基于生态位模型的岷江上游典型县域乡村聚落用地适宜性评价

刘春艳，张继飞

（1.贵州省农业科技信息研究所，贵阳 550006；2.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041）

0 引 言

乡村聚落是由房屋、道路、绿地及其他生产生活设施等要素构成的具有一定空间结构和功能、自然和人文属性的乡村居民点[1]，是乡村经济发展的重要载体。随着城市化进程的不断推进，乡村聚落不断涌现出城市化村、专业化村、空心村等多种重构形式，同时也伴生着居民点布局无序、土地利用效率不高、人地矛盾尖锐、生态环境恶化等问题，严重制约着乡村全面发展以及城乡统筹协调。《乡村振兴战略规划（2018—2022年）》明确指出要“坚持人口资源环境相均衡、经济社会生态效益相统一，优化乡村生产生活生态空间”。如何有效优化乡村聚落空间用地和调控其功能组织，是乡村统筹规划与布局的前提，也是当前乡村发展研究和乡村振兴战略实施的重点领域。针对土地适宜性评价研究，最早由美国学者麦克哈格开发了用于适宜性分析的“千层饼”模型[2]。国内学者早期开展土地适宜性研究，主要以定性分析为主；随着 GIS技术的日益成熟，学者们利用层次分析和限制系数评价模型[3]、木桶原理法则和线性加权求和法[4]、最小累积阻力模型[5]、多要素空间叠置分析法[6]、自组织神经网络[7]等方法和模型，基于研究导向选取不同维度指标对用地适宜性开展积极探讨，取得一系列富有参考价值的学术成果。然而，空间尺度问题在此过程却被有意或无意地忽略了。作为人地关系的基本单元[8]并受自然、经济、社会等发展规律综合制约，乡村聚落显然存在自然与人文禀赋相互作用之下的地理尺度效应。在地学及生态学研究中，理解在何种尺度下开展研究才能准确刻画和认知特定地理现象或景观类型是需要重点解决的问题[9]。景观生态学中，空间尺度一般用粒度和幅度表达，景观格局中最佳分析粒度即针对某一景观类型的最佳尺度[10]。在以栅格数据为基础的空间分析中，由于存在所谓“可塑性面积单元问题”[11]，空间最佳尺度分析成为确保所选栅格单元能准确、有效反映地理景观对象特征的必要手段和关键步骤[12-13]。当前，不少学者利用景观指数开展了区域粒度效应分析，以得到特定景观类型的适宜尺度[10,14-15]，或将遥感、GIS与景观指数法相结合，综合粒度效应分析和信息损失评价，探讨特定地物的最佳分析尺度[12,16]。但在已有建设用地适宜性评价中，大多直接基于数据源的栅格尺度开展研究，鲜有关注最佳空间尺度问题[17-19]。探讨乡村聚落用地的空间尺度性不仅能更好地刻画和揭示其在空间上的属性特征，亦能为乡村地域空间上的国土空间优化实践提供尺度依据。因此，本研究首先探讨了乡村聚落的最佳分析尺度，为接下来的聚落空间用地适宜性评价提供有效性保证。

一般而言，乡村聚落的空间布局模式与人类发展需求密切相关。但考虑到人类的短期趋利性并顾及区域的长远发展，人类活动所覆盖的空间范围并非完全适于乡村聚落布局。从聚落建设用地适宜性角度出发，借鉴生态位适宜度表征现实生境条件与物种需求条件之间的适宜程度这一内涵[20]，对乡村聚落进行空间用地适宜性评价，将人类需求与自然资源条件的匹配程度进行关联分析，以确定乡村聚落发展的空间适宜位置。目前，不少学者从生态位视角探讨了高标准基本农田建设适宜性评价[21]、耕地整治优先度及模式研究[22]、基塘利用适宜度评价[23]，这些研究成果为土地利用合理布局及优化提供了理论支撑，也为乡村聚落用地适宜性评价提供了参考。

鉴于目前乡村聚落研究对空间尺度的关注不足，本文尝试以岷江上游典型乡村聚落为对象，借鉴景观生态学指标定量刻画聚落用地的最佳空间尺度，并在最佳尺度下开展乡村聚落用地的适宜性评估。岷江上游乡村聚落大多位于地质结构复杂、山地灾害频发地带，其自然生态脆弱、经济社会水平滞后等负面发展背景相互交织，是四川省实现全面小康及乡村振兴发展的难点区域。理县位于岷江上游重要支流杂谷脑河流域，自新石器时代起就有人类在此生息繁衍，历经长期的人-环境相互作用、尤其近几十年的高强度森林及水电资源开发之后，岷江上游乡村聚落系统的空间形态、结构与功能既呈现出与地域环境相适应的一面，又不可避免存在着人地关系矛盾紧张甚至局地尖锐化的现实。在此背景下，深入分析岷江上游典型区乡村聚落用地的适宜性特征与格局，能为乡村聚落乃至国土空间的重构优化提供科技支撑，并为因地制宜开展乡村振兴行动提供空间依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

理县位于四川盆地西北部、青藏高原东缘，地处长江上游重要支流岷江上游地带，地理位置介于102°32′46″E～103°30′30″E，30°54′43″N～31°12′12″N 之间。理县国土面积为4 313.42 km2，与岷江上游一级支流杂谷脑河小流域（流域面积4 629 km²）基本重叠，辖13个乡（镇）、81个行政村，杂谷脑镇系县人民政府驻地（图1）。地质结构属龙门山断裂带中段，地形地貌复杂，是典型的中高山峡谷地貌区。处于全国地震活跃区，境内泥石流、滑坡和崩塌等地质灾害频发，是受地质灾害威胁严重的典型区县之一。理县在2008年汶川地震中遭受重创，尤其是乡村聚落受到较大影响。以理县为研究区具有一定代表性，可为类似西南山地乡村聚落空间用地的优化及布局提供借鉴。

1.2 数据来源及处理

研究数据主要包括遥感影像、NDVI、土壤侵蚀、社会经济、土地利用等多元异构信息，具体来源及处理方式如下：2017年空间分辨率2 m的遥感数据来自Google Earth；2017空间分辨率30 m 的Landsat8 TM影像及数字高程模型均来自地理空间数据云网站（http://www.gscloud.cn/）；2017年NDVI及2015年地质灾害危险性分区数据来源于中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所；土壤侵蚀数据来源于1995年水利部基于遥感影像解译的土壤侵蚀调查数据衍生得到的1 km栅格数据；社会经济数据来自理县2017年统计年鉴。基于理县土地利用总体规划（2006—2020年）及相关文本资料，将城镇及工矿建设用地（含建制镇、采矿用地、独立工矿区和独立建设用地）单独提取出来，并以 2017年GoogleEarth遥感数据为底图、TM影像特征为辅助提取所有聚落用地（包括城市聚落及乡村聚落用地）与城镇及工矿建设用地进行叠加，剔除重合部分后得到 2017年乡村聚落用地。

1.3 研究方法

借鉴乡村地理学、景观生态学及生态位等理论，综合遥感影像、社会经济统计、土地利用现状等多源数据，采取景观格局分析、GIS空间分析等研究手段，以乡村聚落这一景观类型的尺度研究入手，通过景观格局指数定量分析获取理县乡村聚落用地的最佳空间尺度；结合区域实际，选取代表指标构建评价指标体系，借鉴生态位适宜度模型开展乡村聚落用地适宜性评估。

1.3.1 景观格局指数的选取及分析

针对乡村聚落这一景观类型，从斑块类型水平、景观水平 2个层次选取斑块个数、斑块密度、平均斑块面积、形状指数、最大斑块指数、结合度指数等 8个典型指数（表1）。利用ArcGIS软件将乡村聚落矢量数据转换为GRID栅格数据，步长10 m，0～200 m范围内得到20种空间粒度下的栅格数据，利用Fragstats4.2软件进行景观格局指数计算，并进行粒度响应分析[11]。

表1 主要景观格局指数及其生态学意义Table 1 Main landscape pattern indices and their ecological meaning

1.3.2 指标体系及评价模型构建

1）指标体系构建。乡村聚落是兼具生产、生活和生态等多功能的复合生态系统，构建评价指标体系时应遵循系统性、代表性、可操作性等原则[24]。考虑该区域乡村聚落用地的安全性、方便性等需求，从自然-生态、生产和生活3个维度选取13个指标，建立评价指标体系。利用 AHP法分别赋予准则层中自然-生态条件、生产条件、生活条件以0.47、0.23、0.3的权重，并进一步确定各指标权重（表2）。

表2 理县乡村聚落用地适宜性评价指标体系Table 2 The evaluation index system of land suitability for rural settlements in Li County

自然-生态条件指标用以反映自然因素对乡村聚落选择与建设的限制性、水土资源保障性及居住适宜性。乡村聚落用地应规避重要生态保护区（如水源地、自然保护区等）、自然灾害频发区等，因此将地质灾害、地形起伏度、地形位、植被覆盖指数、土壤侵蚀纳入评价指标体系。生产条件指标的选取重点从乡村聚落发展及农村居民生存的支撑性资源角度来考量。理县农业人口为总人口的 75%左右，目前农业发展以生态农业为主。根据统计资料及实地调研情况，理县农村的农业收入大部分来源于经济果林收益。因此，选取从业人口规模、耕地规模、水果园种植面积比例和财政收入作为评价指标。生活条件指标的选取主要考虑了农村居民生活的便利性和宜居性视角，此处以地理区位、交通便利度及人口聚集效应 3个方面进行表征，并具体选择用水便捷性、乡镇中心可达性、路网密度和人口密度作为评价指标。

2）生态位适宜度评价模型。基于生态位适宜度反映现实生境与物种需求条件之间适宜程度的实际内涵，将乡村聚落视为现实生境，将所选取的各指标视为现实生境（乡村聚落）所需的各种自然、社会和经济条件。生态位适宜度理论认为乡村聚落所需各种条件表现出的适宜程度不同，因此引入生态位综合适宜度评价模型[25]对所选取的各指标进行分析与量化。具体分析步骤为：1）获取各指标实测值，得到各指标现实生态位；2）量化分析各指标得到需求生态位，计算各自的生态位适宜度值；3）考虑区域用地限制性，对限制条件进行量化分析后确定不适宜临界值；4）借鉴式（1）中的评价模型开展乡村聚落用地适宜性评价。

式中Xs为乡村聚落用地综合生态位适宜度指数；Xi为每一个栅格单元第i个指标的乡村聚落用地生态位适宜度值；Wi为第i个指标的权重；n为评价指标个数。

根据式（1），对各指标需求生态位进行量化分析：当指标条件不满足或不能完全满足需求时，生态位适宜度为0；完全满足时则为1。不同指标根据性质不同采取不同的量化方式（表3）。

表3 评价指标量化方式Table 3 Quantificative methods for evaluation indexes

根据谢尔福德限制性定律[25]，部分现状条件存在绝对限制性，如禁建区、水源保护区以及海拔高和坡度大的区域不能作为居民用地，需对区域限制性条件进行量化分析。根据理县土地利用总体规划（2006—2020年）可知，其建设用地管制分区中含有禁止建设区（主要包含生态环境安全控制区、自然与文化遗产保护区），此外境内分布有米亚罗自然保护区、毕棚沟风景区和孟屯河风景区等重点生态保护区，以及部分生态环境安全控制区，不适宜于乡村聚落布局。其中，生态环境安全控制区主要分布于古尔沟镇、米亚罗镇、上孟乡等境内。利用ArcGIS对理县土地利用总体规划图进行矫正，将禁止建设区矢量化后进行栅格处理，将其对应的区域界定为不适宜区。此外考虑水源地生态敏感性以及保护性，利用ArcGIS分别对主干、支流两侧作200 m、50 m的缓冲区分析，将缓冲区界定为不适宜区；地形指标中将海拔大于3 000 m、坡度大于30°区域界定为不适宜区。

2 结果与分析

2.1 乡村聚落用地的空间最佳尺度

基于景观格局指数的粒度响应分析，综合 8个景观指数的粒度拐点确定适宜尺度域，进而确定最佳分析尺度。景观指数随粒度变化的第一尺度域是确定粒度大小及景观格局分析的适宜取值范围[14,16]。在第一尺度域选择中等偏大的粒度能较完整地体现比例尺的特征信息，同时又能提高数据的计算效率，避免冗余工作量[14]。综合8个景观指数的第一尺度域（表4），得到理县乡村聚落景观格局分析的适宜尺度范围为 50～60 m，最终得到最佳分析尺度为60 m。

表4 各景观格局指数的适宜尺度（粒度）范围Table 4 The appropriate grain size of each landscape indices

2.2 乡村聚落空间用地适宜性评价

采用式（1）进行理县乡村聚落用地适宜性综合评价，将指标体系中的各指标与存在绝对限制条件的指标分别量化后进行空间叠加分析，得到乡村聚落用地适宜分布区域（图2）。

利用ArcGIS自然断裂点法将乡村聚落用地综合评价结果划分为4个等级（表5），可知理县适宜乡村聚落用地布局面积仅占区域总面积的4.58%。其中，高度适宜区面积最大，主要分布在杂谷脑镇、桃坪乡及通化乡等乡镇中部，以及薛城镇南部、甘堡乡东南部等区域；中度适宜区面积次之，主要分布在甘堡乡、上孟乡、下孟乡和古尔沟镇等乡镇中部腹地及朴头乡北部；低度适宜区面积最小，主要分布在下孟乡境内、浦溪乡西北部和夹壁乡东北部（图3）。

表5 理县乡村聚落用地不同适宜区分布Table 5 Distribution of suitable areas for rural settlements in Li County

根据各乡镇聚落用地适宜性评价结果可知（表6）：高度适宜区中，薛城镇占该县国土面积的0.68%，其次为杂谷脑镇、通化乡和桃坪乡，皆在0.30%以上。其中薛城镇为理县 4大建制镇之一，是周边地区的经济中心及物资集散地，也是藏羌文化走廊的重要节点，乡村集镇吸引力强；杂谷脑镇为县人民政府驻地，具有明显的地理区位优势，城镇对周边乡村地区吸引力强；桃坪乡境内的桃坪羌寨是世界上保存最完整、且仍在使用的碉楼，也是羌族建筑群落的典型代表，该乡镇羌族人口占总人口的 90%以上，是典型的羌族聚居区，乡村人口较为聚集。

表6 理县各乡镇乡村聚落用地适宜性分区统计Table 6 Regional statistics of suitability of rural settlements in each township in Li County

中度适宜区中，上孟乡和甘堡乡所占面积比例大，分别为 0.27%、0.23%，两者的高度适宜区比例分别为0.16%、0.21%，皆以中度和高度适宜区为主。其中上孟乡为嘉绒藏族聚居乡，藏族人口占全乡总人口的 90%以上，为乡村人口主要聚集区之一。甘堡乡与杂谷脑镇相邻，受其城镇中心辐射作用较大，同时也是理县至马尔康百里藏羌文化走廊的中心地段，发展潜力较大，以中度以上适宜区为主。

低度适宜区中，下孟乡和夹壁乡占全县面积比例较大，分别为 0.12%、0.11%。下孟乡中度适宜区比例为0.16%，夹壁乡仅为0.03%。

从乡镇整体空间分布来看，高度适宜区主要分布在理县东部，大部分处于杂谷脑河流域下游，具有相对优越的自然资源条件，国道 317由东向西贯穿全境，地理区位优势明显；中度适宜区主要分布在理县中部以及北部，受周边建制镇的影响较大。中度和高度适宜区占比约4.06%。

2.3 不同适宜性分区调控对策

1）高度适宜区。理县乡村聚落用地高度适宜区面积为109 km2，主要分布在薛城镇、杂谷脑镇、通化乡和桃坪乡等区域，皆位于国道 317附近，交通区位优越。其中杂谷脑镇为理县绿色产业集中发展核心规划区之一，水电资源丰沛、运输条件便利，在高（水电）载能产业、农畜产品深加工等方面潜力大。薛城镇藏羌文化历史悠久，是红色旅游资源富集区，还是上孟、下孟、蒲溪等乡镇的经济中心和农副产品集散地，经济发展水平相对较高。高度适宜区具备较好的区位、经济、自然与文化资源条件，亦具有一定工业与市场基础，基础设施较为完备，乡村发展功能相对齐全，是实现乡村振兴的主要阵地。主镇区周边低度适宜及不适宜区的乡村聚落应就近向中、高度适宜区发展，发挥中、高度适宜区国土空间的最大效能，同时加强古镇古村落保护，科学制定乡村振兴发展规划，推进一二三产业融合发展，走绿色、高质量发展之路。

2）中度适宜区。理县乡村聚落用地中度适宜区面积为66.14 km2，主要分布于上孟乡、甘堡乡，其次为下孟乡、通化乡、朴头乡及古尔沟镇。空间上大部处于河流及公路沿线，自然资源、区位条件等具有相对比较优势。未来发展应突出区域特色产业优势，如上孟乡的冰葡萄、甘堡乡的沙棘果、通化乡的中药材、古尔沟镇的旅游业等。适当调整区域产业结构，强化相应配套设施，打造“一镇一业”发展格局，以特色产业振兴为基点，发展现代农业、助推乡村振兴。同时还应整合、盘活存量土地资源，促进集约化、规模化利用。

3）低度适宜区。理县乡村聚落用地低度适宜区面积为22.25 km2，主要分布在下孟乡、夹壁乡及蒲溪乡。该区域生产条件相对落后，发展后劲不足，可维持发展现状，减少基础设施及其他改造投入，不再新增乡村聚落建设用地，逐步减少聚落用地规模，推动人口向杂谷脑镇、薛城镇等区域集聚。对于产业发展基础条件差、自然资源底子薄弱区域，可整村迁至周边更适区域，谋求更理想的生存发展环境。

4）不适宜区。理县乡村聚落用地不适宜区面积为4 116.03 km2，主要位于水源保护区、地灾危险性高和极高地区、重点生态保护区以及海拔3 000 m、坡度30°以上区域。滑坡、泥石流等地质灾害多发，且地形陡峭、生态环境恶劣，基础设施建设与配套难度大、成本高，难以维系长期发展。该区域现有乡村聚落用地应尽快迁移至邻近更高适宜度的村落或镇区，同时应加强对水源地、自然保护区及生态环境安全控制区的保护力度，严禁各种废弃物及污水入河，保障生态系统健康良性循环。

3 结 论

本文以岷江上游理县为研究区，在农村居民点现状分布的基础上，通过将景观生态学中的景观指数量化表征、生态位理论中的生态位适宜度模型及 GIS空间分析等多种方法结合，定量刻画分析了理县乡村聚落用地的空间尺度及适宜性，得到以下结论：

1）从乡村聚落斑块类型水平和景观水平选取8个景观指数，分别解析8类景观指数在20种空间粒度下的响应变化，综合第一尺度域表现得出适宜尺度范围为 50～60 m，进而得到最佳分析尺度为60 m。

2）基于60 m最佳分析尺度的乡村聚落用地适宜性评价，得出理县适宜乡村聚落布局的土地面积仅占区域总面积的4.58%，中度及以上适宜区主要集中分布在理县东部及东北部乡镇，大部分处于杂谷脑河流域下游以及317国道沿线附近，具有自然资源与地理区位的相对优势条件。

3）根据理县各乡镇乡村聚落用地适宜性分区结果可知，高度适宜区在区位便利性、文化影响力、集镇吸引力等方面具有明显优势，是乡村人口的主要聚集区。而中度适宜区处于文化走廊的中心地段，受城镇辐射带动，较具发展潜力，成为乡村聚落用地的次级适宜区。

乡村聚落是一个复杂的人文地域景观类型，具有不断发展演化的动态特征，其研究属性亦呈现跨学科、多元化特征，涉及较广泛的学科理论范畴。本文综合运用乡村地理学、景观生态学、生态位及空间分析等理论、模型和手段进行初步探讨，可为乡村聚落用地适宜性评价及优化提供新的视角和思路。开展山区乡村聚落用地适宜性评价涉及较多繁杂因素，未来需在指标的精细化、动态性等方面持续完善，例如，结合乡村振兴战略的现实要求，如何妥善考量工商企业、公共服务设施等用地类型对乡村聚落用地适宜性评价的内在影响，值得深入探究。此外，研究区为典型的地质灾害多发区，对其开展不同时间序列及地震前后用地适宜性评价研究值得进一步探讨，这既是人与自然相互作用、相互影响这一地理学经典命题的应有之义，又是多灾山地乡村聚落空间韧性研究等新领域的基础性科学问题。