西北干旱区乡村聚落分布格局特征及影响因素

王慧，王宏卫，杨胜天,2,吕梦婷，王媛媛，刘香云

(1.新疆大学资源与环境科学学院，绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830046;2.北京师范大学地理科学学部，北京 100875)

乡村聚落又称农村居民点，是农村人口生活的场所，其形成和发展受自然、社会、经济因素的影响[1].党的十九大报告提出高度重视“三农”工作，坚持农业农村优先发展，实施乡村振兴战略.揭示多种因素驱动下的乡村聚落空间格局特征，对当前乡村聚落布局优化和美丽乡村建设具有重要意义.

早在19世纪末，国外学者就已经对乡村聚落的形成、现状和发展进行了描述[2]。20世纪后趋向定性与定量相结合来研究聚落空间结构、土地利用模式和聚落未来发展[3-4].国内关于乡村聚落的研究起步较晚，早期内容多以农村聚落地理、区划、聚落形态分异和地域类型的研究为主[1,5-6].近年来，内容上更加关注乡村聚落景观格局与驱动因素[7-10]，聚落空间演变及其LUCC响应分析[1,11-13]，乡村聚落空间重构与结构优化[14-15]，乡村聚落空心化测度[16-17].研究区域和方法上，朱彬[6,18]，鄂施璇[10]，李红波等[19]用景观分析方法、GIS空间分析方法对平原地区的乡村聚落格局及影响因素进行了研究；郭晓东[20-21]，谭雪兰等[22]更多采用GIS分析及定性分析法分析山地、丘陵地区乡村聚落格局的人文社会影响因素；岳邦瑞等[23]定性地探讨了基于水资源约束下的绿洲乡土聚落形态特征.总体来说，有关乡村聚落格局及影响因素的研究多在内地平原、山地、丘陵区域，对于西北干旱区尤其是极端干旱区新疆绿洲乡村聚落的研究较少，且定性的研究居多，定量化的分析仍显不足.运用多种方法定量分析西北干旱区乡村聚落分布格局特征及影响因素至关重要.

乌苏市是奎屯河的主要流经区域，地貌类型复杂多样，乡村聚落分布格局深受内部海拔、坡度、河流水系等因素的影响，鉴于此，以乌苏市为研究对象，运用最近邻点统计量、核密度估算、空间关联测度模型、景观形状指数等方法研究乌苏市乡村聚落的空间格局特征并把握其发展规律，在此基础上利用多元Logistic回归模型定量地分析自然和人文社会因素对乡村聚落空间分布格局的影响程度，为促进西北干旱区城乡一体化发展、乡村聚落的布局优化和美丽乡村建设提供理论参考.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文选取地处奎屯河流域、准噶尔盆地西南部的乌苏市为研究区域(图1)，所属新疆塔城地区，总面积为2.07万km2，下辖10镇、7乡、3个牧场、1个林场和5个街道，此外还包括新疆生产建设兵团所属农七师的123～128团6个团场，地势南高北低，北部是准噶尔盆地，有很大部分的半沙漠，中部是盆地—山地过渡带，南部是北天山山地，境内海拔在208～4 898 m之间，为典型的温带大陆性气候，年内温差变幅为42.8 ℃，光照充足，实际日照时长数2 600～2 800 h，主要靠降水和冰雪融水补给水源，以种植小麦、玉米、棉花为主，2016年底全市国民生产总值达160.1亿元.

1.2 数据来源及处理

1.2.1 数据来源 基于Google earth遥感影像，利用Arcgis10.2软件，经过几何校正、地理坐标配准、人工目视解译等获得乌苏市乡村聚落图斑和乡镇行政区划等矢量数据，其中乡村聚落图斑为建制镇和村庄；从乌苏市2016年Landsat8遥感影像(分辨率30 m)中提取道路、河流等矢量数据；乌苏市DEM高程数据(分辨率30 m)和坡度数据(分辨率90 m)，来源于地理空间数据云.

图1 研究区示意图Figure 1 Location of the study area

基于数据的可获取性和科学性，选取了表征空间分异的斑块面积、斑块密度、形状指数3个因变量和坡度、高程、距国道距离、距省道距离、距县道距离、距主要河流距离、距乡镇中心距离7个自变量.

1.2.2 数据处理 计算3个因变量均值的差值，对高程和坡度进行重分类，对坡度0～2°、>2～4°和>4°分别赋予1、2、3，其余5个因变量利用Arcgis10.2中的Feature To Point模块提取斑块中心点，再用空间分析模块计算斑块到各因子的空间距离；将所有矢量数据转成分辨率50 m×50 m的栅格数据.

1.3 研究方法

1.3.1 最近邻点统计量 判断点要素的空间分布属于随机、集聚还是分散型.公式如下：

(1)

(2)

Z=(r0-re)/SEr

(3)

式中，r0表示平均距离观测值；re表示平均距离期望值；di为聚落i的最近邻距离；n为聚落总数；A为总面积；SEr为标准误差[1].R<1表示聚落分布呈集聚型，R>1为分散型.然后进行Z检验，最终判断点要素的分布模式是否显著.置信度在95%时，如果Z>1.96或Z<-1.96且R<1，表明在α=0.05显著水平下聚落集聚分布态势显著，如果Z>1.96或Z<-1.96且R>1，表明在α=0.05显著水平下聚落分散分布态势显著.

1.3.2 核密度估算 (KDE) 核密度用来表示点要素的空间分布特征，其模型如下：

(4)

式中，f(x,y)表示位置 (x,y)的密度估计；n表示观测数；h表示参数；k表示核函数，di表示位置(x,y)与第i个位置的距离[1].

1.3.3 空间关联测度模型 全局空间聚类检验(Getis-Ord General G)用来检验乡村聚落全局空间规模呈现高值集聚还是低值集聚的特征[24].计算公式如下：

(5)

空间“热点”探测(Getis-OrdGi*)用来检验乡村聚落局部地区存在统计显著的高值还是低值特征，公式如下：

(6)

式中，参数表示与前面相同.对Gi*(d)进行标准化处理得Z(Gi*) =(Gi*-E(Gi*))/var(Gi*)，如果Z(Gi*)>0，且统计显著，表明位置i周围值较高，属高值集聚的热点区，如果Z(Gi*)<0，且统计显著，表明位置i周围的值较低，属低值集聚的冷点区.

1.3.4 多元Logistic回归模型 在研究区分层随机抽样4 000个样本点，再从总样本中抽取3 000个样本点参与计算，剩余样本点进行对比分析.因变量在区间[0,1]内大体相等，对多分类型自变量坡度进行哑变量设置，坡度Ⅰ(0～2°)和Ⅱ(>2～4°)为哑变量，坡度Ⅲ(>4°)为参照对象，利用SPSS 17.0软件计算回归模型的相关系数，并通过回归系数来反映自变量与因变量之间的相关关系.

2 结果与分析

2.1 乡村聚落空间分布格局特征

2.1.1 乡村聚落空间分布特征 将聚落斑块面要素转为点要素，计算最邻近点统计量(R)，结果如表1所示：

由表1可知，R统计量为0.505<1，表明乌苏市乡村聚落分布比随机模式集聚，标准化Z值为-38.875，小于-1.96，乌苏市乡村聚落整体集聚态势较为显著，主要集中在中部盆地与盆地-低山过渡地区.

表1 最近邻点统计量

由图2可知，乌苏市乡村聚落密度最高区域为2.502～4.795个/km2，密度最低区域聚落个数不足1个甚至没有.乌苏市乡村聚落呈现低密度-多核心的空间分异特征，密度核心区主要分布在中部头台乡、九间楼乡、八十四户乡、西湖镇以及古尔图镇.密度次核心区北部主要分布在126团、123团、125团团场各连队、石桥乡，南部密度次核心有四棵树镇、哈图布呼镇、百泉镇这几个乡镇连片分布区以及西大沟镇.密度核心和次核心区多分布在河流干渠，公路、省道、县道附近.

图2 乡村聚落密度图Figure 2 The spatial density of rural settlements

2.1.2 乡村聚落规模特征 从表2结果分析得出，乡村聚落观测值G(d)(0.000 015)<期望值E(d)(0.000 019)，Z(d)为-2.813 363，统计显著，表明乌苏市乡村聚落规模分布具有显著的低值集聚特征，即村庄呈集群分布且规模普遍偏小.

表2 乡村聚落规模General G估计值

运用自然断点法将Gi*分为7级，得到乡村聚落规模热点分布图(图3).红色区域为热点区即高值簇群，蓝色区域为热点区即低值簇群，由图3可知，热点区多为兵团团场连队，即兵团团场连队为较大规模的乡村聚落集群，冷点区多为地方乡镇村庄，即地方乡镇村庄为较小规模的乡村聚落集群.“热点区”即大规模集聚分布的区域主要有北部奎屯河下游的123团、125团、126团、127团、128团团场各连队以及石桥乡车牌子镇一小部分；“冷点区”主要分布在古尔图镇、头台乡、西湖镇、甘河子镇、八十四户乡、西大沟镇以及甘家湖林场的西北小部分区域.结合乌苏市乡村聚落密度分布图，发现它们在空间上呈现低密度-大规模和高密度-小规模的分布特征.

2.1.3 乡村聚落形态特征 运用景观形状指数来分析乡村聚落形状的复杂程度，将乡村聚落斑块要素与乌苏市格网图层(2 km×2 km)进行空间叠置，以格网化后的乡村聚落斑块为变量，得到聚落形状指数空间分布图(图4).由图4可知，乌苏市乡村聚落大部分分布在绿洲内部，形状指数值总体不高，波动较小，乌苏市乡村聚落形状较为规整，稳定性较好，形状指数高值区多靠近国道、省道、县道，形状指数低值区域多为距离道路较远，乡村聚落以单户或规模较小的户数分布为主，聚落结构较为简单，因此形状指数较低.

图3 乌苏市乡村聚落规模分布图Figure 3 Distribution map of rural settlements in Wusu City

2.2 乡村聚落空间格局影响因素

2.2.1 乡村聚落分布差异的Logistic回归模型分析 自变量容忍度在0.714～0.818之间，可以用来做回归模型分析，根据表3模型分析的结果得知，坡度对聚落分布具有一定影响，高程没有进入模型分析结果，说明乌苏市聚落分布受高程影响不大.对聚落斑块密度重要的影响变量是到最近县道距离、到最近主要河流距离和到最近乡镇中心距离.距县道距离的回归系数为-0.465，主要原因是县道作为乡村人流、物流交往的媒介，对乡村聚落靠近具有很强的吸引力.所以距县道的距离越近聚落分布越密集；距主要河流距离的回归系数为-0.346，主要原因是乌苏市境内虽然有奎屯河、四棵树河以及古尔图河以及一系列支流，但地处于西北干旱区，乡村农业生产灌溉和生活具有很强的“亲水性”，所以随着河流距离的增加，聚落密度减少；距乡镇中心距离的回归系数为-0.012，主要是由于工业化和交通运输业的发展吸引着乡村各要素向乡镇靠近，乡镇周边村庄成为人口的聚集地，故距离乡镇中心越近聚落越密集.

图4 乌苏市乡村聚落形状指数空间分布图Figure 4 The spatial shape index of rural settlements in Wusu City

2.2.2 乡村聚落规模分异的Logistic回归模型分析 为了变量之间出现多重共线性问题，对7个自变量进行分析，容忍度显示在0.534～0.657之间，可以用来做回归模型分析，根据显著性水平(P<0.05)和Waldx2卡方统计量得知(表3)，对规模差异具有重要的影响变量有高程、坡度.高程(Waldx2为99.245)的回归系数为-1.032，说明高程每增加100 m聚落斑块面积减少的概率为1.587倍，主要原因是研究区内海拔在208～4 898 m之间，地貌类型复杂多样，北部主要是冲积平原和半沙漠构成的盆地，中部是冲积洪积平原和低山构成的盆地—山地过渡带，海拔较低，南部是侵蚀中山、冰缘、冰川作用高山构成的天山山地，海拔较高，由北向南随着海拔高度的不断增加，聚落个数和聚落面积呈减少的趋势，从而影响规模分异；坡度(Waldx2为64.134)的回归系数为-0.359，说明坡度每增加2°聚落斑块面积减少的概率为1.755倍，主要是因为乌苏市自北向南由盆地(相当部分沙漠)、盆地—低山过渡带、山地组成，气候地貌的垂直地带性分异明显，由北向南依次为荒漠气候、平原气候、山麓气候和山地气候，气候地貌使得乌苏市乡村聚落多分布在北部和中部的盆地、盆地—低山过渡带这些坡度较小的区域，而南部北天山山地坡度大的地方以山麓、山地气候为主，气候寒冷有零星分布的牧业队和林场.

2.2.3 乡村聚落形状分异的Logistic回归模型分析 自变量容忍度在0.964～8.564之间，可以用来做回归模型分析，由表3得知，高程、坡度、距最近乡镇中心没有进入模型分析结果，说明对聚落形态分异的影响不大，对聚落形态分异主要的影响变量是距县道距离、距省道距离.距县道距离的回归系数为-0.267，即距离每增加1 km形状指数减少1.651倍，形状越规整，破碎化程度越低，主要是因为县道作为乡村各要素交流的媒介，乡村聚落为了降低交通和运输成本而靠近县道，进而影响乡村聚落空间的规整化.距省道距离的回归系数为-0.148，主要是因为省道对于乡村聚落面状要素的切割作用大于联通，进而形成乡村聚落空间的破碎化.

表3 乡村聚落空间分布格局的Logistic回归模型相关系数

3 结论

本研究以乌苏市为例，运用最近邻点统计量、核密度估算、空间关联测度模型、景观形状指数等方法研究西北干旱区乡村聚落景观的空间分布特征并把握其发展规律，并用多元Logistic回归模型分析乡村聚落空间分布格局的影响因素，为当前乡村聚落景观的布局优化和美丽乡村建设提供理论参考.

乡村聚落分布整体呈集聚分布模式，密度分布呈现低密度-多核心的空间分异特征，密度核心和次核心区多分布在河流干渠，公路、省道、县道附近.

乌苏市乡村聚落规模分布具有显著低值集聚特征，即村庄呈集群分布且规模普遍偏小；热点区多为兵团团场连队，即兵团团场连队为较大规模的乡村聚落集群，冷点区多为地方乡镇村庄，即地方乡镇村庄为较小规模的乡村聚落集群；通过将乌苏市乡村聚落规模与密度分布图相比，发现它们在空间上有较明显的局部负相关关系，即呈现低密度-大规模和高密度-小规模的分布特征.

乌苏市乡村聚落大部分分布在绿洲内部，形状指数值总体不高，波动较小，表明乌苏市乡村聚落形状较为规整，稳定性较好，形状指数高值区是公路、国道、省道、县道以及由河流干渠经过或附近区域.

聚落分布差异的主要影响因素是距县道距离、距主要河流距离和距乡镇中心距离；聚落规模分异的主要影响因素是坡度、高程；聚落形态分异的主要影响因素是距县道距离、距省道距离.

4 讨论

明确不同影响因素对乡村聚落格局的影响程度至关重要，在研究西北干旱区乌苏市乡村聚落分布格局的影响因素过程中，地形地势对聚落规模具有较大影响，此外，受县道、乡镇中心和河流的引力以及省道的切割作用，使得聚落分布和形态发生改变，最终导致乌苏市乡村聚落格局呈现分布稀疏、规模较小、形态较为规整的空间特征.乡村聚落作为人口分布的载体，为更好地响应中共十九大提出的乡村全面振兴战略，各级政府加快发展城乡之间互动关系，推动乡村聚落的可持续发展.

此外，文中运用多元Logistic回归模型对影响乡村聚落格局分异的自然和人文社会因素进行定量的分析，但研究程度有待深入；囿于数据的可获取性，研究局限于单一时间点对乡村聚落格局和影响因素进行分析，没有时空序列组合来研究乡村聚落空间分异的复杂过程.