趙君，劉爽，趙朝輝，王愛軍，李鍵，胡喜生

（1.福建農(nóng)林大學(xué) 林學(xué)院，福建 福州 350002；2.福州市公路事業(yè)發(fā)展中心，福建 福州 350002；3.福建省福州市連江公路事業(yè)發(fā)展中心，福建 連江 350002；4.福建農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院，福建 福州 350002）

改革開放以來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的顯著增強(qiáng)，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步入持續(xù)快速發(fā)展通道[1-2]。截至2018年底，我國(guó)公路總里程高達(dá)485萬(wàn)km，位居世界第一[3]。交通運(yùn)輸業(yè)作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性、服務(wù)性產(chǎn)業(yè)[4]，為實(shí)現(xiàn)國(guó)家基本現(xiàn)代發(fā)揮支撐作用和先導(dǎo)作用。近年來，公路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的日益加劇的負(fù)面影響引發(fā)人們的關(guān)注。在道路建設(shè)過程中往往會(huì)破壞山體[5]，引起周圍天然植被群落退化[6-7]，導(dǎo)致水土流失、土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化等問題[8]，使得道路建設(shè)與路域生態(tài)環(huán)境之間高度不協(xié)調(diào)。隨著社會(huì)的發(fā)展，人民生活水平和生態(tài)環(huán)保意識(shí)逐漸提高，對(duì)交通運(yùn)輸建設(shè)提出更高的要求[9]，交通運(yùn)輸建設(shè)開始從“快速發(fā)展”轉(zhuǎn)向“高質(zhì)量發(fā)展”，建設(shè)生態(tài)型公路成為道路建設(shè)的一大目標(biāo)。與國(guó)外相比，我國(guó)生態(tài)型公路建設(shè)起步較晚[10]。生態(tài)型公路指在公路建設(shè)中應(yīng)用生態(tài)學(xué)知識(shí)，充分考慮道路生態(tài)環(huán)境的健康發(fā)展，盡可能減小道路工程對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，并通過綠化邊坡植被以達(dá)到美化公路的效果，從而建成景觀美麗且行駛舒適的公路，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益的協(xié)調(diào)發(fā)展[11-12]。因此，如何平衡道路建設(shè)與路域生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系，提升道路生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)效益，建設(shè)生態(tài)型公路成為實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要問題。

植被覆蓋是表征陸地表面生態(tài)環(huán)境狀況的直接信號(hào)[13]，其時(shí)空演變是路域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)之一[14]。目前，有關(guān)生態(tài)環(huán)境的研究常借助植被指數(shù)和植被覆蓋度來進(jìn)行評(píng)價(jià)，常用的指數(shù)主要包括歸一化植被指數(shù)（NDVI）、比值植被指數(shù)（RVI）、增強(qiáng)型植被指數(shù)（EVI）、綠度指數(shù)（GVI）等[15-16]。其中NDVI指數(shù)對(duì)植被生物物理特性具有較高的敏感性，并且算法精度高，因此被廣泛應(yīng)用于植被動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)研究[17-18]。X136道路位于福建省福州市連江縣，是連江縣交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的一條重要道路。本研究采用多時(shí)相Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)，以連江縣X136路段為例，借助多環(huán)緩沖分析和歸一化植被指數(shù)(NDVI)研究道路建設(shè)對(duì)路域植被覆蓋的影響，對(duì)路域生態(tài)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析和綜合評(píng)價(jià)，以期為道路路域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和植被恢復(fù)提供參考，為進(jìn)一步提出路域生態(tài)修復(fù)措施提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)研究方法

1.1 研究區(qū)概況

X136道路位于福建省福州市連江縣境內(nèi)，區(qū)域內(nèi)地貌類型復(fù)雜，多山地丘陵，地勢(shì)西北高、東南低，屬于中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛。X136道路是連接連江縣城與透堡鎮(zhèn)的交通要道，全長(zhǎng)約18公里，車流量較多，路域植被以針闊混交林為主，是一條典型的穿越低山丘陵區(qū)的縣級(jí)道路。該道路于1954年4月開工建設(shè)，起點(diǎn)位于連江東湖鎮(zhèn)飛石村與104國(guó)道交叉口，終點(diǎn)位于透堡鎮(zhèn)尖墩村，1958年8月份建成通車。截至2016年，此段公路使用時(shí)間已達(dá)設(shè)計(jì)年限，部分水泥砼面板邊角剝落，破損嚴(yán)重，縱橫縫有不同程度拉裂現(xiàn)象，舊路邊溝溝底偏薄，溝墻內(nèi)壁損壞，邊溝堵塞易引起路基沖毀，存在安全隱患。因此連江縣交通運(yùn)輸局于2016年5月對(duì)此路段進(jìn)行改建，以行車安全舒適、排水疏通便利且與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)為原則，采用加鋪和重鋪水泥砼路面的方式對(duì)該路段進(jìn)行改造，并完善排水系統(tǒng)與安保設(shè)施，改建完成時(shí)間為2017年4月。

1.2 數(shù)據(jù)源及預(yù)處理

選用連江縣X136道路改建前（2013年8月4日）、改建中（2016年7月27日）、改建后（2019年9月22日）3個(gè)時(shí)相的Landsat 8 OLI遙感影像作為數(shù)據(jù)源，影像具體信息如表1所示。數(shù)據(jù)下載于地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站，空間分辨率為30 m，3幅影像云量覆蓋少且質(zhì)量較好。利用ENVI 5.1軟件對(duì)影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、裁剪等預(yù)處理，以減少地形、光照和大氣等因素對(duì)遙感影像的影響[19-20]。在ArcGIS 10.3軟件中，借助多環(huán)緩沖區(qū)分析工具進(jìn)行路域緩沖區(qū)設(shè)計(jì)。

表1 研究區(qū)Landsat 8影像信息Tab.1 Landsat 8 image information in the study area

1.3 NDVI指數(shù)計(jì)算

在全球及區(qū)域陸地植被生態(tài)系統(tǒng)時(shí)空變化研究中，歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)是應(yīng)用最廣泛的植被指數(shù)[21-22]，可以指示植被生長(zhǎng)狀況和植被覆蓋狀況[23-24]。NDVI被定義為遙感影像的近紅外與可見光紅光波段的反射值之差除以兩者的和[25]，公式為

式中：NIR表示地表近紅外波段，R表示地表可見光的紅光波段。

NDVI的取值在[-1,1]之間，當(dāng)-1＜NDVI＜0時(shí)，表示地表幾乎沒有植被；當(dāng)0＜NDVI＜1時(shí)，表示植被覆蓋度高，且數(shù)值越大表示植被覆蓋的程度越好。

1.4 路域緩沖區(qū)設(shè)計(jì)

在ArcGIS中，以連江縣境內(nèi)的X136線路段為基準(zhǔn)，每500 m為一間隔，在道路兩側(cè)分別設(shè)計(jì)5個(gè)緩沖區(qū)，探究NDVI基于道路距離的梯度變化規(guī)律，揭示道路建設(shè)對(duì)路域植被的影響。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 道路路域NDVI時(shí)空演變特征分析

為消除不同季相對(duì)植被覆蓋的影響，首先對(duì)3幅影像NDVI進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并以0.2為間隔將其劃分為生態(tài)差、生態(tài)較差、生態(tài)中等、生態(tài)良好、生態(tài)優(yōu)5個(gè)生態(tài)等級(jí)（圖1），隨后統(tǒng)計(jì)研究區(qū)內(nèi)每個(gè)生態(tài)等級(jí)的面積（表2）。結(jié)果表明，2013—2019年間，生態(tài)中等及以下的面積比例由8.1%上升為18.73%。生態(tài)差、生態(tài)中等、生態(tài)良好的面積比例呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中生態(tài)良好等級(jí)的面積比例上升幅度最大，面積比例從2013年的12.86%上升到了2016年的47.79%。生態(tài)優(yōu)等級(jí)的面積比例呈現(xiàn)直線下降，從79.04%下降到33.48%，總體下降幅度超過45%，表明該路域2013—2019年間生態(tài)狀況呈現(xiàn)退化趨勢(shì)。

圖1 路域植被指數(shù)NDVI分級(jí)Fig.1 NDVIclassification of road area vegetation index

表2 X136道路緩沖區(qū)內(nèi)生態(tài)等級(jí)面積比例Tab.2 The proportion of ecological grade area in the X136 road buffer zone

為更加明確研究區(qū)內(nèi)植被時(shí)空變化狀況，利用ArcGIS中的柵格差值工具對(duì)3幅圖像進(jìn)行疊加差值分析，將2016年NDVI圖像與2013年NDVI圖像疊加并相減，得到2013—2016年植被空間變化狀況（圖2a），同理將2019年NDVI圖像與2016年NDVI圖像疊加并相減，即可得到2016—2019年植被空間變化狀況（圖2b）。將差值結(jié)果進(jìn)行重分類（3類），用紅色表示生態(tài)質(zhì)量退化，黃色代表生態(tài)質(zhì)量不變，綠色代表生態(tài)質(zhì)量改善，統(tǒng)計(jì)不同植被變化的面積比例（表3），以此監(jiān)測(cè)2013—2019年間研究區(qū)域內(nèi)植被的時(shí)空變化。研究結(jié)果表明，2013—2016年間，植被退化面積為24.17%，僅有0.30%的生態(tài)質(zhì)量得到了改善，75.53%的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量未發(fā)生變化，因此圖2a以黃色區(qū)域?yàn)橹鳎?016—2019年間，植被退化面積比例為38.24%，相比于2013—2016年，退化面積比例升高了14.07%，僅有56.93%的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量保持不變，4.83%的區(qū)域生態(tài)質(zhì)量下降，圖2b以紅色和黃色為主，表明該區(qū)域2016—2019年間植被遭受到了破壞，生態(tài)質(zhì)量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

表3 X136道路路緩沖區(qū)內(nèi)生態(tài)質(zhì)量變化面積比例Tab.3 The proportion of ecological quality change area in the X136 road buffer zone

圖2 路域植被指數(shù)的變化Fig.2 Changes in road area vegetation index

2.2 NDVI隨著道路緩沖距離的演變特征

分別計(jì)算3個(gè)年份在5個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)的NDVI值（圖3），以揭示NDVI隨道路距離變化的時(shí)空分布差異。圖3顯示，在時(shí)間分布上，2013—2019年NDVI值隨道路距離增加總體上呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，從0～500 m到500～1 000 m緩沖區(qū)NDVI值變化幅度最大，而在其他緩沖區(qū)內(nèi)NDVI變化值僅有0.01或0.02，說明道路建設(shè)對(duì)路域1 000 m內(nèi)的植被破壞較大，1 000 m之外道路建設(shè)對(duì)植被變化影響不大。從空間分布上看，在同一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)NDVI2013>NDVI2016>NDVI2019，其中每個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)NDVI2013比NDVI2019值均高出0.2左右，NDVI2016比NDVI2019值高出0.08左右。2013—2019年NDVI呈現(xiàn)線性下降趨勢(shì)，表明該路線的重建對(duì)道路路域植被產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響，區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量明顯下降。

圖3 NDVI隨著道路距離的變化規(guī)律Fig.3 NDVI changes with road distance

統(tǒng)計(jì)兩個(gè)階段不同緩沖區(qū)內(nèi)植被變化面積比例（圖4a、圖4b），探究路域植被在不同空間的變化規(guī)律。2013—2016年，道路5個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)植被不變面積比例最大，占比在70%左右。前4環(huán)內(nèi)，植被退化面積比例隨距離的增加而減少，由0～500 m的28.45%下降到1 500～2 000 m的21.68%，到2 000～2 500 m植被退化面積略有增加。植被改善面積比例變化不大，在2%～3.5%之間，所占區(qū)域總面積比例非常小，2013—2016年植被變化與道路距離之間沒有呈現(xiàn)顯著的變化規(guī)律。2016—2019年，5個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)仍是植被不變面積比例最大，但是各緩沖區(qū)內(nèi)植被退化面積比例明顯增大，說明道路改建過程中工程建設(shè)破壞路域植被，導(dǎo)致路域生態(tài)退化。2016—2019年相對(duì)于2013—2016年，各環(huán)退化面積比例明顯增加，例如在0～500 m內(nèi)退化面積比例由28.45%上升到42.29%，在2 000～2 500 m內(nèi)退化面積相對(duì)增加較少為8.21%，其余各環(huán)內(nèi)退化面積比例也有不同程度的上升。值得關(guān)注的是，各緩沖區(qū)在2013—2016年改善的面積比例與2016—2019年相比也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，例如在2 000～2 500 m緩沖內(nèi)改善比例升高3.46%，其余緩沖區(qū)內(nèi)改善面積比例也在1%～2%之間，這表明道路改建完成后植被在逐漸恢復(fù)，其中在2 000～2 500 m內(nèi)植被恢復(fù)效果最好。

從總體來看（圖4c），2013—2019年每環(huán)植被變化均為退化面積占比最大，退化的面積比例和與道路之間的距離成反比，距離道路越遠(yuǎn)，植被退化的面積越少。相反，植被不變的面積隨著與道路之間距離的增加而增大。在0～1 500 m的3個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，植被退化所占面積均超過50%，并且以每環(huán)下降4%左右的速度變化，同時(shí)植被不變的面積在這個(gè)范圍內(nèi)也以每環(huán)約4%的速度增加。而在1 500～2 500 m這2個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，植被退化和植被不變的面積基本未發(fā)生變化。植被改善的面積在每環(huán)內(nèi)所占比例均較小，介于1.20%～1.65%之間。

圖4 不同年份各緩沖區(qū)植被變化Fig.4 Vegetation changes in various buffer zones in different years

2013—2016年和2016—2019年兩個(gè)時(shí)間段同一緩沖區(qū)植被面積變化的幅度如圖所示（圖5）。結(jié)果表明，2016—2019年相較于2013—2016年來說，每一環(huán)植被退化面積均有增加，而植被不變面積均有減少，面積變化幅度隨與道路之間的距離不同而不同，總體上呈現(xiàn)植被退化面積變化幅度隨距離的增加而下降、植被不變面積變化幅度隨距離增加而增加的趨勢(shì)。其中，0～1 000 m內(nèi)植被退化面積變化幅度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，植被不變面積變化幅度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與其他緩沖區(qū)呈現(xiàn)的變化相反。到500～1 000 m范圍內(nèi)植被變化面積最大，植被退化面積增加了19.48%，而植被不變的面積下降了21.27%。2016—2019年植被改善面積比2013—2016年增多，整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，增幅在0.8%～3.46%之間。

圖5 2016—2019年較2013—2016年各緩沖區(qū)植被面積變化幅度Fig.5 Changes in the vegetation area of each buffer zones between 2016-2019 and 2013-2016

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

利用2013年、2016年和2019年3幅遙感影像計(jì)算NDVI指數(shù)，通過設(shè)計(jì)5個(gè)緩沖區(qū)，探究連江縣X136線路段生態(tài)環(huán)境狀況和變化趨勢(shì)以及道路建設(shè)對(duì)路域植被的影響，研究結(jié)果表明：

（1）2013—2019年，研究區(qū)NDVI值總體呈下降趨勢(shì)，生態(tài)中等及以下等級(jí)所占面積比例逐年上升，X136線路段路域生態(tài)環(huán)境整體呈現(xiàn)退化的趨勢(shì)。由于2016年道路實(shí)施改建工程，2016—2019年植被退化面積比例明顯高于2013—2016年，道路建設(shè)破壞了路域植被的生態(tài)環(huán)境。

（2）NDVI值隨道路距離增加總體上呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，這種變化在距離道路1 000 m范圍內(nèi)比較明顯。2013—2016年，5個(gè)緩沖區(qū)均以植被不變?yōu)橹?，植被變化與道路距離之間沒有呈現(xiàn)顯著的變化規(guī)律。2016—2019年，各環(huán)緩沖區(qū)植被退化面積比例和改善面積比例均有不同程度地增加，呈現(xiàn)出植被退化面積比例隨道路距離的增加而減少、植被改善面積隨道路距離增加而增加的規(guī)律。從總體來看，道路改建工程破壞路域植被的生長(zhǎng)，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面的影響，這種影響隨著緩沖距離的增加而減小。

3.2 建議

道路建設(shè)對(duì)路域植被造成嚴(yán)重破壞，尤其是在道路路域1 000 m內(nèi)，植被損害效果尤為明顯。道路改建僅僅花費(fèi)不到一年的時(shí)間，但是仍然使得植被退化的面積比例呈現(xiàn)大幅度上漲。由于道路建設(shè)對(duì)土地等環(huán)境的影響，路域植被很難依靠自然界進(jìn)行自我修復(fù)，在短時(shí)間內(nèi)，生態(tài)環(huán)境恢復(fù)到改建前水平的可能性不大。道路建設(shè)等工程建設(shè)對(duì)植被和生態(tài)的影響是不可忽視的，路域生態(tài)的恢復(fù)不僅需要后期的生態(tài)修復(fù)措施，更重要的在建設(shè)中提高生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)。因此建議在追求高質(zhì)量、高效率道路建設(shè)的同時(shí)，樹立“保護(hù)優(yōu)先、改善在后”的意識(shí)，在道路建設(shè)過程中做好植被保護(hù)措施，減少對(duì)植被不必要的損害，尤其是在路域1 000 m內(nèi)做好植被保護(hù)和生態(tài)改善。另外在建設(shè)完成后積極采取路域生態(tài)修復(fù)措施，可根據(jù)公路所處的區(qū)域地理環(huán)境，篩選出適宜種植的鄉(xiāng)土植物，并積極引進(jìn)外來優(yōu)質(zhì)物種，合理配置道路路域植物群落組成；采用喬灌草結(jié)合的種植模式，保障植物群落能夠在低養(yǎng)護(hù)或無(wú)養(yǎng)護(hù)的情況下保持自生自養(yǎng)。道路投入運(yùn)營(yíng)后，需要進(jìn)一步加強(qiáng)路域生態(tài)環(huán)境保護(hù)，通過培養(yǎng)專業(yè)養(yǎng)護(hù)人員定期檢查植物生長(zhǎng)狀況，加強(qiáng)病蟲害和雜草的防治，促進(jìn)路域植被健康生長(zhǎng)，讓生態(tài)修復(fù)措施能夠持久有效發(fā)揮作用。