四川天府新区BGI复合功能空间分异特征及其景观格局驱动机制研究

罗言云 郭淑婷 王倩娜 王诗源

蓝绿基础设施（Blue-Green Infrastructure， BGI）是实现适应气候变化战略目标的重要工具.研究BGI景观格局和功能的空间关系，旨在为城市气候适应性建设提供依据.以四川天府新区（含协调管控区）为例，基于遥感影像数据，从气候适应性视角出发，进行BGI复合功能评价和空间分异特征分析，并运用地理探测器进一步揭示景观格局主要驱动因子及驱动机制.结果表明：（1）复合功能等级整体呈现从龙泉山脉向东西两侧递减趋势，高服务功能集中分布在龙泉山脉、彭祖山景区和三岔湖景区东南方向的协调管控区域.（2）复合功能等级空间分布格局整体呈显著空间正向自相关关系，具有显著高高（HH）、低低（LL）、高低（HL）聚集特征.（3）景观组成类型、网络结构要素类型、斑块密度指数（PD）和面积加权平均形状指数（AWMSI）是复合功能空间分异的主要驱动因子；景观组成类型、网络结构要素类型是复合功能空间分异的主要交互驱动因子.研究探明了景观格局对BGI复合功能空间分异的驱动机制，可用于指导研究区城市气候适应性建设.

蓝绿基础设施； 复合功能； 景观格局； 空间分异性； 驱动机制

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

在国际气候制度经历30余年不断发展与演变的进程中，气候适应已经成为全球共识  ［1］ .《国家适应气候变化战略2035》将适应气候变化纳入国土空间规划，提出在国土空间规划中充分考虑气候要素  ［2］ .蓝绿基础设施（Blue-Green Infrastructure， BGI）是由自然、半自然和人工绿地植被、水体为一体的生物栖息地网络体系  ［3］ ，具有调蓄雨洪、管理河流、制造冷岛、缓解热岛、固碳、改善空气流通和休闲娱乐等生态系统服务功能  ［4］ .在调节城市气候和协助城市应对未来气候变化方面扮演着极为重要的角色  ［5］ .本研究中气候适应性指BGI对于不利气候环境条件的适应属性.在国土空间规划的重要时期，研究具有气候适应性的BGI功能， 有利于提高区域适应极端气候事件的能力，缓解气候变化造成的不良影响，对我国城乡蓝绿空间系统专项规划建设和实现气候适应性目标具有重要意义.

目前，生态系统服务（Ecosystem Service， ES）功能评价和景观格局分析是BGI领域研究热点.ES功能评价以水资源调节  ［6，7］ 、气候调节  ［8，9］ 、空气质量调节  ［7，10］ 和文化娱乐调节功能  ［11］ 为主要评价对象，模型大致分为经济计量、空间计量两大类  ［7］ .生态系统服务和权衡综合评估（Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs， InVEST）模型是目前比较成熟的多功能ES评价模型，其中的固碳、城市降温、城市内涝风险削减、生物多样性指数、生境质量和休闲娱乐等模块应用较为广泛  ［9，12-14］ ，但其内置评价模型有限，部分模块并不以ES为直接输出对象，结果数据还需进一步处理.城市生态智慧管理系统（Intelligent Urban Ecosystem Management System， IUEMS）的引入可补充InVEST模型在此方面存在的不足  ［15］ .景观格局分析以景观格局指数和形态学空间格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis， MSPA）为主，二者分别侧重于景观组成和景观结构连通性，结合移动窗口法（Moving window method）可实现景观格局的空间可视化  ［16］ .近年来，部分学者通过将景观格局指数和MSPA结合深入分析BGI景观格局特征  ［17，18］ .

人类活动造成BGI景观格局的改变，从而驱动ES供给发生显著变化.研究景观格局和ES功能的关系，有利于完善景观格局现状，提高ES功能，增强BGI应对气候风险的能力.目前相关研究较少，且往往忽视了景观格局驱动因子与ES功能在地理空间上的差异性  ［19，20］ .地理探测器（GeoDetector）作为一种检验地理事物现象是否存在空间分异性的工具，能够揭示空间分异背后的驱动力以及探测两因子交互作用对要素的解释力  ［21］ ，已被广泛应用于自然地理  ［22］ 、人文经济  ［23］ 、生态学  ［24］ 等领域.鉴于此，选取国家级新区——四川天府新区（含协调管控区）为研究区，展开BGI复合功能评价，并运用地理探测器探测BGI景观格局对复合功能空间分异的驱动机制.以期为未来气候变化背景下的BGI复合功能评估及其规划设计实践提供依据与参考.

2 材料与方法

2.1 材 料

2.1.1 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2678 km  2 . 根据相关规划  ［25］ ，研究区被划分为：直管区、高新片区、龙泉片区、双流片区、新津片区、简阳片区、青龙片区、视高片区、协调管控区9个片区（图1），其中协调管控区为成都市和眉山市协同管辖.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.近年来，研究区气象灾害主要包括：暴雨、高温、雾、雷暴、大风、寒潮、低温、干旱、冰雹，以及主汛期引发的洪涝、内涝、滑坡等次生灾害  ［26］  .

2.1.2 数据来源及预处理  基于云量少、无遮挡的原则，选取 研究区2020年7月的Landsat 8遥  感影像数据，并在ENVI 53中完成辐射定标、大气校正、镶嵌、裁剪等预处理.通过波段运算提取BGI要素（包括植被与水体），结合高精度卫星影像及实地调研对运算结果进行目视解译和修正，得到30 m×30 m精度的BGI栅格数据.将所有采用数据（表1）进行地理坐标空间系统配准、重采样至30 m栅格并统一到WGS_1984坐标系统.

2.2 研究方法

2.2.1 BGI复合功能评价  研究基于气候适应性视角，并结合四川天府新区气候环境现状，选取雨洪管理、缓解热岛、空气净化、固碳、休闲娱乐5项功能指标进行单项功能定量评价（表2）  ［27-31］  .然后，借助层次分析-变异系数法确定各项功能权重，通过归一化处理与叠加分析完成BGI复合功能评价.运用ArcGIS中的自然断点法（Natural breaks），将各评价结果重分类为5类，依据结果由高到低分别赋值整数5～1，得到复合功能等级空间分布图.

2.2.2 空间自相关分析  空间自相关是用来检验某一要素的属性值是否与其相邻空间位置上的属性值相关联的方法  ［32］ ，考虑到全局空间自相关无法判读属性值在局域的空间自相关情况，而局部空间自相关可以获知属性值的聚集模式和分布格局.因此，研究选取全局空间自相关和局部空间自相关两个指标参数综合分析BGI复合功能空间自相关情况.

全局空间自相关是探究研究区域中相邻网格属性值在全局空间上关联度和相似性的指标参数，研究选用全局 Moran I 进行分析.其中， I  取值范围为［-1，1］，大于1为正相关，小于1为负相关，绝对值越大说明空间相关性越强.计算公式如下：

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 为全局莫兰指数； n 为网格单元总数；   x   i  （  x   j  ） 为网格单元  i （ j ）的测度值；（  x   i - x  -  ）为第  i 个网格单元上测度值与平均值的偏差；  w   ij  为标准化的空间权重矩阵；  S   2  为方差;  x  -  是网格单元的平均值.

局部空间自相关可以测度每个网格与周边网格之间的局部空间关联度和空间分异性  ［33］ ，研究选用LISA指数进行分析，得到LISA指数空间分布图.计算公式如下：

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

式中，  I   i  为局部莫兰指数； n 为网格单元总数；   x   i  （  x   j  ） 为网格单元  i （ j ）的测度值；（  x   i - x  -  ）为第  i 个网格单元上测度值与平均值的偏差；  w   ij  为标准化的空间权重矩阵；  S   2  为方差；  x  -  是网格单元的平均值.

2.2.3 景观组成类型分析  依据中科院土地利用/覆被类型（LUCC）分类体系，在ArcGIS中将预处理后的土地利用数据重分类为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用地6种土地利用类型，得到研究区景观组成类型栅格图及数据.

2.2.4 形态学空间格局分析  基于预处理得到的30 m×30 m精度的BGI二值栅格图，利用Guidos Toolbox软件进行MSPA分析，采用八邻域规则，边缘宽度取值60 m，将栅格图像识别分割成核心、孤岛、穿孔、边缘、连接桥、环和分支7个互斥类别，得到BGI网络结构要素栅格图.其中核心和孤岛为生境斑块，穿孔和边缘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.

2.2.5 景观格局指数分析  从分析BGI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BGI景观格局空间分异情况.选取的面积指数为斑块面积指数（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），聚散性指数为蔓延度指数（CONTAG），多样性指数为香农多样性指数（SHDI）.首先，在ArcGIS中对BGI网络结构要素栅格图进行重分类，将核心、孤岛、穿孔、边缘等块状景观类型归类为前景，连接桥、环和分支等线性景观和非BGI归类为背景，再应用Fragstats 4.2软件中的标准法和移动窗口法，选取900 m为移动窗口分析尺度，计算得到全局尺度景观格局指数栅格图.

2.2.6 空间分异性分析  地理探测器是一种探索空间分异并揭示其背后驱动机制的统计方法.其核心思想是根据空间异质性，分析自变量与因变量分布格局的一致性，探测自变量对因变量的解释程度，主要包括：因子探测器、生态探测器、交互作用探测器和风险探测器4大模块  ［23］ .研究运用地理探测器，以BGI复合功能等级为数值量因变量，景观组成、网络结构要素、景观格局指数PD、LPI、AWMSI、CONTAG、SHDI为类型量自变量，运用因子探测器、交互作用探测器和风险探测器综合探测BGI复合功能的景观格局主要驱动因子及驱动机制.

3 结果分析

3.1 BGI复合功能评价

对各单项功能进行综合赋权（表3），得到复合功能评价等级空间分布（图2）.其中，高服务功能等级区主要集中分布在以龙泉山脉为主的龙泉山区域，其次是以彭祖山景区为主的彭祖山区域和三岔湖景区东南方向的协调管控区域，以公园绿地为主的若干小型自然板块分散分布在各个片区.低服务功能等级区主要分布在北部区域和各片区城市建设程度较高的区域，如协调管控区的天府国际机场区域、视高片区的视高经济开发区区域.总体来看，复合功能等级整体呈现出从龙泉山脉向两侧递减的趋势，表明龙泉山脉区域具有良好的生态功能，对于研究区适应气候变化发挥着重要作用.

3.2 BGI复合功能空间分异特征

根据功能全局空间自相关分析结果（表4），各单项及复合功能的全局 Moran I 均大于0，  P 值均为0，表明研究区区域内各单项及复合功能服务等级空间分布格局整体上均呈显著的空间正向自相关关系，功能单元之间聚集分布.其中，空气净化功能全局 Moran I 值为0.60，具有最高的显著性，空间聚集程度最大；固碳、雨洪管理、缓解热岛、休闲娱乐功能的全局 Moran   I 分别为0.36、0.29、0.27和0.20，空间聚集程度依次降低；复合功能与缓解热岛功能的 Moran I 值一致；休闲娱乐功能在空间上聚集程度最小，空间分布更趋于随机.

LISA聚集图可以反映空间单元的属性值同其邻近空间单元的局部空间关系，分为4种空间相关类型，即高高（HH）聚集、高低（HL）聚集、低高（LH）聚集、低低（LL）聚集.根据BGI复合功能LISA聚集结果（图3），复合功能空间格局呈现显著的HH、LL、HL聚集.HH聚集主要集中分布在龙泉山脉、三岔湖景区及其东南方向的协调管控区域，LL聚集主要分布在龙泉山脉西部区域，以高新、双流、龙泉视高片区区域为主，均表现为较强的空间正相关聚集.HL“组团”聚集镶嵌分布在LL聚集向HH聚集过渡区域，主要位于龙泉山脉东侧的龙泉片区、简阳片区和协调管控区和西侧的直管区，表现为一定的空间负相关聚集.总体来看，LISA指数HH聚集空间格局和高服务等级空间分布格局、LL聚集空间格局和低服务等级空间分布格局、HL聚集空间格局和中等服务等级空间分布格局趋于一致.

3.3 BGI景观格局特征

研究区景观组成类型以耕地为主，占比达6478%，林地和草地占比约15%，水域占比为209%（表5）.耕地相对集中分布在协调管控区和直管区，建设用地主要分布在西北部和成都市中心城区邻近区域及东部天府国际机场区域和南部视高经济开发区区域，林地则主要集中分布在龙泉山脉和彭祖山景区（图4a）.

研究区BGI总面积为2053.07 km 2，占区域面积的78.51%，核心与环占总面积的59.98%，整体结构连通性较好（表6）. BGI网络结构要素空间分异特征显著，核心主要分布在简阳片区、协调管控 区和龙泉片区的东部区域，环、连接桥和分支形成网络主要分散分布在龙泉山脉西侧的各片区，在龙泉山脉的东侧，连接桥集中分布在三岔湖景区和龙泉湖景区区域（图4b）.

研究区各景观格局指数空间分异特征显著.其中，景观格局指数CONTAG、SHDI空间分异最为明显，CONTAG 高值主要集中分布在龙泉山脉、彭祖山景区和协调管控区南部区域，SHDI则完全相反，表明东南区域景观破碎化程度较低，景观连续性较强.各片区LPI值都相对较高，其中龙泉山脉、彭祖山景区和协调管控区东南部区域是由于受外界干扰较小，而双流、高新、直管区、龙泉片区和天府国际机场区域是受到强烈的单一性人为干扰.PD和AWMSI的空间分异特征相似，指数值整体都较低，高值零散分布在双流、高新、直管、龙泉片区靠近主城区的区域，表明西北部区域景观 破碎化程度较高，景观复杂性较低.总体上，研究区东南部比西北部的景观连续性更强，异质性更低（图4c）.

3.4 BGI复合功能空间分异的景观格局驱动机制

通过因子探测可以获得景观格局各因子对BGI复合功能空间分异的影响程度，并以 q 值进行度量， q 值越大，说明该因子对BGI功能空间分异的影响程度越大.探测结果表明（表8），7个因子的 q 值均通过了显著性检验，作用力从大到小依次为：景观组成类型（0.614）> 网络结构要素类型（0.439）> PD（0.303）> AWMSI（0.204）> CONTAG（0.107）> SHDI（0.092）> LPI（0.071）.由此可知，景观组成类型是BGI复合功能空间分异的主导因子，网络结构要素类型、PD、AWMSI也发挥着关键作用，而CONTAG、SHDI、LPI的影响程度最小.

选取景观组成类型、网络结构要素、PD、AWMSI 4个主要因子进行交互作用探测，4个因子在两空间交互叠加后形成了6对交互作用.探测结果表明（表9），每一对因子交互作用的 q 值皆大于这对因子的任一因子的 q 值，即任意两个主要驱动因子相互作用时都能显著增加对BGI气候适应性复合功能空间分异的解释.其中 q 值大小排序为：景观组成类型∩网络结构要素类型＞景观组成类型∩PD＞景观组成类型∩AWMSI＞网络结构要素类型∩PD＞网络结构要素类型∩AWMSI＞PD∩AWMSI，且前3对因子交互作用的 q 值均大于05.由此可知，特定网络结构要素、PD和AWMSI下的景观组成类型对BGI气候适应性复合功能空间分异的驱动作用更加显著.

风险探测结果中子区域的功能等级属性值越高时其风险等级越低，反之亦然.景观组成类型风险探测结果表明（图5a），景观组成类 型子区域低功能等级风险排序为：建设用地＞水域＞未利用地＞    耕地 ＞草地＞林地.功能等级均值最大的为林地，其次是草地和耕地，水域的功能等级均值甚至小于未利用地. 因此，退耕还林还草等生态保护措施对复合功能有明显的提升改善作用.

网络结构要素类型风险探测结果表明（图5b），网络结构要素类型子区域低功能等级风险排序为：孤岛＞非BGI＞分支＞连接桥＞边缘＞环＞穿孔＞核心.作为重要生境斑块的核心复合功能等级最高，其次是作为过渡地带和生态廊道的穿孔、环、连接桥、边缘，分支和孤岛的复合功能等级最低，甚至低于非BGI.

对主要因子PD、AWMSI进行景观格局指数风险探测，结果表明（图5c），PD、AWMSI值越高，即景观破碎化程度越高、景观复杂性越大时，子区域功能等级值越低，风险等级越高.相同风险等级下，AWMSI子区域功能等级值均大于PD子区域功能等级均值，结合因子探测结果可知，AWMSI对于BGI复合功能的解释度虽不及PD，但其能驱动更多的高服务功能等级区.

4 讨论与结论

综合运用IUEMS平台、InVEST模型、MSPA方法、景观格局指数、空间自相关分析及地理探测器等方法，研究四川天府新区BGI复合功能空间分异特征及其景观格局驱动机制能够较好地反映BGI复合功能空间分异情况，识别景观格局主要驱动因子及驱动机制.具体地，复合功能等级整体呈现出从龙泉山向东西两侧递减趋势，高服务功能等级集中分布在龙泉山脉、彭祖山景区和三岔湖景区东南方向的协调管控区域.复合功能等级空间分布格局整体呈显著空间正向自相关关系，具有显著HH、LL、HL聚集特征.基于地理探测器的驱动机制结果表明，景观组成类型、网络结构要素类型、PD和AWMSI是BGI复合功能空间分异的主要驱动因子；景观组成类型和网络结构要素类型是BGI气候适应性复合功能空间分异的主要交互驱动因子；景观组成类型和网络结构要素类型的BGI气候适应性复合功能风险排序分别为：建设用地>水域>未利用地>耕地>草地>林地，孤岛＞分 支＞    非＞边缘＞连接桥＞环＞穿孔＞核心.

研究基于气候适应性视角，探讨BGI复合功能空间分异特征，一定程度弥补了内陆城市气候适应性研究的缺失.针对多因子交互作用识别的理论难题，引入ArcGIS空间叠加技术和地理探测器，探测景观格局多因子之间的交互作用和驱动机制，为研究区BGI规划保护和气候适应性建设提供参考依据.研究主要关注研究区的气候适应性功能研究，后续可进一步结合未来气象特征等进行相关分析研究，为未来中远期气候适应策略的制定及规划的编制等提供支撑.

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收稿日期：  2023-02-09

基金项目：  国家自然科学基金（31500581）

作者简介：   罗言云（1969-）， 男， 四川大竹人， 副教授， 研究方向为风景园林规划与设计、城乡生态与生态修复.  E-mail： luoyanyun3966@163.com

通讯作者：  王诗源. E-mail： wangshiyuan1997@qq.com