公路建设论文：小议公路建设的生态损益驱动

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作者：崔超 李绍才 许睿 孙海龙 单位：四川大学生命科学学院 桂林电子科技大学

1公路建设行为特征

空间特征公路是一类线状构筑物，由于其在生态系统中的镶嵌，形成了具有线状特征的路域生态系统，其空间特性十分明显［12］．1）在空间结构属性上，具有连续性、动态性和层次性对公路自身来说，其主要由路基路面、桥涵、隧道、路线交叉、交通工程及沿线设施等几个部分组成，整个构筑体线性延伸，形成具有连续性和动态性的空间结构，并且具有多个空间层次．同时，路域自然、社会生态系统的结构与特征也随着公路线状延伸而在空间上表现出动态、连续与层次性，并且由于物质、能量及信息循环与交流的空间变化，而形成了公路建设行为的空间特征本质．2）在空间功能属性上，具有通道和阻隔双重特征公路建设行为从空间功能属性上来看，沿公路线性分布过程，具有能量流动的通道功能，这种能量流动包括行车的能量传递，也包括自然生物过程的能量流动；同时，在横向方向上，将原有相同的生境类型进行了分割，导致能量、物质、信息传递及流动发生阻隔，因此，公路建设行为具有通道和阻隔的双重特征．时间特征公路建设行为时间特征与空间特征是相互关联的，也是和其行为度量相关联的，即在空间变化过程中，公路建设行为随时间变化也具有一定的特征属性，具有动态性、异质性和衰败特征．基于此，对公路建设行为时间特征进行描述．对公路而言，随着公路的建设和运营，其行为在时间上具有动态属性，随着公路建设行为自身的特征变化而发展．由于建设期和运营期行为特征的不同，在内部也表现出较强的异质性．在建设期，其行为主要是修建公路构筑物，其工程的强度随时间变化而不同；而在运营期，从公路通车运营开始至公路停止运营，其行为的强度主要体现在车流量变化上．建设期，公路建设行为随时间和工程进度推移，其施工强度会逐渐减弱，直至建设期结束，工程行为强度逐渐减弱至消除；运营期，从公路通车运营开始，至公路结束运营，呈现一个先高后低的过程，具有明显的衰变特性．常见情况是在公路开通运营至后续较长时间，该路段车流量会逐渐减少，直至最终该路段运营结束．因此，公路建设行为在时间特征上，其具有动态性、异质性和衰败等基本特征．

2岩土过程

岩土过程生态功能损益分析岩土过程在时间上是建设期工程施工过程，涉及到公路施工沿线的地表土地类型的变化以及纵向上土壤结构和性质的改变，岩土过程可分为开挖、弃土、填方等3个子过程，各子过程中以开挖量、弃土量和填方量等参数描述，是公路占地范围生态损益的一种直接驱动力，在时间上该影响体现在建设期，在空间上根据路段里程不同其影响程度也不同，具有时间的短暂性和空间的动态性，最终该过程的影响于建设期结束而消除．岩土过程驱动力直接作用于公路占地范围动物、植物和民众3个对象．就植物来说，岩土过程在公路占地范围内，将原有植被替换成路堤和路堑，植被覆盖面积随该过程进行逐渐减少，同时植物多样性和生物量均下降，随施工时间推移整个区域植物多样性、覆盖度和生物量逐渐趋于零；植物生态损益影响最终体现在生态服务功能影响方面，包括：气候调节、原材料、气体调节、土壤形成与保护、水源涵养、废物处理、娱乐休闲、食物生产和生物多样性［13－14］．公路占地范围动物则随地表覆盖类型变化，栖息地受到影响，由于植物覆盖降低，依赖植物生存的动物食物来源缺乏，使得该区域动物必须迁徙或消亡，最终导致食物链断裂，使动物食物生产和生物多样降低［15］．对于民众来说，在该区域内，最主要影响为住宅用地或其他生活用地被占用，该部分民众一般会由政府安排搬迁．在该损益度量方面，最终改变的是土地利用类型，以此作为最终生态损益量化参数，可从公路建设项目工程可行性研究的资料整理获得．岩土驱动路径岩土过程分为开挖、取土和填土3个过程，以弃土量、填方量、取土量和开挖量等指标进行度量，该过程与工程施工量直接相关，决定业主在施工期的投入，在公路———社会经济的复合生态系统中，业主经济损益受该过程影响．岩土过程同样驱动公路占地范围内土地利用类型变化，对公路占地范围内生态服务功能造成直接影响．

3景观过程

景观过程生态功能损益分析景观过程在公路建设行为中定义为公路线状构筑物在自然生态系统中的镶嵌，在景观尺度上形成新的路域景观［16］，景观过程主要影响公路沿线生物栖息地形态和面积．景观生态学的基本理论模型包括缀块—廊道—基底．公路建设行为导致缀块改变包括公路主体占地和公路沿线设施，从外貌和性质上改变原有土地利用类型；廊道改变指公路建设行为改变了景观整体基底结构，将原有相同基底的区域划分为两块，具有廊道的阻隔效应；基底改变指公路建设行为改变了公路沿线原有分布最广、连续性最大的背景结构．缀块、廊道和基底的变化能够较全面反应公路建设行为导致的景观变化．以公路路段面积（m2／km）、曲度、里程、路基／桥涵／隧道比等参数描述整个公路建设行为在生态系统的镶嵌，这些参数的变化引起了景观的改变．景观过程对生态损益的影响，其驱动本质是廊道的形成，造成生境破碎化及连通性降低［17］．景观过程表征为对原有自然景观，在廊道、基底和缀块上的改变，在空间上，以里程作为全局动态性衡量参数，在不同里程路段以面积、路基／桥涵／隧道比、曲度作为度量参数．其生态损益影响对象包括公路沿线动植物和民众；对于公路沿线动物来说，主要受影响的是其生境的连通性，种群受到阻隔，迁移通道阻隔，食物来源也因此减少；对于公路沿线植物来说，体现在斑块破碎化方面；对于公路沿线民众来说，受景观过程影响主要是道路的阻隔作用致使可通过性降低．景观过程生态损益驱动过程如图2所示．3．2景观过程驱动路径景观过程是岩土过程在自然生态系统的镶嵌过程．该过程以里程、曲度、面积和路基／桥梁／隧道比等参数度量，该过程在运营期造成公路路域———沿线生态系统的边缘效应带生态服务功能变化，决定边缘效应带的生态损益，最终作用于生态损益对象的受益受损者．

4运营过程

运营过程生态功能损益运营过程指施工过程完成后公路运营的一个长时间尺度生态影响过程．运营过程生态影响主要包括：车辆运行产生的空气污染，导致公路沿线影响带动物、植物和人类生存环境变化；车辆运行带来的噪声污染，导致公路沿线一定范围内的声环境变化；公路路面材料吸热和车辆运行带来的路面热效应，导致公路沿线的小气候变化，影响生物生存环境．整个公路的运营过程是一个长时期复杂的生态影响过程，运营过程的原始驱动力来源于车辆运行，如公路在有大量车辆长时间运行与只有很少车辆通行的情况下，生态影响程度将有很大差别，整个公路运行过程生态影响程度取决于车流量大小，以年车流量（辆／年）作为衡量基本要素．在公路建设项目运营期，公路为路域生态系统，周边与之相邻的是各种类型的生态系统，因此可以引入不同生态系统间的边缘效应理论进行分析．在两个或两个以上不同性质的生态系统（或其他系统）交互作用处，由于某些生态因子（物质、能量、信息、时机或地域等）或系统属性的差异和协合作用而引起系统某些组分及行为（如种群密度、生产力和多样性等）的较大变化，称为边缘效应．对于公路与纵向影响带的边缘来说，由于公路是一个线状结构，其绵延数百至数千公里，将沿线的生态系统进行了分割，使生物的生存环境破碎化［18］，同时在公路的两侧也产生了与公路同长度的两个边缘．与其他的边缘不同，公路有其自身的特点，具体表现在温度、光、噪声和化学污染等方面．在路域生态系统与不同生态系统的边缘效应带内，公路运营期，由于线状构筑物的形成以及行车过程直接驱动边缘效应带的外部环境变化，这些变化对公路沿线动植物、民众具有较明显的影响，主要表现在以下3个方面：温度公路路面增温主要由公路路面土地利用类型变化造成，路面范围内土地利用类型变化是路面吸热增温的驱动要素．其增温过程与日照时间、路面材质、风速和气温等外界环境相关．温度的边缘效应对公路沿线边缘效应带的动物、植物和民众来说，都具有较明显的影响．首先，在植物方面，温度是植物生长的重要条件，温度变化直接作用于植物的生长周期．据文献报告，公路路面增温会导致乔木类植物具有较明显增长，对草本类植物生长影响较小；其次，温度改变作用于动物的生存环境，对边缘效应带动物种类和数量具有一定影响，适应温度变化的动物数量在该区域会有所增加，对温度改变不适应的动物数量将在该区域减少或消失；对公路沿线民众来说，温度变化对其影响不明显．温度边缘效应带的变化具有以下特征：①路域系统的小气候有其自身的分布特征，温度特征主要表现在：投入运营的路域系统中，位于谷底的中央分隔带处的气温通常高于两侧边坡的气温，甚至高于能够代表当地自然状况的坡顶的空气温度．这种特点无论是在晴天、多云还是雨天，都表现得比较稳定［19－20］．②不同下垫面的温度数据分析表明，沥青路面的温度在不同测点都是最高的，路域系统中的植被表面温度最低，土面和石面介于二者之间，且草面温度变化和缓，温度日变化幅度较小．路面增温对动植物、民众影响概念性的表示如下式所示．（式略）式中，ETemp为增温生态服务功能影响，EhT为民众影响，EaT为动物增温影响，EpT植物增温影响。污染物公路路域范围内的主要污染物为粉尘、汽车尾气．其中粉尘、尾气是其特征污染物，其影响面也非常广．粉尘的来源非常复杂，根据有关统计资料，其中主要为：农田占19％，建筑粉尘23％，路面粉尘43％，风蚀引起的尘土5％，其他约为10％．粉尘不仅对沿线生物的生长发育产生不利影响，而且对司乘人员和沿线其他人员也会造成不利影响［21］．汽车尾气，其主要成分为：一氧化碳、二氧化碳、氮氧化合物、硫化物、碳氢化合物（HC）和颗粒污染物等．另一类污染物来源于汽车轮胎磨损，经过降雨冲刷轮胎残留物进入边缘效应带，对边缘效应带土壤和水质具有一定影响［22－23］．根据与路域生态系统相邻的不同生态系统，这些污染传播的范围也不同，如路域生态系统相邻森林生态系统和草原生态系统，粉尘和尾气在森林生态系统传播距离会远小于草原生态系统，同时也与不同区域的气候特点相关［24］．污染物边缘效应对公路沿线的动植物和民众具有一定影响，首先，对边缘效应带内植物来说，污染物中含有的N类营养物，进入效应带导致适应该变化的植物物种增长加快，CO2浓度增加提供植物光合作用来源，但酸性气体在降水过程中，产生酸性较强液体会对公路边缘效应带植物带来较严重的影响；对边缘效应带内动物来说，污染物导致生存环境发现变化，如较多文献分析高速公路非点源污染问题时，提到的水体水质变化致使鱼类生境受到影响；对边缘效应带内民众来说，污染物会导致饮用水质变化影响健康，扬尘和尾气致使空气质量和生活家居卫生受到影响．运营污染对动植物、民众影响概念性的表示如下式所示．（式略）式中，Epollution为运营污染生态服务功能影响，EhP为民众影响，EaP为动物污染影响，EpP植物污染影响．噪声对于公路路域生态系统与其他生态系统来说，噪声是其交接边缘效应带最显著的影响输入之一．运营过程中，不同路段噪声的驱动力来源车流量，其影响条件还与路面、地形、车速和车距相关，理论度量采用《环境影响评价技术导则声环境》（HJ／T2．4－1995）中推荐的噪声预测模式进行预测．噪声对动物和人类有明显的影响，目前文献报道对鸟类研究比较常见，也有部分研究说明了公路噪声影响陆生动物迁徙的影响．国家就人类影响部分指定了相关的标准，对不同区域和时间规定了公路噪声的声级，以及强制性降噪措施和方法．运营噪声动植物、民众影响概念性的表示如下式所示．（式略）式中，EN为运营污染生态服务功能影响，EhN为民众影响，EaN为动物噪声影响，EpN植物噪声影响［25］．公路沿线影响带生态损益驱动过程如图3所示．综合以上分析，公路与沿线不同生态系统交接带存在不同宽度的边缘效应带，由于生态系统与公路路域生态系统的边缘效应带受外界环境影响程度不同，这些边缘效应带生态影响程度也不同．因此，这些边缘效应带的生态损益计算，可以根据不同影响的范围和程度进行分析，但目前生态学发展程度很难清晰的说明这些影响会带来多大的生态损益．本研究以逆向度量方法，消除环境层次的影响源，以此度量生态损益，该部分影响以生态补偿价值量法进行计算，用经济价值直接体现其影响程度．运营过程驱动路径运营过程是公路建设项目运营期的公路生态影响过程，其驱动力来源于线状构筑物形成及车流量，决定路段上小气候、重金属、空气污染、水土流失、噪声和廊道连通性等生态影响的程度，以车流量指标度量运营过程，是公路—社会经济复合生态系统运营期自然生态损益影响的主要驱动力．车流量同时作用于业主收入和政府经济收益，是公路—社会经济复合生态系统运营期社会经济影响的主要驱动力，最终作用于生态损益对象的受益受损者．

5生态损益驱动网络

综上所述，岩土过程最终影响对象是公路占地范围生态损益和业主经济损益，景观过程最终影响对象是公路沿线生态损益，运营过程最终影响对象是公路沿线生态损益、业主经济损益和政府经济损益，如图4所示．从时间和空间特征来看，在建设期，岩土过程驱动起主导作用，其主要驱动源是工程强度，包含开挖量、填方量和弃土量3个驱动度量参数，工程量作用在公路占地范围内生态系统损益和业主经济损益对象上，对这两个对象在建设期的损益起主导作用；景观过程根据岩土过程随时间推移开始运行，在建设期其生态损益由于时间较小，其驱动力不明显．在运营期，运营过程起主要作用，运营过程的驱动源是车流量，车流量对沿线影响带和行政单元范围内，生态服务功能、政府、业主和民众福祉均起主导驱动作用［26］，是运营过程中最显著的驱动要素；景观过程在运营期，其驱动要素包括曲度、里程和路基／桥涵／隧道比，影响整个运营期公路沿线边缘效益带的生态服务功能．

6总结

我国公路总里程从最初的100万公里增长至目前的400多万公里，在20年中增长了4倍，形成了覆盖全国的路网体系，提高了公路运输服务水平，促进了沿线地区的经济发展并取得显著经济和社会效益［13］．但公路建设给沿线生态环境造成的负面影响也在不断增强．公路建设项目损益分析能够使人们站在一个新的层面上来认识生态破坏与经济发展的关系．本研究从公路建设行为出发，基于其与生态系统的相互作用方式，在时间和空间尺度上，对其行为过程、行为特征进行了度量与表征，构建了公路建设项目生态损益驱动特征的量化分析方法与模型及公路建设项目生态损益的驱动网络，能够科学合理地对公路建设行为特征进行有效的表征与度量，在时间尺度和空间尺度上实现公路建设行为损益的有效度量，为公路建设项目生态影响评估与补偿提供依据，可有效协调公路建设与生态保护之间的矛盾，保证区域内和区域间的公平性，促进公路建设的可持续发展．