謝龍云， 陳庭甫， 劉 影， 劉丹丹

（1. 江西師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，南昌 330022； 2. 江西省減災(zāi)備災(zāi)中心，南昌 330036）

引 言

農(nóng)村居民點是鄉(xiāng)村地域系統(tǒng)中多尺度多要素交互作用下產(chǎn)生的廣域空間[1]，其空間分布格局是鄉(xiāng)村各種社會經(jīng)濟活動在自然、社會和經(jīng)濟等區(qū)域綜合環(huán)境影響下的反映[2-3]。長期以來，農(nóng)村居民點的建設(shè)處于自發(fā)選擇的狀態(tài)，造成了空間結(jié)構(gòu)松散、形態(tài)發(fā)展無序等現(xiàn)象[4-5]，不利于土地的集約利用和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，極大影響著區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展規(guī)模、方向以及可能性[6]。當前，我國脫貧攻堅戰(zhàn)已取得全面勝利，“三農(nóng)”工作的重心歷史性轉(zhuǎn)向全面推進鄉(xiāng)村振興。開展區(qū)域農(nóng)村居民點空間分布格局、特征的研究，對于指導(dǎo)農(nóng)村居民點統(tǒng)籌發(fā)展，鞏固和拓展脫貧攻堅成果，加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化具有重要的現(xiàn)實意義[7]。

地形作為最基本的自然地理要素，對農(nóng)村居民點分布有著最為直接的影響[8]，地形直接影響地面物質(zhì)的流動與能量轉(zhuǎn)化從而對人類活動產(chǎn)生限制作用，使農(nóng)村居民點分布在不同地形上呈現(xiàn)出空間規(guī)律變化特征[9]。從國內(nèi)外相關(guān)研究來看，地形對農(nóng)村居民點分布的影響研究多集中在運用平均最鄰近指數(shù)、核密度估計、區(qū)位熵、空間熱點探測分析等測度指標和方法[10-12]，選取高程、坡度、坡向、地形起伏度和地表粗糙度等地形因子[13-14]，探討多種地形因子對農(nóng)村居民點分布影響的規(guī)律性和差異性[15-17]。綜合比較已有文獻研究發(fā)現(xiàn)，目前深入研究單一地形因子與農(nóng)村居民點空間分布關(guān)系的文獻尚屬少見。在研究尺度上，現(xiàn)有研究多數(shù)以縣域、村域等小尺度區(qū)域研究為主[18-19]，雖有助于揭示居民點空間格局微觀驅(qū)動機理，但對于中觀省域尺度的居民點分布特征把握不足。這在一定程度上制約了農(nóng)村居民點空間分布格局背后所涵蓋的本質(zhì)特征與地域規(guī)律的深入挖掘[20]。

江西省作為典型南方丘陵地區(qū)兼具大湖平原，地形分異明顯且起伏多變的自然地理環(huán)境孕育了獨具特色、地域差異鮮明的農(nóng)村居民點空間格局[21]。因此，從地形起伏度角度探討江西省農(nóng)村居民點空間分布特征及規(guī)律，對于探索不同地域環(huán)境下農(nóng)村居民點建設(shè)與合理布局具有重要的理論意義和實踐價值?；诖耍疚牟捎镁底凕c法確定江西省地形起伏度評價的最佳分析窗口，提取地形起伏度以明確江西省地形結(jié)構(gòu)特點。綜合運用核密度估計、景觀格局指數(shù)等方法，揭示地形起伏度影響下的農(nóng)村居民點分布格局，以期為農(nóng)村居民點空間布局優(yōu)化、“美麗江西”建設(shè)和鄉(xiāng)村振興提供量化依據(jù)和科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

本文使用的高程數(shù)據(jù)為先進星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型（ASTER GDEM）第二版數(shù)據(jù)，為全球首套覆蓋（83°N～83°S）的30 m DEM 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于日本航天局（JAXA，http://gdem.ersdac.jspacesystems.or.jp/）與美國國家航空航 天 局 網(wǎng) 站（ NASA， http://reverb.echo.nasa.gov/reverb/）。運用ArcGIS 軟件對覆蓋研究區(qū)范圍的原始數(shù)據(jù)進行拼接投影等前期工作后，利用江西省矢量邊界對其進行裁剪得到江西省DEM 數(shù)據(jù)。江西省農(nóng)村居民點矢量數(shù)據(jù)為2018 年土地覆被類型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于鄱陽湖濕地與流域教育部重點實驗室（江西師范大學(xué)）。數(shù)據(jù)包括江西省6 類一級分類（耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)建設(shè)用地和未利用土地）和26 類二級分類（包括水田、旱地、有林地和農(nóng)村居民點等）的地表覆蓋類型。借助ArcGIS 10.2 軟件操作平臺，提取農(nóng)村居民點用地信息，得到2018 年江西省農(nóng)村居民點矢量數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 均值變點法

地形起伏度的計算精度取決于分析窗口的大小，科學(xué)合理地選取最佳分析窗口提取地形起伏度，已成為提高地形起伏度研究有效性和實用性的關(guān)鍵[22]。研究表明隨著分析窗口增大，平均高差先快速增大，經(jīng)過唯一的“拐點”后增速明顯減緩并緩慢增大，該變化曲線上唯一的“拐點”對應(yīng)的窗口面積即為最佳分析窗口[23]。非主觀性選擇分析窗口閾值的均值變點法能夠客觀、準確地確定區(qū)域地形起伏度研究的最佳評價窗口，從而成為計算區(qū)域地形起伏度最佳分析窗口的主流研究方法[24]。本研究采用均值變點法確定江西省地形起伏度的最佳分析窗口，其原理如下：

第一，計算不同分析窗口下的單位地勢度T，計算公式為：

式中，Ti、ti、si分別為分析窗口下的單位地勢度、平均高差和窗口面積。

第二，對序列T求對數(shù)(l nT)，得到非線性序列Xt(t=2,3,···,199,200)。

式中：N表示樣本總數(shù)；S和Si分別為總樣本的離差平方和及前后兩段樣本的離差平方和之差。

第四，利用式（3）、式（4）求取S和Si的差值，以二者差值表征不同分析窗口下的高差的增速變化。當S和Si的差值達到最大時對應(yīng)的分析窗口面積即為地形起伏度的最佳分析窗口。

基于30 m 分辨率的DEM 數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析模塊，開辟移動步距為1 的n×n(n=2,3,···,199,200)矩形分析窗口，得到不同窗口面積下對應(yīng)的平均高程差并將二者進行對數(shù)擬合（圖1a）。分析窗口與平均高差對應(yīng)關(guān)系擬合曲線表明，研究區(qū)的平均高差隨窗口面積的增加始終呈現(xiàn)上升的趨勢，二者的關(guān)系符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系（擬合值約為0.99）。由圖1b 發(fā)現(xiàn)，隨著分析窗口增大，S和Si的差值先增后減。在第53 個點時差值達到最大（278.48），該點對應(yīng)的窗口為54 × 54 個網(wǎng)格。故基于ASTER GDEM V2 數(shù)據(jù)提取江西省地形起伏度的最佳分析窗口大小約為2.62 km2。

圖1 不同窗口面積下的平均高程差(a)及S 與 Si差值的變化曲線(b)

1.2.2 地形起伏度計算模型

本文借鑒封志明等[25]在人居環(huán)境適宜性研究中提出的地形起伏度計算模型，其計算公式為：

1.2.3 核密度估計

核密度估計（Kernel Density Estimation）是一種非參數(shù)的表面密度估算方法，其原理是借助一個動態(tài)窗口以估算空間點位的密度。與傳統(tǒng)的點密度估計方法相比，核密度估計結(jié)果具有更高的連續(xù)性[26]。本文運用核密度估計表征江西省農(nóng)村居民點空間分布的密集狀況。計算公式為：

1.2.4 景觀格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是用一系列定量化的指標來反映景觀格局的結(jié)構(gòu)組成和空間分布等特征[27]。本文主要引用了斑塊個數(shù)（Number of Patches，NP）、斑塊總面積（Class area，CA）、平均斑塊面積（Mean Patch Size，MPS）、斑塊所占景觀面積比例（Percent of landscape，PLAND）、斑塊密度（Patch Diversity，PD）、距離指數(shù)E 和居民點分散度F 來說明江西省農(nóng)村居民點規(guī)模和布局特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于地形起伏度的江西省地形適宜性評價

2.1.1 地形起伏度空間分布特征

利用公式（4）計算江西省最佳分析窗口下的地形起伏度，基于ArcGIS 生成江西省地形起伏度圖譜信息。由圖2a 可知，江西省地形起伏度值介于0～3.67 之間，地形起伏度總體趨勢表現(xiàn)為東、南、西部三面高，中部和北部低，空間分布呈U 形特征。地形起伏高值區(qū)域主要分布在羅霄山脈、九嶺山脈及武夷山脈（北段）區(qū)域，區(qū)內(nèi)山地丘陵和盆地相間，地勢起伏大。低值區(qū)域主要分布在鄱陽湖沖積平原區(qū)，區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密集、平原廣布，地勢起伏小。

圖2 江西省地形起伏度情況

圖2b 表明，整體上江西省地形起伏度以低值為主，但地形起伏度存在明顯的階段性變化。1）當?shù)匦纹鸱刃∮?.31 時，分布比例呈現(xiàn)單峰波動特征。具體表現(xiàn)為，地形起伏度在0～0.12 之間，分布比例驟增至6.37%，相應(yīng)的土地面積累計頻率達到8.63%，在空間上集中分布在江西省北部的鄱陽湖平原地區(qū)；地形起伏度在0.12～0.31 之間，分布比例減小到3.12%，土地面積累計頻率達到30.82%，新增區(qū)域主要分布在鄱陽湖平原外圍的低丘崗地及“五河”流域河谷平原地區(qū)。2）地形起伏度介于0.31～0.58 之間，分布比例變化較為平緩，均值為3.11%，零星分布于研究區(qū)地勢較低的河谷、低山丘陵地區(qū)。3）當?shù)匦纹鸱冉橛?.58～1.52 時，分布比例緩慢減小，土地面積累計頻率達到91.98%，相應(yīng)的土地面積占江西省的41.73%，在空間上集中連片分布在江西省東（武夷山片區(qū)）、西部（羅霄山片區(qū)、九嶺山片區(qū)）邊緣山地及贛南低山丘陵地區(qū)。4）當?shù)匦纹鸱却笥?.52 時，土地面積占江西省的8.02%，在空間分布則較為分散，零星分布于高山地區(qū)。

2.1.2 地形適宜性評價

結(jié)合地形起伏度與人口分布的特征及相關(guān)性分析結(jié)果[28]，根據(jù)江西省地形起伏度及其空間分布特征、地形起伏度及平均海拔、相對高差等指標，對江西省地形適宜性進行空間分析與分區(qū)，適宜性評價指標如表1 所示。即將海拔在200 m 以下、相對高差在50 m 以下的平原、盆地劃分為高度適宜地區(qū)，相應(yīng)地形起伏度取值為0～0.2；類似地將丘陵和中山地形分別劃分為比較適宜地區(qū)和一般適宜地區(qū)，相應(yīng)地形起伏度取值分別為0.2～1 和1～2。

表1 基于地形起伏度的江西省地形適宜性評價指標

基于地形起伏度的江西省地形適宜性評價結(jié)果（圖3）表明：1）高度適宜地區(qū)，土地面積比重為19.82%，主要集中在鄱陽湖平原、贛撫平原、吉泰盆地及地勢較低的河谷平原等區(qū)域。該區(qū)域地形起伏度在0.2 以下，地勢和緩、平地集中，地形地貌條件優(yōu)越。2）比較適宜地區(qū)，分布介于高度適宜和一般適宜地區(qū)之間，土地面積比重為56.61%，是江西省比重最大的地形適宜性類型。主要為地形起伏度介于0.2～1.0 的低山、丘陵地區(qū)，地形條件相對優(yōu)越。3）一般適宜地區(qū)土地面積比重為21.24%，主要集中分布在武夷山片區(qū)、贛南低山丘陵地區(qū)、羅霄山片區(qū)、九嶺山片區(qū)、幕阜山片區(qū)和雩山片區(qū)等區(qū)域。4）臨界適宜地區(qū)土地面積僅占2.21%，零星分布于江西省邊緣山地主脊地帶，該區(qū)域地形起伏大、地表切割嚴重且破碎化明顯。綜合來看，江西省地形適宜程度整體表現(xiàn)為平原、盆地高于丘陵、山地的特征。其中，高度適宜與比較適宜地區(qū)集中分布在中、北部，隨著地形起伏度從鄱陽湖平原逐漸向東、西、南部三面地區(qū)抬升，高度適宜地區(qū)與比較適宜地區(qū)面積比重呈逐步減少趨勢。

圖3 基于地形起伏度的江西省地形適宜性評價結(jié)果

2.2 農(nóng)村居民點空間分布特征

2.2.1 農(nóng)村居民點密度和規(guī)模特征

為深入分析農(nóng)村居民空間集聚的具體態(tài)勢，采用核密度估計方法，計算江西省農(nóng)村居民點核密度。使用自然斷點法將居民點核密度劃分為低密度區(qū)（0～0.13 個/km2），中低密度區(qū)（0.13～0.29 個/km2），中密度區(qū)（0.29～0.51 個/km2），中高密度區(qū)（0.51～0.80 個/km2），高密度區(qū)（0.80～1.62 個/km2）五個評價單元（圖4a）。由圖可看出江西省農(nóng)村居民點核密度空間分布總體上呈現(xiàn)北密南疏的格局，農(nóng)村居民點空間差異顯著。其中，高密度區(qū)整體上呈散點狀分布在地形起伏較低的鄱陽湖平原、贛撫平原和吉泰盆地等區(qū)域；中高密度區(qū)呈“十”字形分布在高密度區(qū)的邊緣地帶，在空間上主要地勢較低的河谷平原；而地形起伏較為劇烈的武夷山片區(qū)、贛南低山丘陵地區(qū)、羅霄山片區(qū)和幕阜山片區(qū)等邊緣山區(qū)農(nóng)村居民點分布較為稀疏，核密度值基本低于0.13 個/km2。

圖4 江西省農(nóng)村居民點特征示意圖

基于ArcGIS 軟件，將江西省農(nóng)村居民點用地規(guī)模按照 < 2 hm2、2～5 hm2、5～10 hm2、10～30 hm2和 > 30 hm2分為5 種類型（圖4b）?？臻g分布上，農(nóng)村居民點用地規(guī)模高值區(qū)主要集中在鄱陽湖平原、贛撫平原及部分河谷平原地區(qū)，該區(qū)域地勢低平、農(nóng)村居民點密集分布且面積規(guī)模大，其規(guī)模多集中在10 hm2以上；而大部分省域邊緣山區(qū)，受地形起伏影響，鄉(xiāng)村聚落發(fā)育較為緩慢，農(nóng)村居民規(guī)模則相對較小，基本在2 hm2以下。由此可見，江西省農(nóng)村居民點用地規(guī)?？臻g分布與居民點密度分布具有一致性，即農(nóng)村居民點面積與密度均呈現(xiàn)北多南少的空間格局。以鄱陽湖平原為代表的平原地區(qū)，地勢和緩、平地集中，耕地資源豐富，農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)好，農(nóng)村建設(shè)條件和資金條件更為優(yōu)越，促使該區(qū)農(nóng)村居民點在空間上更大規(guī)模的集聚和連片分布。反觀江西省邊緣山區(qū)，受限于地形條件，農(nóng)村居民點分布稀疏且規(guī)模較小。

2.2.2 農(nóng)村居民點的景觀格局

農(nóng)村居民點斑塊在不同地形起伏度的分布狀況是表征其空間分布特征的重要指標和內(nèi)容，本文運用ArcGIS 疊加分析，計算不同地形起伏度分級梯度上農(nóng)村居民點斑塊的景觀格局指數(shù)（表2）。通過地形起伏度和農(nóng)村居民點分布的相關(guān)性，揭示農(nóng)村居民點空間分布規(guī)律。結(jié)果顯示：1）地形起伏度在0～1 之間，農(nóng)村居民點數(shù)量占總居民點數(shù)量的96.83%，面積占居民點總面積的98.57%。其中，地形起伏度介于0～0.2 時，農(nóng)村居民點斑塊數(shù)量占總居民點數(shù)量的25.27%，面積占居民點總面積的32.76%。農(nóng)村居民點斑塊數(shù)、斑塊總面積、斑塊所占景觀面積比例及斑塊密度都在該區(qū)域范圍內(nèi)達到極值，表明該地勢起伏度范圍內(nèi)是農(nóng)村居民點的主要聚集區(qū)。2）農(nóng)村居民點平均斑塊面積、斑塊所占景觀面積比例和斑塊密度與地形起伏度呈現(xiàn)明顯的負相關(guān)性，隨著地形起伏度的增加農(nóng)村居民點平均斑塊面積、斑塊所占景觀面積比例和斑塊密度呈減少趨勢。3）距離指數(shù)隨著地形起伏度的增加逐漸增大，表明農(nóng)村居民點空間布局更加零散。居民點分散度逐漸增大，表明農(nóng)村居民點聚集程度逐漸降低、集聚能力逐漸減弱。由此可見，江西省農(nóng)村居民點分布與地形起伏度的關(guān)系較為顯著，隨著地形起伏度的增加區(qū)域居民點斑塊數(shù)量、斑塊面積及斑塊密度逐漸減小。距離指數(shù)和分散度呈逐漸增大的趨勢，這表明地形起伏度低值區(qū)域居民點相對連續(xù)分布、規(guī)模較大且完整性較好，而地形起伏度高值區(qū)域地形破碎，居民點分布數(shù)量和規(guī)模較小，空間聚集程度較低、連續(xù)性較差。

表2 地形起伏度分級和農(nóng)村居民點景觀指數(shù)

2.2.3 不同地形適宜區(qū)的農(nóng)村居民點分布特征

基于江西省地形適宜性評價結(jié)果，統(tǒng)計不同地形適宜性居民點總面積和斑塊數(shù)（表3），結(jié)果表明：全省農(nóng)村居民點總面積的比例大小排序為高度適宜（45.21%）> 比較適宜（51.70%）> 一般適宜（2.43%）> 臨界適宜（0.03%）。總體來看，江西省農(nóng)村居民點集中分布在地形高度適宜、比較適宜兩個等級。隨著地形適宜性的提高，居民點數(shù)量及平均規(guī)模均呈逐漸增大的趨勢，這充分說明了地形起伏度是影響農(nóng)村居民點分布的重要因素。值得注意的是，地形高度適宜地區(qū)（地形起伏度 < 0.2）土地面積比重為19.82%，但相應(yīng)農(nóng)村居民點分布比例達45.21%。隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，勢必使土地利用強度加大，從而導(dǎo)致人地關(guān)系矛盾加劇，謀求不同地形起伏度下農(nóng)村居民點合理分布是未來不可忽視的關(guān)鍵問題。然而，地形比較適宜地區(qū)土地面積比重為56.61%，相應(yīng)農(nóng)村居民點分布比例為51.70%，該區(qū)域受地形一定限制，但地形條件相對較好。目前來看，該區(qū)域農(nóng)村居民點規(guī)模及其吸納能力仍有很大提升空間。

表3 不同地形適宜區(qū)的農(nóng)村居民點數(shù)量及規(guī)模

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1）江西省地形起伏度值介于0～3.67 之間，地形起伏度均值為0.68，主要以低值為主。91.98%的區(qū)域地形起伏度介于0～1.52 之間。地形起伏度總體趨勢表現(xiàn)為東、南、西部三面高，中部和北部低，在空間分布上呈U 形特征。

2）江西省地形適宜程度整體表現(xiàn)為平原、盆地高于丘陵、山地的特征。其中，高度適宜地區(qū)、比較適宜地區(qū)、一般適宜地區(qū)和臨界適宜地區(qū)土地面積比重分別為19.82%、56.61%、21.24%和2.21%，隨著地形起伏度從鄱陽湖平原逐漸向東、西、南部三面地區(qū)抬升，高度適宜地區(qū)與比較適宜地區(qū)面積比重呈逐步減少趨勢。

3）江西省農(nóng)村居民點面積與密度均呈現(xiàn)北多南少的空間格局。農(nóng)村居民點密度和規(guī)模高值區(qū)主要集中在地形起伏度較低的鄱陽湖平原、贛撫平原、吉泰盆地及部分河谷平原區(qū)域；低值區(qū)主要分布在地形起伏較為劇烈的武夷山片區(qū)、贛南低山丘陵地區(qū)、羅霄山片區(qū)和幕阜山片區(qū)等邊緣山區(qū)。

4）江西省農(nóng)村居民點分布與地形起伏度的關(guān)系顯著，隨著地形起伏度的增加區(qū)域居民點斑塊數(shù)量、斑塊面積及斑塊密度逐漸減小，而距離指數(shù)和分散度呈逐漸增大的趨勢。

5）江西省農(nóng)村居民點集中分布在地形高度適宜、比較適宜兩個等級，占全省農(nóng)村居民點總面積的比例分別為45.21%和51.70%，隨著地形適宜性的提高，居民點數(shù)量及平均規(guī)模均呈逐漸增大的趨勢。

3.2 討論

本文基于地形起伏度明確江西省地形結(jié)構(gòu)，運用核密度估計、景觀格局指數(shù)等方法探討地形起伏度影響下農(nóng)村居民點空間分布格局。研究結(jié)果反映了江西省農(nóng)村居民點分布與地形起伏度的相互關(guān)系，地形起伏度低值區(qū)域農(nóng)村居民點集聚能力較強，居民點相對連續(xù)分布、規(guī)模較大，而地形起伏度高值區(qū)域則相反。研究還發(fā)現(xiàn)，地形比較適宜地區(qū)土地面積比重為56.61%，相應(yīng)農(nóng)村居民點分布比例為51.70%，該區(qū)域農(nóng)村居民點規(guī)模及其吸納能力仍有很大潛力。這說明，研究區(qū)內(nèi)的農(nóng)村居民點仍存在進一步優(yōu)化布局的方面。因此，地形起伏度這一客觀存在是江西省未來優(yōu)化農(nóng)村居民點布局的重要考慮因子。此外，本研究以2018 年農(nóng)村居民點矢量數(shù)據(jù)展開靜態(tài)研究，對農(nóng)村居民點動態(tài)演變過程的研究尚淺，未來研究應(yīng)結(jié)合時間序列上的農(nóng)村居民點數(shù)據(jù)探討農(nóng)村居民點的演化規(guī)律以及在不同時段受地形起伏度影響的共同特征和差異性。