干旱區內陸河流域農村居民點空間格局及分異

馬小娥, 白永平, 紀學朋, 喬富偉, 張 寧

(西北師范大學 地理與環境科學學院, 蘭州 730070)

農村居民點是指在自然、社會經濟和文化等各因素綜合影響下形成的農村人口聚居點，是農村人口從事生產活動和生活居住的場所[1]。對于農村居民點的研究一直是鄉村地理學和人地關系地域體系研究的重要內容和重要領域之一[2-3]。中國目前有上百個村、鎮及近一半的農村人口，據預測，到21世紀30年代仍有超過6億人口生活居住在農村地區。可見，農村居民點將存在于未來很長一段時間里并且發揮著舉足輕重的作用[4-5]。然而農村居民點研究因受城市中心偏向思想的影響長期滯后于城市聚落研究[6]。近年來，農村居民點存在的問題隨著農村經濟社會的全面發展日漸凸顯，其中布局零散、不成規模、形狀混亂、侵占耕地、“空廢化”以及居民點建設過程中出現的環境破壞和環境污染等將成為農村居民點發展過程中所要面臨的主要問題[7-9]。為協調城鄉發展，全國正在全面開展實施的新型城鎮化建設和新農村建設等戰略措施，使得部分農村居民點出現了新一輪問題，如撤并、重組甚至消失[10]。

國外對農村居民點的研究起步相對較早，研究也較為系統。研究內容從農村居民點區位分布、類型與職能、模式的演變、鄉村社區類型與居住區域的關系等擴展到鄉村聚落經濟發展與生態、城郊變遷中的農村居民點以及基于GIS方法對其空間結構與土地利用可視化等方面的研究，對于鄉村重構的關注不斷增加，研究范式也逐漸向人文社會方面轉變[11-14]。隨著協調區域城鄉一體化發展，新型城鎮化建設和新農村建設的快速推進，國內關于農村居民點的研究也逐漸增多，研究區域涉及多種地域類型[15-16]；研究內容主要集中在：農村居民點區位規模、農村居民點空間結構和時空演變趨勢、類型與分類[17]、整理潛力測算[18]、空心化與綜合整理以及資源環境效應[19-21]等。對于農村居民點理論研究和跨學科多元化交叉研究、農村居民點演變趨勢預測和城鎮化背景下農村居民點轉型與重構等的關注不斷增加[22]，并開始重視農村居民點人文和社會方面的研究[23]；研究方法上加強了對GIS，RS的利用[24-25]。但從整體研究現狀來看，國內學者對干旱區內陸河流域農村居民點的研究相對缺乏，石羊河流域地處西北干旱內陸區，其特殊的地理位置和氣候環境決定了農村居民形成過程的復雜性及居民點空間分布及空間形態的差異性。因此，在借鑒已有研究成果的基礎上，本文以石羊河流域為研究區域，綜合應用RS和GIS技術，揭示石羊河流域農村居民點規模結構，格局特征以及空間分異，以期為農村居民點整理提供參考依據。

1　研究區域、數據來源與研究方法

1.1　研究區概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，祁連山北麓，地理位置位于101°22′—104°16′E，36°29′—39°27′N。該區身居大陸內部，屬于溫帶大陸性干旱氣候，降水少，蒸發強烈，水資源匱乏。地勢南高北低，自西南向東北傾斜。流域總面積約4.05萬km2，行政區劃包括金昌市永昌縣及金川區全部，武威市涼州區、民勤縣、古浪縣全部及天祝藏族自治縣部分地區，張掖市肅南裕固族自治縣部分地區，共3市7縣(區)，現轄96個鄉鎮。2016年農村居民點總個數5 679個，居民點用地總面積達572 km2，流域內總人口293萬人,其中農牧業人口176萬人，城鎮人口117萬人，人口密度為75人/km2，國民生產總值633.22億元。

1.2　數據來源

本文研究數據來源于：(1) 1987年、2001年、2016年石羊河流域Landsat TM，OLI影像(帶號131,132；行號033,034，每期4景，共12景影像)，在ENVI 5.1環境中對影像進行幾何校正、坐標配準、影像融合，采用目視解譯的方法提取石羊河流域農村居民點斑塊、河流、道路等要素信息。(2) 石羊河流域30 m分辨率的DEM數據和坡度數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云鏡像網站(http:∥www.gscloud.cn)。

1.3　研究方法

1.3.1景觀格局指數景觀格局指數來自于景觀生態學，利用景觀格局指數來測度農村居民點斑塊規模和形態結構的變化[26]。主要選取斑塊總面積(TA)、斑塊個數(NP)、斑塊密度(PN)、平均斑塊面積(MPS)、邊緣指數(ED)、斑塊形狀指數(MSI)、斑塊面積標準差(PSSD)、平均斑塊分維數(MPFD)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(LPI)等指標。使用Fragstats 4.0軟件對各指標進行計算。

1.3.2平均最近鄰指數通過計算得到的居民點之間最鄰近距離的平均值與假設隨機模式下的距離平均值相比較來測度其整體空間分布模式，公式如下：

(1)

1.3.3核密度估計用于測度研究區居民點的分布密度。本文借助ArcGIS 9.3，以6 km為搜索半徑，制作農村居民點密度分布圖，其表達式為：

(2)

式中：f(x,y)為位置(x,y)處的密度估計；n為觀測數量；k為核函數；h為平滑參數或帶寬；di為位置(x,y)與第i個觀察位置之間的距離。值越大，表明居民點分布越密集。

1.3.4全局聚類檢驗用于檢測變量的全局性空間分布模式，即居民點規模高值(低值)集聚，同時引用基于GIS平臺的Getis-Ord G*(全局聚類檢驗)來檢驗變量在局部地區是否存在統計上顯著的高值和低值。具體計算方法見文獻[27]。

2　結果與分析

2.1　居民點規模擴展特征

選取NP，TA，MPS和LPI表征農村居民點規模特征，如表1所示，1987—2016年石羊河流域農村居民點斑塊個數增加了867個，斑塊總面積增長了82.39 km2，斑塊平均面積增長了5 197 m2，表明石羊河流域農村居民點總體用地規模和斑塊平均規模均在增長，居民點規模整體呈擴展趨勢。MPS增加了5 197 m2，LPI增加了0.05%，表明石羊河流域農村居民點發展有集中的趨勢。不同時期農村居民點增長模式不同。1987—2001年農村居民點斑塊個數增加了455個，增長率為9.46%，斑塊面積增長了24 km2，增長率為4.90%；對比2001—2016年，農村居民點斑塊個數增加了412個，增長率為7.82%，斑塊面積增長了58 km2，增長率為10.2%；由此推斷，1987—2001年引起整個石羊河流域農村居民點規模擴展的原因，新建農村居民點數量的增加相較于斑塊邊界擴展而顯著；2001—2016年農村居民點斑塊數量增長減緩，斑塊自身規模擴展成為主導研究區農村居民點規模擴展的因素。

表1　1987-2016年石羊河流域農村居民點數量、規模變化

石羊河流域農村居民點斑塊規模擴展特征差異顯著，大體可分為兩種，第一種是在原有基礎上向四周蔓延的形式擴展，第二種是新增斑塊與原有斑塊無空間鄰接。在整個石羊河流域居民點斑塊擴展過程中兩種方式并存，但在不同的階段主導擴展特征不同，2001年之前以第二種擴展特征為主，2001年之后擴展特征主要表現為在原有基礎上向四周蔓延的形式擴展。涼州市區、古浪縣城和雙城鎮不同等級城市周邊農村居民點均存在不同程度和不同方式的擴展。

2.2　居民點空間分布特征

2.2.1居民點保持空間集聚分布模式利用ANN指數測度1987年、2001年、2016年石羊河流域農村居民點空間分布模式(表2)，其值3年均小于1，表明1987年、2001年和2016年石羊河流域農村居民點均呈現空間聚集分布特征。而且根據3年校驗值Z可推斷，只有1%或更小的可能性會使石羊河流域農村居民點的聚類模式是隨機過程產生的結果。

表2　1987-2016年石羊河流域農村居民點ANN分析

2.2.2居民點密度總體空間分布格局變化不大，但局部集中趨勢進一步增強如圖1所示，(1) 1987—2016年農村居民點總體空間分布格局變化不大，仍保持沿河流和城市周邊集聚分布的空間特征，但局部集中趨勢進一步加強，其中涼州區最為顯著。由土地轉移矩陣看出，增加的農村居民點用地主要來自于農業用地；(2) 1987—2016年核密度高值區個數增加，出現了以永昌縣河西堡鎮為中心的新高核區；核的規模逐漸擴大，以涼州區為中心，其南北兩側核密度高值區規模擴展最為顯著，并沿涼州市區逐漸連接到一起，主要受城鎮化的影響以及城市的輻射吸引作用，使農村居民點不斷向城市周邊集聚。涼州區北部以雙城鎮為中心的高值區也有明顯擴大，主要因受國家政策影響，雙城鎮1995年被國家建設部批準為全國500家小城鎮建設試點鎮，2002年被省鄉鎮企業局確定為省級鄉鎮企業示范區。民勤縣的夾河鄉、昌寧、蔡旗以及古浪縣的黃花灘、馬路灘等地區農村居民點斑塊密度也顯著增加。(3) 部分地區核密度值由高變低，或由低變高，其中前者主要分布于民勤縣境內湖區周圍以及古浪縣和天祝縣境內高海拔區，而由低變高的區域主要分布于民勤縣境內的夾河鄉以及古浪境內景電二期工程建設中開發的北部荒漠區，引起這些地區核密度值變化的主要原因為生態移民。(4) 核密度值未發生明顯變化的區域，主要為金川區。1987—2016年金川區核密度值未發生明顯變化，其主要原因為，一方面金川地勢相對平坦，河網密度不大，早起形成了規模較大的居民點斑塊，隨著近來城鎮化的快速發展，居民點斑塊在原有基礎上不斷擴展，新增斑塊相對較少。另一方面，金川區人口城鎮化率較高，農村居民點增長相對緩慢。

2.2.3居民點分布具有明顯的河流指向性以1 000 m為間隔對石羊河流域農村居民點做河流緩沖區分析(表3)。結果表明：3個年份中農村居民點隨河流緩沖區距離變化的分布特征一致，即隨著河流緩沖區距離的增加，農村居民點斑塊總面積和斑塊個數均呈減小趨勢；但在不同緩沖區內的分布表現出明顯的差異性，農村居民點集中分布于河流緩沖區距離小于2 000 m的范圍內，其中在1 000 m以內，斑塊面積和斑塊個數分別占到斑塊總面積和斑塊總個數的42%和37%以上；1987—2016年農村居民點在河流各級緩沖區內的變化呈現出明顯差異，其變化率分別為0.26，0.17，0.10。以上特征表明石羊河流域農村居民點的分布變化呈現出明顯的河流指向性。

圖1　1987-2016年石羊河流域農村居民點密度空間分布

2.2.4居民點總斑塊數量和規模隨高程和坡度的增大呈現出明顯的減小趨勢居民點隨高程和坡度的分布是居民點空間分布特征的重要內容，根據石羊河流域高程圖和坡度圖，對石羊河流域高程和坡度進行分級，運用ArcGIS分別將高程圖和坡度圖與矢量化得到的農村居民斑塊疊加，并計算不同級別高程和坡度上農村居民點斑塊數量和斑塊規模的分布情況(表4)。根據表4發現，1987—2016年石羊河流域農村居民點斑塊在不同高程和坡度上的分布呈現出明顯的差異性，其中在高程小于1 800 m的高度范圍內，1987—2016年3年的平均斑塊個數比為66.58%，其中1987年、2001年、2016年3個年份中農村居民點斑塊個數分別占總斑塊個數的65.97%，66.81%和66.97%；斑塊面積平均比為63.63%，其中3個年份中斑塊面積占總斑塊面積的63.95%，63.67%和63.27%。在坡度小于3°的范圍內，1987—2016年的平均斑塊個數比為92.07%，其中1987年、2001年、2016年的農村居民點斑塊數量分別占總斑塊數量的92.01%，92.08%，92.12%；斑塊面積平均比為94.04%，其中3個年份的斑塊面積占總斑塊面積的比為93.08%，94.02%，88%。由此可見，居民點分布與高程和坡度有較高的相關性，從表4可以看出，石羊河流域農村居民點斑塊數量和斑塊規模隨高程和坡度的增加均呈現出明顯的減小趨勢。

表4　1987-2016年石羊河流域農村居民點平均斑塊數量規模隨高程和坡度的分布

2.3　居民點規模分異特征

2.3.1居民點斑塊規模越大，斑塊數量所占比重越小從石羊河流域農村居民點用地規模的頻率統計分布來看(圖2)，主要呈現以下特征：用地規模的頻率分布表現出明顯的偏態特征，偏斜系數大于0，中值小于均值，說明有大量的小規模斑塊集簇分布，而大規模斑塊離散分布。居民點斑塊用地規模和斑塊個數存在一定程度的負相關特征，即斑塊用地規模越大，斑塊個數所占比例越小。斑塊用地規模集中分布于2萬～9萬m2，分布于該區間斑塊面積占總斑塊面積的52.5%，斑塊個數占總斑塊個數的73.2%，斑塊面積標準差為32 751 m2；規模大于50萬m2的居民點斑塊只占總斑塊的1.53%，斑塊面積標準差102 751.81 m2，表明石羊河流域農村居民點規模集簇分布的斑塊，規模差距越小，而規模大的斑塊比重小但規模差距大。

圖2　石羊河流域農村居民點用地規模頻率

2.3.2居民點斑塊規模分異明顯，且分布呈全局低值集聚特征利用Getis-ord General G分析農村居民點規模全局集聚特征；1987年、2001年和2016年的Z得分分別為-6.615 956 (p=0.000000)，-3.322 854(p=0.000891)和-8.095 178(p=0.000000)，表明1987年、2001年、2016年石羊河流域農村居民點在全局上呈低值集聚的特征。利用Getis-Ord G*分析研究區農村居民點局部的規模分異特征，以面積為屬性制作1987年、2001年和2016年石羊河流域農村居民點的規模分布“熱點”圖(圖3)。分析得出：(1) 1987—2016年，石羊河流域農村居民點斑塊規模分異明顯，但基本格局未發生明顯變化。(2) 熱點區主要分布于金川區和古浪縣北部地區，主要是金川區經濟較發達，人口城鎮化率較高，古浪縣北部為景電二期工程建設中開發的移民安置區域，受國家政策和規劃的影響。冷點區主要位于涼州區境內，1987—2016年因受地形因素的限制，熱點區面積未發生明顯擴張，而冷點區因其居民點斑塊自身規模的不斷擴展，面積則明顯減少，尤其是2001年之后，冷點區面積收縮最為顯著。(3) 對比1987年、2001年和2016年的石羊河流域農村居民點熱點探測分布圖和核密度圖，發現兩者之間呈現出明顯的負相關特征，即石羊河流域農村居民點存在著低密度大規模分布和高密度小規模分布的空間關系特征，其中金川區為低密度大規模分布，涼州區為高密度小規模分布的負相關關系最顯著的區域。

圖3　1987-2016年石羊河流域農村居民點空間熱點分布

2.4　居民點斑塊形態特征

選取MPS，PSSD，MSI，MPFD，ED共5個指標來測度石羊河流域農村居民點斑塊形態特征，其中以MSI，MPFD和ED表征農村居民點斑塊自身形態，以PSSD和MPS測度居民點類型整體形態。由表5可以看出，1987—2016年，MSI，MPFD和ED均有明顯下降趨勢，表明農村居民點斑塊的復雜性在減弱，破碎度降低，斑塊形態趨于規則；PSSD增加了91 925.07 m2，表明農村居民點有兩極擴展的趨勢，其LPI增加，表明引起農村居民點兩極擴展的主要原因為大斑塊面積的不斷增加；同時MPS和LPI增加，表明石羊河流域農村居民點有聚集發展的趨勢。

表5　1987-2016年石羊河流域農村居民點形態特征變化

為分析石羊河流域農村居民點斑塊形態在空間上的差異性，分別計算了2016年涼州區、民勤縣、古浪縣、天祝縣、金川區、永昌縣和肅南縣的PSSD，MSI，ED。其中涼州區的PSSD，MSI，ED分別為224 713.32 m2，2.721 321，2.61 m/hm2；民勤縣分別為224 669.76 m2，2.721 325，2.59 m/hm2；古浪縣分別為224 683.84 m2，2.721 412，2.68 m/hm2；天祝縣分別為224 656.19 m2，2.722 404，2.65 m/hm2；金川區分別為224 693.15 m2，2.721 342，2.53 m/hm2；永昌縣分別為224 672.83 m2，2.721 426，2.61 m/hm2；和肅南縣分別為224 631.12 m2，2.721 516，2.63 m/hm2；可以看出，PSSD較大的為涼州區、金川區和古浪縣，前者主要為，隨著近年來城鎮化的快速發展，接近市區及距離市區較近的農村居民點在原因基礎上快速擴展，因此形成的居民點兩極分化；后者PSSD較大的原因為古浪縣大部分農村居民點分布在南部山區，有少部分分布于地勢相對平坦的河谷川地，PSSD本身較大，后來隨著下山川生態移民的政策的實施，使得PSSD在不斷增大。MSI較大的為天祝縣和肅南縣皇城鎮，主要為農村居民點分布于山區，海拔高、坡度較大，因此居民點斑塊復雜性相對大；較小的為涼州區、金川區和民勤縣，該區域海拔坡度相對較小，地勢平坦。ED表征斑塊的破碎度，其中ED最大的為古浪縣、天祝縣和肅南縣為地形相對復雜的山地；較小的為永昌縣涼州區、民勤縣和金川區為地勢相對開闊的走廊平原和綠洲。

3　結論與討論

3.1　結 論

(1) 1987—2016年石羊河流域農村居民點空間分布格局未發生明顯變化，呈低海拔、小坡度、近水系分布的總體空間特征，但局部集中趨勢加強。農村居民點總體用地規模、斑塊平均規模以及斑塊數量均有顯著增長，規模擴展特征差異明顯。(2) 石羊河流域總面積約4.05 km2，境內自然條件差異較大，農村居民點趨向于海拔較低、坡度較小、距水源較近和交通比較便利的地區布局，因此石羊河流域農村居民點斑塊占景觀面積比例較小，但斑塊密度相對較高。(3) 三十年來石羊河流域農村居民點斑塊形狀指數、平均分維數、邊緣指數的計算結果顯示，研究區農村居民點景觀破碎度逐漸降低，斑塊形態趨于規則，但從整體的居民點空間形態來看，由于蔓延擴張而引起的居民點斑塊兩級趨勢加劇。(4) 石羊河流域農村居民點斑塊規模越大，斑塊數量所占比重越小；密度分布與規模分布在空間上呈現明顯的負相關格局；農村居民點形態的空間分異特征明顯。

3.2　討論與對策

(1) 石羊河流域地處西北內陸干旱區，南部為祁連山地，北部被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠包圍，生態環境脆弱，石羊河是該區域唯一的水源，在農村居民點擴展過程中，為防止下游綠洲萎縮，生態環境破壞，政府規劃與調控農村居民點的合理布局在該區域顯得尤為重要。(2) 隨著城鎮化進程的快速推進，農村剩余勞動力大規模轉移，一方面在一定程度上使農村居民點空間擴展有所減緩，另一方面，由于我國社會保障體系尚不健全，轉移的農村勞動力大多并未完全從農村土地關系中解放出來，隨著經濟收入水平的增加，為改善住宿條件而開始新一輪的宅院擴建，這使得農村空廢化問題加劇。(3) 長期以來受城市中心偏向思想的影響，村莊發展疏于引導管理，缺乏統一規劃，缺少資金投入。新時期，隨著統籌城鄉發展，城鄉一體化與新農村建設戰略的實施，政府科學規劃城鄉建設與發展，加大農村基礎設施的投入，因地制宜，積極推進農村居民點可持續發展。(4) 石羊河流域地處西北干旱內陸區，其特殊的地理位置、氣候環境以及復雜的地形特征使農村居民點地域類型多樣，農村居民點的形成、分布、規模和形態結構都獨具有該區域特色。在今后的研究中，除了探討農村居民點地域類型劃分以及各指標如何參與劃分外，還需進一步對研究區農村居民點格局的動態特征和成因進行研究，以揭示新時期主導農村居民點空間特征和演變趨勢的影響因素。

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