馬小娥, 白永平, 紀學朋, 喬富偉, 張 寧

(西北師范大學 地理與環(huán)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(xiāng)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(zhèn)及近一半的農村人口，據(jù)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(qū)?？梢?，農村居民點將存在于未來很長一段時間里并且發(fā)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(fā)展日漸凸顯，其中布局零散、不成規(guī)模、形狀混亂、侵占耕地、“空廢化”以及居民點建設過程中出現(xiàn)的環(huán)境破壞和環(huán)境污染等將成為農村居民點發(fā)展過程中所要面臨的主要問題[7-9]。為協(xié)調城鄉(xiāng)發(fā)展，全國正在全面開展實施的新型城鎮(zhèn)化建設和新農村建設等戰(zhàn)略措施，使得部分農村居民點出現(xiàn)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(tǒng)。研究內容從農村居民點區(qū)位分布、類型與職能、模式的演變、鄉(xiāng)村社區(qū)類型與居住區(qū)域的關系等擴展到鄉(xiāng)村聚落經濟發(fā)展與生態(tài)、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(xiāng)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(xié)調區(qū)域城鄉(xiāng)一體化發(fā)展，新型城鎮(zhèn)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(qū)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(qū)位規(guī)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(huán)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(zhèn)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(xiàn)狀來看，國內學者對干旱區(qū)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(qū)，其特殊的地理位置和氣候環(huán)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(tài)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(qū)域，綜合應用RS和GIS技術，揭示石羊河流域農村居民點規(guī)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(jù)。

1　研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1　研究區(qū)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(qū)身居大陸內部，屬于溫帶大陸性干旱氣候，降水少，蒸發(fā)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(qū)劃包括金昌市永昌縣及金川區(qū)全部，武威市涼州區(qū)、民勤縣、古浪縣全部及天祝藏族自治縣部分地區(qū)，張掖市肅南裕固族自治縣部分地區(qū)，共3市7縣(區(qū))，現(xiàn)轄96個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。2016年農村居民點總個數(shù)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(yè)人口176萬人，城鎮(zhèn)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(shù)據(jù)來源

本文研究數(shù)據(jù)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(huán)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(shù)據(jù)和坡度數(shù)據(jù)來源于中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數(shù)據(jù)云鏡像網站(http:∥www.gscloud.cn)。

1.3　研究方法

1.3.1景觀格局指數(shù)景觀格局指數(shù)來自于景觀生態(tài)學，利用景觀格局指數(shù)來測度農村居民點斑塊規(guī)模和形態(tài)結構的變化[26]。主要選取斑塊總面積(TA)、斑塊個數(shù)(NP)、斑塊密度(PN)、平均斑塊面積(MPS)、邊緣指數(shù)(ED)、斑塊形狀指數(shù)(MSI)、斑塊面積標準差(PSSD)、平均斑塊分維數(shù)(MPFD)、斑塊密度(PD)、最大斑塊指數(shù)(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(shù)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(qū)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(shù)量；k為核函數(shù)；h為平滑參數(shù)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(guī)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(qū)是否存在統(tǒng)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(guī)模擴展特征

選取NP，TA，MPS和LPI表征農村居民點規(guī)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(shù)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(guī)模和斑塊平均規(guī)模均在增長，居民點規(guī)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(fā)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(shù)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(shù)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(guī)模擴展的原因，新建農村居民點數(shù)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(shù)量增長減緩，斑塊自身規(guī)模擴展成為主導研究區(qū)農村居民點規(guī)模擴展的因素。

表1　1987-2016年石羊河流域農村居民點數(shù)量、規(guī)模變化

石羊河流域農村居民點斑塊規(guī)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(xiàn)為在原有基礎上向四周蔓延的形式擴展。涼州市區(qū)、古浪縣城和雙城鎮(zhèn)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(shù)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(xiàn)空間聚集分布特征。而且根據(jù)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(qū)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(yè)用地；(2) 1987—2016年核密度高值區(qū)個數(shù)增加，出現(xiàn)了以永昌縣河西堡鎮(zhèn)為中心的新高核區(qū)；核的規(guī)模逐漸擴大，以涼州區(qū)為中心，其南北兩側核密度高值區(qū)規(guī)模擴展最為顯著，并沿涼州市區(qū)逐漸連接到一起，主要受城鎮(zhèn)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(qū)北部以雙城鎮(zhèn)為中心的高值區(qū)也有明顯擴大，主要因受國家政策影響，雙城鎮(zhèn)1995年被國家建設部批準為全國500家小城鎮(zhèn)建設試點鎮(zhèn)，2002年被省鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)局確定為省級鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)示范區(qū)。民勤縣的夾河鄉(xiāng)、昌寧、蔡旗以及古浪縣的黃花灘、馬路灘等地區(qū)農村居民點斑塊密度也顯著增加。(3) 部分地區(qū)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(qū)周圍以及古浪縣和天?？h境內高海拔區(qū)，而由低變高的區(qū)域主要分布于民勤縣境內的夾河鄉(xiāng)以及古浪境內景電二期工程建設中開發(fā)的北部荒漠區(qū)，引起這些地區(qū)核密度值變化的主要原因為生態(tài)移民。(4) 核密度值未發(fā)生明顯變化的區(qū)域，主要為金川區(qū)。1987—2016年金川區(qū)核密度值未發(fā)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(guī)模較大的居民點斑塊，隨著近來城鎮(zhèn)化的快速發(fā)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(qū)人口城鎮(zhèn)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(qū)分析(表3)。結果表明：3個年份中農村居民點隨河流緩沖區(qū)距離變化的分布特征一致，即隨著河流緩沖區(qū)距離的增加，農村居民點斑塊總面積和斑塊個數(shù)均呈減小趨勢；但在不同緩沖區(qū)內的分布表現(xiàn)出明顯的差異性，農村居民點集中分布于河流緩沖區(qū)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(shù)分別占到斑塊總面積和斑塊總個數(shù)的42%和37%以上；1987—2016年農村居民點在河流各級緩沖區(qū)內的變化呈現(xiàn)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(xiàn)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(shù)量和規(guī)模隨高程和坡度的增大呈現(xiàn)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(jù)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(shù)量和斑塊規(guī)模的分布情況(表4)。根據(jù)表4發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(shù)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(shù)分別占總斑塊個數(shù)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(shù)比為92.07%，其中1987年、2001年、2016年的農村居民點斑塊數(shù)量分別占總斑塊數(shù)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(shù)量和斑塊規(guī)模隨高程和坡度的增加均呈現(xiàn)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(shù)量規(guī)模隨高程和坡度的分布

2.3　居民點規(guī)模分異特征

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

圖2　石羊河流域農村居民點用地規(guī)模頻率

2.3.2居民點斑塊規(guī)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(guī)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(qū)農村居民點局部的規(guī)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(guī)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(guī)模分異明顯，但基本格局未發(fā)生明顯變化。(2) 熱點區(qū)主要分布于金川區(qū)和古浪縣北部地區(qū)，主要是金川區(qū)經濟較發(fā)達，人口城鎮(zhèn)化率較高，古浪縣北部為景電二期工程建設中開發(fā)的移民安置區(qū)域，受國家政策和規(guī)劃的影響。冷點區(qū)主要位于涼州區(qū)境內，1987—2016年因受地形因素的限制，熱點區(qū)面積未發(fā)生明顯擴張，而冷點區(qū)因其居民點斑塊自身規(guī)模的不斷擴展，面積則明顯減少，尤其是2001年之后，冷點區(qū)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(fā)現(xiàn)兩者之間呈現(xiàn)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(guī)模分布和高密度小規(guī)模分布的空間關系特征，其中金川區(qū)為低密度大規(guī)模分布，涼州區(qū)為高密度小規(guī)模分布的負相關關系最顯著的區(qū)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(tài)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(tài)特征，其中以MSI，MPFD和ED表征農村居民點斑塊自身形態(tài)，以PSSD和MPS測度居民點類型整體形態(tài)。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(tài)趨于規(guī)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(fā)展的趨勢。

表5　1987-2016年石羊河流域農村居民點形態(tài)特征變化

為分析石羊河流域農村居民點斑塊形態(tài)在空間上的差異性，分別計算了2016年涼州區(qū)、民勤縣、古浪縣、天?？h、金川區(qū)、永昌縣和肅南縣的PSSD，MSI，ED。其中涼州區(qū)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?？h分別為224 656.19 m2，2.722 404，2.65 m/hm2；金川區(qū)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(qū)、金川區(qū)和古浪縣，前者主要為，隨著近年來城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，接近市區(qū)及距離市區(qū)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(qū)，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(tài)移民的政策的實施，使得PSSD在不斷增大。MSI較大的為天?？h和肅南縣皇城鎮(zhèn)，主要為農村居民點分布于山區(qū)，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(qū)、金川區(qū)和民勤縣，該區(qū)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?？h和肅南縣為地形相對復雜的山地；較小的為永昌縣涼州區(qū)、民勤縣和金川區(qū)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(fā)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(guī)模、斑塊平均規(guī)模以及斑塊數(shù)量均有顯著增長，規(guī)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(qū)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(shù)、平均分維數(shù)、邊緣指數(shù)的計算結果顯示，研究區(qū)農村居民點景觀破碎度逐漸降低，斑塊形態(tài)趨于規(guī)則，但從整體的居民點空間形態(tài)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(guī)模越大，斑塊數(shù)量所占比重越??；密度分布與規(guī)模分布在空間上呈現(xiàn)明顯的負相關格局；農村居民點形態(tài)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(qū)，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(tài)環(huán)境脆弱，石羊河是該區(qū)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(tài)環(huán)境破壞，政府規(guī)劃與調控農村居民點的合理布局在該區(qū)域顯得尤為重要。(2) 隨著城鎮(zhèn)化進程的快速推進，農村剩余勞動力大規(guī)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(fā)展疏于引導管理，缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，缺少資金投入。新時期，隨著統(tǒng)籌城鄉(xiāng)發(fā)展，城鄉(xiāng)一體化與新農村建設戰(zhàn)略的實施，政府科學規(guī)劃城鄉(xiāng)建設與發(fā)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(xù)發(fā)展。(4) 石羊河流域地處西北干旱內陸區(qū)，其特殊的地理位置、氣候環(huán)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(guī)模和形態(tài)結構都獨具有該區(qū)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(qū)農村居民點格局的動態(tài)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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