基于“格局-功能”关系的秦岭北麓城市水源地空间管控*

兰泽青 岳邦瑞，2 王敬儒

1 西安建筑科技大学建筑学院 西安 710055 2 西部建筑科技国家重点实验室 西安 710055

城市水源地是城市的水资源供给地[1]，城市扩张、水资源高强度开发，造成水源地生态退化、水资源供给不足，掣肘城市可持续发展。秦岭北麓西安段是西安市的水源供给区与水源涵养地[2]，近年受人为影响，空间格局发生巨大变化[3]，引发水源涵养、水土保持、生物多样性保护、文化服务等生态系统服务质量下降、功能失调、稳定性减弱[4-5]。如何合理利用土地的同时发挥景观效益、满足城市可持续发展，成为城市水源地亟待解决的重要问题[6]。

探究空间格局与生态系统服务功能关系，有助于优化土地利用、发挥景观效益。 “格局-功能”关系是景观规划的研究热点，在城市[7]、乡村[8]、流域[9]等诸多领域指导规划实践，但既往研究存在以下问题:1)景观规划对“格局-功能”相互作用机制的理解有限，规划成果难以发挥景观效益[10]；2)研究多以静态数据探索规律，鲜有基于时空异质性的动态指标分析“格局-功能”关系[7]；3)水源地分析以单一功能为主，缺乏多功能与全要素的考虑[11]。

本研究以“格局-功能”关系的相互作用机制为重点，充分考虑水源地多功能全要素因子的动态分析，引入“空间机制”概念，将“格局-功能”相互作用理解为“y＝f(x)”函数关系[12]，即在“f”为链接格局与功能因果关系的解释机制下，特定空间变量(格局“x”)与特定目标变量(功能“y”)间的作用关系。依循该机制提出如下思路:1)分析空间格局演变特征与景观功能时空分布特征，得到自变量“x”因子与因变量“y”因子；2)对“x”因子与“y”因子进行因子探测，得到两者子项因子间的关联强度；3)关注强关联因子间双变量空间自相关关系，基于空间聚类进行分区与管控，提出相应的管控措施。

1 研究区概况

西安市秦岭北麓黑河流域(33°42′—34°13′N，107°43′—108°24′E)位于西安市周至县境内，流域面积约2258 km2，是西安市最主要的供水水源[2]，其生态系统服务的健康与稳定关乎西安市生态环境与社会经济的可持续发展。流域自渭河南缘至秦岭主脊地貌类型分别为:河漫滩、一级阶地、二级阶地、冲洪积扇、堆积坮塬、低山、中山、高山区域。流域整体南高北低，冲洪积扇至高山区域是水土流失、地质灾害高发区。河漫滩至冲洪积扇区域是人口密集区，人类生产生活活动程度较高，土地利用强度较大。

2 研究方法

2.1 数据来源

参照GB/T21010-2017《土地利用现状分类标准》，结合研究区实际情况将景观类型分为耕地、林地、草地、水域、建设用地、未利用地。数据来源如表1所示。

表1 研究数据来源

2.2 “格局-功能”关系

1)景观转移矩阵分析。景观转移矩阵用于描述研究区在特定时段内景观类型转变与转变量。计算公式如下:

式(1)中，Aij为转移面积，i为特定时段内期始的景观类型，j为特定时段内期末的景观类型，n为所有景观类型数量。

2)景观类型核密度分析。在转移矩阵基础上，使用Arc GIS10.5平台在Arc Map中设置30 m×30 m渔网栅格，采用Raster to Point工具将受景观过程影响的景观类型变化像元转化为要素点，使用Kernel Density分析工具将发生转化的核密度点反映到整体研究区域中以呈现景观演变的空间分布特征[14]。

3)生态系统服务功能评估。结合研究区现实问题，选取水源涵养、水土保持、生境质量、游憩活动为研究功能。基于InVEST 3.9.0平台，水源涵养功能采用Water Yields模块，根据水量平衡原理，通过Budyko曲线及年降水量计算得到水资源供给分布，再利用DEM、土壤饱和导水率与地表径流流速系数计算径流在栅格上停留时间，获取流域水源涵养量[15]；水土保持功能采用SDR模块，模型中所需降雨侵蚀力栅格基于相关站点降水及Wischmeier的月尺度经验模型通过Kriging插值分析，得到土壤可侵蚀栅格，再采用EPIC模型对流域土壤可侵蚀参数进行计算[16]；生境质量功能采用Habit Quality模块，选取耕地、建设用地为威胁因子，依据生境退化度计算公式、生境质量计算公式[17]，获取生境质量分布情况；游憩活动功能采用Recreation模块，利用高德地图API爬取区域内自然及人文景点分布情况，由模块计算生成。

4)地理探测器因子探测方法。使用地理探测器因子探测，将生态系统服务功能空间分布变化作为“y”因子，将景观类型转移核密度值作为“x”因子，建立30 m×30 m渔网生成点位，提取数值导入地理探测器，探测格局与功能间相互作用的影响程度，因子探测公式如式(2):

式(2)中:q为“x”因子对“y”因子空间分异影响的解释程度，q∈[0，1]，q值越大，则影响越大；N为研究区样本数；σ2h为指标的方差；h＝1，2，…，L，h为变量“y”或因子“x”的分区，L为分区数目。

5)空间自相关分析方法。采用GeoDA1.6.6软件分析全局空间自相关与局部空间自相关[18]，基于因子探测对“x”与“y”因子间的影响程度，选取对“y”因子解释力较高的“x”因子进行双变量空间自相关分析，基于全局自相关统计量得到正负相关关系[19]；依据因子探测的强弱程度及正负相关关系，选取相应变量进行局部空间自相关指标统计量计算[20]，得到空间聚类分布情况。

3 结果与分析

3.1 空间格局演变分析

1)景观格局特征。研究区2000—2020年景观格局特征变化(表2)显示，耕地、林地、草地分别由229.63、1784.09、178.61 km2缩减为209.07、1734.79、172.63 km2，其中8.2 km2的耕地转为林地；2.08、2.93 km2的林地转为草地和未利用地；4.49、12.96 km2的草地转为林地和未利用地。2000—2020年水域、建设用地、未利用地分别由4.52、22.89、38.80 km2提升为10.84、59.43、69.78 km2，其中2.99 km2林地、3.22 km2草地、2.29 km2未利用地转为水域；23.7 km2耕地、11.04 km2林地、2.39 km2草地转为建设用地；7.9 km2耕地、25.81 km2林地、15.73 km2草地转为未利用地。

表2 景观转移矩阵(2000—2020年) km2

2)空间结构特征。由表2可知，耕地、林地、草地面积减少，水域、建设用地、未利用地面积增加。因此，2000—2020年空间结构特征变化反映了不同景观类型损失与扩张的空间分布情况(图1):耕地损失核密度高值沿浅山区、峪口分布；林地损失核密度高值集中于上游河道周边区域；草地损失核密度高值分布于平原区河道周边、黑河上游河道周边、西南部高山区；水域扩张核密度高值分布于金盆水库、下游河道；建设扩张核密度集中于马召镇、楼观镇、广济镇、司竹镇等区域，并形成网络结构；未利用地扩张核密度高值集中于西南部高山区。

图1 各景观类型转移核密度空间分布情况(2000—2020年)

3.2 生态系统服务功能评估

1)生态系统服务功能时间变化特征。2000—2020年生态系统服务量变化表现为:水源涵养服务量持续下降，水土保持、游憩活动服务量持续上升，生境质量服务量先上升后回落(表3)。根据模型计算原理，降水与植被和土壤因素、降水侵蚀力与水土保持措施、土地利用方式与植被、游憩活动点位数量分别是造成水源涵养、水土保持、生境质量、游憩活动功能服务量年际差异的影响因素。

表3 生态系统服务功能服务量变化情况(2000—2020年)

2)生态系统服务功能空间分布特征。由图2可知:水源涵养功能服务量空间变化主要分布于河道、浅山区及平原区；南部山区植被覆盖好，服务量高；西南部高山区、河流沿线、浅山区受气候变化、水利建设等影响，服务量较低。水土保持功能服务量空间变化南部山区略高于北部平原区；受国家自然保护区与森林公园建设、水利建设等影响，人类山区活动减弱与水域面积增加使功能服务量得到较大提升。生境质量功能服务量空间变化分布于河道周边、高山区、平原区；国家自然保护区与森林公园建设、水域面积增加、水景观建设使山区及河道周边生境质量提升，平原区由于建设用地激增以及西南部高山区裸地面积增加、植被退化，其生境质量严重下降。游憩活动功能服务量空间变化分布自西南向东北逐渐减弱；楼观台与黑河国家森林公园、秦岭国家植物园的建设，以及大秦寺塔遗址、仙游寺遗址、玉华观遗址、傥骆道遗址的开发，使游憩活动服务点位及空间面积增加。

图2 生态系统服务功能空间分布情况(2000—2020年)

3.3 “格局-功能”关系因子探测

通过地理探测获取“格局-功能”关系的关联强度。图3表明，水源涵养同林地、草地、建设用地、未利用地，水土保持同水域、建设用地、未利用地，生境质量同耕地、林地、草地；游憩活动同林地、草地、水域、未利用地这14对景观类型转移同生态系统服务功能服务量变化有较强联系。

图3 “格局-功能”因子探测解释度(q值)

3.4 “格局-功能”双变量空间自相关分析

由表4和图4可知:H-H聚类景观类型变化剧烈、生态系统服务功能波动强烈，是需要优化的区域；L-H聚类景观类型变化较小，生态系统服务功能变化剧烈，需保障生态系统服务的持续与稳定；不显著聚类大多围绕L-H聚类形成嵌套圈层，是L-H聚类的保护圈层，可管控此类空间协助L-H聚类优化；H-L、L-L景观结构或服务变化相对稳定，不是管控关注的重点。

研究区水源涵养变化与林地、草地的损失高值呈H-H相关，与建设用地、未利用地扩张高值呈L-H相关，全局自相关分别呈正相关与负相关。研究区水土保持变化与水域扩张高值呈H-H相关，与建设、未利用地扩张高值呈L-H相关，水域扩张则水土保持提升，建设用地、未利用地扩张则反之。研究区生境质量变化与耕地、林地、草地损失高值呈H-H关系，植被丰富的自然斑块损失越大，生境质量分值下降越大。研究区游憩活动变化同林地、草地损失以及水域、未利用地扩张高值形成H-H关系，平原区与南部山区的林地、草地损失后大多转化为水域，相关区域游憩活动提高。需注意的是，L-H相关聚类空间外围明显嵌套不显著类型的“格局-功能”关联空间，形成圈层模式，能够对圈层内的L-H相关聚类空间起到限制与动态维护的作用。

3.5 管控策略

依循区划模式的空间管控手段[21]，基于相关规划成果与三生空间功能特征，制定功能管控区划。叠加与正负向权衡H-H、L-H、不显著的双变量空间自相关聚类类型分布特征，结合功能管控区划形成类型管控区划(图5)。

图5 研究区空间管控策略

1)根据黑河流域水文分析，划分24个独立的子流域单元。基于相关规划成果、三生空间功能特征与城市水源地特点，分为平原宜居生活区、浅山水源供给区和山地多元生态区，并对管控区域进行编号。

2)根据“格局-功能”关系具体类型，以构建人地和谐的景观结构，实现城市水源地生态系统可持续性为目的，提出以下管控手段:稳定HH聚类，保障服务功能质量，限制与维持林地、草地、水域等自然斑块在面积、数量、密度等空间格局特征的变化，维护生态系统服务功能质量；修复L-H聚类，维持服务功能质量，控制人工斑块的斑块大小、形状、数量与面积，并适当增加和修复自然斑块的丰富度，维持必要的生态系统服务功能；优化不显著聚类，提升服务功能质量，协调并加强L-H聚类稳定性，提升生态系统服务功能质量。

3)根据三生空间功能特征区划及管控区域编号，对不同分区提出相应的管控策略(表5)。

表5 基于“格局-功能”关系类型划分的管控区域及对应的管控策略

4 讨论

“格局-功能”间存在复杂的关联关系，定量研究可为景观规划提供科学合理的指导。空间格局与生态系统服务变化存在空间异质性，不同区域具有较大空间差异，以往研究由于忽略该问题可能导致统计分析出现误差，使增强的生态系统服务空间管控出现不确定性结果[11]。本研究基于“格局-功能”变化的动态指标分析，通过因子探测明确“格局-功能”关联关系，结果发现降水与植被和土壤因素、降水侵蚀力与水土保持措施、土地利用方式与植被、游憩活动点位数量等空间因素及相应的景观类型变化是造成水源涵养、水土保持、生境质量、游憩活动等服务量年际差异的影响因素。该结果与相关研究[3-5]在秦岭北麓空间格局与生态系统服务相互作用关系的结论基本一致，为双变量空间自相关分析的因子选取及基于该分析的管控策略制定提供了依据。

研究也存在一定的局限:1)数据精度与指标全面性对复杂系统分析的限制；2)格局的动态指标可选取较多参数分析，景观类型变化只是其中一种；3)尽管考虑到多功能与全要素，但多功能内部存在权衡与协同等问题，需对此进行深入研究。后续研究将进一步提升数据精度、指标全面性，并深化研究区在不同尺度上的功能特殊性以及“格局-功能”关联程度，提升研究价值，完善空间管控策略。

5 结论

研究区“格局-功能”双变量关系中，水源涵养与林地、草地、建设用地、未利用地，水土保持与水域、建设用地、未利用地，生境质量与耕地、林地、草地，游憩活动与林地、草地、水域、未利用地这14对双变量关系最为紧密；自然斑块核密度损失与生态系统服务功能变化的双变量空间自相关多为正相关，局部双变量空间自相关呈H-H聚类；建设用地、未利用地核密度扩张与生态系统服务变化的双变量空间自相关多为负相关，局部双变量空间自相关大多呈L-H聚类；L-H聚类外围嵌套不显著聚类圈层。

以提升区域景观生态系统服务功能质量与稳定性为目的，对应H-H聚类、L-H聚类、不显著聚类3对关系，结合各分区实际地表覆被、地形地貌等特征，制定稳定、修复、优化的管控措施，优化秦岭北麓城市水源地空间格局。

致谢:感谢西北农林科技大学卜元坤博士及郝红科老师、长安大学韩磊老师、北京师范大学李琰老师、哈尔滨工业大学刘笑冰博士、广东省城乡规划设计研究院汪安先生进行技术指导，感谢本团队康世磊、潘卫涛、钱芝弘、王蓓、丁禹元等博士及姚龙杰、朱宗彬等同学在团队讨论中给予意见。