竹溪縣農(nóng)村居民點景觀格局及空間分布特征

李勝坤, 張 毅, 閆 欣, 曹 娟

(1.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079; 2.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 南京 210023)

竹溪縣農(nóng)村居民點景觀格局及空間分布特征

李勝坤1, 張 毅1, 閆 欣2, 曹 娟1

(1.華中師范大學(xué) 城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079; 2.南京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 南京 210023)

以水土流失趨于嚴重的湖北省竹溪縣為研究區(qū)，以2009年第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用景觀生態(tài)學(xué)理論、核密度估計等方法，對竹溪縣農(nóng)村居民點空間分布特征進行分析，同時借助GIS技術(shù)對影響竹溪農(nóng)村居民點空間分布的因素進行分析。結(jié)果表明：竹溪縣屬農(nóng)村居民點較密集區(qū)；竹溪縣農(nóng)村居民點用地比重存在明顯的空間差異，農(nóng)村居民點高值區(qū)形成兩條明顯的分布帶：一條是縣河鎮(zhèn)—城關(guān)鎮(zhèn)—蔣家堰鎮(zhèn)，另一條是城關(guān)鎮(zhèn)—龍壩鎮(zhèn)；全縣農(nóng)村居民點形狀比較規(guī)則；該縣東部和北部農(nóng)村居民點數(shù)量多，農(nóng)村居民點用地比重高值區(qū)和核密度高值區(qū)在空間上并不重合；農(nóng)村居民點分布受高程、坡度、坡向、耕種環(huán)境等因素影響明顯，與耕地的空間分布關(guān)系非常密切；在擁有較多人口和較多農(nóng)村居民點的區(qū)域，耕地的侵蝕面積也廣。

農(nóng)村居民點; 景觀指數(shù); 核密度估計; 空間分布; 竹溪縣

農(nóng)業(yè)是經(jīng)濟的主體，農(nóng)村是農(nóng)民聚居的主要形態(tài)[1]。農(nóng)村居民點是經(jīng)濟社會發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，是農(nóng)村土地利用的重要組成部分。由于自然條件、生產(chǎn)特點、生活習(xí)慣、文化風(fēng)俗等方面的原因，農(nóng)村居民點的空間布局處于農(nóng)民的自發(fā)選擇狀態(tài)[2]，許多農(nóng)村居民點存在臟亂差等現(xiàn)象[3]。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，布局散亂的農(nóng)村居民點不僅占據(jù)了寶貴的耕地資源，還會阻礙新農(nóng)村發(fā)展進程[4]。部分學(xué)者對農(nóng)村居民點做了大量的研究工作，研究單元有村級、鄉(xiāng)級、縣級乃至國家；研究內(nèi)容主要包括農(nóng)村居民點空間格局、演變、布局優(yōu)化等；研究方法上，引入景觀生態(tài)學(xué)方法、Logistic回歸、洛倫茲曲線以及Voronoi圖等[1,3-12]。

湖北省水土流失面積廣，鄂西北、鄂西南山區(qū)尤其嚴重?！吨裣h土地利用總體規(guī)劃》指出，竹溪縣水土流失問題趨于嚴重，水土流失面積達16.9萬hm2，占土地總面積的51%。水土流失會使土壤結(jié)構(gòu)劣化、肥力下降，同時也會使河床淤高、庫塘淤塞，威脅城鎮(zhèn)安全，阻礙經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。本文運用景觀生態(tài)學(xué)理論與核密度估計方法對竹溪縣農(nóng)村居民點空間分布特征進行研究，結(jié)合GIS技術(shù)著重分析影響農(nóng)村居民點空間分布的地形、耕種環(huán)境因素，以期為該縣的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供研究基礎(chǔ)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

竹溪縣位于湖北省十堰市西南部，介于東經(jīng)109°29′—110°08′、北緯31°31′—32°29′。竹溪西接陜西省平利、鎮(zhèn)平、旬陽三縣，南鄰重慶巫溪縣，東連竹山縣，是連接華中與西南、西北的重要通道。竹溪位于大巴山脈東段北坡，地勢南高北低，全縣海拔多為450～1 500 m。全縣屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均降水量1 000～1 100 mm。竹溪轄8鎮(zhèn)、7鄉(xiāng)、10個國營林場、3個農(nóng)場以及龍王埡茶廠和十八里長峽，總面積3 306.30 km2，2009年，全縣總?cè)丝跒?7.52萬。

1.2 數(shù)據(jù)來源

竹溪縣2009年第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)(1∶10 000)、竹溪縣數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、十堰市統(tǒng)計年鑒(2010年)、《竹溪縣土地利用總體規(guī)劃(2010—2020年)》等。

1.3 研究方法

1.3.1 景觀生態(tài)學(xué)方法 景觀生態(tài)學(xué)中，景觀指數(shù)是指能高度濃縮景觀格局信息，反映其結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些方面特征的簡單定量指標[13]。本文運用景觀指數(shù)來表征農(nóng)村居民點的空間格局特點。結(jié)合前人研究[7,9]時選取的景觀指數(shù)并結(jié)合竹溪縣實際，選取斑塊面積(CA)、斑塊所占景觀面積比例(PLAND)、斑塊個數(shù)(NP)、平均斑塊形狀指數(shù)(MSI)、平均斑塊面積(MPS)、斑塊面積標準差(PSSD)、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)(AWMPFD)等指數(shù)對農(nóng)村居民點的規(guī)模、形狀進行分析。景觀指數(shù)的計算公式和含義見資料[14-15]。

1.3.2 核密度估計 核密度估計是在空間分析中運用最廣泛的非參數(shù)估計技術(shù)，它借助一個移動的單元格(相當于窗口)對點格局的密度進行估計，核密度估計具有表達直觀、概念簡潔和易于計算機實現(xiàn)的優(yōu)點[16]。本文借助核密度空間分析方法對農(nóng)村居民點空間上的集聚狀況進行可視化。核密度數(shù)值越高表示農(nóng)村居民點分布越密集，反之則越稀疏。核密度方程為：

(1)

式中：k——核函數(shù)；h——帶寬；n——帶寬范圍內(nèi)的點數(shù)。方程的幾何意義是：密度分布在每個點 中心處最高，向外不斷降低，窗口邊緣處密度為0[17]。

2 農(nóng)村居民點空間分布特征

2.1 農(nóng)村居民點用地規(guī)模和比重的空間差異

借助Fragstats軟件得到的景觀指數(shù)值如表1所示。

由表1可知，水坪、蔣家堰、縣河三鎮(zhèn)的農(nóng)村居民點面積最大，其農(nóng)村居民點面積之和占全縣的36.37%；龍王埡茶廠、農(nóng)場、十八里長峽的農(nóng)村居民點面積之和僅占全縣的1.37%。蔣家堰鎮(zhèn)的農(nóng)村居民點平均面積最大，約是全縣平均水平的4倍，桃源鄉(xiāng)最小，其農(nóng)村居民點平均面積僅為0.17 hm2。

斑塊面積標準差反映的是農(nóng)村居民點規(guī)模之間的大小差異程度。各地區(qū)斑塊面積標準差的值有明顯的差別：城關(guān)鎮(zhèn)、蔣家堰鎮(zhèn)農(nóng)村居民點斑塊面積標準差較大；桃源鄉(xiāng)和豐溪鎮(zhèn)農(nóng)村居民點斑塊面積標準差較小。

按農(nóng)村居民點用地比重，田光進等人將全國分為農(nóng)村居民點密集區(qū)(5%～11%)、較密集區(qū)(1.7%～4%)、較稀疏區(qū)(1%～1.5%)、稀疏區(qū)(0.2%～0.7%)和極稀疏區(qū)(0.001 9%～0.05%)[18-19]。竹溪全縣農(nóng)村居民點平均用地比重為1.74%，屬農(nóng)村居民點較密集區(qū)?？h城駐地的城關(guān)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點用地比重最高，屬農(nóng)村居民點密集區(qū)。該縣農(nóng)場農(nóng)村居民點用地比重最低，屬于農(nóng)村居民點稀疏區(qū)。

為消除行政界線的干擾，客觀展現(xiàn)農(nóng)村居民點用地比重的空間差異，在ArcGIS中，創(chuàng)建1 km×1 km的網(wǎng)格，將其與農(nóng)村居民點疊加，得到農(nóng)村居民點用地比重圖(圖1)?？梢钥吹剑裣h農(nóng)村居民點用地比重存在明顯的空間差異：該縣北部農(nóng)村居民點用地比重高，農(nóng)村居民點高值區(qū)形成兩條明顯的延伸帶：一條是縣河鎮(zhèn)—城關(guān)鎮(zhèn)—蔣家堰鎮(zhèn)、另一條是城關(guān)鎮(zhèn)—龍壩鎮(zhèn)；中部和南部農(nóng)村居民點用地比重偏低，但各鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地附近農(nóng)村居民點用地比重較高。

表1 竹溪農(nóng)村居民點布局景觀指數(shù)

2.2 農(nóng)村居民點形狀的空間差異

面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)在一定程度上反映人類活動對景觀格局的影響[7]。竹溪縣各地區(qū)面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)值介于1.05～1.21之間，說明農(nóng)村居民點形狀比較規(guī)則，原因在于農(nóng)村居民點屬人工斑塊，人為因素影響大。林場和桃源鄉(xiāng)農(nóng)村居民點形狀最規(guī)則。城關(guān)、蔣家堰和中峰的面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)和平均斑塊形狀指數(shù)值稍大，表明這三個區(qū)域的農(nóng)村居民點形狀最不規(guī)則。

圖1 竹溪農(nóng)村居民點所占比重

2.3 農(nóng)村居民點空間集聚狀況

從數(shù)量上看，新洲、兵營和天寶三個鄉(xiāng)擁有的居民點數(shù)量接近全縣的1/3；農(nóng)場和龍王埡茶廠的農(nóng)村居民點數(shù)量偏少。利用ArcGIS創(chuàng)建點功能獲取每個農(nóng)村居民點質(zhì)心，用質(zhì)心代表每個農(nóng)村居民點，借助ArcGIS的空間分析工具得到農(nóng)村居民點核密度圖(圖2)。圖2顯示，竹溪農(nóng)村居民點核密度空間差異顯著，農(nóng)村居民點多集中在竹溪東部和北部，兵營鄉(xiāng)、新洲鄉(xiāng)和泉溪鎮(zhèn)的部分區(qū)域為農(nóng)村居民點核密度高值區(qū)，表明上述區(qū)域農(nóng)村居民點數(shù)量多。

圖2 竹溪農(nóng)村居民點核密度

綜合圖1和圖2得出：竹溪縣農(nóng)村居民點用地比重高值區(qū)和核密度高值區(qū)在空間上并不重合，如兵營鄉(xiāng)附近為農(nóng)村居民點核密度高值區(qū)，但農(nóng)村居民點用地比重并不高，說明該區(qū)域農(nóng)村居民點規(guī)模普遍較小。這在景觀指數(shù)數(shù)值上得到驗證。

竹溪縣農(nóng)村居民點空間分布狀況與其地形條件密不可分，竹溪北部多為低山平壩、中部多中山、南部為高山，農(nóng)村居民點用地比重和農(nóng)村居民點核密度高值區(qū)大都位于北部低山平壩區(qū)，中部的農(nóng)村居民點數(shù)量雖然較多但用地比重較低，南部高山區(qū)農(nóng)村居民點數(shù)量和用地比重都偏低。

3 農(nóng)村居民點空間分布影響因素分析

影響農(nóng)村居民點空間分布的因素很多，本文著重分析地形和耕種因素。分級標準(表2)的制定結(jié)合了竹溪生產(chǎn)、生活實際。按分級標準，利用ArcGIS的空間分析功能將高程、坡度、坡向數(shù)據(jù)重分類，同時做出基于耕地、園地數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，將其分別與農(nóng)村居民點屬性數(shù)據(jù)疊加，最終得到不同高程、坡度、坡向級別上；不同耕地、園地緩沖帶內(nèi)農(nóng)村居民點空間分布狀況。

表2 影響因子分級標準

3.1 地形因素

區(qū)域高程、坡度和坡向是農(nóng)村居民點空間分布的宏觀地理背景，直接關(guān)系到農(nóng)村居民點分布的空間格局。

3.1.1 高程 不同高程帶內(nèi)居民點分布情況，如表3所示。地勢高低格局使農(nóng)村居民點分布表現(xiàn)出明顯的垂直性。從表3看出，隨著高程的增加，農(nóng)村居民點總面積、數(shù)量、平均面積、平均形狀指數(shù)、面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù)的值逐漸變小。這是因為隨著海拔高度增加，生產(chǎn)和居住環(huán)境會變得相對惡劣，居民點規(guī)模變小并分布零散。在小于1 200 m的高程帶內(nèi)，居民點面積占總面積的97.81%，居民點個數(shù)占總數(shù)量的94.37%。在竹溪，仍有1.45 hm2的農(nóng)村居民點分布在高程1 700 m之上。

表3 竹溪縣不同高程帶內(nèi)農(nóng)村居民點分布

3.1.2 坡度 不同坡度條件下的居民點分布情況，如表4所示。坡度量化顯示：隨坡度增加，該縣農(nóng)村居民點平均面積變小、形狀趨于規(guī)則；總面積和數(shù)量的變化沒有明顯規(guī)律。平地與微斜坡上農(nóng)村居民點的平均面積最大，但形狀并不規(guī)則；斜坡上擁有的農(nóng)村居民點數(shù)量最多。坡度較小時，適宜人類居住，進行工程建設(shè)的代價也小，坡度超過25°后，基本不適宜人類居住[9]，在竹溪，仍有378.75 hm2的農(nóng)村居民點分布于此坡度之上，它們的平均面積都較小。

表4 竹溪縣不同坡度上農(nóng)村居民點分布

3.1.3 坡向 不同坡向的農(nóng)村居民點分布狀況，如表5所示。從坡向影響上看，農(nóng)村居民點傾向于在東、東南、南、西南坡向上分布，四個坡向上農(nóng)村居民點面積占總面積的59.17%。這與人類傾向于選擇向陽環(huán)境居住吻合。但仍有575.73 hm2的農(nóng)村居民點分布在北坡。除平地外，各坡向上農(nóng)村居民點平均面積差別不大。

表5 竹溪縣不同坡向上農(nóng)村居民點分布

3.2 耕種環(huán)境因素

竹溪縣經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為主，2009年，第一產(chǎn)業(yè)所占比重為40.9%。農(nóng)村居民的生存依賴農(nóng)業(yè)，農(nóng)田的空間分布會對農(nóng)村居民點的空間分布產(chǎn)生一定影響。本文分別就農(nóng)村居民點與耕地、園地的分布關(guān)系進行研究。從表6看出：在竹溪，農(nóng)村居民點與耕地空間分布關(guān)系十分密切。耕地100 m的緩沖區(qū)范圍內(nèi)分布著占總面積92.58%、總數(shù)量的90.82%的農(nóng)村居民點。隨著緩沖區(qū)距離的增加，農(nóng)村居民點的平均面積減小，形狀趨于規(guī)則。

表6 竹溪縣農(nóng)村居民點與耕地分布關(guān)系

表7 竹溪縣農(nóng)村居民點與園地分布關(guān)系

農(nóng)村居民點與園地空間分布關(guān)系也較為密切，在園地緩沖區(qū)500 m范圍內(nèi)，分布的農(nóng)村居民點占總面積的55.08%、總數(shù)量的39.98%。隨距離的增加，農(nóng)村居民點總面積、數(shù)量、平均面積都呈現(xiàn)減小趨勢，其形狀趨于規(guī)則。

從以上看出，農(nóng)村居民點和農(nóng)用地分布表現(xiàn)出較強的空間趨同性。這既反映了農(nóng)村居民點與農(nóng)用地的自然依存關(guān)系，也是人類從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然選擇[3]。

3.3 居民點空間分布與耕地侵蝕

根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標準》(SL190—2007)，竹溪處在以水力侵蝕為主的區(qū)域。土壤侵蝕的實質(zhì)就是水土流失，二者概念上雖有不同，但實際上是一回事[20]。本文僅獲取到耕地的侵蝕強度數(shù)據(jù)。根據(jù)3.2中研究得出的耕地與農(nóng)村居民點空間分布關(guān)系十分密切這一結(jié)論，本文對農(nóng)村居民點與耕地侵蝕狀況展開研究，以期從一個側(cè)面反映居民點分布與侵蝕分布的相關(guān)程度。選取耕地數(shù)據(jù)庫中侵蝕強度中度及以上的圖斑與竹溪鄉(xiāng)級行政區(qū)劃圖疊加，計算得到各區(qū)域耕地侵蝕面積，在SPSS軟件支持下，將其分別與各區(qū)域農(nóng)村居民點面積和人口做相關(guān)性，Pearson相關(guān)系數(shù)值分別為0.743和0.515，由此可知，竹溪縣農(nóng)村居民點面積、人口數(shù)量與耕地侵蝕呈較明顯的相關(guān)關(guān)系，即人口數(shù)量多和擁有較多農(nóng)村居民點的區(qū)域，耕地侵蝕面積也廣。人類活動的確對該縣土壤環(huán)境造成了破壞。

應(yīng)當指出，面積廣大的山區(qū)和較為豐富的降雨，使該縣具備了水土流失條件，而諸如土地利用強度過大或利用方式不合理等人為因素對水土流失的發(fā)生負有不可推卸的責(zé)任。

4 結(jié)論與討論

(1) 竹溪縣屬農(nóng)村居民點較密集區(qū)，農(nóng)村居民點形狀較規(guī)則?？傮w上看，農(nóng)村居民點用地比重和核密度空間差異明顯，由于農(nóng)村居民點規(guī)模的差異使得該縣農(nóng)村居民點用地比重高值區(qū)和核密度高值區(qū)在空間上并不重合。

(2) 竹溪縣農(nóng)村居民點空間分布受高程、坡度、坡向、耕地、園地等因素影響明顯。75.68%的農(nóng)村居民點分布在海拔232～700 m之間；66.99%的農(nóng)村居民點分布在坡度小于15°的區(qū)域；約有59.17%的農(nóng)村居民點分布在東、東南、南、西南四個坡向上；92.58%的農(nóng)村居民點分布在耕地100 m的緩沖區(qū)范圍內(nèi)；園地500 m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，分布著55.08%的農(nóng)村居民點。

(3) 該縣農(nóng)村居民點缺少整體、合理的規(guī)劃，有378.75 hm2的農(nóng)村居民點分布在坡度超過25°的區(qū)域，575.73 hm2的農(nóng)村居民點分布在北坡。應(yīng)結(jié)合實際情況對上述區(qū)域的農(nóng)村居民點遷移或撤并。

(4) 竹溪縣農(nóng)村居民點面積、人口數(shù)量與耕地侵蝕呈現(xiàn)較明顯的相關(guān)關(guān)系，即人口和農(nóng)村居民點數(shù)量多的區(qū)域，耕地侵蝕面積也廣，這在一定程度上反映出人類活動對該縣土壤環(huán)境造成了破壞。

本文在以下方面有待進一步研究：

(1) 景觀格局指數(shù)具有粒度效應(yīng)，即景觀格局指數(shù)值隨粒度定義不同會發(fā)生變化[21]?？紤]到計算機運行能力和所需精度，本文統(tǒng)一設(shè)置為30 m×30 m，該粒度的選擇是否恰當需進一步討論。

(2) 其他的土地利用方式也會有水土流失現(xiàn)象發(fā)生，由于數(shù)據(jù)限制，本文只對農(nóng)村居民點與耕地侵蝕狀況進行了分析，下一步應(yīng)進行全縣的土壤侵蝕與農(nóng)村居民點空間分布方面的研究。

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CharacteristicsofLandscapePatternandSpatialDistributionofRuralSettlementsinZhuxiCounty

LI Sheng-kun1, ZHANG Yi1, YAN Xin2, CAO Juan1

(1.CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,CentralChinaNormalUniversity,Wuhan430079,China;2.CollegeofGeographicalScience,NanjingNormalUniversity,Nanjing210023,China)

Zhuxi County of Hubei Province was taken as the study area. Based on the second land survey data of 2009 and DEM data as the data sources, this paper analyzed the spatial distribution characteristics of rural settlements in Zhuxi County through the methods of landscape ecology theory and kernel density estimation. At the same time, GIS technology was used to analyze factors affecting the spatial distribution of rural settlements in Zhuxi. Results show that Zhuxi County belongs to the region with more dense rural settlements. The land use proportion of rural settlements in Zhuxi has a significant spatial difference, there are two clear distribution zones, one is from Xianhe Town, Chengguan Town to Jiangjiayan Town, the other is from Chengguan Town to Longba Town. The county′s rural settlements are in regular shape. The rural settlements′ number in the north and east of the county is large, proportion of rural settlement land of high value area and kernel density of high value area are not coincident in space. The distribution of rural settlements is apparently influenced by elevation, slope, aspect, farming environment factors, especially has a very close relationship with spatial distribution of the cultivated field. The erosion area of the cultivated land in regions with larger population and more rural settlements is big.

rural settlements; landscape index; kernel density estimation; spatial distribution; Zhuxi County

2013-10-20

：2013-11-13

國家社會科學(xué)基金項目(13BGL155)

李勝坤(1989—),男,山東省濟寧人,碩士研究生,主要研究方向為環(huán)境生態(tài)。E-mail:sklee1990@126.com

張毅(1966—),女,湖北省襄陽人,副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事環(huán)境生態(tài)、環(huán)境演變與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展方面的研究。E-mail: hbdeng@hotmail.com

K901.8

：A

：1005-3409(2014)04-0203-05