微观尺度绿洲乡村聚落质量评价及其空间重构

马利邦，田亚亚，谢作轮，郭晓东，顾 渊

0 引 言

乡村聚居空间重构是乡村地域发展与演变的重要内容和亟待解决的重要科学命题[1-3]。中国约有 5.9亿农村常住人口居住在 200多万个自然村中，乡村聚落是中国人口的主要聚居形式[4-6]。近年来，随着中国新型城镇化的快速推进以及对“三农”问题的持续关注，提出并实施社会主义新农村建设、城乡统筹发展、美丽乡村建设等系列国家重农政策，使得乡村进入新的发展阶段。传统乡村聚落发展格局被打破，乡村聚落空间结构、形态正发生显著变化，聚落地域功能分化凸显，与此同时聚落面积快速无序扩张、空心化及不合理利用等现象日益严重[7-9]。这一系列问题成为制约中国乡村建设和空间合理发展的主要因素，迫切需要优化乡村空间布局，强化其实证研究。近年来，国内部分学者在乡村聚落形态与结构[10-12]、功能[13,14]、驱动机制[15-18]以及居民点空心化和整理[19-21]等研究的基础上，从不同角度探索乡村聚落空间重构的内在机理、模式及方法[22-26]，如唐承丽等基于“生活质量理论”构建了一套有效提高生活质量的乡村聚落空间优化框架与模式[27]；谢作轮等应用加权Voronoi图的空间分割功能实现宏观上农村居民点的空间重构，确定各搬迁居民点的安置去向[28]；李红波等建构了乡村聚落空间重构的测度指数和理论框架体系，并以苏南地区为案例进行实证分析[29]。

国内已有研究从县域或者更大尺度探讨了乡村聚落的空间优化与重构问题，提出了相应的重构思路和模式，对于宏观层面指导乡村土地整治和集约利用起到了较好的作用。但是，缺乏较为微观的更加具有空间可操作性的乡村聚落空间优化方案，同时较少考虑绿洲区这一特殊地理单元乡村聚落生活空间与生产空间受到水土资源质量的影响。基于此，本研究以河西走廊山丹县为例，综合运用GIS空间分析技术和模型模拟方法，以1 km格网作为评价单元，评价1998—2015年山丹县微观尺度乡村聚落质量格局，并对2015年格网尺度上乡村聚落的空间布局进行调整和优化，确定微型聚落（面积≤0.1 hm2）和乡村聚落质量双低值区的搬迁安置去向，同时对比分析空间重构效益，丰富荒漠绿洲乡村聚落空间重构及荒漠绿洲区乡地域发展的研究案例，以期为河西走廊绿洲区美丽乡村建设提供科学依据。

1 研究区域概况

山丹县地处河西走廊中部，东靠永昌县，西邻民乐县，西北与甘州区接壤，东南与肃南裕固族自治县皇城区相连，北过龙首山与内蒙古自治区阿拉善右旗相望，南以祁连山冷龙岭与青海省为界，是祁连山生态整治修复的重点区域之一。县域总面积5 402.43 km2，南北长136 km，东西宽 89 km，其范围为东经 100°41′～100°42′，北纬37°56′～39°03′（图 1），海拔 1 549～4 444 m。年平均气温6.5 ℃，年平均降水量199.4 mm，日照时数2 964.7 h，蒸发量2 351.2 mm，无霜期165 d。境内耕地和居民点主要沿着河流和灌渠分布，是典型的绿洲农业生态系统。

图1 山丹县区位图Fig.1 Regional location map of Shandan County

山丹县辖2乡（李桥乡、老军乡）、6镇（清泉镇、陈户镇、霍城镇、位奇镇、东乐镇、大马营镇）、110个行政村、6个居民委员会、754个村民小组。2015年末全县常住人口16.73万人，农村人口9.63万人，近三分之二的人口居住在农村聚落。2015年全县国内生产总值43亿元，一、二、三次产业结构比为22.5∶26.5∶51，第一产业薄弱，第二产业发展不力，与经济总量、农民人均可支配收入（10 526.6元/人）和城镇人均可支配收入（19 445.1元/人）水平相比，产业结构相对超前。

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

2.1.1 乡村聚落质量估算模型

水土资源是约束和限制绿洲人口和聚落存在与发展的主要因素，“人-水-土”系统存在着高度的相互依存性和共生性[30]。因此，本研究提出基于格网的乡村聚落与耕地和渠系的聚落质量估算模型，具体模型如下

式中QK为基于耕地的乡村聚落质量；QL为基于渠系的乡村聚落质量；Q为乡村聚落总质量。QK值和QL值越大，表明格网内耕地资源和渠系缺乏，“人-地-水”矛盾尖锐，不利于乡村聚落发展，乡村聚落质量越差；QK值和 QL值越小，表明格网内耕地资源和渠系丰富，有利于聚落集中，“人-地-水”矛盾缓和，乡村聚落质量越好。S聚落为单位格网内的乡村聚落面积，hm2；S耕地为单位格网内的耕地面积，hm2；L渠系为单位格网内的渠系长度，km；w1为基于耕地的乡村聚落质量权重；w2为基于渠系的乡村聚落质量权重。综合考虑绿洲人-水-土之间的相互关系，以及实地调研访谈过程中人们对于水土重要性的认知差异，本研究将w1确定为0.4，w2确定为0.6。

2.1.2 引力模型

在基于格网的乡村聚落质量评价的基础上，本文借助引力模型估算乡村聚落斑块之间的吸引力，对于需要进行空间重新布局的乡村聚落斑块而言，总会选择对其吸引力最大的聚落斑块位置作为迁移去向，具体表达式如下[31]

式中Fij是聚落i、j之间的引力；Qi、Qj分别是聚落i、j的总质量；Dij为聚落i、j之间的距离测度；b为距离衰减系数，通常取1或2，本文考虑到研究尺度相对较大，故取2；k为经验常数。对于距离的测度，山丹绿洲属于平原区，因此采用欧式空间距离。

基于引力模型得出聚落引力矩阵，选取对格网“i”具有最大吸引力的斑块Fjmax，即乡村聚落格网“i”的“最大吸引力聚落斑块”，与此同时也可以估算出乡村聚落格网“i”的总吸引力Hi，总吸引力越大，中心性越好。

按照总吸引力将乡村聚落分为4类：Hi＞10 000（Ⅰ级吸引区），1 000＜Hi≤10 000（Ⅱ级吸引区），100＜Hi≤1 000（Ⅲ级吸引区），0＜Hi≤100（Ⅳ级吸引区）。

2.2 数据来源

数据来自4个方面：1）基础图件：包括山丹县地形图（1∶250 000）、矢量行政边界（1∶250 000），来源于甘肃省测绘局；2）土地利用矢量数据：山丹县 1998年和2008年土地利用调查数据，2015年土地利用详查数据，来源于甘肃省国土资源厅和山丹县国土局；3）社会经济统计数据：包括1998―2015年山丹县人口、国内生产总值、旅游业产值等，来源于张掖市统计年鉴（张掖市统计局、）山丹县国民经济统计资料和山丹县统计年鉴（1998—2015年）（山丹县统计局），部分数据来源于山丹县地情网（http://sz.shandan.gov.cn/）；4）实地调研资料：2015年7月和2016年6月两次在山丹进行走访调查，获得当地农民对于乡村聚落变化的感性认识。

3 乡村聚落质量格局演变

3.1 乡村聚落总体特征

从图2和表1可以看出：山丹县3个时期乡村聚落面积占县域总面积的比例较小，不足0.1个百分点；乡村聚落用地总面积呈增加趋势，其中1998―2008年间增加38.99 hm2，年均增长 3.9 hm2，2008―2015年间增加315.2 hm2，年均增长52.53 hm2，后期快于前期；乡村聚落斑块数目增加较为显著，尤以1998―2008年间最为突出，达到2160个，占到增加总量的90.64%，且主要以面积小于1 hm2的微小型聚落为主，达到2095个，占到这一时期增加总量的97.0%，空间分散化趋势明显，集约利用程度降低，不利于乡村可持续发展。此外，由于斑块数量大幅增加，使得斑块密度总体呈上升趋势，1998―2008年增加最快，增幅达到385.7%，2008年和2015年斑块密度相当。

图2 山丹县1998、2008和2015年乡村聚落分布Fig.2 Distribution of rural settlements in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

表1 山丹县1998、2008和2015年乡村聚落统计Table 1 Statistical datas of rural settlements in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

在实地调研和访谈中发现：1）1998―2008年受到国家农村发展战略以及农民自身需求的影响，山丹县进入乡村发展的快速期，乡村聚落空间结构变化剧烈，2008年后乡村聚落建设与发展趋于稳定；2）新增和大聚落分裂是小聚落斑块数量增加的主要原因。山丹县过去存在严重的户均聚落面积超标现象，部分农户肆意扩大宅基地面积，在政府批准建设的宅基地周边新建各种生产性用房，导致原本具有一定距离的微型聚落和小聚落连接成为大聚落。近年来由于新农村建设等政策措施，乡村聚落集约利用程度提高，严格控制宅基地面积，并整顿和拆除临时生产性用房，使得聚落空间布局更加规范，结构更为合理；3）新增和分裂形成的聚落主要以独户或者少数几户相连的小聚落为主，斑块面积小于1 hm2。

3.2 乡村聚落质量时空分布

3.2.1 基于耕地的乡村聚落质量时空分布

在基于耕地的乡村聚落质量评价中，本文以人地协调和人地矛盾作为评价乡村聚落质量高低的标准。其中，人地协调阈值为0.04（根据世界人均耕地面积（1 920 m2）和世界人均建设用地面积（83 m2）计算），人地矛盾阈值为 0.28（根据世界粮农组织规定的人均耕地警戒线（533.3 m2）和中国新型城镇化建设规定的农村人均建设用地范围（150 m2）计算）。基于此，将基于耕地的乡村聚落质量（QK）划分为 5个等级：高（QK=0）、较高（0＜QK≤0.04）、中等（0.04＜QK≤0.28）、较低（0.28＜QK＜10）和低（QK≥10）（表 2 和图 3）。QK≤0.28 的 3个等级格网内耕地资源丰富，有利于聚落集中，属于质量高值区；QK＞0.28 的 2个等级格网内耕地资源稀缺，不利于聚落集中，属于质量低值区。

从图3和表2可以看出：1）山丹县乡村聚落与耕地空间分布关系密切，存在显著的“耕地指向性”。1998—2015年间乡村聚落质量显著提升，乡村聚落质量中高值区（QK≤0.28）格网占比由 57.99%上升至 81.5%，尤以乡村聚落质量高值区增加最为明显，格网数量增加 434个，上升 36.94%，人地矛盾逐渐趋于缓和；2）2008和2015年较1998年乡村聚落质量空间分布发生显著变化，县城周边及南部东乐镇转向以“人地协调型”为主，乡村聚落质量居中；中部陈户镇和位奇镇、南部大马营镇和霍城镇靠近县界的区域以“人少地多型”为主，乡村聚落质量较高；3）1998年山丹县人口和耕地空间分布一致性较好，2000年后由于新垦大量耕地，有超过30 %的格网“有耕地而无聚落”，但是聚落的空间分散度亦增加，这与耕地空间范围扩大有必然联系。

图3 基于耕地的山丹县乡村聚落质量空间分布（1998，2008和2015年）Fig.3 Spatial distribution of rural settlements quality based on cultivated land (1998, 2008 and 2015)

表2 基于耕地的山丹县乡村聚落质量统计数据（1998，2008和2015年）Table 2 Statistical datas of rural settlements quality based on cultivated land (1998, 2008 and 2015)

3.2.2 基于渠系的乡村聚落质量时空分布

山丹绿洲以“灌区”为主要用水单位，共有霍城、老军、马营河、寺沟4个灌区，“渠系”是灌区灌溉的主要通道，同时也是影响耕地和乡村聚落空间分布的主要控制因素。利用式（2）计算得到3个时期基于渠系的乡村聚落质量（QL），将其划分为 5个等级：高（QL=0）、较高（0＜QL≤0.1）、中等（0.1＜QL≤1）、较低（1＜QL＜10）和低（QL≥10）（表3和图4）。QL≤1的3个等级格网内渠系网络密集，有利于聚落集中，属于质量高值区；QL＞1的 2个等级格网内渠系网络较少，不利于聚落集中，属于质量低值区。

从图4和表3可以看出：1）山丹县3个时期乡村聚落与主干渠系空间分布关系密切，存在显著的“渠系指向性”。3个时期乡村聚落质量（QL≤0.1）中高值区占比均较大，分别占到格网总量的81.41%、92.59%和91.2%，渠系的空间布局决定了乡村聚落和耕地的分布格局；2）3个时期乡村聚落质量空间差异明显，乡村聚落质量较低和低值区主要存在于县城周边，县城西北部主要以质量中值区为主，县城以南区域以质量较高和高值区为主；3）基于实地调研发现，乡村聚落、耕地和渠系之间具有高度的相互依赖性，2000年后由于耕地空间范围扩张，渠系随之增多，且二者的扩张速度明显快于聚落，使得2008年43.86%的格网出现“有渠系而无聚落”的现象。

图4 基于渠系的山丹县乡村聚落质量空间分布（1998，2008和2015年）Fig.4 Spatial distribution of rural settlements quality based on canal system (1998, 2008 and 2015)

表3 基于渠系的山丹县乡村聚落质量统计数据（1998，2008和2015年）Table 3 Statistical datas of rural settlements quality based on canal system (1998, 2008 and 2015)

4 乡村聚落空间重构

乡村聚落空间重构是内在发展需求和外部资源压力综合作用下对乡村空间格局的重新布局与优化，达到促进乡村社会经济协调可持续发展，实现聚落空间格局功能合理、健康有序、生态宜居，亦可为河西走廊绿洲区农村建设用地整治提供参考。2015年山丹县微型聚落（面积小于0.1 hm2）数量占24.40 %，乡村聚落质量QK＞0.28的格网（人多地少、有聚落而无耕地格网）占18.89 %，QL＞1的格网（渠系偏少型、有聚落而无渠系格网）占8.8%，从美丽乡村建设的角度即不利于各类设施的布置，也不利于土地集约利用和绿洲乡村可持续发展。因此，基于乡村聚落质量及其吸引力，对2015年微型聚落进行空间布局调整，并在此基础上对质量双低值区进行优化处理，确定乡村聚落斑块的迁移方向，实现乡村聚落空间重构。

4.1 基于乡村聚落质量的聚落吸引力测算

乡村聚落总质量越高，吸引力越大，中心性越强，使其具有更高的空间支配地位，成为乡村聚落体系中的质量核心区。考虑到行政界限和耕作半径对乡村聚落空间布局的影响，本研究在测算乡村聚落吸引力时以5 km作为吸引半径，即聚落与聚落间的距离在5 km以内具有吸引力，超过5 km不再具有吸引力。从图5a和表4可以看出：山丹县Ⅰ级吸引区占比24.04 %，主要分布在乡村聚落质量高值区（QK=0和QL=0），如县域中部的位奇镇和南部东西两侧老军乡、李桥乡绿洲外围区域；Ⅱ级和Ⅲ级吸引区所占比重相对较小，为23.13%，零星镶嵌在绿洲中；Ⅳ级吸引区数量最多，占到52.82%，主要分布在绿洲中部道路、主干渠系沿线（图5a）。Ⅰ级吸引区一方面可以通过自身的高质量辐射、吸引外围微型聚落向该区域集中，另一方面也可以促使周围的大聚落与外围微型聚落产生相互作用，形成相应的引力作用辐射空间。

表4 乡村聚落吸引力分级统计Table 4 Attractive grading classification of rural settlement

4.2 微型乡村聚落空间布局调整

在实地调查过程中发现，Ⅰ级吸引区虽然处于乡村聚落质量高值区，但是缺乏必要的居住条件和聚落基础，相反其1 km辐射空间内的大聚落居住环境相对较好，且交通便利、基础设施和公共服务设施配套齐全、经济活动交流频繁。基于此，在综合考虑耕作半径的基础上，将Ⅰ级吸引区外围1 km范围内的大聚落作为吸收区，分别测算大聚落与外围微型聚落之间的吸引力，基于吸引力确定微型聚落的迁移方向，与大聚落合并形成更大规模的聚落（图5b）；此外，对不在大聚落吸收区内的微型聚落进行就近集聚，选择吸引力较大的区域作为吸收区，重新聚合为新的聚落（图5b）。为了清楚地反映微型乡村聚落布局吸引和集聚过程，分别选取案例区域予以说明，其中图5d为微型聚落向大聚落迁移的过程，图5e为微型聚落就近集聚为新聚落的过程。乡村聚落空间布局调整后，聚落斑块数量由3 143个减少至2 408个，斑块密度由0.58个/km2降低到0.45个/km2；微型聚落由767个减少至22个，总面积仅为1.38 hm2；微型聚落聚合为小聚落3个，中等聚落7个；重构后节约用地26.58 hm2，乡村聚落“散、空、乱”现象得到一定程度上的改观（图5c和表 5）。

图5 山丹县微型乡村聚落空间重构Fig.5 Small settlements reconstruction in Shandan County

表5 山丹县乡村聚落空间格局对比Table 5 Comparison of spatial pattern of rural settlements in Shandan County

4.3 乡村聚落质量低值区优化

在微型乡村聚落空间布局调整的基础上，将基于耕地和渠系的乡村聚落质量评价结果进行空间叠置，分别提取乡村聚落质量双高值区（QK≤0.28且 QL≤1，即适宜迁入型格网，聚落斑块面积较大、基础设施和公共服务设施齐全、交通便利的区域）和质量双低值区（QK＞0.28且QL＞1，即需要搬迁型格网，乡村聚落分布分散、设施缺乏且远离绿洲的区域）（图 6a）。将其与微型聚落布局调整后的聚落斑块进行空间叠加分析，利用吸引力模型确定质量双低值区内乡村聚落的搬迁去向，需要说明的是尽管部分乡村聚落斑块处于双低值区，但考虑其斑块面积较大，亦不适宜搬迁。经过分析发现，92.16%的乡村聚落处在质量高值区内，仅有 107个格网处在聚落质量双低值区，包含236个乡村聚落斑块，其中139个乡村聚落斑块距离质量双高值区较近，且规模较小，需对其进行空间优化，其余97个乡村聚落斑块重新聚合为新的聚落。空间优化后，聚落斑块数量由 2 408个优化至2 269个，斑块密度由0.45个/km2降低到0.42个/km2；微型聚落全部优化，小聚落减少至1 609个，中等聚落增加3个，优化后节约用地25.42 hm2（表5和图6b）。

图6 山丹县乡村聚落质量低值区空间优化Fig.6 Spatial optimization of low quality area of rural settlements in Shandan County

山丹县乡村聚落经过上述 2次空间布局调整后，斑块数量由3143个减少至2 269个，斑块密度由0.58个/km2降低至 0.42个/km2；微型聚落全部得到优化调整，小聚落减少至1 609个，中等聚落增加至787个，大聚落数量未变，面积增加至1 319.27 hm2；重构后节约用地52.0 hm2。

5 结 论

基于1 km×1 km格网分析山丹县1998―2015年乡村聚落质量的基础上，运用引力模型定量研究基于格网的乡村聚落间的相互吸引关系和辐射空间，进而探讨微观尺度乡村聚落空间布局调整及优化，得出以下结论：

1）1998—2015年间，乡村聚落面积占县域总面积的比例较小，不足0.1个百分点，但其面积扩张较快，其中1998—2008年间增加38.99 hm2，年均增长3.9 hm2，2008—2015年间增加315.2 hm2，年均增长52.53 hm2，后期快于前期；乡村聚落斑块数量和密度增加，空间分散化趋势明显，新增和大聚落分裂是聚落斑块数量增加的主要原因，且主要以独户或者少数几户相连的小聚落为主，斑块面积小于1 hm2。

2）山丹县乡村聚落质量空间差异显著，与耕地和渠系空间分布关系密切，存在显著的“耕地指向性”和“渠系指向性”。2000年后由于耕地空间范围扩张，渠系随之增多，且二者的扩张速度明显快于聚落，使得 2008年37.33%和 43.86%的格网分别出现“有耕地而无聚落”和“有渠系而无聚落”的现象。

3）基于引力模型对微型聚落和乡村聚落质量双低值区进行空间布局调整和优化处理，重构后聚落斑块数量由3 143个减少至2 269个，斑块密度由0.58个/km2降低至 0.42个/km2；微型聚落全部得到优化调整，小聚落减少至1 609个，中等聚落增加至787个，大聚落数量未变，面积增加至1 319.27 hm2；重构后节约用地52.0 hm2，乡村聚落“散、空、乱”现象得到一定程度上的改观。

绿洲耕地和水资源量的多少直接影响到承载的人口数量，进而影响到聚落的存在和发展，探讨微观尺度乡村聚落质量，并在格网尺度上对乡村聚落空间布局进行调整和优化，可为绿洲区农村建设用地整治提供参考。乡村聚落空间重构受到自然、社会、经济等多方面的共同作用，生产、生活的方方面面都会影响到空间重构过程。本研究从格网这一微观尺度出发，强调绿洲水土资源与乡村聚落的重要关系，基于引力模型从不同层面分析乡村聚落的空间布局调整及优化，明确了乡村聚落空间重构的方向，创新了乡村聚落空间重构的方法，有助于丰富绿洲乡村地域系统的理论与实践。需要指出的是，本研究仅基于引力模型测算出乡村聚落质量格网间的相互吸引强度只能反映理论状态下乡村聚落斑块间的联系状况，且以水土资源界定乡村聚落的质量，能够实现理论状态下水土资源耦合的乡村聚落空间重构。未来需要进一步开展政策、社会经济发展方式对居民点重构过程中的扰动作用，理清各个因子在聚落空间重构中所起的作用，实现基于生态-社会经济协调的绿洲区乡村聚落空间重构。

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