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道路交通工程建设是土地利用格局的演变的重要驱动力，但也成为将人类活动向生态保护腹地延展的重要媒介，当道路不断向大熊猫自然保护区腹地推进之时，同样对大熊猫保护区的生境产生干扰[1,2]。这种干扰具有几种核心特征：首先，道路交通工程建设导致缓冲区森林景观破碎化，从而造成景观稳定性降低[3]，进而造成路域处于不同景观单元之间，景观要素转变急促，造成景观的抗干扰能力下降，道路周边微观环境改变，植被群落特征演变[9,10]；其次，道路交通工程建设所带来的运输便利性为耕地开垦、建设用地扩张、树木砍伐、放牧、割竹打笋、砍柴、狩猎、采药等人类活动带来便利，伴随干扰活动的加剧，原有生境单元遭到破坏，土地利用格局产生演变[1,2]；最后，车流量的增加引发油气泄漏、尾气排放、人类生活污染等诸多污染向保护区腹地推进，从而造成道路两侧土壤形成污染，并伴随水土资源的生物放大效应不断扩张[4-7]。当前，中国不断加强对自然资源的保护力度，并成立自然资源部以实现自然资源的有效管理，从而践行生态文明建设的核心要旨，维护生物多样性，实现人与自然和谐共生，走可持发展道路。
关于道路交通工程对土地利用格局影响的研究，前人做了诸多探索。部分学者着眼于社区空间结构变迁对大熊猫保护区生境的影响，如张晋东（2017）通过对人类与自然干扰对大熊猫影响的研究进展而挖掘出人类社区空间结构影响社区居民的福祉和各种行为，人类活动的选择偏好对大熊猫保护区生境产生影响[8]。也有学者从人类线性活动规律视觉探寻人类活动规律与道路间的关联，如王瑶莉等（2013）的研究表明道路交通网络能够反映土地利用空间结构，而人类活动的替代变量手机通信信号布局则与路网结构相耦合[9]；隋正伟等（2013）的研究同样表明人类活动布局的替代变量微博签到数据同样能够耦合城市交通网络，由此表明在自然保护区内人类活动与道路存在内在联系，道路数量增加能够引发人类活动的纵深运动轨迹推移[10]。在研究方法领域，一些学者以网络分析法探寻道路网络空间结构问题，以缓冲区分析挖掘道路干扰对生态的干扰[11-14]，此类方法适用于空间大尺度研究而对公路稀疏、林间小道被杂草覆被的小区域难以适用；与此同时，当前趋向于运用RS和GIS工具探寻道路交通对大熊猫种群空间利用密度的影响以挖掘大熊猫种群空间利用格局变化及其驱动因素[15,16]，一些学者通过借助3S技术手段挖掘影响生态脆弱区的替代变量以间接反应土地利用覆被/变化所展现的生境问题[17-25]，此类研究在变量选取上更为偏重于实验科学，数据精度较高而更为客观反应生境演变历程。
上述研究为本文的形成提供了很好的理论基础，但前人的研究更多从生态学及其方法论入手，未能从一个宏观视觉上反映出道路交通工程对整个山系自然保护区土地利用格局的影响，而结构方程模型（SEM）则从实证视觉出发，对道路交通工程对土地利用格局的有关影响变量进行一一对应关系的分析与统计，再从宏观视觉把握全局性。该研究方法在城市土地利用格局演变领域已经得到了广泛应用。本文基于结构方程模型（SEM）探索道路交通工程对自然保护区土地利用格局的内在关联，以揭示道路交通建设对大熊猫保护情况、大熊猫保护区生境资源、人类活动、农业和农户经济、总体经济的影响变化所带来的土地利用格局演变问题。
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数据来源：① 全国地理信息资源目录服务系统，1∶100万全国基础地理数据库http://www.webmap.cn/commres.do?method=result100W；② 第四次全国大熊猫调查报告四川省第四次大熊猫调查报告；③ 国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（7171101101）2018—2019年田野调查
审图号： 图川审（2019） 282 号
凉山山系包括大凉山和小凉山在内的处于青藏高原边缘的横断山脉北段向四川盆地之间的过渡地带，东、西、南三面被金沙江所环绕，与云南省隔江相望，北面以大渡河为界，与内地汉族地区分割，境内河川密布、群峰耸峙，峡谷壁立，使整个地貌崎岖破碎，处处峭绝深阻，平均海拔2000~2500 m，形成相对封闭独立的地理单元。凉山山系境内存在9个大熊猫保护区，分布在美姑、马边、屏山等9个县（见图1）。凉山山系9个自然保护区皆有一些共性，即高海拔、呈山地丘陵地貌、森林覆盖率高、耕地资源稀缺、建设用地散布在保护区边缘不断向内蔓延。与此同时，受自然干扰（地震、泥石流等）和人为干扰（道路修建、放牧等），区域景观破碎，虽有廊道向外连接，但现有道路形成了景观隔离带而造成的保护区间的隔绝，因此在这一具有独特地理特征的区域探寻技术进步背景下的道路数量对大熊猫生境干扰具有显著性意义。
Figure 1. Diagram of the study area
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文章所用的数据源自于第三次和第四次大熊猫调查报告、四川省统计年鉴、研究区域内各县统计年鉴、年鉴以及相关的公开数据。与此同时，文章还采用了30米全球地表覆盖数据和夜光遥感数据以测算研究区域内土地利用覆被/变化（如图2）。全球30米地表覆盖数据（GlobeLand30），产品来源于国家基础地理信息中心。全球1千米夜光遥感数据数据源为美国国防部极轨卫星计划的DMSP（Defense Meteorological Sate-llite Program）卫星。
Figure 2. Land use cover / change （LUCC） pattern
审图号： 图川审（2019） 282 号
与此同时，文章基于多源遥感影像数据对凉山山系大熊猫自然保护区道路进行矢量化，从而获得凉山山系大熊猫自然保护区道路交通图（图例如图3所示，2000年和2015年道路交通图如图4所示）。
Figure 3. Legend in this study
Figure 4. Road map in the study area
审图号： 图川审（2019） 282 号
数据的描述性统计如表1所示。
变量 单位 极小值 极大值 均值 标准差 道路里程 km 8158.00 222978.00 96470.39 76670.70 大熊猫栖息地面积 m2 0 358564500.00 175627611.11 133866301.76 野生大熊猫数量 只 0 29.00 9.00 10.94 保护区林地面积 m2 31874400.00 283419000.00 155481400.00 88142400.81 保护区建设用地面积 m2 0 19672200.00 4976700.00 6604026.25 保护区耕地面积 m2 336600.00 218355300.00 82409100.00 81112862.96 人口数量 人 51032.00 352556.00 225810.89 84604.34 农业生产总值 万元 17624.00 190550.00 110414.67 57204.24 粮食总产量 t 10839.00 210736.00 85744.22 55814.33 农民人均收入 万元 4002.00 7094.00 5514.00 1188.96 GDP 万元 193350.00 557717.00 364159.78 121922.85 Table 1. Descriptive statistics
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结构方程模型（Structural Equation Modeling，SEM）是一种融汇回归分析、路径分析、因子分析和方差分析的多变量复杂关系模型。该模型的优势在于可分析多因多果的观测变量间的联系以及潜变量之间的关系，并能够模拟多因子的内在逻辑关系，模型中既含有观测变量，又含有无法直接观测到的潜变量[26‒30]。结构方程模型可分为测量方程（Measurement Equation，ME）和结构方程（Structural Equation Modeling，SE）两部分，测量方程用以描述潜变量与观测变量之间的关系，结构方程用以描述潜变量之间的关系，观测变量含有随机误差和系统误差[26,27,31,32]。
测量方程描述潜变量（内生潜变量η、外生潜变量ξ）与观测变量（测量指标y、x）之间的关系。
式中：x为q个外生观测变量组成的q×1向量；Λx为外生观测变量（x）在外生潜变量（ξ）上的p×m因子负荷矩阵；ξ为n个外生潜变量组成的n×1向量；δ为外生观测变量（x）的误差项；y为p个内生观测变量组成的p×1向量；Λy为内生观测变量（y）在内生潜变量（η）上的q×n因子负荷矩阵；η为m个内生潜变量组成的m×1向量；ε为内生观测变量（y）的误差项[26-30]。
结构方程用以描述潜变量之间的关系。
式中：В为内生观测变量之间的相互影响效应系数；Г为外生观测变量对内生潜变量的影响效应系数，即外生潜变量对内生潜变量的影响效应系数；ξ为η的残差向量[26-30]。
结构方程模型主要有两大类参数估计方法：一是基于最大似然估计（ML）的协方差结构分析方法，用以衡量实证数据与理论模型的拟合程度；二是基于偏最小二乘（PLS）的结构方程模型，用以反映实证研究数据变量对研究对象的影响程度。本文探索道路交通工程对自然保护区土地利用格局变化的影响，因此采用PLS方法求解结构方程模型，以便使方程误差项最小化，提高研究精度[26]。
参数估计的目的在于获取变量间、模型未能解释部分、变量测量上的误差等指定参数，其能够反映各关系的强弱程度。基于PLS-SEM的参数估计步骤为：① 反复迭代以得到潜变量的估计值；② 通过最小二乘法（LS）进行线性回归以得到测量方程和结构方程的参数估计值[26]。
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本研究设置六个潜变量，分别为道路交通工程（η1）、大熊猫保护情况（ξ1）、大熊猫保护区生境资源（ξ2）、人类活动（ξ3）、农业和农户经济（ξ4）、总体经济（ξ5），其中为η内生变量、ξ为外生变量。道路交通工程（η1）所涵盖的观测变量为道路里程（y1），用以测度不同道路里程对自然保护区土地利用格局演变的影响；大熊猫保护情况（ξ1）所涵盖的观测变量为大熊猫栖息地面积（x1）、野生大熊猫数量（x2）；大熊猫保护区生境资源（ξ2）所涵盖的观测变量为林地面积（x3），用以衡量道路交通建设对生态用地格局的影响；人类活动（ξ3）所涵盖的观测变量为建设用地面积（x4）、耕地面积（x5）、人口数量（x6），用以测度道路工程建设所引发人类活动扩张导致的土地利用变更；农业和农户经济（ξ4）所涵盖的观测变量为农业生产总值（x7）、粮食总产量（x8）、农民人均收入（x9），总体经济（ξ5）所涵盖的观测变量为GDP，用以反映道路交通建设驱动背景下经济生产活动对土地利用格局演变的反向影响（变量体系如表2所示）。基于此，文章能够构造道路交通工程对自然保护区土地利用格局变化影响的结构模型。
项目 潜变量 观测变量 变量 符号 变量 符号 单位 内生变量 道路交通工程 η1 道路里程 y1 km 外生变量 大熊猫保护情况 ξ1 大熊猫栖息地面积 x1 m2 野生大熊猫数量 x2 只 大熊猫保护
区生境资源ξ2 林地面积 x3 m2 人类活动 ξ3 建设用地面积 x4 m2 耕地面积 x5 m2 人口数量 x6 人 农业和农户经济 ξ4 农业生产总值 x7 万元 粮食总产量 x8 t 农民人均收入 x9 万元 总体经济 ξ5 GDP x10 万元 Table 2. Influence variables of road traffic engineering on changes of land use pattern in nature reserve
具体地假说如下：
研究假说1（H1）：道路交通工程对大熊猫保护影响为负；
研究假说2（H2）：道路交通工程对大熊猫保护区生境资源影响为负；
研究假说3（H3）：道路交通工程对人类活动影响为正；
研究假说4（H4）：道路交通工程对农业和农户经济影响为正；
研究假说5（H5）：道路交通工程对总体经济影响为正；
研究假说6（H6）：人类活动对大熊猫保护影响为负；
研究假说7（H7）：人类活动对大熊猫保护区生境影响为负；
研究假说8（H8）：农业和农户经济对大熊猫保护影响为负。
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经检验，人类活动、农业和农户经济、大熊猫保护、大熊猫保护区生境、总体经济等变量的克朗巴哈系数均大于0.9，表明方程具有内部一致性。AVE值表示用潜变量的方差解释相应观测变量方差的百分比，通常认为AVE变量值应至少大于0.5[26,27]表明结构变量具有内部一致性。由表3可以看出，各潜变量的AVE值均大于0.84，故而证明测量模型具备相对较好的区分效度。
变量 Cronbach’s α AVE 大熊猫保护情况 0.954 0.924 大熊猫保护区生境资源 0.933 0.937 人类活动 0.955 0.918 农业和农户经济 0.904 0.841 总体经济 0.937 0.895 Table 3. Reliability coefficient and validity coefficient
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结构方程模型的合理性检验包含系数合理性检验、显著性检验以及拟合度检验。文章采用卡方自由度比（χ2/df）、拟合优度指数（GFI）、规范拟合指数（NFI）、比较拟合指数（CFI）、增量拟合指数（IFI） 、残差均方和平方根值（RMSEA）进行总体拟合度检验，检验结果表明χ2/df=1.162<3，GFI、NFI、CFI、IFI值均大于0.9，RMSEA=0.128<0.1，上述结果均符合评价标准，表明模型的拟合程度较好，能够反映凉山山系大熊猫自然保护区道路交通工程对土地利用格局的影响。
参数 卡方自由度比
（χ2/df）拟合优度指数
（GFI）规范拟合指数
（NFI）比较拟合指数
（CFI）增量拟合指数
（IFI）残差均方和平方根值
（RMSEA）评价标准 <3 >0.9 >0.9 >0.9 >0.9 <0.1 结果 1.162 0.973 0.918 0.935 0.904 0.128 Table 4. Fitting index of the model
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文章采用极大似然法对模型进行估计，从而得到表3的结果。结果表明，道路交通工程对大熊猫保护（路径系数为-0.116）和大熊猫保护区生境资源（路径系数为-0.616）存在负向影响，并且系数不显著，这一结论证实了假设1和假设2。道路交通工程对人类活动的影响是正向的（路径系数为0.86）且显著（P<0.1），支持了假说3，表明道路交通工程强度上升会引发人类活动程度上升。道路交通工程对农业和农户经济影响不显著，其路径系数为0.409，但仍说明道路交通工程带动了建设用地（0.966）、耕地面积（0.960）以及人口数量（0.948）的上升，假说4得到了验证。道路交通工程对总体经济的影响为证，路径系数高达1.154且显著（P<0.01），支持了假说5。人类活动对大熊猫保护和大熊猫保护区生境资源的影响皆为正向性，但这种影响并不显著，违背了假说6和假说7，表明道路交通工程引发的人类活动在一定程度上能够对大熊猫保护和其保护区生境资源保护产生一定积极影响。农业和农户经济对大熊猫保护影响的路径系数为−0.663，表明伴随农业和农户经济的扩张而引发大熊猫生存空间不断萎缩的现状，假说8得到了验证。
Figure 5. Structural model of the influence of road traffic engineering on changes of land use pattern in nature reserve
路径 标准化系数 标准误 P值 道路交通工程（η1）→大熊猫保护情况（ξ1） −0.116 0.162 0.972 道路交通工程（η1）→大熊猫保护区生境资源（ξ2） −0.081 0.196 0.963 道路交通工程（η1）→人类活动（ξ3） 0.086 0.045 * 道路交通工程（η1）→农业和农户经济（ξ4） 0.409 0.902 0.778 道路交通工程（η1）→总体经济（ξ5） 1.154 0.366 *** 大熊猫保护区生境资源（ξ2）→大熊猫保护情况（ξ1） 0.853 0.391 ** 人类活动（ξ3）→大熊猫保护情况（ξ1） 0.134 0.215 0.878 人类活动（ξ3）→大熊猫保护区生境资源（ξ2） 0.087 0.092 0.903 人类活动（ξ3）→农业和农户经济（ξ4） 0.473 0.225 ** 人类活动（ξ3）→总体经济（ξ5） 1.827 0.131 *** 农业和农户经济（ξ4）→大熊猫保护情况（ξ1） −0.663 0.143 *** 农业和农户经济（ξ4）→总体经济（ξ5） 0.269 0.219 0.966 注：***、**、*分别表示显著性程度1%、5%和10%。
Note: * * *, * * and * respectively indicate the significance degree of 1%, 5% and 10%.Table 5. Fitting results of the model
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当前，国家对自然资源的管制力度不断强化，大熊猫自然保护区逐渐向国家公园转化，但管制区域面积的扩大导致管制区域所涵盖人口数量的增长，从而引发生态保护与农户生计发展之间形成长期矛盾。一方面，保护区内居民要依赖自然资源转化为生计资本以维持生计[27]；另一方面，保护区生物多样性下降、森林资源破坏、生境资源破碎会导致气候变迁、水土流失等诸多问题而引发深度贫困[27]。因此，实现自然保护区人与自然和谐共生的前提是走可持续发展与绿色发展道路，通过构建生态道路交通体系降低硬化路面比例而增加利于生物资源交流的泥结道路、推进道路周边生态养护工程推进以保持生境单元完整性、推进国土空间管制力度而严格控制建设用地和耕地规模并加强生态保护规划以红线划定工作、推进区域经济由第一产业向第三产业转型以降低农业活动对保护区的干扰而降低土地利用格局演进速度，从而实现“生态工程-国土空间管制-产业结构转型”系统融汇的“社会-生态”系统恢复，而非单一采取禁止道路交通工程兴建，实现了保护区与社区居民共享生态与经济发展成果的和谐共生局面。
因此，道路交通工程在自然保护区内虽然在过去及当前一段时期造成了土地利用格局的负向演变，但如果通过“生态工程-国土空间管制-产业结构转型”系统融汇，则能够实现维系生物多样性、自然生态系统生境优化同农户生计资本丰裕的共赢局面，使农户切实获益与生态保护而进一步提升其参与保护自然资源的意愿，推进保护区土地利用格局正向演变。
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本研究通过对凉山山系大熊猫自然保护区2000—2015年间数据的分析，构建了道路交通工程对自然保护区土地利用格局演变的结构方程，结果表明：道路交通工程引发了大熊猫保护（−0.116）和大熊猫保护区生境资源（−0.616）水平降低，但带动了农业和农户经济（0.409）和总体经济（1.154），然而在一定程度上引发林地资源退化而耕地和建设用地面积增长。
基于上述结论，本文提出如下建议：（1） 应对现有保护区核心区域内公路进行路面改造，改造成为泥结路面以实现生物资源的有效交流，从而降低道路的隔离作用与缓冲区景观冲击。（2） 应建立保护区腹地准入原则，限制保护区核心区域内的人类活动。（3） 加强保护区及其所在县（区）土地用途管制，划定保护区生态红线，确保林地面积不减少，保护区内部耕地退耕，零星建设用地退出。（4） 推动保护区农户转移就业，并积极鼓励发展第三产业而降低对土地资源的依赖，降低土地利用格局演变速度。
Effect of Road Traffic Engineering Constrction on Land Use Pattern in Nature Reserve: Evidence from Liangshan, Sichuan Province
doi: 10.12172/202110140002
- Received Date: 2021-10-14
- Available Online: 2022-06-27
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Key words:
- Road traffic engineering /
- Nature reserve /
- Land use pattern /
- Structural equation model
Abstract: The road traffic engineering has an impact on the evolution of land use pattern in nature reserve. When the road keep extending to the hinterland of giant panda nature reserve, human activities also interfere with the habitat of reserves. Exploring this problem will help the nature reserve to take appropriate measures to improve the habitat level. In this study, the Giant Panda Nature Reserve in Liangshan Mountains of Sichuan Province was selected as an example to establish the structural equation model. The results showed that road traffic engineering had led to the reduction of the giant panda protection and habitat resources in the panda reserve, but it had driven the agriculture, farmers’ economy and the overall economy. However, to a certain extent, the road traffic engineering had led to the degradation of forest land resources and the increase of cultivated area and construction land area. In order to achieve the dual goals of ecological protection and sustainable livelihood of farmers, policy improvement must take into account the interests of ecology and farmers, and adopt a mitigation scheme of harmonious coexistence between man and nature.
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