新宾县乡村聚落景观格局对于水源涵养的影响

齐 丽，李 娜

(1.陕西省土地工程建设集团有限责任公司，西安 710075； 2.陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司，西安 710075； 3.陕西省土地整治工程技术研究中心，西安 710075； 4.国土资源部退化及未利用土地整治工程重点实验室，陕西西安 710075； 5.北京华源厚土土地整理规划设计有限公司，北京 100193)

0 引言

乡村聚落即农村居民点是人类最主要的聚居形式，与周围社会经济、自然环境存在着相互作用和人地互动的足迹，其布局、形态和规模在历史变迁中经历了若干重大变化[1-3]。虽然我国城镇化水平有了很大的提高，但农业人口基数庞大，在今后相当长一段时间内，乡村聚落用地仍是我国城乡建设用地的重要组成部分，仍是农村人口聚居的主要形式。中国大部分地区乡村聚落布局没有整体上的规划，用地缺乏有效监督管理，导致空间布局分散零落、杂乱无序，并且长期处于农民的自发选择状态。特别在山区中的乡村聚落，由于传统文化和自然环境限制，为便于耕作生产，乡村聚落呈“满天星”式的散落布局。这样的布局形式不仅使农民出行较为困难，而且会给山区的自然生态环境，特别是山区的水源涵养功能带来负面影响。

辽东山区是指辽宁东部32个县(市、区)的山地丘陵区，包括本溪市、抚顺全境，鞍山、铁岭、丹东等市的山区丘陵县(市)区。该区是辽河平原区的主要水源涵养区以及绿色屏障区，提供了全省83%的水资源。辽东山区不但要满足目前人们对生产生活的需求，而且要为辽宁省未来经济的发展提供生态保障与水资源。辽宁省第三次土壤侵蚀遥感普查结果表明，辽东山区土壤侵蚀面积为1 626.27km2，占全区总面积的25.2%，占全省土壤侵蚀总面积的35%[4]。由此表明，辽东山区水源涵养功能还存在潜在的威胁。新宾县作为辽东山区重要的水源涵养区之一，是浑河的发源地，属于山区，居民活动频繁。因此，不仅要从增加自然植被涵养水源来考虑，也应考虑乡村聚落布局引发的人类活动对于水源涵养的不利影响，文章通过对新宾县乡村聚落分布特征、景观格局和土壤侵蚀特征进行分析，从独特的乡村聚落景观格局视角探讨水源涵养区乡村聚落景观格局演变对水源涵养功能影响，为生态保护区域的乡村聚落布局优化提供科学依据，促进区域性水源涵养。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

新宾满族自治县东和吉林省通化市为邻，南和桓仁满族自治县、本溪市搭界，西和抚顺市毗壤，北和清原满族自治县相邻。位于北纬41°14′10″～41°58′50″，东经124°15′56″～125°27′46″之间，地势由东北向西南倾斜。地表水资源丰富，年均降雨量780mm，总量达14.4亿m3。新宾地貌类型属于构造侵蚀的中低山区，以长白山系龙岗山脉为主体，境内峰峦叠嶂，山丘起伏，平均海拔492m，其中，苏子河出口最低处海拔123.8m，钢山最高海拔1 346.7m，相对高差1 208.4m。地势由东北向西南倾斜，地面坡度3～8°。

图1 新宾县区位

1.2 研究方法

1.2.1 RS和GIS方法

应用ENVI软件[5]和ArcGIS对SPOT数据以及Landsat数据进行信息提取和分类，选择融合分类、监督分类、分区分类和目视解译法相结合。以研究区的土地利用数据为基础，在GIS技术的支持下进行叠加分析，再运用Fragstats进行乡村聚落景观格局的进一步分析。

1.2.2 数理统计方法

应用回归检验与相关分析，应用spss软件将土壤侵蚀情况分别与乡村聚落规模、人口密度进行相关性分析。

1.2.3 景观指数法

景观格局指数是高度浓缩的景观格局信息，是反映景观结构组成、空间配置特征的简单量化指标[6-8]。依据研究的目的以及研究的特点，选择几个具有代表性的景观指数对新宾县的乡村聚落景观格局进行分析。依据研究区特点及研究目的，选取几个景观指数，对新宾县乡村聚落景观格局进行分析。该文中所选取的景观指数是在斑块水平下的，主要有：斑块个数(NP)、斑块总面积(TA)、面积加权平均斑块分维数(AWMPFD)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(MPS)、分散度(RC)。利用Fragstats3.3计算景观指数，首先在setting run parameter中设置参数，然后选取景观指数，最后执行(excute)运算，得到结果。

2 数据来源与数据预处理

2.1 数据来源

数据来源于新宾县1992年、2001年、2010年Landsat5TM数据、新宾县社会经济数据、新宾县1： 10 000土地利用现状图和1： 10 000地形图为基础数据，其中遥感数据主要是利用3、4波段数据。

2.2 数据预处理

2.2.1 研究区域的剪裁

首先，将3、4波段影像图导入到ENVI4.5中。其次，选择Overlay菜单中的Vectors选项，将研究区域的边界叠加到影像上。再后，在Vector Parameters对话框中的File菜单中，打开Export Active Layer to ROIs选项选择Convert all vectors to one ROI。再后，在Tools菜单中选择Region of Interest中的ROI Tool。在其对话框中选择File中的Subset Data via ROIs选项，并将Background Value设为0，然后保存在一个新的文件夹中。其他两期数据采用同样方法处理。

2.2.2 计算NDVI值和植被覆盖度(VFC)

在计算NDVI值之前需要将3、4波段影像图进行压缩，使其压缩到一个图层中，具体的操作过程为：在ENVI4.5中打开3、4波段影像图，选择Basic Tools中的Layer Stacking，此时出现了Layer Stacking Parameters的对话框，点击Import Files按钮将3、4波段影像图输出，然后命名输出结果并保存在一个固定的文件夹中。

利用NDVI值，通过公式计VFC=(NDVI-NDVImin)/(NDVImax-NDVImin)算植被覆盖率。

2.2.3 制作坡度图和土壤侵蚀图

将DEM数据利用Arcgis的空间分析工具获取坡度图。

根据表1的土壤侵蚀指标，在envi中利用决策树得到土壤侵蚀图。

表1 水利部土壤侵蚀指标

被盖度(%)坡度<5°5～8°8～15°15～25°25～35°>35°>75微度微度微度微度微度微度60～75微度轻度轻度轻度中度中度45～60微度轻度轻度中度中度强度30～45微度轻度中度中度强度极强度<30微度中度中度强度极强度剧烈

2.2.4 乡村聚落数据处理

结合Arcmap3.3中overlay模块将乡村聚落属性数据与高程、坡度等相关属性数据叠加，对乡村聚落空间分布特征进行统计、计算[9]。乡村聚落人口数利用统计数据，结合实地调查获得。

根据乡村聚落的疏密度，考虑到乡村聚落之间的距离与相互影响度，对乡村聚落进行缓冲分析，以1 000m距离基准，建立缓冲区，每个缓冲区内的乡村聚落形成一个复合图斑，视为同一乡村聚落单元。

将复合后的乡村聚落单元与不同距离范围(1 000～2 000 m、2 000～3 000 m、3 000 m)的土壤侵蚀情况进行空间叠加分析，得出4个距离段的侵蚀状况。

图2 1992年土壤侵蚀 图3 2001年土壤侵蚀

图4 2010年土壤侵蚀 图5 1992年各缓冲区土壤侵蚀

图6 2001年各缓冲区土壤侵蚀 图7 2010年各缓冲区土壤侵蚀

3 结果与分析

3.1 新宾县乡村聚落数量结构分析

分析可知， 2010年末，新宾县共有农村人口21.980 5万人，乡村聚落总面积6 705.7hm2，人均建设用地面积305m2/人。超出《村镇规划标准》(GB50188-93)规定的150m2/人，因此，新宾县乡村聚落用地集约度不够，有很大的整理潜力，乡村聚落图斑个数2 803个。乡村聚落面积最大的乡镇是永陵镇，为939.88hm2，其次是新宾镇，为732.88hm2，乡村聚落面积最小的乡镇是响水河子乡，为207.32hm2。人均面积最大的乡镇是木奇镇，为431.3m2/人，最小的是旺清门镇，为227.32m2/人。人口数最多的为永陵镇，为2.785 4万人； 人口数最少的是红升乡，为7 464人。乡村聚落图斑在图上表现为单体存在，不连片的。图斑破碎化比较严重，呈现散居状态，布局比较分散。

3.2 乡村聚落空间分布景观指数分析

表2 新宾县各乡镇乡村聚落用地景观指数

行政单位斑块个数(个)斑块总面积(hm2)平均斑块面积(hm2/个)斑块密度(个/hm2)分散度面积加权平均斑块分维数北四平乡1092362.170.463.981.136 9大四平镇1724872.830.352.341.128 2红庙子乡1353872.870.353.781.141 9红升乡1052112.010.53.561.137 8木奇镇3496891.970.512.691.119 8南杂木镇1474513.070.331.981.116 8平顶山镇1704972.920.342.541.136 8上夹河镇1804112.280.442.781.140 8旺清门镇1483322.240.452.021.126 5苇子峪镇1393802.730.372.431.124 7下夹河镇1153463.010.333.061.129 6响水河子乡972072.130.473.231.130 9新宾镇3097332.370.421.731.089 5永陵镇4739401.990.51.561.103 4榆树乡1553972.560.394.121.138 3新宾县2 8036 7062.390.422.421.132 7

从斑块个数来说永陵镇斑块个数最多，为473个，表明其破碎度较高； 斑块个数最少的是响水河子乡，为97个，表明其乡村聚落较完整。从斑块总面积来说永陵镇斑块总面积最大为940hm2； 斑块总面积最小的是响水河子乡，为207hm2。从平均斑块面积来说，南杂木镇平均斑块面积最大，为3.07hm2/个，这说明其乡村聚落的平均用地规模大； 木奇镇平均斑块面积最小，为1.97hm2/个，说明其平均用地规模小。从斑块密度来说，木奇镇斑块密度最大，为0.51个/hm2，这说明木奇镇的破碎化程度较高； 南杂木镇和下夹河镇斑块密度最小，为0.33个/hm2，这说明南杂木镇和下夹河镇较完整。从分散度来说，北四平乡分散度最大，为3.98，这说明北四平乡乡村聚落分布较分散； 永陵镇分散度最小，这说明永陵镇乡村聚落分布的较密集。其主要原因是在农村自给自足的经济形势下，为了获得生存所需粮食，农民必须拥有一定数量的耕地，尤其是在辽东山区耕地资源稀少，为了耕作的方便，农村居民点分散分布是必然的形式。乡村聚落分散度较小的乡镇包括永陵镇、新宾镇和南杂木镇，这些乡镇位于主要河流及其支流的谷底，地势较低，并且平坦的地方。在一定程度上乡村聚落分散度是人类活动强度对于景观结构影响的反映，通常人工景观平均斑块面积较小，斑块个数也少，因而分离度越大，呈分散分布，而自然景观和半自然景观分离较小，主要是同类斑块距离短或集中连片。

相关研究表明，作为人工斑块的乡村聚落，其稳定性较大、分维数小，形成的斑块不容易发生变化，这就导致其周围自然斑块景观异质性的增加，分维数大于人工斑块，景观趋于不稳定状态。面积加权平均斑块分维数，代表了在一定的研究尺度上土地利用斑块边缘的复杂程度，一般处于1～2之间，数值越接近1，反映了斑块的自我相似性越强，简单长短轴比值越小、斑块的形状也越规则，斑块的外形接近于圆形或者是正方形，这说明受人为干扰的程度越大，因为通过人类干扰所形成的斑块通常形状较为规则，因而易于出现相似的斑块形状。AWMPFD数值越大，那么长短轴比值越大，斑块的形状也就越复杂，斑块的几何形状越狭长，受到的干扰也越小[10-11]。新宾县各乡镇乡村聚落面积加权平均斑块分维数均在1.16以下，接近于1，这是因为乡村聚落斑块属于人工景观斑块，斑块外形较为规则，接近于方形，稳定性较强。新宾镇的面积加权平均斑块分维数最小，为1.103 4； 红庙子乡AWMPFD最大，是1.141 9。各乡村乡镇AWMPFD均低于1.5，表明这些乡村乡镇聚落景观没有处于一种类似于布朗运动的随机状态，即一种不稳定状态，而是处于一种稳定状态。

3.3 水源涵养与乡村聚落分布相关性分析

水源涵养评价指标有土层平均厚度、土地面积等一系列指标，所以该文选择土壤侵蚀情况来反映研究区水源涵养状况。

3.3.1 新宾县土壤侵蚀现状分析

表3 2010年乡村聚落1 000m以内各地类土壤侵蚀情况

hm2

表4 3个时间段不同距离土壤侵蚀情况

从表3可以看出，目前来说，耕地侵蚀最严重，总侵蚀面积为3.776 873万hm2，其中剧烈侵蚀为472.75hm2，占侵蚀耕地面积的1.25%，耕地中中度侵蚀面积为1.863 405万hm2，所占比例最大为49.33%。侵蚀程度最轻的是未利用地，这就意味着必须采取措施去治理水土侵蚀，若治理良好那么这么大比例的侵蚀土地将会好转，转化为轻度侵蚀土地； 若不重视起来，那么大面积的耕地将面临着很难逆转的极强甚至是剧烈侵蚀，这对我们的粮食安全将是一个巨大的危害。从总的侵蚀面积上来看，仅次于耕地的是林地，面积为3 457.33hm2，这是因为新宾县地处辽东山区，林地覆盖率较大。基数过大再加上人为的干扰这就造成了侵蚀面积仅次于耕地。对于新宾县特殊的地理位置而言，保护水土也就意味着保护林地。

3.3.2 土壤侵蚀与乡村聚落距离的关系

3个时段， 2001年土壤侵蚀最严重，侵蚀率为57%； 2010年的土壤侵蚀情况最轻，侵蚀率为39.87%。介于中间的1992年土壤侵蚀率为55.34%。从1 000m缓冲区以内来看，同样是2001年侵蚀情况最严重，侵蚀为39.06%(表4)。

3个时间段的土壤侵蚀情况，都是随着距离乡村聚落距离的增加而呈现逐级递减的关系，这说明乡村聚落的分布对于土壤侵蚀有一定的影响。以2010年为例，在1 000m以内侵蚀率为21.26%， 1 000～2 000m侵蚀率为16.59%，这是因为人类活动需要依赖于土地进行，而在距离乡村聚落越近的地方，人类的活动强度越大，所以侵蚀情况也就越严重。

3.3.3 土壤侵蚀与人口密度的关系

表5 新宾县不同地块土壤侵蚀情况

地块12345678910侵蚀面积(m2)45 587.5620 420.79135.06309.1376.741 216.6466.18105.2814783.55人口密度(个/m2)1.193 90.921 80.085 30.475 10.576 90.647 90.397 50.669 80.412 90.503 5地块11121314151617181920侵蚀面积(m2)164.56779.4115 372.25237.97156.59292.57112.8888.73222.2147.67人口密度(个/m2)0.597 80.616 20.5590.093 20.793 50.574 20.144 30.283 60.555 10.026 4地块21222324252627282930侵蚀面积(m2)25.047.314.386.085.458.850.5646.4219.4447.38人口密度(个/m2)0.866 50.009 30.009 20.009 30.009 10.008 60.008 90.0090.0090.018 1

应用Arcgis9.3将新宾县的图斑复合成33个复合图斑，剔除其中3个异样图斑，通过spss16.0对其进行相关性和回归分析，置信度(单侧)为0.01 时，人口密度与侵蚀面积相关性是显著的，并且呈正相关。这是因为人类的活动，例如耕作，砍伐等都加剧了水土的流失，使得侵蚀面积加大。在保护水土的时候，必须要考虑到人为影响。

3.3.4 土壤侵蚀情况与乡村聚落规模的关系

表6 非参数相关系数分析

人口密度侵蚀面积人口密度相关系数1.0000.734∗∗Sig.(单侧)0.000N3030相关系数0.734∗∗1.000侵蚀面积Sig.(单侧)0.000N3030

同理，利用spss16.0软件，对土壤侵蚀情况和乡

村聚落规模进行相关性分析。结果表明土壤侵蚀情况与乡村聚落规模高度相关，且为正相关，这意味着乡村聚落规模越大侵蚀情况越严重。所以，乡村聚落应确定合理规模以防止水土流失。

将乡村聚落规模与剧烈侵蚀占侵蚀面积百分比即侵蚀等级应用spss16.0进行相关性分析，侵蚀强度与聚落规模不相关，这就说明乡村聚落规模越大，侵蚀情况越严重，但是侵蚀强度不一定剧烈。

4 结论与建议

从乡村聚落本身的特征来讲，随着海拔升高，乡村聚落面积逐渐减少，其中高程在121～345m的乡村聚落面积最大，占乡村聚落总面积的50.33%。而海拔在734m以上的乡村聚落面积为0.00%。从整个乡村聚落范围内不同海拔高度乡村聚落面积的统计可以看出，随着海拔高度的增加，乡村聚落的规模越来越小。从坡度分析的结果得知，新宾县的乡村聚落主要分布在0～5°的平地和8～15°的缓坡地上，其乡村聚落面积分别占了全县乡村聚落总面积的21.25%和28.55%，但在坡度大于15°地区仍有数量不少的农民居住，这就增强了生态治理的难度。对于这样的乡村聚落可以进行生态移民，即分区域、分步骤、分类别、有重点的缩减人类活动，将处于不适合人类居住的地区居民迁移出来。

从景观格局[12]分析角度来看，由于新宾县地处辽东山区，受各种自然与社会要素的影响，特别是受长期自给自足的生活方式以及地形因素造成人均耕地不足的约束。新宾县乡村聚落呈现出平均斑块面积较小、斑块数多、人均用地面积超标、平均斑块分维数小、大部分乡镇规模较小、斑块具有一定的稳定性，分散度较大的景观格局。正是乡村聚落这种“天女散花”式的景观格局和新宾县作为人工景观斑块具有稳定性，让人类对四周自然生态环境干扰面积不断扩大，自然景观斑块的细碎化也必然加剧，从而造成小区域内土壤侵蚀的加剧和生态环境的破坏。

此外，研究区土壤侵蚀情况与乡村聚落规模、人口密度在置信度为0.01时相关性显著，并且呈正相关，侵蚀强度与聚落规模不相关。这就说明乡村聚落规模越大，侵蚀情况越严重，但是侵蚀强度不一定剧烈，且人类活动会加剧侵蚀面积扩大。所以，乡村聚落分布要到达一个合理的规模才能使经济效益、生态效益最大化。同时，研究发现土壤侵蚀情况随着距离的增加呈现出递减的趋势，这是因为人类活动需要依赖于土地进行，而在距离乡村聚落越近的地方，人类的活动强度越大，所以侵蚀情况也就越严重。

乡村聚落空间分布特征体现了不同生产力水平下人类生产、生活及其与周围环境的关系，乡村聚落景观格局及其动态变化影响到众多环境因子，例如水土涵养情况、地形等。怎样才能改变新宾县甚至整个辽东山区现在的乡村聚落景观格局与空间分布，使其生态环境保护处于一个最合理的状态呢？其中最有效的途径之一就是在研究乡村聚落景观格局及其分布特征的基础上，即生态移民。