西南地区道路建设对植被净初级生产力的影响分析

　　摘要：道路建设促进区域社会经济发展的同时，通过直接改变原有生态系统、间接增强人类活动进而改变原有生态系统的途径对周围生态系统产生影响。定量评估道路建设对植被净初级生产力(NetPrimaryProductivity，NPP)的影响对掌握线性工程生态环境影响，进行社会经济发展与生态安全权衡具有一定现实意义。本研究基于西南地区2016年道路和2015年NPP数据，利用核密度(KernelDensity，KD)表征道路影响域和影响强度，借助ArcGIS平台，分析不同土地覆被和经济发展强度下道路建设与NPP的关系。结果表明：(1)搜索半径为0.5km时，道路KD范围为[0.0，47.3]，其中道路KD为零的区域约占研究区总面积的79.8%，这些未受道路干扰区域大部分位于西藏、青海、四川西部、贵州和云南的西北部;道路KD为(0.0，5.0]的区域约占道路KD非零区域面积的88.4%，除成都、重庆、贵阳、南宁、昆明等城市外，区域大部分地区道路密度仍处于较低水平。(2)从不同土地覆被下道路KD与NPP的关系来看，中低道路干扰条件下，林地、耕地和人工表面稳定性更强，道路KD小于4.1时NPP相对稳定，而草地、湿地和其他土地覆被在道路KD大于2.1后，NPP出现急剧变化。随道路KD增大NPP趋于发散，这可能是由道路密度增加后其两侧人类干扰类型多样化引起。(3)以县级行政区划为单位，按单位面积道路KD由小到大的顺序，将研究区分成5个部分：分区1—分区5。在分区1，NPP随道路KD增大呈先波动升高，相对稳定变化后降低再发散;在分区2—分区5，NPP随道路KD增大总体呈降低趋势，且变异性逐渐增加，经历了相对稳定阶段、线性变化阶段、发散阶段。根据本研究结果，道路建设需重点关注生态敏感脆弱区的植被保护，如草地和湿地，应尽量避免较高密度道路建设带来的生态系统退化问题，同时应根据不同的地区制定适宜的保护方案。

　　关键词：道路建设;植被净初级生产力;核密度;生态系统

　　道路建设在促进区域社会经济发展的同时，通过直接改变原有生态系统、间接增强人类活动进而改变原有生态系统的途径对周围生态系统产生影响[1—2]。植被净初级生产力(NetPrimaryProductivity，NPP)是植被所固定的有机碳中扣除本身呼吸消耗的部分，是表征陆地生态过程的关键参数，也是陆地生态系统可持续发展评价的重要指标[3—5]。

　　因此，定量评估道路建设对NPP的影响对于掌握线性工程生态环境影响，进行社会经济发展与生态安全权衡具有一定现实意义。相对于直接影响，道路建设带来的间接影响更不容忽视。在人类活动向自然生态系统渗透的过程中，道路起到了血管作用，成为物质输送的最重要通道，各种人类活动也不断地被引入和叠加。道路工程在促进经济发展的同时，也会对周围生态系统结构和功能产生一定影响[6—7]。

　　道路网络化引起景观破碎化，使生态系统水文连通性受阻、流域径流过程受到影响等[8—9]，这些影响也是道路工程对NPP影响的潜在途径。除评估道路建设的直接影响，在一定空间范围内评估道路建设带来的其他活动对生态系统格局和过程产生的影响也有一定必要性。相对于常用的道路密度和缓冲区的计算方法，道路核密度(KernelDensity，KD)引入搜索半径代表道路影响域，KD函数代表随距离增加道路影响衰减的模式，能更客观地反映道路建设的影响，并可反映不同道路建设的叠加效应[10—12]。

　　西南地区是我国森林和水资源等自然资源最为丰富的地区，也是我国重要的生态屏障区[13]。但是该地区地形起伏大、生态系统敏感、脆弱，日益增强的人类活动成为影响该区域生态环境的重要因素，尤其是城市化发展、重大工程建设等成为其生态安全的潜在威胁[14—15]。本研究基于西南地区2016年道路网络、2015年NPP数据，利用KD估算方法、借助ArcGIS平台，研究西南地区道路建设对NPP的影响，以期为该地区社会经济发展与生态安全权衡提供科学依据。

　　1研究区与研究方法

　　1.1研究区概况

　　西南地区包括四川、云南、贵州、广西、重庆五省以及西藏和青海的部分县市。该地区深居内陆，地势西高东低，地形崎岖不平，地貌复杂多样，是我国喀斯特和冰川地貌分布最广泛的区域[16]。由于地形地貌的限制，长期以来西南地区交通运输发展缓慢，制约了其经济发展。随着新一轮西部大开发、“一带一路”、长江经济带及精准扶贫等政策的实施，西南地区社会经济水平得到明显提升。2011—2018年西南地区各省(区、市)经济平均增速大幅高于全国平均增速[17]。而在这一过程中，交通路网的改善起着重要支撑作用。目前，西南地区现已形成以铁路、公路为主的交通网络体系[18]。

　　1.2研究方法

　　1.2.1数据来源

　　西南地区NPP数据来自于中国科学院遥感与数字地球研究所提供的2015年西南地区月度净初级生产力生态参数数据集，NPP的估算由植物吸收的光合有效辐射和实际光能利用率表示[19]。道路数据采用的是2016年全国电子地图中的道路网络(包括地铁、高速、国道、铁路、九级路、省道、县道、城市快速路、乡镇村道、其他道路)。

　　1.2.2道路KD估算方法

　　道路KD估算首先需要定义分辨率，并按照确定的分辨率将矢量道路图层栅格化处理，再计算空间上任意一个栅格的KD。KD估算方法为：首先，定义搜索半径;其次，以此栅格为圆心以设定的搜索半径为半径画圆找出落在圆内所有道路的栅格;再次，通过核函数计算出每个道路栅格对该栅格的密度贡献值;最后，将该栅格搜索半径范围内所有道路栅格对该栅格的密度贡献值累加即为该栅格的KD。KD估算中常用的核函数为Rosenblatt⁃Parzen核估计[20—21]。

　　在KD估算中，搜索半径的选择对于计算结果影响较大：搜索半径越大，空间上点密度变化越光滑，生成的结果更抽象从而掩盖密度结构;搜索半径越小，密度变化越突兀不平，能展示更多的细节[21];在具体的应用中，应根据不同需求，选取合适的搜索半径。本研究根据线性工程特点和以往道路影响域的研究[22—25]，以0.5km为搜索半径来分析西南地区路网KD特征，基于此分析NPP与道路KD的关系。

　　2结果与分析

　　2.1西南地区道路KD分布

　　西南地区大部分区域道路KD为零，非零区域的道路KD也较低。道路KD为零的区域约占研究区总面积的79.8%，大部分位于西藏、青海、四川西部、贵州和云南的西北部，这些地区处于青藏高原或者青藏高原的东部和东南边缘，人类活动强度较小;研究区道路KD最大值为47.3，出现在成都、德阳一带。非零区域中，道路KD在(0.0，5.0]范围内的区域约占研究区总面积的17.8%，占道路KD非零区域的88.4%;道路KD在(5.0，36.0]范围内的区域面积随道路KD的增加，栅格数(面积)明显减少;道路KD大于36.0的面积已极小。

　　西南地区道路KD空间分布不均，呈现出东高西低的特征。道路KD较高的地区主要分布在交通路网复杂的东部地区，包括四川、重庆、贵州、云南和广西等地，这些地区也是道路KD“热点”(道路KD较高)出现最多的地区，而西部地区如西藏和青海部分地区道路KD较低。

　　2.2不同土地覆被下道路KD与NPP的关系分析

　　道路KD非零区域不同土地覆被类型面积百分比为：林地(43.7%)>耕地(37.1%)>草地(12.1%)>人工表面(4.6%)>湿地(2.1%)>其他(0.4%)。随着道路KD的增大，林地、草地、耕地等受人类干扰较低的土地覆被面积百分比逐渐降低，而人工表面面积百分比比例迅速升高，特别是当道路KD大于21.0后，土地覆被基本为人工表面。不同土地覆被下，道路KD和NPP之间呈现不同关系模式。

　　随着道路KD的升高，林地、耕地和人工表面经历了相对稳定阶段、线性变化阶段、发散阶段;草地、湿地和其他土地覆被(包括裸岩、裸土、戈壁、沙漠、苔藓/地衣等)经历了相对稳定阶段、升高稳定阶段、发散阶段;随着道路KD的逐渐增大，NPP变幅逐渐增加，系统呈现较大不稳定性。

　　2.3不同县域分区道路KD与NPP的关系分析

　　西南地区地形、交通、经济、人口空间异质性较大，地形平坦的地区往往交通便利、经济发展程度高、人口密度大。道路密度间接反映了一个地区社会经济发展对自然生态系统的干扰程度。本文利用西南地区县级行政区划和道路KD，计算县级行政区道路KD平均值，并在ArcGIS平台下利用聚类分析将研究区县级行政区根据道路KD平均值分成5个分区，分区1—分区5的道路KD平均值递增，各分区的道路KD范围。分区1包括西藏、青海南部、四川西部、云南西北部，位于青藏高原及其东部边缘，土地覆被类型以草地为主。

　　分区1中道路KD与NPP的关系与2.2中土地覆被类型为草地时道路KD与NPP的关系相似：相对稳定阶段后，随道路KD增大NPP呈波动上升趋势，当道路KD超过3条道路交叉的道路KD最大值时，随道路KD增大NPP不断降低。在该分区，相对稳定阶段后中度干扰情况下NPP反而增加，但随道路KD的进一步增大，NPP变幅增加的同时其值迅速降低。分区2主要包括云南中西部地区、东部的文山壮族苗族自治州，四川的雅安市、宜宾市、乐山市、达州和广元等，土地覆被以林地和耕地为主。

　　在分区2，道路KD较低时，随道路KD增大NPP呈略微下降趋势，之后经历小幅增加后迅速近线性降低，之后发散。分区3和分区4包括广西、贵州大部分地区，重庆、四川和云南东部等地区。这两个分区随道路KD增大NPP变化呈相似规律，相对稳定阶段后，NPP线性降低，且变幅增加。分区5主要包括成都市、德阳市及贵州中部少部分地区，是研究区道路最为密集的区域。随道路KD增大NPP变化规律与分区3和分区4相近，但相对稳定阶段NPP明显低于分区3和分区4。

　　3讨论

　　3.1不同土地覆被下道路对NPP的影响分析

　　不同土地覆被类型下，道路KD与NPP的关系呈不同模式，但也具有一定的共同特征。首先，在道路KD较低区域，不同土地覆被均经历了相对稳定阶段，而这一阶段一般以一条或两条道路交叉道路KD最大值为分界点。NPP是生态系统生产力的重要指标，可表征生态系统活力和健康[26—27]，而干扰环境下NPP的变化则反映了生态系统在干扰胁迫下的抵抗力和恢复力，是生态系统稳定性的重要体现[28—29]。道路KD较低时，不同土地覆被下NPP均出现相对稳定阶段，说明各类土地覆被下生态系统均具有一定稳定性。林地、耕地和人工表面稳定性更强，可在道路KD小于4.1时保持NPP的相对稳定;而草地、湿地和其他土地覆被在道路KD大于2.1后，NPP出现急剧变化。

　　从道路KD与NPP关系来看，面对道路干扰，林地、耕地和人工表面相比于草地、湿地和其他土地覆被具有更强稳定性。其次，在道路KD较高区域NPP趋于发散，可能由道路建设之后两侧人类干扰类型多样化引起。如道路两侧行道树的种植、绿地公园的修建、有坡度地区道路修建后水流的阻断使道路靠近上坡位一侧水分增加等均会显著弥补道路修建的直接和间接干扰带来的NPP的降低，而道路建设后永久性建筑物的扩张、裸露地面的增加等均会使NPP明显降低[30—31]。

　　此外，道路KD越大，景观破碎化越严重，平均斑块面积越小，单个栅格内包含不同土地覆被类型等，也会增加相同道路KD下NPP的异质性[32]。相对稳定阶段后，不同土地覆被间道路KD与NPP之间关系差异最大，随道路KD增加：林地、耕地和人工表面三种土地覆被类型NPP近线性降低，草地、湿地和其他土地覆被类型NPP有突然升高的过程，且较平稳。这可能与草地、湿地和其他土地覆被类型主要分布在西部地区，而这些地区在有道路建设的地方一般水源条件比较好有关。

　　此外，居住在附近的人类对植被的管理等均会促进植被NPP的升高[33]。在六种土地覆被类型中，人工表面NPP与道路KD之间关系规律性较强，具体表现为：随道路KD增大，NPP从相对稳定阶段过渡到线性降低阶段，且NPP的标准差在六种土地覆被中最小，直到道路KD>24.0之后，NPP与道路KD之间关系才呈现明显发散趋势。耕地和林地NPP与道路KD之间关系规律性仅次于人工表面;其他土地覆被NPP与道路KD之间关系规律性最弱。其他土地覆被包含多种类别，未受干扰状态下其NPP差异较大，而受干扰之后稳定性也各不相同，因此呈现出较大变异。

　　3.2西南地区道路建设对NPP影响的区域特征

　　在不同分区下，NPP随道路KD的增加呈现不同特征。除分区1外，分区2—分区5中NPP随道路KD增大均经历了相对稳定阶段、线性变化阶段、发散阶段，且NPP均呈现相对稳定段>线性变化段>发散段的规律，说明在这些区域，道路工程修建带来的直接和间接影响显著降低了周围土地覆被的NPP。在分区1，NPP随道路KD增大呈先波动升高，相对稳定变化后降低再发散，其相对稳定阶段的道路KD范围较其他分区均要小，且随道路KD增大NPP降低的速率比其他分区大。

　　分区1位于青藏高原及其东部边缘，土地覆被以草地为主，该区域道路KD与NPP的关系和土地覆被为草地时二者关系相一致。高兴川等[34]研究表明，青藏高原地区交通网络的连接率从1976年以来从1.8逐渐上升到2016年的2.1，这反映了该地区交通网络的持续拓展。道路KD为(0.0，5.0]时，随道路KD增大，该地区NPP波动增加，说明适度干扰下生态系统NPP较稳定，中度干扰类型有利于NPP的升高，出现这种情况的原因可能有：首先，道路密集的区域往往是生态环境条件较好的区域;其次，道路建设后行道树的栽种、道路密集区水资源的引入可改善周围植被状况[35]。

　　此外，分区1生态系统比较脆弱，当道路KD进一步增大，一旦超过生态承受范围，会导致NPP的急剧减少。分区2—分区4道路建设对NPP的影响大致相同，未受干扰区域NPP值也相近，这主要是因为这些地区分布在云南大部分区域、四川东部、重庆、贵州和广西地区，这些地区气候均属于亚热带季风型，水热条件相似。此外，这些地区道路建设水平相近，尤其是分区2和分区3，其道路KD范围相近，分别为0—32.7、0—31.8。

　　4结论

　　本文利用KD估算方法、借助ArcGIS平台研究了西南地区不同土地覆被、道路KD分区下NPP随道路KD的变化情况，得到如下结论：

　　(1)在搜索半径0.5km下，西南地区道路KD范围为[0.0，47.3]，其中道路KD为零区域约占研究区总面积的79.8%，主要分布在西藏、青海、四川西部、贵州和云南的西北部;道路KD为(0.0，5.0]的区域占道路KD非零区域的88.4%;道路KD“热点”主要分布在东部地区，除成都、重庆、贵阳、南宁、昆明等城市外，区域大部分地区道路密度仍处于较低水平。

　　(2)在中低道路干扰条件下，林地、耕地和人工表面稳定性更强，可在道路KD小于4.1时保持NPP的相对稳定，而草地、湿地和其他土地覆被在道路KD大于2.1后，NPP出现急剧变化;高强度道路干扰下NPP趋于发散，可能由道路建设之后两侧人类干扰类型多样化引起。(3)除单位面积道路KD较小的分区1外，其他分区(分区2—分区5)NPP随道路KD的增加总体呈降低趋势，且变异性逐渐增加，经历了相对稳定阶段、线性变化阶段、发散阶段。

　　综上，不同的区域植被NPP随道路KD的增大呈不同变化模式，这主要是因为不同地区道路建设对植被的影响受自然因素和人为因素的共同作用，如自然背景、土地覆被组成和人类活动强度等。本研究结果表明：在六种土地覆被类型中，草地、湿地等土地覆被类型对道路建设较为敏感，在生态敏感性和脆弱性较高的西部地区，道路建设带来的影响与东部地区截然不同。因此，在进行道路建设时，应根据不同的地区制定适宜的保护方案。

　　参考文献(References)：

　　[1]陈辉，李双成，郑度.青藏公路铁路沿线生态系统特征及道路修建对其影响.山地学报，2003，21(5)：559⁃567.

　　[2]SaraswatiS，BhusalY，TrantAJ，StrackM.Roadsimpacttreeandshrubproductivityinadjacentborealpeatlands.Forests，2020，11(5)：594.

　　[3]LiethH，WhittakerRH.PrimaryProductivityoftheBiosphere.Berlin，Heidelberg：Springer，1975.

　　[4]赵俊芳，延晓冬，朱玉洁.陆地植被净初级生产力研究进展.中国沙漠，2007，27(5)：780⁃786.

　　[5]SunJ，DuWP.EffectsofprecipitationandtemperatureonnetprimaryproductivityandprecipitationuseefficiencyacrossChina′sgrasslands.GIScience&RemoteSensing，2017，54(6)：881⁃897.

　　作者：蒋爱萍2，靳甜甜1，∗，张丽萍2，李倩雯1，朱博然3，张迪1