基于移动窗口法的绿色基础设施时空分异研究——以四川天府新区及协调管控区为例

王诗源，魏琪力，王倩娜，罗言云,2*

(1.四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065；2.加州大学伯克利分校 中国研究中心，美国 伯克利 94704)

在生态优先绿色发展的国土空间规划体系背景下，景观格局的时空分异是国土空间结构和功能演变的重要表征，揭示景观时空分异特征是优化景观生态保护决策的基础[1]。绿色基础设施(green infrastructure，GI)宏观上是指具有内部连接性的自然区域及开放空间的网络[2]。基于GI视角的景观生态保护决策具有重要价值，能够更好地减小行政边界对生态网络连通性造成的影响[3]。形态学空间分析(morphological spatial pattern analysis，MSPA)是GI生态网络识别的常用方法之一，较其他方法具备评估准确细致、要求数据量少、分析结果可视化等优点，常用于描述GI景观格局的破碎化、景观结构连通性、分析其时空变化等[4-6]。但由于该方法没有考虑功能连通性[7]，往往需要与其他分析方法结合使用。目前，针对景观格局的演变研究，多从时间维度分析景观格局指数的变化[8-10]。R.H.Whittaker[11]提出的移动窗口分析法则能从空间维度有效实现景观格局指数的可视化。M.J.McDonnelletal[12]利用该方法研究了快速城市化背景下城乡交错带的景观格局梯度。张玲玲等[13]通过特定移动窗口尺度下样带的景观指数分析，得到沿样带方向的岷江干旱河谷流域景观格局梯度。吕金霞等[14]基于移动窗口法分析了雄安新区的湿地景观演变时空分异，揭示了湿地景观格局与人类活动的干扰的对应关系。此外该方法在研究矿区生态评价[15-16]等方面也取得一定研究成果，但是用此方法进行GI景观格局时空分异分析尚属少见。

国家级新区建设是推进区域新型城镇化和国土空间优化的重要途径[17-18]，产业聚集带来的经济飞速发展使得国家级新区的生态环境面临多重威胁。四川天府新区的规划于2011年提出，2014年获批成为国家级新区，2018年起作为公园城市理念的首提地和高质量发展示范区，未来将聚焦生态价值追求高质量发展[19]。协调管控区是天府新区生态网络格局的重要组成，与天府新区共同构建“三山三水、四核多廊”的生态安全格局[20]，但既往研究中尚未被纳入研究范围[21]。本研究基于四川天府新区及其协调管控区2010、2014、2019年的GI空间分布，通过MSPA和移动窗口法，探讨不同片区的GI网络结构要素和景观格局的时空分异及影响因素，并提出研究区GI生态网络保护和协同合作建议。为天府新区建设公园城市示范区提供科学参考，同时为其他国家级新区和跨行政边界的区域景观生态保护决策提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

四川天府新区及协调管控区位于成都市中心城区以南(103°47′-104°35′E，30°4′-30°37′N)，总面积约2 678 km2。研究区属亚热带季风气候，多为低山丘陵，东部龙泉山脉和南部彭祖山形成重要生态屏障。根据相关规划[20]，研究区被划分为9个片区，其中位于成都市的直管区和高新片区被定位为金融、研发、行政和文化中心；龙泉、双流、新津片区定位为高新产业基地；简阳片区定位为休闲旅游核心区。位于眉山市的青龙、视高片区定位为重要产业功能区。协调管控区由两市协同管辖，定位为生态服务区和规模化制造业拓展的承载区。

1.2 数据来源与预处理

采用2010、2014、2019年空间分辨率为30 m的Landsat遥感影像数据。首先，应用ENVI5.3软件对遥感影像进行辐射定标、FLAASH大气校正、研究范围边界裁剪等预处理，得到完整的研究区范围遥感影像。再通过波段运算提取各年份遥感影像图中的GI要素(包括林地、耕地、草地及水体)及非GI要素(包括建设用地、未利用地)，其中GI要素基于归一化差分植被指数和归一化差分水体指数提取并作为前景赋值为1，其背景均作为非GI要素赋值为0。最后，结合高精度卫星影像及实地调研，在ArcGIS10.6软件中对研究区不同年份的GI二值栅格图进行目视解译和修正，导出修正后的30 m×30 m二值栅格图。

1.3 研究方法

1.3.1 GI网络结构要素变化分析 为研究结构连通性，综合廊道相关理论与前人研究成果[22]，利用Guidos Toolbox软件，采用八邻域分析方法，边缘宽度取值为60 m，对3个年份的GI二值栅格图进行MSPA分析，得到代表不同生态学含义的7类互不重叠的GI网络结构要素，其中核心、孤岛为生境斑块，边缘、穿孔为具有边缘效应的过渡地带，连接桥、环和分支则为生物迁徙提供生态廊道，多为带状绿地、防风林带、道路绿化带等，具有较高的结构连通性[23]。为进一步明确2010-2019年GI网络结构要素的变化，利用ArcGIS10.6软件中的叠加工具对2010、2019年的GI网络结构要素图进行转移矩阵分析，并对分析结果进行统计和可视化表达。

1.3.2 GI景观格局分析 从分析GI景观破碎化与多样性特征角度出发，选择表征面积、形状、聚散性和多样性的4类5个景观格局指数，分析研究区GI景观格局时空分异情况[24]。选取的面积指数为斑块密度(PD)和最大斑块面积指数(LPI)，形状指数为面积加权平均形状指数(AWMSI)，聚散性指数选择蔓延度指数(CONTAG)，多样性指数为香农多样性指数(SHDI)。

首先，通过ArcGIS10.6软件将MSPA分析后的栅格图重分类，将核心、孤岛、穿孔、边缘等块状景观类型归类为前景，将连接桥、环和分支等线性景观和非GI归类为背景[8]。再应用Fragstats4.2软件分别采取标准法和移动窗口法，参照前人研究选取900 m为移动窗口分析尺度[25]，最终得到整体景观格局指数值和栅格图。

2 结果与分析

2.1 GI网络结构时空分异特征

2.1.1 GI网络结构要素转化 研究区2010-2019年GI网络结构要素分布见图1，GI总体所占范围不断减少。由表1可知，非GI占比不断增加，且2014年后增长速率明显加快。在2019年的非GI中，由核心转移而来的面积占比最大，达到2019年非GI面积的50.96%，其次是连接桥占11.96%。核心、穿孔面积占比显著减少，而孤岛、边缘的面积逐步增加，且2014年后变化速率明显加快。这说明在2014年获批国家级新区后新区建设发展加速，大型生境斑块和生物迁徙廊道受到的人为干扰日益严重，呈现破碎化趋势。

图1 研究区GI网络结构要素分布Fig.1 Distribution of GI network structural elements in the study area

表1 2010-2019年GI网络结构要素转移矩阵分析Table 1 GI network structural elements transfer matrix analysis from 2010 to 2019

同时连接桥、环和分支这3类结构连通性高的网络结构要素类型总体呈增长趋势。其中，连接桥作为连接相邻核心的廊道占比最大，且随着核心的破碎化加剧表现出先略微减少后显著增长的趋势，环作为连接同一核心的内部廊道略有波动，而连接核心与非GI的分支随着非GI的增长表现出显著增长趋势。总体来说，GI网络结构要素类型内部转换中向结构连通性高的连接桥转换最多，说明在保留下来的GI中，结构连通性得到改善，可能与近年来天府绿道的推进实施有关。

2.1.2 GI网络结构要素时空分异可视化 图2表明研究区非GI在2010-2019年间呈现由北向南、由西向东扩张的趋势。表2数据表明，高新片区非GI空间的扩张速度最快，9 a间新增达36.97%；其次是双流片区达到14.55%，新津片区、青龙片区和龙泉片区较为相近在8%左右；而直管区、简阳片区、视高片区和协调管控区的扩张速度则最慢，仅占总面积的2%左右。从核心的减少来看，直管区9 a间减少的核心面积占比最大高达46%，其余八个区减少的核心面积占比均在20%以上。从连接桥的减少来看，位于西部的片区减少的连接桥占比较大均在10%左右，景观结构连通性降低，协调管控区减少的连接桥占比最小仅2%。

图2 2010-2019年研究区重要GI网络结构要素变化分布Fig.2 Variation distribution of important GI network structural elements in the study area from 2010 to 2019

表2 2010-2019年各区重要GI网络结构要素变化面积及占比Table 2 Variation area and proportion of key GI network structure elements in each area from 2010 to 2019

以上结果表明，各片区由于发展定位不同表现出不同的GI网络结构要素时空分异特征。高新区、龙泉片区、双流片区、新津片区、青龙片区以及视高片区所属行政区经济增加较快，其发展定位为产业功能区，使得生产建设用地增加，加剧了GI网络结构破碎化。简阳片区、协调管控区依托于龙泉山脉，定位为休闲旅游核心区和生态服务区，人类干扰较少，使得景观得到更有效保护。直管区作为天府新区的核心区，人口数量最大，人类活动干扰较大，核心减少最为显著，生境破坏严重。

2.2 GI景观格局时空分异特征

基于标准法的景观格局分析表明，2010-2019年研究区景观格局指数PD、AWMSI、SHDI值有所增长，而LPI、CONTAG值总体呈下降趋势，2014-2019年景观格局指数值变化速率均高于2010-2014年(表3)。说明研究区受城市扩张和新区建设影响，尤其在2014年以后，整体景观破碎化持续加剧、连续性降低、多样性增加，景观趋于高度异质性。

表3 2010-2019年GI景观格局指数Table 3 GI landscape pattern indices from 2010 to 2019

基于移动窗口法的景观格局分析能直观表征各片区的GI空间分异特征。图3表明，2010研究区PD值呈两极分化趋势，总体来看西北部的片区相较于东南部的片区景观异质性更高，高值区从靠近主城区的双流、高新、龙泉片区逐渐向新津、青龙片区和直管区迁移。研究区LPI值呈现下降的趋势，景观内部物种丰富度降低，尤其是直管区受人类活动干扰强烈。2014-2019年东部龙泉山脉和天府国际机场逐渐形成LPI高值区，斑块团聚效应显著，主要原因是前者受外界干扰较小，而后者受到强烈的单一性人为干扰。

图3 2010-2019年面积指数(PD和LPI)空间分布Fig.3 The spatial distribution of the area index from 2010 to 2019

图4表明，研究区AWMSI值整体增长，表征其景观复杂性增加，边缘效应显著，在一定程度上有利于边缘异质种群生存，提高生物多样性。成都市管辖的片区景观复杂性增长明显快于眉山市管辖的片区，这与不同城市的经济发展水平有关。图5表明，研究区CONTAG值呈下降趋势，2010年研究区范围内整体表现出较高的景观连续性，2014年西部的片区破碎化显著，到2019年时，东部的片区包括协调管控区、直管区和简阳片区景观破碎化程度也明显增强。这与天府新区未来发展导向密切相关，受“东进”形成区域发展新格局的战略牵引。

图4 2010-2019年形状指数(AWMSI)空间分布Fig.4 The spatial distribution of the shape index from 2010 to 2019

图5 2010-2019年聚散性指数(CONTAG)空间分布Fig.5 The spatial distribution of the convergence index from 2010 to 2019

图6表明，2010-2014年龙泉山脉以西的片区SHDI值增长明显，2014-2019年SHDI值增长最显著的区域分布在协调管控区。总的来说，SHDI值增长的主要原因是大型自然植被斑块边缘人为活动斑块增加，作为自然生境的核心减少，适度干扰转换为景观演替驱动力使内部生态系统多样性增加。而靠近成都市主城区长期开展同类经济活动的高新片区、双流片区、龙泉片区北部，和人类干扰活动较少的简阳片区，以及大范围连续性建设由GI转变为非GI的天府国际机场，这些区域的SHDI值9 a间趋于稳定。

图6 2010-2019年多样性指数(SHDI)空间分布Fig.6 The spatial distribution of the diversity index from 2010 to 2019

2.3 GI时空分异的影响机理

结合GI网络结构和景观格局时空分异特征分析结果，进一步对GI时空分异的影响机理进行定性分析。作为国家级新区，建设发展受到相关政策的影响，政策调控从时间和空间2个维度影响GI的时空分异，一是时间上受到不同时代背景下城市发展模式所指引的目标差异的影响；二是空间上受到不同自然生态基底及行政区划展开的片区定位差异的影响，同时时间和空间2个维度之间相互作用，共同构成了研究区GI时空分异特征(图7)。

图7 GI时空分异的影响机理Fig.7 Influencing mechanism of GI spatio-temporal differentiation

在时间维度上，不同时期政策调控的目标导向影响着研究区的经济、人口增长及城镇化模式。天府新区自2010年提出规划建设以来，经济增长迅速，人口密度增大，人类活动干扰加剧，截止到2014年，GDP从836亿元增长为1 730亿元，常住人口已达179.19万人，非GI增长35.45%。

2014年天府新区获批成为国家级新区，为推动生态文明体制改革，开始注重城市化与生态保护平衡发展，提出要尽快实现“环境换增长”向“环境促增长”转变的目标[26]。逐渐从经济增速、人口暴增的快速城镇化发展模式逐渐转变为降速求质、引进人才的新型城镇化发展模式[20]。2019年天府新区GDP约3 270亿元，经济增长降速明显，但随着新区的持续建设非GI仍加速增长，2014-2019年增长89.45%。因此2014-2019年间研究区GI网络结构要素占比和景观格局指数变化较2010-2014年间均愈加剧烈，GI景观破碎化程度加剧。此外，天府新区于2017年起开始建设天府绿道，2018年成为公园城市理念的首提地和高质量发展示范区，累计建成各级绿道3 689 km，新增绿地面积38.85 km2，因此GI景观结构连通性得到改善。

在空间维度上，因各片区自然生态、社会文化背景的差异性，其政策调控下的发展定位也不尽相同。不同片区的产业布局、经济发展水平、人口集聚程度等引发不同强度的人类活动干扰，导致生态空间的减少，景观异质性增加。研究区西部和北部由于受到经济文化中心、高新产业基地的定位影响，经济增长较快、人口较为密集，生态空间显著减少，GI景观破碎化更显著；南部和东部的片区由于受到规模化制造业、生态服务、休闲旅游定位影响，远离城市中心，经济发展滞后，人口密度小而更具有景观多样性。此外龙泉山作为研究区重要的生态绿地，受到《成都市龙泉山城市森林公园保护条例》的有效保护，使得研究区以龙泉山为界形成了东西两侧不同的景观格局演变模式，东侧GI景观格局整体优于西侧。

3 结论与讨论

基于MSPA法有效识别GI网络结构要素，通过转移矩阵模型、基于标准法与移动窗口法的景观格局指数，从时空2个维度分析研究区GI时空分异特征，并讨论了GI时空分异的影响因素。

1)时间维度上，2010-2019年研究区GI网络结构要素类型面积变化明显，其中2014年以后非GI增长及核心萎缩加速，结构连通性高的要素类型整体面积增长显著。从景观格局指数总体变化来看，2010-2019年研究区GI景观破碎化增加，整体功能连通性降低，景观多样性增加，2014年以后变化加剧。表明受获批国家级新区和绿道建设影响，研究区在GI景观破碎化加速的同时，生态保护措施使得其结构连通性得到一定改善。

2)空间维度上，各片区因功能定位和所属行政区经济发展水平差异呈现不同的GI网络结构要素和景观格局演变模式。其中直管区核心减少最为显著，生境破坏严重；而简阳片区、协调管控区的景观结构连通性得到较为有效的保护。东部、南部的片区GI景观格局整体优于西部、北部的片区，除龙泉山生态服务区和天府国际机场较稳定外，研究区整体景观格局变化显著。

政策的目标导向和发展定位是影响研究区GI时空分异的重要因素，以此为完善区域GI生态网络的切入点，对不同行政区划和功能定位下的片区提出不同侧重的保护建议：高新片区、直管区应严格控制城市开发建设和东部森林的旅游开发建设，注重南部耕地保护，在广泛吸引人才的同时注意防范未来人口增长带来的GI供需失衡问题；龙泉、双流、新津、青龙、视高片区应持续控制产业区生态绿隔的破碎化发展趋势，注意生态网络连通性，着力保护恢复南部沿彭祖山及余脉向北的生态绿化廊道，依托水网加强绿化建设提高内部GI网络连通性；简阳片区应以生态保育为主，注重蓝绿网络连通性和湿地景观保护，同时结合水岸沿线文化发挥GI文化遗产保护功能；协调管控区应严格把控东侧天府机场及空港新城建设规模，在发展相关产业的同时保护良好的自然资源禀赋。

为保障GI生态网络的整体连通性，减小因行政边界对生态网络的影响，相关保护决策和专项规划应尽可能考虑打破行政边界的协同合作方案。市域尺度上，成都市和眉山市应协同维护彭祖山周边都市农业生态功能。区县尺度上，双流片区在增强与高新片区交通联系的同时，应保证道路绿化生态效益；直管区与龙泉、简阳片区协同落实龙泉山生态服务区保护工作；新津片区则加强控制北部生态绿隔避免与双流片区建设用地连绵发展，同时南部与青龙片区相邻处也应注意保护和恢复生态廊道。

天府新区及协调管控区应重视GI视角下的区域景观生态保护，注重整体结构连通性，合理控制生态保护和恢复关键点的开发建设，减少GI景观持续破碎风险，建成美丽宜居公园城市先行示范区，从而加快完善市域公园城市绿地系统。