青藏公路铁路沿线生态系统特征及道路修建对其影响，本文主要内容关键词为：对其论文,青藏论文,生态系统论文,特征论文,道路论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：X141,P64,P66 文献标识码：A
公路铁路作为人工廊道，对它们的影响研究主要集中在以下几个方面：①经济效应[1]：铁路、公路和运河具有直接的经济效益，能有效地运送货物。②破坏动植物栖息环境，影响物种的传播和迁移［2～4］。③污染与灾害[5,6]。④景观破碎化和边缘效应［7～9］，这方面研究国外多集中在森林－草地边缘地带，国内有森林林窗边缘研究和边缘效应对野生生物正负影响的研究[10,11]。以上研究多以交通干线附近和交通干线本身的研究为主[12]，对生态系统的影响研究还很少。最近，张镱锂[12]等对青藏公路缓冲区土地利用变化进行了较为深入的研究，发现青藏公路建设对研究区的辐射和聚集作用呈“点”状。青藏铁路地处高寒生态脆弱区，自然地理条件复杂[13]。青藏铁路建成段［西宁至格尔木（南山口）］和在建铁路［格尔木（南山口）至拉萨］与青藏公路并行，设计最近距离2km，最远距离16km（注：铁道部第一勘察设计院.新建铁路青藏线格尔木至拉萨段格尔木至唐古拉山口环境影响报告书.2001年2月，兰州.）。对青藏公路的影响研究，主要有冻土研究[14,15]和土地利用变化研究[12]等。青藏铁路建设对生态系统的影响研究才刚刚起步。本研究的目的在于弄清青藏公路铁路沿线整体生态系统结构的基本特征及分区特征，揭示青藏公路铁路建设对高寒生态系统的破碎化影响及破碎化产生的边缘效应，并为进一步的格局－过程研究奠定基础。
1 研究区概况
青藏铁路既有段［西宁至格尔木（南山口）］位于青海省境内，途经西宁市、湟中县、湟源县、海晏县、刚察县、天竣县、马兰县、德令哈市、都兰县和格尔木市。在建青藏铁路格拉［格尔木（南山口）至拉萨］段位于青藏高原腹地，行政区划上跨越青海省海西州格尔木市、玉树州治多县，西藏自治区那曲地区安多县、那曲县，拉萨市当雄县、堆龙德庆县、拉萨市区。线路自格尔木起基本沿青藏公路南行，途经那赤台、五道梁、沱沱河、雁石坪，翻越唐古拉山进入西藏自治区境内后，经安多县、那曲县、当雄县、羊八井至西藏自治区首府拉萨市（图1）。格拉段全长1142km，其中格尔木至南山口既有线改建长29.75km，南山口至拉萨段新建线路长1110.25km。其在青海省境内长594.23km，西藏自治区境内长547.77km。格拉段铁路跨越9个纬度和12个经度；沿线海拔高度2200～5200m；年均降水量40～500mm；极端最低气温-33.6℃，最高气温35.5℃；沿线主要植被生态系统类型包括高寒草甸、草原、荒漠、灌丛和高山植被等。沿线通过地段，只有格尔木至南山口位于柴达木盆地南部边缘，其余地段均处于青藏高原（注：铁道第一勘察设计院.新建铁路青藏线格尔木至拉萨段格尔木至唐古拉山口环境影响评价大纲.2001-04，兰州.）。
图1 青藏公路铁路位置图
Fig.1 Location of Qinghai-Xizang highway and railway
2 资料来源和研究方法
研究的工作底图包括：2001年青藏高原1:100万植被类型图；1:400万青藏高原植被区划图；1:200万青藏铁路沿线自然保护区分布及功能区界调整图；1:100万青藏高原地形图。作者等于2001-08和2002-08进行了两次野外调查，对青藏公路铁路沿线地貌、水文状况及生态系统破坏和恢复情况有整体认识，并按类型作了一部分生物量及群落调查，供计算参考之用。室内进行了工作图的数字化和分析工作，数字化采用快速数字化软件R2V，用ARCVIEW3.2和ARCGIS8.1进行编辑和分析。
本研究区生态系统分类主要以植被类型为依据，沿用原植被类型的名称，并进行适当调整，将沼泽和水体合并为湿地生态系统，栽培植被对应农田生态系统。共分为11种生态系统类型：Ⅰ针叶林生态系统(Needleleaved forests ecosystem)、Ⅱ阔叶林生态系统(Broadleaved forests ecosystem)、Ⅲ灌丛生态系统(Scrubs ecosystem)、Ⅳ荒漠生态系统(Deserts ecosystem)、Ⅴ草原生态系统(Steppes ecosystem)、Ⅵ草丛生态系统(Grasslands ecosystem)、Ⅶ草甸生态系统(Meadows ecosystem)、Ⅷ湿地生态系统(Wetland ecosystem)、Ⅸ高山植被生态系统(Alpine Vegetation ecosystem)、Ⅹ农田生态系统(Farmland ecosystem)和Ⅺ无植被地段(Land Without Vegetation)。
本文对生态系统结构的分析采用景观指数，景观指数计算所采用的Patch Analyst软件是在可持续森林管理网络(Network of Centres of Excellence)和安大略省自然资源中心(Centre for Northern Forest Ecosystem Research)的支持下由Rob Rempel,Angus Carr和Phil Elkie共同开发完成。Patch Analysis所提供的景观指数可达50多个，如何在众多的景观指数当中选取有效的参数是至关重要的问题。Riitters et al.(1995)通过对美国85幅土地利用和土地变化图的研究指出：这50多个指数可以缩减到26个，其中居前6位的指数可以解释87%的变化问题，即我们可以根据研究的具体情况选取最能说明问题的有限个指数来说明问题。本文采用的指标为生态系统类型面积百分比和几个景观指数来分析生态系统整体结构，以青藏铁路（包括既有线和在建线，下同）为中心做1km、10km和30km的缓冲区，对三个尺度进行比较；然后再分区比较；公路铁路建设对生态系统的影响分析采用斑块数量(NUMP)、平均斑块面积(MPS)、平均形状指数(MSI)、斑块面积标准差(PSSD)、边缘密度(ED)和香农多样性指数(SHDI)等指标进行分析。公路铁路建设除对生态系统结构产生影响外，还对植被的净初级生产力和生物量产生影响。青藏高原净初级生产力和生物量的数据来源：主要植被类型生物量采用罗天祥[16]等基于样方调查而获取的数据，净初级生产力数据主要来源于朴世龙[17]等应用遥感影象数据，运用NPP模型——CASA模型计算而得的数据，其余所缺数据依据Whittaker(1975)“地球上各种生态系统的净生产力和生物量”进行插值。
3 生态系统分析
3.1 生态系统结构分析
生态系统结构分析，将使我们认识青藏公路铁路沿线生态系统特征，了解其所在区域的环境状况，为进一步研究其建设对环境的影响工作提供背景资料。
3.1.1 整体生态系统结构分析
以青藏铁路为中心作1km、10km和30km的缓冲区。在缓冲区内（表1），生态系统类型的面积分布呈大体相似的分布趋势，所占比例最高的生态系统类型是Ⅶ草甸生态系统，第二位是Ⅴ草原生态系统，前两者的和超过60%，占较大优势；第三位是Ⅳ荒漠生态系统，占16%左右；其次为高山植被、农田、针叶林、阔叶林、湿地等生态系统。总之，青藏公路铁路沿线植被生态系统呈现以高寒草甸、草原生态系统为主，荒漠生态系统和无植被地段次之，其它生态系统类型为辅的总体特征。值得注意的是，在距离公路铁路较近的生态系统类型组成中，农田生态系统占据了多于6%的比重，随着离铁路距离的增加，比重迅速减少，说明铁路沿线受到较大的人为干扰。
表1 青藏公路铁路沿线生态系统类型面积百分比
Table 1 Area Percentage of Ecosystems alongside Qinghai-Xizang highway and railway
生态系统类型1km
10km 30km
缓冲区% 缓冲区%
缓冲区%
Ⅰ针叶林生态系统0.02 0.29 0.4
Ⅱ阔叶林生态系统 0
0.06 0.04
Ⅲ灌丛生态系统 5.23 4.52 5.19
Ⅳ荒漠生态系统 16.0616.94 18.07
Ⅴ草原生态系统 26.2923.03 18.4
Ⅶ草甸生态系统 38.7840.39 39.68
Ⅷ湿地生态系统 0.4 2.71 3.55
Ⅸ高山植被生态系统 1.8 4.5
6.25
Ⅹ农田生态系统 6.37 2.47 1.29
3.1.2 生态系统分区特征
青藏铁路全线长约2000km，与青藏公路并行，沿途生态系统类型变化较大，在不同地段会遇到不同的生态环境问题，所以青藏公路铁路沿线生态系统的分区研究是非常必要的。
1.分区各生态系统类型面积比较
生态系统分区研究是用青藏高原自然区划图分别与1km、10km、30km缓冲区植被图进行叠加，区划图将植被图分割为六个区，这里称为第一段section1、第二段section2...第六段section6（图2），各分区主要生态系统类型面积所占百分比见表2。
图2 青藏公路铁路沿线生态系统分区图
Fig.2 Ecosystem Regions alongside Qinghai-Xizang highway and railway
表2 各分区主要生态系统面积百分比表
Table 2 Area percentage of the Main Ecosystems in Each Region
计算结果显示：
第一段(sectionl)，占最大优势的是草原生态系统，其次为草甸生态系统、农田生态系统，在30km缓冲区中，灌丛和湿地生态系统占有一定的比重。该段显示了草原地带的景观特征；农田生态系统所占比重从20%（1km缓冲区）锐减到4%（30km缓冲区），说明在草原地带由于自然环境的适宜性和接近于城市等原因，农田生态系统占据一定比重，随着距铁路距离的增加，农田生态系统比例迅速减少；同时，此段穿过面积较大的青海湖，使湿地生态系统比重迅速加大。
第二段(section2)，生态系统类型中荒漠生态系统占到50%左右，其次为无植被地段、草甸生态系统、草原生态系统、灌丛生态系统等。本区穿越柴达木盆地，呈现出典型的荒漠景观。农田生态系统也呈现出随距离铁路越远比重越小的特点。
第三段(section3)，草甸生态系统、草原生态系统占较大比例，其它生态系统类型所占比重较小，显示为高寒草甸草原景观。受自然条件的限制，该段农田生态系统只有在30km缓冲区内有极小比例。
第四段(section4)，草甸生态系统比例在1km和10km缓冲区内，高达80%以上，在30km缓冲区内比例也大于50%；其次为草原生态系统；另外还有一部分高山植被生态系统；其他类型比例很小或没有。
第五段(section5)，1km缓冲区内草甸生态系统比例高达96%，10km和30km缓冲区内草甸生态系统比例也90%左右，另30km缓冲区内还有6.1%的高山植被生态系统，本段属典型的高寒草甸区。
第六段(section6)，生态系统类型以草甸所占比例最大，占46%以上；其次为灌从生态系统、草原生态系统，农田生态系统分布特征与前段相似。整体景观呈灌丛草甸景观。
2.分区各生态系统类型景观特征值比较（以30km缓冲区为例）
30km缓冲区内各段景观指数比较结果（表3）：景观总面积最大的是第三段，面积为30239.77
，其次为第二段26048.703、第一段17050.98、第五段10220.47、第六段10077.11、和第四段8517.06；平均斑块面积最大的是第五段148.12，其次为第三段139.99和第四段119.96；斑块面积变异系数最大的是第五段，其次为第六段和第一段；边缘密度最大的是第六段0.6987km/，其次为第二段和第三段，说明第六段破碎程度最大；斑块面积变异系数最大的是第五段，其次为第六段和第一段，斑块面积标准差也有同样的规律，说明斑块面积离散程度最大的是第五段；平均斑块分维度表示斑块规则性，最不规则的是第四段，其次为第一段、第二段；香农多样性指数表示景观多样性，具有最大景观多样性的是第二段，景观多样性最小的是第五段。
表3 30km缓冲区分区景观指数比较
Table 3 Diagnostic value of landscape within 30km-wide buffer region in each Region
3.2 公路铁路建设对生态系统结构的影响分析
青藏铁路与青藏公路并行，因此在分析青藏铁路对生态系统影响的过程中，不可避免地要涉及到青藏公路，特别是在对生态系统的切割作用上，青藏公路的切割作用在先，青藏铁路的切割作用是在青藏公路切割的基础之上，更加剧了生态系统的破碎化。
3.2.1 公路铁路切割对缓冲区生态系统结构的影响
对比1km、10km和30km缓冲区及其被公路铁路切割后的景观指数（表4）：斑块数量随生态系统被切割有增加的趋势，平均斑块面积减小，边缘密度增加，说明公路铁路的切割使景观更加破碎；斑块面积变异系数在1km缓冲区和30km缓冲区内被切割后减小，说明斑块面积的离散程度减小，在20km缓冲区内先增后减，斑块面积离散程度也先增后减；平均斑块分维度是表明斑块形状规则性的指标，数值越大表示越不规则，1km缓冲区内切割后斑块形状更加规则了，很重要的原因是缓冲区边界切割生态系统，加重了斑块的不规则性；10km缓冲区内，切割后更加不规则了，30km缓冲区内，先不规则后变规则；香农多样性指数有降低的趋势，表明景观多样性降低。
表4 公路铁路切割缓冲区生态系统结构特征值
Table 4 Diagnostic Value of Ecosystem of Qinghai-Xizang Highway and Railway Dividing Buffers
3.2.2 公路铁路切割对不同生态系统的影响（以20km缓冲区为例）
铁路公路切割后，不同的生态系统类型变化有所不同（表5）：斑块数量变化最多的是Ⅻ草甸生态系统、Ⅴ草原和Ⅳ荒漠，其次为Ⅲ灌丛生态系统、Ⅺ无植被地段、Ⅹ农田生态系统、Ⅸ高山植被生态系统和Ⅷ湿地生态系统，其它生态系统类型没有变化；斑块边缘密度增加最多的是Ⅶ草甸生态系统、Ⅴ草原生态系统和Ⅳ荒漠生态系统，其次为Ⅹ农田生态系统、Ⅺ无植被地段、Ⅲ灌丛生态系统和Ⅸ高山植被生态系统，其它植被类型没有变化；平均面积变化量最大的为Ⅴ草原生态系统、Ⅶ草甸生态系统和Ⅳ荒漠生态系统，其次为Ⅹ农田生态系统、Ⅲ灌丛生态系统、Ⅺ无植被地段和Ⅸ高山植被生态系统，说明生态系统结构更加破碎，破碎程度最大的三种植被类型为Ⅴ草原生态系统、Ⅶ草甸生态系统和Ⅳ荒漠生态系统。斑块面积变异系数随公路铁路的修建而减小（Ⅰ针叶林生态系统、Ⅱ阔叶林生态系统和Ⅷ湿地生态系统不变），说明斑块面积的离散程度减小。斑块面积分维度减小的有Ⅲ灌丛生态系统、Ⅸ高山植被生态系统、Ⅹ农田生态系统和Ⅺ无植被地段，说明斑块形状更加规则；分维度增加的有Ⅳ荒漠生态系统、Ⅴ草原生态系统、Ⅶ草甸生态系统和Ⅷ湿地生态系统，说明斑块形状更加不规则；其它类型没变。
表5 青藏公路铁路切割20km缓冲区景观指数变化表
Table 5 Changes of other diagnostic value of ecosystem of Qinghai-Xizang highway and railway dividing 20km-wide bufferregion
3.3 青藏公路铁路建设对植被生态系统净初级生产量和生物量的影响
青藏公路铁路的建设对植被生态系统的影响包括永久性影响和暂时性影响，永久性影响来自永久性用地及部分临时用地（主要为不合理施工造成的不可逆影响），永久性用地是指路基、车站、桥梁、隧道等占地。暂时性影响主要来自临时用地，临时用地是指施工期汽车运输道路、材料场、基地、施工便道及施工场地占地。临时性用地的影响可通过科学的生态措施和有效的管理减小到最小，而永久性占地的影响是不可逆的。公路铁路建设对环境的污染影响主要集中在路两侧1km范围内，对植被最直接的破坏为道路两侧50m范围内，即永久性占地部分。
以青藏公路铁路为中心线作两侧50m的缓冲区，根据各生态系统类型不同的净初级生产力和生物量，计算永久性占地损失的总净初级生产量和总生物量，统计结果见表6：青藏公路铁路永久性占地总计288.83，涉及8种生态系统类型，其中占用最多的是Ⅶ草甸生态系统102.71，其次为Ⅴ草原生态系统76.62和Ⅳ荒漠生态系统62.48。损失总净初级生产量为30504.62 t/a，损失最多的是Ⅶ草甸生态系统18076.22 t/a，其次为Ⅴ草原生态系统6129.95 t/a和Ⅹ农田生态系统3055.83 t/a。损失总生物量432919.25～1436104.3 t/a，损失最多的是Ⅶ草甸生态系统205411.6～616234.8 t/a，其次为Ⅴ草原生态系统153248.8～459746.4 t/a和Ⅹ农田生态系统45400.94～52385.7 t/a。损失总净初级生产量占1km缓冲区年净初级生产量535005.07～535740.11 t/a的百分比为5.70%，占10km缓冲区年净初级生产量3408950.45～3810480.92 t/a的0.80%～0.89%；损失生物量占1km缓冲区生物总量7502971.85～25488342.71 t/a的5.70%，占10km缓冲区总生物量43615065.35～164150665.37 t/a的0.80%～0.89%。
表6 青藏公路铁路沿线两侧50米缓冲区净初级生产量和生物量
Table 6 The primary productivity and biomass within 50km-wide buffer region along two sides of Qinghai-Xizang highway and railway
4 结论
通过以上分析，获得以下结论：
1.青藏公路铁路缓冲区被自然区划界限切为6段，每段呈现不同的景观特征：一段为草原地带特征；二段为荒漠地带特征；三段、四段、五段为高寒草甸地带特征；六段为灌丛草甸特征。
2.缓冲区生态系统中占绝对比重的是自然生态系统；人为景观（农田生态系统）占较小比重，并随距铁路距离增加而呈锐减趋势，在缓冲区一、二、四段都有相似趋势，三段没有人为景观，说明：①种植业受到高海拔的限制。②公路铁路建设促进了人为（种植）活动。
3.30km缓冲区内，第六段破碎程度最大，斑块面积离散程度最大的是第五段，斑块形状最不规则的是第四段，景观多样性最大的是第二段，但总体来讲景观指数没有明显的规律性特征。
4.青藏公路铁路的建设对沿线生态系统的直接影响为切割生境，使生态系统结构更加破碎。生态系统结构的破碎程度有所不同，破碎程度最大的植被类型为Ⅶ草甸生态系统、Ⅴ草原生态系统和Ⅳ荒漠生态系统；斑块面积的离散程度除Ⅰ针叶林生态系统、Ⅱ阔叶林生态系统和Ⅷ湿地生态系统不变外，其余皆减小。
5.计算结果表明：斑块面积变异系数和平均斑块分维度的值的变化在1km、10km和30km缓冲区内的变化没有明显的规律性。
6.青藏公路铁路沿线50m缓冲区内植被全部被破坏，损失总净初级生产量30504.62 t/a，占1km缓冲区年净初级生产量5.70%，占10km缓冲区年净初级生产量0.80%～0.89%；损失生物量432919.25～1436104.3 t/a，占1km缓冲区生物总量的5.70%，占10km缓冲区总生物量的0.80%～0.89%。
7.青藏铁路建设对植被生态系统的影响分为永久性和暂时性两种，永久性占地的影响是不可逆的，临时性占地的影响可以通过工程措施和管理减小到最小。因此青藏铁路建设在合理选线的基础上，生态恢复的重点是临时性用地。
本文仅对青藏公路铁路沿线生态系统特征及道路修建对其直接破坏和对生态系统的永久性影响进行了讨论，道路建设对生态系统的影响远不止这些，尤其是在脆弱的高原面上，其影响也更为复杂和重要。因此可将道路修建造成的暂时影响及其恢复规律，以及道路修建在不同路段上的影响特征作为今后研究的重点。
致谢：基础数据得到中国科学院地理科学与资源研究所张镱锂先生的支持，软件应用得到侯西勇、吕新苗、张学霞、邵小梅同学和河北师范大学刘劲松先生的帮助，在此深表谢意！
收稿日期(Received date):2002-12-20；改回日期(Accepted):2003-06-08。