豫東平原聚落景觀格局變化

楊慧敏,婁 帆,李小建,*,白燕飛

1 河南大學環境與規劃學院, 開封 475004 2 城鄉協調發展河南省協同創新中心, 鄭州 450046

豫東平原聚落景觀格局變化

楊慧敏1,2,婁 帆1,李小建1,2,*,白燕飛1

1 河南大學環境與規劃學院, 開封 475004 2 城鄉協調發展河南省協同創新中心, 鄭州 450046

中國的快速城鎮化必然導致聚落景觀格局的變化,但目前相關研究對平原地區關注相對較少。文中選取豫東平原地區的開封、商丘、周口市,運用GIS空間分析方法和ENVI遙感影像處理技術,對該地區1972、2015年市域中觀尺度上的聚落規模、聚落景觀空間變化特征進行分析。結果顯示：(1)在聚落發展過程中,1972—2015年聚落斑塊數量有所減少,聚落規模逐漸擴張,市域內最大聚落斑塊擴張相對更為明顯；對聚落斑塊擴張強度的分析發現,城市市轄區及周邊鄉鎮聚落擴張強度相對較高。(2)地區內聚落斑塊空間分布表現出聚集分布特征,但該時期聚集程度有所減弱；兩個年份聚落核密度分布格局大致相似,局部地區存在多核擴散現象,市域尺度上的核密度分布存在地區差異。(3)對斑塊形狀指數的分析發現,研究區狹長或曲折聚落斑塊在空間上分散布局,整體上區域內聚落形狀趨于規則。(4)隨著距河流、道路距離的增加,聚落斑塊總面積和數量有所減少,且道路對聚落分布僅在一定范圍內存在較大影響,距中心城市0—6km范圍內聚落受中心城區發展輻射影響較大。本文的分析可為平原地區聚落景觀的優化布局和聚落用地的集約化發展提供一定的參考。

聚落斑塊；景觀格局；空間分布；豫東平原地區

Abstract： Rapid urbanization in China has elicited a change in the pattern of settlement landscape, particularly for the plain area with its long history of human settlement. However, relevant research is lacking. By employing the spatial analysis method of GIS and remote sensing image processing technology of ENVI, we analyzed the characteristics of changes of Kaifeng, Shangqiu, and Zhoukou in the Eastern Plain of Henan Province with respect to settlement size and spatial distribution on a meso-scale from 1972 to 2015. The results indicated that, first, the number of settlement patches decreased, whereas their sizes gradually expanded, and the built-up areas of the respective cities expanded noticeably. Furthermore, the village patches surrounding the urban areas experienced a greater expansion than other village patches. Second, the spatial distribution of settlement patches in the study area exhibited a clustered distribution; however, the degree of agglomeration declined in 2015. The kernel density distribution of settlement patches was stable, although multi-core diffusion existed in some regions, and the density distribution was different among cities. Third, the patch shape index (PSI) revealed that the narrow or tortuous patches were spatially scattered, and the shape of settlements was relatively regular in 2015. Finally, as distance from rivers and roads increased, the total size and number of settlement patches decreased; however, the effect of roads on settlement distribution was only detected in certain regions. The settlement patches located within the 6 km buffer zone of the respective central cities were affected by development of the urban areas. The results presented here could assist in the optimal layout of settlement landscape and the intensive development of settlement land-use in the Eastern Plain of Henan Province.

KeyWords: settlement patches; landscape pattern; spatial distribution; the Eastern Plain of Henan Province

聚落形態作為聚落地理學研究的重要領域之一,其不僅包括聚落的分布形態,也涵蓋著聚落形態的演變。聚落是中國人口聚居的主要形式[1-2],聚落分布受到自然、歷史、社會和經濟等因素的影響,而分布格局是其在空間上的直接反映,可揭示聚落水平分布和垂直分布的特征。同時,作為人地關系地域體系研究的重要內容之一[3],諸多學者對聚落規模結構[4-7]、空間格局特征[8-10]、農村聚落景觀格局[11-12]、聚落空間演化及影響因素[13-15]、聚落空間重構[16-17]、空心村現象[18-19]等進行了大量研究,取得豐碩成果；在研究方法上,也逐漸由傳統的田野調查向GIS空間分析、遙感技術應用與田野調查相結合的趨勢發展；在研究區域上,相關研究主要集中于山地丘陵區、巖溶地區和江南地區等,注重地形因素(坡度、高程等)對聚落景觀變化的影響。相關研究對平原地區聚落景觀格局變化的分析相對較少,且少有文獻關注城鎮化進程中中心城市發展對鄉村聚落規模變化的影響。同時,基于市域中觀尺度的分析可為城鄉聚落景觀格局特征及其演變過程進行深層次探究,為平原地區城鄉聚落的合理布局和科學規劃提供參考。此外,海貝貝等對河南經濟發展水平相對較高的鞏義市鄉村聚落的分析發現,1990—2010年鞏義農村居民點總體用地規模和斑塊數量不斷增加[20]。那么,在新型城鎮化發展的宏觀背景下,欠發達的豫東平原區的城鄉聚落規模及數量是否也逐漸增加？其聚落景觀空間格局特征如何？對欠發達的傳統農區城鄉聚落空間格局與演變特征的分析,對于指導地區城鎮與鄉村統籌發展、縮小城鄉差距、推動城鄉一體化發展亦具有重要的實踐意義。

豫東平原地區是我國重要農產品主產區,地處河南省東部、黃河中下游。該地區地勢平坦、土壤肥沃,耕地面積7179.2×104hm2,且農業人口眾多、鄉村聚落密集,較早時期即有居民在此居住和生活。隨著城鎮化和工業化進程的快速推進,數量龐大的農業人口和有限的耕地資源為地區聚落規模的擴張和外延提出了挑戰,而聚落規模的變化進一步影響著聚落空間格局的演變。因此,本文以豫東平原區的開封、商丘、周口作為案例,利用1972年和2015年城鄉聚落斑塊數據,借助于GIS空間分析方法和ENVI遙感影像處理技術,對該地區聚落空間分布格局及其演變特征進行剖析,以期為平原地區城鄉聚落的合理化發展提供借鑒。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區域概況

研究區域包括河南省開封、周口、商丘3個地級市(圖1)。文中選取這些地區研究城鄉聚落主要基于以下原因：(1)農業發展基礎雄厚。良好的地勢條件和土壤狀況,支撐著3個地區的農業發展,同時作為農產品主產區,2011年《國務院關于印發全國主體功能區規劃的通知》中明確指出農產品主產區在國土空間開發中限制進行大規模、高強度的工業化、城鎮化開發。(2)城鎮化發展相對滯后。2015年河南省城鎮化率為46.85%,開封(44.2%)、周口(37.8%)和商丘(38.2%)的城鎮化率均低于省平均水平,且明顯低于省會城市鄭州(69.7%)。(3)均屬于平原地區。開封位于黃河中下游平原東部,商丘境內地貌主要是黃河沖積平原區,周口境內主要是黃河沖積扇平原區。這些因素使得3個地區的城鄉聚落發展均可在較大程度上避免突發因素對聚落規模變化的影響,相同的地貌條件使得對平原區聚落空間布局與形態變化等的分析也更為直觀。同時,3個地區均經歷著城鎮化的快速發展階段,1972—1995年研究區域的城鎮化發展相對較為平穩,而1996—2015年城鎮化發展迅速(圖2)。

圖1 研究區域地理位置Fig.1 Location of the study area

圖2 各地區城鎮化發展水平Fig.2 Urbanization level in the different regions

1.2 數據來源與處理

本文的研究時段為1972—2015年,由于聚落人口數據難以獲取,文中使用聚落面積數據表征城鄉聚落規模的大小。研究數據主要來源于以下幾個方面：(1)1972年城鄉聚落數據來源于河南省1:5萬地形圖,通過地圖掃描將其轉成影像文件,進行地理配準之后分類提取聚落空間信息,并以地形圖數字化的形式獲取研究區聚落斑塊矢量數據；(2)2015年聚落面積數據來源于該年份TM遙感影像,通過幾何校正、鑲嵌、裁剪拼接等預處理后,運用波段運算和人工目視解譯相結合的方法提取聚落斑塊。為保證影像目視解譯的準確性,在解譯完成后隨機選取部分聚落與2015年谷歌地球進行對比驗證,準確率達到90%以上,基本符合研究需求。最終得到研究區1972年、2015年聚落斑塊數據(圖3),并以此作為文中分析的基礎。

2 研究方法

2.1 景觀指數

圖3 1972年和2015年研究區聚落斑塊分布圖Fig.3 Distribution of settlement patches in the study area in 1972 and 2015

景觀指數可以刻畫研究區域內土地利用和聚落的空間格局特征。這一指數來源于景觀生態學,能夠高度濃縮景觀格局信息[20-21]。其中,聚落斑塊總面積、聚落斑塊面積占景觀總面積的百分比、聚落斑塊個數、最大斑塊指數、最大聚落面積、最小聚落面積、平均斑塊面積等表征景觀的規模特征。因此,文中借助于這些指標對研究區聚落的規模變化情況進行測度。各指標計算方法在相關文獻中均有詳細介紹,在此不再一一詳述[22-23]。

2.2 擴張強度指數

使用擴張強度指數表征聚落斑塊的空間擴展[24-25],對研究區聚落用地的變化程度進行測度。聚落擴張強度指數為正值時,其數值越大表明空間擴張越快,反之則越慢；指數為負值時,表明聚落規模由擴張轉為收縮。公式如下：

(1)

式中,E表示聚落斑塊面積擴張強度；Pim、Pin分別表示不同時期聚落斑塊面積；Tn-m表示研究時段,單位為年；Si表示研究單元面積。

2.3 平均最近鄰指數

平均最近鄰指數(Average Nearest Neighbor,ANN)可以用來表征聚落用地的總體聚散程度,通過對不同時間點聚落用地斑塊平均最近鄰指數的比較,判斷聚落用地總體聚散變化特征[26]。其計算公式如下：

(2)

2.4 核密度

這是一種非參數的表面密度計算方法,可用于測度聚落空間分布密度。核密度值越高,聚落分布密度越大[20]。其表達式如下：

(3)

其中,f(x,y)為位于(x,y)位置的密度估計；n為觀測數量；h為帶寬；k為核函數；di為位置距第i個觀測位置的距離。在核密度估計中,搜索半徑是一個重要參數。

2.5 斑塊形狀指數

斑塊形狀指數(Patch Shape Index,PSI)可以用來表征聚落斑塊形態的復雜程度,即聚落形狀與相同面積的正方形之間的比值[21]。其公式如下：

(4)

式中,P表示聚落斑塊的周長,A表示聚落斑塊面積；PSI表示聚落斑塊形狀與正方形之間的差異程度。一般情況下,正方形的形狀指數為1,PSI值越大,表示斑塊形狀與正方形之間的差異越大,斑塊形狀越長。當0

3 研究結果

3.1 聚落規模

研究區域內城鄉聚落呈現出斑塊數量較多但有所減少,斑塊總面積增加但平均斑塊面積相對較小的特點(表1)。1972年聚落斑塊總數量為36623個,2015年減少至26946個,斑塊數量明顯減少。聚落總面積增長幅度較大,2015年聚落斑塊平均面積約是1972年的5倍；最大聚落面積的增加幅度也較為明顯；同時,最小聚落面積也有所增加,而最大斑塊指數則有所下降,1972—2015年下降了0.69%。這表明該時期區域聚落規模逐漸擴張,但最大聚落斑塊面積占聚落總面積的比重有所下降。

市域尺度上,各地級市聚落斑塊數量及規模變化也表明了上述特征。開封、商丘、周口聚落總面積均有較大幅度的增加,商丘、周口最大聚落面積增加幅度相對較大,且3個地區的最小聚落面積也有不同程度的增加。在最大斑塊指數方面,1972年開封最大斑塊指數較大,明顯大于商丘和周口,且40年間3個地區最大斑塊指數均有所上升,這與區域整體的最大斑塊指數減小的趨勢相反,表明市域尺度上最大聚落空間擴張相對更為明顯,最大聚落斑塊面積占各地區聚落總面積的比重有所上升。

表1 1972—2015年聚落規模統計表

3.2 聚落空間擴張強度

圖4 1972—2015年研究區域聚落斑塊擴張強度分布 Fig.4 Spatial expansion of settlement patches in the study area from 1972 to 2015

根據聚落擴張強度分析結果(圖4),1972—2015年研究區聚落斑塊面積增長迅速,全區擴張強度指數為0.26。在空間上,研究區433個鄉鎮聚落用地擴張強度表現出明顯的局部集中性特征,擴張強度相對較高的地區主要分布在周口南部、商丘東部部分地區,相對較低的地區在開封范圍內分布數量較多。同時,開封、商丘、周口市轄區及其周邊鄉鎮聚落擴張強度相對較高。

3.3 聚落空間分布模式

3.3.1 聚落平均最近鄰指數

借助ArcGIS軟件數據管理工具中的要素轉點工具將聚落面狀數據轉換為點狀數據,進而通過空間統計工具中的平均最近的相鄰要素工具計算平均最近鄰指數及相關統計值(表2)。整體上,1972、2015年研究區域聚落的ANN指數均小于1,表明兩個年份區域內聚落斑塊在空間上表現為聚集分布模式,從Z值來看均小于-1.96,說明二者聚集態勢均顯著。同時,ANN指數在研究時段內約增加了0.13,年均增長0.32%,說明該時期聚落斑塊空間分布的聚集程度有所減弱。

對1972、2015年開封、商丘和周口的ANN指數分別進行分析發現,開封、商丘、周口范圍內聚落斑塊的ANN指數在兩個年份均小于1,說明兩個時間點上各區域聚落分布均表現為聚集分布模式,且相應的Z得分和p值顯示聚落聚集態勢具有較強的顯著性。同時,3個地區2015年ANN指數大于1972年,表明各區域聚落斑塊聚集程度有所降低,但降低程度略有差異。對比來看,商丘市ANN指數較大,其次為周口和開封,說明商丘聚落斑塊分布的集聚程度低于周口和開封。

3.3.2 聚落核密度

利用核密度方法對1972—2015年豫東平原地區聚落斑塊分布密度進行繪制,搜索半徑為5km(圖5)。3個地區為獨立的行政單元,分別進行分析可更為直觀的顯示其核密度空間變化。可以看出：①1972—2015年開封、商丘、周口聚落斑塊核密度最高值均降低,表明部分地區單位面積內聚落斑塊數量有所減少；②3個地區核密度值范圍在1972、2015年均不相同,表明各地區聚落斑塊數量存在差異；③在空間分布方面,兩個年份3個地區的核密度圖大致分布格局相似,局部地區出現多核擴散趨勢,且中心城區部分由于建成區面積的增加,空間范圍向外擴展,聚落斑塊數量減少,致使核密度值由高值變為低值,而該地區的聚落擴張強度卻相對較高。

表2 聚落平均最近鄰指數

Z—score、P—value結果是度量統計顯著性,用來判斷是否拒絕零假設

圖5 1972和2015年聚落核密度分布圖Fig.5 Kernel density estimations of settlement patches in 1972 and 2015

3.4 聚落斑塊形狀指數

通過計算1972年和2015年聚落斑塊的形狀指數(PSI)對研究區聚落形態分布特征進行分析,并將其格網化借助于ArcGIS中進行制圖表達(圖6)。可以看出,①1972—2015年聚落斑塊形狀指數發生較大變化,1972年狹長或曲折聚落分散布局,但局部地區集中,在周口范圍內分布數量相對較多；2015年狹長或曲折聚落仍分散布局,但數量減少明顯,僅分布在周口和商丘的部分地區。②聚落斑塊形狀指數在(0,3]之間的斑塊數量在區域內分布較多,且介于(0,1]的聚落數量有所增加,表明部分地區聚落斑塊形狀趨于更為規則。同時,周口部分聚落形狀在1972年為狹長或曲折的斑塊在2015年變得更加規則。1972—2015年,隨著聚落規模的變化,聚落斑塊的形狀指數也隨之發生變化。總體來看,研究區聚落形狀趨于更加規則,聚落斑塊的形狀分布呈現出一定的局部集中性特征。

圖6 1972和2015年聚落斑塊形狀分布Fig.6 Patch shape index (PSI) of settlement patches in 1972 and 2015

3.5 聚落分布影響分析

3.5.1 河流因素

以研究區5級以上河流為對象建立間隔為1km的5級緩沖區,分析不同緩沖區范圍內聚落分布情況(表3)。可以看出,隨著距河流距離的增加,1972年和2015年聚落斑塊面積、數量均逐漸減少,二者占總體的比重有所降低。2015年距河流不同范圍內聚落面積、平均面積較1972年均增加,聚落數量則減少,表明距離河流越近,聚落面積相對越大,隨著城鄉聚落發展,由于聚落面積的逐漸增大,同一緩沖區內聚落數量則有所減少。

3.5.2 區位交通因素

以500m為半徑建立研究區交通線(國道、省道、高速公路)的多級緩沖區,分析不同緩沖區內聚落分布情況(表4)。結果表明,隨著距交通線距離的增加,聚落斑塊總面積和斑塊數量逐漸遞減,1972年在2000—2500m范圍內聚落面積又有所增加；聚落斑塊面積占區域總面積的比重,1972年在0—500m范圍所占比重較高,而2015年在1000—1500m范圍內占比較高,表明道路對聚落布局僅在一定的范圍內有較大影響。隨著交通便捷程度的提高,村村通的修通使村落與主要道路聯系更為緊密,而高速公路屬于封閉式交通,居民多居住在距其一定距離的地方,這使得在2015年1000—1500m緩沖范圍內聚落面積占比相對較高,且交通線逐漸密集使各緩沖區內2015年聚落斑塊數量占比高于1972年。

表3 不同河流緩沖區內聚落景觀指數變化

表4 不同交通線緩沖區內聚落景觀指數變化

3.5.3 中心城市發展

以開封、周口、商丘3個城市中心城區為中心3km為半徑建立緩沖區,分析不同緩沖區內聚落分布情況(表5)。可以看出,隨著距離增加,1972年和2015年聚落總面積、平均面積均減小,聚落總面積占比有所下降,而斑塊數量、斑塊數量占比則有所上升。兩個年份聚落斑塊隨距離變化的總體特征一致,但在不同緩沖區內的變化卻有所不同。在離中心城區3km以內的聚落數量、面積均有所增加,該時期聚落數量增加了124個、聚落面積增加了211.12km2,但2015年平均面積低于1972年,這是由于聚落斑塊總面積增大的同時,其數量也有所增加,造成聚落斑塊更為破碎,斑塊平均面積下降。3—6km以內聚落斑塊數量、面積占比也有所增加,由于城郊工業和現代農業的發展,聚落擴張速度較快。在>6km范圍內,鄉村聚落受中心城區發展輻射影響有所減小,聚落斑塊面積占比變化幅度相對較小。這在一定程度上表明城鎮化的發展,尤其是中心城區的發展對0—6km范圍內鄉村聚落的空間分布變化具有較大影響。

表5 中心城市不同范圍內聚落景觀指數變化

4 結論與討論

4.1 結論

(1)1972—2015年豫東平原地區聚落斑塊總面積、平均斑塊面積均有所增加,聚落斑塊數量有所減少,區域內最大斑塊指數下降；中觀市域尺度上聚落斑塊總面積、平均斑塊面積也呈現上述變化,但其最大斑塊指數上升,最大聚落斑塊占各地區聚落總面積的比重有所提高,表明3個地區最大聚落斑塊擴張相對更為明顯。該時期研究區聚落斑塊面積增長迅速,聚落斑塊擴張強度呈現出較為明顯的局部集中性特征,3個地市市轄區及周邊鄉鎮擴張強度相對較大。

(2)研究區域聚落斑塊在空間上呈現出相對聚集分布模式,但1972—2015年區域聚集程度有所下降,且商丘聚落斑塊的空間聚集程度低于開封和周口。聚落核密度空間分布方面,1972—2015年開封、商丘、周口隨著聚落斑塊數量的減少,聚落核密度最高值均有所降低,且不同地區的核密度值存在差異；兩個年份3個地區的核密度分布格局大致相似,但局部地區呈現多核擴散現象,且地級市市轄區核密度值的變化尤為明顯。

(3)對聚落空間形態分布的分析發現,整體上,1972年和2015年狹長或曲折聚落在空間上分散布局,但在局部地區相對較為集中,至2015年該形狀斑塊數量減少明顯。隨著聚落規模的不斷擴張,該時期研究區聚落形狀趨于更為規則。

(4)聚落空間分布的變化是人類與其周圍環境相互作用的結果在空間上的直接反映。隨著距河流、道路距離的增加,研究區聚落斑塊總面積和數量均逐漸遞減,且道路對聚落分布僅在一定范圍內存在較大影響；同時,距中心城市較近的鄉村聚落受中心城區發展輻射影響較大,而城鎮化的快速發展使2015年不同緩沖區內聚落斑塊規模和數量變化更為明顯。

4.2 討論

文中以豫東平原地區城鄉聚落斑塊面積數據為基礎,對聚落景觀格局變化情況進行分析,加強了欠發達平原地區聚落空間格局變化研究。豫東平原地區聚落在40余年的發展過程中,聚落規模擴張、聚落數量減少的現象是伴隨著城鎮化與社會經濟快速發展的,造成聚落數量減少的主要原因是隨著區域社會經濟的快速發展,大城市附近部分村莊被逐漸融合,使得中心城區擴張明顯,經濟發展的輻射作用亦可帶動周邊鄉鎮規模擴張；而部分農村居民由發展狀況較差的村落進入發展較好的村鎮,促使形成規模較大的中心村鎮。同時,隨著聚落規模的變化,區域內聚落斑塊形狀逐漸由狹長或曲折趨向于規則化,斑塊形狀更為規整。

聚落景觀格局的變化在一定程度上反映著區域社會、經濟、人文的發展狀況,且受到多種因素的綜合影響,其中,水系、道路影響著聚落景觀空間分布情況[23,27-28],城市化的發展會改變周邊農村原有的地理位置功能以及環境條件,進而影響農戶的居住空間再選擇[29-30],地區經濟發展可為聚落擴張、形態變化提供必要的經濟基礎[27,31],政府相關政策的實施可對地區聚落規模的合理化發展提供政策導向[16,32]。豫東平原地區作為我國農產品主產區,聚落規模的擴張,尤其是遷出的聚落并沒有恢復為耕地,對有限的耕地資源造成一定的影響,應借鑒相關對“空心村”現象的研究[18-19,33-34],集約利用土地,協調聚落規模與耕地之間的關系。在城鎮化發展過程中,應結合地區發展現狀,因地制宜,合理調整聚落景觀空間布局。同時也應注意到,一方面,由于研究區域范圍較大,以聚落斑塊面積數據進行分析,難以有效衡量人口與聚落斑塊面積之間的相關性；另一方面,隨著新型城鎮化的逐步推進,城鄉一體化、新農村建設的逐步實施,區位優勢相對較好的聚落可得到優先發展,偏遠發展差的聚落逐漸廢棄,在城鄉統籌發展的背景下,通過對聚落分布影響的分析可為加強平原地區聚落規劃整治和空間重構提供一個研究思路,也可為促進鄉村聚落集約化發展提供一定的參考。城鎮化發展的不同時期,聚落斑塊規模、數量、形狀、擴張強度等變化會有所差異,結合城鎮化進程分析不同階段聚落時空格局的演變也是后續研究的重點。

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ChangingpatternsofsettlementlandscapeintheEasternPlainofHenanProvince

YANG Huimin1,2,LOU Fan1,LI Xiaojian1,2,*,BAI Yanfei1

1TheCollegeofEnvironmentandPlanning,HenanUniversity,Kaifeng475004,China2CollaborativeInnovationCenterofUrban-RuralCoordinatedDevelopment,HenanUniversityofEconomicsandLaw,Zhengzhou450046,China

國家自然科學基金項目(41471117)；河南省軟科學重大項目(152400410098)；教育部人文社科重點研究基地重大項目(16JJD770021)

2016- 10- 26;

2017- 05- 10

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xjli@henu.edu.cn

10.5846/stxb201610262180

楊慧敏,婁帆,李小建,白燕飛.豫東平原聚落景觀格局變化.生態學報,2017,37(16):5313- 5323.

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