張仕超，李治猛，魏朝富，張衛(wèi)華，邵景安

(1.西南大學(xué)a.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.資源環(huán)境學(xué)院，重慶400715;2.重慶高新工程勘察設(shè)計(jì)院，重慶400042;3.重慶師范大學(xué) 三峽庫區(qū)山地生態(tài)與區(qū)域發(fā)展研究所，重慶400047)

0 引言

道路是一種疊加在原有自然生態(tài)系統(tǒng)之上的典型線狀人工廊道，既分割人地系統(tǒng)又使之緊密連結(jié)在一起，具有通道和阻隔的雙重作用［1-4］，同時(shí)道路也是一種土地利用景觀類型，其等級(jí)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)特征對(duì)局地景觀的生態(tài)過程和鄉(xiāng)村格局的重塑過程有著強(qiáng)烈影響，反映了土地高效集約利用程度［5-7］。道路體系是具有一定結(jié)構(gòu)和功能的完整系統(tǒng)，高速公路、鐵路、國(省)道或縣道等高等級(jí)道路，主要連接城市、城鎮(zhèn)、旅游區(qū)等人口集聚區(qū)或經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)，是國際與國內(nèi)等跨區(qū)域信息、物質(zhì)、能量流動(dòng)的重要?jiǎng)恿~帶，功能相對(duì)單一，而農(nóng)村道路主要將分散的村莊、農(nóng)村居民點(diǎn)、場鎮(zhèn)等人口密集區(qū)以及農(nóng)田、坑塘和水庫等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)捆綁連接［8］，以服務(wù)于局地農(nóng)民農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常社交活動(dòng)，其功能復(fù)雜多樣［9-10］。同時(shí)，與鑲嵌于復(fù)雜多變地貌類型區(qū)的高等級(jí)道路相比，低等級(jí)道路在有限的人力、物力、資金、技術(shù)條件約束下，主要受區(qū)域微地貌空間單元差異限制，其空間格局與網(wǎng)絡(luò)特征具有很強(qiáng)的區(qū)域性［11-12］。道路網(wǎng)絡(luò)在調(diào)控區(qū)域間物質(zhì)、信息和能量傳遞路徑與效率的同時(shí)，對(duì)局地田—水—林—村等自然人文景觀生態(tài)過程產(chǎn)生更為直接的作用［13-16］，從而又反作用于道路網(wǎng)建設(shè)機(jī)制的完善。為此，研究地貌形態(tài)對(duì)農(nóng)村道路體系空間格局的影響，對(duì)整合區(qū)域土地及其附屬資源、構(gòu)建順應(yīng)區(qū)域局地自然環(huán)境條件、融于農(nóng)業(yè)自然人文景觀的科學(xué)化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)范化農(nóng)村道路體系、協(xié)調(diào)區(qū)域生態(tài)平衡等有一定指導(dǎo)作用。目前，道路系統(tǒng)的研究側(cè)重于鐵路、等級(jí)公路和高速公路的集聚與輻射作用［17-18］，及其對(duì)區(qū)域土地景觀格局和生態(tài)環(huán)境的影響［5，19-23］，而農(nóng)村道路相對(duì)較少，主要集中于空間布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程質(zhì)量與造價(jià)、道路網(wǎng)絡(luò)特征及其對(duì)土地利用變化的驅(qū)動(dòng)和生態(tài)系統(tǒng)的干擾與影響［3-4，9，13-16，24-26］，但村級(jí)小尺度上典型丘陵山區(qū)農(nóng)村道路體系的空間格局及其對(duì)地貌形態(tài)要素的響應(yīng)尚待進(jìn)一步研究。為此，以重慶市忠縣拔山鎮(zhèn)拔山、石聯(lián)、蘇家3個(gè)行政村的農(nóng)村道路體系為例，借助ArcGIS 9.3空間與統(tǒng)計(jì)分析功能，研究農(nóng)村道路體系空間格局及其在海拔高度、坡度、坡向、地形起伏度、地表切割深度、平面變率和剖面變率7個(gè)地貌形態(tài)要素上的梯度分異效應(yīng)，以期為農(nóng)村區(qū)域農(nóng)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化道路網(wǎng)體系布局和鄉(xiāng)村景觀建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東經(jīng) 107°43＇48″～ 107°46＇42″，北緯30°18＇15″～30°20＇24″，面積 810.17 hm2。地貌類型為拔山向斜發(fā)育形成的倒置低山，主要由侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組和遂寧組砂巖、泥巖構(gòu)成的宏觀坪狀山體，海拔450.60～565.25 m，地勢(shì)西北部區(qū)域高，東南部區(qū)域低，局部西北、東北、東南三大地理空間單元地貌形態(tài)差異明顯(圖1)。西北區(qū)為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組砂巖出露，海拔高度500.10～565.25 m，坪面平坦且廣闊;東北區(qū)絕大多數(shù)地方是侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組砂巖，少數(shù)溝谷處遂寧組，海拔高度450.60～544.90 m，坪面平坦而坪周陡峭;東南區(qū)為侏羅系遂寧組泥巖出露，海拔高度456.80～542.30 m，由于石新河溝水系切斷阻隔，呈饅頭狀地貌。

圖1 研究區(qū)區(qū)位示意圖和數(shù)字高程模型圖(DEM)Fig.1 Location of the study area and its digital elevation model

1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

基于研究區(qū)1∶2 000現(xiàn)狀圖和地形圖，借助ArcGIS 9.3的3D分析模塊創(chuàng)建1 m×1 m柵格數(shù)字高程模型圖(DEM)。在此基礎(chǔ)上，通過表面分析提取海拔高度、坡度和坡向，繼而采用3 m×3 m的矩形窗口，通過領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)法提取地形起伏度，地表切割深度，平面變率和剖面變率。然后，參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2003)、《土地整理開發(fā)整理標(biāo)準(zhǔn)》(TD1011-1013-2000)和《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D02-2006)等農(nóng)村道路工程設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，確定地貌形態(tài)要素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表1)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)7種地貌形態(tài)要素進(jìn)行重新分類，獲取專題圖。

1.3 研究方法

道路體系強(qiáng)調(diào)長度、寬度、密度等數(shù)量特征和網(wǎng)絡(luò)環(huán)通度、網(wǎng)絡(luò)連通度、線路彎曲度、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)度等網(wǎng)絡(luò)形態(tài)特征［11-13］。為了消除各地貌形態(tài)要素梯度分段的面積差異和不同類型道路結(jié)構(gòu)比重差異，借鑒引入分布指數(shù)，分析不同類型道路對(duì)7種地貌形態(tài)要素的響應(yīng)，計(jì)算公式為:Pkie=(LkieLki)(SeS)。式中:Pkie為分布指數(shù);Lkie為第e種地形位下第i級(jí)第k類道路的長度(m);Lki為整個(gè)研究區(qū)第i級(jí)第k類道路的總長度(m);Se為整個(gè)研究區(qū)第e類地形位的總面積(hm2);S為整個(gè)研究區(qū)總面積(hm2)。當(dāng)Pkie=1時(shí)，表示該k類道路在該地形位e上的比重與研究區(qū)內(nèi)該級(jí)別道路的結(jié)構(gòu)比重相等;當(dāng)Pkie＞1時(shí)，表示該地形位e是該k類道路分布的優(yōu)勢(shì)地形位。分布指數(shù)差異越小，表明某級(jí)別道路對(duì)地形差異的適宜性越大。

表1 地貌形態(tài)要素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Classification standard of geomorphologic factors

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)村道路結(jié)構(gòu)功能及其布局

作為直接服務(wù)于局部區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民生活的毛細(xì)血管網(wǎng)，一定區(qū)域內(nèi)，各類型農(nóng)村道路按照空間結(jié)構(gòu)秩序承擔(dān)著不同的功能分工。忠墊公路、機(jī)耕道和生產(chǎn)路共同構(gòu)成了研究區(qū)農(nóng)村道路體系(圖2)。其中，忠墊公路穿過東北區(qū)邊緣地帶，東西橫跨整個(gè)西北區(qū)，以通車為主要目的，是與外界交流的主要通道口;3.5和4.0 m寬機(jī)耕道以忠墊公路為軸線，南北縱向延伸連通主要村莊院落、居民點(diǎn)和成片耕作田塊，為大量貨物運(yùn)輸、作業(yè)機(jī)械向田間轉(zhuǎn)移等生產(chǎn)操作過程服務(wù);0.6～1.0 m寬生產(chǎn)路重在彼此連接，以將分散的居民點(diǎn)、耕作田塊和坑塘等串聯(lián)，是農(nóng)事生產(chǎn)的末級(jí)路網(wǎng)，為農(nóng)民生活生產(chǎn)出行和田間作物的耕作、收獲、銷售運(yùn)輸服務(wù)。

圖2 研究區(qū)農(nóng)村道路體系圖Fig.2 Rural roads system in study area

從空間分布及形態(tài)來看，地形平坦區(qū)機(jī)耕道沒有縱坡限制，多為短捷高效的直線性，當(dāng)支道或機(jī)耕道與農(nóng)村公路相交時(shí)，其盡可能正交或不小于45°的斜角通過;地形較復(fù)雜、山坡陡峻地段，機(jī)耕道多沿地形展線，確保足夠的平整、抗滑穩(wěn)定性和排水，減少工程數(shù)量，降低造價(jià)，保證投入使用后養(yǎng)護(hù)和運(yùn)輸費(fèi)用最經(jīng)濟(jì);梯田區(qū)機(jī)耕道更是倚地形而建，山低坡緩地段，其多呈斜線形，山高坡陡地段，則多呈“S”或“之”字形。生產(chǎn)路在平坦區(qū)分布相對(duì)規(guī)則且均勻，多橫向布設(shè)，常與溝渠組合配置，沿耕作田塊結(jié)合布設(shè)，垂直于機(jī)耕道呈直線型;地形復(fù)雜地段，生產(chǎn)路多與溝渠布局結(jié)合，沿山脊線縱向布設(shè)。另外，受地貌形態(tài)的控制，道路路面彎曲度設(shè)計(jì)與斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)常隨坡度變化而變化，坡度5°以上，機(jī)耕道多呈“S”型，20°以上多為臺(tái)階式生產(chǎn)路，20°以下主要為平直式生產(chǎn)路且多采用凹槽防滑處理?？傮w而言，丘陵山區(qū)農(nóng)村道路網(wǎng)多因地貌形態(tài)阻隔隨零散且不規(guī)則分布的居民點(diǎn)、梯田和坡地而綿延起伏，農(nóng)村道路的布局既要考慮道路網(wǎng)絡(luò)效率，還要兼顧道路選址對(duì)周邊土地利用空間格局的影響以及成本費(fèi)用。

2.2 農(nóng)村道路體系空間格局差異

地貌形態(tài)要素疊加效應(yīng)以及人類活動(dòng)使用道路的目的和強(qiáng)度加劇了各空間單元道路網(wǎng)絡(luò)空間格局差異。借助ArcGIS 9.3空間統(tǒng)計(jì)分析功能，測(cè)算不同類型農(nóng)村道路在地貌形態(tài)差異顯著的西北、東北、東南三大地理空間單元上空間格局特征指數(shù)(表2)。研究區(qū)農(nóng)村道路體系健全且網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，道路密度達(dá)109.34 m/hm2，網(wǎng)連通度和環(huán)通度分別為 52.29% 和28.31%。從表2可見，局部西北、東南和東北三大地理空間單元農(nóng)村道路體系存在顯著差異，從組成比例來看，不同類型道路從高到低依次分別為1.0 m寬生產(chǎn)路，0.6 m 寬生產(chǎn)路，4.0 m 寬機(jī)耕道，0.8 m 寬生產(chǎn)路，3.5 m 寬機(jī)耕道(西北區(qū))，0.6 m 寬生產(chǎn)路，1.0m 寬生產(chǎn)路，4.0 m 寬機(jī)耕道，0.8 m 寬生產(chǎn)路，3.5 m 寬機(jī)耕道(東南區(qū))，0.6 m 寬生產(chǎn)路，1.0 m 寬生產(chǎn)路，4.0 m 寬機(jī)耕道，3.5 m寬機(jī)耕道，0.8 m寬生產(chǎn)路(東北區(qū))。從結(jié)構(gòu)比例來看，西北、東南和東北區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)路，機(jī)耕道，農(nóng)村公路依次分別為6∶3∶1，10∶4∶1和4∶1∶0。此外，西北、東南和東北區(qū)的道路網(wǎng)絡(luò)效率也依次降低。

表2 農(nóng)村道路體系空間網(wǎng)絡(luò)特征Tab.2 The network characteristics of rural roads system in North-West，North-East，South-East and the study area

2.3 農(nóng)村道路體系地形梯度分異

分別將海拔高度等7種地貌形態(tài)要素分級(jí)專題圖與農(nóng)村道路體系圖進(jìn)行疊加分析，測(cè)算不同類型農(nóng)村道路在各地貌形態(tài)要素梯度上的分布指數(shù)及其長度占各地貌形態(tài)要素梯度上道路總長度的百分比(圖3)。

圖3 各地貌形態(tài)要素梯度上不同類型農(nóng)村道路的結(jié)構(gòu)比例及其分布指數(shù)Fig.3 The composition，quantity and distribution index of the different kinds of rural road along the terrain gradient

各地貌形態(tài)要素梯度上不同類型道路的組成及其結(jié)構(gòu)比例存在差異(圖3柱狀條)，總體上，生產(chǎn)路比例高于機(jī)耕道和農(nóng)村公路，從高到低依次0.6 m寬生產(chǎn)路，1.0 m 寬生產(chǎn)路，0.8 m 寬生產(chǎn)路，4.0 m 寬機(jī)耕道，3.5 m寬機(jī)耕道，忠墊公路。此外，不同級(jí)別道路分布的優(yōu)勢(shì)地形位各異(圖3折線)，其中機(jī)耕道和忠墊公路對(duì)地貌形態(tài)要素梯度變化的響應(yīng)敏感，而生產(chǎn)路分布在不受到其他道路的擠壓下，表現(xiàn)為較強(qiáng)的地形梯度適宜性。

具體而言，在海拔梯度上，道路密度隨海拔升高呈先減小后增大的變化，其中，0.6和1.0 m寬生產(chǎn)路在低海拔區(qū)發(fā)育較多，而0.8 m寬生產(chǎn)路、3.5 m寬機(jī)耕道、4.0 m寬機(jī)耕道和忠墊公路在高海拔區(qū)發(fā)育較多(圖3a)。從坡向來看，0.6和1.0 m寬生產(chǎn)路主要集中在SE、S、SW 坡向上，3.5 m 寬機(jī)耕道、4.0 m 寬機(jī)耕道和忠墊公路主要分布于E，S，SW坡向上(圖3b)。從坡度來看，生產(chǎn)路在各坡度上均有分布，而機(jī)耕道和忠墊公路均主要分布在5°以下，其中0.6 m寬生產(chǎn)路、0.8 m寬生產(chǎn)路和1.0 m寬生產(chǎn)路對(duì)地形梯度變化的適宜性較大，集中分布在5°～25°和3°～15°;忠墊公路隨坡度增大而迅速減少，8°以上已無分布;機(jī)耕道在3°～5°分布頻率最高，5°以下隨坡度增大所占比例增加，5°以上卻迅速減少，15°以上已無分布(圖3c)。從地形起伏度來看，道路級(jí)別越高，優(yōu)勢(shì)梯度區(qū)間越窄。0.6和0.8 m寬生產(chǎn)路分別為1.5 ～10 m 和1.5 ～15 m，而1.0 m 寬生產(chǎn)路、3.5 m寬機(jī)耕道、4.0m寬機(jī)耕道和忠墊公路分別為0.5 m 以下和1.5 ～15 m、0.5 m 以下和1.5 ～10 m、0.5 m 以下和1.5 ～5 m、0.5 m 以下和1.5 ～3 m(圖3d)。另外，生產(chǎn)路、機(jī)耕道、忠墊公路在地表切割深度梯度上的優(yōu)勢(shì)梯度區(qū)間依次變窄，分別為0.5 ～10 m、0.5 ～3 m、0.2 m以下(圖3e)，而在平面變率、剖面變率梯度上呈無規(guī)律變化(圖3f，圖3g)。

3 結(jié)論

在以往分析區(qū)域道路網(wǎng)絡(luò)特征的基礎(chǔ)上，本研究綜合采用網(wǎng)絡(luò)特征指數(shù)和梯度分布指數(shù)，研究了地貌形態(tài)差異顯著的地理空間單元農(nóng)村道路體系的網(wǎng)絡(luò)特征及其在海拔高度、坡度、坡向、地形起伏度、地表切割深度、平面變率和剖面變率7個(gè)地貌形態(tài)要素上的梯度分異效應(yīng)，揭示了丘陵山區(qū)村級(jí)尺度上農(nóng)村道路體系的空間格局及其對(duì)地貌形態(tài)要素變化的響應(yīng)程度，一定程度上也反映了不同類型農(nóng)村道路構(gòu)建與地貌形態(tài)要素的耦合關(guān)系及其空間存在與擴(kuò)展規(guī)律。

研究表明，微地貌形態(tài)決定了區(qū)域人口、水文、地質(zhì)和土地利用類型等地理要素的基本骨架。地貌形態(tài)不同所形成的自然人文景觀亦不同，而這些要素空間格局差異不僅直接導(dǎo)致農(nóng)村道路體系等級(jí)結(jié)構(gòu)和空間格局差異，還通過要素差異的擴(kuò)大轉(zhuǎn)化，間接加劇人類活動(dòng)區(qū)域不同空間單元內(nèi)農(nóng)村道路的空間格局差異。此外，地貌形態(tài)越簡單的地理空間單元農(nóng)村道路體系結(jié)構(gòu)越均衡、網(wǎng)絡(luò)效率越高，區(qū)位優(yōu)勢(shì)越突出的單元，農(nóng)村道路網(wǎng)絡(luò)越發(fā)達(dá)。農(nóng)村道路體系通達(dá)彈性大但不同地形梯度上道路類型的組成、結(jié)構(gòu)比例及其優(yōu)勢(shì)地形位亦存在差異。整體上，生產(chǎn)路對(duì)地形梯度變化的適宜性較強(qiáng)，分布較廣且所占比例最高，而機(jī)耕道和農(nóng)村公路優(yōu)勢(shì)地形位較窄，但各梯度上生產(chǎn)路、機(jī)耕道和農(nóng)村公路又互為補(bǔ)充，具有結(jié)構(gòu)和功能的完整性。

農(nóng)村道路體系構(gòu)建一定程度上取決于地貌形態(tài)、水文地質(zhì)、房屋密度、土地利用格局、土壤類型等其他自然因素以及人類生活與生產(chǎn)活動(dòng)行為模式［7，22，25］，本研究雖分析了地貌形態(tài)要素對(duì)不同類型農(nóng)村道路空間格局的影響及其響應(yīng)，但未考慮上述其他自然因素和區(qū)域政策、規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)施、人口資源等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素，這也是今后研究農(nóng)村道路體系構(gòu)建需要進(jìn)一步解決的問題。

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