基于格网的河西绿洲乡村聚落时空演变及其与水土资源的空间耦合关系
马利邦1, 田亚亚1, 郭晓东2, 陈梅梅1, 王永丽1
1. 西北师范大学地理与环境科学学院,兰州730070
2. 兰州大学管理学院,兰州730000

第一作者简介:马利邦(1984- ),男,甘肃酒泉人,副教授,博士后,研究方向为资源环境与乡村聚落。E-mail: malb0613@nwnu.edu.cn

摘要

基于1 km×1 km格网,论文综合运用景观指数、分散度、核密度、空间耦合关联等方法,研究河西走廊山丹县1998—2015年乡村聚落景观格局分异及时空演变特征,探讨绿洲乡村聚落与水土资源的空间耦合关系,结果表明:1)乡村聚落用地总面积扩张较快、空间分散化趋势明显,斑块数和斑块密度增大、平均斑块面积减小,乡村聚落景观指数在1998—2008年间相比2008—2015年间变化剧烈,后期逐渐趋于稳定;2)3个年份乡村聚落核密度空间分布格局基本一致,主干道路、渠系等线状地物沿线密集,外围区域稀疏,并以线状地物为中心向外呈阶梯状递减;3)1998—2008年乡村聚落分散度呈增加趋势,2008年后趋于稳定,乡村聚落空间分布由相对集中走向零星分散,聚落“散、空、乱”现象普遍;4)乡村聚落与耕地和渠系空间分布关系密切,存在显著的“耕地指向性”和“渠系指向性”; K指数1998年以“人多地少型”为主,2008和2015年转向“人少地多型”和“人地协调型”; L指数总体表现为“渠系偏多型”和“聚落-渠系协调型”。水土资源是约束和限制绿洲人口和聚落存在和发展的主要因素,人-水-土系统存在着高度的相互依存性和共生性。

关键词: 乡村聚落; 景观格局; 水土资源; 空间耦合; 山丹县
中图分类号:K901.8 文献标志码:A 文章编号:1000-3037(2018)05-0775-13
Spatial-temporal Change of Rural Settlements and Its Spatial Coupling Relationship with Water and Soil Resources Based on Grid in the Hexi Oasis
MA Li-bang1, TIAN Ya-ya1, GUO Xiao-dong2, CHEN Mei-mei1, WANG Yong-li1
1. College of Geography and Environmental Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730000, China
2. School of Management Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
Abstract

Water and soil resources are the most basic constituents of oasis. In fact, oasis can be simply defined as a place with water. The abundance of water resources determines the scale of irrigated land, which further affect the oasis’s carrying capacity for social economy. On the basis of 1 km×1 km grids, landscape index analysis, kernel density, dispersion degree, spatial coupling, etc., were used to analyze the temporal-spatial differentiation of landscape pattern of rural settlements in Shandan County in the Hexi Oasis. Further, the spatial coupling relationship between rural settlements and water and soil resources was studied. The results were as follows: 1) From 1998 to 2015, the total area of rural settlements in Shandan County expanded rapidly and the rural settlements tended to be more dispersed. The number and density of rural settlement plaques increased. The average area of rural settlement plaques decreased. Landscape indices of rural settlements changed more rapidly during 1998-2008 than during 2008-2015. In the second period, landscape indices tended to be stable. 2) The kernel density of rural settlements in 1998, 2008 and 2015 were basically consistent. Rural settlements accumulated along major roads and hydrographic network, and the kernel density of rural settlements decreased in the direction away from these roads and hydrographic network. In 1998, the intensive regions of rural settlements were relatively dispersed. The number of such regions was large but the area of each region was small. In 2008 and 2015, the intensive regions were more concentrated. The number of intensive regions decreased, but the area of each region increased. 3) From 1998 to 2008, the dispersion degree of rural settlements showed a rising trend. After 2008, the dispersion degree of rural settlements tended to be stable. In 1998, rural settlements in Shandan County were relatively concentrated, and there were 95.35% grids in which the dispersion degree of rural settlements was below 5.0. In 2008 and 2015, rural settlements tended to be more dispersed, and the proportion of grids in which the dispersion degree was above 6.0 increased to 27.68% and 29.30%, respectively. There were even grids in which the dispersion degree was above 21. The grids with dispersion degree above 21 accounted for 1.52% in 2008 and 1.59% in 2015. These led to the dispersion, emptiness and disorder of rural settlements in Shandan County. 4) The spatial distribution of rural settlements in Shandan County was closely related to the distributions of cultivated land and hydrographic network. Rural settlements distributed around cultivated land and along hydrographic network. In 1998, there was no human-land contradiction. In 2008, however, the human-land contradiction occurred. In 2015, the contradiction was alleviated and there was a harmonic relationship between human and land.

Keyword: rural settlement; landscape pattern; water and soil resources; spatial coupling; Shandan County

聚落是人类为了生产和生活的需要而集聚定居的各种形式的居住场所, 也可称之为居民点。按照性质与规模等的不同, 聚落通常划分为城市型和乡村型即城市聚落和乡村聚落两大类。目前, 我国约有7.5亿农村常住人口居住在300多万个村庄中, 乡村聚落是中国人口的主要聚居形式。近年来, 随着我国新型城镇化的快速推进以及“ 三农” 问题、新农村、城乡统筹、美丽乡村等国家重农政策的提出和实施, 我国乡村进入新的发展阶段, 乡村聚落空间密度、形态发生显著变化。

国外乡村聚落研究相对较早, 集中在乡村聚落空间布局及其影响因素[1]、乡村聚落的空间形态及类型[2, 3]、乡村聚落模式演变及重构[4, 5]、乡村聚落用地及景观生态[6, 7]以及乡村聚落研究视角的社会化[8, 9]等方面; 也有学者对亚洲和非洲部分国家绿洲聚落的分布与演变进行研究, 得出环境因素对绿洲聚落具有决定作用, 水利、农业、土地利用等与绿洲聚落分布亦存在着密切的关系[10, 11]。在干旱区用地紧张的条件下, 气候舒适度、地貌、水文、环境质量、可访问性和接近供应地成为绿洲聚落选址的关键因素[12, 13]。国内长期以来受重城轻乡思想的影响, 乡村聚落研究始终滞后于城市聚落研究。近年来, 受到国家农村发展战略的驱动, 部分学者对乡村聚落的形态与结构[14, 15]、乡村聚落功能[16, 17]、乡村聚落演变及驱动机制[18, 19], 以及乡村居民点空心化和整理[20, 21, 22]等开展了一系列研究。研究区域主要集中在西南喀斯特山区、黄土高原丘陵区、黄淮海平原、环渤海地区、长株潭地区等, 研究方法逐步向综合方向发展, 对GIS、RS以及景观方法等的综合应用增加, 研究尺度主要从宏观转向微观[14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]

山丹县地处河西走廊中部, 是甘肃省张掖市的东大门, 素有“ 走廊蜂腰” 、“ 甘凉咽喉” 之称, 是古代“ 丝绸之路” 通往西域的必经之地, 属于典型的干旱绿洲区, 乡村聚落似繁星镶嵌在绿洲之中, 是人类农业生产与加工活动均发生的绿洲区域。乡村聚落是山丹绿洲农村人口空间集聚的载体, 水土资源是绿洲最基本的构成要素, 乡村聚落的存在与发展受到水土资源的强烈约束, 水土资源量最终决定着绿洲乡村聚落的规模和承载力[23], 绿洲居民聚集度高, 与耕地和灌渠关系密切[24, 25]。受到农业生产技术约束, 山丹县水土资源禀赋及农村人口数量与乡村聚落的形态、规模、结构及其变化关系密切, 人类对绿洲水土资源的开发利用过程最终会映射在绿洲聚落上[26, 27]。随着城乡一体化的发展, 山丹县农村居民生活质量显著提高, 城乡之间人员、物质、信息等的流动不断加强, 一方面大量农村劳动力和土地向城市转移(城镇化率由1998年的14%上升至2015年的42.44%), 乡村地域呈现出一定的“ 空心化” ; 另一方面, 农村人口生活水平以及方式的变化对生产和生活要素也提出了新的要求, 使得乡村聚落数量不断增加、耕地面积持续扩大、水系密度不断提高, 乡村土地利用的结构和形态均发生了显著变化, 致使“ 人地” 和“ 人水” 关系适应性改变。

绿洲乡村聚落与水土资源的耦合关系是影响“ 人地” 和“ 人水” 关系适应性的一个重要因素。本研究以山丹县为例, 综合运用GIS空间分析技术、景观指数、核密度、分散度、空间耦合关联等方法, 以1 km× 1 km格网作为评价单元, 研究1998— 2015年山丹县绿洲乡村聚落景观格局分异及时空演变特征, 分析乡村聚落与水土资源的空间耦合关系, 揭示乡村聚落时空格局变化的一般规律, 以期为山丹绿洲乡村聚落与水土资源合理利用提供科学依据。

1 研究区域概况
1.1 自然地理概况

山丹县地处甘肃西部, 东靠永昌县, 西邻民乐县, 西北与甘州区接壤, 东南与肃南裕固族自治县皇城区相连, 南以祁连山冷龙岭与青海省为界, 北过龙首山与内蒙古自治区阿拉善右旗相望, 是典型的“ 绿洲” 。县域总面积5 402.43 km2, 南北长136 km, 东西宽89 km, 其范围为100° 41′ ~100° 42′ E、37° 56′ ~39° 03′ N(图1)。山丹县属大陆性高寒半干旱气候, 降水季节分布不均。太阳辐射强; 日照时数长, 年日照时数达2 964.7 h; 气温低, 年平均气温6.5 ℃, 昼夜温差大; 降水量少而集中, 年平均降水量199.4 mm; 蒸发量大, 年蒸发量达2 351.2 mm; 湿度小; 无霜期短, 只有165 d。海拔介于1 549~ 4 444 m, 最高点在祁连山冷龙岭, 最低点在东乐乡西屯沙河。境内有马营河、霍城河、寺沟河、山丹河和大黄山浅山区的流水口、瓷窑口、大口子、南山口等小沟小岔。

图1 山丹县区位Fig. 1 Location of Shandan County

1.2 社会经济概况

山丹县辖2乡(李桥乡、老军乡)、6镇(清泉镇、陈户镇、霍城镇、位奇镇、东乐镇、大马营镇)、110个行政村、6个居民委员会、754个村民小组。2015年末全县常住人口16.73万人, 城镇常住人口7.1万人, 城镇化率达到42.44%。山丹县是一个少数民族散杂居地区, 现有回族、东乡族、藏族、满族、壮族、苗族、土族、土家族、裕固族、保安族、蒙古族、彝族、达翰尔族、锡伯族等14个少数民族747人, 占全县总人口的0.39%。2015年全县国内生产总值43亿元, 三次产业结构为22.5:26.5:51, 第一产业薄弱, 第二产业发展不力, 与经济总量、农民人均可支配收入(10 526.6元/人)和城镇人均可支配收入(19 445.1元/人)水平相比, 产业结构相对超前。

2 研究方法和数据来源
2.1 研究方法

2.1.1 景观指数

基于景观生态学中的景观格局指数研究方法, 选取乡村聚落斑块面积(CA)、斑块数目(NP)、平均斑块面积(MPS)、最小斑块面积(MINP)、最大斑块面积(MAXP)、斑块密度(PD)等指标定量分析山丹县乡村聚落演变差异, 反映其结构组成及空间特征。

2.1.2 核密度

基于非参数的表面密度计算方法, 测度乡村聚落的空间分布密度。核密度值越高, 乡村聚落分布密度越大。表达式如下:

fx, y=1nh2i=1nkdin(1)

式中:f (x, y)为位于位置(x, y)的密度估计; n为观测数量; h为带宽; k为核函数; di为位置距第i个观测位置的距离。

2.1.3 分散度

借助不同大小网格的分析, 可较好地揭示乡村聚落时空差异及变化。基于1998、2008和2015年乡村聚落斑块矢量数据, 经过多次比较选择1 km× 1 km格网单元(共计7 055个格网), 对乡村聚落分散程度进行统计。乡村聚落分散度指每个统计格网内的乡村聚落用地图斑的数量, 其动态变化量能刻画出乡村聚落新生扩散、合并或消亡的时空过程。

2.1.4 空间耦合关系模型

为了深入探讨山丹县人地关系的协调程度, 本研究提出基于格网的乡村聚落与耕地和渠系的空间耦合关系模型, 应用ArcGIS空间分析模型得出空间耦合关系分布图, 具体模型如下:

K=S聚落S耕地(2)

L=S聚落L渠系(3)

式中:K为聚耕比指数; L为聚渠比指数; S聚落为单位格网内的乡村聚落面积; S耕地为单位格网内的耕地面积; L渠系为单位格网内的渠系长度。K值越大, 表明格网内耕地资源稀缺, 人地矛盾尖锐; K值越小, 表明格网内耕地资源丰富, 人地矛盾缓和。L值越大, 表明格网内渠系密度较小, 人水矛盾尖锐; L值越小, 表明格网内渠系密度较大, 人水矛盾缓和。

2.2 数据来源

数据来自4个方面:1)基础图件, 包括山丹县地形图(1:250 000)、矢量行政边界(1:250 000), 来源于甘肃省测绘局; 2)土地利用矢量数据, 山丹县1998和2008年土地利用调查数据、2015年土地利用详查数据, 来源于甘肃省国土资源厅和山丹县国土局; 3)社会经济统计数据, 包括1998— 2015年山丹县人口、国内生产总值、旅游业产值等, 来源于张掖市统计年鉴(张掖市统计局)、山丹县国民经济统计资料和山丹县统计年鉴(1998— 2015年, 山丹县统计局), 部分数据来源于山丹县地情网(http://sz.shandan.gov.cn/); 4)实地调研资料, 2015年7月和2016年6月两次在山丹进行实地调查, 获得当地乡村聚落的感性认识。

3 结果分析
3.1 乡村聚落景观格局

3.1.1 基于景观格局指数的乡村聚落时间演变

借助ArcGIS 10.2软件, 从土地利用变化数据中提取1998、2008和2015年乡村聚落分布矢量数据(图2), 并对景观指数进行对比分析(表1)。

表1 山丹县1998、2008和2015年乡村聚落景观指数 Table 1 Landscape pattern indices of rural settlements in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

图2 山丹县1998、2008和2015年乡村聚落分布Fig. 2 Distribution of rural settlements in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

从图2和表1可以看出:山丹县乡村聚落景观指数前一阶段(1998— 2008年)相比后一阶段(2008— 2015年)变化剧烈, 后期逐渐趋于稳定。其中, 乡村聚落面积占县域总面积的比例较小, 3个时期分别仅占0.627%、0.634%和0.692%, 增加趋势缓慢; 乡村聚落用地总面积呈增加趋势, 其中1998— 2008年间增加38.99 hm2, 年均增长3.90 hm2, 2008— 2015年间增加315.20 hm2, 年均增长52.53 hm2, 后期快于前期; 乡村聚落斑块数增加较为显著, 尤以1998— 2008年间增加最为突出, 达到2 160个, 占到增加总量的90.64%。平均斑块面积1998年相对较大, 达到4.46 hm2, 2008和2015年仅为1998年的1/4; 斑块面积大小悬殊, 3个时期最大和最小斑块面积比分别为10 697、1 284.33和11 986, 2008年差距有所减小, 至2015年差距更加明显; 斑块密度总体呈增加趋势, 1998— 2008年增加最快, 达到385.7%, 2008和2015年斑块密度相当, 其原因在于2000年后山丹县乡村聚落面积扩张较快, 空间分散化趋势明显, 集约利用程度降低, 斑块数的大幅增加引起斑块密度增大, 同时由于乡村聚落斑块数增加主要以较小面积的新生聚落和大聚落斑块破碎化为主, 使得平均斑块面积减小。

3.1.2 基于核密度的乡村聚落空间分异

利用ArcGIS 10.2软件中的Feature to Point 模块分别提取1998、2008和2015年乡村聚落斑块的中心点, 基于Kernel方法, 在多次尝试获取最佳结果的基础上, 选取400 m的搜索半径, 生成3个时期乡村聚落分布的核密度图(图3)。从图3可以看出:1)3个时期乡村聚落核密度的空间分布格局基本一致, 乡村聚落空间分布的道路和渠系指向性较为明显, 呈现兰新铁路、国道312线、连霍高速和主干渠系等主要线型地物沿线密集, 外围区域稀疏, 并以线状地物为中心向外呈阶梯状递减; 2)乡村聚落斑块核密度值大于2个/km2的密集核心区位置和集聚程度均发生了变化, 1998年乡村聚落斑块的密集核心区较为分散, 位于主要线型地物沿线的五墩村、大寨村、小寨村、东湾村、位奇村、西关村等村庄, 2008和2015年乡村聚落斑块的密集核心区较为集中, 主要位于县城(清泉镇)周边; 3)1998— 2015年间, 乡村聚落斑块密集核心区数量和面积发生了变化, 1998年密集核心区数量达到8个, 单个面积相对较小; 2008和2015年密集核心区数量减少至3个, 但单个面积有所增大, 2015年面积增加最为显著; 4)2008和2015年核密度值介于0~2个/km2的聚落集聚区相比1998年明显增多, 且空间趋于分散。

图3 山丹县1998、2008和2015年乡村聚落分布密度Fig. 3 Kernel density of rural settlements in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

3.2 乡村聚落分散度

3.2.1 乡村聚落分散度时间变化特征

基于1 km× 1 km格网计算得出山丹县3个时期乡村聚落分散度(表2和图4)。1998— 2008年乡村聚落分散度总体呈现增加趋势, 2008年后趋于稳定。1998— 2008年间, 存在聚落斑块的格网数量由538个增至727个, 增加35.13%, 2008— 2015年仅增加3.3%; 1998年分散度小于10的格网占到99.63%, 2008年分散度小于10的格网占比下降至87.62%; 与之相反, 分散度大于10的格网较1998年增加12.02%。此外, 1998— 2008年间, 1 km× 1 km格网内乡村聚落分散度在0~5区间的格网数量减幅较小(4.09%), 但格网比例下降较快, 由1998年的95.35%下降至2008年的67.68%; 分散度> 6的区间, 格网数量和所占比例均呈现上升趋势, 其中分散度在6~10区间的增加最快, 格网数量和比例分别由1998年的23个、4.28%增加至2008年的145个、19.94%。究其原因, 一方面由于山丹县乡村聚落扩张以≤ 0.1 hm2的独院聚落和小聚落斑块为主, 新增和大聚落分裂是其数量增加的主要原因, 乡村聚落渐趋分散; 另一方面, 由于受到外界利益需求的驱动, 耕地以及聚落数量和面积均出现外延式发展, 伴随着耕地面积增加和空间外扩, 聚落亦随之变化。

表2 山丹县1998、2008、2015年山丹县乡村聚落分散度统计 Table 2 The discrete degree of rural settlements in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

图4 1998、2008、2015年山丹县乡村聚落分散度空间分布Fig. 4 Distribution of grids with different dispersion degree of rural settlements in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

3.2.2 乡村聚落分散度空间分异特征

从3个时期乡村聚落分散度的空间格局来看, 聚落空间分布由相对集中走向零星分散。1998年山丹县乡村聚落空间分布相对集中, 95.35%的格网乡村聚落分散度在5以下; 这一时期李桥乡北部区域乡村聚落的分散度相对偏高, 聚落数量较多, 分布密集。2008和2015年乡村聚落零星分散特征显著, 分散度在6以上的格网分别增加27.68%和29.30%, 并在局部区域出现分散度大于21的极度分散区域, 分别占到1.52%和1.59%。其中, 2008年县城周边分散度在6~10区间的格网呈现增加趋势, 县城南部的陈户镇、李桥乡、霍城镇和大马营镇分散度在6~10、11~20区间的格网增加趋势较为明显; 2015年分散度变化主要发生的县城周边, 分散度11~20区间的格网增加明显, 其他乡镇变化不显著。在调查过程中发现, 2000年之后, 山丹县乡村聚落布局存在随意性, 缺乏有效的科学规划, 用地方式主要以外延为主, 且利用率较低。此外, 在收入利益的驱使下, 村民不断开荒, 耕地在原始空间基础上向外围扩张, 乡村聚落随之外扩, 形成零星分散的空间布局, 导致乡村聚落“ 散、空、乱” 现象普遍。

3.3 乡村聚落与水土资源的空间耦合关系

乡村聚落用地及空间分布受到自然和人文两方面因素的影响。通常情况下, 山地丘陵区受到自然地理因素(海拔、坡度、坡向等)的影响较为显著, 平原绿洲区更多地依赖于人文因素, 如交通、渠系、耕地等。山丹县属于典型的绿洲区, 耕地和水系对乡村聚落空间分布的影响更为显著, 由于山丹县自然水系较少, 本研究选取人工渠系代替。

3.3.1 乡村聚落与耕地的空间耦合关系

为了便于分析, 本研究提出不同情景下人地关系聚耕比的阈值。根据世界人均耕地面积(1 920 m2)和世界人均建设用地面积(83 m2)计算得到人地协调阈值为0.04; 根据世界粮农组织规定的人均耕地警戒线(533.3 m2)和我国新型城镇化建设规定的农村人均建设用地范围(150 m2)计算得到人地矛盾阈值为0.28。当K< 0.04, 为显著的“ 人少地多型” , 不存在人地矛盾; 当0.04< K< 0.28, 为一定程度内的“ 人地协调型” , 人地关系相对均衡; 当K> 0.28, 为显著的“ 人多地少型” , 人地矛盾突出。其中, K=88表明此单元格网中有聚落而无耕地, 可理解为人多地少型; K=99表明此单元格网有耕地而无聚落, 可理解为人少地多型。

基于耦合关系模型, 以及不同情景下人地关系阈值得到3个时期格网尺度的聚耕比空间分布图(图5), 并按照阈值空间对其进行统计(表3)。可以看出:1)山丹县乡村聚落与耕地空间分布关系密切, 存在显著的“ 耕地指向性” , 聚耕比空间分布差异显著, 1998年总体以“ 人多地少型” 为主, 2008和2015年转向“ 人少地多型” 、和“ 人地协调型” ; 2)1998年县城北部东乐镇和主要道路及干渠沿线主要以“ 人多地少型” 为主, 其他乡镇3种情景交错分布; 2008和2015年较1998年聚耕比发生显著变化, 县城周边及北部东乐镇转向以“ 人地协调型” 为主, 中部陈户镇、位奇镇以“ 人少地多型” 为主, 南部大马营镇和霍城镇靠近县界的区域仍以“ 人少地多型” 为主; 3)1998年山丹县人地矛盾最为突出, K> 0.28的格网占比达到42.01%, 尤以县城北部的东乐镇最为明显, 其他乡镇也存在人地矛盾突出的村庄, 但主要以“ 人地协调型” 和“ 人少地多型” 为主; 2008年以后人地矛盾趋于缓解, “ 人多地少型” 格网和比重均有明显下降, 至2015年占比减少至18.89%, 主要分布在县城周边以及县域南部大马营镇和霍城镇靠近县界的区域; 4)1998年山丹县人口和耕地空间分布一致性较好, 2000年后由于新垦大量耕地, 有超过30%的格网有耕地而无聚落, 但是聚落的空间分散度亦增加, 这与耕地空间范围扩大有必然联系。

表3 山丹县1998、2008和2015年单元格网聚耕比统计数据 Table 3 Grids with different K values in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

图5 山丹县1998、2008和2015年单元格网聚耕比空间分布Fig. 5 Distribution of grids with different K values in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

3.3.2 乡村聚落与渠系的空间耦合关系

山丹绿洲以“ 灌区” 为主要用水单位, 共有霍城、老军、马营河、寺沟4个灌区, “ 渠系” 是灌区灌溉的主要通道, 同时也是影响耕地和乡村聚落空间分布的主要控制因素。基于耦合关系模型, 计算得到3个时期单元格网尺度的聚渠比空间分布图(图6)。L< 0.1, 为显著的“ 渠系偏多型” (即格网内渠系密度大于乡村聚落所需数量); 当0.1< L< 1, 为一定程度内的“ 聚落-渠系协调型” (即格网内渠系密度与乡村聚落所需数量相当); 当L> 1, 为显著的“ 渠系偏少型” (即格网内渠系密度小于乡村聚落所需数量)。其中, L=88表示该格网中有聚落而无渠系, 可理解为“ 渠系偏少型” ; L=99表示该单元格网中, 有渠系而无聚落, 可理解为“ 渠系偏多型” 。

图6 山丹县1998、2008和2015年单元格网聚渠比统计数据Fig. 6 Distribution of grids with different L values in Shandan County in 1998, 2008 and 2015

表4和图6可以看出:1)山丹县3个时期乡村聚落与主干渠系空间分布关系密切, 存在显著的“ 渠系指向性” , 聚渠比总体表现为“ 渠系偏多型” 和“ 聚落-渠系协调型” , 3个时期二者分别占到格网总量的78.81%、91.51%和89.75%, 渠系的空间布局决定了乡村聚落和耕地的分布格局; 2)3个时期聚渠比空间差异明显, “ 渠系偏少型” 主要存在于县城周边, 县城西北部主要以“ 聚落-渠系协调型” 为主, 县城以南区域以“ 渠系偏多型” 为主; 3)基于实地调研发现, 乡村聚落、耕地和渠系之间具有高度的相互依赖性, 2000年后由于耕地空间范围扩张, 渠系随之增多, 且二者的扩张速度明显快于聚落, 使得2008年43.86%的格网出现“ 有渠系而无聚落” 的现象。

表4 山丹县1998、2008和2015年单元格网聚渠比统计数据 Table 4 Grids with different L values in Shandan County in 1998, 2008 and 2015
3.4 乡村聚落与水土资源的耦合机制分析

山丹县乡村聚落与水土资源存在着高度的空间耦合关系, 乡村聚落“ 耕地指向性” 和“ 渠系指向性” 显著。“ 有水则成绿洲、无水则成荒漠” 是干旱绿洲区的真实写照, “ 以水定地, 以水定人” 亦是其可持续发展遵循的原则。水资源数量的多寡会影响供水能力, 而供水能力决定了绿洲耕地面积, 耕地面积又会影响人类对土地资源的开发强度和土地自身的生产能力, 土地的生产能力会影响人口的承载能力, 进而对绿洲人口聚集的现实载体聚落产生影响。因此, 水土资源成为了约束和限制绿洲人口和聚落存在和发展的主要因素, 人-水-土系统存在着高度的相互依存性和共生性[27](图7)。

图7 山丹县绿洲聚落人-水-土系统共生示意图Fig. 7 The diagram of people-water-soil symbiotic system of oasis settlements in Shandan County

4 结论与讨论
4.1 结论

基于1 km× 1 km格网, 运用GIS空间分析技术、景观指数分析、核密度、分散度、空间耦合关联等方法, 分析山丹县1998— 2015年乡村聚落景观格局分异及时空演变特征, 探讨乡村聚落与水土资源的空间耦合关系, 得出以下结论:

1)在时间序列上, 1998— 2015年间, 山丹县乡村聚落用地总面积扩张较快、空间分散化趋势明显, 斑块数的大幅增加引起斑块密度增大、平均斑块面积减小。乡村聚落景观指数在1998— 2008年间相比2008— 2015年间变化剧烈, 后期逐渐趋于稳定。

2)在空间格局上, 3个时期乡村聚落核密度的空间分布格局基本一致, 主要线型地物沿线密集, 外围区域稀疏, 并以线状地物为中心向外呈阶梯状递减。1998年乡村聚落斑块的密集核心区较为分散, 数量较多但单个面积相对较小, 2008和2015年较为集中, 数量较少但单个面积有所增大。

3)利用1 km× 1 km格网计算得出山丹县3个时期乡村聚落分散度, 1998— 2008年乡村聚落分散度呈增加趋势, 2008年后趋于稳定。1998年山丹县乡村聚落空间分布相对集中, 95.35%的格网乡村聚落分散度在5以下; 2008和2015年乡村聚落零星分散特征显著, 分散度在6以上的格网分别增加27.68%和29.30%, 并在局部区域出现分散度大于21的极度分散区域, 分别占到1.52%和1.59%, 乡村聚落“ 散、空、乱” 现象普遍。

4)山丹县乡村聚落与耕地和渠系空间分布关系密切, 存在显著的“ 耕地指向性” 和“ 渠系指向性” 。2000年后由于耕地空间范围扩张, 渠系随之增多, 且二者的扩张速度明显快于聚落, 使得2008年37.33%和43.86%的格网分别出现“ 有耕地而无聚落” 和“ 有渠系而无聚落” 的现象。水土资源成为了约束和限制绿洲人口和聚落存在和发展的主要因素, 人-水-土系统存在着高度的相互依存性和共生性。

4.2 讨论

在研究思路和视角方面, 本文基于格网尺度, 采用定性与定量相结合的分析方法, 从时间和空间两个层面分析绿洲乡村聚落格局及其演变过程, 可为微观尺度绿洲乡村聚落的理论与实证研究提供较为系统的研究框架体系。与此同时, 本文跳出以往乡村聚落时空分布综合评价的常规范式, 选择绿洲区发展的约束性因素— — 水和土, 作为影响乡村聚落发展主导因素, 探讨绿洲乡村聚落与水土资源的空间耦合关系, 揭示了微观尺度乡村聚落用地时空演变的驱动力, 有助于指导绿洲区的乡村规划和迁村并居。但是, 本研究对不同时段绿洲乡村聚落时空演变表现特征所蕴含的本质问题尚未进行深入系统的探讨, 也未提出未来绿洲乡村聚落空间重构的方向。因此, 在后续的研究过程中, 一方面会系统分析乡村经济社会转型背景下乡村聚落演变的过程及驱动机制, 另一方面尝试对绿洲乡村聚落空间进行重构, 以期促进绿洲区乡村聚落的人地协调发展。

The authors have declared that no competing interests exist.

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