干旱区内陆河流域农村居民点空间格局及分异

2018-04-11马小娥白永平纪学朋乔富伟

水土保持研究 2018年2期

马小娥, 白永平, 纪学朋, 乔富伟, 张宁

(西北师范大学地理与环境科学学院, 兰州 730070)

农村居民点是指在自然、社会经济和文化等各因素综合影响下形成的农村人口聚居点，是农村人口从事生产活动和生活居住的场所[1]。对于农村居民点的研究一直是乡村地理学和人地关系地域体系研究的重要内容和重要领域之一[2-3]。中国目前有上百个村、镇及近一半的农村人口，据预测，到21世纪30年代仍有超过6亿人口生活居住在农村地区。可见，农村居民点将存在于未来很长一段时间里并且发挥着举足轻重的作用[4-5]。然而农村居民点研究因受城市中心偏向思想的影响长期滞后于城市聚落研究[6]。近年来，农村居民点存在的问题随着农村经济社会的全面发展日渐凸显，其中布局零散、不成规模、形状混乱、侵占耕地、“空废化”以及居民点建设过程中出现的环境破坏和环境污染等将成为农村居民点发展过程中所要面临的主要问题[7-9]。为协调城乡发展，全国正在全面开展实施的新型城镇化建设和新农村建设等战略措施，使得部分农村居民点出现了新一轮问题，如撤并、重组甚至消失[10]。

国外对农村居民点的研究起步相对较早，研究也较为系统。研究内容从农村居民点区位分布、类型与职能、模式的演变、乡村社区类型与居住区域的关系等扩展到乡村聚落经济发展与生态、城郊变迁中的农村居民点以及基于GIS方法对其空间结构与土地利用可视化等方面的研究，对于乡村重构的关注不断增加，研究范式也逐渐向人文社会方面转变[11-14]。随着协调区域城乡一体化发展，新型城镇化建设和新农村建设的快速推进，国内关于农村居民点的研究也逐渐增多，研究区域涉及多种地域类型[15-16]；研究内容主要集中在：农村居民点区位规模、农村居民点空间结构和时空演变趋势、类型与分类[17]、整理潜力测算[18]、空心化与综合整理以及资源环境效应[19-21]等。对于农村居民点理论研究和跨学科多元化交叉研究、农村居民点演变趋势预测和城镇化背景下农村居民点转型与重构等的关注不断增加[22]，并开始重视农村居民点人文和社会方面的研究[23]；研究方法上加强了对GIS，RS的利用[24-25]。但从整体研究现状来看，国内学者对干旱区内陆河流域农村居民点的研究相对缺乏，石羊河流域地处西北干旱内陆区，其特殊的地理位置和气候环境决定了农村居民形成过程的复杂性及居民点空间分布及空间形态的差异性。因此，在借鉴已有研究成果的基础上，本文以石羊河流域为研究区域，综合应用RS和GIS技术，揭示石羊河流域农村居民点规模结构，格局特征以及空间分异，以期为农村居民点整理提供参考依据。

1　研究区域、数据来源与研究方法

1.1　研究区概况

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，祁连山北麓，地理位置位于101°22′—104°16′E，36°29′—39°27′N。该区身居大陆内部，属于温带大陆性干旱气候，降水少，蒸发强烈，水资源匮乏。地势南高北低，自西南向东北倾斜。流域总面积约4.05万km2，行政区划包括金昌市永昌县及金川区全部，武威市凉州区、民勤县、古浪县全部及天祝藏族自治县部分地区，张掖市肃南裕固族自治县部分地区，共3市7县(区)，现辖96个乡镇。2016年农村居民点总个数5 679个，居民点用地总面积达572 km2，流域内总人口293万人,其中农牧业人口176万人，城镇人口117万人，人口密度为75人/km2，国民生产总值633.22亿元。

1.2　数据来源

本文研究数据来源于：(1) 1987年、2001年、2016年石羊河流域Landsat TM，OLI影像(带号131,132；行号033,034，每期4景，共12景影像)，在ENVI 5.1环境中对影像进行几何校正、坐标配准、影像融合，采用目视解译的方法提取石羊河流域农村居民点斑块、河流、道路等要素信息。(2) 石羊河流域30 m分辨率的DEM数据和坡度数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云镜像网站(http:∥www.gscloud.cn)。

1.3　研究方法

1.3.1景观格局指数景观格局指数来自于景观生态学，利用景观格局指数来测度农村居民点斑块规模和形态结构的变化[26]。主要选取斑块总面积(TA)、斑块个数(NP)、斑块密度(PN)、平均斑块面积(MPS)、边缘指数(ED)、斑块形状指数(MSI)、斑块面积标准差(PSSD)、平均斑块分维数(MPFD)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)等指标。使用Fragstats 4.0软件对各指标进行计算。

1.3.2平均最近邻指数通过计算得到的居民点之间最邻近距离的平均值与假设随机模式下的距离平均值相比较来测度其整体空间分布模式，公式如下：

(1)

1.3.3核密度估计用于测度研究区居民点的分布密度。本文借助ArcGIS 9.3，以6 km为搜索半径，制作农村居民点密度分布图，其表达式为：

(2)

式中：f(x,y)为位置(x,y)处的密度估计；n为观测数量；k为核函数；h为平滑参数或带宽；di为位置(x,y)与第i个观察位置之间的距离。值越大，表明居民点分布越密集。

1.3.4全局聚类检验用于检测变量的全局性空间分布模式，即居民点规模高值(低值)集聚，同时引用基于GIS平台的Getis-Ord G*(全局聚类检验)来检验变量在局部地区是否存在统计上显著的高值和低值。具体计算方法见文献[27]。

2　结果与分析

2.1　居民点规模扩展特征

选取NP，TA，MPS和LPI表征农村居民点规模特征，如表1所示，1987—2016年石羊河流域农村居民点斑块个数增加了867个，斑块总面积增长了82.39 km2，斑块平均面积增长了5 197 m2，表明石羊河流域农村居民点总体用地规模和斑块平均规模均在增长，居民点规模整体呈扩展趋势。MPS增加了5 197 m2，LPI增加了0.05%，表明石羊河流域农村居民点发展有集中的趋势。不同时期农村居民点增长模式不同。1987—2001年农村居民点斑块个数增加了455个，增长率为9.46%，斑块面积增长了24 km2，增长率为4.90%；对比2001—2016年，农村居民点斑块个数增加了412个，增长率为7.82%，斑块面积增长了58 km2，增长率为10.2%；由此推断，1987—2001年引起整个石羊河流域农村居民点规模扩展的原因，新建农村居民点数量的增加相较于斑块边界扩展而显著；2001—2016年农村居民点斑块数量增长减缓，斑块自身规模扩展成为主导研究区农村居民点规模扩展的因素。

表1　1987-2016年石羊河流域农村居民点数量、规模变化

石羊河流域农村居民点斑块规模扩展特征差异显著，大体可分为两种，第一种是在原有基础上向四周蔓延的形式扩展，第二种是新增斑块与原有斑块无空间邻接。在整个石羊河流域居民点斑块扩展过程中两种方式并存，但在不同的阶段主导扩展特征不同，2001年之前以第二种扩展特征为主，2001年之后扩展特征主要表现为在原有基础上向四周蔓延的形式扩展。凉州市区、古浪县城和双城镇不同等级城市周边农村居民点均存在不同程度和不同方式的扩展。

2.2　居民点空间分布特征

2.2.1居民点保持空间集聚分布模式利用ANN指数测度1987年、2001年、2016年石羊河流域农村居民点空间分布模式(表2)，其值3年均小于1，表明1987年、2001年和2016年石羊河流域农村居民点均呈现空间聚集分布特征。而且根据3年校验值Z可推断，只有1%或更小的可能性会使石羊河流域农村居民点的聚类模式是随机过程产生的结果。

表2　1987-2016年石羊河流域农村居民点ANN分析

2.2.2居民点密度总体空间分布格局变化不大，但局部集中趋势进一步增强如图1所示，(1) 1987—2016年农村居民点总体空间分布格局变化不大，仍保持沿河流和城市周边集聚分布的空间特征，但局部集中趋势进一步加强，其中凉州区最为显著。由土地转移矩阵看出，增加的农村居民点用地主要来自于农业用地；(2) 1987—2016年核密度高值区个数增加，出现了以永昌县河西堡镇为中心的新高核区；核的规模逐渐扩大，以凉州区为中心，其南北两侧核密度高值区规模扩展最为显著，并沿凉州市区逐渐连接到一起，主要受城镇化的影响以及城市的辐射吸引作用，使农村居民点不断向城市周边集聚。凉州区北部以双城镇为中心的高值区也有明显扩大，主要因受国家政策影响，双城镇1995年被国家建设部批准为全国500家小城镇建设试点镇，2002年被省乡镇企业局确定为省级乡镇企业示范区。民勤县的夹河乡、昌宁、蔡旗以及古浪县的黄花滩、马路滩等地区农村居民点斑块密度也显著增加。(3) 部分地区核密度值由高变低，或由低变高，其中前者主要分布于民勤县境内湖区周围以及古浪县和天祝县境内高海拔区，而由低变高的区域主要分布于民勤县境内的夹河乡以及古浪境内景电二期工程建设中开发的北部荒漠区，引起这些地区核密度值变化的主要原因为生态移民。(4) 核密度值未发生明显变化的区域，主要为金川区。1987—2016年金川区核密度值未发生明显变化，其主要原因为，一方面金川地势相对平坦，河网密度不大，早起形成了规模较大的居民点斑块，随着近来城镇化的快速发展，居民点斑块在原有基础上不断扩展，新增斑块相对较少。另一方面，金川区人口城镇化率较高，农村居民点增长相对缓慢。

2.2.3居民点分布具有明显的河流指向性以1 000 m为间隔对石羊河流域农村居民点做河流缓冲区分析(表3)。结果表明：3个年份中农村居民点随河流缓冲区距离变化的分布特征一致，即随着河流缓冲区距离的增加，农村居民点斑块总面积和斑块个数均呈减小趋势；但在不同缓冲区内的分布表现出明显的差异性，农村居民点集中分布于河流缓冲区距离小于2 000 m的范围内，其中在1 000 m以内，斑块面积和斑块个数分别占到斑块总面积和斑块总个数的42%和37%以上；1987—2016年农村居民点在河流各级缓冲区内的变化呈现出明显差异，其变化率分别为0.26，0.17，0.10。以上特征表明石羊河流域农村居民点的分布变化呈现出明显的河流指向性。

图1　1987-2016年石羊河流域农村居民点密度空间分布

2.2.4居民点总斑块数量和规模随高程和坡度的增大呈现出明显的减小趋势居民点随高程和坡度的分布是居民点空间分布特征的重要内容，根据石羊河流域高程图和坡度图，对石羊河流域高程和坡度进行分级，运用ArcGIS分别将高程图和坡度图与矢量化得到的农村居民斑块叠加，并计算不同级别高程和坡度上农村居民点斑块数量和斑块规模的分布情况(表4)。根据表4发现，1987—2016年石羊河流域农村居民点斑块在不同高程和坡度上的分布呈现出明显的差异性，其中在高程小于1 800 m的高度范围内，1987—2016年3年的平均斑块个数比为66.58%，其中1987年、2001年、2016年3个年份中农村居民点斑块个数分别占总斑块个数的65.97%，66.81%和66.97%；斑块面积平均比为63.63%，其中3个年份中斑块面积占总斑块面积的63.95%，63.67%和63.27%。在坡度小于3°的范围内，1987—2016年的平均斑块个数比为92.07%，其中1987年、2001年、2016年的农村居民点斑块数量分别占总斑块数量的92.01%，92.08%，92.12%；斑块面积平均比为94.04%，其中3个年份的斑块面积占总斑块面积的比为93.08%，94.02%，88%。由此可见，居民点分布与高程和坡度有较高的相关性，从表4可以看出，石羊河流域农村居民点斑块数量和斑块规模随高程和坡度的增加均呈现出明显的减小趋势。

表4　1987-2016年石羊河流域农村居民点平均斑块数量规模随高程和坡度的分布

2.3　居民点规模分异特征

2.3.1居民点斑块规模越大，斑块数量所占比重越小从石羊河流域农村居民点用地规模的频率统计分布来看(图2)，主要呈现以下特征：用地规模的频率分布表现出明显的偏态特征，偏斜系数大于0，中值小于均值，说明有大量的小规模斑块集簇分布，而大规模斑块离散分布。居民点斑块用地规模和斑块个数存在一定程度的负相关特征，即斑块用地规模越大，斑块个数所占比例越小。斑块用地规模集中分布于2万～9万m2，分布于该区间斑块面积占总斑块面积的52.5%，斑块个数占总斑块个数的73.2%，斑块面积标准差为32 751 m2；规模大于50万m2的居民点斑块只占总斑块的1.53%，斑块面积标准差102 751.81 m2，表明石羊河流域农村居民点规模集簇分布的斑块，规模差距越小，而规模大的斑块比重小但规模差距大。

图2　石羊河流域农村居民点用地规模频率

2.3.2居民点斑块规模分异明显，且分布呈全局低值集聚特征利用Getis-ord General G分析农村居民点规模全局集聚特征；1987年、2001年和2016年的Z得分分别为-6.615 956 (p=0.000000)，-3.322 854(p=0.000891)和-8.095 178(p=0.000000)，表明1987年、2001年、2016年石羊河流域农村居民点在全局上呈低值集聚的特征。利用Getis-Ord G*分析研究区农村居民点局部的规模分异特征，以面积为属性制作1987年、2001年和2016年石羊河流域农村居民点的规模分布“热点”图(图3)。分析得出：(1) 1987—2016年，石羊河流域农村居民点斑块规模分异明显，但基本格局未发生明显变化。(2) 热点区主要分布于金川区和古浪县北部地区，主要是金川区经济较发达，人口城镇化率较高，古浪县北部为景电二期工程建设中开发的移民安置区域，受国家政策和规划的影响。冷点区主要位于凉州区境内，1987—2016年因受地形因素的限制，热点区面积未发生明显扩张，而冷点区因其居民点斑块自身规模的不断扩展，面积则明显减少，尤其是2001年之后，冷点区面积收缩最为显著。(3) 对比1987年、2001年和2016年的石羊河流域农村居民点热点探测分布图和核密度图，发现两者之间呈现出明显的负相关特征，即石羊河流域农村居民点存在着低密度大规模分布和高密度小规模分布的空间关系特征，其中金川区为低密度大规模分布，凉州区为高密度小规模分布的负相关关系最显著的区域。

图3　1987-2016年石羊河流域农村居民点空间热点分布

2.4　居民点斑块形态特征

选取MPS，PSSD，MSI，MPFD，ED共5个指标来测度石羊河流域农村居民点斑块形态特征，其中以MSI，MPFD和ED表征农村居民点斑块自身形态，以PSSD和MPS测度居民点类型整体形态。由表5可以看出，1987—2016年，MSI，MPFD和ED均有明显下降趋势，表明农村居民点斑块的复杂性在减弱，破碎度降低，斑块形态趋于规则；PSSD增加了91 925.07 m2，表明农村居民点有两极扩展的趋势，其LPI增加，表明引起农村居民点两极扩展的主要原因为大斑块面积的不断增加；同时MPS和LPI增加，表明石羊河流域农村居民点有聚集发展的趋势。

表5　1987-2016年石羊河流域农村居民点形态特征变化

为分析石羊河流域农村居民点斑块形态在空间上的差异性，分别计算了2016年凉州区、民勤县、古浪县、天祝县、金川区、永昌县和肃南县的PSSD，MSI，ED。其中凉州区的PSSD，MSI，ED分别为224 713.32 m2，2.721 321，2.61 m/hm2；民勤县分别为224 669.76 m2，2.721 325，2.59 m/hm2；古浪县分别为224 683.84 m2，2.721 412，2.68 m/hm2；天祝县分别为224 656.19 m2，2.722 404，2.65 m/hm2；金川区分别为224 693.15 m2，2.721 342，2.53 m/hm2；永昌县分别为224 672.83 m2，2.721 426，2.61 m/hm2；和肃南县分别为224 631.12 m2，2.721 516，2.63 m/hm2；可以看出，PSSD较大的为凉州区、金川区和古浪县，前者主要为，随着近年来城镇化的快速发展，接近市区及距离市区较近的农村居民点在原因基础上快速扩展，因此形成的居民点两极分化；后者PSSD较大的原因为古浪县大部分农村居民点分布在南部山区，有少部分分布于地势相对平坦的河谷川地，PSSD本身较大，后来随着下山川生态移民的政策的实施，使得PSSD在不断增大。MSI较大的为天祝县和肃南县皇城镇，主要为农村居民点分布于山区，海拔高、坡度较大，因此居民点斑块复杂性相对大；较小的为凉州区、金川区和民勤县，该区域海拔坡度相对较小，地势平坦。ED表征斑块的破碎度，其中ED最大的为古浪县、天祝县和肃南县为地形相对复杂的山地；较小的为永昌县凉州区、民勤县和金川区为地势相对开阔的走廊平原和绿洲。

3　结论与讨论

3.1　结论

(1) 1987—2016年石羊河流域农村居民点空间分布格局未发生明显变化，呈低海拔、小坡度、近水系分布的总体空间特征，但局部集中趋势加强。农村居民点总体用地规模、斑块平均规模以及斑块数量均有显著增长，规模扩展特征差异明显。(2) 石羊河流域总面积约4.05 km2，境内自然条件差异较大，农村居民点趋向于海拔较低、坡度较小、距水源较近和交通比较便利的地区布局，因此石羊河流域农村居民点斑块占景观面积比例较小，但斑块密度相对较高。(3) 三十年来石羊河流域农村居民点斑块形状指数、平均分维数、边缘指数的计算结果显示，研究区农村居民点景观破碎度逐渐降低，斑块形态趋于规则，但从整体的居民点空间形态来看，由于蔓延扩张而引起的居民点斑块两级趋势加剧。(4) 石羊河流域农村居民点斑块规模越大，斑块数量所占比重越小；密度分布与规模分布在空间上呈现明显的负相关格局；农村居民点形态的空间分异特征明显。

3.2　讨论与对策

(1) 石羊河流域地处西北内陆干旱区，南部为祁连山地，北部被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠包围，生态环境脆弱，石羊河是该区域唯一的水源，在农村居民点扩展过程中，为防止下游绿洲萎缩，生态环境破坏，政府规划与调控农村居民点的合理布局在该区域显得尤为重要。(2) 随着城镇化进程的快速推进，农村剩余劳动力大规模转移，一方面在一定程度上使农村居民点空间扩展有所减缓，另一方面，由于我国社会保障体系尚不健全，转移的农村劳动力大多并未完全从农村土地关系中解放出来，随着经济收入水平的增加，为改善住宿条件而开始新一轮的宅院扩建，这使得农村空废化问题加剧。(3) 长期以来受城市中心偏向思想的影响，村庄发展疏于引导管理，缺乏统一规划，缺少资金投入。新时期，随着统筹城乡发展，城乡一体化与新农村建设战略的实施，政府科学规划城乡建设与发展，加大农村基础设施的投入，因地制宜，积极推进农村居民点可持续发展。(4) 石羊河流域地处西北干旱内陆区，其特殊的地理位置、气候环境以及复杂的地形特征使农村居民点地域类型多样，农村居民点的形成、分布、规模和形态结构都独具有该区域特色。在今后的研究中，除了探讨农村居民点地域类型划分以及各指标如何参与划分外，还需进一步对研究区农村居民点格局的动态特征和成因进行研究，以揭示新时期主导农村居民点空间特征和演变趋势的影响因素。

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