1、第 卷 第 期 年 月公 路 交 通 科 技 .收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（，）作者简介：李春强（），男，福建漳浦人，硕士研究生（.）：.南方红壤丘陵区公路路域生态脆弱性空间分异规律李春强，王 琳，刘智才，刘 辉，张冬珠（.福州大学 环境与资源学院，福建 福州；.福州大学 遥感信息工程研究所，福建 福州；.福建省水土流失遥感监测评估与灾害防治重点实验室，福建 福州）摘要：以往研究生态脆弱性多集中于宏观区域角度，而针对工程建设项目等微观尺度的生态脆弱性影响研究则较为少见。为了探究道路建设对路域生态环境的影响，以 遥感影像和 为数据源，以莆炎高速 段公路两侧 路域为研究区，将定量化和
2、空间化的理念引入南方红壤丘陵区公路建设项目尺度下的生态脆弱性研究，利用“缓冲区阶梯”探寻了公路建设活动对路域生态脆弱性影响的空间分异规律。结果表明：路域生态脆弱性程度与缓冲距离成反比，随着与公路距离的接近而逐渐增大，路域 缓冲范围内是受公路建设影响最强的区域，根据该缓冲范围内平均生态脆弱性指数相较于背景值的上升程度（仅升高.），可推断该标段的公路建设行为所引起的地表扰动对路域生态脆弱性的影响较为有限；公路两侧 缓冲区范围认定为路域生态环境重点保护区域，而针对路基、桥梁为主的建设形式则需要外延至 缓冲范围；隧道出入口建设对生态脆弱性的影响远大于隧道内部，因此隧道出入口也是公路建设期间及竣工之后的
3、生态监控、生态重建的重点区域。研究可为高速公路等各类公路工程建设对生态环境影响的监测与评价提供帮助和参考。关键词：环境工程；空间分异；遥感；缓冲区阶梯；生态脆弱性指数中图分类号：.文献标识码：文章编号：（），（.，；.，；.，）：，.，“”（）第 期李春强，等：南方红壤丘陵区公路路域生态脆弱性空间分异规律 ，.（.），.（），.（），.：；（）引言自 世纪 年代“生态脆弱带”的概念提出后，生态脆弱性逐渐成为全球环境和生态变化研究中的热点问题，受到国内外学者的广泛关注，针对生态脆弱性评价的理论框架、评价模型和应用研究区域展开了众多研究。在全球尺度上，等结合全球人口普查数据集，提取 组领域的 个影
4、响因子，构建了全球生态环境脆弱性评估模型，绘制了全球规模的生态脆弱性地图。在城市和区域尺度上，王志杰等用空间主成分分析法对汉中市生态脆弱性进行定量评价，并从不同海拔梯度、行政区划研究其空间分布特征。姚昆等结合 技术与 熵组合权重模型构建评价指标体系，综合对比与分析了大渡河中上游地区 年不同时期的生态脆弱性状况。徐超璇等基于 模型，结合主成分分析法和地理探测器，选取 项指标构建生态脆弱性评价体系，研究了张家口地区的生态脆弱状况及主要影响因素。也有学者针对不同产业生态聚集区进行了脆弱性研究，如邓伟等利用 卫星影像对北方农牧交错带的生态脆弱性进行综合评估，揭示了研究区生态脆弱性程度及其分布差异。等采
5、用文献审查、社会经济调查，计算了 年温度和降水量的变化来确定暴露、敏感性和适应性指标，从而研究了肯尼亚沿海捕鱼区应对气候变化的生态脆弱性特征。等在现有脆弱指数基础上建立了 尺度 个独立指数的评估体系，来评估气候变化影响下巴西东北部农业的生态脆弱性特征。总体来说，这些研究大都集中于宏观区域尺度，且更多关注的是区域生态脆弱性的总体特征、生态脆弱性的评价方法或评价指标体系建设，而有针对性地对工程建设项目的小尺度生态脆弱性研究尚不多见。近年来虽有部分针对高速公路路域生态环境监测、评价的研究，如杨晶等用 监测嘉赤公路建设对路域生态质量的影响程度，通过计算环境变优变差的面积及百分比得出 年间整体路域环境质
6、量先变差后改善的结论；石振武等基于 模型对黑龙江省公路施工路域生态环境进行评价研究，用组合赋权法构建出较为科学合理的评价指标体系，但这些研究大多停留在环境评价、生态监测层面，没有引入生态脆弱性及其脆弱程度等级的理念，而进一步描述路域生态脆弱性空间分异规律的研究则更少。莆炎高速所处的南方红壤丘陵山区属于全国八大生态脆弱区之一，土质松软，地势较高，易引发水土流失等生态脆弱性问题，以其为研究对象，开展公路建设项目尺度下的生态脆弱性研究，探寻公路建设活动与路域生态脆弱性程度的空间分异规律，具有典型性和代表性，以期为公路工程建设对生态脆弱区路域生态环境的空间影响研究提供帮助和参考，为公路设计施工及运营养
7、护等全过程管理提供理论依据和决策支持。研究区及数据源.研究区概况莆炎高速公路是我国沈海高速（）横七连接线（）的重要组成部分，东起福建省莆田市，经江西省，直达湖南省的炎陵县。本研究范围为福建三明市境内尤溪县和大田县交界处的莆炎高公路交通科技第 卷速 标段。该标段于 年 月正式开工（工期 个月），始于尤溪县坂面镇的漈头村，穿过大田县梅山乡璞溪村，终点位于梅山乡后埔村，路线总长度.。地理位置处于，之间，属中亚热带季风性湿润气候。标段沿线地形破碎复杂，起伏较大，为山地丘陵地貌，土壤以红壤为主，土层薄而贫瘠，易发生滑坡、泥石流等自然灾害，属于我国南方典型红壤丘陵生态脆弱区。标段施工难度大，其中桥梁 座共
8、计.，隧道 座共计 .，桥隧比高达。公路建设期间，隧道及弃渣场的开挖、桥梁建设施工过程对地表的人为扰动和污水废渣的排放势必会破坏路域生态环境，加剧路域水土流失等生态脆弱化问题。.数据源及预处理本研究选择覆盖莆炎高速公路 标段路域范围的 卫星影像为研究数据源，条带编号为（，），成像时间为 （项目施工中期）。另 外，以 覆 盖 研 究 区 域 的 数 字 高 程 模 型（）作为辅助数据。针对获取的 多光谱影像，进行必要的辐射定标，并利用 （）模型进行大气校正，以消除大气对成像数据的影响。.研究路域范围的界定本研究路域缓冲区即生态脆弱性评价范围的界定，参考了国内外相关规范对高速公路沿线生态环境评价范
9、围的规定。例如，公路建设项目环境影响评价规范（）中规定，路域生态环境评价范围的划定应根据公路区域的生态系统类型确定其评价等级，按从低到高 个评价等级以公路用地边界外不小于，的缓冲区作为生态环境评价的范围。南方红壤丘陵区地形复杂，有大面积的植被森林也有水土流失的高发区，该区域的生态环境评价等级可划为 级，即公路用地边界外不小于 的缓冲区作为路域生态脆弱性的评价范围。另外，国际上对于评测高速公路环境生态的影响，一般选公路两侧各 的缓冲区范围。因此，本研究考虑生态脆弱区高速公路建设对沿线林地的破坏，路域评价范围应不小于建设边界外 ；结合施工弃渣场等的场址，考虑研究路段在红壤丘陵复杂山区易水土流失的问
10、题，将本研究路域的范围界定为公路两侧各 的缓冲区范围，使路域基本能够涵盖到高速公路建设各时期的直接或间接影响区域。生态脆弱性评价模型的构建.生态脆弱性等级我国目前还没有关于生态脆弱性评价的统一分级标准，本 研 究 在 生 态 环 境 状 况 评 价 技 术 规 范（）的基础上，借鉴以往区域生态脆弱性评价方法和国内外学者对生态环境质量评价的系统研究，并结合公路沿线实地外业踏勘的具体情况，确定该路域生态脆弱性等级并将其量化为生态脆弱性指数值（，），如表 所示。表 路域生态脆弱性评价分级.脆弱性等级指数值范围特征微度脆弱.路域生态环境稳定，未受干扰破坏，生态环境质量较好，功能结构完整，群落稳定、丰富
11、，生态脆弱性低轻度脆弱.路域生态环境受轻微干扰破坏，生态环境质量稍好，功能结构尚完整，污染破坏不明显，群落较稳定，生态脆弱性较低中度脆弱.路域生态环境受较小干扰破坏，生态环境质量一般，服务功能有一定程度的退化但可维持基本运作，群落组成简单，污染破坏较明显，生态脆弱性高重度脆弱.路域生态环境受较大干扰破坏，生态环境质量较差，服务功能退化但长期可恢复，群落不稳定，污染破坏比较严重，有滑坡、水土流失等灾害隐患，生态脆弱性较高极度脆弱.路域生态环境受严重干扰破坏，生态环境质量恶劣，服务功能退化且长期恢复困难，受严重的人为污染破坏，群落极不稳定，极易水土流失，生态脆弱性极高 结合莆炎高速 标段外业现场调
12、研资料，在研究区范围内采集 个样本点，并赋予相应的 值作为因变量参与评价模型的构建。例如，遥感影像上植被覆盖明显较丰富、长时间未受人类活动影响的区域，可采集为微度脆弱等级的样本点；遥感影像中公路设施等受人类影响较大且未来长时间难以恢复的区域，采集为极度脆弱等级的样本点；按照类似评价方法采集其他等级的样本点。采集的 第 期李春强，等：南方红壤丘陵区公路路域生态脆弱性空间分异规律个样本点在研究区内空间均匀分布。.评价指标的提取及其归一化考虑到莆炎高速 段路域的生态环境特征及人为干扰状况，选择植被、土壤、湿度、温度指数、高程、坡度 项定量指标作为莆炎高速公路路域生态脆弱性的评价指标，如表 所示。表
13、生态脆弱性评价指标.影响因素遥感指数评价指标植被植被指数归一化植被指数，大气阻抗植被指数，缨帽变换绿度分量 土壤土壤指数归一化土壤亮度指数，建筑用地指数，裸土指数 水热湿度指数归一化湿度指数，改进的归一化差异水体指数，缨帽变换湿度分量 热度指数地表温度 地形高程高程 坡度坡度 各生态脆弱性评价因子生成以后，由于量纲不一致，彼此之间难以直接比较，因此需要对各因子进行归一化处理，将每个指标数据规范化为 到 之间的数值，公式如下。（）（），（）式中，为因子归一化后的值；为因子归一化之前的值；和 分别为因子的最小值和最大值。.回归模型的构建方程中自变量太多时一些相关性不显著的因子会影响预测的结果，在回
14、归分析前，需要对各因子相关性进行筛选。本研究通过计算 相关系数筛选出与莆炎高速 段路域 相关性最高的生态脆弱性的评价因子，把几个相对接近的变量归为同类，见表。植被指数中 的相关系数最大，为.；土壤指数中 的相关系数最大，为.；湿度指数中 的相关系数最大，为.。因此，分别选取，为植被指数、土壤指数、湿度指数、热指数的代表，选取 和 为地形因子的代表，共 项标准化定量指标参与计算，构建生态脆弱性多元线性回归评价模型：表 遥感指数与路域生态脆弱性指数值的相关系数.评价参数遥感指数相关系数植被指数.土壤指数.湿度指数.。（）建立的模型决定系数 为.，回归方程拟合较好；检验的统计值为.，检验 值.，根据
15、多元线性回归分析的原理，建立的回归方程有效。根据该模型方程和表 中路域生态脆弱性等级划分标准，经过栅格运算可得到莆炎高速公路 段路域生态脆弱性的等级划分情况。同时，利用现场采集数据与模型计算获得的对应样本点的 建立混淆（误差）矩阵，计算出评价模型的总精度为.，系数为.，模型精度满足研究要求。结果分析本质上，缓冲区就是以图斑形式显示的拓扑数据，通过叠置分析，统计缓冲区内各类相关的属性和空间数据，即获得需要的评价数据。本研究基于缓冲区构建“缓冲区阶梯”分析不同缓冲距离、不同建设形式的 变化，以求得莆炎高速 段公路建设与路域生态脆弱性的空间分异规律。.全路域不同缓冲距离的空间分异规律由于 影像和 数
16、据皆为 的空间分辨率，因此使用 作为空间间隔距离，在公路两侧逐步建立阶梯式的连续缓冲区带，即“缓冲区阶梯”，并分别统计各个缓冲区内的平均（表），构建平均 的变化曲线（图）。表 高速公路路域不同缓冲区距离下的平均.距离平均.公路交通科技第 卷图 高速公路路域不同缓冲区距离下的平均 曲线.结合表 和图 可知：该路域生态系统的平均 随着缓冲区距离的增加而逐渐降低，说明高速公路对生态环境的负面影响随着与公路距离的增加而逐渐降低，符合距离衰减规律。全路域的平均 变化曲线在缓冲距离 范围内快速降低，随后降速放缓，在缓冲距离 时基本稳定。说明该公路两侧 范围内是生态脆弱敏感区，在施工中应当给予重视，可由此划定 缓冲范围的生态重点保护区域作为“生境缓冲区”，以减少公路建设的边缘干扰，降低生态脆弱化的程度及预防路域环境恶化的发生。若将平均 变化曲线达到稳定状态时的值看作路域生态脆弱性的“背景值”，则路域 缓冲范围内（即受公路建设影响最强的范围）的平均 较背景值仅提高了.，这也反映了该标段工程建设所引起的地表扰动对该路域生态脆弱性的影响不大。.不同公路建设形式的空间分异规律研究区公路主要以隧道、桥梁和路基