由于人口的增长以及连通人类居住地的需求，大 量交通网络被建设出来^[1]。道路网络虽然为人类带来 了巨大的经济效益，但是它们也对自然景观和土地利 用造成了很多负面影响，不容忽视。因此，道路对生物 多样性和生态过程影响方面的研究得到不断发展，并 且，一个叫做道路生态学的新兴科学学科被创造出来。

道路生态学的研究可以追溯到20 世纪70 年代， Oxley 等^[2]、Vestjens 等^[3]针对小型哺乳动物和野生动 物研究了道路的影响。20 世纪80年代，道路位置、道 路密度等具有生态学意义的指数开始被定量计算，表 明道路的生态影响研究扩展到了景观尺度。20 世纪 90 年代，道路生态学的研究开始注重道路网络对土 地利用的影响。20 世纪90 年代末期，美国学者开始 将研究的重点转向路网、路网影响带和其相关领域。 进入21 世纪以来，信息技术得到飞速发展，GIS 技术 被运用于道路生态学的研究，GIS 技术的应用不仅为 道路生态学的理论研究提供数据支持和方法，还为道 路生态学的应用提供了空间分析，可行性评价和建设 科学决策等^[4]。

土地利用/土地覆被变化（Land use and land cover change，LUCC）已成为目前国际上全球变化研究的前 沿和热点课题之一^[5]。土地利用反应了人类与自然界 相互影响相互作用的最直接最密切的关系^[6]。根据目 前的研究，导致土地利用发生变化的因素主要分为自 然因素和社会经济因素，对这些因素的研究深化了我 们对土地利用变化驱动因素的了解。但是，在绝大多 数情况下，自然因素相对比较稳定，往往通过改变土 地覆被而间接引起土地利用变化。社会、经济、技术因 素相对活跃，可以通过影响人们在土地利用上的决策 对区域土地利用变化产生直接影响^[7]。人类对土地利 用的影响程度与社会经济的发展水平是一致的，对荒 地的不合理开垦，对草原的破坏以及对森林的滥砍滥 伐等土地利用方式会引起水土流失、泥石流、河流泛 滥、土壤盐碱化、沼泽化、沙漠化等不良的土地利用方 式。在道路对土地利用的影响方面，国外主要选择受 人为活动影响较少的小尺度进行研究，而国内对该方 面的研究则都分散于一些相关研究中，总体来说，区 域道路网络对土地利用的影响分析并不多见。

生态系统的自我维持是有限度的，这个限度就是 生态阈值。当生态系统受到的外因力影响超过其阈 值，生态系统就会发生根本性的变化，原有的生态平 衡将被打破，需要发生演替，建立新的生态平衡。同 样，道路网络的建设在导致生态系统发生退化的同 时，它也会导致生态系统发生演替。如果道路网络的 密度超过生态系统能够承受的限度，则路网就会迫使 生态系统发生改变。尽管将阈值概念引入生态学的历 史已经有30 多年，并且一直是学者们关注的热点，但 是道路对于生态系统影响的阈值研究较少。国外在该 方面的研究几乎为空白，国内郑钰等^[8]通过云南纵向 岭谷区路网密度与生态系统转换（1980—2000 年期 间）的多尺度空间相关分析，研究了路网对生态系统 的影响及其阈值，但是并没有区分出道路网络的影响 范围。刘世梁等^[9]研究了道路与土地利用格局变化的 关系，揭示了不同道路类型对区域生态安全的影响， 但是并没有研究整体道路网络对生态系统的影响。

本研究将根据缓冲区分析的结果首先界定道路 对土地利用的影响范围，在影响域范围内研究了土地 利用变化面积指数与路网密度之间的相关性，并在此 基础上通过最邻近法对DEM 数据进行重采样，提取 得到不同尺度下的高程、坡度和坡向数据，从而分析 了不同尺度下土地利用类型转换的地形特征。最后采 用路网密度均值来确定影响土地利用类型变化的道 路网络密度阈值。 1 研究区概况

福建省的地理位置处于23°30′~28°22′N，115° 50′~120°40′E，属于我国东南沿海地区，与浙江省、江 西省和广东省接壤，土地总面积达12.4 万km²，其中 90%的陆地面积为丘陵、山地。全省大部分地区属于 中亚热带，闽东南部分地区属于南亚热带，降水充沛， 光照丰富。福建省森林覆盖率达到65.95%，高居全国 榜首，同时，该省的矿产资源和植物种类相当丰富，这 些独特自然资源的形成都有赖于其优越的地理气候 条件。福建省的公路密度均值达每百平方公里32.43 km，排在全国第五位。总体来说，福建省是一个森林 覆盖率高、路网密度大的省份。因此，为了探讨道路网 络对土地利用的影响，本研究选取福建省作为研究 区域。 2 材料与方法 2.1 数据来源

2000 年和2010 年的土地覆盖类型数据来自于 《全国生态环境十年变化（2000—2010 年）遥感调查 与评估项目》。DEM 数据来自于http://srtm.csi.cgiar. org/SELECTION/inputCoord.asp下载的SRTM 数据（90 m*90 m）。道路矢量数据来自于交通网全国道路数据，涵盖了整个福建省的国道、省道、高速、铁路、城市 快速路、乡镇村道和县道。 2.2 数据处理 2.2.1 空间网格数据

选取福建省为研究区域，分别建立200、400、600、 800、1 000 m 的网格作为5 个不同的研究尺度，并基 于这5 个不同的研究尺度分别建立其空间属性数据 库。数据库中包括以下数据：道路网络密度、土地利用 类型变化面积指数、高程、坡度和坡向。 2.2.2 道路网络密度数据

文中所提到的道路网络密度是指每个网格内各 级道路的单位面积总长度。文中所使用的各级道路网 包括：省道、国道、高速公路网、县（乡）公路路网、乡村 路网以及小路网。每个网格内，道路网络密度的计算 公式为：

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土地利用类型变化面积指数是指2000—2010 年 间土地利用类型变化的面积占网格面积的百分比。

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根据DEM 数据，采用最邻近法重采样得到200、 400、600、800、1000m栅格大小的DEM，再利用GIS软 件分别提取出不同尺度下的高程、坡度和坡向数据。 2.3 研究方法

本研究通过对道路网络制作不同宽度的缓冲区 来识别路网的影响范围，并在其影响范围内利用空间 网格方法建立200、400、600、800、1 000 m这5个尺 度的栅格，根据公式（1）和（2）分别建立包括道路网络 密度和土地利用类型变化面积指数在内的属性数据 库，利用SPSS 软件的Pearson 相关分析方法计算道 路网络密度与土地利用类型转换面积指数之间的相 关性系数，研究两者之间的相关关系。同时，通过最邻 近法对DEM 数据进行重采样，得到不同尺度下的高 程、坡度和坡向数据，用于分析不同土地利用类型转 换的地形特征。最后采用路网密度均值来确定影响土 地利用类型变化的道路网络密度阈值。 3 结果与讨论 3.1 道路网络的缓冲区分析

对道路网络分别制作200，400，600 m…2 200 m 宽度的缓冲区（单侧宽度），并基于《全国生态环境十 年变化（2000—2010 年）遥感调查与评估项目》提取 出的土地利用数据，将研究区的所有土地利用类型划 分为林地、灌丛、草地、湿地、农田、建设用地和未利 用地，利用GIS 软件的空间叠置功能得到10 年间土 地利用的变化情况，提取出不同宽度的缓冲区范围内 的土地利用变化面积，并得到其变化趋势。变化趋势 如图 1。

图 1 土地利用类型变化面积趋势图 Figure 1 The trend of land use types'changing areas

图选项

从图 1 可以看出，在200~1 000 m范围内，随着 缓冲区宽度的增加，土地利用的变化面积呈现波动上 升的趋势，在1 000 m以后的范围内，随着缓冲区宽 度的增加，土地利用的变化面积虽有较小的上升趋 势，但趋势不明显，增加幅度很小，总体呈现平稳状 态。因此，将1 000 m作为道路的影响范围，即在超过 1 000 m范围后，道路对土地利用的影响微弱或几乎 没有影响。 3.2 道路网络密度与土地利用类型变化面积指数之间的相关性系数

在道路网络影响范围内，选取变化面积较大的9 种土地利用转变类型，依据公式（1）、公式（2）分别计 算不同尺度下道路网络密度和土地利用类型变化面 积指数，并对两者进行相关分析。如果路网密度与土 地利用类型变化面积指数的相关性显著，则说明路网 密度是导致土地利用转变的一个影响因素。如果上述 两者间为正相关关系，则随着路网密度的增加，土地 利用变化的面积也会增加。反之，如果上述两者为负 相关关系，则随着路网密度的增加，土地利用变化的面积会减少。如果二者之间的相关性显著且相关程度 较高，则路网密度是导致土地利用发生转变的主导因 素之一；如果二者的相关性显著但相关程度不高，则 路网密度是导致土地利用发生转变的影响因素之一， 但不是主导因素；如果二者的相关性不显著，相关程 度也不高，则路网密度不是导致土地利用发生转变 的原因。

从图 2 可以看出，在道路网络影响范围内，随着 尺度的增大，道路网络密度与土地利用转换面积指数 之间的Pearson 相关系数总体呈上升趋势，这是由于 尺度越大受城镇向外扩张的影响也就越大。道路网络 密度与土地利用转换面积指数之间具有以下3 个特 征（表 1）：

图 2 路网密度与土地利用变化面积指数之间的相关性分布图 Figure 2 The distribution of correlation between the road network density and ecosystem transformation

图选项

表 1 各尺度下道路网络密度与土地利用转换面积指数的相关性（Pearson 相关系数） Table 1 Correlation between road network density and ecosystem transformation under multi-scale

表选项

（1）弱相关：灌丛向林地、灌丛向农田以及农田向 林地转变时，土地利用转换面积指数只在几个尺度下 与道路网络密度显著相关，不具有普遍的尺度效应， 并且相关程度非常低，因此，两者属于弱相关，即道路 网络密度是影响这3 类土地利用转变的因素之一，但不是主导因素。

（2）强相关：林地向建设用地、灌丛向建设用地、 湿地向建设用地以及农田向建设用地转变时，土地利 用转换面积指数在所有尺度下与道路网络密度显著 相关，具有普遍的尺度效应，并且相关程度较高，因 此，两者属于强相关，即道路网络密度是影响这4 类 土地利用转变的主导因素。

（3）不相关：林地向农田以及农田向灌丛转变时， 土地利用转换面积指数在所有尺度下与道路网络密 度都不显著相关，并且相关程度非常低，因此，两者属 于不相关，即道路网络密度对这2 类土地利用转变没 有影响。 3.3 地形特征分析

根据道路网络密度与土地利用变化面积指数之 间的相关分析结果，道路网络是导致林地转变为建设 用地、灌丛转变为建设用地、湿地转变为建设用地以 及农田转变为建设用地的主要原因。因此，制作不同 尺度下道路网络影响区内的海拔、坡度和坡向图（图 3），并选取林地向建设用地的转变、灌丛向建设用地 的转变、湿地向建设用地的转变以及农田向建设用地 的转变来分析不同研究尺度下道路网络影响区内的 海拔特征、坡度特征和坡向特征。

图 3 道路网络影响区域的高程、坡向和坡度图（以400 m×400 m尺度为例） Figure 3 The map of elevation,aspect and slope in the areas impacted by the road networks（Using the scale of 400 m×400mas an example）

图选项

从土地利用发生转变的高程来看，当林地转变为建设用地时，高程主要集中在230~360 m 之间；当灌 丛转变为建设用地时，高程主要集中在100~180 m； 当湿地转变为建设用地时，高程主要集中在60~100 m；当农田转变为建设用地时，高程主要集中在110~ 200 m（表 2）。随着研究尺度的增大，土地利用发生转变的区域所对应的高程均逐渐趋于平稳；在相同的尺 度下，林地向建设用地转变的区域具有最大的高程， 湿地向建设用地转变的区域具有最小的高程（图 4）。

表 2 不同尺度道路网络影响的地形特征 Table 2 The characteristics of terrain impacted by the road networks at different scales

表选项

图 4 道路网络影响区域内的高程分布图 Figure 4 Distribution map of elevation within the region impacted by road networks

图选项

从土地利用发生转变的坡度来看（表 2），土地利 用发生转变的区域所对应的坡度均在7°以下，根据 《水土保持综合治理规划通则GB/T 15772—1995》， 该区域属于平坡和较缓坡。

根据坡向分级，-1毅为平面，0°~22.5°为正北坡， 22.5°~67.5°为东北坡，67.5°~112.5°为正东坡，112.5°~ 157.5°为东南坡，157.5°~202.5°为南坡，202.5°~247.5° 为西南坡，247.5°~292.5°为西坡，292.5°~337.5°为西 北坡，因此，从土地利用发生转变的坡向来看（表 2）， 土地利用转变均发生在南坡（158°~180°）。 3.4 道路网络影响土地利用的阈值分析

选取以下相关程度较高的土地利用转变进行研究：林地—建设用地、灌丛—建设用地、湿地—建设用 地以及农田—建设用地。在不同研究尺度下，由于影 响土地利用类型变化的路网密度在空间上分布不均 匀，并且各个网格内的路网密度都不相同，因此，采用 路网密度的均值来确定影响土地利用类型变化的路 网密度阈值。

根据表 3，林地—建设用地、灌丛—建设用地、湿 地-建设用地以及农田—建设用地的区域范围内，路 网密度的阈值（km·km^-2）随着研究尺度的增大没有明 显变化，表明路网对土地利用的影响并未随着研究尺 度的增大而有所减弱。其中，林地转变为建设用地时 的路网密度阈值为1.98~2.27 km·km^-2；灌丛转变为建 设用地时的路网密度阈值为2.29~2.92 km·km^-2；湿地 转变为建设用地时的路网密度阈值为2.61~3.01 km· km^-2；农田转变为建设用地时的路网密度阈值为 2.23~2.98 km·km^-2。在相同尺度下，林地转变为建设 用地时的路网密度阈值最小，湿地转变为建设用地时 的路网密度阈值最大，表明在这4 种土地利用类型 中，森林生态系统的抵抗力稳定性最大，而湿地生态 系统的抵抗力稳定性最小。

表 3 道路网络密度统计表（km·km^-2） Table 3 The statistics of the density of road networks（km·km^-2）

表选项

（1）道路网络对土地利用的影响范围为1 000 m， 超过1 000 m后，道路网络对土地利用的影响微弱或 几乎没有影响。

（2）根据福建省路网密度与土地利用变化（2000— 2010 年）的相关分析结果，路网密度与以下几类土地 利用变化的相关程度较高：林地转变为建设用地、灌丛转变为建设用地、湿地转变为建设用地和农田转变 为建设用地，即道路网络是影响这4 类土地利用转变 的主要原因，由于道路网络引起了两侧城市化和人类 活动的加剧，从而使得土地利用主要向单一的建设用 地转变。

（3）从土地利用发生转变的高程来看，随着研究 尺度的增大，土地利用发生转变的区域所对应的高程 均逐渐趋于平稳，其中，当林地转变为建设用地时，高 程主要集中在230~360 m；当灌丛转变为建设用地 时，高程主要集中在100~180 m；当湿地转变为建设 用地时，高程主要集中在60~100 m；当农田转变为建 设用地时，高程主要集中在110~200 m。在相同的尺 度下，林地向建设用地转变的区域具有最大的高程，湿 地向建设用地转变的区域具有最小的高程；从土地利 用发生转变的坡度来看，土地利用转变均发生在坡度 7°以下，属于平坡和较缓坡；从土地利用发生转变的 坡向来看，土地利用发生转变的区域主要位于南坡。

（4）从路网密度的阈值来看，林地转变为建设用 地时的路网密度阈值为1.98~2.27 km·km^-2；灌丛转变 为建设用地时的路网密度阈值为2.29~2.92 km·km^-2； 湿地转变为建设用地时的路网密度阈值为2.61~3.01 km·km^-2；农田转变为建设用地时的路网密度阈值为 2.23~2.98 km·km^-2。在相同尺度下，林地转变为建设 用地时的路网密度阈值最小，湿地转变为建设用地时 的路网密度阈值最大，表明森林生态系统的抵抗力稳 定性最大，而湿地生态系统的抵抗力稳定性最小。在 不同的尺度下，路网密度的阈值没有明显变化，表明 路网对土地利用的影响并未随着研究尺度的增大而 有所减弱。