生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)特征研究

唐秀美 劉 玉 任艷敏 楊亞楠

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感機(jī)理與定量遙感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100097)

0 引言

農(nóng)村居民點(diǎn)是鄉(xiāng)村生產(chǎn)、生活、生態(tài)的重要組成部分，是地域體系研究的重要領(lǐng)域之一[1]。同時(shí)，作為農(nóng)村人口的主要聚集地，農(nóng)村居民點(diǎn)是農(nóng)村土地利用的重要部分和農(nóng)村人地關(guān)系表現(xiàn)的核心[2]，其格局和利用結(jié)構(gòu)的變化可以反映人類活動(dòng)與地理環(huán)境間的相互影響[3-6]。近年來，農(nóng)村居民點(diǎn)的研究多集中于用地適宜性評價(jià)[7-10]、景觀格局分析[10-11]、時(shí)空格局變化及驅(qū)動(dòng)力分析[12-15]以及整治模式[16-17]等方面。總體上看，宏觀和中觀尺度的研究較多[18]，且多將農(nóng)村居民點(diǎn)作為一個(gè)整體進(jìn)行分析，對于農(nóng)村居民點(diǎn)用地精細(xì)化規(guī)劃和管理實(shí)踐的支撐不足[19]。在農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)的研究方面，姜廣輝團(tuán)隊(duì)[20-23]探索性研究了平谷區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地類型劃分、空間分異規(guī)律、驅(qū)動(dòng)因素及優(yōu)化等，為農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地的分類方法與功能分析等研究奠定基礎(chǔ)，但亟需多區(qū)域、多視角地實(shí)證目前的研究成果。

密云區(qū)是北京市重要的生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)，區(qū)內(nèi)有北京最大的飲用水源供應(yīng)地——密云水庫。本文從水源保護(hù)區(qū)視角對比密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)特征和差異，旨在掌握水源保護(hù)區(qū)內(nèi)外農(nóng)村居民點(diǎn)的利用狀況，為制定差別化的農(nóng)村居民點(diǎn)的利用和保護(hù)策略服務(wù)，為農(nóng)村居民點(diǎn)的合理利用及水源保護(hù)區(qū)的科學(xué)保護(hù)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

密云區(qū)位于北京市東北部，位置為116°39′33″～117°30′25″E，40°13′7″～40°47′57″N，處于燕山山地與華北平原交接區(qū)域。密云區(qū)為暖溫帶季風(fēng)型大陸性半濕潤半干旱氣候，四季分明，干濕冷暖變化明顯。根據(jù)《北京市密云水庫懷柔水庫和京密引水渠水源保護(hù)管理?xiàng)l例》，密云水庫一、二、三級(jí)保護(hù)區(qū)總面積149 062 hm2(圖1)。其中，一級(jí)保護(hù)區(qū)包括密云水庫內(nèi)湖區(qū)和環(huán)庫公路以內(nèi)的近水地帶，面積為26 796 hm2；二級(jí)保護(hù)區(qū)為一級(jí)保護(hù)區(qū)之外至水庫的向水坡范圍以內(nèi)以及密云水庫調(diào)節(jié)池的匯水范圍以內(nèi)，面積為34 741 hm2；三級(jí)保護(hù)區(qū)為二級(jí)保護(hù)區(qū)以外至上游河道的流域，面積為87 525 hm2。分析密云水庫水源保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)外農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)及差異，有利于掌握農(nóng)村居民點(diǎn)的利用差異。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

選取2018年7月國產(chǎn)高分1號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)獲取密云區(qū)土地利用數(shù)據(jù)。在對影像進(jìn)行圖像增強(qiáng)和幾何校正的基礎(chǔ)上，參考《土地利用現(xiàn)狀分類體系》(GB/T 21010—2017)以及已有研究成果[24]，利用ArcGIS進(jìn)行地類判別與目視解譯，結(jié)合2018年區(qū)域POI數(shù)據(jù)、地理國情普查數(shù)據(jù)和現(xiàn)場調(diào)研情況，基于功能視角將密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)用地類型劃分為生產(chǎn)空間、生活空間、生態(tài)空間3個(gè)一級(jí)類。其中，生產(chǎn)空間細(xì)化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、工業(yè)生產(chǎn)用地和商旅服務(wù)用地3個(gè)二級(jí)類；生活空間細(xì)化為居住用地、公共設(shè)施用地和交通用地3個(gè)二級(jí)類；生態(tài)空間細(xì)化為公共綠地、防護(hù)綠地、水面和未利用地4個(gè)二級(jí)類(圖1)。

圖1 2018年密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地類型Fig.1 Internal land use structure of rural settlements in Miyun District in 2018

2 研究思路與研究方法

2.1 研究思路

本文結(jié)合密云水庫水源保護(hù)區(qū)范圍，將密云區(qū)全域劃分為水源保護(hù)一級(jí)區(qū)、二級(jí)區(qū)、三級(jí)區(qū)和區(qū)外4個(gè)區(qū)，采用Weaver-Thomas組合系數(shù)法、洛倫茲曲線、基尼系數(shù)、景觀格局分析等方法和模型，對農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地類型、結(jié)構(gòu)特征和景觀格局進(jìn)行分析?？傮w研究思路如圖2所示。

圖2 研究思路Fig.2 Research idea map

2.2 研究方法

2.2.1農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地組合類型

采用Weaver-Thomas組合系數(shù)法分析農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地的組合類型[25]。首先，把農(nóng)村居民點(diǎn)的各土地利用類型面積占研究區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)總面積的比例從大到小排序；其次，構(gòu)建組合結(jié)構(gòu)類型及假設(shè)比例。理論上，土地利用組合結(jié)構(gòu)類型和土地利用類型的數(shù)目相同。組合系數(shù)計(jì)算式為

(1)

其中

式中Nt——區(qū)域內(nèi)第t類組合結(jié)構(gòu)的Weaver-Thomas組合系數(shù)

Ttf——區(qū)域內(nèi)第t種實(shí)際分配情況下第f種土地利用類型占比

T′tf——區(qū)域內(nèi)第t種假設(shè)分配情況下第f種土地利用類型占比

2.2.2土地利用均衡度分析

(1)洛倫茲曲線

經(jīng)濟(jì)學(xué)家LORENZ提出的洛倫茲曲線(Lorenz curves)最初用來反映一個(gè)國家或地區(qū)的總收入在國家人口中的分配均衡程度[26]。洛倫茲曲線是一條內(nèi)凹的曲線，橫坐標(biāo)為人口的百分比，縱坐標(biāo)為橫坐標(biāo)對應(yīng)的收入百分比，均等線是洛倫茲曲線與坐標(biāo)軸呈45°夾角時(shí)的理想狀態(tài)。實(shí)際情況下，洛倫茲曲線均在絕對平均線右下位置，且越靠近均等線，說明區(qū)域該土地利用類型的分布越均衡，反之則越不均衡。具體步驟為：①求取區(qū)域某地類的區(qū)位熵[27]，反映各地類的區(qū)位優(yōu)勢和相對重要性，計(jì)算式為

(2)

式中Q——土地利用區(qū)位熵

qij——區(qū)域i內(nèi)第j種地類的面積

qj——區(qū)域i內(nèi)所有地類的總面積

qi——研究區(qū)內(nèi)i區(qū)域的土地面積

q——研究區(qū)土地的總面積

②將某土地利用類型的區(qū)位熵按照升序排列，然后計(jì)算研究區(qū)土地總面積累計(jì)百分比和某地類的累計(jì)百分比。③將村土地總面積累計(jì)百分比作為X軸，該土地利用類型的累計(jì)百分比作為Y軸，繪制洛倫茲曲線。

(2)基尼系數(shù)

基尼系數(shù)是基于洛倫茲曲線演化出的一種判斷均衡程度的定量化指標(biāo)[28]。基尼系數(shù)原始公式為

(3)

式中G——基尼系數(shù)

A——洛倫茲曲線與均等線相交，所得的閉合區(qū)域的面積

B——洛倫茲曲線與構(gòu)建洛倫茲曲線的正方形邊界相交，右下角閉合區(qū)域的面積

基尼系數(shù)G的值域?yàn)閇0,1]，G越大，空間分布差距越大；反之，G越小，農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地分布的均勻程度更高。通常，當(dāng)0≤G<0.2時(shí)，認(rèn)為是高度平均；當(dāng)0.2≤G<0.3時(shí)，認(rèn)為是比較平均；當(dāng)0.3≤G<0.4時(shí)，認(rèn)為是相對合理，并且0.4通常作為不合理分布的閾值；當(dāng)0.4≤G<0.6時(shí)，認(rèn)為是差距較大；當(dāng)G≥0.6時(shí)，認(rèn)為有懸殊差距。本文采用費(fèi)建波等[29]關(guān)于基尼系數(shù)的算法，公式為

(4)

式中Mi——區(qū)域i內(nèi)某地類面積累計(jì)百分比

Qi——區(qū)域i內(nèi)土地面積占研究區(qū)土地總面積的累計(jì)百分比

Mi+1——第i+1區(qū)域土地面積累計(jì)百分比

Qi+1——第i+1區(qū)域土地面積占研究區(qū)土地總面積的累計(jì)百分比

2.2.3土地景觀格局分析

利用景觀格局定量化分析軟件Fragstats 4.2分析農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地的景觀格局特征[30]，選取景觀指數(shù)中的斑塊密度(PD)和景觀形狀指數(shù)(LSI)分別反映景觀的破碎程度與形狀復(fù)雜程度。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用類型與功能

利用ArcGIS 10.3對不同區(qū)域各類農(nóng)村居民點(diǎn)面積及比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1)。密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)的生活空間面積為56.39 hm2，占總面積的69.49%；生產(chǎn)空間面積為18.14 hm2，占總面積的22.35%；生態(tài)空間面積為6.64 hm2，占總面積的8.16%?？傮w上看，農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地以生活空間為主，其次是生產(chǎn)空間，生態(tài)空間最少。從4個(gè)區(qū)看，生活空間的面積比例最大，其中三級(jí)區(qū)最突出，比例達(dá)到83.83%；生產(chǎn)空間占比居中，其中區(qū)外的生產(chǎn)空間比例最大，為26.56%；一級(jí)區(qū)和二級(jí)區(qū)的生態(tài)空間比例較大，分別達(dá)到10.80%、10.81%，三級(jí)區(qū)的生態(tài)空間最少，僅有4.51%。生活空間中，各區(qū)都以居住用地為主；生產(chǎn)空間中，一級(jí)區(qū)以商旅服務(wù)用地為主，二級(jí)區(qū)以工業(yè)生產(chǎn)用地為主，三級(jí)區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和商旅服務(wù)用地為主，區(qū)外以工業(yè)生產(chǎn)用地為主；生態(tài)空間中，水源保護(hù)區(qū)內(nèi)部都以公共綠地為主，保護(hù)區(qū)外的未利用地比例較大，防護(hù)綠地在各區(qū)也占到一定比例，水面的比例較小。

表1 2018年密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地面積統(tǒng)計(jì)Tab.1 Internal land use structure of rural settlements in Miyun District in 2018

基于Weaver-Thomas組合系數(shù)法的計(jì)算結(jié)果可知(表2)，密云區(qū)4個(gè)區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)用地組合狀況存在差異，組合類型數(shù)從5～7不等。結(jié)果顯示，4個(gè)區(qū)均包含有居住用地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、工業(yè)生產(chǎn)用地和商旅服務(wù)用地；一級(jí)區(qū)以居住用地、公共設(shè)施用地、商旅服務(wù)用地、公共綠地為主，二級(jí)區(qū)以居住用地、工業(yè)生產(chǎn)用地、商旅服務(wù)用地、公共綠地為主，三級(jí)區(qū)以居住用地、商旅服務(wù)用地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、公共設(shè)施用地為主，區(qū)外以居住用地、工業(yè)生產(chǎn)用地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、商旅服務(wù)用地為主。

表2 2018年密云區(qū)不同區(qū)域農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地組合類型Tab.2 Combination types of internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

3.2 土地利用均衡度

繪制洛倫茲曲線，分析農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部土地利用的均衡程度。如圖3所示，密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)中，洛倫茲曲線與均等線的距離由小到大為生活空間、生產(chǎn)空間、生態(tài)空間，說明在不同區(qū)域土地利用結(jié)構(gòu)的均勻程度中，生活空間的分布最均衡，其次是生產(chǎn)空間，生態(tài)空間最不均衡。

圖3 2018年密云區(qū)不同區(qū)域農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地一級(jí)類的洛倫茲曲線Fig.3 Lorentz curves of first-level internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

基尼系數(shù)計(jì)算結(jié)果表明(表3)，水源保護(hù)區(qū)內(nèi)部的生活空間均衡程度高于區(qū)外，而生產(chǎn)空間的均衡程度低于區(qū)外，且保護(hù)區(qū)內(nèi)差距不大；生態(tài)空間的不均衡程度最高，一級(jí)區(qū)最不均衡。

表3 2018年密云區(qū)各區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地一級(jí)類的基尼系數(shù)Tab.3 Gini coefficient of first-level internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

為分析密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地二級(jí)類型的土地利用分布均衡程度，以村為單元，將每個(gè)村各土地利用類型按照區(qū)位熵值升序排列繪制洛倫茲曲線。由圖4可知，土地利用類型在各區(qū)的分布不均衡。其中，生活空間二級(jí)類中，居住用地的分布最為均衡，其次是公共設(shè)施用地，交通用地的分布最不均衡；生產(chǎn)空間二級(jí)類中，各類型的分布都較不均衡，其中工業(yè)生產(chǎn)用地的分布最不均衡，其次是商旅服務(wù)用地，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間的分布最均衡；生態(tài)空間分布最不均衡，其二級(jí)類分布總體都不均衡，特別是防護(hù)綠地和水面。

圖4 2018年密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地二級(jí)類洛倫茲曲線Fig.4 Lorentz curves of second-level internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

基于基尼系數(shù)定量化分析結(jié)果可知(表4)，生活空間中居住用地的基尼系數(shù)最低，生產(chǎn)空間中工業(yè)生產(chǎn)用地的基尼系數(shù)差距較大，區(qū)外為0.31，區(qū)內(nèi)不小于0.44，其余地類的基尼系數(shù)均大于0.4，且交通用地和水面的基尼系數(shù)大于0.6。同時(shí)，不同地類在各區(qū)域的均衡度不同，其中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地在三級(jí)區(qū)內(nèi)分布相對均衡，在其他區(qū)的差距較大；工業(yè)生產(chǎn)用地在區(qū)外分布相對均衡，在一級(jí)區(qū)和二級(jí)區(qū)內(nèi)分布不均衡，三級(jí)區(qū)內(nèi)分布最不均衡；商旅服務(wù)用地在一級(jí)區(qū)和三級(jí)區(qū)分布相對均衡，在二級(jí)區(qū)和區(qū)外分布不均衡；居住用地在各區(qū)的分布都較均衡；公共設(shè)施用地在一級(jí)區(qū)內(nèi)分布最不均衡，其他區(qū)域相對均衡；交通用地和水面在各區(qū)的分布都不均衡；公共綠地在區(qū)內(nèi)相對均衡，在區(qū)外不均衡；防護(hù)綠地在一級(jí)區(qū)內(nèi)分布均衡，其他區(qū)不均衡；水面在各區(qū)的分布都不均衡；未利用地在一級(jí)區(qū)的分布最不均衡。

表4 密云區(qū)2018年不同區(qū)域農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地二級(jí)類的基尼系數(shù)Tab.4 Gini coefficient of second-level internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

3.3 景觀格局特征

農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地景觀格局如表5所示。由表5可知，密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地以居住用地、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地、工業(yè)生產(chǎn)用地為主，斑塊密度差距較大。景觀密度最大的是居住用地，其次是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和商旅服務(wù)用地，水面、公共綠地、防護(hù)綠地和交通用地等的斑塊密度較小，說明其分布相對集中。

表5 密云區(qū)2018年農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地景觀格局Tab.5 Internal land use landscape of rural settlements in Miyun District, Beijing in 2018

斑塊密度由大到小為區(qū)外、三級(jí)區(qū)、二級(jí)區(qū)、一級(jí)區(qū)，說明隨著保護(hù)區(qū)級(jí)別的提升，用地結(jié)構(gòu)相對規(guī)整。斑塊形狀指數(shù)差距較大，總體看，居住用地的形狀指數(shù)最大，其次是商旅服務(wù)用地和公共設(shè)施用地，水面、工業(yè)生產(chǎn)用地、防護(hù)綠地、交通用地的形狀指數(shù)相對較小，說明其形狀相對規(guī)則。同時(shí)，各土地利用類型的形狀指數(shù)也都呈現(xiàn)了保護(hù)區(qū)內(nèi)低于保護(hù)區(qū)外，高級(jí)別保護(hù)區(qū)低于低級(jí)別保護(hù)區(qū)的規(guī)律，說明級(jí)別越高，景觀的形狀越規(guī)則。

3.4 討論

密云水庫水源保護(hù)區(qū)主要位于密云北部山區(qū)，海拔高，坡度大，除保護(hù)區(qū)的政策影響外，農(nóng)村居民點(diǎn)所處區(qū)域坡度大，居民點(diǎn)分布較為分散，且區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相對較低，而水源保護(hù)區(qū)范圍外主要屬于密云區(qū)南部淺山區(qū)地帶，也是密云區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高的區(qū)域，人口分布密集，農(nóng)村居民點(diǎn)的分布也較為集聚，其內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)差異除受水源保護(hù)區(qū)劃定影響外，也受到其他因素的影響，識(shí)別不同因素的影響效應(yīng)和機(jī)制是今后研究的重點(diǎn)。

在中國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施背景下，農(nóng)村土地利用特別是農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和優(yōu)化是將來的研究重點(diǎn)，對于提高區(qū)域土地利用效益，改善農(nóng)村人居環(huán)境有重要意義，農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)類型分類、精細(xì)化識(shí)別與優(yōu)化利用策略等也是亟待深化拓展的重要方向。

4 結(jié)論

(1)農(nóng)村居民點(diǎn)是生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能的復(fù)合體。密云區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)以生活空間為主，生產(chǎn)空間和生態(tài)空間為輔。不同分區(qū)的農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地組合類型不同，各分區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)都是生活空間最高，生態(tài)空間最小，但結(jié)構(gòu)有一定差異：生活空間中，保護(hù)區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施和交通用地比例低于區(qū)外；生產(chǎn)空間中，保護(hù)區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)空間低于保護(hù)區(qū)外，一級(jí)區(qū)以商旅服務(wù)用地為主，二級(jí)區(qū)以工業(yè)生產(chǎn)用地為主，三級(jí)區(qū)以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和商旅服務(wù)用地為主，區(qū)外以工業(yè)生產(chǎn)用地為主；生態(tài)空間高于保護(hù)區(qū)外，且一級(jí)區(qū)和二級(jí)區(qū)的生態(tài)空間比例最大。內(nèi)部的生產(chǎn)空間較保護(hù)區(qū)外低，生態(tài)空間保護(hù)優(yōu)于保護(hù)區(qū)外。

(2)農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地均衡程度不同。其中，生活空間的分布最均衡，其次是生產(chǎn)空間，生態(tài)空間分布最不均衡。不同用地在水源保護(hù)區(qū)內(nèi)外的均衡程度不同，水源保護(hù)區(qū)外的工業(yè)生產(chǎn)用地分布比區(qū)內(nèi)均衡；商旅服務(wù)用地在區(qū)內(nèi)的均衡程度高于區(qū)外；居住用地在各區(qū)分布較均衡；公共設(shè)施用地在區(qū)內(nèi)分布不均衡；交通用地和水面在各區(qū)的分布都不均衡；公共綠地在區(qū)內(nèi)比區(qū)外均衡；防護(hù)綠地僅在一級(jí)區(qū)內(nèi)分布均衡；水面在各分區(qū)的分布都較不均衡；未利用地在一級(jí)區(qū)的分布最不均衡，其他區(qū)域相對均衡。

(3)不同分區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)景觀格局狀況有差異。分布較為混合，景觀破碎程度高，其中，居住用地的破碎度高于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地和商旅服務(wù)用地，水面、綠地和交通用地等分布相對集中；居住用地的形狀指數(shù)較大，說明其形狀較為不規(guī)則，而水面、工業(yè)生產(chǎn)用地、防護(hù)綠地、交通用地的形狀相對規(guī)則。同時(shí)，各土地利用類型的斑塊密度和形狀指數(shù)也都呈現(xiàn)了區(qū)內(nèi)低于區(qū)外，高級(jí)別保護(hù)區(qū)低于低級(jí)別保護(hù)區(qū)的規(guī)律。說明保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的農(nóng)村居民點(diǎn)內(nèi)部用地相對區(qū)外更加聚集和規(guī)則，破碎程度低。