基于分形理論的路域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)研究初探

謝昧思，趙 塵

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)

在道路工程建設(shè)結(jié)束后，需要對(duì)被擾動(dòng)的生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)。而目前這種恢復(fù)活動(dòng)主要以人工綠化為主，過(guò)于均勻性和規(guī)則化，進(jìn)而易導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)脆弱、外來(lái)物種入侵等情況的發(fā)生。

生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定與否，在一定程度上與生態(tài)異質(zhì)性情況有關(guān)，而分形理論又是量化考核生態(tài)異質(zhì)性程度的有效手段之一。在景觀生態(tài)學(xué)領(lǐng)域中，應(yīng)用分形維度指標(biāo)來(lái)定量研究植被異質(zhì)性情況已具備一定基礎(chǔ)。以此為借鑒，在道路兩側(cè)路域的小生境生態(tài)系統(tǒng)中，引用分形維數(shù)作為指標(biāo)，量化考核路域景觀生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性情況，評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而指導(dǎo)綠化植被種植模式、優(yōu)化路域景觀就具有一定的可行性。

1 分形理論簡(jiǎn)介及應(yīng)用

分形［1］(Fractal)一般是指一個(gè)粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成若干部分，且每一部分都(至少是大致)是整體縮小尺寸的形狀。分形體最主要的特征之一即為自相似性——物體局部放大與整體相似的特征。該特性因與尺度無(wú)關(guān)而成為分形幾何學(xué)與歐氏幾何學(xué)的主要區(qū)別，被稱(chēng)為分形體的本質(zhì)特征。而分形理論是以非規(guī)則幾何形態(tài)物體為研究對(duì)象，用非整數(shù)維即分?jǐn)?shù)維度來(lái)描述這種具有自相似特征的理論。

植被在空間上的分布是典型的分維數(shù)體，它在空間所有尺度上都有細(xì)節(jié)，而分形維數(shù)就成為其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度描述工具，揭示其不同尺度上的異質(zhì)性的特征。

2 分形理論的相關(guān)研究進(jìn)展

分形幾何誕生至今不過(guò)40a，但它對(duì)多門(mén)科學(xué)的影響是巨大的。在描述和評(píng)價(jià)具有層次連續(xù)性、不規(guī)則性或隨機(jī)性等特征的線(xiàn)性方面具有很強(qiáng)大的功能，現(xiàn)已應(yīng)用到各行各業(yè)中。

2.1 分形理論在土木工程中的研究進(jìn)展

在土木工程的道路工程、巖土工程等方面的研究中，分形理論已作為聯(lián)系微觀結(jié)構(gòu)與宏觀路用性能之間的橋梁。借助分形維度指標(biāo)既可以定量判別路面抗滑性能［2］等宏觀性能，也可以描述軟土加固［3］等過(guò)程中的微觀變化情況。但是由于土木工程中的設(shè)計(jì)、施工指標(biāo)都需要依靠長(zhǎng)期的實(shí)踐總結(jié)作為依據(jù)，因此分形維數(shù)的統(tǒng)一指標(biāo)尚未建立起來(lái)，需要進(jìn)一步的研究和論證，尤其需要權(quán)威機(jī)構(gòu)部門(mén)的指導(dǎo)性研究與驗(yàn)證。

2.2 分形理論在規(guī)劃中的研究進(jìn)展

在規(guī)劃方面，分形可以在宏觀層面對(duì)具有分形特征的路網(wǎng)、用地規(guī)劃等研究對(duì)象進(jìn)行研究，較好地?cái)M合城市道路網(wǎng)［4］，統(tǒng)籌配置道路與交叉口［5］，對(duì)不同地貌地區(qū)的城市化進(jìn)程［6］、土地利用［7］及區(qū)域發(fā)展［8］進(jìn)行特征分析，尋求內(nèi)在變化規(guī)律。隨著計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用，規(guī)劃方面的研究也越來(lái)越多地借助地理信息系統(tǒng)技術(shù)，使研究更加快速便利。同時(shí)，由于地理信息系統(tǒng)自身的優(yōu)勢(shì)度和可信度，分形理論在此方面的研究就具備了一定的應(yīng)用前景和發(fā)展規(guī)模，并將越來(lái)越多的應(yīng)用到實(shí)際的規(guī)劃案例中。

2.3 分形理論在地理信息系統(tǒng)中的研究進(jìn)展

分形自創(chuàng)立開(kāi)始，就是以海岸線(xiàn)等典型分形體作為研究對(duì)象，探討宏觀長(zhǎng)度與測(cè)量尺度之間的關(guān)系。借助地理信息系統(tǒng)這一有效手段，專(zhuān)家學(xué)者們可 以 對(duì) 水 系［9］、 水 質(zhì)［10］、 海 岸 線(xiàn)［11］、 地 質(zhì) 災(zāi)害［12］等分形體的多方面進(jìn)行分析研究，并且深化了尺度效應(yīng)［13－14］對(duì)地理信息系統(tǒng)影響的研究，分形理論的研究已經(jīng)步入新的發(fā)展高度，有了更為廣闊的平臺(tái)，并開(kāi)始了更加深刻和細(xì)致的研究。

2.4 分形理論在景觀生態(tài)學(xué)中的研究進(jìn)展

在景觀生態(tài)學(xué)中，分形理論已經(jīng)成為空間異質(zhì)性、植被恢復(fù)、景觀、土壤等不同方面試驗(yàn)和分析的重要手段，而結(jié)合尺度效應(yīng)分析也成為景觀生態(tài)學(xué)中的熱點(diǎn)。

在空間異質(zhì)性分形分析方面，王政權(quán)［15］系統(tǒng)地介紹了變異函數(shù)的結(jié)構(gòu)分析等空間異質(zhì)性的基本理論和方法，首次在植被空間異質(zhì)性中引入分維數(shù)指標(biāo);James H.Brown［16］等人通過(guò)數(shù)據(jù)表明在生物多樣性中存在分形特征，并可進(jìn)一步推廣到普遍的生態(tài)系統(tǒng)中;陳玉福［17］、辛?xí)云剑?8］、杜華強(qiáng)［19］等人分別通過(guò)變異矩半方差法、盒維數(shù)法(網(wǎng)格法)等不同方法對(duì)各類(lèi)植被的異質(zhì)性特征進(jìn)行分析，得到了荒漠化程度、空間結(jié)構(gòu)特征、物種構(gòu)成等分形特征的量化結(jié)果。

在景觀斑塊分形分析方面，James R.Miller［20］等人通過(guò)對(duì)林區(qū)道路和景觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到林分分維數(shù)與林區(qū)道路密度分維數(shù)之間具有極顯著的正相關(guān)性的結(jié)論;Y.C.Cheng［21］、劉燦然［22］等人分別通過(guò)借助數(shù)字地面模型 (DTM)、RS、GIS等技術(shù)手段，采用三維盒子技術(shù)法、形狀指數(shù)分維數(shù)法等方法，對(duì)我國(guó)臺(tái)灣島、北京等地區(qū)的景觀植被斑塊的分形維度進(jìn)行測(cè)算，并確定了尺度域和尺度效應(yīng)。

在土壤分形分析方面，安韶山［23］、劉愛(ài)霞［24］等人分別通過(guò)研究黃土丘陵區(qū)草原帶、關(guān)中平原公路路堤邊坡樣地的土壤團(tuán)聚體的分形特征及其對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)，得到植被恢復(fù)可降低土壤分維數(shù)、改善土壤結(jié)構(gòu)的結(jié)論。

在分形分析的尺度特征研究方面，申衛(wèi)軍［25－26］、柳錦寶［27］等人分別研究不同尺度范圍的分維數(shù)等指數(shù)變化情況，指出了尺度效應(yīng)圖、尺度轉(zhuǎn)換等問(wèn)題的重要性;Jennifer Moody － Weis［28］等人通過(guò)對(duì)公路兩旁?xún)煞N植物進(jìn)行調(diào)查，首次提出了在大尺度上應(yīng)用動(dòng)態(tài)進(jìn)程是在進(jìn)行物種入侵和滅絕研究中收集精細(xì)尺度數(shù)據(jù)的有效方法。

在景觀生態(tài)學(xué)中，分形指數(shù)可以采用不同方法——如形狀指數(shù)、網(wǎng)格數(shù)、變異函數(shù)等方法進(jìn)行計(jì)算，也可通過(guò)不同方式——地理信息系統(tǒng)和實(shí)地調(diào)研等方式進(jìn)行獲取。而正是由于這種多樣性，使得分形維度指標(biāo)在景觀生態(tài)學(xué)中沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同方法方式得到的結(jié)果之間也不存在換算關(guān)系，無(wú)法規(guī)范相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。在今后的研究中，分形維度指標(biāo)的比較分析和最終統(tǒng)一將是景觀生態(tài)學(xué)中分形理論發(fā)展的一個(gè)重要方向。而這也需要數(shù)學(xué)中分形和生態(tài)學(xué)中異質(zhì)性?xún)煞矫娴膶?zhuān)家學(xué)者共同努力完成。

3 道路綠化現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外的道路綠化的研究?jī)?nèi)容主要在于植被恢復(fù)技術(shù)［29］、護(hù)坡機(jī)理［30］、植物配置［31］及各城市綠化現(xiàn)狀分析［32］等，對(duì)于路域植被群落的生態(tài)恢復(fù)研究并不多見(jiàn)［33］。雖然越來(lái)越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到人工干預(yù)是輔助生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要手段，但是如何快速量化考核路域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)程度、推廣優(yōu)質(zhì)持久的恢復(fù)形式卻并沒(méi)有行之有效的辦法。

我國(guó)關(guān)于道路路域的生態(tài)恢復(fù)研究尚處于起步階段，對(duì)于一些新的理念的研究應(yīng)用［34，35］也多以探討為主，并沒(méi)有進(jìn)行深入量化研究，對(duì)植被生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)認(rèn)識(shí)也較為短淺，過(guò)多追求短期利益。雖然我國(guó)的路域植被恢復(fù)工作在工程結(jié)束后的短期內(nèi)，都能暫時(shí)維持較為良好的效果，但是由于自然或人為的因素，路域生態(tài)系統(tǒng)不穩(wěn)定，很難發(fā)揮長(zhǎng)遠(yuǎn)的生態(tài)效益［36－37］。因此，建立長(zhǎng)期的植被恢復(fù)監(jiān)管和評(píng)價(jià)機(jī)制迫在眉睫。

4 分形理論應(yīng)用于路域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)綜述分形理論在土木工程、規(guī)劃、景觀生態(tài)學(xué)以及地理信息系統(tǒng)中的研究進(jìn)展，可以發(fā)現(xiàn)分形理論在相關(guān)學(xué)科中的應(yīng)用已有一定規(guī)模，分形維數(shù)指標(biāo)可以較好地聯(lián)系微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能并量化評(píng)價(jià)兩者之間的關(guān)系。然而，在路域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)方面，分形理論的應(yīng)用尚不多見(jiàn)。至于分形維度在評(píng)價(jià)路域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)情況的適用性、指標(biāo)與方法、尺度轉(zhuǎn)換以及對(duì)今后的恢復(fù)工程指導(dǎo)管理等方面的研究更為空白。

在道路路域的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)研究中，目前較多的研究著眼于景觀綠化，注重于植被恢復(fù)技術(shù)與管理模式，對(duì)于一些新理念的借鑒引入也不深入。同時(shí)，我國(guó)的道路路域植被恢復(fù)絕大多數(shù)是從綠化著手的，決策者極易受到短期利益的驅(qū)使，只追求短期的表面效果，而對(duì)于植被是否能夠進(jìn)行長(zhǎng)期的自我演替，形成自我維持的生態(tài)系統(tǒng)并不深究。這種速效的假象經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)遠(yuǎn)的生態(tài)危機(jī)，盲目引種速生植物也會(huì)加大人工維護(hù)的難度和費(fèi)用，甚至引發(fā)物種入侵、帶來(lái)嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難。

通過(guò)借鑒分形理論在相關(guān)學(xué)科中的應(yīng)用，希望可以發(fā)揮分形理論在描述不同尺度異質(zhì)性的量化優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于道路路域小生境生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的建設(shè)上。進(jìn)而建立評(píng)價(jià)體系，填補(bǔ)道路路域生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)量化考核方面的空白，推動(dòng)優(yōu)質(zhì)高效持久的路域植被生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)模式模型的推廣，優(yōu)化道路質(zhì)量，美化道路形式。讓短期的單純綠化逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期的生態(tài)效益、社會(huì)效益、美學(xué)效益。

在得到一定的成果之后，將分形理論進(jìn)一步推廣，應(yīng)用到路域范圍中植被、地形、水、建筑(如橋梁、隧道)以及服務(wù)區(qū)等地貌的合理配置與規(guī)劃方面上，將工程中的破壞減小到最少，最大限度地貼近自然，回歸自然。使工程與自然融合，給后人留下具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義的生態(tài)公路。

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