“格局-過程-功能”視角下交通生態效應研究進展

楊思琪，朱高儒，劉杰，徐洪磊

交通運輸部規劃研究院，北京 100028

中國交通運輸呈逐年增加的趨勢，2020年公路和鐵路總里程分別為5.198×10km和1.463×10km（國家統計局，2021），二者客運量和貨運量占較大比例，在國民經濟發展中的作用日益凸顯。交通基礎設施建設形式可分為點式、廊道式和面狀（陳利頂等，2010），公路和鐵路建設工程通常以線狀、條帶狀等形式開展，與油氣管道、航道等并稱為廊道建設工程（傅伯杰等，2002）。相比其他建設方式，公路和鐵路建設具有距離長、覆蓋范圍廣的分布特點，且途經的生態系統類型多樣，對生態環境產生復雜的影響，成為生態環境保護領域的研究熱點（陳利頂等，2010）。交通基礎設施建設是經濟高質量發展的關鍵，其中陸路交通建設是構成綜合立體交通網規劃的重要基礎。2021年國家發布綜合立體交通網規劃，主骨架布局呈現為“6軸7廊8通道”，實體線網總規模合計約 70萬平方千米，其中鐵路約20萬平方千米，公路約46萬平方千米。公路和鐵路建設將極大促進社會經濟的高質量發展，但其產生的生態環境問題及影響機理仍需要進一步明晰（張景華等，2013；劉志強等，2015）。

公路基礎設施建設對自然環境的破壞主要包括土地利用變化、水土流失、植被受損、動物致死、空氣污染、水污染、噪聲污染等（劉世梁等，2007）。鐵路建設產生的生態效應包括隧道建設導致的重金屬污染（張營周，2020），以及生態脆弱區內引發的水文地質效應（許模等，2021）。在土地利用方面，公路和鐵路造成生境和景觀格局的改變，進而影響生態過程（劉世梁等，2013；王曄等，2015）；在生態環境方面，公路和鐵路建設導致周邊的空氣質量下降，增加了水土流失風險，造成下游水質惡化，影響陸地和水生生態系統（包薇紅等，2000）。交通生態效應直接或間接地作用于生態系統中的土壤水分、地表溫度、土壤溫度等，對植被、動物和整個生態系統產生影響（Spellerberg，2002；Szwalec et al.，2020；劉龍等，2012）。在植被和動物方面，公路和鐵路可能造成群落結構的改變（Lemke et al.，2019），引發動物道路致死和回避事件，影響動物的遷徙行為，威脅生物多樣性保護等（王云等，2010）。

“格局-過程-功能”是景觀生態學的研究范式，3個組分之間存在因果關系，共同貢獻于人類福祉和社會價值的實現，具有重要的理論意義（Potschin et al.，2011）。公路和鐵路構成的交通廊道作為景觀中的關鍵要素，對景觀格局的形成及生態系統服務功能具有重要作用（康世磊等，2017；孫然好等，2021）。交通建設的主體部分可視為景觀中的人工廊道，其與周邊斑塊的動態變化深刻地影響了區域的生態過程及功能。借鑒景觀生態學研究“格局-過程-功能”理論有助于從景觀的角度分析交通建設對生態系統的整體影響，從而在建設前期的規劃比選中預測擬建公路和鐵路的生態環境影響，促進人與自然的和諧以及社會-經濟-自然的可持續發展。本研究基于“格局-過程-功能”的研究范式，在 3個組分下分別分析交通建設產生的生態影響（圖1），以厘清不同作用過程下的影響方式，為交通建設的生態環境管理提供科學依據。

圖1 “格局-過程-功能”視角下公路和鐵路對生態系統的影響Figure 1 Ecological impacts of road and rail on ecosystems under the perspective of “Pattern-Process-Function”

1 交通對生態系統格局的影響

交通建設中公路和鐵路往往需要穿越不同類型的生態系統，對沿線區域的生境質量產生重要影響，導致區域生境退化，產生邊緣效應等（陳利頂等，2010；韓艷莉等，2019），其對生態系統格局的作用機理可以從兩方面闡述，一是對土地利用變化的影響，二是對景觀格局的影響。

1.1 對土地利用/覆被的影響

公路和鐵路建設對土地的占用直接減少了提供生態功能的土地利用/覆被類型面積。交通建設與土地利用之間存在相互影響的關系，除對占用的土地利用類型造成轉變外，對其周圍的土地利用轉化方式也存在不同程度的影響，而且土地利用的變化可以通過影響人類活動方式對交通設施的建設產生促發效應（Martinez，1996）。研究表明全國高鐵建設對耕地和建設用地的軸向變化呈距離衰減特征（何丹等，2021），公路建設是導致有林地向疏林地、有林地到草地轉變的主要影響因子（鄭鈺等，2009）。公路建設對土地利用強度的作用受到類型、距離和時間的影響，等級越高的道路影響范圍越大，如京承高速公路的影響范圍為3—8 km（唐秀美等，2016），而杭嘉湖平原干線公路建設影響最劇烈的區域在周邊200 m處（宋潔，2016）。土地利用與交通之間的相互作用具有反饋關系，其分析方法包括空間分析法和指標體系模型構建法。前者主要通過設置緩沖區分析周邊土地利用轉移狀況（毛蔣興等，2008；張映雪等，2017）；后者通過計算交通可達性，選擇合適的土地利用和交通布局的指標構建指標體系，輸入協調模型等分析二者相互作用的協調性，常用的模型有SE-DEA模型（牟鳳云等，2020）、耦合協調模型等（黃潤森等，2021）。

1.2 對景觀格局的影響

交通廊道是景觀生態學重要組分之一，具有通道、生境、屏障或過濾的基本功能，對景觀中的能量、物質和生物量具有重要作用，同時線路交叉構成的網絡對生態系統有復雜影響（Forman et al.，2003；鄔建國，2007）。交通建設通過改善社會經濟環境，驅動道路結點以及轉變周邊地區的土地利用，促使景觀格局發生變化（劉世梁等，2005）。公路、鐵路建設和運營切割了生態系統，導致生境斑塊破碎化，且部分阻隔了水平生態流及物種遷移，隨時間推移造成整體景觀格局的變化（劉佳妮等，2008）。研究通常采用景觀格局指數和空間相關分析的方法，基于遙感數據和實地踏勘開展。對中國高鐵緩沖區內景觀格局變化分析表明，景觀多樣性指數先增后減，草地和水域復雜程度同樣先增后減，建設用地形狀逐漸復雜（何丹等，2021）。對公路周邊土地利用類型和植被類型進行景觀格局指數分析表明，公路建設將導致主要土地類型的優勢度下降和復雜度增加（吳旻等，2021）。為識別公路對景觀格局的綜合影響，劉世梁等（2005）利用景觀格局指數、土壤侵蝕指數、脆弱性指數進行綜合道路生態風險評估，研究表明道路密度是影響生態風險的重要因素。此外，公路建設作為一種脅迫或干擾對生態網絡的構建與優化具有重要影響（劉瑞程等，2019）。

2 交通廊道對生態系統過程的影響

生態系統過程指連接生物及其環境的物理、化學和生物過程，包括養分循環、能量流動以及種群和群落動態等。交通廊道建設和運營對生態系統過程的作用機理可以從以下四方面闡述。

2.1 對養分循環的影響

公路和鐵路對生物地球化學循環中碳（C）、氮（N）以及重金屬元素循環的影響是交通生態學關注的熱點問題之一。其中，對碳循環的影響主要通過基礎設施建設和車輛運輸活動影響碳源的變化，此外在建設中植被恢復和養護措施可以增加碳匯。交通運輸排出的氮氧化物（NO）是主要的環境污染物質，機動車尾氣排放中的NO污染是影響交通干線道路空氣質量的重要因素之一（黃偉等，2015）。人類活動導致的氮添加顯著影響了陸地生態系統的氮循環，促使具有危害性的酸雨和臭氧的形成，并間接加劇了氣候變化（張志非等，2020）；同時，活性氮的增加可能會提高區域氮可用性而增加生產力，但超過臨界閾值可能對生產力造成負面影響（Hietz et al.，2011；方華等，2006）。對重金屬循環的影響研究主要通過測定公路或鐵路路側土壤中的Zn、Cu、Ni、Cd、Cr和Pb總含量及其生物有效性開展。由于重金屬存在累積效應，通常兩側區域重金屬污染狀況需要經過較長時間方會表現顯著增加，且受到運營期內交通流量的影響（Ró?ański et al.，2017）。對植物影響的研究發現，盡管交通活動顯著增加了植物體內的重金屬含量，但植物也會通過積累不同滲透調節物質來抵抗重金屬脅迫（李晶等，2019）。對于公路路側綠化樹種，由于不同樹種對特定重金屬的積累能力具有選擇偏向性，在種植時應考慮樹種對重金屬的抵抗調節能力（張邦裕等，2021）。

2.2 對水土過程的影響

公路和鐵路建設通過破壞沿線植被和土壤，改變生態系統結構，使原先水土保持能力強的植被逐漸被不透水路面取代，造成區域的水土流失風險增加（田甜等，2010）。建設施工過程會強烈擾動原生土壤，造成養分流失，通過物理和生物化學作用破壞植被形態和結構，減弱植被冠層對降雨的截留作用、根系對土壤的固定作用以及枯枝落葉對土地的覆蓋保護（黃曉冬，2016）。對鐵路的土壤侵蝕強度變化的案例研究表明，施工期土壤侵蝕模數較大，且土壤流失量多出現在汛期，植被恢復期較施工期土壤侵蝕模數明顯降低（賀俊斌等，2021）。對高速公路不同區域的土壤侵蝕案例研究表明，土壤侵蝕量最大的區域為路基工程區、附屬設施區和棄渣場區，其次為施工便道區（於孟元等，2021）。隧道工程的建設過程影響地下水的徑流情況和水系統的平衡，導致水位降低，可能引發地表水枯竭，影響工程安全和生態系統水文過程（荊文等，2020）。總體上，目前對水土過程影響機理較為清楚，但對交通建設和運營造成的土壤侵蝕等的定量研究仍需加強（王云等，2006；劉傳安等，2015），例如，交通施工一方面使土壤的可蝕性增加，另一方面可能使植被因子的保護作用削弱，雙重壓力下土壤侵蝕的范圍和程度需進一步明晰；在氣候變化背景下，極端降雨和交通建設導致的水土流失疊加效應也有待進一步研究。

2.3 對群落演替的影響

生態系統中群落演替的主要變化是物種組成的變化，變化的程度和方向受到其所在環境條件的制約（趙慧等，2007）。公路的景觀通道作用有利于入侵種的進入，改變路側群落結構，并降低群落的整體高度，促使群落發生次生演替（Forman et al.，2003）。對哥斯達黎加采伐區廢棄公路不同區域的群落特征研究表明，公路邊緣區低矮植被最多，公路建設區多樣性最低，但優勢種相對重要性最高，保守估計需要 80年方能恢復到與砍伐再生區相近的生物量，而多樣性則更難恢復（Guariguata et al.，1997）。加拿大沼澤地公路建設對群落演替影響的研究表明，公路對水文過程具有阻礙作用，造成群落演替變化，莎草（Carex aquatilis）和苔蘚（Sphagnum angustifolium）逐步取代黑云杉成為優勢種（Bocking，2015）。由此可見，公路建設對群落演替的影響具有長期性和難恢復性。監測表明，經過近 25年的自然恢復，青藏公路沿線高寒草原干擾跡地土壤有機質含量平均減少61.65%，高寒草甸干擾跡地生物量和未干擾自然草甸相比仍有26.6%—66.4%的差距，青藏公路恢復期生態系統變化可為鐵路建設提供啟示（王根緒等，2004）。

2.4 對動物活動的影響

公路和鐵路運營對動物造成的影響主要包括交通運輸造成的動物致死，阻隔效應導致的動物種群密度降低、生境破碎化、遷徙行為改變等（王云等，2010）。鐵路影響野生動物的方式與公路相似，還包括由于觸電等事故引發的野生動物死亡等。研究表明保護區建設帶來的游客交通需求增加是造成西班牙加泰隆尼亞地區脊椎動物大量死亡的主要原因，此類事件尤其多發在動物的季節性活動時期與游客旅游旺季較為一致的情況下（Garriga et al.，2012）。此外公路建設也對動植物之間的相互作用產生影響，例如通過阻礙蜜蜂的運動限制其對植物的授粉，且道路寬度的影響更顯著（Fitch et al.，2021）。交通運輸產生的噪聲還會影響動物的行為能力，使動物的活動區域縮小，活動領域被重新劃分，導致種群之間的交流減少，動物生境島嶼化，不利于動物的生存與繁殖（唐勤，2013）。也有學者將公路作為動物遷徙行為的影響因素進行分析，研究表明動物的個體重量、群體聚集和覓食習慣可以作為非洲有蹄類動物遷徙反應的預測因子（Duffett et al.，2020）。

3 交通廊道對生態系統功能的影響

生態系統功能是由生態結構和過程產生的各種功效或作用，主要表現在生物生產、能量流動、養分維持等方面。從生物量、生態系統服務、生態足跡角度分析交通對生態系統功能的影響有助于支撐區域生態安全格局的優化。

3.1 對生物量的影響

植被通過光合作用形成生物量是生態系統的重要功能之一。生態系統中可提供生物量資源的類型包括森林、灌木、草地和農田，交通建設直接作用于生態系統類型和質量的轉變，從而對生物量產生影響。目前，較多的研究聚焦于植被生物量的估算，測算方式主要有野外調查和遙感評估兩種。對鼎湖山自然保護區的植被調查分析表明，緊鄰道路兩側群落中的喬木總生物量略高于內部, 表現出邊緣的正效應，其原因可能是由于靠近道路，植被生存空間較大而種間競爭較少（周婷等，2009）。然而，對西雙版納區域不同道路寬度的研究表明，地上生物量的差異同時受土地利用類型、道路寬度和植被到邊緣的距離驅動，較寬道路的邊緣比較窄道路邊緣的地上生物量少（Dissanayake et al.，2019）。基于遙感植被指數的評估方法為研究大尺度的交通影響提供可能。對放牧區域的研究表明，隨著與公路距離的增加，生物量的影響范圍在100 m以內，且隨距離增加生物量變化下降（張陽，2020）。鐵路對生物量的影響主要是施工期對生產性土地的占用（丁小玲等，2010）。可見，交通建設對周邊生態系統生物量的影響因類型、寬度和時間而不同，將野外樣方調查和遙感相結合有助于對生物量變化的準確評估與預測。

3.2 對碳固定等生態系統服務的影響

交通建設對生態系統服務影響主要通過改變土地利用方式。研究表明，公路建設永久性占用林地導致森林生態系統的生物多樣性保護、水源涵養、固碳釋氧、保育土壤等服務功能降低（陳學平等，2012）。通常，自然生態過程形成的邊緣效應將有利于生物多樣性恢復，從而提高生態系統服務；但在交通干擾區域由于小氣候的變化可能會產生相反的效應，這取決于邊緣是否為能維持生態過程的動態邊緣（劉龍，2008）。道路等級是影響生態系統服務的重要因素之一，通常等級較高的公路影響較大（陳學平等，2012；易浪等，2016）。此外，路側綠化帶建設有助于生態系統服務提升，研究表明較寬的綠化帶能提供更多的服務，包括生物多樣性維持、空氣凈化、水質凈化、美學價值等（Phillips et al.，2020）。對京承高速公路的研究表明，其生態影響域約為3 km，生態系統服務價值主要由森林、農田和水域生態系統提供，建設后由于耕地的減少和經濟林比例的提高，區域生態系統服務價值有所提升（楊光，2012）。對蒙內鐵路的研究表明，由于沿線土地利用更多向草地和林地轉變，其生態系統服務價值在5年間有小幅提升（張雷，2020）。

碳固定服務與交通基礎設施建設關系密切，對公路和鐵路周邊植被固碳量的研究，有助于平衡和減緩因交通建設和運輸導致的碳排放量的增加。不同交通建設形式對碳排放量的貢獻通常可采用生命周期法（LCA）進行環境影響分析（Espinoza et al.，2019），生態系統的固碳效應可通過野外調查、遙感指數和模型評估等方式分析。對滬寧G42高速公路沿線區域喬、灌、草固碳量的研究發現，相比灌草而言，喬木單位面積的固碳能力更強，但部分灌木種類固碳能力超過喬木，草本的固碳能力在所有種類中均低于喬灌（Fu et al.，2019）。道路周邊固碳量的計算不僅可與碳排放相結合，評估對局地的影響，也可通過與空氣擴散模型等結合，揭示碳固定的域外效應，從而為碳排放交易等政策的實施提供更準確的結果。

3.3 對生態足跡的影響

生態足跡（ecological footprint）也稱“生態占用”，是指特定數量人群按照某一種生活方式所消費的生態系統功能和服務，在核算中將所需物質轉化成生態生產性的土地面積（Wackernagel et al.，1999）。生態足跡法是衡量城市交通發展帶來生態環境壓力的有效指標（王中航等，2015）。生態足跡法可以定量反映出交通建設和運營中生物資源消費、能源消費以及污染消納對生態環境所造成影響（宮先達等，2012）。研究發現鐵路運輸比公路運輸生態足跡小，具有更好的生態效率（汪勇，2018）。對寶漢高速生態足跡的研究表明，建成后化石能源燃燒和污染物消納的增加超過了地類變化導致的生態容量增加，使人均赤字程度加大（宮先達等，2012）。公路建設導致的生態足跡增加可以通過替代性工程減緩。對蘇南運河航道整治工程前后的研究表明，工程實施可節約土地資源，提高區域生態容量，提升人均生態盈余（劉玉倩等，2017）。交通生態足跡計算不僅包括直接占用產生的生態足跡，還包括間接影響的能源足跡（Canadell et al.，2007；王中航等，2015）。對中國特大城市研究表明，化石能源間接生態足跡在城市交通生態足跡增長中起主要作用（王中航等，2015）。在傳統生態足跡模型的基礎上，將生態系統服務價值納入生態足跡模型，可反映區域人類資源消費對生態系統服務功能的使用（盧小麗，2011）。然而該方法目前較少被用于交通生態足跡的計算。綜上，生態足跡法作為一種有效和靈活的評估方法，可在評估生態系統服務價值的基礎上進一步區分直接占用足跡和能源足跡，以增強交通生態足跡的實踐指導作用。

4 討論和結論

4.1 景觀生態“格局-過程-功能”理念在交通建設中的應用

景觀生態學中對“格局-過程-功能”的研究載體是具有異質性特征的斑塊鑲嵌體，交通基礎設施中的線性部分可視為景觀中的人工廊道，其與周邊斑塊的動態變化深刻影響了區域的生態過程及功能。在理論的啟發下，國內學者借助該理念研究了不同尺度下城市綠色空間規劃的模式和方法（閆水玉等，2018），并對城市綠地系統規劃理論進行深化和應用（孫夢琪，2017），使得該理念應用到指導城市空間規劃的實踐中。陸路交通規劃與城市規劃和土地利用規劃關聯緊密，一方面空間規劃引導公路和鐵路規劃，另一方面交通規劃及其網絡的構建與土地利用產生交互影響，決定著區域的發展方向。因此，“格局-過程-功能”的研究范式可為生態化交通網絡構建和綠色交通基礎設施建設提供理論支撐。通過分析已建和待建交通廊道范圍內景觀格局、生態過程以及生態系統功能的變化，可為交通布局和結構優化提供指導。

4.2 廊道關鍵生態影響識別

在景觀生態學“格局-過程-功能”視角下，對3個組分的關鍵生態效應進行綜述，可為交通生態學的研究提供更系統的支撐。交通廊道對格局、過程和功能均產生影響，但其作用機理不同。格局影響主要表現為直接占用導致的生產性面積下降、對周邊土地利用類型轉化的驅動以及對景觀格局的干擾；過程影響主要表現為植物移除造成的植被-土壤-大氣連續體的破壞、對動物遷徙等行為造成的影響、改變植被和土壤結構導致的養分流失和水土流失等；功能影響主要表現為生物量的變化、供給和調節生態系統服務價值的減損、生態足跡的變化等。相比施工期，交通基礎設施在運營期主要對生態系統過程和功能產生影響，其中對過程的影響主要表現為土壤和植被的重金屬累積、車輛運營導致的動物致死和對動物行為的噪聲干擾、運輸過程中NO增加導致的群落優勢種變化等；對功能的影響主要表現為運輸過程導致的路域溫度增高、風速增大等局地小氣候變化。

4.3 交通生態效應減緩措施

隨著綠色交通全面推進，在交通基礎設施建設的同時越來越注重交通生態保護修復。高速公路建設中進行分層立體綠化修復生態和柔化人工構造物的設計，可以提供自然景觀和動物棲息場所（王棟等，2013）。在將植物與邊坡防護工程有機結合時盡量采用喬灌草多層次植物搭配栽植，根據不同的坡度，選擇合適的植物種類（劉洋洋等，2019）。在邊坡生態修復時，因地制宜選用厚層基質噴播、植物纖維毯、植生袋、灌注型植生卷材、三聯防護網等生態修復技術實現路域植被恢復。緩解公路對野生動物影響的措施主要包括設置動物隔離柵、上跨式或下穿式動物通道等，在設計動物通道時應注重通道數量、位置、類型、尺寸、表面設計、監測系統和配套設施等方面的參數細化（余小林等，2015）。此外，交通基礎設施低碳建造、路域碳匯植被建造、生態敏感區無害化穿（跨）越等技術有助于生態保護恢復。目前國內對交通建設生態效應大多關注交通建設產生的負外部性效應，而較少關注交通設施建設過程中設計優化和保護修復措施產生的正外部性效應。隨著技術的進步和監測數據的可用性增強，可以更好地開展對交通建設的綜合生態效應評估及其動態變化和預測研究。

5 研究展望

交通廊道的建設對生態系統的影響是多方面的，前人的研究多對景觀、植被、動物、水體等生態系統不同對象進行分析，而未從交通干擾對生態系統的作用機制方面進行綜述。本研究借助景觀生態學研究范式，以“格局-過程-功能”的視角，分析不同方面的生態效應，對未來研究建議如下：

（1）加強交通基礎設施對生態系統格局、過程、功能影響的級聯分析。已有研究多關注每個組分下的生態效應，缺乏對三者之間相互影響的探討。未來研究可從交通導致的土地利用變化出發，評估土地利用變化及其與生物/非生物因素結合引起的生態過程變化，以及最終導致的生態系統功能變化。例如，交通建設通過影響地表的入滲和物質遷移導致水土過程的變化，最終影響區域土壤保持服務的供給。

（2）加強交通建設的綜合生態效應分析。已有綜合效應的研究通常采用指數構建的方式，計算時較多采用經驗計算，結果強烈依賴于遙感數據和統計年鑒等數據源的準確性，未與實際情況相結合。未來應加強宏觀與微觀相結合的生態綜合效應研究，深化研究的指導意義。此外，目前交通廊道在建設過程中通常伴有資源節約集約利用和生態保護修復措施，對其產生的正效應需合理量化以衡量總體效應。

（3）加強綜合交通網絡的生態效應研究。目前研究多集中在公路、鐵路單方式單向工程的生態效應，而對廊道內不同方式交通基礎設施之間的相互作用，以及交通網絡對區域環境的整體分割、對生態系統的動態影響、對動植物生存質量的影響的研究較為缺乏。面向綜合交通立體網建設的需要，亟待發展融合多源數據的評估方法，深化交通生態效應機理認識，構建基于空間分析和過程分析的綜合模型，評估未來交通建設帶來的生態效應，為可持續生態交通的建設提供科學支撐。

致謝：感謝李齊麗提供的生態恢復技術建議；感謝Kevin Wang博士對英文摘要的修改。