Case Study

Evaluation and Improvement of Habitat Quality Around Crossing Structures for Asian Elephants

  • YANG Yangang , 1 ,
  • WANG Yun , 1, * ,
  • TAO Shuangcheng 1 ,
  • KONG Yaping 1 ,
  • CHEN Jiding 1 ,
  • CHUANG Guanghuai 2 ,
  • ZHOU Junjie 2
Expand
  • 1 China Academy of Transportation Sciences, Beijing 100029, China
  • 2 Yunnan Communications Investment & Construction Group Co., Ltd., Pu′er Management Office, Pu′er 665099, China

Received date: 2024-03-18

  Online published: 2024-09-09

Abstract

To assess the habitat quality of the Asian elephant crossing structures along highways, enhance the connectivity of the Asian elephant habitats on both sides of the road, and reduce human-elephant conflicts, this study combined field surveys with UAV photography to analyze the habitat characteristics of 13 crossing structures on the Simao-Xiaomengyang Expressway and Simao-Lancang Expressway in Yunnan province. It identified the suitable regions and unsuitable factors for Asian elephants using the crossing structures, constructed a crossing habitat disturbance index, and quantitatively evaluated the disturbance levels of the Asian elephant crossing structures. The results showed that the area and proportion of suitable areas and the average disturbance level of crossing structures on Simao-Lancang Expressway were higher than those on Simao-Xiaomengyang Expressway, but the differences were not significant. The area around the Asian elephant crossing structures on the Simao-Lancang Expressway had a higher degree of human disturbance, mainly manifested by scattered residential points and artificial forests, and some crossing structures intersected with local roads, but Asian elephants utilized almost all of the crossing structures. The area around the Asian elephant crossing structures on Simao-Xiaomengyang Expressway had a lower degree of human disturbance; although there were disturbances from artificial forests, the widespread distribution of surrounding secondary forests and the proximity of the crossing structure to rivers offset the adverse effects. Based on the disturbance factors of different crossing structures, the study proposed habitat enhancement strategies such as protecting and restoring native vegetation, protecting natural rivers and ponds, and supplementing food plants for Asian elephants. The research provides a scientific basis for improving the utilization of the Asian elephant crossing structure on the two expressways.

Cite this article

YANG Yangang , WANG Yun , TAO Shuangcheng , KONG Yaping , CHEN Jiding , CHUANG Guanghuai , ZHOU Junjie . Evaluation and Improvement of Habitat Quality Around Crossing Structures for Asian Elephants[J]. Transport Research, 2024 , 10(3) : 83 -92 . DOI: 10.16503/j.cnki.2095-9931.2024.03.010

0 引言

亚洲象(Elephas maximus)是国家一级保护动物,被世界自然保护联盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)列为濒危物种。受气候变化和各种人类活动(如森林砍伐)的威胁,亚洲象在中国的分布正在以每世纪0.5°纬度的速度向南退缩[1]。亚洲象栖息地连通性是影响其生存和繁衍的关键因素[2]。交通基础设施的建设阻隔了亚洲象移动,导致亚洲象栖息地退化和破碎化[3-4],可能还会间接带来偷猎、森林砍伐等问题[5-7],进一步威胁亚洲象的生存[8-9]。亚洲象频繁上路也给行车安全带来严重影响。为保护亚洲象的移动顺畅及其栖息地的完整性,进行交通建设时通常会设置动物通道,以保障亚洲象移动与交通运营的双重安全[10-12]。然而,现有亚洲象通道设计普遍忽视周边生境质量的评估以及生境营造技术研究,仅关注通道结构物本身,导致部分亚洲象通道利用效果不佳。因此,根据亚洲象的生境选择偏好特征,对可能利用的动物通道进行有针对性的生境改造与提升,使其成为亚洲象迁移廊道上的重要衔接节点,以加强公路两侧亚洲象栖息地间的连通性,显得十分迫切和必要[13]
国内有关生境质量评估的研究更关注区域尺度,包括基于InVEST模型的城镇土地整治质量评估[14],以及城镇土地利用转换的生境质量变化等[15],并构建了相关生境质量指数[16- 17]。具体到野生动物,也开展了关于物种栖息地生境适宜性评价[18]、生境格局[19]、生境质量变化和生境破碎化等方面的研究[20-21]。国际上的生境质量评估多关注某一物种的栖息地质量评价[22- 23]、种间关系及食物链保护[24]、连通性等方面[25],通过使用不同的模型和技术,以更好地理解和预测影响物种生存的关键因素,研究成果为制定物种保护和种群管理策略提供了科学依据。具体到公路野生动物通道生境质量评价,由于公路尺度相对较小,评估精度要求高,生境质量评估方法不同于大尺度评估,需要更具针对性。然而目前尚未有针对特定物种的公路廊道小尺度生境质量评估研究的报道。
国内外有关公路亚洲象通道生境营造的研究主要集中在生境组成要素设计方面[26]。既有研究多聚焦亚洲象动物通道监测[27]、选址[28-29]、类型和尺寸设计[26]等方面,尚无系统的生境营造研究报道。动物通道的生境营造是指通过人工手段,改善和恢复目标物种的栖息地的结构和功能,提供适宜目标物种靠近和穿越动物通道的条件和空间,以保障目标物种的生存和繁衍[30]
本研究针对既有研究在亚洲象通道生境质量评估与生境营造方面的不足,通过现场调查和无人机航拍,获取典型公路亚洲象通道生境质量数据,识别通道生境适宜区域和非适宜因素空间分布特征,构建通道生境扰动度指数,提出通道生境扰动度定量评价方法,据此提出公路亚洲象通道生境营造对策。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

思澜高速、思小高速位于云南省南部,东经100°25′42″~101°10′58″,北纬21°55′19″~22°56′4″。其中,思小高速全长97.75 km,是我国唯一一条穿越国家级热带雨林自然保护区(西双版纳国家级自然保护区勐养子保护区)的生态高速公路,穿越保护区路段长约13 km,设置了25座通道(23座桥梁通道和2座隧道通道)[27];思澜高速是首条通往澜沧拉祜族自治县(中国唯一的拉祜族自治县)的高速公路,主线全长124.686 km,全线桥隧比为63.3%,实现了昆曼大通道与澜沧江-湄公河“国际黄金水道”及澜沧景迈机场的快速连接,有助于加强我国与周边国家互联互通。两条高速地处北回归线以南,属于南亚热带山地季风气候,年均气温约18 ℃,年降雨量1000~2000 mm,每年的5月至9月为雨季,炎热多雨,10月至次年4月为旱季,温暖干燥[31];公路沿线是我国食盐、茶叶、橡胶、粮食的重要生产基地,地貌以中低山地为主,区内沟谷纵横、溪流密布,是我国亚洲象种群数量最多、最集中的地区[32]。思澜高速自曼歇坝至南邦河约10 km沿线是亚洲象活动的主要区域,交通部门专门在此段设置了17处总长2 663 m的大象专用护栏和6座通道。

1.2 调查方法

研究人员分别于2022年7月和2023年9月对思小高速的6座通道(4座专用通道和2座非专用通道)、思澜高速的7座通道(5座专用通道和2座非专用通道)开展了现场调查和无人机航拍。调查内容包括以下6个方面。
1)通道工程调查。包括桥梁通道、宽度和高度4 m以上的涵洞通道、隧道顶部通道、互通区桥梁通道等几种类型,分别记录桩号、地理坐标、通道尺寸(长、宽、高)等信息。
2)亚洲象活动痕迹调查。亚洲象通道出入口及内部的亚洲象活动痕迹,包括足迹、卧息、粪便、采食植物痕迹等信息。
3)亚洲象栖息地生境调查。包括植被类型及分布,河流、硝塘、水塘等水源地分布,记录地理坐标。
4)亚洲象生境干扰因素调查。包括通道附近居民点、农田、经济林地的数量与分布等信息。
5)亚洲象活动信息调查。走访通道附近居民、公路养护机构等,获取亚洲象在通道附近活动时间、频次、人象冲突事件等信息。
6)亚洲象通道生境质量调查。采用无人机航拍手段,以目标动物通道为中心,在沿公路走向两侧不小于1 km、垂直公路方向不小于200 m的范围进行拍摄,并根据通道特征进行适当调整。利用影像处理软件Pix4D对拍摄完成后的数码相片进行处理,生成正射影像(Ortho Graph)与数字表面模型(Digital Surface Model, DSM)。采用人工目视解译方法,对正射影像进行处理,提取亚洲象通道的适宜因素、非适宜因素、干扰因素等空间信息。
调查结果见表1。航拍正射影像及数字表面模型见图1
表1 思小高速和思澜高速通道调查结果
编号 通道所在
高速
通道桩号 通道
形式
亚洲象
活动监测
1 思澜 K127 涵洞 很少活动
2 思澜 K128 涵洞 很少活动
3 思澜 K129+100 桥梁 频繁活动
4 思澜 K135+711 桥梁 偶尔活动
5 思澜 K139 桥梁 频繁活动
6 思澜 K140 桥梁 频繁活动
7 思澜 K141+926 桥梁 偶尔活动
1 思小 K494+85 涵洞 很少活动
2 思小 K494+400 涵洞 很少活动
3 思小 K504+780—K504+895 隧道 很少活动
4 思小 K499+731 桥梁 偶尔活动
5 思小 K501+151—K501+916 隧道 频繁活动
6 思小 K496+137 桥梁 频繁活动
图1 思小高速百花山隧道航拍正射影像及数字表面模型

注:拍摄于2022年7月,平均地面采样距离为4.53 cm,拍摄面积0.361 km2

1.3 无人机影像解译

结合地面调查的定位信息,利用Arcgis10.8软件对无人机正射影像作解译处理,分别提取居民点、道路、河流、水塘、农田等土地覆盖类型,以及橡胶林、咖啡灌丛、茶灌丛等人工植被类型。
亚洲象一般沿河流移动,容易靠近和穿越通道,穿越通道后会远离公路活动[32]。参照前人研究经验值[33-34],考虑到本研究空间尺度小,假定亚洲象通道附近适宜生境为靠近河流并远离道路的区域,距离约为20 m。据此对道路、水源地作缓冲区分析,将距离道路20 m范围内划为生境不适宜区域,超过20 m区域划为生境适宜区域;距离河流或水塘20 m范围内划为生境适宜区域,超过20 m区域划为生境不适宜区域。
根据现场调查,亚洲象主要在坡度小于12.46°的区域活动,因此利用ASTER GDEM,在30 m图层上计算亚洲象通道生境的坡度数据。由于亚洲象通道生境适宜性区域的提取与评价目的是为生境营造提供依据,因此没有计算海拔与坡向因子。

1.4 公路亚洲象通道生境扰动度评价方法

公路运营对亚洲象生境的干扰包括正面扰动和负面扰动两方面。正面扰动包括亚洲象通道及附近区域存在的自然地物和部分人工地物,如河流、农田、水塘、食物、适宜生境等,这些地物的存在对亚洲象通道生境质量的维持和提升具有重要作用。负面扰动包括公路附近的噪声[35]、光污染[36]和人为活动干扰等[37],这些干扰降低了亚洲象生境的质量,如果公路路线正好位于其迁移路线上,则存在迁移路线阻断问题,进而影响其季节性迁移和觅食。本研究中,亚洲象通道附近的负面干扰包括道路干扰、人工林干扰、人工建筑干扰等。
基于公路亚洲象通道生境扰动因素的特征分析,本研究构建公路亚洲象通道生境扰动度指数,以定量评估亚洲象动物通道生境扰动状况,并针对突出的负面扰动提出有针对性的生境营造对策。
道路生境扰动度评价亦包括正面扰动和负面扰动。正面扰动因子为河流、水塘、农田、适宜生境面积占比;负面扰动因子为道路、居民点、人工林等。各扰动因子定义如下:道路扰动因子为道路长度与拍摄区域长边边长的比值;农田扰动因子为农田面积与拍摄区域面积的比值;人工林扰动因子为人工林面积与拍摄区域面积的比值;居民点扰动因子为居民点面积与拍摄区域面积的比值;河流扰动因子为河流长度与拍摄区域长边边长的比值;水塘扰动因子为水塘面积与拍摄区域面积的比值;适宜生境扰动因子为适宜区域面积与拍摄区域面积的比值。
通道生境扰动度指数计算公式如下:
D W C S = D r o a d + D r e s i d e n c e + D p l a n t a t i o n R r i v e r + R p o n d + R f a r m l a n d + R s u i t a b l e _ a r e a
式(1)中: D W C S为通道生境扰动度指数; D r o a d为道路扰动因子; D r e s i d e n c e为居民点扰动因子;   D p l a n t a t i o n为人工林扰动因子; R r i v e r为河流扰动因子; R p o n d为水塘扰动因子; R f a r m l a n d为农田扰动因子; R s u i t a b l e _ a r e a为适宜生境扰动因子。

1.5 公路亚洲象通道生境适宜性区域提取

公路亚洲象通道生境不适宜区域包括:居民点、人工林植被、道路周围20 m缓冲区内,河流及水塘周围20 m缓冲区外,坡度超过12.46°区域。公路亚洲象通道生境适宜区域包括:农田,河流及水塘周围20 m缓冲区内,道路周围20 m缓冲区外,坡度小于12.46°区域。公路亚洲象通道生境因子适宜性划分详见表2
表2 公路亚洲象通道生境因子适宜性划分
因子类型 适宜区域 不适宜区域
居民点面积 全部
与道路的距离 > 20 m <20 m
与河流及水塘的距离 < 20 m >20 m
人工林面积 全部
农田面积 全部
坡度 0~12.46° > 12.46°

1.6 公路亚洲象通道生境非适宜因素梳理

将上述坡度、道路缓冲区、河流缓冲区叠加,再分别与人工林、农田、居民点叠加,提取至少有一个非适宜条件的区域,生成公路亚洲象通道生境非适宜因素分布表,如表3所示。
表3 公路亚洲象通道生境非适宜因素
叠加方式 非适宜因素
坡度、
道路缓冲区、
河流缓冲区叠加
靠近道路
靠近道路+远离水体
远离水体
坡度陡峭
坡度陡峭+靠近道路
坡度陡峭+远离水体
坡度陡峭+靠近道路+远离水体
坡度、
道路缓冲区、
河流缓冲区、
居民点叠加
居民点+靠近道路
居民点
居民点+靠近道路+远离水体
居民点+远离水体
居民点+坡度陡峭+靠近道路
居民点+坡度陡峭
居民点+坡度陡峭+远离水体
居民点+坡度陡峭+靠近道路+远离水体
坡度、
道路缓冲区、
河流缓冲区、
人工林叠加
人工林+靠近道路
人工林
人工林+靠近道路+远离水体
人工林+远离水体
人工林+坡度陡峭+靠近道路
人工林+坡度陡峭
人工林+坡度陡峭+远离水体
人工林+坡度陡峭+靠近道路+远离水体

2 研究结果与讨论

2.1 亚洲象通道生境质量评估

本节将基于无人机影像解译数据以及非适宜因素提取分析方法,对思小高速6座、思澜高速7座桥梁、隧道和涵洞通道的生境适宜性分布格局、非适宜因素进行解析,并评估通道生境质量。
根据无人机影像解译结果,对思澜高速和思小高速的通道适宜区域面积和适宜面积占比进行比较分析。思澜高速各通道适宜区域面积、适宜面积占比均值大于思小高速各通道均值,但差异不显著(p > 0.1),即两个高速的通道在适宜区域面积和适宜面积占比上没有显著差异。思澜高速通道生境扰动度指数均值高于思小高速各通道均值,差异也不显著(p > 0.1)。整体来看,各通道适宜区域面积占比不高,通道生境扰动度指数较大(见表4图2),即通道区域生态环境并不适合亚洲象栖息或者不能充分满足亚洲象的生态空间需求,说明高速公路的存在对周围亚洲象栖息地生境造成了一定程度的干扰。
表4 思澜高速和思小高速各通道适宜区域面积占比及生境扰动度指数
通道名称 适宜区域面积
/km2
适宜面积占比(%) 通道生境
扰动度
指数
思澜高速 思澜高速K127涵洞 0.039 12.381 0.359
思澜高速K128涵洞 0.012 3.909 0.965
思澜高速K129+100桥梁 0.016 7.477 0.439
思澜高速K135+711桥梁 0.054 12.796 0.245
思澜高速K139桥梁 0.03 13.889 0.340
思澜高速K140桥梁 0.102 11.888 0.410
思澜高速K141+926桥梁 0.013 4.392 0.835
思澜高速各通道均值 0.038 9.533 0.513
思小高速 思小高速K494+85涵洞 0.03 6.682 0.488
思小高速K494+400涵洞 0.019 17.273 0.112
思小高速K504+780—K504+895隧道 0.01 2.770 0.992
思小高速K499+731桥梁 0.013 7.558 0.435
思小高速K501+151—K501+916隧道 0.011 6.832 0.398
思小高速K496+137桥梁 0.033 6.904 0.404
思小高速各通道均值 0.019 8.003 0.471
图2 思小、思澜高速公路适宜区域面积占比及生境扰动度指数对比
通道生境干扰度评估对于亚洲象栖息地环境保护、道路规划及通道生境营造有重要启示。例如,为减小现有高速公路的阻隔影响,提升亚洲象穿越率,可以考虑采取措施增加正向扰动因子比重,减小生境扰动度指数,如通过增加亚洲象喜食植物、改善排水系统、保护原始河道、增设硝塘、恢复生态廊道等措施来减少公路交通对周边亚洲象栖息地的负面影响。同时,对于未来新规划的高速公路,可基于这些分析结果来优化路线选择,尽量穿越生境扰动度低的区域。
图3为公路亚洲象通道生境质量分析示意图。可以看到:
图3 公路亚洲象通道生境质量分析示意图
1)思澜高速亚洲象通道附近人为干扰较大,主要体现在居民点、人工林等多且零散分布,扩大了扰动范围,部分通道与地方道路交叉,导致亚洲象栖息地被分割,增加了亚洲象与人类活动的接触机会,增大了人象冲突的风险。然而,亚洲象几乎利用了所有的通道,这表明即使在人为干扰较大的情况下,亚洲象仍然能够通过调整其行为,找到适宜的活动空间,进而利用动物通道进行穿越。现场调研发现,亚洲象利用通道的时间基本为夜间,避开了与人类的正面冲突。此外,通道周边农田分布广泛,为亚洲象提供了丰富的食物来源,这对亚洲象具有很大的吸引力,农作物的可采食性可能在一定程度上补偿了人为活动带来的负面干扰,吸引亚洲象主动靠近通道周边区域活动并穿越这些通道,从而在一定程度上缓解了高速公路对亚洲象移动的阻隔影响。
)相比之下,思小高速亚洲象通道附近人为干扰略小。这一区域的特点是部分通道位于保护区的边缘,人工林种植面积较大,包括橡胶、咖啡和茶等经济作物。尽管存在这种人为的土地利用,但由于通道靠近保护区,周边原始次生林的广泛分布为亚洲象提供了较为自然的栖息环境。此外,几乎所有的通道都靠近河流,这不仅为亚洲象提供了水源,也可能成为其迁移路线的一部分。通道出入口附近散布的农田也可能为亚洲象提供了额外的食物来源,使得它们更频繁地靠近和穿越这些动物通道。
总体看来,与思澜高速相比,思小高速上亚洲象穿越通道的数量和规模明显更高。这可能与思小高速周边相对原生的生境和较少的人为干扰有关。亚洲象迁移象道是其固有的迁徙路径,当象道与公路路线交叉时应设置动物通道,这对于保障亚洲象的顺利迁徙穿越具有重要意义。同时动物通道也成为研究公路对亚洲象影响的重要点位,为进一步制定保护策略和新建公路动物通道提供了科学依据。

2.2 亚洲象通道生境质量营造对策

无人机航拍技术提供的高分辨率影像和数据,为研究者提供了一个更深入理解亚洲象行为和活动区域生境特征[38],以及人类活动对其行为模式潜在影响的视角[39]。上述信息对于制定生境营造对策、提升通道利用率至关重要[40]。本研究运用无人机航拍技术,对亚洲象栖息地生境内典型高速公路亚洲象动物通道格局进行了分析。研究发现,亚洲象的象道走向在很大程度上避开了部分非适宜因素,包括但不限于人类活动频繁的区域、交通基础设施等,如:思澜高速的K141+926桥梁、K135+711桥梁、K127—K128段涵洞;思小高速的K494+400涵洞、K499+731桥梁、K501+151—K501+916隧道。
非适宜因素对亚洲象通道的使用产生了负面影响,部分通道中的象道被非适宜因素阻断。例如,在思澜高速的K127涵洞以及思小高速的K494+85涵洞和百花山隧道顶部通道等,这些象道的阻断可能迫使亚洲象改变其自然迁移路线,增加了它们与人类活动发生冲突的风险,同时也限制了亚洲象的觅食和社交行为。因此,掌握非适宜因素特征及空间分布特点,并采取措施减小其对亚洲象通道的负面影响,对于亚洲象通道生境质量提升和保护管理非常重要。
国际上开展的亚洲象保护研究中,已经采取了建立亚洲象动物通道和生境营造等措施,以减少道路对野生动物迁移路线的阻隔影响[41]。为了缓解象道阻断的不利影响,既有研究建议在现有生境中恢复亚洲象适宜生境,以连接被阻断的象道,此外,增强当地社区对亚洲象的保护意识,限制人类活动对亚洲象栖息地的干扰[42],以及开展基于亚洲象迁移廊道保护的土地利用规划,这些对于保护和恢复亚洲象的关键栖息地和提高生境连通性都至关重要[43]
针对不同通道干扰因素的空间分布特征,本研究提出了通道生境优化对策,旨在减少人类活动对亚洲象的不利影响,同时为其提供更加适宜的穿越环境。主要包括以下几个方面:
1)保护和恢复原生植被。这对于维持公路亚洲象通道周围的植被连续性和完整性至关重要,不仅能够为亚洲象提供必需的食物和栖息地,还有助于保持生态平衡和生物多样性[44]
2)种植亚洲象喜食植物。鉴于农田地(尤其是种植玉米、甘蔗等作物的区域)对亚洲象具有极大的诱惑力,在动物通道附近有针对性地种植这些农作物以及其他大象喜爱的食物,包括芭蕉、竹类和象草等,不仅能够为亚洲象提供丰富的食物来源,诱导其靠近和穿越动物通道,还有助于引导它们安全地穿越人类活动区域,减少对周边农田的破坏。
3)保护公路亚洲象通道周边地区河流及水塘。考虑到亚洲象对水源的利用偏好,对动物通道下部及附近的河流及水塘的保护尤为重要。建议减少对河流及水塘的人工开发和干扰活动,同时,沿着河流种植大象食物,可以形成一条食物和水源丰富的生态走廊,在通道附近挖掘人工硝塘,进一步诱导亚洲象迁移并穿越通道[40]
4)降低人为干扰对亚洲象的影响。严格控制动物通道下部及附近的人为活动,包括加强附近居民点和农田的监测预警系统建设,以及亚洲象接近时的预防措施演练,避免人象冲突的发生[45]
总体而言,生境营造对策的实施需要地方政府、公路运营企业、亚洲象保护机构、当地社区和环境保护组织的共同努力和持续投入才能发挥作用,确保亚洲象种群的长期生存和繁衍。

3 结束语

本研究采用现场调查结合无人机航拍的方法,对思小高速和思澜高速13处通道的生境质量进行了评估,并构建了公路亚洲象通道生境扰动度指数,据此分析了亚洲象通道生境适宜区域分布格局,深入探讨了影响生境质量的非适宜因素的分布特征。研究提出了一系列具体的生境营造对策,以期有效提升亚洲象栖息地的连通性,减少人象冲突。下一步的研究,一方面,将结合具体工程项目,将本次研究提出的通道生境营造对策应用于亚洲象通道建设中;另一方面,将对已有亚洲象通道持续开展跟踪监测,科学评估生境营造效果。
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