基于“格局-功能”關系的秦嶺北麓城市水源地空間管控*

蘭澤青 岳邦瑞，2 王敬儒

1 西安建筑科技大學建筑學院 西安 710055 2 西部建筑科技國家重點實驗室 西安 710055

城市水源地是城市的水資源供給地[1]，城市擴張、水資源高強度開發，造成水源地生態退化、水資源供給不足，掣肘城市可持續發展。秦嶺北麓西安段是西安市的水源供給區與水源涵養地[2]，近年受人為影響，空間格局發生巨大變化[3]，引發水源涵養、水土保持、生物多樣性保護、文化服務等生態系統服務質量下降、功能失調、穩定性減弱[4-5]。如何合理利用土地的同時發揮景觀效益、滿足城市可持續發展，成為城市水源地亟待解決的重要問題[6]。

探究空間格局與生態系統服務功能關系，有助于優化土地利用、發揮景觀效益。 “格局-功能”關系是景觀規劃的研究熱點，在城市[7]、鄉村[8]、流域[9]等諸多領域指導規劃實踐，但既往研究存在以下問題:1)景觀規劃對“格局-功能”相互作用機制的理解有限，規劃成果難以發揮景觀效益[10]；2)研究多以靜態數據探索規律，鮮有基于時空異質性的動態指標分析“格局-功能”關系[7]；3)水源地分析以單一功能為主，缺乏多功能與全要素的考慮[11]。

本研究以“格局-功能”關系的相互作用機制為重點，充分考慮水源地多功能全要素因子的動態分析，引入“空間機制”概念，將“格局-功能”相互作用理解為“y＝f(x)”函數關系[12]，即在“f”為鏈接格局與功能因果關系的解釋機制下，特定空間變量(格局“x”)與特定目標變量(功能“y”)間的作用關系。依循該機制提出如下思路:1)分析空間格局演變特征與景觀功能時空分布特征，得到自變量“x”因子與因變量“y”因子；2)對“x”因子與“y”因子進行因子探測，得到兩者子項因子間的關聯強度；3)關注強關聯因子間雙變量空間自相關關系，基于空間聚類進行分區與管控，提出相應的管控措施。

1 研究區概況

西安市秦嶺北麓黑河流域(33°42′—34°13′N，107°43′—108°24′E)位于西安市周至縣境內，流域面積約2258 km2，是西安市最主要的供水水源[2]，其生態系統服務的健康與穩定關乎西安市生態環境與社會經濟的可持續發展。流域自渭河南緣至秦嶺主脊地貌類型分別為:河漫灘、一級階地、二級階地、沖洪積扇、堆積坮塬、低山、中山、高山區域。流域整體南高北低，沖洪積扇至高山區域是水土流失、地質災害高發區。河漫灘至沖洪積扇區域是人口密集區，人類生產生活活動程度較高，土地利用強度較大。

2 研究方法

2.1 數據來源

參照GB/T21010-2017《土地利用現狀分類標準》，結合研究區實際情況將景觀類型分為耕地、林地、草地、水域、建設用地、未利用地。數據來源如表1所示。

表1 研究數據來源

2.2 “格局-功能”關系

1)景觀轉移矩陣分析。景觀轉移矩陣用于描述研究區在特定時段內景觀類型轉變與轉變量。計算公式如下:

式(1)中，Aij為轉移面積，i為特定時段內期始的景觀類型，j為特定時段內期末的景觀類型，n為所有景觀類型數量。

2)景觀類型核密度分析。在轉移矩陣基礎上，使用Arc GIS10.5平臺在Arc Map中設置30 m×30 m漁網柵格，采用Raster to Point工具將受景觀過程影響的景觀類型變化像元轉化為要素點，使用Kernel Density分析工具將發生轉化的核密度點反映到整體研究區域中以呈現景觀演變的空間分布特征[14]。

3)生態系統服務功能評估。結合研究區現實問題，選取水源涵養、水土保持、生境質量、游憩活動為研究功能。基于InVEST 3.9.0平臺，水源涵養功能采用Water Yields模塊，根據水量平衡原理，通過Budyko曲線及年降水量計算得到水資源供給分布，再利用DEM、土壤飽和導水率與地表徑流流速系數計算徑流在柵格上停留時間，獲取流域水源涵養量[15]；水土保持功能采用SDR模塊，模型中所需降雨侵蝕力柵格基于相關站點降水及Wischmeier的月尺度經驗模型通過Kriging插值分析，得到土壤可侵蝕柵格，再采用EPIC模型對流域土壤可侵蝕參數進行計算[16]；生境質量功能采用Habit Quality模塊，選取耕地、建設用地為威脅因子，依據生境退化度計算公式、生境質量計算公式[17]，獲取生境質量分布情況；游憩活動功能采用Recreation模塊，利用高德地圖API爬取區域內自然及人文景點分布情況，由模塊計算生成。

4)地理探測器因子探測方法。使用地理探測器因子探測，將生態系統服務功能空間分布變化作為“y”因子，將景觀類型轉移核密度值作為“x”因子，建立30 m×30 m漁網生成點位，提取數值導入地理探測器，探測格局與功能間相互作用的影響程度，因子探測公式如式(2):

式(2)中:q為“x”因子對“y”因子空間分異影響的解釋程度，q∈[0，1]，q值越大，則影響越大；N為研究區樣本數；σ2h為指標的方差；h＝1，2，…，L，h為變量“y”或因子“x”的分區，L為分區數目。

5)空間自相關分析方法。采用GeoDA1.6.6軟件分析全局空間自相關與局部空間自相關[18]，基于因子探測對“x”與“y”因子間的影響程度，選取對“y”因子解釋力較高的“x”因子進行雙變量空間自相關分析，基于全局自相關統計量得到正負相關關系[19]；依據因子探測的強弱程度及正負相關關系，選取相應變量進行局部空間自相關指標統計量計算[20]，得到空間聚類分布情況。

3 結果與分析

3.1 空間格局演變分析

1)景觀格局特征。研究區2000—2020年景觀格局特征變化(表2)顯示，耕地、林地、草地分別由229.63、1784.09、178.61 km2縮減為209.07、1734.79、172.63 km2，其中8.2 km2的耕地轉為林地；2.08、2.93 km2的林地轉為草地和未利用地；4.49、12.96 km2的草地轉為林地和未利用地。2000—2020年水域、建設用地、未利用地分別由4.52、22.89、38.80 km2提升為10.84、59.43、69.78 km2，其中2.99 km2林地、3.22 km2草地、2.29 km2未利用地轉為水域；23.7 km2耕地、11.04 km2林地、2.39 km2草地轉為建設用地；7.9 km2耕地、25.81 km2林地、15.73 km2草地轉為未利用地。

表2 景觀轉移矩陣(2000—2020年) km2

2)空間結構特征。由表2可知，耕地、林地、草地面積減少，水域、建設用地、未利用地面積增加。因此，2000—2020年空間結構特征變化反映了不同景觀類型損失與擴張的空間分布情況(圖1):耕地損失核密度高值沿淺山區、峪口分布；林地損失核密度高值集中于上游河道周邊區域；草地損失核密度高值分布于平原區河道周邊、黑河上游河道周邊、西南部高山區；水域擴張核密度高值分布于金盆水庫、下游河道；建設擴張核密度集中于馬召鎮、樓觀鎮、廣濟鎮、司竹鎮等區域，并形成網絡結構；未利用地擴張核密度高值集中于西南部高山區。

圖1 各景觀類型轉移核密度空間分布情況(2000—2020年)

3.2 生態系統服務功能評估

1)生態系統服務功能時間變化特征。2000—2020年生態系統服務量變化表現為:水源涵養服務量持續下降，水土保持、游憩活動服務量持續上升，生境質量服務量先上升后回落(表3)。根據模型計算原理，降水與植被和土壤因素、降水侵蝕力與水土保持措施、土地利用方式與植被、游憩活動點位數量分別是造成水源涵養、水土保持、生境質量、游憩活動功能服務量年際差異的影響因素。

表3 生態系統服務功能服務量變化情況(2000—2020年)

2)生態系統服務功能空間分布特征。由圖2可知:水源涵養功能服務量空間變化主要分布于河道、淺山區及平原區；南部山區植被覆蓋好，服務量高；西南部高山區、河流沿線、淺山區受氣候變化、水利建設等影響，服務量較低。水土保持功能服務量空間變化南部山區略高于北部平原區；受國家自然保護區與森林公園建設、水利建設等影響，人類山區活動減弱與水域面積增加使功能服務量得到較大提升。生境質量功能服務量空間變化分布于河道周邊、高山區、平原區；國家自然保護區與森林公園建設、水域面積增加、水景觀建設使山區及河道周邊生境質量提升，平原區由于建設用地激增以及西南部高山區裸地面積增加、植被退化，其生境質量嚴重下降。游憩活動功能服務量空間變化分布自西南向東北逐漸減弱；樓觀臺與黑河國家森林公園、秦嶺國家植物園的建設，以及大秦寺塔遺址、仙游寺遺址、玉華觀遺址、儻駱道遺址的開發，使游憩活動服務點位及空間面積增加。

圖2 生態系統服務功能空間分布情況(2000—2020年)

3.3 “格局-功能”關系因子探測

通過地理探測獲取“格局-功能”關系的關聯強度。圖3表明，水源涵養同林地、草地、建設用地、未利用地，水土保持同水域、建設用地、未利用地，生境質量同耕地、林地、草地；游憩活動同林地、草地、水域、未利用地這14對景觀類型轉移同生態系統服務功能服務量變化有較強聯系。

圖3 “格局-功能”因子探測解釋度(q值)

3.4 “格局-功能”雙變量空間自相關分析

由表4和圖4可知:H-H聚類景觀類型變化劇烈、生態系統服務功能波動強烈，是需要優化的區域；L-H聚類景觀類型變化較小，生態系統服務功能變化劇烈，需保障生態系統服務的持續與穩定；不顯著聚類大多圍繞L-H聚類形成嵌套圈層，是L-H聚類的保護圈層，可管控此類空間協助L-H聚類優化；H-L、L-L景觀結構或服務變化相對穩定，不是管控關注的重點。

研究區水源涵養變化與林地、草地的損失高值呈H-H相關，與建設用地、未利用地擴張高值呈L-H相關，全局自相關分別呈正相關與負相關。研究區水土保持變化與水域擴張高值呈H-H相關，與建設、未利用地擴張高值呈L-H相關，水域擴張則水土保持提升，建設用地、未利用地擴張則反之。研究區生境質量變化與耕地、林地、草地損失高值呈H-H關系，植被豐富的自然斑塊損失越大，生境質量分值下降越大。研究區游憩活動變化同林地、草地損失以及水域、未利用地擴張高值形成H-H關系，平原區與南部山區的林地、草地損失后大多轉化為水域，相關區域游憩活動提高。需注意的是，L-H相關聚類空間外圍明顯嵌套不顯著類型的“格局-功能”關聯空間，形成圈層模式，能夠對圈層內的L-H相關聚類空間起到限制與動態維護的作用。

3.5 管控策略

依循區劃模式的空間管控手段[21]，基于相關規劃成果與三生空間功能特征，制定功能管控區劃。疊加與正負向權衡H-H、L-H、不顯著的雙變量空間自相關聚類類型分布特征，結合功能管控區劃形成類型管控區劃(圖5)。

圖5 研究區空間管控策略

1)根據黑河流域水文分析，劃分24個獨立的子流域單元。基于相關規劃成果、三生空間功能特征與城市水源地特點，分為平原宜居生活區、淺山水源供給區和山地多元生態區，并對管控區域進行編號。

2)根據“格局-功能”關系具體類型，以構建人地和諧的景觀結構，實現城市水源地生態系統可持續性為目的，提出以下管控手段:穩定HH聚類，保障服務功能質量，限制與維持林地、草地、水域等自然斑塊在面積、數量、密度等空間格局特征的變化，維護生態系統服務功能質量；修復L-H聚類，維持服務功能質量，控制人工斑塊的斑塊大小、形狀、數量與面積，并適當增加和修復自然斑塊的豐富度，維持必要的生態系統服務功能；優化不顯著聚類，提升服務功能質量，協調并加強L-H聚類穩定性，提升生態系統服務功能質量。

3)根據三生空間功能特征區劃及管控區域編號，對不同分區提出相應的管控策略(表5)。

表5 基于“格局-功能”關系類型劃分的管控區域及對應的管控策略

4 討論

“格局-功能”間存在復雜的關聯關系，定量研究可為景觀規劃提供科學合理的指導。空間格局與生態系統服務變化存在空間異質性，不同區域具有較大空間差異，以往研究由于忽略該問題可能導致統計分析出現誤差，使增強的生態系統服務空間管控出現不確定性結果[11]。本研究基于“格局-功能”變化的動態指標分析，通過因子探測明確“格局-功能”關聯關系，結果發現降水與植被和土壤因素、降水侵蝕力與水土保持措施、土地利用方式與植被、游憩活動點位數量等空間因素及相應的景觀類型變化是造成水源涵養、水土保持、生境質量、游憩活動等服務量年際差異的影響因素。該結果與相關研究[3-5]在秦嶺北麓空間格局與生態系統服務相互作用關系的結論基本一致，為雙變量空間自相關分析的因子選取及基于該分析的管控策略制定提供了依據。

研究也存在一定的局限:1)數據精度與指標全面性對復雜系統分析的限制；2)格局的動態指標可選取較多參數分析，景觀類型變化只是其中一種；3)盡管考慮到多功能與全要素，但多功能內部存在權衡與協同等問題，需對此進行深入研究。后續研究將進一步提升數據精度、指標全面性，并深化研究區在不同尺度上的功能特殊性以及“格局-功能”關聯程度，提升研究價值，完善空間管控策略。

5 結論

研究區“格局-功能”雙變量關系中，水源涵養與林地、草地、建設用地、未利用地，水土保持與水域、建設用地、未利用地，生境質量與耕地、林地、草地，游憩活動與林地、草地、水域、未利用地這14對雙變量關系最為緊密；自然斑塊核密度損失與生態系統服務功能變化的雙變量空間自相關多為正相關，局部雙變量空間自相關呈H-H聚類；建設用地、未利用地核密度擴張與生態系統服務變化的雙變量空間自相關多為負相關，局部雙變量空間自相關大多呈L-H聚類；L-H聚類外圍嵌套不顯著聚類圈層。

以提升區域景觀生態系統服務功能質量與穩定性為目的，對應H-H聚類、L-H聚類、不顯著聚類3對關系，結合各分區實際地表覆被、地形地貌等特征，制定穩定、修復、優化的管控措施，優化秦嶺北麓城市水源地空間格局。

致謝:感謝西北農林科技大學卜元坤博士及郝紅科老師、長安大學韓磊老師、北京師范大學李琰老師、哈爾濱工業大學劉笑冰博士、廣東省城鄉規劃設計研究院汪安先生進行技術指導，感謝本團隊康世磊、潘衛濤、錢芝弘、王蓓、丁禹元等博士及姚龍杰、朱宗彬等同學在團隊討論中給予意見。