吉林省通榆縣農(nóng)村居民地空間演變特征及影響因素

李佳薇, 李曉燕, 康 鑫, 衛(wèi)志豪, 王嘉攀

(吉林大學 地球科學學院, 長春 130061)

吉林省通榆縣農(nóng)村居民地空間演變特征及影響因素

李佳薇, 李曉燕, 康 鑫, 衛(wèi)志豪, 王嘉攀

(吉林大學 地球科學學院, 長春 130061)

農(nóng)村居民地空間格局及其動態(tài)變化研究有利于因地制宜進行居民地的整理與優(yōu)化，促進農(nóng)村土地的集約利用。以吉林省西部通榆縣為研究區(qū)，運用GIS技術(shù)和空間分析模型，定量分析了通榆縣1955年、1990年、2013年農(nóng)村居民地的時空變化及空間模式的演變，并選取景觀格局指數(shù)對影響農(nóng)村居民地布局特征的因素進行了深入分析。結(jié)果表明：居民地聚集度排序為：1955年>1990年>2013年。在空間尺度為45 km處，3個時期的居民地聚集程度最大，表明居民地的聚集度隨著空間尺度的增加呈先增加再下降的趨勢。坡度、道路和水域等景觀要素對通榆縣農(nóng)村居民地的布局有顯著影響，隨著坡度和距道路、水域距離的增加，農(nóng)村居民地的斑塊數(shù)都有不同程度的減少。1955—2013年人口的變化與居民地面積的變化具有一致性，人口膨脹是該縣居民地向外擴張的重要原因。該研究可為農(nóng)村居民地的空間布局提供決策依據(jù)，為新農(nóng)村建設、增減掛鉤規(guī)劃、農(nóng)村土地綜合整治等提供應用參考。

GIS; 農(nóng)村居民地; 空間模式; 景觀格局; 通榆縣

農(nóng)村居民地作為農(nóng)村人地關系的表現(xiàn)核心，是農(nóng)村人口生產(chǎn)和生活等綜合功能的承載體，也是土地利用的重要組成部分[1]。另外，農(nóng)村居民地又是農(nóng)村聚落的主要景觀形態(tài)，是在特定的地理環(huán)境和社會經(jīng)濟背景中，人類活動與自然、社會經(jīng)濟相互作用的綜合結(jié)果，其分布受到自然條件和社會經(jīng)濟條件等因素的共同影響[2]。長期以來，我國農(nóng)村居民地的建設處于自發(fā)的狀態(tài)，居民地布局散亂、土地利用粗放，農(nóng)村基礎設施相對滯后。隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化的不斷推進，城鎮(zhèn)建設用地的需求日益增加，而農(nóng)村卻普遍存在居民地用地規(guī)模小、數(shù)量多、內(nèi)部空間布局松散無序以及農(nóng)村“空心化”趨勢加劇等土地粗放、低效利用的現(xiàn)象，這不僅造成了農(nóng)村土地資源的嚴重浪費和建設用地結(jié)構(gòu)的不合理，而且嚴重影響了農(nóng)村產(chǎn)業(yè)化、城鎮(zhèn)化和現(xiàn)代化進程[3-4]。

20世紀50年代以來，伴隨著人口的迅速膨脹，農(nóng)村居民地的分布發(fā)生了很大變化，表現(xiàn)出規(guī)模集中化和局部分散化并存等現(xiàn)象。同時，吉林省通榆縣特殊的生態(tài)環(huán)境和相對滯后的社會經(jīng)濟發(fā)展，為農(nóng)村的居住空間打上了深刻的地域烙印，使其結(jié)構(gòu)演變與空間分異具有特殊性，而目前這方面的研究相對薄弱。本文以吉林省通榆縣為研究區(qū)，綜合運用GIS空間分析技術(shù)、景觀定量分析方法，研究1955—2013年近60 年間通榆縣農(nóng)村居民地空間分布、形態(tài)結(jié)構(gòu)變化特征及影響因素，以期揭示農(nóng)村居民地空間格局變化的一般規(guī)律和特征，對于適合相同區(qū)域類型的居民地規(guī)劃、促進城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展及農(nóng)村土地集約與節(jié)約利用等具有重要的意義[5]。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

通榆縣位于吉林省西部，松嫩平原的西南部，科爾沁草原東陲，其南、西與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，位于東經(jīng)122°02′13″—123°30′57″，北緯44°13′57″一45°16′27″。該區(qū)地域遼闊，土地面積為8 496 km2，東、南、西三面高，北部和中部較低，地形似簸箕狀。屬于大陸性季風氣候，四季分明，全區(qū)年平均降雨量為332.4 mm，年均溫6.6℃。截至2014年，現(xiàn)轄8鎮(zhèn)8鄉(xiāng)6個國營畜牧林場，1個產(chǎn)業(yè)集中區(qū)，總?cè)丝?6.2萬。農(nóng)業(yè)人口占到了總?cè)丝诘?9.9%，農(nóng)業(yè)依然在該區(qū)國民經(jīng)濟中占有較大比重。近年來，由于宅基地面積超標、用地不集中，居民地一部分沿主要道路延伸，一部分零散分布，不利于管理以及各種公用設施的建設。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文所采用的數(shù)據(jù)主要包括通榆縣1955年1∶10萬地形圖數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所提供。1990年9月與2013年9月Landsat多波段TM遙感數(shù)據(jù)(分辨率為30 m)，該數(shù)據(jù)是在美國USGS遙感影像網(wǎng)站下載。

對研究區(qū)內(nèi)的地形圖和遙感影像進行數(shù)據(jù)精校正，統(tǒng)一到Albers投影下，對覆蓋研究區(qū)的遙感影像進行波段合成和色彩增強，用于數(shù)據(jù)更新和提取的數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)預處理過程如下：(1) 根據(jù)地形圖和影像上的紋理及色彩特征，確定居民地的解譯標準，以1955年地形圖上提取的居民地為基礎數(shù)據(jù)，分別在1990年和2013年遙感影像上進行動態(tài)變化信息提取，經(jīng)過數(shù)據(jù)合并，獲得3期居民地分布數(shù)據(jù)，作為數(shù)據(jù)分析的主要數(shù)據(jù)源；(2) 利用研究區(qū)1∶10萬地形圖提取等高線，建立分辨率為30 m的DEM，從DEM數(shù)據(jù)中提取坡度數(shù)據(jù)，并進行重分類；(3) 分別基于地形圖和影像提取研究區(qū)道路和水域信息，用于環(huán)境因素分析。

分別將1955年和1990年、1990年和2013年、1955年和2013年的居民地數(shù)據(jù)進行疊加，分析各期居民地的分布格局及各個時段的演變特征。將居民地面狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為點狀數(shù)據(jù)，通過Ripley′s K函數(shù)，分析居民地的空間集聚度及其演變模式。耦合居民地演變數(shù)據(jù)與各景觀格局指數(shù)，統(tǒng)計不同帶內(nèi)景觀格局指數(shù)的特征，分析居民地格局對其演變模式的影響。對道路和水域的多級緩沖數(shù)據(jù)與居民地演變數(shù)據(jù)相耦合，分析不同緩沖帶內(nèi)居民地的演變特征，探討不同環(huán)境因素對居民地分布格局的影響程度。

2 研究方法

2.1 Ripley′s K函數(shù)

K函數(shù)(K-function)分析法，是由Ripley于1976年提出的，所使用的統(tǒng)計量被稱為Ripley′s K統(tǒng)計量。Ripley′s K統(tǒng)計量是多階鄰點統(tǒng)計量的擴展，可以用來分析某一點分布在不同空間尺度上所表現(xiàn)出的特定模式[6]。計算公式如下：

(1)

式中：A為研究區(qū)域面積；N為農(nóng)村居民地總數(shù)；dij為農(nóng)村居民地i與農(nóng)村居民地j之間的距離；h為空間尺度大小；Ih為指示函數(shù)。如果dij

由于K函數(shù)的計算結(jié)果本身很難直觀地看出其分布性質(zhì)[7]。為此，Besag等[8]提出對K(h)進行一個開方變換，用L(h)來代替K(h)，從而使結(jié)果線性化并保持方差的穩(wěn)定性。

(2)

L(h)與h的關系可用于檢驗多尺度的空間分布格局。當L函數(shù)值大于期望值，即為正值，則研究對象具有集聚分布趨勢。相反，L(h)小于隨機分布下的期望值，即是負值，則可認為研究對象在相應的空間尺度上呈現(xiàn)分散的趨勢。當函數(shù)值為零時表明所考察的點模式為空間完全隨機分布(Complete Spatial Randomness,CSR)[9]。

2.2 景觀格局指數(shù)

農(nóng)村居民地是農(nóng)村景觀的重要組成部分，斑塊—廊道—基質(zhì)的組合是最常見最簡單的空間格局構(gòu)型，是景觀功能、格局和過程隨時間發(fā)生變化的主要決定因素，廊道是指不同于兩側(cè)基質(zhì)的狹長地帶，它可以呈隔離的條狀，如公路、河流[10]。道路、河流等廊道承擔著物質(zhì)與能量運輸?shù)闹匾饔?，對農(nóng)村居民地的分布、發(fā)生、發(fā)展具有顯著影響。因此，本文在自然環(huán)境方面考慮地形、河流和道路，選取斑塊數(shù)目(NP)、斑塊面積(CA)、平均斑塊面積(MPA)、斑塊密度(PD)、平均形狀指數(shù)(MSI)等景觀格局指數(shù)來分析不同環(huán)境因素影響下農(nóng)村居民地空間分布的景觀格局變化特征[11-13]。其中，NP表示農(nóng)村居民地的數(shù)量；CA和MPA表示農(nóng)村居民地的用地規(guī)模；PD表示農(nóng)村居民地的空間分布密度；MSI反映農(nóng)村居民地矢量斑塊的復雜程度，形狀指數(shù)越大，說明農(nóng)村居民地形狀越不規(guī)則，邊界曲折度越大[14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 1955-2013年通榆縣居民地總體變化

通榆縣農(nóng)村居民用地自1955年以來總體呈增長趨勢：從1955年的4 114 hm2增加至1990年的17 861 hm2,而2013年居民地面積達到20 056 hm2；1955—1990年居民地面積增長率明顯大于1990—2013年居民地面積增長率。這是由于1955—1990年期間是人口快速恢復增長期，導致居民地面積急劇增加。1990—2013年期間，由于通榆縣大力貫徹計劃生育政策，自然增長率逐年減小，人口緩慢增長，這一時期為人口緩慢增長期，居民地面積擴張幅度減小。通榆縣的人口變化與居民用地面積變化具有一致性，由此可說明人口膨脹是該縣居民地向外擴張的重要原因。

此外，1955年居民地相對密集，呈雜亂無序分布；1990年居民地相對于1955年較分散，居民地總數(shù)量明顯減少，西北部居民地密度值較低。這是由于通榆縣西北部為沙地、鹽堿地的分布區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，阻礙了區(qū)域發(fā)展。但1990年居民地總面積較1955年顯著增加。而2013年，居民地總數(shù)量較1990年增加，增加的居民地集中在東部區(qū)域(圖1)。

3.2 通榆縣居民地集聚模式

將通榆縣居民地面狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為點狀數(shù)據(jù)，通過Ripley′s K函數(shù)分析居民地的空間集聚度及其演變模式。

圖1 1955-2013年通榆縣農(nóng)村居民地空間分布變化

在Arcview中進行Ripley′s K函數(shù)的分析，將空間尺度設置為5 km，將計算結(jié)果轉(zhuǎn)入Excel軟件中繪制散點圖(圖2)。從通榆縣居民地3個時期的L(h)函數(shù)值散點圖可以看出，居民地聚集度排序為：1955年>1990年>2013年，但不同空間尺度具有不同的變化特征，3期居民地的聚集度隨著空間尺度的增加均呈先增加再下降的趨勢，在45 km處3個時期居民地的聚集程度均達到最大。1955年的L(h)在空間尺度大于125 km時表現(xiàn)為負值，而1990年和2013年的L(h)在空間尺度大于100 km時為負值，即為發(fā)散趨勢。由此可見，現(xiàn)有農(nóng)村居民地分布擴展表現(xiàn)出規(guī)模集中化和局部分散化并存的現(xiàn)象。規(guī)模集中化發(fā)展主要體現(xiàn)在新增聚居斑塊多沿著原居民地四周形成分布。局部分散化主要體現(xiàn)在居民地規(guī)?；邪l(fā)展的同時，也出現(xiàn)了一些小的、零散分布的居民地。這部分新增居民地規(guī)模較小，并且占有一定數(shù)量。

圖2 吉林省通榆縣三個時期居民地分布的L(h)函數(shù)

3.3 通榆縣居民地的景觀指數(shù)分析

通榆縣3個時期的農(nóng)村居民地景觀格局指數(shù)見表1，耦合居民地演變數(shù)據(jù)與各景觀格局指數(shù)，統(tǒng)計不同時間段內(nèi)景觀格局指數(shù)的特征，分析居民地格局對其演變模式的影響。1955—2013年間斑塊面積和平均斑塊面積不斷增加，斑塊數(shù)卻是先減小后增加，結(jié)合通榆縣居民地的總體變化，說明農(nóng)村居民地的空間擴張以外延擴展為主，這主要是由于通榆縣位于西部平原區(qū)，地勢的平坦有利于居民地規(guī)模的擴大。1990年和2013年的斑塊密度明顯小于1955年的斑塊密度。在1990—2013年期間，農(nóng)村居民地的形狀指數(shù)變化相對不大，但較1955年有所增加，居民地的形狀規(guī)則度有所下降，在一定程度上也進一步表明，居民地布局并沒有有效推進，農(nóng)村住宅建設規(guī)劃力度需不斷增強。

表1 通榆縣3個時期的景觀格局指數(shù)

3.4 不同環(huán)境因素對居民地分布影響的景觀格局分析

3.4.1 坡度影響的景觀格局分析 在ArcGIS 10.2中，首先對坡度按照0°～5°，5°～10°，10°～15°，15°～25°和>25°進行分級，利用Patch Analyst模塊計算各個坡度級別的居民地斑塊的景觀格局指數(shù)(表2)。從表2可以看出，0°～10°由于地勢平緩，起伏較小，水土流失輕微，是農(nóng)村居民地布局的理想坡度條件，1955年、1990年和2013年通榆縣農(nóng)村居民地超過90%分布在這一坡度范圍內(nèi)，而在坡度>10°時，隨著坡度的增加，農(nóng)村居民地的斑塊數(shù)和斑塊面積總體上不斷減少，其中>25°分布的農(nóng)村居民地斑塊數(shù)最少，斑塊面積最小。這是由于地勢的增高導致諸多不利因素，如交通不便捷，不利于機械化的施工，施工的工程量增加，水土流失嚴重，易發(fā)生地質(zhì)災害等等，限制了居民地規(guī)模的擴大。在0°～25°范圍內(nèi)，隨著坡度的增加，1955年農(nóng)村居民地的平均斑塊面積表現(xiàn)震蕩下降的態(tài)勢，而1990年和2013年表現(xiàn)為先增加后減少。此外，3個時期農(nóng)村居民地的斑塊密度先增加后減少。對比這3個年份農(nóng)村居民地的景觀格局指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在各個坡度區(qū)間內(nèi)，2013年和1990年與1955年相比，在坡度0°～5°及>25°的范圍內(nèi)，農(nóng)村居民地的平均斑塊面積有不同程度的增加，尤其是坡度0°～5°的范圍內(nèi)，增加幅度最大。

表2 坡度對農(nóng)村居民地分布影響景觀格局指數(shù)

3.4.2 水域影響的景觀格局分析 在ArcGIS 10.2中，選擇通榆縣境內(nèi)的河流及較大的支流，湖泊按2，4，6，10 km的半徑做Multiple Ring Buffer，然后將水域緩沖區(qū)分別與1955年、1990年和2013年的農(nóng)村居民地進行疊加(圖3)；再利用查詢統(tǒng)計功能，計算出距離水域不同距離范圍內(nèi)農(nóng)村居民地斑塊的景觀格局指數(shù)(表3)。

圖3 通榆縣3個時期水域緩沖區(qū)內(nèi)居民地分布

由表3可知，1955年中，在距水域4 km的范圍外，農(nóng)村居民地斑塊數(shù)最多，斑塊面積最大，均超過了研究區(qū)農(nóng)村居民地斑塊總數(shù)和斑塊總面積的2/3，而在1990年和2013年中，超過60%的農(nóng)村居民地與水域的距離在4 km以內(nèi)，大于4 km時，隨著距水域距離逐漸增加，農(nóng)村居民地的斑塊數(shù)、斑塊類型面積和斑塊密度也在不斷減少，平均斑塊面積呈現(xiàn)上升態(tài)勢。對比三個時期農(nóng)村居民地斑塊的景觀格局指數(shù)可清楚看出，經(jīng)過近60 a時間的發(fā)展，由于人口的迅速增加，人們在居民地的選址中更傾向于距離水域小于4 km的范圍內(nèi)。

3.4.3 道路影響的景觀格局分析 道路緩沖區(qū)的建立(圖4)及距道路不同距離范圍內(nèi)農(nóng)村居民地斑塊景觀格局指數(shù)的計算與4.4.2的計算過程相同。

表3 水域?qū)r(nóng)村居民地分布影響的景觀格局指數(shù)

圖4 通榆縣3個時期道路緩沖區(qū)內(nèi)居民地

由表4可知，通榆縣的3個時期內(nèi)，距離道路4 km范圍內(nèi)分布的農(nóng)村居民地斑塊數(shù)最多，斑塊面積最大；在距道路0～10 km范圍內(nèi)，隨著距離的增加，斑塊數(shù)目逐漸減少。對比這3個時期農(nóng)村居民地的景觀格局指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，在不同距離區(qū)間范圍內(nèi)，1990年農(nóng)村居民地的平均斑塊面積和斑塊面積比1955年都有不同程度的增加，斑塊數(shù)和斑塊密度則有不同程度的減少；而在0～2 km，2013年農(nóng)村居民地的平均斑塊指數(shù)、斑塊數(shù)、斑塊面積和平均斑塊面積比1990年有不同程度的增加，斑塊密度有所減少。這說明交通干道周邊區(qū)域居民地分布一部分沿著主要道路延伸，一部分零散分布、規(guī)劃力度不強的現(xiàn)象相對比較突出?？傮w來看，交通干道的建設和布局是影響居民地空間布局的一個重要因素。所以在考慮農(nóng)村居民地道路通達度的同時，還需積極改善沿路周邊居民地空間布局混亂等潛在性問題。

表4 道路對農(nóng)村居民地分布影響的景觀格局指數(shù)

4 結(jié)論與建議

(1) 通榆縣農(nóng)村居民用地面積自1955年以來總體呈增長趨勢。1955年居民地數(shù)量較多，但單個居民地面積相對較小，1990年以來，居民地面積增加顯著，增加的居民地集中在東部區(qū)域。

(2) 1955年、1990年和2013年通榆縣農(nóng)村居民地空間聚集特征均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，在45 km處達到最大聚集度，但聚集程度有所不同，居民地聚集度的大小排序為：1955年>1990年>2013年、1990年以來其聚集尺度由120 km變?yōu)?00 km，在較大尺度內(nèi)聚集度明顯下降。這主要是由于農(nóng)村居民地分布處于不斷向外擴張的趨勢，整體表現(xiàn)出規(guī)模集中化和局部分散化并存的現(xiàn)象，農(nóng)村聚居空間形態(tài)并不規(guī)則。

(3) 坡度、水域和道路等景觀要素對通榆縣農(nóng)村居民地的布局有顯著影響。其中超過90%的居民地分布在0°～10°坡度范圍內(nèi)，近60%居民地分布在水域4 km范圍內(nèi)，超過55%的居民地分布在道路4 km范圍內(nèi)。隨著坡度和距道路、水域距離的增加，農(nóng)村居民地的斑塊數(shù)都有不同程度的減少。

基于以上研究，對通榆縣居民地建設與規(guī)劃提出如下建議：

(1) “要想富先修路”，交通條件是影響居民地分布的一個重要因素，可結(jié)合區(qū)域間車行流量因素，加強對各級道路的建設，構(gòu)建良好的交通網(wǎng)絡。

(2) 水資源是影響吉林省西部生態(tài)環(huán)境和人居環(huán)境的重要限制性因素，保護通榆縣域內(nèi)的水資源，合理規(guī)劃居民地的整體格局。

(3) 在人口快速增長的區(qū)域背景下，農(nóng)村居住空間擴展范圍和居住活動程度不斷增強。在新時期城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展的背景下，應加強農(nóng)村聚落規(guī)劃管理與調(diào)控工作，促進農(nóng)村居民地向集約化、有序化方向發(fā)展。

總的來看，在合理穩(wěn)步推進新農(nóng)村規(guī)劃建設的過程中，應避免追求掛鉤周轉(zhuǎn)指標的經(jīng)濟效益而盲目拆建，在綜合考慮居民地格局各類影響因素的前提下，通過規(guī)劃促使農(nóng)民由原來所在村莊分散居住向中心村、小集鎮(zhèn)、城鎮(zhèn)或社區(qū)集中居住轉(zhuǎn)變，進一步加強土地節(jié)約集約利用，提高土地承載能力。

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SpatialEvolutionCharacteristicsandInfluencingFactorsofRuralResidentialLandinTongyuCounty,JilinProvince

LI Jiawei, LI Xiaoyan, KANG Xin, WEI Zhihao, WANG Jiapan

(CollegeofEarthSciences,JilinUniversity,Changchun130061,China)

The spatial pattern of rural residents and its dynamic changes are conducive to the consolidation and optimization of residential areas, and to promote the intensive use of rural land use. Tongyu County in the west of Jilin Province was selected as the study area in this paper, GIS technology and spatial analysis model were used for quantitative analysis of the temporal and spatial variation and the evolution of spatial patterns of Tongyu County in 1955, 1990 and 2013 rural residents, and factors affecting the characteristics of rural residential land layout were analyzed in-depth by selecting the landscape pattern index. The results showed that residential areas gathered in the order: 1955>1990>2013. At the spatial scale of 45 km, three periods of residential areas gathered to the maximum extent, which indicates that the aggregation degree of the residential area increased at first and then decreased with the increase of spatial scale. Landscape elements such as slope, road and waters have a significant impact on the layout of rural residential land in Tongyu County. With the increase of slope and the distance from the road and the water bodies, the number of patches of the rural residential areas has varying degrees of reduction. The change of population was consistent with the change of residential area in 1955—2013. Population expansion is an important reason for the expansion of the residential area. This study can provide decision-making basis for the spatial layout of rural residential land, and provide the application reference for the new rural construction, increase or decrease hook, and the comprehensive improvement of rural land.

GIS; rural residential; spatial pattern; landscape pattern; Tongyu County

2016-04-26

：2016-06-01

國家自然科學基金“基于優(yōu)化植被指數(shù)的草本濕地植被凈初級生產(chǎn)力遙感估算”(41371403)

李佳薇(1994—),女,吉林省吉林市人,本科生,研究方向為地理科學。E-mail:lijiawei1024@qq.com

李曉燕(1975—),女(蒙古族),內(nèi)蒙古阿拉善人,副教授,主要從事資源環(huán)境遙感與GIS應用教學與科研工作。E-mail:lxyan@jlu.edu.cn

F301.24

：A

：1005-3409(2017)03-0221-06