基于景觀生態學的農村聚落分布特征及影響因素分析

吳弘璐+何偉+鄭惠元

摘要：采用景觀生態學分析方法，研究四川省成都市金堂縣縣域農村聚落布局狀況以及自然社會因素對農村聚落布局的影響。研究結果表明：（1）金堂縣農村聚落數量多，規模變異系數普遍偏高且差異明顯，存在集聚和分散布局并存的特點；沖積平原區內聚落布局集聚，淺丘地形區和深丘地形區聚落分布相對均勻。（2）金堂縣農村聚落斑塊形狀較不規則，且差異不大。沖積平原區聚落布局破碎度最低、斑塊形狀最為規則；低山地形區農村聚落破碎度最高、斑塊形狀最不規則。（3）金堂縣農村聚落布局隨海拔越高布局越分散、形狀越不規則，但隨坡度的增加呈現先增后減的趨勢；河流和道路對農村聚落的空間布局具有強烈的指向性，但聚落布局與河流之間有安全距離的限制，而道路對聚落布局的影響距離較小；城鎮對農村聚落布局的影響存在排斥和吸引的共同作用。

關鍵詞：景觀生態學；農村聚落布局；變異系數法；景觀指數法；影響因素

中圖分類號： F323.1 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0326-06

收稿日期：2016-05-13

基金項目：國家自然科學基金（編號：41301196）。

作者簡介：吳弘璐（1992—），女，四川成都人，碩士研究生，主要從事土地利用管理及評價研究。E-mail：1101971949@qq.com。

通信作者：何 偉，副教授，從事土地利用管理及評價研究。E-mail：cdwhe@163.com。 景觀生態學（landscape ecology）是生態學的一個重要分支，主要研究宏觀尺度上景觀類型的空間結構特征、相互作用及動態變化[1]。自引入中國，已在近30年的發展歷程中漸趨成熟，當前景觀生態學研究的核心是景觀格局與生態過程的相互作用及其尺度效應，以揭示土地利用格局對各類生態問題的影響機制[2]。眾多學者在探討土地資源合理利用時將土地利用管理與生態學有機結合起來，采用景觀指數等生態學方法來揭示土地利用的特點及格局變化[3]。

聚落是人們生產和生活的場所，是人類生產和社會活動的中心，可分為城市和鄉村2類[4-6]。其中鄉村聚落以農業生產為主體，目前相關研究內容主要包括鄉村聚落空間結構特征、空間分布規律、快速城市化背景下的時空演變以及與自然環境的相互關系[7-10]等方面。

城市化對資源的流向導向性是影響新農村建設的重要因素，城市化進程中的用地擴張、人口流動、產業結構變化、基礎設施建設、居民觀念轉變等因素必定會導致城市周圍鄉村聚落人口、社會、經濟、文化發生巨大的變化[11]。研究大中城市周邊縣域農村聚落布局有利于揭示城市化進程的推進對于農村聚落的影響[12]，同時有利于對新農村建設中農村土地利用規劃提供現實依據[13]。城市化對資源的掠奪是造成區域生態問題的重要因素，而生態問題也是目前的一大研究熱點。將景觀生態學引入農村聚落研究有利于分析農村聚落生態布局，為優化農村聚落布局提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 研究區土地利用情況

金堂地處成都平原東北部，位于104°20′37″～104°52′56″E、30°29′10″～30°57′41″N之間，是成都市確定的擴展型發展區、龍泉山生態旅游綜合功能區。2013年末，金堂縣戶籍總人口89.18萬人，其中非農人口22.89萬人。全縣轄21個鄉鎮和2個省級工業開發區。根據2010年土地變更調查結果，全縣土地面積1 155.61 km2，其中耕地所占比例最高，達到57.98%，林地其次，所占比例為14.88%。全縣土地利用情況詳見表1。

1.2 研究區地形分區

根據金堂縣的地形地貌特征，將金堂縣高程圖、鄉界面圖、Voronoi圖疊加顯示，劃定金堂縣不同地形區范圍界線，形成金堂縣地形分區圖（圖1）。可看出在龍泉山西北部，沿江河兩岸為沖積平原，地勢高低起伏差10～20 m。龍泉山以東屬川中臺地，為丘陵地帶。其中，高板、三溪、平橋等鄉鎮和福興、趙家、淮口、五鳳鎮部分地區位于龍泉山東側，地勢起伏高低差在20～50 m之間，呈淺丘地貌；竹篙、隆盛、轉龍、土橋、又新、云合等鄉鎮及金龍鎮大部分地區，丘體切割較深，地勢起伏在100～200 m之間，呈深丘地貌。龍泉山脈由北向南斜貫縣境中部，地勢起伏高低差在400～600 m之間，形成低山地貌。因此，將金堂縣分為沖積平原地形區、淺丘地形區、深丘地形區、低山地形區等4大地形區作為第二類研究區域。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本研究從金堂縣2010年土地利用現狀圖中提取村莊聚落，并結合30 m分辨率DEM影像、金堂縣縣界形成基本工作底圖，利用ArcGIS 10.1軟件空間分析功能進行聚落布局分析。人口、經濟等數據來源于金堂縣統計年鑒。

2.2 研究方法

2.2.1 基于泰森多邊形的變異系數法 將鄉村聚落斑塊構建成泰森多邊形（Voronoi圖），計算泰森多邊形面積的變異系數，變異系數的大小反映鄉村聚落的離散程度，揭示鄉村聚落的布局模式。泰森多邊形是由一組離散點連接成三角形后，取各線段中垂線形成的多邊形，每個多邊形中只存在1個離散點數據，這個離散點的屬性則代表整個多邊形的屬性信息。泰森多邊形面積越小，說明農村聚落分布越密集。本研究提取每個農村聚落中心點的x、y坐標值，再以x、y坐標生成中心點圖層，將農村聚落表現為一組離散點，再以shpfile格式的點圖層創建農村聚落泰森多邊形。

變異系數（CV）是用以衡量各觀測值變異程度的統計量，其值為標準差與平均數的比值，如公式（1）所示。變異系數值越大，說明農村聚落規模越離散，存在小面積農村聚落。

式中：CV為變異系數值，σ為標準差，μ為平均數。

本研究在構建農村聚落泰森多邊形的基礎上，采用變異系數法，計算Voronoi圖的變異系數，分析金堂縣農村聚落空間分布類型、分布均勻度的離散程度。其中，當農村居民點分布均勻時，Voronoi多邊形面積變化小，CV值較低；當農村居民點集聚分布時，集聚群內Voronoi多邊形面積較小，CV值較低，集聚群間Voronoi多邊形面積較大，CV值較高[9]。endprint

2.2.2 景觀指數法 景觀指數能高度濃縮景觀格局信息，反映其結構組成和空間配置某些方面的簡單定量指標[9]，適合定量表達景觀格局和生態過程之間的關聯。本研究在Fragstas 4.2軟件支持下，選取了斑塊數目、斑塊總面積、斑塊密度、景觀形態指數、形狀指數等5個生態景觀指標對金堂縣農村聚落空間分布特征進行評價分析。本研究利用景觀指數法從景觀生態學角度分析農村聚落空間分布特征，以及各影響因子對聚落空間分布的影響特征。

2.2.3 緩沖區分析法 影響農村聚落布局分布的自然社會因素中，一些影響因素的作用效果是表現在農村聚落距離因素上，隨著距離的變化，農村聚落分布特征也存在明顯的差異。本研究對影響農村聚落布局的因素中的河流、道路、城鎮等因素，采用緩沖區分析方法，按照不同的距離半徑構建緩沖區，分析不同緩沖區內農村聚落布局的特點，來揭示這些因素對農村聚落布局的影響。

2.3 聚落空間分布特征指標

本研究選取斑塊數目、斑塊總面積、斑塊密度、景觀形態指數、形狀指數5個生態景觀指標對金堂縣農村聚落空間分布特征進行評價分析。各指標定義及計算公式如表2所示。

3 農村聚落空間分布特征

3.1 基于變異系數法的聚落空間分布特征分析

3.1.1 不同鄉鎮農村聚落空間分布特征 分別對金堂縣下轄21個鄉鎮的所有農村聚落，按照聚落的面積規模，統計各鄉鎮聚落面積規模的變異情況，結果如表3所示。可以看出，研究區內各鄉鎮農村聚落規模變異系數普遍偏高，表明金堂縣各鄉鎮農村聚落分布較為零散，聚落規模差異明顯，聚落分布存在集聚和分散并存的特點。絕對規模差異最大的是棲賢鄉，最大面積聚落與最小面積聚落間的面積比值達27 742，聚落規模變異系數為400.95%；絕對規模差異最小的是轉龍鎮，最大面積聚落與最小面積聚落間的面積比值為258，變異系數僅為7.36%。

以農村聚落為中心點，生成Voronoi圖（圖2、圖3）。采用變異系數法分析各泰森多邊形的面積差異，結果見表3。可以看出，金堂縣大多數鄉鎮CV值偏低，說明農村聚落空間分布較均勻。其中，云合鎮、平橋鄉、轉龍鎮、竹篙鎮、隆盛鎮5個鄉鎮的Voronoi多邊形變異系數在60%～70%之間，說明這5個鄉鎮內農村聚落空間均勻分布，聚落分散特點突出。三溪鎮、又新鎮、廣興鎮、高板鎮、金龍鎮、土橋鎮、白果鎮Voronoi多邊形變異系數在70%～80%之間，其農村聚落空間分布較為均勻，集聚不明顯。福興鎮、清江鎮、棲賢鄉、五鳳鎮、趙家鎮Voronoi多邊形變異系數在80%～90%區間內，其農村聚落空間分布較不均勻，集聚較明顯。官倉鎮、三星鎮、淮口鎮、趙鎮Voronoi多邊形變異系數在90%～180%區間內，其農村聚落空間分布不均勻，集聚明顯。

3.1.2 不同地形區農村聚落空間分布特征 利用各地形面裁剪金堂縣農村聚落Voronoi圖，得到不同地形區農村聚落Voronoi圖（圖4）。按地形區統計各地形區Voronoi圖面積變異系數（表4），分析各地形區農村聚落規模分布特征。

由表4可以看出，金堂縣內不同地形區內，農村聚落布局分布差異明顯。其中，沖積平原地形區內農村聚落面積規模CV

值和Voronoi圖CV值都比較大，分別達到220.13%和 148.47%，這說明沖積平原地形區內，農村聚落面積規模大小差異明顯，聚落空間分布不均勻，集聚的特點突出。淺丘地形區和深丘地形區內農村聚落面積規模CV值較大，分別為197.32%和178.71%，但Voronoi圖CV值均較低，分別為 85.23% 和71.52%，這說明在這2個地形區內，農村聚落面積規模大小雖然有一定的差異，但農村聚落的空間分布較為均勻。低山地形區農村聚落面積規模CV值最大，達到 290.67%，但Voronoi圖CV值不高，為99.90%，這說明在低山地形區，農村聚落面積規模大小差異突出，但農村聚落的空間分布相對均勻。

3.2 基于景觀指數法的聚落空間分布特征分析

3.2.1 不同鄉鎮農村聚落空間分布特征 利用ArcGIS軟件對村莊斑塊的空間進行統計分析，得到了金堂縣各鄉鎮農村聚落景觀指數值（表5），以及金堂縣各地形區內農村聚落的景觀指數值（表6）。

斑塊總面積（CA）反映景觀大小的整體水平，三溪鎮、竹篙鎮、淮口鎮、福興鎮、趙鎮的指數值較高，斑塊總面積較大，農村聚落分布面積較廣。

斑塊平均面積（MPS）反映斑塊破碎度情況，取值越小則越破碎。可以看出，隆盛鎮、轉龍鎮、五鳳鎮、又新鎮指標值偏低，農村聚落景觀破碎度高；清江鎮、官倉鎮、趙鎮指標值較高，農村聚落景觀破碎度低，農村聚落較集中連片。

斑塊數目（NP）是指村落斑塊總數，用以描述斑塊破碎度，但其受研究區域面積大小影響較大，因而常與斑塊密度指數（PD）共同描述斑塊破碎度。本研究對斑塊密度指數采用了2種不同統計方式，PD1為每1 km2內斑塊數目，PD2為農村聚落景觀面積與金堂縣縣域總景觀面積之比。若PD1值高，而PD2值低，則說明該區域斑塊較破碎，農村聚落小且分散；若PD1值低，而PD2值高，則說明該區域斑塊較集聚，農村聚落規模大。例如，高板鎮、官倉鎮、淮口鎮、隆盛鎮、三星鎮等鎮PD2指數值相同，而PD1值區別較大，說明這4個鄉鎮破碎度從高到低排名分別是隆盛鎮>淮口鎮>三星鎮>高板鎮>官倉鎮。

平均形狀指數（MSI）反映斑塊形狀規則度，當景觀中所有斑塊為正方形時，MSI=1，當斑塊形狀偏離正方形時MSI增大。可以看出，金堂縣各鄉鎮農村聚落斑塊形狀較不規則，且差異不大，集中于1.29～1.33之間。其中官倉鎮、清江鎮、土橋鎮、趙鎮指標值較高，農村聚落斑塊相對更不規則，而三星鎮、棲賢鄉指標值較低，農村聚落斑塊相對規則。總體而言，清江鎮、官倉鎮、趙鎮、土橋鎮的農村聚落布局較集聚、規則；福興鎮、白果鎮、棲賢鄉的農村聚落布局集聚，較呈不規則狀；高板鎮、廣興鎮、淮口鎮、金龍鎮、三溪鎮、趙家鎮、竹篙鎮的農村聚落布局較零散，但呈規則狀；隆盛鎮、轉龍鎮、平橋鄉、三星鎮、五鳳鎮、又新鎮的農村聚落布局較零散、不規則。endprint

3.2.2 不同地形區農村聚落空間分布特征 從4大地形區的農村聚落布局景觀指數（表6）來看，金堂縣農村聚落大部分位于丘陵地區，其中淺丘地形區的農村聚落面積最大，數量最多，其次是深丘地區。斑塊平均面積（MPS）和斑塊密度指數（PD），以及平均形狀指數（MSI）都隨地形區的起伏程度而改變。沖積平原地形區的3個指標值最高，表示平原區農村聚落布局最集聚，破碎度低，呈規則狀分布；低山地形區指標值最低，表示低山地形區農村聚落分布總體分散，但明顯也有多個集聚群，聚落斑塊破碎度高，多呈不規則狀。這說明農村聚落布局受地形因素影響較大。

4 農村聚落空間布局的影響因素分析

從農村聚落空間分布和地形區空間分布的特征可以看出，農村聚落布局不僅受社會經濟因素影響，同時也受到自然因素的影響。為研究自然和社會因素對金堂縣農村聚落分布的影響，選擇海拔、坡度、河流3個自然條件和道路、城鎮2個社會經濟因素，按照不同影響程度分別進行空間統計，分析各因素不同程度下對農村聚落空間分布的影響。

海拔和坡度因素分別通過DEM圖中提取高程和坡度值，高程按0～500 m和>500～1 000 m這2個等級，坡度按0°～2°、>2°～6°、>6°～15°、>15°～25°、>25°等5個等級；河流和道路、城鎮采用緩沖區分析，按距離河流和道路≤300 m、>300～600 m、>600～900 m、>900 m，距離城鎮≤500 m、>500～1 000 m、>1 000～1 500 m、>1 500 m分別分為4個等級，統計不同等級的農村聚落布局景觀指數，分析各因素對金堂縣農村聚落空間布局的影響，結果見表7。

4.1 海拔因素的影響

隨著海拔高度的遞增，金堂縣農村聚落斑塊平均面積及斑塊密度、平均形狀指數3大景觀指數均呈現遞減變化趨勢。海拔越高的區域，其農村聚落分布數量越少，聚落平均面積也越小，分布較零散；海拔越低的區域，其農村聚落分布數量越多，聚落平均面積越大，分布越集中。其中，沖積平原地區因其較好的自然條件而聚集了高密度的農村聚落，該地形區面積占全域11.71%，農村聚落數量占聚落總量的15.81%，且明顯呈集聚趨勢，農村聚落斑塊破碎度低，呈規則狀分布；丘陵地區范圍最廣，占全域的61.94%，農村聚落數量占聚落總量的67.77%，受地形地貌的影響，農村聚落分布呈局部集聚、總體均勻狀態；淺丘地區農村聚落集聚度高于深丘地區，且淺丘地區農村聚落分布密度較深丘地區高，農村聚落斑塊破碎度、規則度整體呈較低水平；低山地形區占全域2635%，農村聚落數量占聚落總量的16.42%，農村聚落分布總體分散，但明顯有多個集聚群，聚落斑塊破碎度高，多呈不規則狀。

4.2 坡度因素的影響

由表7可以看出，斑塊總面積、斑塊平均面積、斑塊數目、斑塊密度指數值隨坡度的增加而呈現先增大后減小的趨勢。在坡度在0°～15°之間時，坡度越大，則農村聚落面積、聚落平均面積越大，聚落密度越大，分布越集中；當坡度超過15°后，農村聚落面積、平均面積減小，聚落密度減小，分布越松散。其中，在坡度在>6°～15°之間時，農村聚落面積、聚落平均面積、聚落數目均為最高，聚落密度也較大。而斑塊形狀隨坡度的增加呈現越來越不規則的分布特點。

4.3 河流因素的影響

金堂縣農村聚落空間布局有強烈的河流指向性。雖然距離河流在900 m以外的農村聚落斑塊總面積最大，但這與該區域范圍最大有關，不具有代表性，且該區域斑塊平均面積最低。從斑塊密度來看，距離河流900 m以內的農村聚落斑塊密度明顯高于900 m以外的聚落斑塊密度，其中>300～600 m、>600～900 m斑塊密度值最高；這既體現了農村聚落沿河布局以便于獲得生產生活用水的原因，同時也體現了農村聚落布局時，與河流保持適當安全距離的現實需要。同時也可以看出，距離河流越近的區域，聚落斑塊形狀越規則（表7）。

4.4 道路的影響

道路對金堂縣農村聚落空間布局的影響作用與河流相似，但道路的影響半徑要比河流的影響半徑明顯縮小，且不存在安全距離限制。在距離道路300 m以內的區域，農村聚落的平均斑塊面積、斑塊密度均為最高，斑塊形狀也較為規則。距離道路300 m以外的農村聚落平均斑塊面積、斑塊密度、斑塊形狀相差不大，這說明當距道路300 m以外時，農村聚落分布狀況受道路影響較小（表7）。其主要原因是道路作為生活生產活動的重要媒介，距離道路的遠近決定了農村聚落的交通差異，影響了對外聯系的便利度，因而農村聚落趨向于在道路兩側呈條帶式分布。

4.5 城鎮的影響

城鎮對農村聚落的影響存在排斥和吸引的共同作用。從景觀指數值可看出，斑塊面積指數值先增后減，距城鎮 >500～1 000 m范圍內農村聚落分布面積最大，這主要是由于距離城鎮太近的農村聚落更容易受到城鎮化的影響，通過征收或者納入城鎮范圍而轉為城鎮用地后農村聚落消失。另一方面，當距城鎮1 500 m以外時，農村聚落總面積也最小，也體現了城鎮對農村聚落的吸引作用，距離城鎮1 500 m以內的農村聚落的平均面積、斑塊密度等均明顯高于距城鎮 1 500 m 以外的農村聚落。而斑塊形狀較為規則的農村聚落主要是集中在距離城鎮500 m以內的區域，500 m以外區域農村聚落斑塊形狀較不規則，且差異不大。

5 結論與討論

金堂縣農村聚落數量多，規模變異系數普遍偏高且差異明顯，存在集聚和分散布局并存的特點。官倉鎮、趙鎮等鄉鎮農村聚落空間分布聚集明顯，云合鎮、平橋鄉等鄉鎮聚落分散布局特點突出；沖積平原區內農村聚落空間布局集聚，淺丘地形區和深丘地形區農村聚落空間分布相對均勻。

金堂縣農村聚落斑塊形狀較不規則，且差異不大。三星鎮、棲賢鄉等鄉鎮農村聚落斑塊相對規則，而官倉鎮、清江鎮等鄉鎮農村聚落斑塊相對不規則；沖積平原區農村聚落布局破碎度最低、斑塊形狀最為規則；低山地形區農村聚落破碎度最高、斑塊形狀最不規則。endprint

海拔、坡度、河流、道路和城鎮等自然和社會經濟因素對金堂縣農村聚落的空間布局影響明顯。農村聚落斑塊平均面積及斑塊密度、平均形狀指數等指數隨海拔的增高均呈現遞減變化趨勢，但隨坡度的增加呈現先增大后減小的趨勢；河流對農村聚落的空間布局具有強烈的指向性，但聚落布局也存在與河流保持適當安全距離的特點；距離道路300 m以內的農村聚落空間布局受道路影響明顯，大于300 m時，聚落分布狀況受道路影響較小；而城鎮對農村聚落的影響存在排斥和吸引的共同作用。

本研究中，采用景觀指數對不同鄉鎮和地形區農村聚落的布局特征進行了探討，并分析了海拔、坡度、河流、道路、城鎮等自然和社會經濟因素對農村聚落布局的影響，但研究中景觀指數僅選擇了斑塊總面積、斑塊平均面積、斑塊數目、斑塊密度、平均形狀指數等指標，有進一步豐富和拓展的空間。同時，各自然和社會經濟因素之間對農村聚落布局的相互影響值得進一步深入探討。

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