0 引言

道路生态学的研究始于美国学者对道路景观美学价值的探讨^[1]。20世纪70年代，一些欧洲学者研究了道路景观格局的演变过程^[2]；从1990年代开始，前人从景观尺度上研究了道路与景观格局和过程的关系^[3-5]。国外学者针对道路对森林景观的影响研究较为成熟，但分析交通网络发展对土地利用影响变化的研究较少^[6]：Forman^[7]在《Road Ecology》中指出道路的建设导致了生态系统面积的减小；Dale等^[8]研究了道路对土地利用变化的影响，并进一步分析了其导致的后果；Serrano等^[9]分析了不同尺度下不同公路密度对应的景观格局特征；Hawbaker等^[10]分析了道路密度与土地利用类型的关系，指出不同土地利用类型区道路密度对景观破碎化的影响程度不同。国内学者在道路生态研究方面起步较晚，主要集中于道路影响评价、景观美学和道路景观规划等领域，其中对于道路与景观格局的研究主要集中在道路两侧景观格局的变化及成因上^[6-13]：张镱锂等^[11]系统分析了道路对邻近区域土地利用的影响，认为青藏公路导致沿线建设用地激增、耕地骤减；富伟等^[14]分析了云南省道路网络对景观格局、生态过程和景观功能的影响，认为道路网络不仅加剧了景观的破碎化过程，还在总体上降低了景观维持生态过程连续性的功能；刘世梁等^[13]对漫湾库区景观破碎化指数的研究表明，距道路、乡村、河流的距离和坡度与筛网之间呈现明显的正相关；李双成等^[15]通过构建网络结构影响度模型对道路景观破碎化的影响进行了分析，认为等外公路的影响面积最大；刘佳妮等^[16]分析了浙江省干线公路网络对森林景观的破碎化影响，认为高速公路网络导致了森林景观斑块的严重降级和破碎；汪自书等^[17]从道路密度和道路等级出发，研究了快速城市化道路格局对土地利用的影响，认为深圳市道路的影响范围已占总面积的80%。城市道路是造成城市景观破碎的原因，是决定生态景观空间格局的重要因素^[18]。以往的研究多集中在主干道对土地利用的影响分析、单一道路两侧影响范围内的土地利用现状以及快速城市化过程中景观格局变化的研究上，对快速城市化地区道路网络化对生态景观影响的研究却不多见。在快速城市化地区，探索交通对景观格局的影响有助于揭示城市化的生态效应，为城市生态建设、城市规划等提供参考。在西安都市圈快速城市化过程中，各类型交通道路加速建设，已建成发达的路网体系，对景观格局产生巨大影响。因此，本文利用GIS (geographic information system)技术和景观格局分析方法，构建路网空间指数，研究西安都市圈道路网络空间格局与景观的时空变化过程，定量分析二者的相互关系，探讨道路网络空间结构特征对景观格局的响应；以期对当地交通的发展规划、生态环境建设等产生一定的影响，也为快速城市化地区生态、道路建设和区域可持续发展规划提供参考。

1 研究区概况及数据来源 1.1 研究区概况

西安都市圈(107°30′00″E — 110°00′00″E，33°30′00″N — 35°00′00″N)位于陕西省关中平原中部，包括西安市九区四县和咸阳市两区一市五县以及杨陵区在内的22个区县(图 1)，属典型的暖温带半干旱季风气候区，土地总面积约为14 995 km²。经过30年城市化的快速发展，西安都市圈道路总里程达7 475 km，其中高速公路886 km，国省道1 470 km，铁路483 km，其他等级道路4 636 km。当前，西安都市圈交通网络基本表现为以西安市区为中心、咸阳市区为次中心，棋盘加放射状的道路结构，形成西安到宝鸡等地1 h“省内”交通圈，西安到武汉、广州等地1 d“省际”交通圈。高等级道路的建设以及低等级道路的扩张，必然给都市圈生态景观带来影响。交通网络的逐步完善不仅促进了城市化的发展，同时也导致大量耕地、林地转变为建设用地，使得以耕地为主的农业景观出现破碎化，对生态系统多样性等产生严重的负面影响，导致都市圈生态服务大幅减少^[19]。因此，研究西安都市圈路网变化以及其对景观格局的影响对于探索道路建设与都市圈经济协调发展奠定了理论基础。

1.2 数据来源

本文数据主要来源于3部分：一是遥感影像数据，即1985、2000和2015年TM影像^[20]，结合西安都市圈DEM (digital elevation model)和野外调研等数据对影像进行解译，得到西安都市圈景观格局类型图，景观类型主要包括耕地、林地、园地、建设用地、水域和滩涂六大类；二是道路数据，本文根据公路的功能以及交通量，利用1985、2000和2015年西安地图出版社出版的西安市、咸阳市道路交通地图数字化而得，并将道路分为高速公路、高速铁路、国道和省道、县道以及铁路5个等级；三是相关社会经济数据，主要来源于《陕西统计年鉴》、《西安统计年鉴》和《咸阳统计年鉴》^[21-27]。

2 研究方法

本文通过构建路网空间指数衡量西安都市圈路网的空间结构；选取景观格局指数评价西安都市圈的景观格局特征；在分析二者相关关系的基础上，比较不同等级道路网络空间结构影响域内景观的空间格局变化特征，以揭示道路网络化对西安都市圈景观格局的影响。本文利用ArcGIS中的Fishnet工具，根据西安都市圈的实际情况，对研究区进行格网划分。若格网尺度过小，则景观格局指数科学性较差，若格网尺度过大，则研究结果不能真实反映道路数据与景观格局指数的空间分布；故将研究区划分为695个4 980 m×4 980 m格网，基于格网进行数据统计，使道路数据与景观格局指数空间匹配。

2.1 路网空间结构测评

道路网络化是道路发展延伸的过程，主要表现在道路延伸、路网密度与连接程度增大、道路运输能力提高等方面；因此本文选择道路密度指数、道路连通度指数和道路服务能力指数构建路网空间指数，以分析西安都市圈道路网络空间结构。

2.1.1 道路密度指数

道路密度指某一区域内所有道路总长度与区域总面积之比。道路密度越大，道路网络越密集，对景观影响越大。由于不同等级道路对道路密度指数的贡献率基本一致，故对不同等级道路赋予相同权重值进行计算。道路密度指数公式为

式中：A为研究区道路密度指数；l_i为不同等级道路长度；S为研究区总面积。

2.1.2 道路连通度指数

道路连通度指研究区内各节点间依靠道路相互连通的强度^[28]。道路连通度越高，道路成网程度越好，对景观的破碎程度越大。本文将节点定义为镇及其以上居民点。道路连通度指数公式为

式中：B为道路连通度指数；K为道路网络中总节点数，即研究区内所有居民点数；M_i为第i个节点连通的道路边数。

2.1.3 道路服务能力指数

道路服务能力指道路能够服务居民的程度。道路等级越高，与居民点之间的距离越小，居民享受道路的服务越方便，道路服务能力指数越高，表明区域道路布局越合理。研究中生成道路的缓冲区以获取道路服务居民的范围，并用此缓冲范围乘以道路等级表示道路服务能力指数。其计算公式为

式中：W_i为道路不同缓冲范围的服务权重；G_j为不同等级道路的赋值；C为道路服务能力指数。根据研究区的实际情况以及计算方便，将道路的影响范围确定在0~1 000 m。由于不同等级道路会有共同的影响范围，因此在栅格计算中将不同道路的服务权重值相加，道路等级取最高等级。依据《中华人民共和国城市道路设计规范》(CJJ 194—2013) ^[29]和不同等级道路货运能力，结合西安都市圈的实际情况，本文为道路不同服务范围分配了不同的权重(道路服务范围为0~100，100~500，500~1 000 m时，对应的权重分别为0.6，0.3，0.1)，也为不同类型的道路等级赋值(随着道路等级的增加，县道、省道和国道、铁路、高速公路以及高速铁路分别赋值1、3、5、7、7)。

2.1.4 路网空间指数

路网空间指数分别从道路长度、连通结构及布局、服务能力等方面综合反映路网空间结构水平。本研究在以上指标数据标准化处理的基础上，得到西安都市圈路网空间指数，以衡量道路网络化对景观格局的影响。路网空间指数D计算公式为

路网空间指数越高，道路发育越成熟，景观变化越剧烈。

2.2 景观格局变化测评

本文应用Fragstats 4.2软件计算1985、2000、2015年景观格局指数。选取的景观格局指标(表 1)包括斑块密度(PD)、平均分形维数(FRAC)、最大斑块面积指数(LPI)、景观分割指数(DIVISION)、香浓多样性指数(SHDI)和聚集度指数(AI)。

3 结果与分析 3.1 西安都市圈道路网络空间结构演变分析

基于本文计算得到的西安都市圈路网空间指数，得到1985、2000、2015年路网空间指数表(表 2)及路网空间指数分布图(图 2)，并进一步分析道路空间格局和形态特征。

与2000年和2015年相比，1985年西安都市圈路网空间指数最低，道路建设不健全，路网结构简单。到2000年，研究区内约80%的地区路网空间指数大于平均值(1.13)。1985—2000年，211国道、107省道等道路的修建使得县道、国省道、铁路条数分别增加了200%、38%、40%；西潼高速、西宝高速等8条高速公路的修建使得西安都市圈内高速公路数量实现了0的突破，增加了道路密度指数和道路服务能力指数；路网空间指数增加了2.01倍。2010—2015年间，由于机场公路、西禹高速以及312县道、216县道等道路的建设，道路网络得以进一步完善，2015年路网空间指数增长了75%。总体而言，1985—2015年间，以西铜高速、西汉高速为代表的高等级道路和以301县道、104县道为代表的低等级道路的不断增加，使得路网空间指数增加了2.02倍；说明在城市化不断推进的30年间，西安都市圈道路建设不断完善，路网结构趋于成熟。

从区县尺度(图 2)看，西安都市圈路网空间指数最高值区域位于西安市区，这主要是由于西安市是陕西省政治、经济、文化和交通的中心，是连通省内外的重要枢纽，且市区内部路网发达，道路总长度自1985年的383 km增加至2015年的1 365 km，增长了2.56倍，道路密度提高了2.20倍。在路网逐渐完善的30年间，西安市区二环路实现立交化，三环公路全线贯通，断头路基本打通，人均道路面积达18.07 m²，公路呈环网状，道路连通度指数得到了提升；同时由于高速铁路、连霍高速公路等高等级道路的修建，道路服务能力指数提高了76.0%；与1985年相比，2015年西安市区路网空间指数提高了72.3%。同时由于西阎高速、西禹高速、107省道等高等级道路的建设，阎良区道路服务能力指数比1985年增加了2.18倍，道路密度指数比1985年增加了1.43倍。西宝客运专线以及西宝高速公路的全线通车，带动了杨陵区交通的发展，使得该区域的路网结构趋于成熟，同时也提高了道路服务能力指数；到2015年，道路总长度及道路密度指数较1985年相比均增加了2.60倍。1985年路网空间指数最低的区域位于蓝田县，2000年和2015年指数最低的区域则是周至县；这是由于蓝田县和周至县地处秦岭北麓，内有大片山地，道路修建难度远大于平原地区，使得道路等级和数量远低于其他区域，导致道路服务能力和道路密度指数低，路网空间指数随之较低，意味着路网结构不成熟。而距离西安市区较近的区县，道路建设水平较高，路网结构比较远的区县更成熟。西安市道路数量较多，等级较高，道路密度指数、道路服务能力指数也较高，且随着近年对道路大力改造，道路连通度较高，交通更加便捷，因此较西部地区，路网结构更加成熟。总之，1985—2015年西安都市圈路网不断成熟，空间形态基本呈现以西安市区为中心，除杨陵区和阎良区外，空间指数向四周递减、且东高西低的趋势。

3.2 西安都市圈景观格局时空变化

本文借助Fragstats软件，提取研究区1985、2000和2015年景观格局特征指数，以分析西安都市圈整体景观格局变化。

在1985—2015年各景观指数(图 3、图 4、图 5)中：斑块密度、香浓多样性指数均持续增加，分别由0.96、1.22上升至1.46、1.41，表明研究区景观破碎化程度加大，各景观类型趋于复杂化和多样化；最大斑块面积指数和聚集度指数均呈减小趋势，分别由41.51、97.16减小为41.27、96.40；平均分形维数和景观分割指数均呈现出先升后降的趋势，但前者总体下降，后者总体上升。以上表明，30年间，由于西安都市圈城市化水平的不断提高，以往大片耕地转换成建设用地、园地及休闲农业园，如西咸新区、长安区大学城以及城乡基础设施的建设，使得景观格局不断被分割、破碎，在空间形态上呈现出较强的景观异质性；且作为基质景观的耕地，其斑块逐渐缩小，优势地位下降，从2000年以前的无序发展逐渐转变为受人为活动干预较强的有序发展，景观呈现破碎化、多样化和复杂化，景观形状趋于规则化。

从耕地来看：面积减幅明显，从1985年的936 193 hm²减小至2015年的649 053 hm²；斑块密度先降后升，总体上升，最大斑块面积指数先降后升，总体下降，聚集度指数、平均分形维数下降(表 3)；说明由于受到农业结构调整、退耕还林等政策的影响，耕地规模减小，形状趋于简单，且逐渐由大斑块向破碎的小斑块转变，如1985—2000年间秦都区大片耕地转变为林地和建设用地，周至县有部分耕地转变为园地。从园地来看：1985—2015年间，面积增长了8倍，其最大斑块面积指数以及聚集度指数均有所上升，平均分形维数下降(表 3)；表明园地成规模建设，使得园地斑块形状规则，聚集程度明显。从林地上看：面积、最大斑块面积指数和斑块密度均先减后增，聚集度指数增加，平均分形维数减少(表 3)；这与退耕还林等工程恢复了大片林地有关，斑块由小变大，较大幅度提升了林地的聚集程度，林地形状逐渐规则。如以林地作为基质景观的周至县，以前由于乱砍滥伐、毁林开荒等原因，林地面积大幅减少，自1999年实施的退耕还林、荒山造林等政策使得周至县林地面积大幅回升。从建设用地来看：面积逐年递增的同时，斑块密度先增后减、总体增加，最大斑块面积指数、聚集度指数增加，平均分形维数先增后减(表 3)；这是由于2000年前，为了快速提高经济水平，建设用地无序扩张，斑块形状较为复杂，随着研究区城市化水平的不断提升，建设用地受人为影响越来越大，形状由零星的散点聚集成片，且逐渐规则化，大幅提升了聚集度。如咸阳市渭城区，由于非农业人口增加、经济迅速发展，1985年以来建设用地由1 344 hm²增加到6 243 hm²，平均年增长率达1.63倍，且主要是由耕地转化而来；说明渭城区不仅在原有建成区的基础上提高了城市土地的集约化利用，还进行了外延式扩张，提高了建设用地的聚集度。从水域和滩涂来看：由于人类活动干扰以及降水量逐年下降，渭河径流量随之减少^[31]，使得二者面积、最大斑块面积指数、聚集度指数、平均分形维数整体上均呈现下降趋势(表 3)，表现为水域和滩涂景观斑块形状趋于规则，斑块收缩，且逐渐破碎化。

3.3 路网空间结构与景观格局指数相关分析

道路作为深入景观的途径，有助于人类对土地更合理地开发和利用，从而更为强烈地改变景观格局。道路网络的建设不仅推动了城市化的进一步发展，也使得景观空间格局发生显著变化。作为快速城市化的西安都市圈，路网建设主要通过推进建设用地、园地扩张以及空间相对聚集分布，致使景观格局发生改变。本文利用SPSS软件中的相关分析功能，对西安都市圈路网空间指数与景观格局指数进行相关分析(表 4)，以揭示道路网络与景观格局之间的关系。

由表 4可知，路网空间指数与斑块密度、景观分割指数、平均分形维数和香浓多样性指数均呈显著正相关关系，与最大斑块面积指数和聚集度指数呈现显著负相关关系，且相关系数逐年递增。随着西安都市圈道路网络的不断成熟，斑块密度、景观分割指数、平均分形维数和香浓多样性指数增加，最大斑块面积指数和聚集度指数减少。

3.4 西安都市圈道路网络化对景观格局影响特征

本文将1985、2000和2015年路网空间指数归一化处理后分为4级，利用Arcgis网络分析功能，分析得到路网空间指数不同等级的空间变化(图 2)及不同等级指数影响域内主要景观类型所占面积百分比(表 5)。

路网发达区、较发达区道路长度均逐年增长；路网较不发达区和不发达区道路长度在2000年以前呈增加趋势，后减少。路网发育的不同程度对不同地类的影响各不相同。其中：1) 路网不发达区道路结构最不成熟，由于其主要分布在以秦岭为主的西安都市圈外围地区，且受较多历史和自然等因素的制约，林地所占面积比例上升最多，因此路网不发达区道路对林地影响最大。2) 路网发达区道路结构最成熟，主要分布在西安市的中心城区，是西安都市圈的经济、交通中心，30年间主要以耕地为主；但随着西部大开发的建设，2000年以后，建设用地景观比例已上升至28.9%。与1985年相比，路网发达区耕地和建设用地面积分别从45 hm²和11 hm²增加了3.16倍和8.55倍，且建设用地面积变化最为明显，因此路网发达区道路对建设用地的影响最大。3) 在路网较发达区和较不发达区内，虽然耕地面积比例较大，但园地、林地面积变化最大，变化率分别为8.58倍和47%，因此，路网较发达区和较不发达区道路分别对园地和林地影响最大。总之，路网空间指数越大，道路网络发育越成熟，对建设用地的影响越大，对园地影响次之；而道路结构越简单，对林地的影响越大。

从空间(图 2)上看，西安都市圈路网空间指数等级是以西安市区为最高值，逐渐向四周递减的趋势分布的。路网发达区和较发达区主要位于西安市区及其周边地区，包括渭城区、秦岭以北的户县和周至县、杨陵、阎良区以及乾县的中心城区，主要景观类型以耕地为主。1985—2000年间虽然耕地面积比例有小幅下降，但路网发达区耕地面积有较大的增长。作为西安都市圈的中心城区，西安市区也是研究区的交通中心，道路的建设加速了城市化的进程，导致了部分耕地迅速转变为建设用地，使得建设用地逐年扩张；同时由于受人类活动影响较大，建设用地由零散的点逐渐集聚成片，优势度增加，形状趋向规则化。西安都市圈内园地主要集中在秦岭以北的长安区、户县、周至县以及乾县，且主要分布在路网较发达区。1985年长安区和户县的葡萄业、周至县的猕猴桃业以及乾县的苹果业规模较小，产业结构不明显；城市化进程的不断加快不仅提升了作物的产量，还扩大了产业的规模，使得上述区域的园地斑块密度、最大斑块面积指数和聚集度指数逐年增加，景观分割指数和平均分形维数下降，提高了园地的聚集程度，且园地形状逐渐规则，优势度增加。路网较不发达区和不发达区主要分布在礼泉县、泾阳县以及蓝田县和长安区、户县、周至县这三个区域的秦岭山区，景观类型主要以耕地和林地为主。

从总体来看，1985—2015年间：城市内部环路逐渐打通，通往不同城市的高等级道路和乡镇间的低等级道路不断建设，使得西安都市圈路网趋于成熟；与此同时，景观形状趋于规则化，耕地的优势度下降，景观不断复杂化、破碎化；随着路网的不断完善，作为西安都市圈基质景观的耕地，表现为规模减小、形状规则且景观逐渐破碎化的趋势；水域和滩涂由于受到人类活动干扰，降水量逐渐减少，使得面积不断缩减，形状逐渐简单，破碎化程度加深；由于城市化的不断推进，林地面积先减后增，园地、建设用地面积持续增加，由于其改变受人为影响较大，景观由点聚面，呈现聚集化、规则化趋势。

4 结论与讨论

1) 1985—2015年，道路密度指数、道路连通度指数以及道路服务能力指数大幅增加，西安都市圈路网趋于成熟，空间形态基本呈现以西安市区为中心，除杨陵区和阎良区外，路网空间指数向四周递减，且东高西低的趋势。

2) 1985—2015年间，随着城市化进程的不断推进，西安都市圈景观总体呈现多样化、复杂化、破碎化，作为基质景观的耕地优势度下降。其中，园地、林地和建设用地规模扩大，聚集度上升；耕地、水域及滩涂景观面积减小，破碎化程度不断加深。

3) 高等级道路的修建、低等级道路不断完善以及市内环路打通、断头路的改善等，使得西安都市圈路网逐渐成熟，景观优势度下降，形状趋于规则化，景观整体不断复杂化、破碎化。

4) 路网发育的程度不同对不同地类的影响各不相同。路网较成熟的区域，建设用地面积较多，形状较规则，呈聚集状态，林地面积较少，且零星分布，破碎化程度较高；道路结构简单的区域，林地集聚成片，聚集度较高。耕地、水域及滩涂在路网空间指数各等级影响域内均呈现破碎化状态，且形状较不规则。

5) 本文选取描述道路网络化的3个指标虽然能包含道路网络化的基本内涵，但仍存在一些不足：本文主要从静态方面分析路网空间结构，如果能增加动态方面的指标，例如道路交通流指标等来共同描述路网空间结构，结果会更加科学；同时，本文基于4 980 m×4 980 m尺度对西安都市圈路网空间结构和景观格局进行了分析，对于景观格局的分析尺度较好，但对于路网空间结构的分析尺度仍较小，原因是4 980 m×4 980 m尺度制约了某些指标的选取，例如作为衡量区域内节点间最短到达时间的通达性指标在较大尺度上计算得到的结果更加合理。因此，使用静态指标与动态指标相结合的方法来研究路网空间结构及其景观格局效应、不同尺度下路网空间结构对景观格局的影响研究，将是今后道路生态学的研究热点，应当予以足够的关注。