海口市羊山地区乡村聚落林地-湿地景观格局演变分析

陈楚琳，黄文明，石 磊，刘素芳，周 宇

（1.中南大学 建筑与艺术学院，湖南 长沙 410083；2.海口市林业服务中心，海南 海口 570311）

聚落是指人类目的性开发、营造的生活居住环境，分为城市聚落和乡村聚落。乡村聚落的空间分异、时空演变是自然因素和社会因素共同影响的结果，也是乡村地理学和农村人地关系的重要研究内容。随着城市化和工业化进程的加速推进，乡村居民的生产生活方式、社会、经济、文化、政策等因素均有所转变，乡村聚落的空间布局和结构发展面临重构[1-2]。然而在城乡统筹发展的过程中，村落“空置化”和“同质化”现象加剧，用地规划不科学，乡村生态景观被破坏，社会资源利用效率低等问题普遍存在，乡村聚落的空间结构优化和功能资源重组进展缓慢、效果并不理想[3-4]。因此，科学分析和判断乡村聚落景观的空间分布格局，揭示其动态变化和影响因素，对于指导新农村建设、促进城乡土地资源优化配置具有重要的理论和指导价值。

近年来国内学者对于乡村聚落的研究内容主要包括聚落格局优化[5-7]、景观适宜性评价[8-9]、时空分异特征[10-12]、驱动机制研究[1,13-14]、影响因素分析[15-16]、土地利用变化[17-19]和空心村现象[20-22]等。在研究区域上，相关研究主要集中于北部山地区、江南丘陵地区、西部高原地区和中部平原地区等，对于海岛熔岩台地型区域的研究尚未涉及。对于乡村聚落格局变化的影响因素研究，主要集中在人口、坡度、高程和交通道路等因素，对于林地、湿地等其他景观因素的分析相对不足。

2018年4月，党中央决定支持海南全岛建设自由贸易试验区，海口市作为海南省省会，被拟定为建设自由贸易试验区的重点先行区域，亟待进行土地利用方式、发展规划定位和资源配置的转型。作为占据全市近一半面积和人口的城乡协调发展区，羊山地区自然资源丰富，区位优势明显，但受地理、社会环境的制约，长期以来经济落后，贫困村及贫困人口居多，社会资源相对匮乏，村民生活水平明显落后于海口市其他区域。且在上个世纪九十年代的首轮海口旅游开发中，其优势景观资源并未得到重视。因此如何在海口城市发展中精准定位，走发展与保护的双赢路线，这种探索对于未来城乡协调区的发展都有着积极的现实意义。

应用ENVI 遥感影像处理软件和ArcGIS 空间分析工具，定量分析海口市羊山地区2008年和2018年两期乡村聚落规模和格局变化，并选取相关景观格局指数，探求湿地、林地等环境因素对乡村聚落分布的影响。为农村用地规划、乡村景观资源整合提供参考依据和技术支撑。

1 研究区概况

羊山地区位于海口市西南部，110°3′56″～ 110°29′16E″，19°40′16″～20°3′42″N 之 间。主 要包括琼山区的府城（街道）、旧州、龙塘；秀英区的长流、东山、西秀、石山、永兴；龙华区的龙桥、龙泉、城西、新坡、遵潭；共13 个镇（图1）。总面积约914.2 km2，属热带海洋性季风气候，海拔6 ～195 m，年平均气温23.8 ℃，年平均降水量1 670 mm，平均日照时长2 964.5 h，相对湿度85%左右。常年以东风和东北风为主，年平均风速3.4 m/s。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area

羊山地区属于雷琼火山群地带，是数万年前火山喷发后形成的火山熔岩台地，这里土壤矿物养分丰富、阳光充足、降水量大，适宜草木生长，早在唐代便以豢养“壅羊”而闻名，因此得名“羊山”。由于稳定的火山生态和独特的自然、人文景观，羊山地区有着目前我国最大的火山石传统村落群，是火山文化传统聚落的典型代表[23-25]。并且因其丰富的植被群落被称为海口市的“肺”，同时也是海口市地下水资源的重要补给地。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与预处理

使用数据包括海口市Google earth 历史影像数据、海口市GF 高清遥感影像数据、海口市2008、2018年土地利用调查数据、海口市行政区划矢量图、海口市湿地普查报告、海口市林业二类调查数据等。参照全国土地利用现状调查章程整合地类，同时结合本研究需求将用地要素类型划分为耕地、湿地、林地、乡村聚落用地、城镇聚落用地、交通道路用地及其他用地共计7 类，具体用地要素分类详见表1[2-4]。利用ArcGIS 软件将重新分类的景观要素数据与羊山地区行政区划矢量图叠加，形成2008年和2018年羊山地区聚落及景观斑块数据（图2）。为保证数据的可靠性，根据实地调查情况，对用地分类数据进行精度验证，随机检验的用地要素精度达到90%以上，基本满足进一步研究需求。

表1 景观要素分类Table 1 Classification of landscape elements

图2 2008 和2018年海口市羊山地区景观分布Fig.2 Distribution of settlement landscape in 2008 and 2018

2.2 研究方法

2.2.1 最近邻分析

最近邻分析（Nearest neighbor analysis, NNA） 是1954年由Clark 和Evans 两位首次提出，1969年King 将此种方法引入景观的空间分析,此后逐渐发展成为一种空间分布分析方法。平均最近邻指数（Average nearest neighbor，ANN）指任意某个聚落中心点距离该点最邻近点间的平均值对应的期望值，与实际观测到的点分布格局相比较，多用于判断聚落的空间分布态势[26-27]，计算公式如下：

式中：代表最邻近平均距离观测值；de代表最邻近平均距离期望值；di为i 乡村聚落的最近邻点距离；n 为乡村聚落的总数量；A 为研究区总面积。若ANN ＜1，表示聚落斑块分布呈集聚模式分布；反之若ANN ＞1，则表示聚落斑块分布态势趋向随机分散模式。

ANN 计算可初步分析聚落的空间格局状态，但无法判断其集聚或分散的具体程度，通过标准化Z 值检验观测值与期望值的差值同标准误差间的差异，可以进一步检验空间分布状态的显著性，具体公式如下：

式中：当-1.96 ＜Z ＜1.96 时，则P＞0.05，表明得出的观测模式很可能与随机分布模式差异性并不显著，虽然观测模式表面显现出聚集或分散的态势；如果Z ＞1.96 或Z ＜-1.96 时，P＜0.05，表明得出的观测模式与随机分布模式之间差异具有显著性。

2.2.2 景观格局指数

乡村居民点是形成传统聚落景观的物质基础，其规模、结构、形态、规律等要素在时空分布上的特征均受研究区景观环境因素的影响，且时间的迁移，城市化的发展也会改变乡村原有的地理环境条件和居民的生活生产方式，进而影响居民生活环境的再选择，因此其景观格局的变化可一定程度上映射出区域内社会、经济、人文的发展状况。景观格局指数高度浓缩了相关的格局信息，不同指数都有其独特的生态学意义，能针对性反映聚落的用地规模、景观结构、空间分布特征和动态变化规律[28-30]。本文结合研究目标和各指数代表的意义，选取斑块个数（NP）、斑块密度（PD）、聚集度指数（AI）、平均斑块形状指数（SHAPEMN）、平均斑块面积(AREA-MN)、斑块面积（CA）、平均最邻近距离（MNN）、斑块所占景观面积比例PLAND 等8 个具有代表性的景观指数，对海口羊山地区乡村聚落的空间分布格局进行分析。

3 结果与分析

3.1 最近邻距离统计量

通过ArcGIS10.3 提取羊山地区各乡村居民聚落斑块的质心，并利用空间统计模块工具，计算出2008年和2018年各乡村聚落斑块的最近邻点统计量，结果如表2 所示。

表2 羊山地区 2008年和 2018年乡村聚落斑块的最近邻点统计量分析结果Table 2 Summary of the nearest neighbor analysis for the rural settlements in 2008 and 2018

分析表2 的数据可知，羊山地区2008年乡村聚落的斑块数为2 626，2018年斑块数量激增，达到6 724 个。对比2008年，2018年羊山地区乡村聚落的最邻近观测值和期望值均有所减小，表示2018年研究区内乡村聚落的分布更加紧密。两期乡村聚落分布的ANN 统计量均小于1，且2018年的ANN 值相比10年前更趋近于0，说明这两年乡村聚落的空间态势都较为聚集，并且呈现递增的趋势。从标准化Z 值来看，2008 和2018年Z 值均小于-1.96，表明两期聚集态势均有显著性。

3.2 环境因素对乡村聚落分布影响的景观格局指数分析

以研究区的湿地、林地、耕地以及交通道路的矢量数据为基础，基于ArcGIS10.3 软件平台，对4 类数据按实际情况进行了不同等级范围的缓冲分析。并将划分等级后的矢量数据与面转点后的羊山地区2008年、2018年乡村聚落数据进行叠加，绘制不同景观因素作用下的乡村聚落分布图（图3 ～6），统计出在各景观环境条件范围内聚落斑块的数量与面积，最后借助Fragstats4.2 景观格局分析软件计算2008年、2018年对应研究条件下的乡村聚落景观格局指数，进而对研究区乡村聚落景观格局的动态规律进行分析。

图3 2008年和 2018年湿地缓冲区与乡村聚落分布Fig.3 Distribution of rural settlements in 2008 and 2018 with the impact of river

图4 2008年和2018年林地缓冲区与乡村聚落分布Fig.4 Distribution of rural settlements in 2008 and 2018 with the impact of woodland

3.2.1 湿地

湿地是动植物重要的栖息地和繁殖地，也是乡村居民从事农业生产的基础要素。羊山地区属于玄武岩地貌，玄武岩孔隙率大、蓄水性差，致使当地地势较低的洼地水资源丰富，地势较高的村落内部却极为干旱缺水，因此湿地对乡村聚落的选址、环境布局和未来发展至关重要。

图5 2008年和2018年耕地缓冲区与乡村聚落分布Fig.5 Distribution of rural settlements in 2008 and 2018 with the impact of farmland

图6 2008年和2018年道路缓冲区与乡村聚落分布Fig.6 Distribution of rural settlements in 2008 and 2018 with the impact of road

由表3 可知，随着距湿地距离的由远至近，村落斑块数量及面积均呈指数型的增长。2008年乡村聚落总个数达2 626 个，面积为4 856.46 hm2， 其中被湿地0 ～500 m 缓冲面所覆盖的乡村聚落个数为1 548 个，占乡村聚落总数的58.9%，面积 3 345.74 hm2，占68.9%；0 ～1 000 m 内乡村聚落数量与面积则分别占了75.5%与81.9%，仅有5.5%的乡村聚落分布于湿地2 000 m 缓冲面的范围外，面积占3.9%。2018年乡村聚落的分布依然遵循2008年的分布规律：4 138 个（占总数的61.5%）乡村聚落斑块被湿地0 ～500 m 缓冲面所覆盖， 5 510 个（占总数的76.0%）乡村聚落斑块分布于湿地1 000 m 缓冲面以内，同时2 000 m 以外的乡村聚落斑块数量所占比例稍有提升，增长到2018年的8.7%，提升了3.2%。

聚落的平均斑块面积（AREA-MN）和聚集度指数（AI）都随着湿地缓冲距离的增加而逐渐减小，而斑块密度（PD）一直呈现增大的趋势，说明湿地对于乡村聚落的选址、规模大小、数量和聚集程度有明显的正向作用。聚落的平均斑块形状指数（SHAPE-MN）总体上表现出随着湿地距离的增加呈现震荡减小的趋势，表明与湿地距离越近，聚落斑块边界越不规整，形状碎片化程度越高，或更趋近于带状，这与邻近河流、坑塘等湿地的聚落，常常贴临着水系的形态而布局和扩张相关联。同2008年相比，2018年羊山地区乡村聚落的平均斑块面积（MPS）、平均最邻近距离（MNN）、平均斑块形状指数（SHAPE-MN）、聚集度指数（AI）总体上处于减小趋势，斑块密度（PD）相对增大，可知研究时段内，聚落的规模、邻接距离、集聚程度减小，密集程度不断增加，边界形状趋于规则。

3.2.2 林地

林地作为地球上可再生自然资源及陆地生态系统的主体，与人类的生存和发展密不可分。羊山地区土壤肥沃、气候温暖、常年无霜、光照充足、雨水丰沛，得天独厚的生长环境形成了树木荫翳、草木畅茂、枝柯交结、藤蔓盘连、物种多样化的热带丛林景观。

林地在羊山地区多种景观要素中占有绝对的优势，由表4 可知，2008年有88.8%的乡村聚落斑块被林地0 ～50 m 缓冲面覆盖，斑块面积4 654.91 hm2， 占总面积的95.9%；50 ～200 m 范围内的乡村聚落数量占总数的7.8%，面积占1.8%；＞200 m 的数量与面积则分别占3.4%、2.3%。2018年0 ～50 m范围内的乡村聚落斑块数量较2008年增加了2 536块，但在总斑块数中所占比例降低至72.8%，面积增加1 697.99 hm2，比例降低为88.9%。50 ～100 m，100 ～150 m 以及150 ～200 m 范围内的乡村聚落斑块的数量与面积比例较2008年均有所提高。

表3 湿地对乡村聚落分布影响的景观格局指数统计Table 3 Summary of landscape patterns index with the impact of river on the distribution of rural settlements

表4 林地对乡村聚落分布影响的景观格局指数统计Table 4 Summary of landscape patterns index with the impact of woodland on the distribution of rural settlements

随着距离林地距离的增加，乡村聚落的平均斑块面积（AREA-MN）、聚集度指数（AI）、平均最邻近距离（MNN）、平均斑块形状指数（SHAPE-MN）以150 ～200 m 区间为分界点，均呈现先减少后增加的态势。这既反映了羊山地区村落布局与林地景观相互交织、密不可分的独特聚落形态，也包含了当地先民朴实的风水择居理念。由于羊山地区紧临琼州海峡，属热带季风气候，是暴雨和台风频发地带，又因土质层薄弱、蓄水性差，极易造成山体滑坡等灾害，因而聚落的选址常常会依附着周围天然或人工种植的高大乔木林，俗称“防护林”，既能避免抵御海浪和台风的侵袭，又能减缓水土流失，防止山体滑坡；同时还可以起到躲避匪患、掩护隐蔽的作用。除此之外，在“万物有灵”和宗教民族信仰的支配下，高大乔木常被赋予某种超自然的力量，成为羊山村民尊崇、敬仰的寄托对象，俗称“神树”。这类树木多数分布在村口、村落中心，村庙、宗祠、戏台、广场和家族墓地等区域，被寄予人丁兴旺、风调雨顺、身体康泰等美好期许。

3.2.3 其他因素

1）耕地

由表5 可知，2008年乡村聚落的平均斑块面积（AREA-MN）、平均最邻近距离（MNN）和聚集度指数（AI）都随着耕地缓冲距离的增加而呈现增大的趋势，而斑块密度（PD）和平均斑块形状指数（SHAPE-MN）震荡减小，此类表征与平原型耕地景观布局特征恰好相反，原因在于羊山地区薄厚不均的土质层制约了大面积耕种，导致绝大多数耕地斑块小且破碎，因而限制了邻近聚落的布局和扩张；在距离火山口较远的平坦地区，耕地面积更大，因此聚落规模和相邻距离也随之增大，土地规划布局更为合理，斑块形态更为规整。2018年聚落的平均斑块面积（AREA-MN）、聚集度指数（AI）和斑块密度（PD）与耕地距离的变化关系与2008年不趋同，耕地对乡村聚落斑块分布所产生的影响减弱。究其原因在于随着科技进步和村民生活理念的改变，人力耕作已经不是村民最主要的生产方式和经济来源，现代化设备的引入和农业技术的创新克服了自然地质条件带来的诸多障碍；也有许多年轻人改变策略、放弃耕作，选择经营乡村休闲观光项目或外出务工，因此靠近北部城区的许多耕地被闲置，耕地面积相对减少。

表5 耕地对乡村聚落分布影响的景观格局指数统计Table 5 Summary of landscape patterns index with the impact of farmland on the distribution of rural settlements

2）交通道路

分析表6 可知，距离道路200 m 范围内，聚落斑块的数量和面积约占研究区的90%以上，大于200 m的缓冲区，斑块数量和面积所占比例锐减。随着距离道路缓冲半径的增加，聚落平均斑块面积（AREA-MN）、平均斑块形状指数（SHAPEMN）和聚集度指数（AI）呈现减小的趋势，而斑块密度（PD）、平均最邻近距离（MNN）增大趋势明显，说明聚落的面积在不断减小、集聚度降低，聚落位置分布更为分散，边界和形状更趋于规则。比较2008年和2018年两期景观格局指数，随着时间的推移，乡村聚落斑块密度（PD）明显增大，平均斑块面积（AREA-MN）、聚集度指数（AI）、平均最邻近距离（MNN）和平均斑块形状指数（SHAPE-MN）都有着不同程度的减小，聚落的平均面积、景观的连通性和集聚程度减小，密集度和破碎化程度不断增加，聚落朝着与外界的物质、信息交流更加便利的方向扩张。

4 结论与讨论

1）2008年和2018年海口羊山地区乡村聚落聚集趋势趋同，从空间区位来看，乡村居聚落在研究区中部和东北部的永兴、龙塘、龙桥、龙泉镇分布相对集中；西秀、长流、城西、石山、东山镇的乡村聚落分布较少，主要原因与自然地势地貌、北部中心城区、交通道路及风景旅游景点等因素相关。

2）随着时间的演进，羊山地区乡村聚落的形态、数量、规模、分布均发生了改变。2008—2018年，乡村聚落的斑块数量激增，但规模和总面积却相对减少。在空间分布上，两年乡村聚落的空间分布的聚集格局都比较显著，且2018年聚集度略高于2008年，乡村聚落的整合性和连通性有待提高。

表6 道路对乡村聚落分布影响的景观格局指数统计Table 6 Summary of landscape patterns index with the impact of road on the distribution of rural settlements

3）湿地、林地等景观要素对羊山地区乡村聚落的布局有显著影响，其中有70%的聚落选址在距离湿地不超过500 m 的范围内，近90%的聚落距离林地距离不超过50 m。且随着乡村聚落离湿地、林地的距离增加，斑块数量和面积均产生锐减。此外，耕地斑块与道路斑块对羊山地区乡村聚落斑块分布也产生了一定的影响。

羊山地区是海口市城乡协调发展的主区域，拥有良好的区位优势和丰富的自然景观资源，但由于地理环境等因素，基础设施和经济发展落后，成为海口市贫困区域的代名词。目前羊山地区乡村聚落发展现状主要表现为两类：一类为北边靠近火山公园和海口市中心的乡村聚落，区位优势明显，得到优先发展，但由于缺少合理布局和科学规划，无序扩张和盲目拆旧建新现象严重，村落传统风貌和生态环境被破坏；另一类研究区南部的聚落，相对较为偏远，在城市化进程下，许多古村落、古建筑由于得不到良好的修缮，被村民所遗弃，“空心村” “老龄村”现象普遍。综合羊山地区的现状，需要政府把握乡村聚落变化发展规律，因地制宜进行新农村规划建设和人居环境治理，引导乡村聚落朝集约化、内涵式方向发展。同时可以大力推动羊山地区传统农业的转型和升级，开发城市近郊休闲旅游产业，开辟村民增收新途径，以点带面，全面发展，构筑国际旅游岛的新亮点。

以景观生态学和遥感技术为基础，利用ArcGIS 和Fragstats 软件分析羊山地区2008—2018年期间乡村聚落景观格局的演变，对不同环境因素对乡村聚落空间布局的影响特征和规律进行了分析，研究结果可为海口市新农村规划、乡村资源整合等方面提供决策参考。