高速公路作为国家经济发展的重要经脉近年得到快速的发展。据交通部公布的《国家高速公路网规划》,到2030年,我国的高速公路将达到8.5万km^[1]。在高速公路网络不断完善与加密的同时,公路建设所带来的一系列负面生态影响亦越来越引起关注,尤其是对野生动物栖息地的破坏与分割^[2-3],已成为当前保护生物学研究的热点问题。高速公路通过大量的直接占地及施工破坏使野生动物栖息地数量与质量下降^[4-5],更为严重的是公路产生的阻碍效应与回避效应使动物无法在生境中正常交流扩散^[6-7],随着公路网的加密,最终将动物栖息地分裂成越来越小的区域,从而导致物种的数量减少甚至消亡^[8]。

动物通道被认为是缓解高速公路负面影响的有效措施^[9],通道为动物提供穿越公路的安全保障,从而将被隔离、孤立的生境斑块连接起来,减少种群灭绝的风险^[10-11]。欧美国家很早就开展了公路动物通道方面的探索与实践^[12-14],对通道的对象^[15-16]、布局^[17-18]、形式、大小^[19]、效果^[20]等方面进行了大量的研究,成果丰富。随着环境保护意识的增强,我国近年亦出现了不少关于公路动物通道的研究,但大部分还仅关注通道类型、尺寸等的理论性探讨^[21-26],而对通道的位置选择则少有涉及,特别是缺乏对公路周边生境质量格局及动物对生境选择策略的定量评估,导致目前通道的选址设计主观性强,缺乏精确性和可操作性。通道位置被认为是影响其效率的最重要的因素^[27],只有与动物活动路线一致的位置设计才能保证通道生态功能的有效发挥^[28]。而物种的运动路线选择与其所处环境特征密切相关,因此基于生境质量格局对动物潜在活动路线判断是通道选址设计科学合理性的保障。

自然状态下,动物生境是具有高度异质性的地理空间,动物需要在不适宜生境斑块之间的运动、迁移以获得适宜生境。动物在生境中的这种趋利避害的本能,类似于水流由高处向低处流动时所表现出的方向选择^[29]。基于此,本文以武深高速为例,在对公路两侧动物生境适宜性评价的基础上,利用生境适宜性的分布面来替代高程模型,借助GIS中的水文分析(Hydrology)模块再现水流在地表的运动过程,对生境中动物的潜在运动路径进行识别,通过与公路线路的叠加分析,确定动物通道建设的理想位置。以此为高速公路动物通道的位置设计探索一种科学的、客观的方法,为相关研究提供有益的参考与经验。

1 研究地概况及数据来源

武(汉)深(圳)高速公路是泛珠江三角洲区域高速公路网布局中第二纵的一段,是贯通我国中部地区与珠三角地区及港澳地区的一条重要通道。公路广东段起于广东与湖南省界大麻溪,经仁化、始兴、翁源、新丰、龙门、博罗、东莞至深圳盐田,全长约430 km。其中仁化至博罗段的K200+500—K228+830段穿越了粤北华南虎省级自然保护区。该区域位于广东省韶关市,地处南岭山脉中段南麓,曾经是我国华南虎分布的代表性区域,目前保护区内分布着云豹(Neofelis nebulosa)、林麝(Moschus berezovskii)、黑熊(Ursus thibetanus)、鬣羚(Capricornis sumatraensis)、大灵猫(Viverra zibetha)等国家重点保护动物30余种,生物多样性丰富。

本文把公路穿越路段两侧3 km作为受公路影响的生境评价范围^[30-31],以区域内的大中型兽类作为目标物种进行通道设置研究。采用的基础数据包括研究区域的2010年土地覆盖矢量数据、2012年TM遥感数据、30 m精度DEM数据以及武深高速路线平面图,数据处理在ERDAS image 9.2及ArcGIS 9.3软件支持下进行。

2 研究方法 2.1 生境适宜性评价 2.1.1 评价体系构建

评价因子选取是生境适宜性评价的关键。在参考前人研究^[32-35]并考虑当地现有野生动物资源的基础上,从物理环境、生物环境、干扰三方面考虑,选取以下指标作为影响动物生境选择的主导因子构建生境适宜性评价体系：①土地覆盖类型,②海拔,③坡度,④食物来源,⑤水源,⑥人类活动干扰。其中食物来源通过归一化植被指数(NDVI)进行反映^[36],水源与人类活动干扰以与水源或干扰源(居住地)的距离作为划分标准^{[33, 37]}。根据物种对不同因子的选择策略对各评价指标进行单指标评价分级并赋值^{[32-35, 37]}(表 1)。

2.1.2 指标权重的确定

传统评价技术在权重分配过程往往出现主观性较强的问题^[38]。为保证评价结果的客观性,本文采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)对各指标权重进行计算。层次分析法通过对各个评价指标进行两两比较,根据重要性标度,确定指标间相对重要性,建立判断矩阵(表 2),然后计算判断矩阵的归一化特征向量,获得各个指标的相对权重,从而把主观的判断客观化,最后通过一致性检验确保判断思维的前后一致性(一致性系数=0.052＜0.10,表明判断矩阵具有满意的一致性)。

2.1.3 生境适宜性指数计算

在上述权重赋值的基础上,利用GIS的空间分析模块计算生境适宜性指数,将各个环境因子在ArcMap软件中以栅格专题图的形式显示(图 2),通过ArcMap软件中栅格运算功能进行叠加计算,确定区域内生境适宜度及其分布格局。

其中生境适宜性指数(Habitat Suitability Index,HSI)利用下式计算:

式中,C_i为第i个生境因子的分级赋值,W_i为各因子权重。

2.2 动物运动路径识别及动物通道位置的确定

借助GIS中的水文分析模块,利用HSI的反值栅格替代高程模型(DEM)来建立地表水径流模型,通过再现水流在地表的运动过程,对动物在生境中的潜在运动路径进行识别。在此过程中,汇流的累积量实际上是基于物种在生境中运动方向数据计算而来的^[39],因此对每一个栅格来说,其汇流累积量的大小代表着周边生境的物种在运动过程中选择往该处汇集的趋势,汇流累积的数值越大,代表动物在该点活动的概率越大,其受到公路的阻隔影响亦越大。利用标准差分类法对汇流累积量划分为4个等级,通过图层叠加,选择公路与一、二级汇流交汇的区域作为建设公路动物通道的位置。

2.3 通道对生境格局的影响

合理的通道设置除了能为物种运动提供安全保障外,更重要的是提高生境中适宜斑块的连通性确保物种交流、迁移的畅通,从而达到物种多样性保护的目的。通过对通道设置前后公路两侧1 km范围内的生境格局的定量分析^[40],在景观水平上对通道设置的有效性进行评估。适宜生境斑块以HSI与所对应栅格数目之间关系的突变性来设定阈值,通过栅格重分类进行识别与提取^[41-42]。在此基础上,利用FRAGSTAT 4.3软件分别对适宜生境斑块的斑块密度、斑块平均面积、景观分割度、景观分裂度、景观结合度、景观连接度等指标进行计算。

3 研究结果 3.1 生境适宜性评价结果

HSI较高的区域集中分布在研究区域中部及西北部丘陵的缓坡地带,该区域远离居民点、耕地等人类活动的干扰,现有植被以次生性的常绿阔叶林为主,覆盖度高,能为野生动物提供良好的觅食、隐蔽、繁殖场所；中等水平的HSI分布于研究区域中部城口河河谷两边低海拔坡地,植被主要为马尾松林、桉树林、毛竹林等人工林地,受到一定的采伐活动、道路设施的干扰,生境质量相对较差；HSI最差的区域分布于中部及东南部河谷平原的城口镇、恩村、白石新村等村庄及周边大面积的耕地,这些区域受到人类活动干扰最大,植被退化严重,不适合野生动物的栖息活动。

3.2 动物运动路径识别及动物通道位置的确定

根据水文分析结果,物种的潜在运动路径集中分布在中部及西北部丘陵地带,其中横穿研究区域的潜在运动路径主要的有3条,其路径大部分处于具有较高HSI的生境范围内,对物种扩散最为有利,受到的阻隔影响亦最大。公路与一、二级的潜在运动路径交汇点共有6处,其中中部的交汇点距离人为活动区域较近且处于二级汇流的末端,动物在此处活动的几率较低不予以考虑,其余各点均可视为动物通道的理想位置(图 3)。各通道位置的详细生境信息见表 3。

3.3 公路及动物通道建设前后生境格局变化

高速公路对周边野生动物生境格局的影响表现为一种线性切割(图 4),生境斑块的总面积、平均面积均明显地减少,而斑块数、斑块密度、分割度指数则有不同程度的上升,原来连通性强的优势斑块则被分割成较小的片段斑块,生境的容纳量下降,破碎化程度加剧。景观分裂度指数上升而斑块结合度指数及景观连接度指数下降,反映斑块间隔离度上升,物种在生境中迁移交流受到的阻隔增加。从通道建设后各指数的变化可以看出,通道对公路交通造成的动物生境隔离影响起到了一定的缓解作用。

4 讨论

(1) 动物通道是缓解公路建设与野生动物保护之间矛盾的重要手段,与国外的广泛研究相比,国内仍处于起步阶段,特别在公路对生境格局的影响及通道的选址布局等方面的研究还较为薄弱^[21]。目前交通项目一般采用野外监测数据或资料收集、专家质询来判断通道位置^[43-44]。前者需要长期而大量的观察调查,耗时费力,随着项目建设周期的日益缩短,往往只流于形式；后者受时空局限性及主观性的影响^[45],得出结果通常并非通道设置的最佳选择,导致通道的利用率低。本文提出基于生境适宜性评价的动物通道选址方法,通过生境适宜性指数综合反映动物对不同环境因子的选择策略,结合水文模型识别出动物运动受到阻碍的关键区域,结果能大大地减少决策过程中主观因素的影响,为通道位置设计提供科学依据。同时对3S技术的运用能快速、实时、精确地获取和处理大量环境数据,解决了传统方法数据量小、因子综合能力弱等问题,在实践中具有较强可操作性。该方法不但能弥补目前动物通道建设研究的不足,对道路网设计、城市生态规划等相关领域的研究亦有较大的应用价值。

(2) 根据对动物行踪数据的需要与否,目前用于反映物种-环境关系的数学模型可分为归纳模型(inductive model)如逻辑斯蒂模型、资源利用函数模型^[37]、最大熵模型^[46]等,和演绎模型(deductive model)如生境适宜性指数模型^[33]。前者需要收集大量的野外监测数据,主要适用于较大尺度的研究。公路影响的评估范围相对于传统的区域性生境评价而言较小,而动物种群分布的详细统计数据往往难以获得。因此本文选择HSI模型作为生境评估的手段,在合理性与可操作性方面具较大优势。但由于HSI模型在物种对生境的利用度上缺乏考虑,其结果难免仍存在一定的主观成分,而目前对模型验证往往还比较困难^[47]。因此需要对动物利用通道的情况进行后续监测,据此提出针对性的修改与调整,推动通道建设的理论探索走向实际运用。

(3) 评价指标的选择及分级赋值是适宜性评价的关键,本文以区域内所有大中型兽类为对象,基于普适性、可操作性的考虑,从生境的基本要素(地形、植被、干扰等)出发,选择相应的环境因子进行评价。然而,动物的生境选择是一个复杂的过程,除了上述因素外,还与物种间的相互作用(竞争、捕食)、季节变化等有关；此外,不同物种对生境的需求亦不能一概而论,因此,在针对特定目标物种进行通道设计时,需要根据该物种的生态特性对指标体系进行优化调整,才能进一步地提高通道选址的准确性与科学性。

(4) 生境破碎化是公路建设引起野生动物种群变化的一个重要原因,动物通道对公路割裂的生境斑块进行连接,保证动物种群运动扩散的畅通,能对生境破碎化造成的生态压力起到一定缓解作用；分析通道建设前后生境格局的变化,能为决策者提供一个对通道生态功能的定量化认识,更重要的是能在缺少监测数据的情况下对通道的生态价值作出评估。本文的研究结果表明,通道建设后,各景观破碎化指标均有不同程度的下降,为动物的扩散起到了积极的作用。但值得注意的是,格局变化存在尺度效应,评估尺度的差异会影响到结果的显著性^[48],而目前对于道路影响的合理评估范围仍未有统一标准,这需要在后续研究中作进一步的深入探讨。

(5) 本文主要探讨动物通道的位置选择,在具体实践中通道的设置方式还要结合目标物种的特性、公路穿越形式等多种因素来考虑。在武深高速的案例中,通道主要针对周边大中型哺乳类动物设置,在通道1、2、4所处区域高速公路以桥梁形式穿越,因此建议采用下穿式通道进行通道设置,而通道3、5分别为隧道与路基形式,建议以上跨式即“绿桥”形式进行设置。