丘陵山區(qū)農(nóng)村道路空間格局及其地形梯度效應(yīng)基于GIS的農(nóng)村道路體系空間格局及地形梯度分異效應(yīng)分析以重慶市忠縣拔山鎮(zhèn)為例

0農(nóng)村道路系統(tǒng)這條路是一個(gè)典型的線性人工走廊，在現(xiàn)有的自然生態(tài)系統(tǒng)中被分割，不僅緊密地連接在一起，而且還起到了通道和隔離的雙重作用。同時(shí)，道路也是土地利用景觀的類型。其等級(jí)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)對(duì)土地景觀的生態(tài)過程和鄉(xiāng)村模式的重建過程產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響，反映了土地效率和集水區(qū)的利用程度。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(chǎng)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,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。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。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,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,及其對(duì)區(qū)域土地景觀格局和生態(tài)環(huán)境的影響[5,19,20,21,22,23],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[3,4,9,13,14,15,16,24,25,26],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ArcGIS9.3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研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1宏觀坪狀地層研究區(qū)位于東經(jīng)107°43′48″～107°46′42″,北緯30°18′15″～30°20′24″,面積810.17hm2。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450.60～565.25m,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500.10～565.25m,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450.60～544.90m,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456.80～542.30m,由于石新河溝水系切斷阻隔,呈饅頭狀地貌。1.2地形形態(tài)要素基于研究區(qū)1∶2000現(xiàn)狀圖和地形圖,借助ArcGIS9.3的3D分析模塊創(chuàng)建1m×1m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3m×3m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)》(JTGB01-2003)、《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》(JTGD02-2006)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不同類型道路對(duì)7種地貌形態(tài)要素的響應(yīng)道路體系強(qiáng)調(diào)長(zhǎng)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。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)Pkie,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(zhǎng)度(m);Lki為整個(gè)研究區(qū)第i級(jí)第k類道路的總長(zhǎng)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。2結(jié)果與分析2.1機(jī)耕道形態(tài)及空間分布作為直接服務(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4.0m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);0.6～1.0m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)。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。總體而言,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)村道路體系組成和結(jié)構(gòu)比例地貌形態(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ArcGIS9.3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)109.34m/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1.0m寬生產(chǎn)路,0.6m寬生產(chǎn)路,4.0m寬機(jī)耕道,0.8m寬生產(chǎn)路,3.5m寬機(jī)耕道(西北區(qū)),0.6m寬生產(chǎn)路,1.0m寬生產(chǎn)路,4.0m寬機(jī)耕道,0.8m寬生產(chǎn)路,3.5m寬機(jī)耕道(東南區(qū)),0.6m寬生產(chǎn)路,1.0m寬生產(chǎn)路,4.0m寬機(jī)耕道,3.5m寬機(jī)耕道,0.8m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。2.3地形梯度適宜性分析分別將海拔高度等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(zhǎng)度占各地貌形態(tài)要素梯度上道路總長(zhǎng)度的百分比(圖3)。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0.6m寬生產(chǎn)路,1.0m寬生產(chǎn)路,0.8m寬生產(chǎn)路,4.0m寬機(jī)耕道,3.5m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1.0m寬生產(chǎn)路在低海拔區(qū)發(fā)育較多,而0.8m寬生產(chǎn)路、3.5m寬機(jī)耕道、4.0m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1.0m寬生產(chǎn)路主要集中在SE、S、SW坡向上,3.5m寬機(jī)耕道、4.0m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0.6m寬生產(chǎn)路、0.8m寬生產(chǎn)路和1.0m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0.8m寬生產(chǎn)路分別為1.5～10m和1.5～15m,而1.0m寬生產(chǎn)路、3.5m寬機(jī)耕道、4.0m寬機(jī)耕道和忠墊公路分別為0.5m以下和1.5～15m、0.5m以下和1.5～10m、0.5m以下和1.5～5m、0.5m以下和1.5～3m(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0.5～10m、0.5～3m、0.2m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不同地貌形態(tài)的空間格局差異在以往分析區(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(jiǎn)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。