李曉青, 王一淳, 徐修橋

(湖南師范大學 地理科學學院, 長沙 410081)

農(nóng)村居民點是農(nóng)業(yè)人口聚集的場所，作為農(nóng)村人地關系的核心，其規(guī)模、形態(tài)及空間分布反映了人地關系的發(fā)展[1]。關于農(nóng)村居民點的研究，最早開始于19世紀40年代，J.G.Kohl首次針對聚落的形成、影響因素進行了系統(tǒng)研究[2]。Hoshins發(fā)現(xiàn)[3]，原居民點類型會影響村莊空間的分布狀態(tài)。農(nóng)村居民點空間有6種不同的分布形態(tài)。近年來，學者們對農(nóng)村居民點空間結(jié)構(gòu)、分異規(guī)律及特征進行了分析[4-8]。在研究區(qū)域方面，如金其銘[9-10]對江蘇省鄉(xiāng)村聚落進行深入研究，將其歸納成稀疏型團聚狀、密集型團聚裝、聚集型團聚裝、散漫型團聚裝等多種類別，部分學者選擇南方稻作梯田區(qū)[11]、西南山區(qū)[12]、干旱綠洲區(qū)[13],黃土丘陵區(qū)[14]、沿海城市[15]、貴州傳統(tǒng)村落[16]、喀斯特地區(qū)[17]。在研究方法方面，學者們用變異系數(shù)[18]、空間自相關[19]、地理加權(quán)回歸模型等[20]多種方法對農(nóng)村居民點影響因素進行分析。此外，針對農(nóng)村居民點時空演變的影響因素，學者們或綜合分析各因素對農(nóng)村居民點的影響[21-22]，或針對某一類或者幾類因子進行研究[23-24]。在已有的研究中，較關注農(nóng)村居民點現(xiàn)狀分布特征及影響因素，對于喀斯特地區(qū)農(nóng)村居民點較長時序的時空演變及其主導影響因素綜合研究較少。

喀斯特地貌因其洼地型巖溶地貌，可利用土地資源十分有限，喀斯特地貌區(qū)域農(nóng)村居民點分布散、規(guī)模小、數(shù)量多，限制農(nóng)村經(jīng)濟社會發(fā)展、影響生態(tài)環(huán)境。平果市喀斯特地貌廣布，分析其農(nóng)村居民點時空演變規(guī)律及影響因素有助于深入認識喀斯特地區(qū)人地關系，對引導喀斯特地區(qū)農(nóng)村居民點合理布局具有參考意義。本文以廣西平果市為例，以行政村為研究單元，利用高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、DEM等數(shù)據(jù)，采用景觀指數(shù)法分析平果市1989—2017年農(nóng)村居民點空間分布特征、時空演變格局；采用地理加權(quán)回歸模型(Geography Weighted Regression)分析主導因素，揭示喀斯特地貌地區(qū)農(nóng)村居民點的時空演變規(guī)律并探尋主導因素，為喀斯特地貌和其他生態(tài)脆弱區(qū)的農(nóng)村居民點布局優(yōu)化提供參考。

1 研究區(qū)概況

平果市位于廣西壯族自治區(qū)西南部(圖1)，右江中游，屬于亞熱帶季風氣候，熱量充足，雨量充沛。位于107°17′48″—107°52′58″E，23°12′24″—23°53′28″N。地勢中部高、南北低，最高海拔934.6 m，最低海拔86 m(圖2)，坡度起伏在0°～72.37°之間(圖3)。全縣轄9鎮(zhèn)3鄉(xiāng)，土地總面積為2 485 km2?？λ固氐孛卜植荚谄焦h中部、東北部和西南部。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

數(shù)據(jù)主要包括地貌數(shù)據(jù)、高分辨遙感影像數(shù)據(jù)。其中，DEM數(shù)據(jù)來源于中國科學院亞熱帶研究所，遙感影像數(shù)據(jù)源自于中國科學院資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)中心(http:∥www.resdc.cn)。根據(jù)landsat TM/ETM數(shù)據(jù)，利用ENVI，ArcGIS等平臺采用人機交互的方式目視判別，獲取農(nóng)村居民點等用地信息。本研究選取1989—2017年共30 a每3 a一期的Landsat TM/ETM(帶號122，33，34每期2景共20期影像)，空間分布率為30 m，選擇云量少于5%的影像。矢量數(shù)據(jù)來自于平果市自然資源部門。由于平果市并非全域喀斯特縣，將平果市喀斯特地貌分布圖與行政村疊加，參照前人研究[25-26]，綜合專家建議當喀斯特地貌占比大于村域面積60%的村劃為喀斯特村，反之為非喀斯特村，研究單元為行政村。

圖1 平果市示意、高程分布、坡度分布

2.2 研究方法

2.2.1 景觀格局分析法 景觀格局可體現(xiàn)景觀的空間結(jié)構(gòu)特征，對景觀格局進行定量分析并研究其動態(tài)特征。本文從規(guī)模特征、分布特征、形態(tài)特征3個方面選取能夠解釋農(nóng)村居民點的6個景觀格局指數(shù)進行分析，表達喀斯特村、非喀斯特村農(nóng)村居民點在規(guī)模、分布以及形態(tài)的變化特征。

2.2.2 空間統(tǒng)計方法 采用GIS空間分析方法，從自然要素、區(qū)位要素出發(fā)，分析喀斯特村、非喀斯特村農(nóng)村居民點的影響因素，再采用地理加權(quán)回歸模型進行多因素綜合分析，探尋其主導因素。其中地理加權(quán)回歸模式(GWR)是探究空間異質(zhì)性與區(qū)域研究的模型之一，基本思想是變量間的關系隨空間位置的變化而變化，通過估算空間生的每一位之的自變量和和輔助因子的參數(shù)來建立回歸模型[27]，計算公式為：

(1)

式中:(wi,ui)是第i個樣本的地理位置坐標值，即經(jīng)緯度坐標；βn(wi；ui)是n第i個位置的第n個回歸參數(shù)；Xin是第n個位置在i點處的值；εi是第i個位置上的的隨機誤差。

3 結(jié)果與分析

3.1 農(nóng)村居民點整體變化特征

根據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)解譯結(jié)果，用ArcGIS 10.2，Excel軟件統(tǒng)計1989—2017年平果市農(nóng)村居民點圖斑農(nóng)村居民點面積、數(shù)量及增長率(圖4)。

平果市農(nóng)村居民點增長規(guī)模在時間變化上具有階段性特征，呈波動增加的狀態(tài)。從總體規(guī)模來看，1989—2017年，農(nóng)村居民點面積和數(shù)量持續(xù)增加，其中面積增加3 287.59 hm2；斑塊數(shù)量增加852個。

圖4 平果市1989-2017年農(nóng)村居民點面積、數(shù)量及增長率

1989—2017年，農(nóng)村居民點面積增長速率有所波動，呈現(xiàn)出“減速—增速—減速—平穩(wěn)”的分段式狀態(tài)，增長率峰值出現(xiàn)在1998年，數(shù)值為30.66%；就數(shù)量增長率來看，數(shù)值總體小于面積增長率，數(shù)值均小于15%，增長較緩，呈現(xiàn)出“減速—增速—減速—平穩(wěn)—增速”的分段式增長狀態(tài)。

3.2 農(nóng)村居民點景觀格局指數(shù)變化

總體而言，1989—2017年平果市農(nóng)村居民點在規(guī)模特征上呈持續(xù)增加趨勢；在分布特征方面聚集度提升、斑塊間距離縮??；在形態(tài)特征方面斑塊復雜程度、不規(guī)則程度升高，斑塊形狀也更加復雜，景觀異質(zhì)性增強。

對比喀斯特村和非喀斯特村景觀指數(shù)變化情況(圖5)。30 a間，在規(guī)模特征方面：喀斯特村農(nóng)村居民點的斑塊個數(shù)(NP)、平均斑塊面積(AREA-MN)規(guī)模均高于非喀斯特地區(qū)，但其增長并不穩(wěn)定，平均斑塊面積(AREA-MN)有出先增后減的趨勢。在分布特征方面：農(nóng)村居民點在喀斯特村平均最臨近距離(ENN-MN)相對較小，斑塊密度(AI)稍高于非喀斯特村，而非喀斯特村的農(nóng)村居民點平均最臨近距離(ENN-MN)有逐年縮減的趨勢，說明喀斯特村農(nóng)村居民點分布較密集但聚集趨勢不明顯，而非喀斯特村農(nóng)村居民點聚集程度有上升趨勢。在形態(tài)特征方面：喀斯特村的農(nóng)村居民點景觀形狀指數(shù)(LSI)、平均分維數(shù)(FRAC-MN)均大于非喀斯特區(qū)，喀斯特村的農(nóng)村居民點斑塊形狀復雜程度高，隨年份增加而更復雜，平均分維數(shù)也都呈上升趨勢，表明研究區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點形狀越來越不規(guī)則，破碎程度也逐漸升高。

3.3 農(nóng)村居民點影響因素分析

農(nóng)村居民點的時空演變是社會活動與自然環(huán)境共同作用的結(jié)果，從自然因素來看，地形因素是影響農(nóng)村居民點布局的最重要的自然因素，是農(nóng)村居民點選址的重要參考條件，影響分布格局的地形因素主要有高程、坡度；河流是主要水源，對農(nóng)村居民點的格局和演變產(chǎn)生深刻影響。從區(qū)位因素來看，交通因素是影響農(nóng)村居民點選址行為和布局變化的重要因素。考慮到便捷程度、溝通作用對農(nóng)村居民點分布有著重要的影響和制約作用，根據(jù)道路的開放性質(zhì)，按照開放道路、封閉道路兩種類型分別分析對農(nóng)村居民點布局及變化的作用。建制鎮(zhèn)中心是區(qū)域經(jīng)濟、政治和公共服務中心，農(nóng)村居民點距離建制鎮(zhèn)中心越近，受到其輻射作用就越強。

因此從自然、區(qū)位等方面出發(fā)[11]選擇高程、坡度、河流、開放道路、封閉道路、建制鎮(zhèn)位置，分析影響農(nóng)村居民點演變的因素，探究各單因素對喀斯特村與非喀斯特村的農(nóng)村居民點演變的影響，然后構(gòu)建地理加權(quán)回歸模型，綜合分析各因素對研究區(qū)農(nóng)村居民點空演變的影響方向以及作用大小。

3.3.1 單因素分析

(1) 喀斯特村。在喀斯特村范圍內(nèi)，自然因素對農(nóng)村居民點布局的影響明顯。1989—2017年，農(nóng)村居民點面積、斑塊數(shù)量峰值始終出現(xiàn)在在高程200～300 m分級范圍內(nèi)，在300～500 m高程分級內(nèi)規(guī)模較小但其增長趨勢明顯，增長狀態(tài)為“快—慢—快”，農(nóng)村居民點面積與高程具有線性關系，二者相關系數(shù)為-0.87。就坡度而言，喀斯特村農(nóng)村居民點在主要分布在坡度小于25°的分級內(nèi)，面積占比保持在75%以上，面積峰值出現(xiàn)在8°～15°分級內(nèi)，而15°～35°坡度范圍內(nèi)面積占比逐漸縮減，占比由37.10%縮減至23.81%，農(nóng)村居民點呈現(xiàn)出較為明顯的由高坡度向低坡度聚集的趨勢。值得注意的是，大于35°的坡度范圍內(nèi)，農(nóng)村居民點面積出現(xiàn)增加趨勢，增加的農(nóng)村居民點多數(shù)分布于道路兩側(cè)。在此處選址可能是考慮到交通的便捷性，但也存在著泥石流、滑坡等地質(zhì)災害隱患，在規(guī)劃農(nóng)村居民點時應對地質(zhì)災害隱患做出評價。

圖5 1989-2017年平果市喀斯特村與非喀斯特村景觀格局指數(shù)變化對比

從區(qū)位因素來看，喀斯特村農(nóng)村居民點超過65%的增長面積分布在距開放道路500 m分級內(nèi)，增加面積為2 163.20 hm2，封閉道路對農(nóng)村居民點的作用不明顯。城鎮(zhèn)化對建制鎮(zhèn)中心輻射作用對喀斯特村農(nóng)村居民點面積有一定程度的影響，喀斯特村的農(nóng)村居民點由7 500 m范圍內(nèi)向外緩慢擴張。研究期內(nèi)距離建制鎮(zhèn)中心2 500～5 000 m范圍內(nèi)居民點面積增長最為顯著，呈現(xiàn)出先快后慢的增長狀態(tài)。

(2) 非喀斯特村。相較于喀斯特村，各因素對非喀斯特村農(nóng)村居民點演變的影響存在一定差異。在高程上，非喀斯特村農(nóng)村居民點隨著高程的增加而減少。就坡度而言，非喀斯特村農(nóng)村居民點多分布在8°～15°坡度分級內(nèi)。就河流因素而言，無分布在距河流3 000 m外范圍的非喀斯特村農(nóng)村居民點，超過50%的農(nóng)村居民點分布在500 m分級范圍內(nèi)，2017年占比為54.22%聚集趨勢明顯。就開放道路而言，其開放道路與非喀斯特農(nóng)村居民點面積具有明顯的線性關系，其相關系數(shù)為-0.939 7，封閉道路的影響并不明顯。

3.3.2 地理空間加權(quán)回歸分析

(1) 變量選擇。農(nóng)村居民點分布是自然、人類活動等多重因素共同作用的結(jié)果，是一個具有復雜性、動態(tài)性的綜合問題，因此，需要對影響農(nóng)村居民點時空演變的各個單因素進行綜合分析。利用地理加權(quán)回歸方法，以及因地制宜、可行性等原則，以4.1中的農(nóng)村居民點的各影響因素為自變量，以農(nóng)村居民點面積變化量為因變量，探尋農(nóng)村居民點時空演變的主導因素(表1)。

表1 變量統(tǒng)計

為確保的回歸參數(shù)估計值的準確性和穩(wěn)定性，對自變量做出多重共線性檢驗，剔除具有嚴重多重線性的解釋變量(VIF>7.5)。通過方差因子膨脹法，最終留下5個變量A1(高程<200 m)、S1(坡度<8°)、R1(與河流距離<250 m)、C1(與建制鎮(zhèn)中心距離<250 m)、O1(與開放道路距離<250 m)(表2)。用GWR對農(nóng)村居民點面積變化量和6個解釋變量進行分析(圖6A，圖6B)，對各自變量的回歸系數(shù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)各自變量的作用大小和方向均有所不同(表3)，且具有地域差異。

表2 多重共線性檢驗

(2) 地理加權(quán)回歸模型結(jié)果。總的看來，不同影響因素呈現(xiàn)出不同的空間特征(圖6—7)。從自然因素來看，A1回歸系數(shù)在研究區(qū)域內(nèi)存在負值但其絕對值較小，整體上呈現(xiàn)出正相關性。在喀斯特村和非喀斯特村中，低高程回歸系數(shù)在空間上呈現(xiàn)出由中部向東北遞增的趨勢。S1回歸系數(shù)空間分布在喀斯特和非喀斯特村均呈現(xiàn)出村由東北和西南對稱分布的特點，與非喀斯特村相比，低坡度在喀斯特村的正向作用較強。R1回歸系數(shù)均為正值且絕對值較大，喀斯特村內(nèi)R1回歸系數(shù)呈現(xiàn)出由西南和東北兩側(cè)向中部逐漸升高的空間趨勢，最高值出現(xiàn)在研究區(qū)域中部太平鎮(zhèn)甘艾村，數(shù)值為0.782 79，最低值出現(xiàn)在平果市東北角塝圩鎮(zhèn)龍江村。非喀斯特村內(nèi)R1回歸系數(shù)的數(shù)值集中分布在0.694 47～0.749 96，數(shù)值范圍比喀斯特村更為集中，說明河流對非喀斯特村的農(nóng)村居民點變化的正向影響更強。

從區(qū)位條件來看，O1回歸系數(shù)有正負數(shù)值，說明開放道路對研究區(qū)域的農(nóng)村居民點有正負兩個作用方向。在喀斯特村中，開放道路對農(nóng)村居民點時空演變的正向作用在中部、西北部等高海拔地區(qū)較為明顯，主要是由于這些地區(qū)地理條件較差，對交通的依賴程度較高。在非喀斯特村中，O1回歸系數(shù)正數(shù)數(shù)值占比超過95.29%，說明與開放道路250 m范圍內(nèi)對非喀斯特村農(nóng)村居民點演變?nèi)灾饕尸F(xiàn)出正向影響。C1回歸系數(shù)絕對值較小，表明建制鎮(zhèn)中心對于研究區(qū)域的農(nóng)村居民點面積變化影響程度較小。在喀斯特村，C1回歸系數(shù)高值分布在新安鎮(zhèn)、馬頭鎮(zhèn)等交通設施較好、地勢平坦、起伏較小且有河流分布的區(qū)域；C1回歸系數(shù)低值分布太平鎮(zhèn)等自然條件較差、社會經(jīng)濟條件較為落后的區(qū)域。

總而言之，不同影響因素對喀斯特村與非喀斯特村農(nóng)村居民點的作用方向和影響大小均有差異，高程、坡度等自然因素對喀斯特村的影響較大，非喀斯特村農(nóng)村居民點除受到自然因素影響外，受到開放道路的影響也較為明顯，建制鎮(zhèn)位置對研究區(qū)域的農(nóng)村居民點演變的影響不明顯。

表3 GWR模型回歸系數(shù)統(tǒng)計

(3)主導因素分析。為探究影響喀斯特村農(nóng)村居民點的主導因素，將回歸系數(shù)按照其絕對值的最大值排序，對應各村農(nóng)村居民點空間變化的主導因素(表4)。

整體來看，坡度、高程是影響平果市各行政村農(nóng)村居民點的主導因素?？λ固卮搴头强λ固卮宓挠绊懸蛩鼐哂胁町愋裕嚎λ固卮遛r(nóng)村居民點的主導因素是坡度，其次是高程，占比分別是51.64%，48.36%，這說明坡度、高程等自然地理條件對喀斯特村農(nóng)村居民點的限制較強，居民在選址時仍把自然地理條件作為首要考慮的因素。在非喀斯特村，農(nóng)村居民點主要影響因素是高程，其次是坡度，占比分別為47.06%，37.65%，河流、開放道路、建制鎮(zhèn)中心等對非喀斯特村的具有影響但影響較小，主要分布在西南部經(jīng)濟較為發(fā)達、水源充足、與道路聯(lián)系較為密切的村域。這說明受到自然地理條件的影響的同時，非喀斯特村農(nóng)村居民點也受到其他社會、區(qū)位條件因素的影響。綜上所述，自然因素是影響平果市各村農(nóng)村居民點空間變化的主導因素，對喀斯特村和非喀斯特村，高程和坡度因素對平果市各行政村的農(nóng)村居民點時空演變的影響最為顯著，相較于喀斯特村，道路、河流對非喀斯特村農(nóng)村居民點的影響更大。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

農(nóng)村居民點時空演變是一個受到多因素綜合作用的復雜問題。本研究發(fā)現(xiàn)，喀斯特村農(nóng)村居民點的時空演變明顯受到高程、坡度等多因素自然地理條件的制約，而非喀斯特村農(nóng)村居民點除受到自然地理條件的控制外，也受到如與河流、開放道路距離等因素的影響。在以平果市為例的喀斯特區(qū)域中，可以考慮對不同類型村域的農(nóng)村居民點因地制宜地進行管理，能夠更加貼合喀斯特村與非喀斯特村農(nóng)村居民點的演變規(guī)律，進而能夠更好地引導和規(guī)劃農(nóng)村生活空間。

本研究也存在以下不足：(1) 研究從自然、區(qū)位等兩個方面出發(fā)選取影響因素分析農(nóng)村居民點時空演變，但對于影響農(nóng)村居民點分布及時空演變的單因素分析還不夠深入，如封閉道路、開放道路對于農(nóng)村居民點的作用大小具有較為明顯的差異，但限于研究重點和篇幅未能全部表達。未來可以深入分析農(nóng)村居民點與不同類型、等級的道路之間的相互作用和關系。(2) 受到方法的限制，本研究僅考慮了道路等影響因素對于農(nóng)村居民點的單側(cè)影響，未能表達各因素與農(nóng)村居民點之間的相互作用關系；因此未來可以針對農(nóng)村居民點分布與影響因素的相互關系進行深入分析。

4.2 結(jié) 論

(1) 平果市農(nóng)村居民點規(guī)模增長明顯。農(nóng)村居民點面積和數(shù)量在規(guī)模增加的整體狀態(tài)中，分別呈現(xiàn)出“減速—增速—減速—平穩(wěn)”、“減速—增速—減速—平穩(wěn)—增速”的分段式增長狀態(tài)。

(2) 喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)的農(nóng)村居民點變化存在明顯差異：(1) 規(guī)模特征方面，喀斯特村總規(guī)模較大，但其增長并不穩(wěn)定，喀斯特村的平均斑塊面積(AREA-MN)呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，而非喀斯特村規(guī)模增長緩慢；(2) 分布特征方面，喀斯特村農(nóng)村居民點平均最臨近距離(ENN-MN)相對較小，而斑塊密度(AI)稍高于非喀斯特村；(3) 形態(tài)特征方面，喀斯特村農(nóng)村居民點形狀復雜程度變化較快，斑塊不規(guī)則程度較高且逐漸上升。

(3) 為分析農(nóng)村居民點時空演變格局的影響因素，從自然、區(qū)位等方面選取因素并逐一分析各因素對農(nóng)村居民點變化的影響，發(fā)現(xiàn)：(1) 喀斯特村農(nóng)村居民點面積呈現(xiàn)出明顯的隨海拔高度降低的趨勢，兩者具有較強的線性關系；(2) 喀斯特村農(nóng)村居民點面積的峰值均出現(xiàn)在在坡度8°～15°分級內(nèi)，且呈現(xiàn)隨時間增加而逐漸攀升的趨勢；(3) 非喀斯特農(nóng)村居民點面積峰值出現(xiàn)在500 m分級內(nèi)；(4) 非喀斯特村農(nóng)村居民點面積和與開放道路距離具有顯著的負相關關系。

圖6 各解釋變量在喀斯特村的系數(shù)分布 圖7 各解釋變量在非喀斯特村的系數(shù)分布

表4 喀斯特村與非喀斯特村農(nóng)村居民點主導因素統(tǒng)計

(4) 綜合分析農(nóng)村居民點時空演變的影響因素發(fā)現(xiàn)：各解釋變量在對喀斯特村農(nóng)村居民點與非喀斯特村的影響程度和不同地區(qū)存在差異。自然地理要素是喀斯特村農(nóng)村居民點主導影響因素和主要限制因素，高程因子在喀斯特村所占總數(shù)比例最大，說明高程對平果縣喀斯特村農(nóng)村居民點空間變化的影響最為顯著，坡度次之；非喀斯特村農(nóng)村居民點也受到高程和坡度的限制，但同時也受到河流、開放道路等因素的影響。