地區黃土丘陵溝壑區腹地, 由黃河流域—湫水河—呂梁山脈圍限, 形成封閉孤立生境, 內受溝谷侵蝕, 外受人類活動的干擾, 生態環境脆弱。道路建設為人們帶來便利的同時必然會引起居民地的擴張, 導致周邊自然景觀遭到分割、壓占和污染等負面問題。類似的情況已經引起學者重視, 如況亮[28]等主要通過樣方設置、指標計算等來分析公路建設對路域植被的影響, 結果表明不同植物物種豐富度受公路影響程度不同, 距離公路越遠, 受干擾程度越小, 群落組成趨于穩定; 高鵬[32]等主要通過野外調查、取樣與室內分析方法研究道路對路域植物與土壤的影響, 結果表明利用程度不同的道路對域內環境因子呈現邊緣正效應, 利用程度高的道路對草本植物多樣性的影響距離為12—14 m。本研究選用歸一化植被指數(NDVI)作為評價植被生長狀況指標, 根據植被對溝谷、道路和居民地的敏感范圍, 設置不同緩沖區, 分析植被分別受自然和人為因素損失總量。結果表明, 2018年, 在紫金山地區, 由于道路建設和居民地擴張等人類活動造成的植被壓占是溝谷侵蝕作用的2倍。人類活動是造成導致該區域生境破碎和植被損傷的主導因素, 因此, 貧困山區在追求經濟發展、城鎮擴張的同時, 應綜合考慮該地區的自然資源和生態系統的穩定性, 堅持人與自然和諧共處的原則, 過度追求經濟的發展必然會引起生態系統失衡, 特別是對于易受到道路干擾的脆弱貧困山區。

4 結論

本文對道路和居民地作緩沖區分析, 計算無路斑塊的景觀指標, 通過統計結果來分析道路網絡和居民地建設導致的景觀破碎化, 并進一步計算道路和居民地壓占NDVI總量來分析植被損失, 主要結論如下:

(1)紫金山地區為黃土丘陵溝壑典型地貌, 平均坡度為14.93°, 其中, 溝谷坡度低于8°, 研究區北部地區溝谷兩側坡坡度起伏大, 研究區景觀被溝谷切割, 6.19%的面積受到溝谷侵蝕作用的直接影響。

(2)2018年紫金山地區道路總長度為1651.4 km, 密度高達0.70 km·km-2, 道路網絡建設帶動周邊居民地的擴張, 造成該地區的地表景觀破碎嚴重, 4.01%的區域受到直接壓占;

(3)道路網絡和居民地緩沖區間接影響陸地表面64.87%的面積, 將陸表切割成249個斑塊, 景觀斑塊破碎化指數為0.84, 人類活動導致景觀破碎化程度極高, 間接導致可作為野生動物棲息地的斑塊數量和面積縮小。

(4)2018年紫金山地區植被NDVI受溝谷侵蝕和人為因素的共同影響, 呈現出明顯的空間差異性, 其中, 10.04%的NDVI遭到人類活動的影響, 是造成該地區植被損失的主要因素。

本研究基于道路(路基、路肩及附屬設施)和居民地壓占NDVI造成植被損失, 因指標選取單一, 缺少野外調查, 研究程度尚淺; 只初步探討了人類活動是造成該地區植被損傷, 長期而言, 降水、氣溫等水熱條件也是導致該地區植被NDVI變化不可或缺的因素, 有待深入研究。

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Effects of road construction and residential expansion on habitat fragmentation in hilly and gully region of the Loess Plateau

HUANG Shanshan1, MA Chao2,3,*

1. Department of Land Resources and Environment, Zhengzhou Technology and Business University, Zhengzhou 451400, China 2. Key Laboratory of Spatiotemporal Information and Ecological Restoration of Mines (MNR), Henan Polytechnic University,Jiaozu 454003, China 3. Research Centre of Arable Land Protection and Urban-rural High-quality Development in Yellow River Basin, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China

Exploring the land surface landscape fragmentation and vegetation loss caused by natural and human factors in the hilly and gully region of the Loess Plateau can provide scientific basis for economic development and environmental protection in poor mountainous areas. Based on 2018 Google Earth and Landsat OLI optical remote sensing imagery, using buffer analysis, overlay analysis, landscape index analysis and other geospatial analysis methods, the landscape fragmentation and vegetation index loss in the Zijin Mountain area caused by road and residential construction were quantitatively described. The results are as follows. (1) The bottom slope of the valley in the study area was less than 8° and quite different from the both sides slope of the valley. The landscape was cut by the valley, and the direct erosion area accounted for 6.19% of the total area. (2) In 2018, the road density in the Zijin Mountain area was 0.70 km·km-2. While the transportation was convenient, it stimulated the expansion of surrounding residential areas, resulted in 4.01% of the area being directlyoccupied by roads and residential areas. (3) 64.87% of the area in the study area was indirectly affected by human activities. Roads and residential areas cut the landscape into 249 patches, and the degree of landscape fragmentation was extremely high. Only 10.44% of the patches were suitable as habitats for small and medium-sized wildlife. (4) In 2018, 18.09% of the NDVI in the Zijin Mountain area was jointly affected by valley erosion and human activities, and the spatial difference of vegetation coverage was significant. The surface landscape in the Zijin Mountain area was mainly severely disturbed by human activities, resulted in certain impacts on the wildlife habitat and NDVI.

Zijin Mountain area; road network; road Buffer; residential buffer; landscape fragmentation; vegetation loss

黃杉杉, 馬超. 黃土丘陵溝壑區道路建設和居民地擴張對生境破碎的影響[J]. 生態科學, 2023, 42(1): 21–29.

HUANG Shanshan, MA Chao. Effects of road construction and residential expansion on habitat fragmentation in hilly and gully region of the Loess Plateau[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 21–29.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.003

P237

A

1008-8873(2023)01-021-09

2020-11-17;

2020-12-01

河南省高?？萍紕撔聢F隊支持計劃(22IRTSTHN008); 國家自然科學基金-河南區域創新發展重點資助項目(U21A20108) ;國家自然科學基金-山西煤基低碳聯合基金重點支持項目(U1810203)

黃杉杉(1996—), 女, 河南濟源人, 碩士研究生, 從事生態環境遙感監測與評價研究, E-mail: m18839050156@163.com

馬超(1967—), 男, 內蒙古克什克騰旗人, 教授, 博士生導師, 從事生態環境遙感和地質災害遙感的教學與科研, E-mail: mac@hpu.edu.cn