四川天府新區BGI復合功能空間分異特征及其景觀格局驅動機制研究

羅言云 郭淑婷 王倩娜 王詩源

藍綠基礎設施（Blue-Green Infrastructure， BGI）是實現適應氣候變化戰略目標的重要工具.研究BGI景觀格局和功能的空間關系，旨在為城市氣候適應性建設提供依據.以四川天府新區（含協調管控區）為例，基于遙感影像數據，從氣候適應性視角出發，進行BGI復合功能評價和空間分異特征分析，并運用地理探測器進一步揭示景觀格局主要驅動因子及驅動機制.結果表明：（1）復合功能等級整體呈現從龍泉山脈向東西兩側遞減趨勢，高服務功能集中分布在龍泉山脈、彭祖山景區和三岔湖景區東南方向的協調管控區域.（2）復合功能等級空間分布格局整體呈顯著空間正向自相關關系，具有顯著高高（HH）、低低（LL）、高低（HL）聚集特征.（3）景觀組成類型、網絡結構要素類型、斑塊密度指數（PD）和面積加權平均形狀指數（AWMSI）是復合功能空間分異的主要驅動因子；景觀組成類型、網絡結構要素類型是復合功能空間分異的主要交互驅動因子.研究探明了景觀格局對BGI復合功能空間分異的驅動機制，可用于指導研究區城市氣候適應性建設.

藍綠基礎設施； 復合功能； 景觀格局； 空間分異性； 驅動機制

TU985.12 A 2024.016004

Study on the spatial differentiation characteristics of BGI multi-function ?and its landscape pattern driving mechanism in Sichuan Tianfu New Area

LUO Yan-Yun ?1 ， GUO Shu-Ting ?1 ， WANG Qian-Na ?1 ， WANG Shi-Yuan ?2

（1.Institut of Architecture and Environment， Sichuan University， Chengdu 610065， China;

2.Guangdong Urban and Rural Planning and Design Institute Co.， Ltd， Guangzhou 510290， China）

Blue Green Infrastructure （BGI） is an important tool to achieve the strategic goal of climate change adaptation. The purpose of studying the spatial relationship between BGI landscape pattern and function is to provide a basis for urban climate adaptability construction. Taking the Sichuan Tianfu New Area （including the coordinated control area） as an example， based on remote sensing image data and from the perspective of climate adaptability， the BGI multi-function evaluation and spatial differentiation feature analysis were carried out， and further revealed the main driving factors and driving mechanism of landscape pattern of BGI multi-function by using geographical detectors. The results showed that： （1） The overall multi-function level showed a decreasing trend from Longquan Mountain to the east and west sides， with high-service functions concentrated in the Longquan Mountains， Pengzu Mountain Scenic Area and coordinated control area in the southeast direction of Sancha Lake Scenic Area. （2） The overall spatial distribution pattern of the multi-function level showed a significant spatial positive autocorrelation relationship， with significant high （HH）， low （LL）， and high （HL） clustering characteristics. （3） Landscape composition type， network structure element type， patch density index （PD） and area weight average shape index （AWMSI） were the main driving factors for spatial differentiation of multi-function; landscape composition type and network structure element type were the main interactive driving factors for spatial differentiation of multi-function. The study has identified the driving mechanism of landscape pattern on the spatial differentiation of BGI multi-function， which can be used to guide the construction of urban climate adaptability in the study area.

Blue green infrastructure; Multi-function; Landscape pattern; Spatial differentiation；Driving mechanism

1 引 言

在國際氣候制度經歷30余年不斷發展與演變的進程中，氣候適應已經成為全球共識 ?［1］ .《國家適應氣候變化戰略2035》將適應氣候變化納入國土空間規劃，提出在國土空間規劃中充分考慮氣候要素 ?［2］ .藍綠基礎設施（Blue-Green Infrastructure， BGI）是由自然、半自然和人工綠地植被、水體為一體的生物棲息地網絡體系 ?［3］ ，具有調蓄雨洪、管理河流、制造冷島、緩解熱島、固碳、改善空氣流通和休閑娛樂等生態系統服務功能 ?［4］ .在調節城市氣候和協助城市應對未來氣候變化方面扮演著極為重要的角色 ?［5］ .本研究中氣候適應性指BGI對于不利氣候環境條件的適應屬性.在國土空間規劃的重要時期，研究具有氣候適應性的BGI功能， 有利于提高區域適應極端氣候事件的能力，緩解氣候變化造成的不良影響，對我國城鄉藍綠空間系統專項規劃建設和實現氣候適應性目標具有重要意義.

目前，生態系統服務（Ecosystem Service， ES）功能評價和景觀格局分析是BGI領域研究熱點.ES功能評價以水資源調節 ?［6，7］ 、氣候調節 ?［8，9］ 、空氣質量調節 ?［7，10］ 和文化娛樂調節功能 ?［11］ 為主要評價對象，模型大致分為經濟計量、空間計量兩大類 ?［7］ .生態系統服務和權衡綜合評估（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs， InVEST）模型是目前比較成熟的多功能ES評價模型，其中的固碳、城市降溫、城市內澇風險削減、生物多樣性指數、生境質量和休閑娛樂等模塊應用較為廣泛 ?［9，12-14］ ，但其內置評價模型有限，部分模塊并不以ES為直接輸出對象，結果數據還需進一步處理.城市生態智慧管理系統（Intelligent Urban Ecosystem Management System， IUEMS）的引入可補充InVEST模型在此方面存在的不足 ?［15］ .景觀格局分析以景觀格局指數和形態學空間格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis， MSPA）為主，二者分別側重于景觀組成和景觀結構連通性，結合移動窗口法（Moving window method）可實現景觀格局的空間可視化 ?［16］ .近年來，部分學者通過將景觀格局指數和MSPA結合深入分析BGI景觀格局特征 ?［17，18］ .

人類活動造成BGI景觀格局的改變，從而驅動ES供給發生顯著變化.研究景觀格局和ES功能的關系，有利于完善景觀格局現狀，提高ES功能，增強BGI應對氣候風險的能力.目前相關研究較少，且往往忽視了景觀格局驅動因子與ES功能在地理空間上的差異性 ?［19，20］ .地理探測器（GeoDetector）作為一種檢驗地理事物現象是否存在空間分異性的工具，能夠揭示空間分異背后的驅動力以及探測兩因子交互作用對要素的解釋力 ?［21］ ，已被廣泛應用于自然地理 ?［22］ 、人文經濟 ?［23］ 、生態學 ?［24］ 等領域.鑒于此，選取國家級新區——四川天府新區（含協調管控區）為研究區，展開BGI復合功能評價，并運用地理探測器探測BGI景觀格局對復合功能空間分異的驅動機制.以期為未來氣候變化背景下的BGI復合功能評估及其規劃設計實踐提供依據與參考.

2 材料與方法

2.1 材 料

2.1.1 研究區概況 ?四川天府新區及協調管控區位于成都市中心城區以南（103°47′～104°35′E， 30°4′ ～30°37′N），總面積約2678 km ?2 . 根據相關規劃 ?［25］ ，研究區被劃分為：直管區、高新片區、龍泉片區、雙流片區、新津片區、簡陽片區、青龍片區、視高片區、協調管控區9個片區（圖1），其中協調管控區為成都市和眉山市協同管轄.研究區屬亞熱帶季風氣候，多為低山丘陵，東部龍泉山脈和南部彭祖山形成重要生態屏障.近年來，研究區氣象災害主要包括：暴雨、高溫、霧、雷暴、大風、寒潮、低溫、干旱、冰雹，以及主汛期引發的洪澇、內澇、滑坡等次生災害 ?［26］ ?.

2.1.2 數據來源及預處理 ?基于云量少、無遮擋的原則，選取 研究區2020年7月的Landsat 8遙 ?感影像數據，并在ENVI 53中完成輻射定標、大氣校正、鑲嵌、裁剪等預處理.通過波段運算提取BGI要素（包括植被與水體），結合高精度衛星影像及實地調研對運算結果進行目視解譯和修正，得到30 m×30 m精度的BGI柵格數據.將所有采用數據（表1）進行地理坐標空間系統配準、重采樣至30 m柵格并統一到WGS_1984坐標系統.

2.2 研究方法

2.2.1 BGI復合功能評價 ?研究基于氣候適應性視角，并結合四川天府新區氣候環境現狀，選取雨洪管理、緩解熱島、空氣凈化、固碳、休閑娛樂5項功能指標進行單項功能定量評價（表2） ?［27-31］ ?.然后，借助層次分析-變異系數法確定各項功能權重，通過歸一化處理與疊加分析完成BGI復合功能評價.運用ArcGIS中的自然斷點法（Natural breaks），將各評價結果重分類為5類，依據結果由高到低分別賦值整數5～1，得到復合功能等級空間分布圖.

2.2.2 空間自相關分析 ?空間自相關是用來檢驗某一要素的屬性值是否與其相鄰空間位置上的屬性值相關聯的方法 ?［32］ ，考慮到全局空間自相關無法判讀屬性值在局域的空間自相關情況，而局部空間自相關可以獲知屬性值的聚集模式和分布格局.因此，研究選取全局空間自相關和局部空間自相關兩個指標參數綜合分析BGI復合功能空間自相關情況.

全局空間自相關是探究研究區域中相鄰網格屬性值在全局空間上關聯度和相似性的指標參數，研究選用全局 Moran I 進行分析.其中， I ?取值范圍為［-1，1］，大于1為正相關，小于1為負相關，絕對值越大說明空間相關性越強.計算公式如下：

I= ∑ ?n ??i=1 ?∑ ?n ??j=1 ??w ???ij ??x ???i - x ?- ???x ???j - x ?- ???S ??2 ∑ ?n ??i=1 ?∑ ?n ??j=1 ??w ???ij ???（1）

式中， I 為全局莫蘭指數； n 為網格單元總數； ??x ??i ?（ ?x ??j ?） 為網格單元 ?i （ j ）的測度值；（ ?x ??i - x ?- ?）為第 ?i 個網格單元上測度值與平均值的偏差； ?w ??ij ?為標準化的空間權重矩陣； ?S ??2 ?為方差; ?x ?- ?是網格單元的平均值.

局部空間自相關可以測度每個網格與周邊網格之間的局部空間關聯度和空間分異性 ?［33］ ，研究選用LISA指數進行分析，得到LISA指數空間分布圖.計算公式如下：

I ???i = ??x ???i - x ?- ???S ??2 ?∑ ?n ??j=1 ??w ???ij ??x ???j - x ?- ???（2）

式中， ?I ??i ?為局部莫蘭指數； n 為網格單元總數； ??x ??i ?（ ?x ??j ?） 為網格單元 ?i （ j ）的測度值；（ ?x ??i - x ?- ?）為第 ?i 個網格單元上測度值與平均值的偏差； ?w ??ij ?為標準化的空間權重矩陣； ?S ??2 ?為方差； ?x ?- ?是網格單元的平均值.

2.2.3 景觀組成類型分析 ?依據中科院土地利用/覆被類型（LUCC）分類體系，在ArcGIS中將預處理后的土地利用數據重分類為耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地6種土地利用類型，得到研究區景觀組成類型柵格圖及數據.

2.2.4 形態學空間格局分析 ?基于預處理得到的30 m×30 m精度的BGI二值柵格圖，利用Guidos Toolbox軟件進行MSPA分析，采用八鄰域規則，邊緣寬度取值60 m，將柵格圖像識別分割成核心、孤島、穿孔、邊緣、連接橋、環和分支7個互斥類別，得到BGI網絡結構要素柵格圖.其中核心和孤島為生境斑塊，穿孔和邊緣為具有邊緣效應的過渡地帶，連接橋、環和分支則為生物遷徙提供生態廊道.

2.2.5 景觀格局指數分析 ?從分析BGI景觀破碎化與多樣性特征角度出發，選擇表征面積、形狀、聚散性和多樣性的4類5個景觀格局指數，分析研究區BGI景觀格局空間分異情況.選取的面積指數為斑塊面積指數（PD）和最大斑塊面積指數（LPI），形狀指數為面積加權平均形狀指數（AWMSI），聚散性指數為蔓延度指數（CONTAG），多樣性指數為香農多樣性指數（SHDI）.首先，在ArcGIS中對BGI網絡結構要素柵格圖進行重分類，將核心、孤島、穿孔、邊緣等塊狀景觀類型歸類為前景，連接橋、環和分支等線性景觀和非BGI歸類為背景，再應用Fragstats 4.2軟件中的標準法和移動窗口法，選取900 m為移動窗口分析尺度，計算得到全局尺度景觀格局指數柵格圖.

2.2.6 空間分異性分析 ?地理探測器是一種探索空間分異并揭示其背后驅動機制的統計方法.其核心思想是根據空間異質性，分析自變量與因變量分布格局的一致性，探測自變量對因變量的解釋程度，主要包括：因子探測器、生態探測器、交互作用探測器和風險探測器4大模塊 ?［23］ .研究運用地理探測器，以BGI復合功能等級為數值量因變量，景觀組成、網絡結構要素、景觀格局指數PD、LPI、AWMSI、CONTAG、SHDI為類型量自變量，運用因子探測器、交互作用探測器和風險探測器綜合探測BGI復合功能的景觀格局主要驅動因子及驅動機制.

3 結果分析

3.1 BGI復合功能評價

對各單項功能進行綜合賦權（表3），得到復合功能評價等級空間分布（圖2）.其中，高服務功能等級區主要集中分布在以龍泉山脈為主的龍泉山區域，其次是以彭祖山景區為主的彭祖山區域和三岔湖景區東南方向的協調管控區域，以公園綠地為主的若干小型自然板塊分散分布在各個片區.低服務功能等級區主要分布在北部區域和各片區城市建設程度較高的區域，如協調管控區的天府國際機場區域、視高片區的視高經濟開發區區域.總體來看，復合功能等級整體呈現出從龍泉山脈向兩側遞減的趨勢，表明龍泉山脈區域具有良好的生態功能，對于研究區適應氣候變化發揮著重要作用.

3.2 BGI復合功能空間分異特征

根據功能全局空間自相關分析結果（表4），各單項及復合功能的全局 Moran I 均大于0， ?P 值均為0，表明研究區區域內各單項及復合功能服務等級空間分布格局整體上均呈顯著的空間正向自相關關系，功能單元之間聚集分布.其中，空氣凈化功能全局 Moran I 值為0.60，具有最高的顯著性，空間聚集程度最大；固碳、雨洪管理、緩解熱島、休閑娛樂功能的全局 Moran ??I 分別為0.36、0.29、0.27和0.20，空間聚集程度依次降低；復合功能與緩解熱島功能的 Moran I 值一致；休閑娛樂功能在空間上聚集程度最小，空間分布更趨于隨機.

LISA聚集圖可以反映空間單元的屬性值同其鄰近空間單元的局部空間關系，分為4種空間相關類型，即高高（HH）聚集、高低（HL）聚集、低高（LH）聚集、低低（LL）聚集.根據BGI復合功能LISA聚集結果（圖3），復合功能空間格局呈現顯著的HH、LL、HL聚集.HH聚集主要集中分布在龍泉山脈、三岔湖景區及其東南方向的協調管控區域，LL聚集主要分布在龍泉山脈西部區域，以高新、雙流、龍泉視高片區區域為主，均表現為較強的空間正相關聚集.HL“組團”聚集鑲嵌分布在LL聚集向HH聚集過渡區域，主要位于龍泉山脈東側的龍泉片區、簡陽片區和協調管控區和西側的直管區，表現為一定的空間負相關聚集.總體來看，LISA指數HH聚集空間格局和高服務等級空間分布格局、LL聚集空間格局和低服務等級空間分布格局、HL聚集空間格局和中等服務等級空間分布格局趨于一致.

3.3 BGI景觀格局特征

研究區景觀組成類型以耕地為主，占比達6478%，林地和草地占比約15%，水域占比為209%（表5）.耕地相對集中分布在協調管控區和直管區，建設用地主要分布在西北部和成都市中心城區鄰近區域及東部天府國際機場區域和南部視高經濟開發區區域，林地則主要集中分布在龍泉山脈和彭祖山景區（圖4a）.

研究區BGI總面積為2053.07 km 2，占區域面積的78.51%，核心與環占總面積的59.98%，整體結構連通性較好（表6）. BGI網絡結構要素空間分異特征顯著，核心主要分布在簡陽片區、協調管控 區和龍泉片區的東部區域，環、連接橋和分支形成網絡主要分散分布在龍泉山脈西側的各片區，在龍泉山脈的東側，連接橋集中分布在三岔湖景區和龍泉湖景區區域（圖4b）.

研究區各景觀格局指數空間分異特征顯著.其中，景觀格局指數CONTAG、SHDI空間分異最為明顯，CONTAG 高值主要集中分布在龍泉山脈、彭祖山景區和協調管控區南部區域，SHDI則完全相反，表明東南區域景觀破碎化程度較低，景觀連續性較強.各片區LPI值都相對較高，其中龍泉山脈、彭祖山景區和協調管控區東南部區域是由于受外界干擾較小，而雙流、高新、直管區、龍泉片區和天府國際機場區域是受到強烈的單一性人為干擾.PD和AWMSI的空間分異特征相似，指數值整體都較低，高值零散分布在雙流、高新、直管、龍泉片區靠近主城區的區域，表明西北部區域景觀 破碎化程度較高，景觀復雜性較低.總體上，研究區東南部比西北部的景觀連續性更強，異質性更低（圖4c）.

3.4 BGI復合功能空間分異的景觀格局驅動機制

通過因子探測可以獲得景觀格局各因子對BGI復合功能空間分異的影響程度，并以 q 值進行度量， q 值越大，說明該因子對BGI功能空間分異的影響程度越大.探測結果表明（表8），7個因子的 q 值均通過了顯著性檢驗，作用力從大到小依次為：景觀組成類型（0.614）> 網絡結構要素類型（0.439）> PD（0.303）> AWMSI（0.204）> CONTAG（0.107）> SHDI（0.092）> LPI（0.071）.由此可知，景觀組成類型是BGI復合功能空間分異的主導因子，網絡結構要素類型、PD、AWMSI也發揮著關鍵作用，而CONTAG、SHDI、LPI的影響程度最小.

選取景觀組成類型、網絡結構要素、PD、AWMSI 4個主要因子進行交互作用探測，4個因子在兩空間交互疊加后形成了6對交互作用.探測結果表明（表9），每一對因子交互作用的 q 值皆大于這對因子的任一因子的 q 值，即任意兩個主要驅動因子相互作用時都能顯著增加對BGI氣候適應性復合功能空間分異的解釋.其中 q 值大小排序為：景觀組成類型∩網絡結構要素類型＞景觀組成類型∩PD＞景觀組成類型∩AWMSI＞網絡結構要素類型∩PD＞網絡結構要素類型∩AWMSI＞PD∩AWMSI，且前3對因子交互作用的 q 值均大于05.由此可知，特定網絡結構要素、PD和AWMSI下的景觀組成類型對BGI氣候適應性復合功能空間分異的驅動作用更加顯著.

風險探測結果中子區域的功能等級屬性值越高時其風險等級越低，反之亦然.景觀組成類型風險探測結果表明（圖5a），景觀組成類 型子區域低功能等級風險排序為：建設用地＞水域＞未利用地＞ ???耕地 ＞草地＞林地.功能等級均值最大的為林地，其次是草地和耕地，水域的功能等級均值甚至小于未利用地. 因此，退耕還林還草等生態保護措施對復合功能有明顯的提升改善作用.

網絡結構要素類型風險探測結果表明（圖5b），網絡結構要素類型子區域低功能等級風險排序為：孤島＞非BGI＞分支＞連接橋＞邊緣＞環＞穿孔＞核心.作為重要生境斑塊的核心復合功能等級最高，其次是作為過渡地帶和生態廊道的穿孔、環、連接橋、邊緣，分支和孤島的復合功能等級最低，甚至低于非BGI.

對主要因子PD、AWMSI進行景觀格局指數風險探測，結果表明（圖5c），PD、AWMSI值越高，即景觀破碎化程度越高、景觀復雜性越大時，子區域功能等級值越低，風險等級越高.相同風險等級下，AWMSI子區域功能等級值均大于PD子區域功能等級均值，結合因子探測結果可知，AWMSI對于BGI復合功能的解釋度雖不及PD，但其能驅動更多的高服務功能等級區.

4 討論與結論

綜合運用IUEMS平臺、InVEST模型、MSPA方法、景觀格局指數、空間自相關分析及地理探測器等方法，研究四川天府新區BGI復合功能空間分異特征及其景觀格局驅動機制能夠較好地反映BGI復合功能空間分異情況，識別景觀格局主要驅動因子及驅動機制.具體地，復合功能等級整體呈現出從龍泉山向東西兩側遞減趨勢，高服務功能等級集中分布在龍泉山脈、彭祖山景區和三岔湖景區東南方向的協調管控區域.復合功能等級空間分布格局整體呈顯著空間正向自相關關系，具有顯著HH、LL、HL聚集特征.基于地理探測器的驅動機制結果表明，景觀組成類型、網絡結構要素類型、PD和AWMSI是BGI復合功能空間分異的主要驅動因子；景觀組成類型和網絡結構要素類型是BGI氣候適應性復合功能空間分異的主要交互驅動因子；景觀組成類型和網絡結構要素類型的BGI氣候適應性復合功能風險排序分別為：建設用地>水域>未利用地>耕地>草地>林地，孤島＞分 支＞ ???非＞邊緣＞連接橋＞環＞穿孔＞核心.

研究基于氣候適應性視角，探討BGI復合功能空間分異特征，一定程度彌補了內陸城市氣候適應性研究的缺失.針對多因子交互作用識別的理論難題，引入ArcGIS空間疊加技術和地理探測器，探測景觀格局多因子之間的交互作用和驅動機制，為研究區BGI規劃保護和氣候適應性建設提供參考依據.研究主要關注研究區的氣候適應性功能研究，后續可進一步結合未來氣象特征等進行相關分析研究，為未來中遠期氣候適應策略的制定及規劃的編制等提供支撐.

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收稿日期： ?2023-02-09

基金項目： ?國家自然科學基金（31500581）

作者簡介： ??羅言云（1969-）， 男， 四川大竹人， 副教授， 研究方向為風景園林規劃與設計、城鄉生態與生態修復. ?E-mail： luoyanyun3966@163.com

通訊作者： ?王詩源. E-mail： wangshiyuan1997@qq.com