莎車縣近50年鄉村聚落時空格局演化

賈翔, 閆志明, 梁婷, 陳春秀, 代燕

莎車縣近50年鄉村聚落時空格局演化

賈翔1,2, 閆志明3,*, 梁婷4, 陳春秀1, 代燕1

1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊 830054 2. 烏魯木齊空間遙感應用研究所, 烏魯木齊 830054 3. 新疆農業大學MPA教育中心, 烏魯木齊 830052 4. 新疆師范大學科研處, 烏魯木齊 830054

鄉村聚落的演變能夠深刻反映自然環境和人文社會經濟的變遷, 但對其研究并沒有廣泛和深入開展。以南疆典型區域莎車縣為研究區, 發揮遙感技術優勢, 借助1970 s以來的CORONA和Landsat系列影像等多源多時相遙感數據進行信息提取和時空分析, 探討聚落時空演變特征。結論如下: (1)近50年來莎車縣鄉村聚落規模變化較為劇烈, 聚落由大規模、低密度向小規模、高密度演化, 聚落斑塊數量和面積增加顯著, 特別新世紀以來增速明顯加快。(2)鄉村聚落重心均位于縣域中部的托木吾斯塘鄉, 且向西南偏移。(3)鄉村聚落斑塊之間距離持續縮減, 圖斑持續向外擴張, 為隨機模式聚集, 且向西南擴張, 聚集程度持續提高。(4)鄉村聚落核密度呈現由低向高增大的趨勢, 核密度低值向較高值和高值發展, 2000—2018年比1964—2000年的階段核密度高低值分布狀況變化劇烈, 鄉村聚落高值集聚區呈現由散狀—帶狀—片狀的變化特征, “熱點區”和“冷點區”斑塊數量均有所上升。

鄉村聚落; 時空格局; CORONA; 莎車縣

0 前言

近幾十年, 新疆特別是南疆四地州鄉村地區發生了翻天覆地的變化[1]。鄉村聚落的演變能夠深刻反映自然環境和人文社會經濟的變遷, 在自然環境、歷史、經濟等多種因素的綜合作用下, 南疆鄉村聚落歷經70年在空間上得到了巨大的發展和演變, 不僅體現在聚落形態, 原有的聚落結構得到改變, 而且居民的生產、生活方式和賴依生存的自然經濟要素也有許多變化[2]。為了促進南疆鄉村地區的進一步發展, 必須厘清鄉村聚落時空演變機制, 從而探討鄉村聚落空間格局的適宜模式。

國外聚落研究始于19世紀, 研究成果較多, 主要集中于不同生態環境下的聚落形成及其形態[3]、鄉村聚落類型[4]、鄉村聚落社會問題[5-7]、鄉村聚落系統的作用因子[8-10]、聚落景觀格局與土地利用類型[11-13]等方面。國內在鄉村聚落地理研究方面開始較晚, 改革開放后鄉村聚落地理研究興起, 伴隨著社會經濟的快速變革, 鄉村地理變得炙熱, 關于鄉村聚落的空間特征[14-15]、發展演化[16]、空間擴展模式[17]等方面的研究成果涌現。新疆鄉村聚落研究, 主要是形態特征[18-19]、空間形態[20-21]方面。近兩年, 馬曉娟針對南疆三地州典型聚居區結合自然環境和社會經濟現狀建立了人口安全預警模型[22]; 劉香云等利用GIS技術和空間計量方法針對2012—2015年艾比湖流域綠洲的鄉村聚落空間格局及影響因素進行了分析[23]; 張貝貝等利用土地利用二類調查數據對澤普縣鄉村聚落的空間格局特征和類型進行了研究[24]。南疆地區自然地理條件復雜, 縣域自然背景和社會經濟條件差異大, 利用較長時序遙感影像開展鄉村聚落時空演變的研究甚少。

作為南疆歷史悠久的古絲路重鎮, 莎車縣鄉村聚落變化較為顯著, 是研究南疆地區鄉村聚落時空演變及驅動因子的典型樣本。發揮遙感技術優勢, 借助1960 s以來的CORONA和Landsat系列影像等多源多時相遙感數據對莎車縣鄉村聚落進行信息提取和時空分析, 探尋其時空演變的過程、特點、規律, 為改善鄉村人居環境提供科學支撐, 助力實施鄉村振興戰略。

1 材料與方法

莎車縣, 位于昆侖山脈北麓, 帕米爾高原南面, 地處塔克拉瑪干沙漠和布古里沙漠之間的葉爾羌河沖積扇平原中上游。地勢自西南向東北傾斜, 總面積9037 km2, 地理坐標東經76°18'—77°47'、北緯37°27'—39° 5'(圖1)。屬干旱荒漠性氣候, 四季分明, 氣候干燥, 日照長, 水分蒸發量大, 年無霜期220 d左右, 年平均氣溫11.4 ℃, 年日照時數2965 h, 年平均降水量56.6 mm。從新中國成立至今, 歷經70年的持續發展, 莎車縣城鄉建設和社會經濟發生了巨大變化, GDP從解放初的500余萬元提高至2018年88.9億, 人口從解放前的29×104增至2018年87× 104, 行政區劃幾經變化如今達到34個鄉鎮(區、街道)、485個行政村[25]。

1.1 數據源及處理

本研究需要以下數據:

(1)聚落數據: 1964年聚落斑塊由CORONA影像(分辨率2.13 m, ID: DS1011—1007DF088、DS1011—1007DF089、DS1011—1007DF090, 源于美國地質勘探局網站)解譯提取, 2000年聚落斑塊由TM影像(分辨率30 m, ID: LT51480332000112AAA02、LT51480342000080XXX02, 源于地理空間數據云平臺)解譯并結合GE歷史影像目視提取; 2018年聚落斑塊由Landsat8影像(分辨率30 m, ID: LC81480332 018113LGN00、LC81480342018129LGN00, 源于地理空間數據云平臺)解譯提取。

(2)DEM數據: 源于地理空間數據云平臺, 空間分辨率30 m, 用于獲取高程、坡度、地形起伏度等信息。

(3)社會經濟數據: 源于莎車縣志和喀什地區統計年鑒等。

將上述涉及的所有空間數據統一到UTM坐標系。

圖1 莎車縣區位關系圖

Figure 1 Location Map of Shache County

1.2 研究方法

1.2.1 重心轉移指數

重心轉移指數用于度量空間分布變化, 通過重心位置可以定量分析鄉村聚落空間分布的變化[11]。重心位置計算公式:

式中:X、Y分別表示第年鄉村聚落斑塊分布重心的坐標;S為第個聚落斑塊在第年的面積(hm2);X、Y為第個聚落斑塊形態幾何中心的坐標。

1.2.2 平均最近鄰分析

平均最近鄰指數(nearest neighbor analysis,)可判斷鄉村聚落斑塊空間分布模式[8]:

式中:D是鄉村聚落斑塊與最近鄰斑塊間的平均距離;D是在隨機模式下鄉村聚落斑塊的期望平均距離;d為距離;為斑塊數量;為覆蓋所有斑塊的最小多邊形面積。若指數(平均最近鄰比率)小于1, 則鄉村聚落斑塊表現的模式為聚類; 若指數大于1, 則表現的模式趨向于擴散。

1.2.3 核密度分析

核密度分析用于計算鄉村聚落斑塊在其周圍鄰域中的單位密度, 它能直觀的反映離散斑塊在連續區域內的分布情況, 是一種統計非參數密度估計方法, 計算公式為[26]:

式中:(,)是位于(,)位置的核密度值;是平滑參數;是觀測數值;是核函數;d是(,) 位置距第個觀察點的距離。(,)越大, 代表位于(,)位置的鄉村聚落斑塊單位密度越大, 反之則單位密度越小。

1.2.4 空間關聯特征

基于3個時期鄉村聚落斑塊分布數據, 分別采用Moran指數和Getis-Ord指數來衡量不同時期鄉村聚落斑塊面積的全局空間關聯特征和局部空間關聯特征[16], 借此說明各時期鄉村聚落斑塊面積的空間總體相似程度和局部集聚程度。

(1)Moran指數計算公式[17]為:

式中:為Moran指數;x, x為鄉村聚落斑塊在相鄰配對空間單元的取值,為所用聚落斑塊面積平均值;w為相鄰權重(通常規定, 若斑塊和相鄰則w=1, 否則w=0);為空間單元總數。Moran,s I值域為[-1,1], ＞0表示正相關, =0表示不相關, ＜0表示負相關。

(2)Getis-Ord指數計算公式[17]為:

式中:G為Getis-Ord指數;x是鄉村聚落斑塊的面積值;w是斑塊和的空間權重;為斑塊總數。利用自然斷裂法對不同時期Getis-Ord指數進行可視化表達。

2 結果與分析

2.1 鄉村聚落空間分布格局

2.1.1 鄉村聚落規模特征

如表1所示, 莎車縣鄉村聚落規模特征在1964—2018年期間變化較為劇烈, 其中:

(1)鄉村聚落斑塊個數和面積顯著增加, 斑塊數增加4302個, 面積增加18405.13hm2, 增幅分別高達330.16%和219.52%。1964—2000年和2000— 2018年兩個階段相比, 后一個階段增長速度加快, 斑塊數年變化率分別為29.27%和11.45%, 規模年變化率分別為24.46%和7.95% 。

(2)由大規模、低密度向小規模、高密度演化。斑塊平均面積由6.43hm2下降到4.78hm2, 降低1.65 hm2; 斑塊密度由0.15個·km-2增加到0.64個·km-2, 增加0.49個·km-2。

2.1.2 重心轉移分析

使用Arc GIS軟件對莎車縣鄉村聚落進行標準差橢圓分析, 測算鄉村聚落斑塊的中心、離散趨勢和分布方向等分布特征。

如表2所示, 莎車縣鄉村聚落標準差橢圓面積逐步擴大, 聚落范圍處于擴張狀態, 角度向西南旋轉。

莎車縣3個時期的聚落重心均位于縣域中部的托木吾斯塘鄉(圖2), 1964—2000年向西遷移2.17 km, 在于人口增長, 引發人地矛盾, 符合鄉村聚落向西擴展的變化過程; 2000—2018年向西南遷移1.26 km, 與縣城向西南遷移并在區域內發揮增長極作用有關。

2.2 鄉村聚落空間集聚差異

2.2.1 平均最近鄰分析

使用Arc GIS軟件對莎車縣鄉村聚落進行平均最近鄰分析, 用來判斷鄉村聚落的空間分布模式及顯著性。

表1 莎車縣1964—2018年鄉村聚落規模變化

表2 莎車縣1964—2018年鄉村聚落標準差橢圓指標

圖2 莎車縣1964—2018年鄉村聚落中心轉移路徑

Figure 2 The transfer path of rural settlement centers in Shache County from 1964 to 2018

如表3所示, 對比1964年、2000年和2018年莎車縣鄉村聚落的平均最近鄰分析結果中的觀測值和期望值可知: 1964—2000年鄉村聚落觀測值和期望值下降, 斑塊間距縮減; 2000—2018年鄉村聚落觀測值和期望值大幅度下降, 斑塊間距進一步縮小。50年來鄉村聚落擴張過程中, 斑塊持續向外擴張。對比3個時期鄉村聚落的平均最近鄰分析結果中的值和標準化值可知, 鄉村聚落的值均小于1, 表明鄉村聚落均為隨機模式聚集, 斑塊個數持續增長, 且向西南擴張, 使得值降低, 聚集程度持續提高。標準化值小于-1.96, 反映聚集態勢較為顯著, 顯著性水平值均小于0.001, 置信度為99%。

表3 莎車縣1964—2018年鄉村聚落平均最近鄰指標統計表

2.2.2 核密度分析

使用Arc GIS軟件提取莎車縣鄉村聚落的質心點, 計算聚落空間分布核密度(圖3), 分析由斑塊密度引起的空間分布差異性。

如圖3所示, 3個時期莎車縣鄉村聚落的密度分布特點差異性較為明顯, 形成了顯著的核密度高值和低值鄉村聚落區域。

1964年莎車縣核密度高值鄉村聚落分布區域比較狹小, 主要集聚在縣城及其附近。核密度低值鄉村聚落區域主要位于均值集聚葉爾羌河流域上游地區和流域以外地區。

2000年莎車縣核密度高值鄉村聚落區域, 分布相對廣泛, 縣城及周圍的鄉鎮均有分布, 其中核密度高值鄉村聚落區域群集聚在縣城及附近。核密度低值鄉村聚落區域主要位于均值集聚葉爾羌河流域上游地區, 大部分核密度低值鄉村聚落區域群集聚在葉爾羌河流域以外的其他地區。

2018年莎車縣核密度高值鄉村聚落區域, 分布比較廣泛, 大部分集聚在流域中下游。核密度低值鄉村聚落區域大部分集聚在葉爾羌河流域上游和流域外的其他地區。

1964—2000年莎車縣核密度高值和低值鄉村聚落的分布狀況大致相同, 其原因是該時期莎車縣鄉村聚落擴張過程中沒有改變原有的分布特點, 面積大的鄉村聚落斑塊和面積小的鄉村聚落斑塊相互交雜在一起。同時因該階段鄉村聚落擴張過程中以面積小的斑塊居多, 造成2000年莎車縣鄉村聚落的斑塊密度高于1964年。

2000—2018年莎車縣核密度高值和低值鄉村聚落的分布狀況變化劇烈, 縣城周圍原核密度低值鄉村聚落有所消減, 發展為核密度較高值和高值鄉村聚落區域。主要是由于聚落上漲過程中受到政策因素的影響較大, 人口增長和富民安居工程的實施使得聚落密度進一步提高。

2.2.3 空間自相關分析

以莎車縣鄉村聚落面積為需求參數, 使用Arc GIS軟件對鄉村聚落進行空間自相關分析, 探究聚落斑塊的集聚模式。

如表4所示, 3期鄉村聚落的Moran's I指數均大于0, 在空間上均為正相關, 聚落集聚時傾向于規模大致相同聚落集聚。由于Moran’s I指數大于期望值, 聚落具有高值聚集的空間分布特征。同時結合值和值可知, 鄉村聚落的集聚特征具有統計學上的顯著性。

2.2.4 空間熱點分析

使用Arc GIS軟件對莎車縣鄉村聚落進行空間熱點分析, 利用規模差異產生的值大小劃定鄉村聚落的熱點區和冷點區, 研究聚落冷熱點的空間分布特征。

如圖4所示, 3個時期的鄉村聚落冷熱點分布特征明顯, 形成了顯著的熱點區和冷點區。

1964年, 鄉村聚落高值集聚區基本上呈現散狀分布, 連續性較低。“熱點區”斑塊數為56, 主要分布在縣城; “冷點區”斑塊數為157, 主要分布在流域上游和下游。

圖3 莎車縣1964—2018年鄉村聚落核密度分布圖

Figure 3 Distribution map of nuclear density of rural settlements in Shache County from 1964 to 2018

表4 莎車縣1964—2018年鄉村聚落空間自相關指數

2000年, 鄉村聚落呈現帶狀分布, 有一定的連續性。“熱點區”斑塊數為434, 主要分布在縣城及其周圍鄉鎮; “冷點區”斑塊數為287, 主要分布在流域中上游即莎車縣西南部。

2018年, 鄉村聚落基本上呈現“片”狀分布, 分布廣泛。“熱點區”斑塊數為1137, 主要分布在縣城及周圍鄉鎮, 較2000年向南、北輻射; “冷點區”斑塊數為1287, 主要分布在流域中上游即莎車縣西、南部以及東部區域。

3 討論

研究發現, 近50年來莎車縣鄉村聚落時空格局演化劇烈, 整體上聚落呈現低密度、小規模的集聚分布模式為主, 具體表現為“平原密集, 山地稀疏, 荒漠無村”的空間分布特征, 與新疆其他區域的鄉村聚落分布特征相近[27]。1964年研究區人口相對稀少, 生產生活條件落后, 聚落密度極低。伴隨著改革開放, 新世紀以來特別是脫貧攻堅實施以來, 中央和自治區專項資金的大規模持續投入, 各類建設活動增加, 鄉村聚落變化異常活躍。

相較于新疆其他縣域, 莎車縣聚落變化程度略顯迅速[28]。作為新疆人口最多的縣域, 莎車縣城鄉建設速度一直位居前列, 特別是縣城中心南遷后基建規模隨之擴大城鄉結合部發生了巨大變化, 重心向西南偏移顯著, 聚落的時空演變較其他縣域更加明顯。

近幾年, 新疆區域特別是莎車縣脫貧攻堅成效顯著, 富民安居工程的全面實施, 鄉村聚落的空間規模增加顯著[29]。2010年以來, 莎車縣500余個村(社區)累計建成富民安居房16萬余套, 同時一大批鄉村兩級行政服務中心、文化廣場、中小學幼兒園校舍等基礎設施相繼落地。當地安居房完工后, 舊房屋尚未及時拆除, 原低值區繼續存在, 抬高了所在區域的核密度。大量扶貧項目的實施, 使得鄉村聚落的配套服務設施得以完善, 聚落密度及集聚程度有所提高。聚落由大規模、低密度向小規模、高密度演化[30]。

莎車縣鄉村聚落主要鄰近鄉鎮中心, 沿道路、河流兩邊分布, 所在區域地形相對簡單, 海拔或坡度相對較低, 有利于聚落的產生和擴張。距鄉鎮中心、道路和河流等便利設施或有利的自然條件越近, 聚落的密度和規模越大。在干旱半干旱地區, 受到極端地理和生態環境條件的制約, 若要實現聚落的空間優化與振興, 則需要持續投入大量資金不斷完善基礎設施, 促進城鄉要素的順暢流動, 深入推進城鄉融合發展與鄉村振興[31]。

圖4 莎車縣1964—2018年鄉村聚落空間熱點分布圖

Figure 4 Spatial hot spot distribution map of rural settlements in Shache County from 1964 to 2018

4 結論

本文通過分析莎車縣1964年以來的鄉村聚落時空變化特征, 為美麗鄉村建設提供科學依據, 主要結論如下:

50年來莎車縣鄉村聚落規模變化較為劇烈, 聚落由大規模、低密度向小規模、高密度演化, 聚落斑塊數量和面積增加顯著, 新世紀以來增長加快, 斑塊數量和面積的年變化率增速明顯。鄉村聚落重心均在縣域中部的托木吾斯塘鄉, 同時向西南偏移, 主要由于人口增長引發人地矛盾, 縣城向西南遷移, 符合鄉村聚落向西擴展的變化過程。

50年來莎車縣鄉村聚落在擴張過程中, 斑塊之間距離持續縮減, 斑塊持續向外擴張。鄉村聚落為隨機模式聚集、高值聚集的空間分布特征, 斑塊數量持續增長, 且向西南擴張, 聚集程度持續提高。鄉村聚落核密度呈現由低向高增大的趨勢, 2000—2018年核密度高低值分布狀況變化劇烈, 核密度低值向較高值和高值發展, 主要受到人口增長和富民安居工程的影響。鄉村聚落形成了比較明顯的高值和低值集聚區, 高值集聚區呈現由散狀—帶狀—片狀的變化特征, 逐漸具有連續性。“熱點區”斑塊數量增加明顯, 主要分布在縣城及周圍鄉鎮; “冷點區”斑塊數量有所上升, 大多分布在人口分布稀疏的流域中上游及東部區域, 主要受到聚落數量整體增長的影響。

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The evolution of spatial and temporal patterns of rural settlements in Shache County in the past 50 years

JIA Xiang1,2, YAN Zhiming3, Liang Ting4, Chen Chunxiu1,2, Dai Yan1

1. College of Geography Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China 2. Urumqi Institute of Spatial Remote Sensing Applications, Urumqi 830054, China 3. Center for Master of Public Administration, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China 4. Scientific Research Office, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China

The evolution of rural settlements can profoundly reflect the changes in the natural environment and humanities, society and economy, but their research has not been extensively and thoroughly carried out. Taking Shache County, a typical area of southern Xinjiang, as the research area, taking advantage of remote sensing technology, using multi-source and multi-temporal remote sensing data such as CORONA and Landsat series images since the 1960s, information extraction and spatio-temporal analysis are carried out to discuss the characteristics of the temporal and spatial evolution of settlements. The conclusions are as follows. (1) The scale of rural settlements in Shache County has changed drastically in the past 50 years. The settlements have evolved from large-scale and low-density to small-scale and high-density. The number and area of settlement patches have increased significantly, especially since the new century. (2) The center of gravity of rural settlements is in Tuomuwusitang Township in the middle of the county, and it shifts to the southwest. (3) The distance between rural settlement patches continues to shrink, and the map patches continue to expand outward, in a random pattern. The core density of rural settlements has increased from low to high, and the core density of rural settlements has increased from low to high. The core density of rural settlements has developed from low to high and high values. 2000-2018 compared with 1964-2000, the distribution of high and low values of nuclear density changed drastically during the year. The high-value agglomeration areas of rural settlements showed changes from scattered-banded-flaky, and the number of patches in "hot spots" and "cold spots" increased.

rural settlements; spatial and temporal patterns; CORONA; Shache County

賈翔, 閆志明, 梁婷, 等. 莎車縣近50年鄉村聚落時空格局演化[J]. 生態科學, 2023, 42(1): 146–154.

JIA Xiang, YAN Zhiming, Liang Ting, et al. The evolution of spatial and temporal patterns of rural settlements in Shache County in the past 50 years[J]. Ecological Science, 2023, 42(1): 146–154.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2023.01.017

K901.8

A

1008-8873(2023)01-146-09

2020-10-26;

2020-11-26

新疆維吾爾自治區高校科研計劃(XJEDU2019Y031); 國家重點研發計劃(2016YFC0501500)

賈翔(1988—), 男, 河南南陽人, 博士研究生, 經濟師, 主要從事資源環境遙感研究, E-mail: jiaxiang19891204@126.com

閆志明, 男, 博士, 副教授, 主要從事公共管理研究, E-mail: Yanzhiming88@163.com