基于GIS的干旱区绿洲农村居民点格局演变研究：以甘肃河西地区为例

姜转芳,颉耀文,李汝嫣,贺思嘉

(兰州大学资源环境学院,甘肃 兰州 730000)

农村居民点承载着农村人民生产、生活等功能,是农村人地关系的核心体现,其规模及动态变化影响着区域生态环境质量和生产力分布模式[1-2]。随着我国农村现代化建设进程的加快,逐渐出现了居民点布局杂乱无章、村庄空心化、土地粗放低效利用等一系列问题[3]。国家高度重视农村居民点建设及其合理规划布局,《国家新型城镇化规划(2014—2020年)》中提出要科学引导农村住宅和居民点建设,为美丽乡村建设带来了新的机遇[4]。目前,已有许多学者开展了相应研究,内容包括时空演变特征[5-6]、驱动机制探索[7-8]和土地集约规划[9-10]等。但研究区域多集中在长江沿岸、江南地区、首都郊区、中部地区等,对干旱半干旱绿洲区的研究较少,对居民点进行长时间变化监测的研究更少。鉴于此,以甘肃省河西地区为研究区,基于遥感提取的居民点数据,运用GIS手段,定量分析1986—2015年农村居民点时空变化特征及演变规律,以期为干旱绿洲区农村土地资源集约利用提供参考依据。

1 研究区概况

河西地区位于甘肃省西北部,东起乌鞘岭,西与新疆交界,南以祁连山为界,北与内蒙古毗邻。由南往北可分为祁连山-阿尔金山山地、河西走廊平原及北山山地与阿拉善高原3大地形区。河西走廊包括石羊河流域、黑河流域、疏勒河流域3个相互独立的内陆河流域,孕育着人类赖以生存的绿洲,在绿洲内部或边缘区域镶嵌着呈罗棋分布的农村居民点。走廊平原区属大陆性干旱气候区,降水稀少,蒸发强烈,气温年差较大,日照时间长达3 000～4 000 h,无霜期为140～170 d,光热资源丰富。区内矿产资源较为丰富,有玉门石油、金昌镍矿、酒泉钢铁等多处大型矿点,由此形成了人口较为聚集的工业区。河西地区下辖武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关5市,20个县(区),352个乡镇。截至2015年总人口约为486万人,其中农村人口为251万人,占51%。

2 材料与方法

2.1 数据来源与处理

以1986、1995、2005和2015年为样本年,基础数据来自中国科学院地理科学与资源研究所1∶10万全国土地利用矢量数据。由于该数据在局部地区精度不高,结合Google Earth历史高清影像,采用人机交互目视判别方法对各年农村居民点的边界信息进行核查及修改,形成高质量的农村居民点数据。参考前人对农村居民点的定义[3,10],将农村居民点定义为“建制镇以下的居民点用地”,即除了城市和建制镇驻地以外的所有居民点。地理高程和坡度数据来源于30 m分辨率的ASTER GDEM数据,道路和河流数据来源于OpenStreetMap。遥感影像数据采用ArcMap 10.2软件处理。

2.2 研究方法

(1)单一动态度(K):描述一定时间内区域各土地利用类型面积变化幅度及速率,可以反映研究时段不同土地利用类型总量变化及演变趋势。K>0时,表示某土地类型处于扩张状态,反之,处于萎缩状态。K绝对值越大,表示变化越剧烈[11]。

(2)景观格局分析:通过简单的定量指标来反映高度浓缩的景观格局信息[12]。选取农村居民点斑块面积(CA)、斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、最大斑块指数(LPI)、周长面积分维数(PAFRAC)和聚集指数(AI)7个景观格局指数,采用Fragstats 4.2软件计算得到。

(3)平均最近邻法:将计算得到的居民点之间最邻近距离的平均值与随机分布模式下最邻近距离进行比较,用其比值(ANN,NAN)大小来判断居民点空间聚集性[13]。NAN<1时为聚类模式,NAN>1时则趋向于离散分布。采用最近邻分析方法得到Z得分,Z得分绝对值越大,模式表现越显著。

(4)核密度估计:常用来反映点状要素的空间分布特征[14]。以研究区样本点为圆心,靠搜索半径产生圆,离圆心越近,栅格单元的密度值就越高。如果没有点落入特定像元的邻域范围内,则该像元处的密度值为零[15]。

(5)缓冲区分析:采用ArcGIS 10.2软件叠加分析工具将居民点属性数据与道路、河流、高程、坡度数据进行叠加,对居民点空间分布特征进行统计、计算。

3 结果与分析

3.1 农村居民点景观格局分析

随着农村居民点日益扩大,其规模、数量、形态等均发生不同程度变化,而景观格局指数能很好地刻画这方面特征。表1为1986—2015年居民点用地7种景观格局指数及动态度指数。

由表1可知,农村居民点用地面积由1986年的731.76 km2扩张到2015年的909.55 km2,近30 a间增加177.79 km2,增幅为24%。各时段农村居民点用地K值均为正,表明农村居民点用地处于不同程度扩张中,大致经历了“1986—1995年缓慢扩张、1995—2005年快速扩张、2005—2015年缓慢扩张”的过程。

从景观水平来看,如果CA和NP同步增长,则PD为一个定值。但由表1可知,CA和NP缓慢增大,PD却减小,表明研究区CA和NP变化不同步。PD反映了景观破碎程度,PD减小表明近30 a来农村居民点个体斑块之间的离散化程度降低,集约性增强。LPI在2005年前呈现减小趋势,2005年后又快速回升,表明研究区农村居民点增长模式在不同阶段也是不同的。2005年前居民点斑块面积的增长以独立于原居民点的扩张为主,而2005年之后居民点逐渐集聚,新老居民点结合在一起,拓宽了原居民点斑块边界,使个体斑块大型化。PAFRAC在2005年前趋于稳定状态,2005年后呈现减小趋势,表明居民点斑块边界形状的复杂性和变异性降低,边界形状更为规则。AI逐年增大,说明居民点斑块不断集中、合并,其空间分布越集聚,居民点斑块结构就越紧凑。

表11986—2015年甘肃河西地区农村居民点景观指数

Table1LandscapepatternindexofruralsettlementsinHexiregionfrom1986to2015

年份斑块面积(CA)/km2单一动态度K/%斑块数量(NP)斑块密度(PD)/km-2最大斑块指数(LPI)周长面积分维数(PAFRAC)聚集指数(AI) 1986731.76—9 43112.890.251.4685.13 1995787.110.849 99712.700.241.4685.17 2005854.540.8610 54312.340.221.4685.26 2015909.550.6411 07112.170.271.4385.40

“—”表示无数据。

总体来看,研究区农村居民点规模逐渐增大,个体斑块间的集聚性增强,斑块更加大型化,其边界形状趋于规则,结构也更紧凑。

3.2 农村居民点的空间特征分析

3.2.1农村居民点空间集聚特征

1986、1995、2005和2015年农村居民点平均最近邻指数ANN分别为0.300 2、0.293 8、0.308 7和0.301 6,均小于1，这表明研究区农村居民点空间分布在整体上呈集聚模式;而Z得分均小于-1.96,说明在95%置信水平上,农村居民点空间分布聚集态势比较明显。2005年ANN值最大，说明2005年农村居民点空间分布集聚程度最强,而1995年聚集程度则相对较低。

3.2.2农村居民点空间集聚趋势

通常情况下,居民点规模增大包括居民点斑块面积增大和斑块数量增多两个方面,而文献[7,16-17]均只考虑了居民点斑块数量。笔者借鉴格网化思想,将居民点斑块放置在30 m格网单元内,再提取每个格网的中心点进行核密度分析。半径的选择对于最终生成核密度估算结果至关重要,经过多次反复实验对比,最后确定搜索半径为5 km,栅格数据输出像元为0.5 km。对研究区农村居民点进行核密度估算,得到其在不同流域的空间集聚特征(图1～3)。

图1 1986—2015年疏勒河流域农村居民点空间集聚趋势

图2 1986—2015年黑河流域农村居民点空间集聚趋势Fig.2 Trend of spatial agglomeration of rural settlements of Heihe River basin from 1986 to 2015

图3 1986—2015年石羊河流域农村居民点空间集聚趋势Fig.3 Trend of spatial agglomeration of rural settlements of Shiyang River basin from 1986 to 2015

核密度估计值越高,农村居民点分布密度就越大。采用重分类方法将农村居民点划分为密集区、较密集区、较稀疏区、稀疏区和极稀疏区,密度分别为>81～156、>50～81、>27～50、>8～27和0～8 km-2[18],各区面积见表2。

表2甘肃河西地区农村居民点空间集聚特征数量统计

Table2Statisticsonspatialagglomerationfeaturesofruralsettlements

年份面积/km2极稀疏区稀疏区较稀疏区较密集区密集区 1986225 462.2210 987.666 425.973 767.071 129.91 1995224 272.7011 454.256 522.974 178.551 344.36 2005223 034.7211 613.126 835.794 639.391 649.81 2015222 202.8911 505.597 126.944 984.991 952.42

研究区农村居民点密度逐年增大,除极稀疏区面积减小外,其余各密度区面积均有不同程度增加。其中密集区面积增加程度最大,由1986年的1 129.91 km2增大到2015年的1 952.42 km2,增幅为72.79%。其次为较密集区,面积由1986年的3 767.07 km2增大到2015年的4 984.99 km2,增幅为32.33%。再次为较稀疏区和稀疏区,增幅依次为10.91%和4.71%。这说明近年来新建农村居民点集聚现象显著,居民点零散分布的现象得以减缓。

由图1可知，疏勒河流域戈壁荒漠面积广阔,风沙较大,水资源较少,耕地面积较小,居民点分布较少,空间集聚程度较低。农村居民点密集区面积由1986年的187.77 km2增大到2015年的259.50 km2,增幅为38%,集中分布在敦煌市。较密集区零散分布在瓜州县内,自1986年起,瓜州县西南部居民点逐步朝县城方向扩张,至2005年连成一片后,逐渐向外扩展,这主要是由于1995年后,瓜州县实施了以梁湖乡、七墩回族东乡族乡、沙河回族乡为基地的甘肃省河西走廊(疏勒河)农业灌溉暨移民安置综合开发项目[19],在瓜州县大力建设居民区,致使农村居民点扩张。

由图2可知，黑河流域农村居民点密集区面积由1986年的395.13 km2增大到2015年的623.02 km2,增幅为58%。1986年农村居民点密集区呈片状分布在甘州区,零散分布在高台县、民乐县、山丹县等地区,到2005年高台县城西部和摆浪河下游集聚区明显扩大,至2015年,密集区在高台县绿洲尾闾地区、民乐县西部地区扩张较明显。稀疏区范围进一步扩大,农村居民点沿G30国道将临泽县与高台县、甘州区与山丹县连接在一起。这是由于骆驼城乡自1984年建乡以来逐渐开辟南部荒漠戈壁区安置新移民点,至2015年移民点面积已形成相当规模。

由图3可知，石羊河流域居民点密集区面积由1986年的547.01 km2增大到1 069.90 km2,相对增幅为96%,为3大流域中密集区面积增大最多的地区。早期农村居民点集中分布在凉州区内,少数离散分布在民勤县、金川区和永昌县。1995年开始向古浪县东部地区发展,民勤县东北部也有明显居民点集聚现象。稀疏区在金川区东部地区向外扩展,至2015年沿着X614县道连成一片,这些居民点主要是移民安置点。

总体来看,1986—2015年,研究区农村居民点空间集聚态势变化不大,高度集聚区域变化较小,局部地区居民点数量增加,但其密度并不是很大。从空间分布来看,研究区农村居民点集聚区主要分布于酒泉市、张掖市和武威市,包括肃州区、甘州区、摆浪河下游高台绿洲尾闾区、民乐县西部、凉州区和民勤县周边地区;相比之下,在位于研究区西部的瓜州县、玉门市等地区居民点分布则较少,密度较低。

3.3 农村居民点时空演变影响因素分析

3.3.1农村居民点分布与地形的关系

根据地形结构及农村居民点的空间分布特点,将高程分为<1 000、1 000～1 200、>1 200～1 600、>1 600～2 000、>2 000～2 400、>2 400～2 800和>2 800 m 7个区间，将坡度分为<5°、5°～12°、>12°～20°、>20°～30°和>30° 5个区间,再分别与农村居民点数据进行叠加分析,得到不同高程和坡度上农村居民点空间分布(图4),以反映研究区农村居民点空间格局地形分布特征。

由图4可知,约85%的农村居民点集中分布在海拔1 200～2 400 m区域,且在海拔1 200～1 600 m走廊平原区内面积最大,近30 a面积变化也最大。这是由于平原地区水源充足,交通便利,有利于绿洲发育,人口承载力较高,是居民点选址的首选区域;海拔1 000 m以下地区没有居民点分布,随着海拔升高,居民点面积也在增大。当海拔超过2 400 m时,如天祝县和肃南县部分地区,居民点面积减小;当海拔高于2 800 m时,由于海拔较高、地表破碎等原因,少有居民点分布。

由图4可知,研究区93%的农村居民点集中分布在坡度<5°的平缓地带,6%的居民点分布在5°～12°的坡度范围内,随着坡度增大,居民点面积逐渐减小。在坡度<5°的平缓地带,水流较缓,水土流失微弱,利于农业发展。随着坡度增加,土地资源开发难度加大,水土流失增强,直接限制了人类居住与农耕发展[20]。

图4 甘肃河西地区农村居民点在不同高程和坡度等级上的分布

综上所述,研究区农村居民点集中分布在海拔较低、坡度较缓的走廊平原地区,在海拔较高的丘陵、山区和坡度较大的陡坡地居民点分布相对较少。海拔为1 200～2 400 m、坡度<5°的区域是居民点选址的最佳地点。

3.3.2农村居民点分布与道路的关系

交通条件通过改变居民点的交通区位影响其空间分布,为人类生产生活中获取物质流、能量流和信息流提供便利[20]。随着高速以及多条公路的修建改建,区内大部分乡镇实现了农村客运网络全覆盖。道路沿线居民区愈加密集,是居民点扩展的主要方向之一。通过提取研究区高速公路、国道、省道、县道等交通要道,以0.5 km间隔对道路做0.5～3 km的缓冲区,并将研究区按交通便利程度划分为<0.5、0.5～1、>1～1.5、>1.5～2、>2～2.5、>2.5～3和>3 km共7个区间,统计各缓冲区农村居民点面积,研究道路对农村居民点分布格局的影响。由图5可知,居民点集中在距道路距离1 km范围内,距道路距离<0.5 km范围的农村居民点面积约占总面积的50%,且近30 a其面积变化最为显著。其次为距道路距离0.5～1 km范围,居民点面积约占总面积的22%,居民点规模随着距道路距离的增大逐渐变小。

3.3.3农村居民点分布与河流的关系

河流是影响干旱区居民点分布的重要因素,采用与道路相同的处理方法对河流做缓冲区,统计各缓冲带农村居民点分布情况(图6)。由图6可知,居民点集中分布在距河流距离1～6 km范围,且在距河流距离1～2 km范围内规模达到最大,近30 a面积变化也最大;距河流距离≤1 km及>6 km范围的农村居民点规模较小,且30 a面积变化不大。研究区耕地以水浇地为主,主要分布在距河流较近区域,以便灌溉,居民点大多分布在耕地周围或镶嵌在耕地内部,由沟渠沿途引水供生活所需,避免河流侵蚀及洪涝灾害。因此,农村居民点也不宜距河流太近,而距河流距离超过6 km范围容易受水资源、地形等自然条件制约,居民点建立成本较高,因此也少有居民点分布。

图5 甘肃河西地区农村居民点分布与道路的关系

图6 甘肃河西地区农村居民点分布与河流的关系

3.3.4农村居民点分布与人类活动、社会经济及政策的关系

农村居民点是以人类活动为主导、社会经济发展及政策实施为驱动、区域自然条件为依托、综合作用下形成的产物。自然因素诸如地形、水文、气候等为居民点的发展提供了基本条件,但由于时间序列较短,自然要素不会发生明显变化,对居民点演变的贡献很小,但从根本上决定了其空间分布。因此,在较短时间尺度上,人类活动是导致农村居民点变化的主要原因。受政策和经济利益调控和驱动,人类生产生活方式不断改变并作用于居民点。

生态移民政策实施使研究区农业人口数量大幅度增加,可供人类生活和居住的居民点用地及其与之配套的交通用地也会发生相应变化。1986年研究区农业人口约310万,随着生态移民迁入,农业人口持续增加,至1999年达到最大值356万,并且之后的10 a内保持在相对稳定的水平,增减落差不超过2%;2009年后,农业人口数量开始缓慢减少,到2015年末,数量为251万。1986—2009年农业人口数量大幅增加主要是由于“两西”移民、“疏勒河流域农业灌溉暨移民安置综合开发项目”、《石羊河流域重点治理规划》及各县区实施的农村基础设施建设、城镇化建设等地方性政策所致。1997年在昌马水库建设支持下,截至2006 年底,疏勒河流域安置了中部半干旱区和南部高寒阴湿区共11个县的6.2万移民。1991—2007年民勤县实施生态移民政策,建立夹河乡黄案滩移民点,移民迁入导致当地农业人口迅速增长,极大促进了城乡建设用地的扩张[11]。近年来,虽然农业人口数量开始减少,但随着城镇化建设加快,农村居民点数量依然在增加,农业人口与农村居民点用地比例严重失衡。这是由于一方面农村人口逐渐往城镇转移或外出务工,但原居住用地或已废弃的老居民点并未适时随之退出以优化配置,出现农村居民点内部“空心化”的现象。另一方面,随着社会经济发展,单位人口对资源的要求和消耗不断增长,“乡村舞台”、农村文化广场、新农村住宅区、乡镇企业厂址和部分城市产业逐渐向农村转移[18],这也是影响居民点规模扩大的原因之一。

4 结论

近30 a来河西地区农村居民点用地规模缓慢增大,居民点斑块不断集中、合并,斑块破碎度降低,其结构愈发紧凑,居民点开始朝着集约化方向发展。

农村居民点空间分布整体呈集聚模式,集聚区主要分布在酒泉市、张掖市和武威市,包括敦煌市、肃州区、甘州区、摆浪河下游高台绿洲尾闾区、民乐县西部、凉州区和民勤县周边地区,在位于疏勒河流域的瓜州县、玉门市等地区居民点分布较少,密度较低。

农村居民点主要集中在海拔1 200～2 400 m、坡度<5°的走廊平原和山地以及坡度较小的缓坡地,在海拔较高的丘陵、山区以及坡度较大的陡坡地居民点分布相对较少,且这种宏观格局基本没有变化。道路和河流沿线依然是居民点选址的最佳条件,农村居民点主要分布在距道路距离1 km、距河流距离1～6 km范围内。

区位和地形因素为农村居民点发展提供了基本条件;受政策和经济利益调控和驱动,人类生产生活方式不断改变并作用于居民点,直接或间接导致农村居民点格局演变。农村居民点演变原因早期主要为政策驱动下农业人口数量增大(1986—2009年),后期则是社会经济因素发挥很大作用(2005—2015年)。