（交通运输规划与管理专业论文）基于分区的公路路域系统评价研究.pdf

摘要 公路作为一种长距离、大范围的人工景观，其建设和发展促进了我国经济的快速发 展，同时也给生态环境带来了较大的压力，不仅改变了原地区的生态环境，还改变了原 有的景观结构，改变了物流、能流及信息流的传输方式和通道，在公路周边区域内形成 了一个人工与自然复合的生态系统公路路域生态系统。目前，公路生态环境评价的 研究大多侧重于研究公路建设对生态环境造成的影响，其评价一般以定性为主，难以科 学把握路域系统状态，来指导后期施工及运营的生态环境保护工作。鉴于国内高速公路 生态环境问题同益突出的现状，论文开展基于生态区划的公路路域生态系统评价研究。 论文从公路路域生态系统的概念出发，详细分析了路域生态系统的组成、功能和特 征。论文界定了健康路域系统的特征，并对施工期间干扰造成系统退化因子进行了分析。 文中引入区划的理念，对公路路域系统进行分区，为系统评价和风险分析提供了必要的 基础和前提，最后运用系统健康评价和风险评价的理论体系和方法体系，构建了路域生 态系统评价的思路和方法，并将其用于实践，为公路施工生态恢复及后期运营管理提供 了指导依据。 本文以交通部西部科技项目“秦岭山区高速公路建设生态保护技术”课题为实例 支撑，以西汉高速公路( 户洋段) 路域系统为主要研究对象，分析在高速公路路域内施 工建设干扰对路域系统造成的环境影响，并通过评价体系得出了西汉高速公路分区路 域的系统状态。 关键词：公路路域生态系统生态区划健康评价风险评价 a bs t r a c t a sal o n g d i s t a n c e ，l a r g e s c a l ea r t i f i c i a ll a n d s c a p e ，t h er o a d sb u i l d i n gp r o m o t e st h e d e v e l o p m e n to fc h i n a sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，b u ta l s ot h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t h a sb r o u g h tg r e a t e rp r e s s u r e ，n o to n l yc h a n g e dt h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to ft h er e g i o n ，b u t a l s oc h a n g e dt h eo r i g i n a ll a n d s c a p es t r u c t u r e ，c h a n g et h el o g i s t i c s ，e n e r g yf l o wa n dt h ef l o w o fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o na n da c c e s s ，a n dt h er o a ds u r r o u n d i n gt h er e g i o nf o r mac o m p l e x a r t i f i c i a la n dn a t u r a le c o s y s t e m s h i g h w a yd o m a i ne c o s y s t e m s a tp r e s e n t ，t h er o a d e v a l u a t i o no ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta r em o s t l yf o c u s e do nt h es t u d yo fh i g h w a y c o n s t r u c t i o no nt h ei m p a c to ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t ，t h ee v a l u a t i o no fq u a l i t a t i v em a i n l y t ot h eg e n e r a l ，d i f f i c u l tt og r a s pt h es c i e n t i f i cs y s t e m ，a n dt og u i d et h el a t t e rp a r to ft h e c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fe c o l o g i c a la n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nw o r k i nv i e wo ft h e d o m e s t i ch i g h s p e e de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m sh a v eb e c o m ei n c r e a s i n g l yp r o m i n e n ti no u r c o u n t r y , t h i sp a p e rs t u d i e st h eh i g h w a yr e s e a r c hd o m a i ne c o s y s t e me v a l u a t i o nb a s e do nt h e e c o l o g i c a lz o n i n g t h i sp a p e rb a s e do nt h eh i g h w a yd o m a i no ft h ec o n c e p to fe c o s y s t e m s ，a n a l y s i so ft h e w a y d o m a i ne c o s y s t e mc o m p o s i t i o n ，f u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c s i ni n t r o d u c i n gt h ec o n c e p t o fe c o l o g i c a lz o n i n g ，t h eh i g h w a yd i v i s i o nd o m a i ns y s t e mf o rt h ee v a l u a t i o na n dr i s k a n a l y s i ss y s t e mp r o v i d e st h en e c e s s a r yb a s i sa n dp r e r e q u i s i t ef o rf i n a lu s eo ft h eh e a l t h s y s t e mo fe v a l u a t i o na n dr i s ka s s e s s m e n ts y s t e mt h e o r ya n dm e t h o d s ，b u i l tar o a de c o l o g i c a l d o m a i ns y s t e m a t i ce v a l u a t i o no ft h ei d e a sa n dm e t h o d s ，a n du s e di np r a c t i c ef o rh i g h w a y c o n s t r u c t i o ne c o l o g i c a lr e s t o r a t i o na n dp o s t o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n tp r o v i d e sab a s i sf o r g u i d i n g i nt h i sp a p e r , t h em i n i s t r yo fw e s t e mt e c h n o l o g y , ”t h eq i n l i n gm o u n t a i nh i g h w a y c o n s t r u c t i o ne c o l o g i c a lp r o t e c t i o nt e c h n o l o g y ”i s s u ea sa ne x a m p l et os u p p o r tt h ex i h a n h i g h w a y ( h u y a n gd e p a r t s ) a st h em a i nr o a dd o m a i nr e s e a r c h ，a n a l y s i se x p r e s s w a yi nt h e r e g i o no fi n t e r f e r e n c eo nh i g h w a yc o n s t r u c t i o nr o a dd o m a i ns y s t e mo nt h ee n v i r o n m e n t a l i m p a c t sa n de v a l u a t i o ns y s t e ma d o p t e db yt h ex i h a nd y n a s t y t h a tt h es u b r e g i o n a lh i g h w a y s y s t e ms t a t u s k e y w o r d s ：h i g h w a yd o m a i ne c o s y s t e m s ，e c o l o g i c a lz o n i n g ，h e a l t ha s s e s s m e n t ，r i s k a s s e s s m e n t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：繇亚振 劢多年舌月f 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：稻亚振 导师签名： 多少 勿汐8 年6 月j 日 炒扩年6 月日 长安人学硕：l 学位论文 基于分区的公路路域系统评价研究 第一章绪论弟一早三百t 匕 1 1 研究的背景及意义 公路的产生发展与人类经济活动密切相关，公路建设是经济发展的内在要求，公路 的发展对人类社会经济的发展进步，城市的形成起到积极的促进作用。近年来随着我国 国民经济的高速发展，全国各地进行大规模的公路建设项目的规划与建设，公路的发展 已经取得了长足的进步。建国初期我国公路通车总里程只有8 0 7 万公里，截至2 0 0 7 年 底我国公路通车总里程已经增长到3 5 7 3 万公里，其中高速公路5 3 6 万公里【1 1 。有2 1 个省区市高速公路里程超过1 0 0 0 公里，其中，河南、山东两省突破4 0 0 0 公里；江苏、 广东两省突破3 0 0 0 公里。0 8 年我国还将新建高速公路5 0 0 0 公里，完成“五纵七横”国 道主干线系统收尾工作，推进国家高速公路和西部开发8 条省级公路通道建设。公路交 通具有运输机动、灵活，受限制较小的特点，其在综合运输中的地位逐年上升，公路客 运量已占综合客运量的9 1 ，货运量占综合货运量的7 1 ，公路交通已成为区域交通 运输的主体，各地区基础设施建设的重点。 然而随着公路发展速度的加快，建设规模的不断加大，以及人类活动的日益加剧， 自然环境所承受的压力不断加大。高速公路建设在极大地推动国民经济发展的同时，也 带来了严峻的环境问题，如水土流失，生物多样性减少等。目前我国自然生态环境状况 不太乐观，公路建设对自然生态环境的影响更为突出，加之人们对公路生态环境影响不 够重视，使公路交通环境进一步恶化。特别是在我国中西部地区，高速公路多位于山岭 重丘地段，沿线高填深挖，筑路架桥不仅破坏当地的植被，造成水土流失，而且影响到 野生动、植物的生长。随着对生存与发展问题认识的不断深化，人们的生态环境意识逐 渐加强，我国于1 9 9 2 年发表的中国2 1 世纪议程中国2 1 世纪人口、资源、环境 与发展白皮书指出：“可持续发展是中国在未来和下个世纪发展的自身需要和必然选 择”。可持续发展战略的确定以及人类社会逐渐由传统文化向生态文化过渡，表明人类 社会生态价值观的逐步确立，在公路建设活动中将更多地融入生态保护的内涵。 目前我国公路里程、等级已经位居世界前列，但与发达国家相比还有一定的差距。 公路建设是经济发展的需要，加快公路建设，完善路网体系仍是我国现阶段公路建设的 方针，为了保护环境而不修建公路是不切实际的。我国不能再重复发达国家“先污染， 第一章绪论 后治理”的老路，走一条公路建设与生态环境保护相结合的道路，建设与环境协调的公 路交通具有重要的现实意义。有鉴于此，本文以基于分区的公路路域生态系统评价研 究为题，依托交通部西部重点项目秦岭山区高速公路建设生态保护技术研究， 详细分析高速公路建设的生态环境影响，并对路域生态系统进行系统评价研究，把握因 公路建设所造成的生态环境破坏后，公路系统的所处状态，以便更好的把握公路建设对 环境造成的生态影响，并为公路生态恢复技术的实施提供指导意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外对高速公路生态问题的关注起源于上世纪7 0 年代，1 9 7 9 年在维也纳召开的第1 6 届国际道路会议上，与会代表一致认为：新建道路的设计和现有道路的改造，一定要考 虑道路对环境的影响。1 9 9 1 年的摩洛哥1 9 届世界道路大会上，更是把道路建设的环境保 护问题列为大会的议题。目前，国际社会已经越来越强烈地意识到，生态安全是国家安 全和社会稳定的一个重要组成部分；另一方面，现代人们对良好生态的追求，也已经日 渐成为提高生活水平和生活质量的重要组成部分，或者说是成为人生存和发展的目标之 o 随着可持续发展理论的提出，世界各国对于生态环境的可持续发展越来越看重，在 高速公路的规划、设计、施工和营运、管理等环节中，也越来越重视高速公路沿线的水 土保持、绿化等生态环境保护措施，均在高速公路的设计、施工、运行、管理的各个过 程以不同形式加强了生态环境影响的预防和保护。在欧美等发达国家，生态环境保护己 成为社会各界的共识，与自然环境融为一体的公路等交通设施在经济发展和生态环境平 衡中起到了重要作用。1 9 9 2 年欧洲经济委员会提出了战略环境影响评价，1 9 9 5 年开始就 综合交通网发展开展战略环境影响评价试验示范研究，探索出了适合于整个欧洲的一套 较为完善的战略环境影响评价方法和体系，并于2 0 0 1 年3 月开始实施战略环境影响评 价法。 美国二十世纪四十年代自然环境曾一度受到人为因素的破坏，但环境问题很快受到 政府的高度重视，大规模地在全国范围内进行植树种草及水土流失的综合治理，美国环 境得到很大改善，而且制定了相关的法律和环境保护的长期计划。在公路设计中，尽量 避免高填深挖，减少对原地形、地貌的影响【2j ，美国公路的排水设计非常注重环境保护。 同时，美国公路在重点路段两边设有监测系统，对空气质量适时监测，对噪声超标地段 2 长安大学硕士学位论文 设置减噪设施。在公路施工过程中，美国政府对承包商在环境保护方面的要求非常严格， 施工时尽量减少对原有土壤的扰动，开始施工前首先根据原有地表径流并结合设计的永 久排水设施的设置做好临时排水系统，对周围环境有较大影响的路段重点防范。 澳大利亚也非常注重环境保护【3 】【4 】o 在澳大利亚，除了建筑、道路、公共设施等用 地依据功能的不同进行表面硬化外，其他皆由草皮或者森林覆盖。在公路工程建设中， 他们把环境保护落实到所有公路工程项目的各个环节和各个阶段。在澳大利亚，公路设 计部门在设计阶段就十分注意环境保护。为了确保设计的项目能够满足联邦政府制定的 有关环保标准，设计单位必须在项目的可行性研究、初步设计、详细设计等阶段都要做 出环境保护报告。政府部门在设计的各阶段也都邀请环保专家对设计项目做出环境保护 审查报告。在施工过程中的环境保护工作，澳大利亚实行施工单位环境保护资格证制度， 严格施工计划审批制，完善检测制度，认真执行环保标准，在交工前对工程进行环保评 价。 在加拿大，国家和各级政府通过法律来要求公路建设的环境保护工作【5 】。对于公路 建设项目的环境评价，一般均要依据当地的环境评价法来执行，并且还要根据项目的复 杂程度、规模以及对环境的潜在影响，将项目分为四组，每一组需要不同的评价过程、 不同的正式文件和不同的环境评价批复。对于给生态系统不可避免的问题，加拿大政府 对此积极采取措施，将损害等减4 , n 最低限度。在施工过程中，主要采取环境紧急情况、 污染物、防止水土侵蚀、防噪音、动物保护等环保措施。 在瑞典，公路建设和营运过程中的负面影响，对公路沿线环境的影响和破坏得到了 政府高度重视【6 】。国家通过制定明确的公路环保政策，减少公路对环境的影响。通过在 规划和设计阶段实施避免措施、代替措施和减缓措施等环保措施；在施工过程中实施防 治性措施、恢复性措施和补偿性措施等环保措施；在营运和养护阶段实施噪声防治措施、 空气污染防治措施以及水资源环保措施等，来加强对环境的保护。 在德国，公路的建设需要受到自然保护、环境协调评估等有关的环境保护法的约束 【7 】。在公路设计过程中，需要对工程项目中如路基路面、路堑、桥梁、涵洞、防护墙、 排水设施、噪音防护设施采取相应的措施，尽最大可能减少或者避免对环境的有害影响， 对于一些无法避免的侵害必须采取补偿措施。 1 2 2 国内研究现状 在我国，公路生态环境保护在过去一直未引起人们的真正重视，开展公路生态保护 的研究工作起步较晚，研究也多集中在理论水平和美化布局的层次，全面系统的公路生 第一章绪论 态保护建设在理论和实践方面并没有得到必要的重视与关注。 1 9 8 3 年，我国交通部制定颁发了公路标准化美化标准，即g b m 工程，要求道路畅 通、整洁、绿化、美化，道路景物交叉协调，构成流畅、安全、舒适、优美的道路环境。 在新近的公路设计规范中，对公路线形与环境的协调等等作了一些具体的规定和要求。 在高速公路的设计中也考虑了某些生态恢复和景观设计的原则，如注意立体线形的舒 顺，避免大填大挖，保护周围环境、景观和生态平衡等。 从1 9 8 7 年交通部发布交通建设项目环境保护管理办法( 试行) 开始，公路建设 项目的环境影响评价工作正式启动【8 】。随着国家对环境保护方面的不断重视，对国内近 几年来公路建设中的环境保护和公路沿线绿化与景观也逐渐关注起来，一些地方也不同 程度地丌展了一些研究工作，取得了一定成效。交通部于1 9 9 0 年组织制定了“交通建 设项目环境保护管理办法”；1 9 9 2 年后，又先后组织制定了“公路建设项目环境影响 评价规范”【9 】和“公路环境保护设计规范”等一批促进公路交通环境保护工作的法规， 有效地推动了公路环保工作，加强了环境影响评价工作。近年来，许多地区将建设“生 态道路”作为建设目标，并制定了相应的建设方案，一批“生态公路”项目上马，并 陆续取得了不少研究成果。 在公路生态保护理论研究方面，蔡志洲首先提出了路域生态系统和公路生态工程的 概念【1 0 】，并详细分析了公路建设的生态影响；西安公路交通大学的师利明、罗德春 1 2 】 根据生态学理论，针对公路穿过特殊生态环境区时，提出了用植被的生长量、生物量和 物种量三种生物学参数来定量分析公路沿线的生态环境质量现状及公路建设对生态环 境质量影响的方法；曹力媛【13 】综合分析了高速公路在施工和营运过程中对生态环境破坏 和环境污染问题，并从路线的选择设计、施工管理、工程控制、环境管理等方面提出了 相应的控制对策；张智文【1 4 】应用系统工程的原理和方法分析了污染物在环境系统中的输 入输出模式，尝试性地建立了交通环境承载力的动态量化模型；陈爱侠 1 5 l 提出了公路建 设中生态环境保护的设计原则；长安大学的陈红、魏凤虎【16 】在分析高速公路生态系统评 价指标体系研究的基础上，借鉴“压力一状态一响应框架”模型的思路，构建了高速公 路生态系统评价的框架模型。 在公路生态技术研究方面，蔡志洲【1 0 】等对公路立交生态工程设计、公路边坡灌木生 态绿化进行了深入研究；交通部公路科学研究所的科研工作者从生态学角度出发，从设 计、施工和养护，几个植被恢复重要环节进行分析，寻求适宜高速公路路域植被的恢复 设计与施工技术【17 1 ，其中周存秀就生物多样性在路域植被恢复中的应用作了更深入的研 4 长安大学硕卜学位论文 究。中国科学院华南植物研究所生态中心的夏汉平，作了更为细致的工作，具体研究了 香根草生态工程应用于公路护坡的可行性。同济大学陈雨人，提出了公路景观敏感区的 概念【1 8 】，并且给出了基于视觉特性确定景观敏感区的方法。 从上述文献的研究内容可知，大多数内容侧重于高速公路建设、营运对生态环境的 影响方面的研究，只有少数内容是涉及高速公路生态环境影响评价，而且在生态环境影 响方面，大多数内容仅仅停留在定性方面的评价，对采用评价指标对其影响所进行的评 价，也因为其采取指标本身的特性和评价方法的局限性，其评价结果都不足于指导高速 公路的规划、设计、建设、营运和管理。 1 3 研究思路及各章节安排 论文依托秦岭山区高速公路建设生态保护技术课题，结合公路路域生态系统评 价部分，界定出因山区高速公路的修建造成的生态系统破坏，得出系统所处状态，根据 评价结果，对造成系统状态的指标的贡献度进行排序，从而指导生态恢复技术的实施。 在系统状态评价中，通过对评价区域内的各要素分析，引入区划的理念对评价区域 进行划分，分析各区域内影响公路生态系统状态的要素及指标的作用大小，针对不同的 区域建立与之相对应的评价体系，从而得出具体区域内的系统状态。然后，对各区域的 系统状态综合分析，得出整个公路路域生态系统所处的状态层。 在系统风险评价中，针对公路路域生态系统风险源发生的概率、风险事故大小以及 可能产生的后果等多因素分析，给出系统风险的综合评价。并通过分析系统承受各风险 源的区域，确定风险区域的划分，加强公路生态系统的风险防范，从而有利于生态环境 保护。 1 3 1 论文研究技术路线 第一章绪论 图1 1 本文总体研究思路框架图 1 3 2 论文各章节安排 本文共分为六章，第一章是绪论，最后一章是总结，研究主要内容都集中在第二、 三、四、五章。 第二章界定公路生态系统的概念、内涵及特征。从公路路域生态系统概念入手， 阐述公路路域生态系统的结构及功能，并总结了健康公路生态系统的特征。 第三章分析公路路域区域划分问题，提出公路路域生态区划的理论、原则和方法， 并将理论用于西汉高速路实践，得出区划结果。 第四章公路生态系统评价体系研究。分别从系统健康评价和风险评价两方面着手， 对公路路域系统的理论体系、指标体系、方法体系三方面分别进行研究。构造评价生态 系统状态的指标体系，并给出其度量方法，最后运用模糊层次分析法进行系统综合评价。 第五章将公路路域系统评价理论运用于秦岭山区高速公路工程实践，得出西汉高 速公路户洋段建设期总体基本达到稳定状态，并通过分区评价得出秦岭山区各区域系统 6 长安大学硕士学位论文 状态，最后对秦岭山区高速公路系统进行风险分析，有利于路域系统的恢复与管理。 第六章总结 7 第二章公路路域生态系统研究 第二章公路路域生态系统研究 到目前为止，对评价对象公路路域系统的研究，还没有形成成熟的理论和方法 体系。如何科学界定“公路路域生态系统”、路域系统健康的概念? 作为一个人工创造 的生态系统，有哪些特征，与自然生态系统又有什么区别? 这些问题已成为摆在公路建 设者面前的一个重要而且紧迫的课题，同时也是系统评价研究需解决的首要前提。 2 1 公路路域生态系统概念 2 2 1 生态系统1 9 l “生态系统”是英国生态学家坦斯利( t a n s l e ya g ) 于1 9 3 5 年提出来的，是指任 何一个生物群落与其周围非生物环境所构成的综合体。生物自从在地球上出现以来就与 自然环境有着密不可分的关系，长期以来形成了相互依存、相互制约的关系。地球上的 生物十分庞杂，其中包括动物2 0 0 0 万种以上，植物3 0 多万种，微生物1 0 多万种。这 些生物通过新陈代谢不断地与环境进行着物质的交换、能量的传递和信息的交流，从而 适应引起环境与生物自身的变化。生物在长期的进化中对环境有着依附性和适应性，但 生物也不是被动的适应环境，生物也具有其本身独特的遗传性。生物受到环境的影响， 反过来作用于环境。 一个生物物种在一定的范围内所有个体的总和称为生物种群( p o p u l a t i o n ) ：在一 定自然区域的环境条件下，许多不同的生物相互依存，构成了密切关系的群体，称为生 物群落( c o m m u n i t y ) 。随着环境条件的千差万别，地球上出现了各种各样的生物群落( 森 林、草原、荒漠等等) 。而特定的生物群落又维持了相应的环境条件。一旦生物群落发 生变化，也会影响到环境条件的变化。因此，人们把生物群落与其周围非生物环境的综 合体，称为生态系统( e c o s y s t e m ) ，也即生命系统和环境系统在特定空间的组合。 2 2 2 路域生态系统 按照公路建设项目用地指标的规定，高速公路平均宽度一般不超过l o o m ，构 成了一个相对独立的系统。在这个系统中，具备生态系统的组分生产者、消费者、 分解者和非生物环境，前三部分又称为生物组分，其中生产者主要是人工建植的植被和 未被破坏的天然植被，消费者主要是一些昆虫、小型脊椎动物，分解者主要是一些营腐 生生活的细菌和真菌。非生物组分除了包括光、大气、水、土壤等以外，还包括如路基、 桥涵等公路构造物。 8 长安大学硕士学位论文 从系统的角度来解释，我们也可称这一具有特定结构和功能的公路环境为公路生态 系统，从本质来讲，公路建设是人与自然环境之间进行物质与能量交换并保持动态平衡 的过程。它的变化、交流与转化是通过两条渠道来实现的：一方面公路建设活动改变自 然环境，；另一方面自然环境释放某种力反作用于公路。在此过程中，都有一个对方能 否承受，能否保持协调的问题。如果公路建设活动产生的问题超出了自然环境系统的承 受范围，那么自然环境就会失去平衡，从而进一步影响到公路沿线的环境，而建立在其 上的公路交通系统将会发生退化并产生不良运行；只有自然环境系统良好，公路才有良 好的运行条件。新建公路总遇到的切断野生动物迁徙通道，改变物种的生活和生理习性、 水土流失、滑坡等是自然环境对人类工程活动的反馈作用。 从生态学的角度看，公路作为按人类需要建立起来的生态系统，是对原有自然生态 系统的入侵，形成了以交通运输为主体的由公路及其路域环境构成了的一个人工自 然复合生态系统。它是一个开放的不完整的生态系统，只有从其它系统输入能量，才能 维持其自身的运行。首先，自然生态系统是公路建筑的物质基础。其次，由于公路建设 整合了原有自然资源，重塑了新的生态系统，构成了人工与自然复合生态系统。其中有 土地、空气，水等非生物因素，也有植物、动物、微生物等生物因素。这一系统的成分、 结构、演替等，比周围自然生态群落要单纯，比农田等人工生态系统要复杂。其代表性 的特点是外来种属的引进。乔、灌、草、动物等生物多样性的变化。 路域生态系统的结构是指系统内包含的组成部分或子系统。它反映系统空间因素及 其相互作用。路域生态系统分成自然生态系统和人工生态系统两部分【2 0 1 ，两部分又包括： 生物与非生物两方面。 9 第二章公路路域生态系统研究 图2 1路域生态系统结构 1 、自然生态系统 ( 1 ) 生物 植物群落植物群落主要是天然森林，灌丛群落及杂草群落，其类型取决于地带 性的分布规律和地域分布规律，它们是生态系统的主要生产者。 动物群落主要是指天然分布在山区的地带性动物类型，包括陆生、水生的大中 小型动物及飞行鸟类等。 微生物群落主要是指所在区域的空气及土壤中的微生物。 ( 2 ) 非生物 包括与自然生态系统相适应的气候因子，如光照、热量、水分、空气等，还有岩石、 土壤等。 2 、人工生态系统 ( 1 ) 生物 路域人群路域生态系统是具有生物学特性的，因此路域人群主要包括道路的建 设者、道路的使用者及道路的管理者。 人工植被在道路两侧、中央分隔带及周围由人工种植的树木、花草和攀援植物 等，它的主要特性就体现在人为干预上，而非天然生成。 1 0 长安大学硕士学位论文 ( 2 ) 非生物 公路设施包括分布在路域内的路基工程、桥梁工程、隧道工程及互通工程等主 体工程及沿线的交通工程设施。 交通工具运行在路域内的所有交通工具。 环境影响高速公路建设对原有生态系统的环境影响主要体现在两方面：一方面 资源破坏，表现为数量减少，对土地资源的影响( 水土流失) 属于此类；另一方面环境 污染，表现为质量的降低，大气污染、水污染、噪声污染等属于此类。 2 2 路域生态系统的特征 路域生态系统相对人工生态系统或自然生态系统部分而言，是一个整体。在哲学中 整体指由事物的各内在要素相互联系构成的有机统一体及其发展的全过程。在空间上， 整体是事物内在的有机统一体；在时间上整体是事物发展的全过程。路域生态系统的特 征，主要包括如下几方面： 1 时间维 时间维路域生态系统与自然生态系统一样，具有生物学特性【2 1 】，在发育的不同 阶段呈现各异的特点。高速公路的规划和设计阶段可称为是路域生态系统的“孕育阶 段；自将公路构造物实体介入到原有生态系统，路域生态系统就诞生了，并开始成长起 来。施工阶段，是将规划设计的思想付诸实践的过程，是施工单位将设计图纸内容变成 实实在在的构造物的过程，也是人为干扰作用于生态系统最强烈的阶段，也可以说施工 阶段是原生态系统转变成路域生态系统的时期；在高速公路运营阶段，路域生态系统通 过系统内有机体与外界环境不断地进行物质交换和能量传递，排出大量废弃物( 尾气、 噪声等等) ，而这些污染只能依靠人为的正向干扰向外界输出。论文主要对公路建设施 工期公路路域系统状态进行评价。 2 空间维1 2 2 l 公路的自然属性有着明显的地域特征。山区、丘陵区、平原区或是森林、湿地、草 原、沙漠，面对不同的地理条件，公路建设必须采取相应的工程技术措施和不同的环境 保护措施，此所谓因地制宜。不同的公路项目会面对不同的自然地理条件，同一条公路 由于绵延数百公路，所经环境也不尽相同。公路建设要达到公路与自然环境充分融合、 协调统一的目的，则其评价必须在空间上分维，根据不同的自然地理条件选择不同的评 价指标，确定它们的重要性，评价公路建设完成效果和水平。从区域尺度来讲，传统的 第二章公路路域生态系统研究 公路建设按地形分为山岭区、重丘区、平原微丘区，因此从区域大尺度上划分空间维， 我们就不能不将区域生态系统的特征纳入其中。 3 路域边界 按照公路建设项目用地指标的规定，高速公路平均宽度一般不超过l o o m ，显 然高速公路是具有明确边界的实体。在很长的线型地域内，路域生态系统的边界是灰色 模糊的，图2 1 列举了国内外学者对“路域”范围的界定，公路生态学家f o r m a n ( 2 0 0 0 ) 用景观生态学原理对美国麻省的郊区各生态因子影响范围确定路域范围，各因子影响范 围在1 0 0 至1 0 0 0 m ，平均达6 0 0 m 。陈雨人和朱照宏( 1 9 9 6 ) 认为公路改变原来环境的连续 性和整体性，路域则是一个灰色模糊系统，其范围是一个动态范围达到几百米至数公里 ( 陈雨人，朱照宏，1 9 9 6 ) 。我国的公路环境影响评价规范则规定路域评价范围为2 0 0 m 。 本文参考我国公路环境影响评价和国外对公路影响范围的研究成果，结合西部课题秦 岭山区高速公路生态保护技术研究的研究，将路域边界界定为公路两侧2 0 0 m ，桥梁、 互通立交区域可适当扩大范围。 图2 - 2路域生态系统范围的界定 2 3 公路路域生态系统的功能 2 3 1 基本功能 1 2 长安大学硕寸二学位论文 路域生态系统最基本的功能就是系统内部以及系统与外界间的能量流动、物质交 换、物质( 包括人) 交流和信息交换。 1 物质交流( 物质流) 路域生态系统的物质流可分为自然推动的物质流和人工推动的物质流。前者如空气 流动、自然水体流动等，可称作资源流；后者即交通运输等。 路域生态系统的物质流包括人口流、货物流。 ( 1 ) 人口流是一种特殊的物质流。包括人口在时间上和空间上的变化，前者即人 口的自然增长和机械增长；后者是反映路域系统与外部系统之间人口流动中的过往人流 和反映路域内部人口流动的交通人流。 ( 2 ) 货物流是流动过程最为复杂的物质流。它不是简单的输入和输出，其中还经 过生产( 形态和功能的转变) 、消耗、累积及排放的废弃物等过程。 2 能流流动 路域生态系统能量流包括了原生能源( 又称一次能源) 和次生能源。路域生态系统 与自然生态系统一样，其能量流动都要遵循热力学定律。 ( 1 ) 遵守热力学第一、第二定律，在流动中不断的有损耗，不能构成循环( 单向 性) ： ( 2 ) 除部分热损耗是由辐射传输外，其余能量都是由物质携带的，能流的特点体 现在物质流中。但是能量每流过一个能级时，均有一定的损耗。 3 信息传递 路域的重要功能之一，就是输入输出经过加工的、集中的、有序的信息。路域的输 出物中，除了物质产品和废物外，还有信息流。信息流是附于物质流中的，车流、人流 等都是信息的载体。 2 3 2 生态功能 路域生态系统具有作为生物栖息地、减噪、滞尘、净化空气、改善局部气候和景观 等生态功能。 ( 1 ) 作为生物栖息地。随着一系列恢复措施的实施，路域的土壤、植被、湿地等 多种生物( 鸟类、昆虫、两栖类、爬行类、小型哺乳类等) 提供了良好的栖息环境。 ( 2 ) 降低噪音。路域林带能降低噪声，是由于林木能把投射到树叶的噪声反射到 各个方向，造成树叶微震使声能消耗而减弱。其对噪声的衰减量因数目品种、种植方式、 种植密度及季节变化而差别较大。通常林带的平均衰减量用下式估算8 】： 第二章公路路域生态系统研究 a l = k b 式中：a i 林带的平均衰减量( d b ) ； k 林带的平均衰减系数，约为o 1 2 - 0 1 8 ( d b m ) ； 卜噪声通过林带的宽度( m ) 。 ( 3 ) 滞尘。路域生态系统复层结构的绿地在垂直空间上有较大的叶面积和阻挡面， 能减缓气流并促使其中颗粒较大的尘粒沉降，从而有效地减少作为细菌载体的粉尘。据 研究，叶面的滞尘量，棕榈为5 6 4 8 9 9 m 2 ，无花果为4 2 8 3 6g m 2 ，桂花为2 0 1 9 3g m 2 ， 枫香为1 5 7 1 7g m 2 。同时植物自身叶分泌较多的杀菌、抑菌物质。例如油松、白皮松、 云杉、核桃能分泌既可杀死某些球菌又能杀死某些杆菌的杀菌素；紫薇、侧柏、法国梧 桐等能分泌杀死某些杆菌的杀菌素。另外，有些树种可以吸收( 或吸附) 一氧化碳、碳 氢化合物和氮氧化合物等有害气体，以减少道路大气污染的范围。 ( 4 ) 稳固路基。路域生态系统的边坡植被还有稳固根基的作用。研究表明，树冠、 地被植物可以遮蔽雨水，根系可固定土壤，落叶，地被植物可以涵养水源，从而减少和 防止地表水汇集径流，降低雨水冲刷路堤的危害，这种效果在高填方路段更为明显。 ( 5 ) 改善高速公路行车安全条件。路域生态系统中植被还可以改善高速行车安全 条件。譬如，通过视线诱导种植可预示或预告线性变化；通过遮光种植可防止车辆在夜 间行驶对向灯光的炫目：通过明暗适应种植，当汽车进入隧道时，可帮助驾驶缩短对明 暗急剧变化的适应时间；通过缓冲种植，当车体与路外物体发生冲击时，可降低车辆和 驾驶人的损害程度。 ( 6 ) 具有景观功能。道路绿化工程用绿色的乔木、灌木、草合理覆盖两侧的边坡、 分隔带及沿线其他裸地，加上道路两侧天然生长的乔木、灌木、花草及栖息的生物，可 建成一条人工与自然相结合的风景迷人的道路线，令人赏心悦目，使司乘人员在绿色的 世界中得到美的享受2 3 1 。 2 4 公路路域系统健康概念及其退化分析 2 4 1 生态系统健康【2 4 】 生态系统健康可以被理解为生态系统的内部秩序和组织的整体状况，系统正常的能 量流动和物质循环没有受到胁迫、关键生态成分保留下来( 如野生动植物、土壤和微生 物区系) 、系统对自然干扰的长期效应具有抵抗力和恢复力，系统能够维持自身的组织 长安大学硕士学位论文 结构长期稳定、具有自我调控能力，并且能够提供合乎自然和人类需要的生态服务。健 康的生态系统有如下特征：( 1 ) 没有失调症状；( 2 ) 具有良好的恢复力和自我维持力； ( 3 ) 对邻近的生态系统没有危害等。反之，则生态系统出现退化。 评价和诊断生态系统健康的标准包括：活力、恢复力、组织、生态系统服务功能的 维持、管理选择，外部输入减少，对临近生态系统的影响及人类健康影响等8 个方面涵 盖了生物物理，社会经济、人类健康及一定的时间、空间等范畴，作为生态系统健康的 评估和诊断，最重要的是活力、恢复力、组织及生态系统服务功能的维持几个方面。 ( 1 ) 活力( v i g o r ) 活力即生态系统的能量输入和营养循环容量，具体指标为生态系统的初级生产力和 物质循环。在一定范围内生态系统的能量输入越多，物质循环越快，尤其对山区生态系 统来说，高输入可导致一些负面影响，如：水体污染、大气污染、水土流失等。 活力、代谢初级生产力，这是生态系统健康主要指标中最好测量的部分，可用初 级生产力和系统内单位时间的物质流通率来表示。乌拉洛维奇( u l a n o w i c z 0 提出用网络 分析方法进行预测的方法。即计算系统的总产量( t s t ) 和净输入( n i ) 。t s t 即使在 单位时间内沿着各个体的交换途径的物质转移量的简单相加之和。 ( 2 ) 恢复力( r e s i l i e n c e ) 恢复力即胁迫消失时，系统克服压力及反弹回复的容量。具体指标为自然干扰的速 率和生态系统对自然干扰的抵抗力，一般认为，受胁迫的生态系统比不受胁迫的生态系 统的恢复力更小。 恢复力是生态系统维持结构与格局的能力，预测生态系统在胁迫下的动态过程一般 要用计算机模型，诸如林窗动态模型( g a p ) ，生物地球化学循环模型( c e n t l 刀w ) 等。通过这些模型可估算出恢复时间( r t ) 及该生态系统可以承受的最大胁迫( m s 当 生态系统从一种状态转为另外一种状态的临界值) 。恢复力即为m s r t 。 ( 3 ) 组织力( o r g a n i z a t i o n ) 组织力即系统的复杂性，这一特征会随生态系统的次生演替而发生变化的作用。具 体指标为生态系统中的r 对策种与k 对策种的比率，短命种与长命种的比率，外来种与 乡土种的比率，共生程度，乡土种的消亡程度。一般认为，生态系统组织越复杂，生态 系统就越健康。 系统的复杂性指生态系统的组成及途径的多样性，在生态系统演替和进化过程中， 在没有胁迫的情况下，生态系统的物质和能量运转量会增加，但其基本反馈结构会保持 第二章公路路域生态系统研究 稳定。在胁迫下，一个组分的活力增加或减少，会引起其他组分的增加或减少，并通过 各种循环最终会影响到系统本身。 2 4 2 路域系统退化 当生态系统结构和功能变化引起功能减弱或丧失时，生态系统处于退化状态。引起 生态系统结构和功能变化而导致生态系统退化的原因很多，干扰作用是主要原因。由于 干扰打破了原有的生态系统的平衡状态，使系统的结构和功能发生变化并形成障碍，造 成破坏性波动或恶性循环，从而导致系统的退化。 公路施工期对生态环境的破坏主要缘于公路建设对大气、水、土地、植物、动物、 微生物等生态因子的影响。其中尤以对生物、土地、水三因子影响较大，另外考虑到此 三因子是维持生态系统健康的重要因素，又是影响路域生态系统结构和功能的本底指 标，影响对路域生态区域的划分。因此论文主要针对这三者进行分析。 1 生物群落 公路建设对生物群落的影响既有直接影响也有间接影响。公路占地掠夺了生物的栖 居场所，狭长的道路将原有生境一分为二，这种景观格局的改变将直接影响到景观功能， 其结果可能使种群变小，种群之间交流减少，生物多样性降低，从而危急到路域生态系 统的正常演替2 5 1 。在山区，公路倾入溪谷的废渣，占据了动物的栖息和繁殖场所，使其 不能取食、产卵，幼体不能发育，使水生动物种类减少。另外，河道经过冲刷等自然过 程，底质砾石化或泥砂化，群落的回复率在各种环境下不尽相同，甚至一些影响是不可 逆的。 道路的接近效应是公路对生物群落产生间接影响的原因之一。公路对生物群落的间 接影响还反映在：为外来物种提供入侵条件，影响生态系统原有平衡；交通运输污染土 壤、空气、水等环境因子，通过食物链进入生态系统，在食物链顶端产生富积；为疾病 传输提供通道等。在很多情况下，间接影响可能比直接影响对生态系统的破坏性更大， 然而这种影响却常常不被重视，造成很多无法挽回的后果。 2 土地资源2 5 1 公路建设对土地资源的影响一方面表现在土地的占用，另一方面表现为加剧水土流 失。前者在目前技术水平下几乎是无法避免的，而后者是可以通过一定的方式加以减轻 的。 水土流失的不良影响主要集中在施工和运营初期。影响到坡面、河道和河谷，对微 1 6 长安大学硕士学位论文 丘地形，山圆坡缓，顶部风化岩石裸露，直接的淋溶使土壤有机质含量低，粘粒少，结 持力弱。水土流失的直接起因是植被的破坏。据研究，平均l o k m 2 森林每年可储水5 0 0 0 0 一- - 2 0 0 0 0 0 t 。在公路修建后留下的裸地，雨水不是变成地下泉水，而是形成地表径流 7 流失。山区土石方运输不便，坡面和隧道的多余土石方往往就近弃入山谷。会使一些过 水通道被阻塞，季节性的山洪需要另取出路，引起新的水土流失。