基于GWR模型的福建省綠色空間景觀格局演變影響因素及其空間差異

王圳峰，王欣珂，謝香群，蕭滿紅，武艷芳，劉興詔,4*

(1.福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院，福建 福州 350002；2.湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 莆田 351119；3.棕櫚生態(tài)城鎮(zhèn)發(fā)展股份有限公司，河南 鄭州 450000；4.自然資源部東南生態(tài)脆弱區(qū)監(jiān)測修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心，福建 福州 350013)

綠色空間是城市復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有獨(dú)特的生態(tài)和社會功能[1]。綠色空間對于城市環(huán)境問題起到一定的緩解作用，例如緩解城市熱島效應(yīng)[2]、調(diào)蓄雨水[3]、固碳釋氧[4]等，達(dá)到修復(fù)城市生態(tài)系統(tǒng)、緩解城市生態(tài)壓力的作用。綠色空間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其空間格局在生態(tài)效益方面能夠發(fā)揮重要作用，它的功能與組成結(jié)構(gòu)等空間格局息息相關(guān)[5]。

對于綠色空間的研究，國內(nèi)學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)落在其格局的動態(tài)演化分析、演變機(jī)制分析[6-8]。綠色空間格局的動態(tài)演化大多基于遙感數(shù)據(jù)和景觀指數(shù)來分析綠色斑塊的大小、數(shù)量[9-11]。在演變機(jī)制方面，多數(shù)研究以定性和定量結(jié)合的方法，針對社會經(jīng)濟(jì)、自然因素展開單一類型綠色空間演變的驅(qū)動機(jī)制分析[12-14]。目前，多數(shù)研究在識別單一類型綠色空間景觀格局動態(tài)變化特征及驅(qū)動因素方面取得一定成果，但針對整體綠色空間景觀格局動態(tài)演化研究的較少，并且少有研究分析綠色空間格局演變驅(qū)動因素的空間差異。

作為我國南方重要的生態(tài)屏障，福建省當(dāng)前正處于全力建設(shè)國家生態(tài)文明試驗(yàn)區(qū)的階段。在此背景下，了解福建省整體綠色空間的景觀結(jié)構(gòu)組成以及空間配置演變情況有利于構(gòu)建區(qū)域協(xié)調(diào)、城鄉(xiāng)融合的綠色空間格局，從而維持生態(tài)過程的穩(wěn)定發(fā)展。傳統(tǒng)的回歸方法僅僅將影響因子的影響進(jìn)行排序，缺乏對空間因素的考慮。地理加權(quán)回歸(geographically weighted regression,GWR)模型考慮了樣本的空間地理位置，可以反映自變量與因變量之間相關(guān)性的空間差異特征[15-17]。以福建省為研究范圍，分析其綠色空間格局演變規(guī)律，綜合考慮社會經(jīng)濟(jì)、自然因素，構(gòu)建GWR模型，探究福建省綠色空間景觀格局演變的影響因素及其空間差異性。嘗試?yán)斫庠谧匀?、社會?jīng)濟(jì)影響因素作用下綠色空間格局變化的原因和過程及其所呈現(xiàn)的空間分異，以期為福建省因地制宜開展生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要實(shí)踐指導(dǎo)意義，同時(shí)也有利于福建省綠色空間格局的優(yōu)化和自然資源合理利用，打造全國生態(tài)示范省。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

將福建省行政邊界作為研究范圍，綠色空間包括城市建設(shè)用地內(nèi)的綠地和城市建設(shè)用地之外的更多具有生命支撐、生態(tài)調(diào)節(jié)和環(huán)境保護(hù)等多重功能的空間地域[18-21]。根據(jù)研究目的并結(jié)合中國土地資源分類系統(tǒng)的分類體系[22]，將綠色空間分類為林地、耕地、濕地及水域、草地4種類型。

選取的數(shù)據(jù)有：福建省2000、2010、2020年3期地表覆蓋數(shù)據(jù)[23]，包括的用地類型有耕地、林地、草地、濕地及水域、建設(shè)用地、裸地；數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)來源于地理空間數(shù)據(jù)云平臺；降雨數(shù)據(jù)來源于國家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心；溫度數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；夜間燈光數(shù)據(jù)可用于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化水平、GDP分析等方面[24]。根據(jù)數(shù)據(jù)可獲取性，采用夜間燈光數(shù)據(jù)來表征地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)度。夜間燈光數(shù)據(jù)來源于Harvard Dataverse平臺[25]。以上數(shù)據(jù)采用相同的投影坐標(biāo)： Asia_Lambert_Conformal_Conic。

1.2 研究方法

1.2.1 景觀格局指數(shù) 根據(jù)已有研究[26-27]，從斑塊類型層級和景觀層級選取斑塊密度(PD)、景觀形狀指數(shù)(LSI)、連接度指數(shù)(Cohesion)和Shannon多樣性指數(shù)(SHDI)4個(gè)景觀指數(shù)來表征綠色空間破碎化、連通性、多樣性。通過Fragstats 4.2軟件進(jìn)行分析，具體公式說明詳見文獻(xiàn)[26]。

1.2.2 全局空間自相關(guān) 采用全局自相關(guān)系數(shù)Global Moran’I來檢驗(yàn)綠色空間景觀格局指數(shù)的空間相關(guān)性。在給定顯著水平下，Moran’I的值介于(-1,1)之間，I值越接近1，表明空間數(shù)據(jù)正相關(guān)越明顯；I值越接近-1，表明空間數(shù)據(jù)負(fù)相關(guān)越明顯；I值接近0，則表明空間數(shù)據(jù)相關(guān)性越低。具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)[26]。

1.2.3 GWR模型 選擇GWR模型探究社會經(jīng)濟(jì)、自然因素在空間層面上對福建省綠色空間格局演變的影響機(jī)制[28]，具體計(jì)算公式見文獻(xiàn)[28]。

為獲取地理加權(quán)回歸的局部系數(shù)，采用高斯函數(shù)確定其權(quán)重，在ARCGIS中通過選擇赤池信息量準(zhǔn)則(akaile information criterion，AIC) 法確定最優(yōu)帶寬。AIC值越小，模型擬合效果越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 2000—2020年福建省綠色空間演變

福建省綠色空間面積在20 a間總體呈下降的趨勢，不同用地類型的變化趨勢存在差異(表1)。2000-2010年，林地和耕地面積均下降(-2.05%和-0.18%)；草地和濕地及水域的面積增加(1.00%和0.85%)。2010-2020年，4類綠色空間類型變化率相較10 a前有所加劇，耕地和林地繼續(xù)降低(-2.82%和-0.98%)；濕地及水域面積保持上升(6.03%)。2000-2020年，占比最大的始終是林地，其次是耕地，這二者占綠色空間的90%左右，草地、濕地和水域占10%左右。20 a間，耕地面積減少最多(-1 209.48 km2，-4.81%)，其次是林地(-955.45 km2，-1.16%)，草地減少的面積小于前兩者，但由于其絕對面積較小，下降的比率是最高的(-6.26%)。濕地及水域面積一直保持上升趨勢。

表1 綠色空間結(jié)構(gòu)組成及變化

2.2 福建省綠色空間景觀格局演變特征

參照前人研究成果[29-30]以及經(jīng)過多組參數(shù)試驗(yàn)對比，創(chuàng)建10 km×10 km的格網(wǎng)，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期每個(gè)格網(wǎng)的景觀指數(shù)，得到2000-2010、2010-2020年各個(gè)景觀指數(shù)的空間變化量分布圖(圖1)。

2.2.1 綠色空間破碎化演變 時(shí)間演變上(表2)，在2000-2020年，整體綠色空間的斑塊密度上升，景觀形狀指數(shù)下降。耕地和濕地及水域的破碎化增加，而林地趨于連片化，破碎度降低。空間上(圖1A、圖1B)，在2個(gè)時(shí)段內(nèi)，破碎化增加綠色空間位于東南部沿海地區(qū)和東部沿海地區(qū)，而西南部地區(qū)的綠色空間景觀破碎化程度降低。整體綠色空間的破碎化程度加劇，這是由于沿海地區(qū)建設(shè)強(qiáng)度加大，占用了綠色空間，同時(shí)也導(dǎo)致綠色空間形狀趨于不規(guī)則，促使綠色空間轉(zhuǎn)向非綠色空間。

2.2.2 綠色空間連通性演變 時(shí)間演變上(表2)，在2000-2020年，整體綠色空間的連接度指數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，表明其景觀連通性降低。其中，耕地和濕地及水域的連接度指數(shù)也下降，表明二者的連通性降低。從空間上(圖1C)，整體綠色空間連通性降低的區(qū)域向西北部蔓延。在2個(gè)時(shí)段內(nèi)，連通性下降的綠色空間主要分布于西南部地區(qū)和東南部沿海地區(qū)。上述研究結(jié)果表明，福建省整體綠色空間連通性降低較明顯的是西南、東南地區(qū)，且正在向北部蔓延。這主要是因?yàn)槿祟惢顒訉?dǎo)致了綠色空間斑塊的破碎加劇，從而影響綠色空間的連通性。

2.2.3 綠色空間多樣性演變 時(shí)間演變上(表2)，在2000-2020年，整體綠色空間的Shannon多樣性指數(shù)緩慢降低，表明各類型綠色空間的分布有不均衡發(fā)展的趨勢。空間上(圖1D)，整體綠色空間的Shannon多樣性指數(shù)呈現(xiàn)較均勻且分散的空間特征。2010-2020年，Shannon多樣性指數(shù)顯著增加區(qū)域多位于東南沿海地區(qū)。其原因是城市建設(shè)活動中，綠地的增加使得整體景觀分布趨于均勻。

圖1 福建省綠色空間景觀格局變化量空間分布

表2 福建省綠色空間景觀格局指數(shù)結(jié)果

2.3 社會經(jīng)濟(jì)因素對福建省綠色空間景觀格局演變影響的空間差異

2.3.1 GWR模型擬合結(jié)果 為對比驗(yàn)證GWR模型的擬合效果，將社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)度變化量、自然因素(地形、氣溫、降水)分別于各景觀格局指數(shù)變化量進(jìn)行普通最小二乘法(Ordinary Least Squares,OLS)回歸計(jì)算。對比結(jié)果顯示(表3)，GWR的擬合優(yōu)度R2均大于OLS模型，AICc值均小于OLS模型，表明GWR對各景觀格局指數(shù)變化量的解釋能力以及擬合效果優(yōu)于OLS模型，可以有效地解釋社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)度和自然因素對于綠色空間景觀格局演變的影響作用及空間差異性。

表3 GWR模型和OLS模型參數(shù)估計(jì)結(jié)果對比

2.3.2 空間自相關(guān)分析 將計(jì)算得出的各景觀格局指數(shù)變化量進(jìn)行空間自相關(guān)分析，結(jié)果見表4，可以看出，各景觀格局指數(shù)變化量具有空間自相關(guān)特征(Z>2.58且P<0.01)，滿足空間回歸的條件。

表4 景觀指數(shù)變化量全局空間自相關(guān)計(jì)算結(jié)果

2.3.3 社會經(jīng)濟(jì)因素對福建省綠色空間格局演變影響的空間回歸結(jié)果 根據(jù)前人的研究[26,31]，本研究采用夜間燈光數(shù)據(jù)表征社會經(jīng)濟(jì)因素，通過GWR模型對福建省整體綠色空間景觀格局與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展(夜間燈光)進(jìn)行空間回歸，得到2000-2010年和2010-2020年的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)度(夜間燈光)變化量和各景觀格局指數(shù)變化量回歸系數(shù)空間分布圖(圖2)。

社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對綠色空間破碎化呈現(xiàn)以負(fù)相關(guān)為主且較分散的區(qū)域分布特征(圖2A、圖2B)。在2000-2010年，二者回歸系數(shù)分布呈現(xiàn)中心為負(fù)、周圍為正的格局。在2010-2020年，西部地區(qū)的綠色空間破碎化與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系由正相關(guān)轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)，而福建省東部及東南沿海地區(qū)的綠色空間破碎化與社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展一直保持負(fù)相關(guān)趨勢。

社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對綠色空間連通性呈現(xiàn)以負(fù)相關(guān)為主的影響特征(圖2C)。在2000-2010年，回歸系數(shù)呈負(fù)相關(guān)的區(qū)域集中在南部地區(qū)正相關(guān)區(qū)域集中于中部和北部地區(qū)。在2010年后，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對綠色空間連通性的影響普遍出現(xiàn)負(fù)相關(guān)，只有西南部地區(qū)呈較大區(qū)域的正相關(guān)分布。

社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展對綠色空間多樣性呈現(xiàn)以負(fù)相關(guān)為主的影響特征和斑塊狀的空間分布(圖2D)。在2000-2010年，正相關(guān)區(qū)域多位于西北至西南部地區(qū)，負(fù)相關(guān)區(qū)域則位于中部以及沿海地區(qū)。到2010年后，呈負(fù)相關(guān)分布的區(qū)域呈現(xiàn)“北部-南部”兩端的格局。

圖2 社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)度對福建省綠色空間景觀格局回歸系數(shù)空間分布

上述結(jié)果表明，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)度越高的區(qū)域(沿海地區(qū))，其綠色空間的破碎化越明顯，連通性降低，多樣性降低，導(dǎo)致綠色空間格局變化較為明顯。而西北部、西南部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展較滯后，該區(qū)域的生態(tài)條件較好，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展與綠色空間破碎化成正相關(guān)，與其連通性呈負(fù)相關(guān)。

2.4 自然因素對福建省綠色空間景觀格局演變影響的空間差異

地形對綠色空間破碎化的影響以負(fù)相關(guān)為主，呈現(xiàn)中部延伸至西南部地區(qū)的特征(圖3A和圖3B)。地形對于綠色空間連通性的負(fù)相關(guān)區(qū)域呈現(xiàn)連片化的空間分布特征(圖3C)。地形對于綠色空間多樣性的負(fù)向影響呈現(xiàn)帶狀分布(圖3D)，從福建省北部延伸至西南部地區(qū)。

氣溫對于綠色空間破碎化的影響以負(fù)相關(guān)為主(圖3E和圖3F)，呈現(xiàn)斑塊狀和帶狀格局。氣溫對綠色空間連通性的影響以正向?yàn)橹?，呈現(xiàn)“中部-東北”格局(圖3G)。氣溫對綠色空間多樣性的影響以負(fù)相關(guān)為主(圖3H)，呈現(xiàn)“北部-南部”的空間特征。

降水對于綠色空間破碎化的影響以負(fù)相關(guān)為主(圖3I和圖3J)，呈現(xiàn)明顯區(qū)域塊狀特征；降水對于綠色空間連通性以正向影響為主(圖3K)，呈現(xiàn)“北部-南部”格局。降水對于綠色空間多樣性以負(fù)向影響為主(圖3L)，呈現(xiàn)“中部-東南”格局。

圖3 自然因素對福建省綠色空間景觀格局回歸系數(shù)空間分布

上述結(jié)果表明，地形高度增加，綠色空間的破碎化、連通性和多樣性降低，說明地形對綠色空間格局變化有限制作用，福建省地形為“西北高-東南低”格局，因此西北部綠色空間破碎化與地形成負(fù)相關(guān)。而氣候因素對綠色空間格局演變的影響也具有一定的空間差異，氣溫上升，一定程度上影響了植被生長，導(dǎo)致綠色空間破碎化增加、連通性下降；降水增加有助于植被生長，因此綠色空間破碎化與降水成負(fù)相關(guān)，而與連通性呈正相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1)2000-2020年，整體綠色空間景觀格局的時(shí)空變化特征較明顯。福建省整體綠色空間破碎化程度上升，總體連通性降低和多樣性降低。空間分布上，整體綠色格局破碎化、連通性和多樣性變化隨著空間位置不同而變化。從不同類型綠色空間來看，耕地和濕地破碎度增加，連通性下降，其分布趨于分散；林地和草地的破碎化和連通性均下降，但二者的空間分布不同。

2)GWR模型在空間位置層面對不同時(shí)期的綠色空間格局演變影響因素的解釋優(yōu)于OLS模型。福建省綠色空間格局是社會經(jīng)濟(jì)和自然因素共同作用的結(jié)果，而主要推動力為社會經(jīng)濟(jì)因素。社會經(jīng)濟(jì)影響因素對綠色空間景觀格局破碎化、連通性、多樣性的影響以負(fù)相關(guān)為主，且具有較顯著的空間差異。自然因素對綠色空間景觀格局的影響也具空間差異。其中，地形對綠色空間景觀格局的影響呈現(xiàn)不同程度的空間差異；溫度對綠色空間格局的影響空間分布呈碎片化的斑塊特征；降水對綠色空間景觀格局的影響空間分布呈現(xiàn)明顯的帶狀特征。

3.2 討論

3.2.1 綠色空間景觀格局演變的影響因素分析 社會經(jīng)濟(jì)因素為綠色空間格局演變的主導(dǎo)因素，表現(xiàn)為社會經(jīng)濟(jì)活動強(qiáng)度越高，綠色空間的破碎化程度越高，連通性和多樣性降低，這與王瑩等[26]的研究結(jié)果基本一致。在空間特征上，社會經(jīng)濟(jì)因素對沿海地區(qū)綠色空間格局演變的影響存在較明顯的空間差異。這是因?yàn)樵?000-2020年，福建省地區(qū)生產(chǎn)總值、建成面積和常住人口急劇上升，導(dǎo)致了綠色空間格局的顯著變化。沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長迅速，人口聚集，而西北部一些內(nèi)陸地區(qū)則增速相對乏力。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、投資水平和工業(yè)化程度促進(jìn)了區(qū)域之間的經(jīng)濟(jì)差異發(fā)展[32]，沿海地區(qū)特別是福州、泉州等地二三產(chǎn)業(yè)比重明顯高于其他城市；由于地理位置的優(yōu)勢，沿海地區(qū)的投資水平明顯高于內(nèi)陸地區(qū)；福建省各地區(qū)的工業(yè)化程度相差迥異，沿海地區(qū)比內(nèi)陸地區(qū)的人均工業(yè)產(chǎn)值高出10多倍。社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的差異化，造成了綠色空間格局演變具有空間分異性。

自然因素中，景觀格局空間分異隨著地形起伏度的變化而趨于明顯特征。地形對綠色空間格局的負(fù)影響區(qū)域主要為“中部-西南”連片以及部分東北邊緣區(qū)域特征。原因在于福建地形以山地丘陵為主，武夷山(閩西)以及鷲峰山、戴云山、博平嶺(閩中)構(gòu)成了福建省的地形骨架，而閩東沿海地區(qū)分布有小塊平原，包括福州、莆田、泉州、漳州4處[33]。地形限制了人類活動，使得海拔較高的綠色空間破碎度較低，這與其他學(xué)者的研究基本符合[34]。地形是重要的空間限制因子，在大多數(shù)山地城市中，地形顯著決定了城市擴(kuò)張的主要方向，對城市形狀格局產(chǎn)生較明顯的影響。因此，福建省在綠色格局優(yōu)化上應(yīng)根據(jù)地形做到因地制宜，在較低區(qū)域減緩耕地的流失速度，在較高區(qū)域加強(qiáng)生態(tài)效益的建設(shè)，嚴(yán)格限制建設(shè)用地的侵占。在氣候方面，本研究結(jié)果顯示氣溫對綠色空間破碎度的正影響區(qū)域和連通性的負(fù)影響區(qū)域均在沿海位置，可能是由于城市熱島效應(yīng)，其根本原因是人類活動造成地表及大氣溫度升高。綠色空間流失，其熱環(huán)境和小氣候不能得到有效緩解。綠色空間斑塊的增加，會產(chǎn)生“冷島效應(yīng)”，以此改善人居熱環(huán)境。因此，本研究結(jié)果可為綠色空間格局的優(yōu)化提供參考。

3.2.2 GWR在綠色空間格局的應(yīng)用 GWR模型結(jié)果顯示，各影響因素隨著空間位置的變化對綠色空間格局演變產(chǎn)生不同程度的影響?！暗乩韺W(xué)第一定律”指出，一切事物都與其周圍的其他事物相關(guān)，并且離得越近的事物之間的關(guān)聯(lián)性越大[35-36]。而基于土地覆蓋的綠色空間數(shù)據(jù)符合該定律，且具有一定的空間自相關(guān)性，這是進(jìn)行GWR模型分析的條件。與以往的景觀格局研究相比，采用GWR模型以局部參數(shù)估計(jì)來獲取特定位置的回歸系數(shù)，能夠較直觀地揭示區(qū)域內(nèi)整體綠色空間格局變化的空間特征及差異性，該模型在綠色空間景觀格局演變與各影響因素之間相關(guān)性的空間非平穩(wěn)性更具有優(yōu)勢。因此，GWR模型在綠色空間格局研究中具有較好的應(yīng)用前景，能為綠色空間格局優(yōu)化提供參考，以此提出相關(guān)建議。

1)劃分綠色空間生態(tài)服務(wù)功能等級。將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理念納入綠色空間的建設(shè)中，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性級別劃分優(yōu)先級空間，提出相應(yīng)的保護(hù)政策并提升生態(tài)管理水平，尤其是高生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能水平的綠色空間斑塊(生態(tài)源地)。對于較有潛力的中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能水平的綠色空間，應(yīng)當(dāng)調(diào)整土地利用類型，積極引導(dǎo)城市建設(shè)用地的集約發(fā)展。

2)構(gòu)建綠色空間廊道網(wǎng)絡(luò)體系，增建具有生態(tài)學(xué)意義的綠地，形成完整的生態(tài)廊道防護(hù)體系，提升綠色空間格局與過程的完整性和連通性。

3)利用多學(xué)科交叉融合技術(shù)，科學(xué)合理地管理綠色空間建設(shè)。城市是社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，綜合運(yùn)用景觀生態(tài)學(xué)、風(fēng)景園林學(xué)、地理學(xué)和社會學(xué)等多學(xué)科理論和技術(shù)方法，才能全面提升城市綠色空間的整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值，真正地達(dá)到人與自然的和諧共生。