吐鲁番乡村聚落空间演变特征研究

张燕，冶建明，左双宝

（1 新疆石河子职业技术学院，新疆石河子 832000；2 石河子大学 农学院，新疆石河子 832000）

0 引言

乡村聚落是由聚集在一起定居的人们在地理空间中形成的场所，为人们的生产工作和居住生活提供了重要的空间[1]。国外早在十九世纪初就开始了对影响聚落形成与发展的因素、聚落种类和聚落演变等方面的研究[2-3]。其研究内容逐渐从聚落的宏观转向微观、从自然因素转向人文社会因素、从单一学科的研究转向多学科交叉研究。二十世纪末对乡村聚落的研究发现：地理区位、人口密度、产业经济的发展等因素影响聚落的发展和演变[4-6]。我国对乡村聚落的研究分为两个阶段，二十世纪九十年代，乡村聚落研究主要集中在聚落的概念、形态和分类上。随着新农村建设和城乡协调发展政策的推进，聚落研究逐渐转向空间格局、时空演变和旅游发展[7-11]。进入21 世纪，学者利用乡村聚落的空间分布数据，结合GIS 技术分析聚落的演变趋势、演变特征及驱动机制。国内学者还以聚落斑块面积变化为基础数据，研究聚落的扩张速度与聚落类型、发展程度、资源环境等因素之间的关系[12-16]。

吐鲁番位居丝绸之路要冲，是名闻遐迩的历史重镇，自古就是中国西域地区政治、经济和文化的中心之一。本文选取2000 年、2010 年、2020 年三个代表性年份的吐鲁番乡村聚落数据，研究其演变规律与规模、海拔、坡度等要素之间的关系，以期为吐鲁番乡村聚落的未来发展与规划提供科学依据。

1 研究区概况

吐鲁番位于新疆东部，是南疆和北疆交汇处，地理位置十分优越，四通八达。是内地连接中亚地区及南北疆的重要交通枢纽。吐鲁番总面积1.36 万km2，2019 年末总人口28.74 万人。吐鲁番属于大陆性暖温带荒漠气候，日照充足，热量丰富但干旱少雨、地表蒸发量大且大风频繁[17]，水源主要来自北部和西部天山山区的降雨和雪融水。吐鲁番土地资源总量大，占全省土地的4.1%，但土壤以砂壤和黄色粘土为主，属微碱性，有机质少，肥力较差。虽然吐鲁番气候条件和土地条件较差，但矿产资源丰富，是新疆煤、铜、金、铁等重要矿产的富集地区之一。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

1）首先从全国地理信息资源目录服务系统下载吐鲁番2000年、2010 年和2020 年30 m 地表覆盖数据，使用ArcGIS10.5 中属性提取模块提取吐鲁番三个年份的地类图斑，经过重分类模块的处理后转换为Shapefile 格式文件，得到所需乡村聚落的空间分布图，最后保留需要的斑块数据。然后再在该系统下载1：25 万全国基础地理数据库，提取吐鲁番河流道路线数据，得到吐鲁番主要道路河流分布图。

2）通过地理空间数据云平台下载吐鲁番DEM（30 m）数字高程数据，提取吐鲁番高程数据和坡度数据。

3）从《新疆年鉴》和《吐鲁番年鉴》得到研究区人口、经济和社会发展数据。

2.2 研究方法

以吐鲁番乡村聚落斑块为研究对象，首先利用位序-规模法则研究吐鲁番乡村聚落斑块扩展与聚落规模之间的关系，判断不同层次的乡村聚落斑块的发展状况。再利用ArcGIS10.5 的空间分析法，研究吐鲁番乡村聚落在空间上的分布特征及影响因素。

2.2.1 位序—规模法则

位序-规模法则是利用统计方法，研究乡村聚落规模与乡村聚落扩展之间的关系，反映乡村聚落在空间上的结构特征的研究方法。本文通过对吐鲁番乡村聚落位序级别的划分，揭示乡村聚落位序规模与乡村聚落在空间上分布特征的统计关系。

2.2.2 空间分析法

空间分析法作为地理学常用的分析方法之一，应用范围非常广泛。本文主要采用空间叠置分析、核密度分析、平均中心、方向分布和缓冲区分析，得到吐鲁番乡村聚落的空间演变特征。

3 吐鲁番乡村聚落空间演变特征分析

3.1 聚落位序—规模分布

将吐鲁番乡村聚落斑块按大小排序，根据城市位序-规模法则绘制吐鲁番不同年份城市位序-规模模型。吐鲁番位序较大的乡村聚落均位于趋势线的下方，实际乡村聚落面积小于理论乡村聚落面积，反映出其仍存在较大的发展空间（图1）。2000 年、2010 年和2020 年的齐夫指数分别为0.893、0.726和0.873，均小于1，反映出吐鲁番乡村聚落规模趋向聚集，中等规模的乡村聚落较多，乡村聚落规模分布差别较小，首位乡村聚落垄断性较弱。齐夫指数的值先降后升，反映的是2000 年到2010 年间，吐鲁番乡村聚落发展缓慢，出现了一些规模较小的乡村聚落，乡村聚落优势更加分散，2010 年至2020 年，吐鲁番乡村聚落快速发展，且规模分布的差异越来弱，各乡村聚落发展逐渐趋于均衡化，首位乡村聚落与中小乡村聚落的发展状况处于良性状态；拟合优度较低，最高位序乡村聚落的实际值与理论值的差距未发生较大变化，说明吐鲁番乡村聚落的发展与城市位序-规模法则符合度不高（表1）。

图1 吐鲁番不同年份城市位序-规模模型

表1 不同年份吐鲁番乡村聚落面积幂指数线性回归的齐夫指数

2000 年到2010 年，吐鲁番乡村聚落斑块只有乡镇中心区域集聚现象较为明显，其他乡村聚落斑块规模分布较为均匀。2010 年之后随着吐鲁番的产业经济的高速发展，吐鲁番的乡村聚落在规模上的集聚特征更加明显，乡村聚落扩展十分迅速，在这一阶段，吐鲁番的乡村聚落发展属于遍地开花的模式，乡村聚落规模扩张速度与乡村聚落首位度的关系受到弱化。

根据乡村位序-规模模型法则绘制吐鲁番不同年份乡村位序-规模模型。头部位序较高的乡村聚落，现有聚落规模大于理论乡村聚落规模，位于乡村位序-规模模型趋势线之上，反映出城镇乡村聚落扩展速度较快。尾部位序较低的乡村聚落面积较小，大部分位于拟合曲线的下方，反映出小型乡村聚落发展速度较慢。2000 年与2010 年的负指数曲线相似度极高，可得知在这一阶段，乡村聚落规模发展状况未发生明显变化，2020 年负指数曲线变化明显，主要集中在中部区域，可以得知2010 年到2020 年这一时间段，产生了大量的中等位序的乡村聚落斑块，展现出乡村聚落快速发展的态势（图2）。

图2 吐鲁番不同年份乡村位序-规模模型

2000 年、2010 年 和2020 年的拟合优度分别为0.9450、0.9478 和0.9216，拟合优度较高，可知吐鲁番乡村聚落与乡村位序-规模法则较为契合；2000 年、2010 年和2020 年的拟合直线斜率分别为0.0175、0.0147 和0.0065，不断下降，说明吐鲁番乡村聚落扩展多为中小型规模的乡村聚落，而且随着时间的不断推移，中小型乡村聚落的数量越来越多；越来越大，且都接近1，说明乡村聚落之间的规模差别较小，且随着时间的推移差别越来越小（表2）。

表2 不同年份吐鲁番乡村聚落面积负指数线性回归模型

综上可知，目前吐鲁番乡村聚落以中小型聚落扩展为主，更符合乡村位序-规模法则，可以用该法则对未来吐鲁番的乡村聚落的扩展进行预测。

3.2 聚落核密度分析

为了更加深入地研究吐鲁番乡村聚落的空间分布特点，使用ArcGIS10.5 中的要素转点模块，分别提取2000 年、2010 年和2020 年吐鲁番乡村聚落斑块的地理中心点要素，接着利用核密度模块生成吐鲁番不同年份乡村聚落核密度图。2000年与2010 年吐鲁番乡村聚落核密度图较为相似，乡村聚落高密度区域大都集中在吐鲁番盆地中部自然条件较好的区域；2020 年的乡村聚落高密度区和中密度区范围扩大明显，由吐鲁番盆地位置乡村聚落高密度区向四周扩展，增长十分迅速，这一时期的新增的乡村聚落主要分布在矿产资源丰富的地区（图3）。反映出地形环境，区位条件等是影响吐鲁番乡村聚落扩展的重要因素。

图3 吐鲁番不同年份聚落核密度

3.3 聚落扩展中心变化

运用Arcgisz10.5 度量地理分布模块提取吐鲁番乡村聚落斑块的地理中心与方向分布（标准差椭圆），得到吐鲁番2000—2020 年乡村聚落扩展中心变化图。2000—2020 年，吐鲁番乡村聚落中心未发生改变；2000 年 与2010 年乡村聚落方向分布均为横向分布，反映出乡村聚落主要在吐鲁番盆地绿洲中心区域扩展，2020 年乡村聚落方向分布变为纵向分布（图4），反映出吐鲁番乡村聚落转向在南北方向戈壁荒漠区域扩展。

图4 吐鲁番聚落扩展中心变化

3.4 聚落高程和坡度分布情况

乡村聚落在空间上的扩展受到地形高程和地形坡度等地形条件的影响[18]。然后利用ArcGIS10.5 中的叠加分析中的相交模块将2000 年、2010 年和2020 年的吐鲁番乡村聚落斑块点要素与地形高程数据和地形坡度数据分别叠加，获得吐鲁番不同年份乡村聚落在地形高程和地形坡度上的分布情况（图5、图6）。

图5 吐鲁番不同年份聚落在高程上的分布情况

图6 吐鲁番不同年份聚落在坡度上的分布情况

基于吐鲁番乡村聚落点的属性数据与吐鲁番地形高程、地形坡度属性数据叠加，得到吐鲁番不同年份乡村聚落随地形高程和地形坡度变化趋势。吐鲁番乡村聚落斑块主要分布在高程0～452m 和坡度0°～3°区域内。在高程0～452m 区域内，2000 年、2010 年和2020 年分布数量分别是184 个、222 个和378 个，占吐鲁番乡村聚落斑块总量的比重分别达93.4%、90.2%和79.0%。在坡度0°～3°区间，2000 年、2010 年和2020 年所分布的数量分别是155 个、185 个和289 个（图7、图8）。由此可以看出，吐鲁番乡村聚落斑块主要分布在地形平坦坡度平缓的中心盆地区域，地形是影响吐鲁番乡村聚落发展的重要条件，是吐鲁番乡村聚落选址、扩张的基础。

图7 吐鲁番不同年份乡村聚落随高程变化趋势

图8 吐鲁番不同年份乡村聚落随坡度变化趋势

3.5 聚落沿道路走向分布

吐鲁番域乡村聚落布局在地理空间上具有明显的道路指向性和集中性。吐鲁番域内绝大多数乡村聚落汇聚在东西走向的兰新铁路和312 国道是两侧，形成了十分重要的集贸区。利用ArcGIS10.5 中的多环缓冲区分析模块，对道路以500m 缓冲距离做多环缓冲分析，再使用叠加分析，得到乡村聚落斑块在不同道路缓冲区的数量分布情况。

吐鲁番乡村聚落斑块在道路两侧集聚，离道路越远，乡村聚落斑块数量越少。2000 年、2010 年和2020 年在距离道路500m缓冲区内的乡村聚落斑块数量分别是120 个、138 个和194 个，500～2000m 缓冲区内的乡村聚落斑块数量分别是66 个、93 个和212 个，2000m 外的乡村聚落斑块数量分别是11 个、15 个和72 个（图9、图10）。综上可知，吐鲁番乡村聚落主要集聚在距离道路500m 区域内，乡村聚落斑块数量逐年上升，占乡村聚落斑块总量的比重具有绝对优势，反映出吐鲁番乡村聚落的分布受到主要道路的影响，乡村聚落优先在道路条件较好的区域扩展。

图9 道路缓冲区的乡村聚落斑块变化

图10 道路缓冲区的乡村聚落斑块变化趋势

3.6 聚落聚集沿河流走向分布

吐鲁番地表水资源主要来自煤窑沟、大河沿河、黑沟、塔尔朗和恰勒坎5 条河沟。本文通过利用Arcgis10.5 对吐鲁番主要河沟进行多环缓冲区分析。将河流缓冲区与乡村聚落斑块数据进行叠加处理，探究河流对乡村聚落的空间演变的影响。

乡村聚落斑块越靠近河流数量越多。2000 年、2010 年和2020 年乡村聚落斑块在距离河流1000m 缓冲区内的数量分别是94 个、98 个合和163 个，在距河流1000～3000m 缓冲区内的数量分别是70 个、99 个和200 个；3000m 以外的乡村聚落数量分别是33 个、49 个和115 个（图11、图12）。综上可知，吐鲁番乡村聚落主要分布在距河流1000m 内的区域，显然水资源也是制约吐鲁番乡村聚落发展的重要因素。由于吐鲁番降雨量少，气候较为干旱，境内居民生活一般比较倾向于选择在取水较为方便的地区，水资源的利用变化促使着乡村聚落发生空间演变。

图11 河流缓冲区的乡村聚落斑块变化

图12 河流缓冲区的乡村聚落斑块变化趋势

4 结论

1）吐鲁番市乡村聚落主要以中小型聚落扩展为主，扩展情况与乡村位序-规模法则更为契合；

2）吐鲁番乡村聚落高密度区和中密度区不断增大，主要集中在中部盆地区域；

3）吐鲁番聚落中心未发生明显变化，聚落扩展方向从吐鲁番盆绿洲区域转向南北戈壁荒漠矿产资源丰富区域；

4）吐鲁番乡村聚落主要分布在在高程0～452m 和坡度0°～3°区域内，地形高程和地形坡度对吐鲁番乡村聚落的分布具有显著的影响。吐鲁番市乡村聚落在主要道路和河流两侧更为聚集，主要分布在距道路0～500m 和距河流1000m 区域内。道路和河流的走向是影响乡村聚落扩展的重要因素。