京廣高鐵沿線武漢烏龍泉鎮生境質量演變特征研究

殷利華 杜慧敏 姚忠勇

生境是生物多樣性的承載體，是生物賴以生存和繁殖的空間，對種群的存活與發展具有重要意義[1]，也是生物多樣性保護的核心研究內容之一[2]，故生境質量從根本上決定了區域生物多樣性水平[3]。關于生境質量的研究，涉及省域[4]、流域[5]、自然保護區[6]、城市、具體物種的棲息地區域[7]等不同尺度；研究內容包括人類活動、城市擴張對生境的影響[8-9]，土地利用變化和景觀格局、生境質量的關系[10-11]，生境質量安全格局與生境優化[12-13]等，但對于道路、鐵路等線性基礎設施建設前后沿線生境質量變化的研究相對較少，尤其是高速鐵路交通基礎設施對沿線生境質量的影響程度尚不清楚。地表長距離的基礎設施建設改變了土地利用方式，直接影響區域生境質量[14]。道路和鐵路作為重要交通基礎設施，在其建設與運營中會不可避免地對沿線區域生態環境造成擾動，尤其是當選線通過物種棲息地附近甚至內部時，將直接影響野生動物數量、生活、行為反應[15-16]和生境質量等，如交通工具致死直接導致野生動物數量減少，高路堤阻隔野生動物遷移，噪聲、振動導致動物驚嚇、回避等；對野生動物生境的影響通常表現為生境空間占用、生境面積縮減和破碎化、長期的運營干擾降低生境質量等。

目前，國外已開展多項探討道路對兩側野生動物行為及數量影響的野外實驗[17-19]。國內研究起步較晚，目前多為對國外道路生態學發展的綜述，也有少數針對生態極敏感的青藏公路及鐵路沿線重要物種的保護研究，內容涉及沿線野生有蹄類物種的動物通道使用、影響范圍和距離[20-21]?？傮w來看，關于道路對沿線生境及野生動物影響的研究較多，但對于鐵路基礎設施建設對區域生境影響程度的相關研究和評估較缺乏，工程建設對生境質量的影響機制和影響程度尚待厘清，且由于場地環境、物種不同，面對的問題也呈現多樣性，加強在地性研究積累有助于加強各地生境修復的具體指導。

關于生境質量影響的研究方法主要有加權評價法、層次分析法等，多為定性研究，而模型評估法更趨向于定量化、空間化和精細化，其中，生態系統服務和權衡綜合評估（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs, InVEST）模型因具有數據量少、輸入簡單、評估結果精確、支持不同情景和尺度的評估及分析等優點，在國內外生境質量評估研究中被廣泛應用[22]。

本研究選取京廣高鐵沿線的武漢江夏烏龍泉鎮作為研究區，運用InVEST模型評估京廣高鐵武廣段建設前中后3個典型年份沿線不同距離梯度的生境質量指數，其中2000年（建前）為高鐵建設前的典型代表年份、2010年（建中）為建設期的典型代表年份、2020年（建后）為高鐵穩定運營期典型代表年份，主要探討以下問題：1）研究區域在高鐵建設前后土地利用類型的變化特征；2）研究區域在高鐵建設前后生境質量變化特征；3）高鐵建設對沿線區域生境質量的影響，探究高鐵等重大基礎設施沿線生境質量時空變化特征，明確交通基礎設施工程建設對區域和沿線生境質量的影響程度及范圍，為中國高鐵建設后沿線生態環境修復提供參考。

1 研究區域概況

京廣高鐵是中國高鐵網中重要的一條，2005年開始建設，武廣段、鄭武段分別于2009年12月、2012年9月通車運營。研究區域為武漢市南部的江夏區烏龍泉鎮（簡稱鎮域，圖1），鎮域面積約173.5 hm2，位于濱湖丘陵地帶，生境條件較好，屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫15.8～17.5℃，年降水量1 150～1 450 mm。京廣高鐵武廣段穿越該區域中部，經過山地、林地、田野、自然河湖水體等地形地貌，野生動物種類較多，研究團隊的預實驗發現鎮域內野生動物有狗獾、麂子、狐貍、松鼠、野兔、野豬、鴿子、斑鳩等。

圖1 研究區域概況Overview of the research area

2 數據與方法

2.1 確定核心區范圍

參考已有研究[23-24]，公路對沿線生態環境和野生動物的最大影響距離約為3 km，且公路對沿線野生動物和生態環境的影響可能比高鐵更大[25-26]；交通基礎設施是影響自然本底較好的鄉野地段土地利用變化的核心因素，同時該范圍內無較大面積的居民點集中區，其他道路較少，是較理想的研究范圍。故本研究選取鎮域生境良好代表段的高鐵沿線兩側3 km范圍作為生境影響觀察范圍（簡稱核心區），探討高鐵沿線近距離生境質量變化特征。京廣鐵路貫穿鎮域南北，全長約14 km，核心區總面積約92 km2。

2.2 數據來源與預處理

2）數據預處理：運用ArcGIS將耕地和人造地表數據通過重分類分別提取，作為生境威脅源[28]。

2.3 單一土地利用類型動態度

描述區域某一時期某種土地利用類型的變化劇烈程度可以反映某種土地資源擴張或萎縮程度[27]，計算式為

式中：K為研究時段內某土地利用類型動態度，K值越大該時段人類活動越強烈；Ua、Ub分別指某種土地利用類型在研究時段初期和末期的面積；T為研究時長/年。

2.4 生境質量評估

通過InVEST 3.2模型的Habitat Quality模塊，對核心區2000年、2010年和2020年生境質量開展評估，其原理是將土地利用類型與生物多樣性脅迫因子建立聯系，計算相應柵格內的生境質量。

1）生境威脅源選擇參考已有研究成果[25]及InVEST模型使用手冊，確定本研究的威脅源為人造地表和耕地，最遠威脅距離分別為3 km、1 km，權重分別為0.80、0.60，得到每種土地利用類型對不同脅迫因子的敏感程度（表1）。

表1 土地利用類型對生境威脅因子敏感程度[28]Tab.1 Sensitivity of land use type to habitat threat factors[28]

2）通過InVEST 3.2模型計算生境質量指數，并在ArcGIS中運用空間分區統計得到各區域生境質量的均值（式2、3）[29-30]。生境質量指數取值范圍為0～1，指數越接近1則表示區域生境質量越優，更適宜生物生存，生物多樣性水平也越高；相反，指數越接近0，則生態系統可供生物生存繁衍的能力越低，越不利于維持區域生物多樣性。計算式為

式中：Qxj為地類j中單元x的生境質量指數；Hj為 地類j的生境適宜度；Dxj為地類j中單元x的生境退化度；A為半飽和系數，一般設置為0.5；z為轉化系數，設置為2.5；R為威脅源數量；Yr為 威脅源的柵格單元總數；wr是權重（取值范圍為0～1.00）；ry是柵格單元上威脅源的個數；βx是柵格x的可達性水平（值越接近1，可達性越高）；Sjr是生境類型j對威脅源的敏感性；irxy是威脅源的影響距離。

3 結果與分析

3.1 鎮域土地利用變化

研究時段內（2000—2020年），鎮域耕地面積超過總面積的70%，其次是林地和水體的面積占比，濕地面積占比最少（表2）。耕地連片分布，林地主要分布在仙人山、張公山、牛奶山等山系中，水體主要有仙人湖和梁子湖，濕地主要分布在水系邊緣，草地主要分布在林地中的部分區域，人造地表主要分布在核心區西北部區域，為城鎮建設集中區（圖2）。

圖2 鎮域土地利用分布圖Distribution map of township land use

表2 高鐵建設前后典型代表年份的核心區土地利用變化Tab.2 Land use changes in the core area in typical years before and after high-speed railway construction

3.1.1 土地利用面積變化

2010年較2000年：耕地、草地、建設用地面積增加，動態度表現為耕地＞建設用地＞草地；林地面積減少最多，濕地面積減少的動態度最高。2020年較2010年：耕地、林地、草地和濕地面積減少，濕地的動態度更高；水體和建設用地面積增加。綜合2000—2020年整體來看，林地和濕地持續減少，建設用地持續增加，表明高鐵建設對沿線建設用地的迅速擴增與林地和濕地減少有較強的影響。

3.1.2 土地利用空間分布變化

2010年較2000年：西北部林地轉化為建設用地和耕地，中部林地減少明顯，轉化為耕地；東北部和中部的濕地轉化為耕地；高鐵沿線區域水體面積減少明顯，轉化為耕地。2020較2010年：核心區西北部建設集中區和高鐵沿線區域耕地面積減少明顯，分別轉化為建設用地和水體；核心區內西北部林地轉化為建設用地。

總體來看，高鐵建設期（2000—2010年）對沿線林地的破壞最明顯，且多數林地都被轉化為耕地；運營期（2010—2020年）林地的破壞程度減少，林地和水體面積增長。這表明高鐵建設促進了其他用地向耕地轉化；運營期間，植樹造林工程和退耕還林政策的實施使得部分被占用的林地重新得以恢復，水體得到保護，且水域面積因漁業養殖的建設得到擴張，沿線經濟實力明顯增強?？拷鹤雍L景區一側的部分耕地轉化為濕地和水體，雖然存在部分林地被轉化為建設用地的情況，但所占面積極小，水體和濕地面積增加較多，且之后沿線區域生境質量持續變好，表明風景區建設在一定程度上利于沿線生態環境向良好趨勢發展（圖2）。

3.2 鎮域生境質量演變分析

經InVEST 3.2模型運算，將生境質量采用等距離間隔法分為5個等級，得到鎮域建前、建中、建后的生境質量空間分布（圖3）；對比生境質量空間分布與土地利用空間分布，得到各生境等級下的土地類型（表3）。在ArcGIS中運用空間分區統計得到研究區域生境質量指數均值。為了進一步從時空演變維度分析生境質量變化，經計算得到各時段內生境質量等級變化的占比與空間分布（圖4、5）。

圖3 鎮域高鐵建設前中后期生境質量空間分布Spatial distribution of habitat quality before, during and after township construction of the high-speed railway

圖4 鎮域和核心區各質量等級面積在不同時期占比Area proportion of each quality grade of township and core area in different periods

表3 不同生境質量等級對應的土地類型Tab.3 Land types corresponding to different habitat quality grades

3.2.1 時間演變下的生境質量

鎮域2000年、2010年和2020年的生境質量指數分別為0.44、0.39和0.40，說明高鐵建設期間對烏龍泉鎮整體生境影響明顯，在2010—2020年運營期生境質量逐漸得到恢復，但可能無法恢復至建設前生境質量。具體表現特征為：1）生境質量“較差”的區域在2000—2020年 占 比 均 較 小，但 從2000—2010年面積在逐步增加，2020年面積相對較多，表明近20年內建設用地擴張嚴重；2）生境質量“一般”的區域面積最大，且呈現“先升后降”的特征，與耕地的變化特征一致，這與研究區域為鄉村郊野地段，主要土地利用類型為耕地有關；3）生境質量“較好”的區域占比較少，這是因為草地及部分草地混合林面積較少；4）生境質量“好”的區域占比也較少，主要為零散分布的大片林地和水域周圍，受高鐵建設影響較??；5）生境質量“極好”的區域面積相對較多，且呈現“先降后升”的趨勢，這與林地和水體的變化特征一致，與質量“一般”的區域變化相反，這與耕地和林地、水體相互轉化有關。

3.2.2 空間演變下的生境質量

與建設前的2000年相比，建設中的2010年鎮域內生境質量變差的區域分布在烏龍泉街道西北部建設集中區，主要是熊家畈等村的原林地和水體分布區域，這表明高鐵建設對林地和水體生境干擾嚴重，并導致建設用地擴張；生境質量變好的區域零散分布于北部邊緣和梁子湖邊緣，主要是因為靠近梁子湖區域的部分耕地轉化為濕地，這表明梁子湖風景區的建設在一定程度上促進了生境質量提高；生境質量不變的區域主要是中部和南部成片分布的耕地。

與建設中的2010年相比，建設后的2020年鎮域內生境質量變差的區域面積較多，主要是因為耕地面積增加；生境質量變好的區域分布在梁子湖邊緣和中部山林水體密集區，這表明在高鐵運營期間，建設期間被破壞山體植被得到了修復、水體得到了保護；生境質量不變的區域主要分布在西北部建設區域密集區。近20年沿線生境質量整體下降，這表明研究區內大部分區域的生境質量可能會持續向更低水平轉化，具有生境退化的潛在風險。

3.3 核心區生境質量變化分析

根據上述鎮域生境質量代表年份的時間變化分析結果，核心區內生境質量指數變化與鎮域整體變化趨勢一致，均為“先增后減”，且生境質量指數均值比鎮域高，表明高鐵沿線核心區生境質量較好，這主要是由于核心區內建設用地較少（圖4）。核心區內除“較差”的生境質量等級區域外，其他生境質量等級面積占比幾乎等同于鎮域生境質量等級面積占比，且鎮域生境質量等級變化的區域主要集中在核心區范圍內，因此核心區生境質量等級變化區域與鎮域保持一致。高鐵建設前后對核心區生境質量的影響和鎮域的影響表現一致。

建中與建前相比，高鐵西側中部生境質量最優的水體面積減少，高鐵東側北部生境質量最優的片段化水體區域面積減少，均轉化為耕地（圖3）。生境質量變差的區域主要集中分布在中部和東北部，水體及邊緣濕地部分轉化為耕地，建設用地集中擴張（圖5）。運營期與建中相比，高鐵西側中部生境質量較差的耕地區域轉化為質量最優的水體區域，且比建前水體面積大，表明該段時間內沿線生態環境保護得到了當地政府部門重視并顯現出“還湖”效果；高鐵沿線東側零散分布的小面積水體區域得到恢復，但未達到建前生境質量。整體來看，高鐵建設對沿線核心區生境質量的影響明顯（圖5），生境質量整體變差，部分水域濕地生境質量提高。

圖5 鎮域生境質量等級變化的空間分布Spatial distribution of changes in township habitat quality grades

4 討論

4.1 高鐵沿線土地利用類型轉變對生境質量的影響

土地利用類型轉變是環境變化的重要影響因素，也是生境質量降低的主要原因之一[31]。農業耕作、城鎮化建設、交通路網建設等人類活動是生境質量演化的重要驅動力，土地利用變化是人類活動最直接的反映[32-34]。耕地作為特殊的半人工半自然生態系統，農業耕作方式相對不利于當地部分敏感型野生生物的生存，而高鐵建設時期其他用地向耕地轉化也使得生境質量降低。鎮域耕地面積占比達70%，且耕地是主要轉化類型，因此鎮域和核心區整體生境質量指數較低。

中國高鐵約80%以上部分③建設在鄉村郊野地區，耕地類型占比較大，在鐵路建設后應關注區域用地類型的變化。對于耕地和建設用地等生境質量較差的區域應避免快速擴張，及時調整用地結構更有利于促進當地生態質量整體提升。

4.2 高鐵沿線各距離梯度下生境質量變化特征

線性交通的影響程度會根據垂直距離、周邊環境和交通強度的不同而各異[35]。有學者對道路等線性交通空間影響范圍采用了“道路影響域”的概念，這對高鐵沿線影響有很好的參考借鑒意義。Forman等研究發現道路影響域通常在沿線兩側呈不對稱分布[36]，且總體對沿線的環境影響存在遞減效應，距道路越遠對生態環境影響越小，生境質量指數越高[37]。本研究根據研究區域地貌特征，將京廣高鐵沿線3 km核心區內的生境影響范圍劃為17個距離梯度，分別計算它們的生境質量指數（表4，圖6），發現高鐵對兩側的生境質量影響不同，對不同生境類型影響程度也各異。核心區沿線2 km范圍內，高鐵西側以耕地和林地類型為主，隨高鐵距離變遠，生境質量指數不斷下降；東側因靠近梁子湖風景區，以水域和濕地為主，生境質量指數不斷增高。核心區沿線3 km范圍內，生境質量指數變化更趨于復雜化，西側先減后增，東側先增后減，這與高速公路兩側生境質量指數變化有明顯區別[22]。這表明兩種交通設施對沿線生境質量的影響程度及機制存在差異，因用地類型的不同，生境質量變化趨勢也存在區別，但其具體的影響程度和機制有待今后進一步深入研究。

圖6 京廣高鐵沿線距離梯度下生境質量指數變化Hange of habitat quality index under the distance gradient along the Beijing - Guangzhou High-Speed Railway

表4 京廣高鐵東西兩側距離梯度劃分Tab.4 Distance gradient division on the east and west sides of Beijing - Guangzhou High-Speed Railway

4.3 高鐵沿線兩側生境質量影響的空間范圍與生境類型關系

根據已有研究，道路影響區通常為100～1 000 m[38]，基于不同實驗目標或不同物種生境的道路影響距離有明顯差異，最小距離常包括35[39]、400[38]、250～1 000[40]、1 000[41]、1 300 m[42]等。筆者在上述相關研究基礎上，嘗試參考龔明昊等[43]遞增法，探討京廣高鐵對沿線生境質量影響的最遠或最近的水平空間閾值距離。以2020年的生境指數為基礎，在距鐵路200～2 500 m范圍內，每200 m處設置統計檢測點，而因距高鐵近距離區域其影響因素復雜，將距高鐵200 m以內距離細分為0～50、＞50～100、＞100～200 m 3個梯度，在50 、100、150 m處設置更精密的檢測點，探討200 m以內的主要影響空間。通過ArcGIS分別計算每段距離下的平均生境質量指數。根據不同距離梯度下生境質量指數的突變值（P值）來反映高鐵影響的空間范圍。突變值指的是生境質量指數均值的轉折點，即最高或最低點，其所在距離為最大或最小閾值距離。

結果顯示（表5），高鐵西側各閾值分別約為400 m、1 400 m和2 600 m，且分布較均勻。高鐵東側各閾值分別為1 600 m和2 200 m，但分布不均勻，距離高鐵越遠其生境變化的峰值越多。這可能由于高鐵西側生境類型分布結構較為簡單，東側越靠近梁子湖流域生境結構越復雜。因此，核心區的生境質量受高鐵建設和運營影響距離的最小閾值約400 m，最大閾值約2 600 m，這與道路生態學研究部分結論相同[40]，高鐵生態干擾和生境影響的研究有待更多關注。

表5 京廣高鐵沿線兩側生境質量的距離閾值Tab.5 Distance thresholds of habitat quality along the Beijing - Guangzhou High-Speed Railway

5 結論

1）京廣高鐵武漢段鎮域建設前后兩側土地利用類型變化多由耕地轉化影響。京廣高鐵武漢段鎮域建設時期大量林地、濕地和水體轉化為耕地，而高鐵建設后進入運營期，林地和水體面積明顯增多，且多由耕地轉化而來。這反映了樣本段高鐵建設對沿線用地類型的改變方向，以及建后不斷改善沿線綠化和退耕還林等積極生態環境修復的結果。

2）京廣高鐵武漢段鎮域和核心區建設前后生境質量總體表現為先降后升。鎮域和核心區的生境質量在建設期間顯著降低，建后有提升，但均低于建前2000年的生境質量均值，表明高鐵進入運營期后雖然生境質量有提升，但高鐵建設對沿線生境質量的破壞可能不可逆，同時需要當地政府后期投入更多典型的生境修復措施才有可能促使生境質量緩慢提升。各生境質量等級占比變化也有較大區別，但與土地利用變化度基本一致，土地利用類型的變化可以反映生境質量的變化。

3）京廣高鐵建設對鎮域沿線兩側生境質量的影響特征近乎相反。核心區高鐵西側生境質量變化趨勢較為簡單，總體表現為隨高鐵距離增加，其生境質量“先降后升”的特征；東側生境質量指數更為復雜，總體變化趨勢與西側相反（先增后減）。西側的生境閾值分別約在400m、1 400 m和2 600 m，東側的生境閾值分別約在1 600 m和2 200 m。兩側生境閾值存在差異，這主要是因為高鐵西側土地類型簡單且空間分布相對均勻，而高鐵東側靠近水域，在邊界位置影響因素復雜。同時由于梁子湖是武漢目前最大的城中湖，其沿線環境的保護和建設利用也同步開展，能初步起到控制生境質量呈線性快速降低的作用。

本研究通過對京廣高鐵武漢烏龍泉鎮域的土地利用類型變化分析，探討了高鐵建設對該段沿線生境質量變化的基本內因，拓展了對中國城鄉規劃建設中基礎設施對環境影響的新關注點。利用InVEST 3.2模型分析，結合用地類型不同年份變化的歷史數據GIS分析，提出高鐵建設對沿線兩側生境有不同的影響范圍，為高鐵沿線區域的生態保護區域范圍的界定提供了空間參考和方法借鑒。同時也為沿線受影響區域的生態修復、生物多樣性保護、鄉鎮建設發展方向及用地類型轉化等策略的制定提供了建成后一定時間長度的影響規律與修復建議參考。

本研究選擇某代表地段的典型年份進行分析，還存在選址代表性不足，以及分析結果的精度有待長期多樣本實地調查、記錄和監測后不斷修正等問題。期待學界更多關注中國重大基礎設施建設對沿線土地利用類型變化和對生境質量影響的研究，以及加強對沿線土地干擾和修復系列科學問題的關注，更好地提升中國生態基建品質和推動生態文明的在地研究成效。

① 林地指喬木覆蓋且樹冠蓋度超過30%的土地，包括落葉闊葉林、常綠闊葉林、落葉針葉林、常綠針葉林、混交林，以及樹冠蓋度為10%～30%的疏林地。

圖表來源(Sources of Figures and Tables)：

圖1～3、5底圖均來源于國家基礎地理信息中心1:100萬全國基礎地理數據庫；表1由作者根據參考文獻[28]繪制；其余圖表均由作者繪制。