山丘生態(tài)保護區(qū)鄉(xiāng)村聚落空間分異及格局優(yōu)化

孟令冉，吳 軍，董霽紅

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，徐州 221116；2. 曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，日照 276826；3. 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，徐州 221116）

山丘生態(tài)保護區(qū)鄉(xiāng)村聚落空間分異及格局優(yōu)化

孟令冉1,2，吳 軍2，董霽紅1,3※

（1. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，徐州 221116；2. 曲阜師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，日照 276826；3. 江蘇省資源環(huán)境信息工程重點實驗室，徐州 221116）

合理優(yōu)化鄉(xiāng)村聚落空間格局對區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義。該文以山丘生態(tài)保護區(qū)山東省泗水縣為例，運用最近鄰點統(tǒng)計、空間關(guān)聯(lián)測度模型、空間韻律測度等方法分析泗水縣鄉(xiāng)村聚落空間分異特征，并從生態(tài)保護與建設(shè)的視角，運用最小累積阻力模型從森林、水體2個方面構(gòu)建生態(tài)保護格局，探討泗水縣鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化方向。結(jié)果表明：泗水縣鄉(xiāng)村聚落空間集聚態(tài)勢顯著，平均密度在1.6～4個/km2范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出的“南北密，中間疏”的空間分異特征；聚落規(guī)模以小型聚落居多，斑塊數(shù)量占總數(shù)的45.43%，存在低值集聚的冷點區(qū)，表現(xiàn)為“中部大，南北小”的分布態(tài)勢；鄉(xiāng)村聚落斑塊形狀較為復(fù)雜，連續(xù)性差，破碎化明顯；聚落主要分布在高程73～250 m、坡度0～5°以及距河流600 m范圍內(nèi)。通過構(gòu)建生態(tài)保護格局并根據(jù)鄉(xiāng)村聚落對森林、水體的影響將其劃分為重點整治型、限制擴張型、適度建設(shè)型和優(yōu)先發(fā)展型4種格局優(yōu)化類型，該研究結(jié)果可為生態(tài)保護與建設(shè)背景下區(qū)域鄉(xiāng)村聚落的規(guī)劃發(fā)展提供依據(jù)。

土地利用；鄉(xiāng)村；優(yōu)化；山丘生態(tài)保護區(qū)；鄉(xiāng)村聚落；空間分異；格局優(yōu)化；泗水縣

孟令冉，吳 軍，董霽紅. 山丘生態(tài)保護區(qū)鄉(xiāng)村聚落空間分異及格局優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(10)：278－286.

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.037 http://www.tcsae.org

Meng Lingran, Wu Jun, Dong Jihong. Spatial differentiation and layout optimization of rural settlements in hill ecological protection area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 278－286. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.037 http://www.tcsae.org

0 引 言

鄉(xiāng)村聚落是指具有一定規(guī)模并與從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)的人群，在一定地域范圍內(nèi)集中居住的現(xiàn)象、過程與形態(tài)，是鄉(xiāng)村地理學(xué)研究的重要領(lǐng)域[1]。受自然社會條件的影響，鄉(xiāng)村聚落在空間規(guī)模、結(jié)構(gòu)與形狀等方面分異明顯，研究鄉(xiāng)村聚落分異特征可以揭示鄉(xiāng)村聚落在不同階段的人地關(guān)系和發(fā)展規(guī)律，對于指導(dǎo)鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化具有十分重要的意義。同時，鄉(xiāng)村聚落擴張及人口增長導(dǎo)致的生態(tài)環(huán)境問題愈加凸顯，如何在把握鄉(xiāng)村聚落客觀發(fā)展規(guī)律的條件下，合理優(yōu)化鄉(xiāng)村聚落布局，保護生態(tài)環(huán)境功能不受破壞是鄉(xiāng)村聚落發(fā)展研究的關(guān)鍵問題。十八大以來，全國積極倡導(dǎo)綠色發(fā)展理念，加快推進生態(tài)文明建設(shè)，新型社區(qū)、美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等為鄉(xiāng)村聚落發(fā)展指引了方向，使得鄉(xiāng)村聚落發(fā)展過程中生態(tài)環(huán)境的保護更為重要。

國外學(xué)者對鄉(xiāng)村聚落的研究始于19世紀(jì)，以鄉(xiāng)村聚落的形成、發(fā)展研究為基礎(chǔ)[2]，結(jié)合社會學(xué)和景觀生態(tài)學(xué)等觀點[3-4]，研究多集中在鄉(xiāng)村聚落空間格局特征[5-6]、鄉(xiāng)村聚落轉(zhuǎn)型重構(gòu)[7-8]、鄉(xiāng)村聚落與人口和經(jīng)濟的關(guān)系等[9]多學(xué)科、多元化方面。受“城市中心偏向”的影響，國內(nèi)學(xué)者對鄉(xiāng)村聚落方面的研究起步較晚，早期研究多集中在鄉(xiāng)村聚落地理、聚落區(qū)劃等方面[10]。近年來，在社會主義新農(nóng)村和城鄉(xiāng)一體化建設(shè)指引下，鄉(xiāng)村聚落研究更加豐富，在鄉(xiāng)村聚落空間格局[11-12]、鄉(xiāng)村聚落空心化[13-14]、鄉(xiāng)村聚落演化和布局優(yōu)化[15-17]、鄉(xiāng)村聚落轉(zhuǎn)型與重構(gòu)[18-19]以及鄉(xiāng)村聚落的保護與規(guī)劃[20-21]等方面取得了較好的成果，研究對象涵蓋了山地、丘陵、平原等典型地貌類型區(qū)。在鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化方面，學(xué)者多采用引力模型、生態(tài)位理論和模糊評價模型[22-24]等方法從人口、自然社會等因素方面對鄉(xiāng)村聚落布局適宜性及優(yōu)化模式進行探討，而從生態(tài)保護與建設(shè)的視角對山丘生態(tài)保護區(qū)鄉(xiāng)村聚落的研究很少。

2015年濟寧市被列為全國生態(tài)保護與建設(shè)示范區(qū)，提出了“兩區(qū)兩帶”生態(tài)保護與建設(shè)格局，本文所研究的泗水縣是濟寧市最重要的生態(tài)保護與建設(shè)區(qū)之一，其中一區(qū)一帶即為泗水縣“山丘生態(tài)保護區(qū)”和“泗河生態(tài)保護帶”。受泗水縣低山丘陵過渡性地貌的影響，鄉(xiāng)村聚落呈現(xiàn)出較好的過渡性特征，其布局與發(fā)展是影響泗水縣生態(tài)保護與建設(shè)的主要因素。由此，本文運用最近鄰點統(tǒng)計、空間關(guān)聯(lián)測度模型、空間韻律測度等方法分析了泗水縣鄉(xiāng)村聚落空間分異特征，并從生態(tài)保護與建設(shè)的視角，運用最小累積阻力模型從森林、水體 2個方面構(gòu)建生態(tài)保護格局，探討鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化方向，以期為泗水縣鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化提供參考，同時也為生態(tài)保護與建設(shè)背景下鄉(xiāng)村聚落的規(guī)劃發(fā)展提供依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

泗水縣位于山東省中南部，隸屬濟寧市，介于北緯35°28￠～35°48￠，東經(jīng) 117°05￠～117°35￠之間，轄區(qū)總面積1 118.96 km2（圖1）。泗水縣是中國重要的生態(tài)功能區(qū)，地貌類型豐富，南北為山地丘陵區(qū)，占總面積的67.6%，群山環(huán)繞，森林密布，共有大小山頭 561座，林地面積占全縣總面積的 13.61%，2015年泗水縣森林覆蓋率達47.8%，居全市首位；中部為河谷平原區(qū)，占總面積的32.4%，土壤肥沃，宜耕性強，共計河流 33條，境內(nèi)總長為 412.4 km，主要以泗河為主。此外，泗水縣境內(nèi)水庫、山泉眾多，多分布在東部和南部地區(qū)，因名泉較多，素有“中國泉鄉(xiāng)”之稱，氣候為暖溫帶季風(fēng)氣候，年降水量755 mm。社會經(jīng)濟方面，泗水縣下轄泗河街道、濟河街道、金莊鎮(zhèn)等13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）的591個行政村，常駐人口為54.2萬，為重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)縣。2015年全縣國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）共計157.21億元，人均生產(chǎn)總值（GDP）為288 19元，農(nóng)村居民人均可支配收入為9 495元，在濟寧市13個縣市區(qū)中均處于較低水平，經(jīng)濟和鄉(xiāng)村聚落發(fā)展較為落后。

圖1 泗水縣區(qū)位圖Fig.1 Location of Sishui county

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文研究數(shù)據(jù)包括空間數(shù)據(jù)和社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)及處理：1）2012年泗水縣1:10 000土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)：通過人機交互解譯獲取并借助ArcGIS 9.3檢查修正，根據(jù)需要采用土地利用二級分類標(biāo)準(zhǔn)將土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)劃分為耕地、園地、林地、草地、水域、建設(shè)用地及其他用地7大類，通過SQL查詢按地類代碼提取泗水縣鄉(xiāng)村聚落用地、道路、河流等土地利用數(shù)據(jù)，鄉(xiāng)村聚落即土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)中的村莊（203）。根據(jù)點模式分析方法，利用Future to Point模塊提取鄉(xiāng)村聚落質(zhì)心將其轉(zhuǎn)化為點狀，河流、道路轉(zhuǎn)為線性，計算鄉(xiāng)村聚落到河流、道路的最短距離，以300 m為適宜緩沖距離做等間隔5級緩沖區(qū)分析。2）30 m分辨率高程、坡度數(shù)據(jù)通過DEM數(shù)據(jù)提?。▉碓从谥袊茖W(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站：http://datamirror.csdb.cn數(shù)據(jù)時期：2012年），結(jié)合泗水縣實際及高程與坡度變化特點分別將高程分為73～100，>100～150，>150～200，>200～250，>250～300，>300～569 m六個等級范圍，坡度分為20°，>20°～38.3° 六個等級范圍。社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)主要來源于濟寧市統(tǒng)計年鑒（2004-2014）、泗水縣統(tǒng)計年鑒（2004-2014）、泗水縣國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報（2015）等相關(guān)文獻。

2 研究方法

基于土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，運用最近鄰點統(tǒng)計、核密度估算模型、空間關(guān)聯(lián)測度模型、空間韻律測度等方法分析泗水縣鄉(xiāng)村聚落空間分異特征，并運用最小累積阻力模型從泗水縣生態(tài)保護與建設(shè)的視角，從森林、水體2個方面構(gòu)建生態(tài)保護格局，探討泗水縣鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化方向，具體如下。

2.1 最近鄰點統(tǒng)計量

最近鄰點統(tǒng)計量即R統(tǒng)計量，其核心思想是將點分布中最近鄰點平均距離的觀測值與假設(shè)隨機分布最近鄰點平均距離的期望值進行比較，來判斷點空間分布的集聚或分散特征[25]，計算公式如下：

式中robs為最近鄰點平均距離的觀測值；rexp為假設(shè)鄉(xiāng)村聚落隨機分布期望值；di為i鄉(xiāng)村聚落的最近鄰點距離，m；n為鄉(xiāng)村聚落點總數(shù)；A為鄉(xiāng)村聚落總面積，m2。雖然R統(tǒng)計量可以判斷鄉(xiāng)村聚落空間集聚或分散特征，但仍然無法衡量鄉(xiāng)村聚落空間分布的集聚或分散程度，一種衡量方法是將觀測值與期望值的差值與最近鄰點平均距離的標(biāo)準(zhǔn)誤差SEr進行比較，計算標(biāo)準(zhǔn)化Z值來衡量，其計算公式如下：

式中標(biāo)準(zhǔn)化Z值及其在假設(shè)隨機模式下產(chǎn)生的概率α符合正態(tài)分布，當(dāng)正態(tài)分布兩端Z值得分越大或越?。ㄘ摂?shù)）時，α值越小，表示標(biāo)準(zhǔn)化Z值為統(tǒng)計意義上的顯著集聚或離散模式。取置信度為95%時，其標(biāo)準(zhǔn)化Z值的臨界值為1.96和-1.96，當(dāng)Z>1.96或Z<-1.96時，認為在α=0.05的顯著水平下，所計算出的最近鄰點平均距離的觀測值與假設(shè)隨機分布最近鄰點平均距離的期望值之間的差值具有統(tǒng)計顯著性，反之，說明它們之間不存在顯著差異[25]。

2.2 空間關(guān)聯(lián)測度模型

1）空間聚類檢驗（Getis-Ord General G）

用來檢測鄉(xiāng)村聚落空間規(guī)模集聚性質(zhì)，即是存在高值的集聚特征還是存在低值的集聚特征。計算公式如下：

式中，d為各鄉(xiāng)村聚落中心點之間的距離，m；Wij(d)為以距離規(guī)則定義的空間權(quán)重；xi和xj分別是i和j區(qū)域的觀測值；可對G(d)進行標(biāo)準(zhǔn)化其中，E(G)和var(G)分別為G(d)的期望值和方差，根據(jù)Z(G)值可判斷G(d)是否滿足某一指定的顯著性水平以及是存在正的還是負的空間相關(guān)性。當(dāng)G(d)為正，且Z(G)統(tǒng)計顯著時，表示存在高值簇群，當(dāng)G(d)為負，且Z(G)統(tǒng)計顯著時，表示存在低值簇群[26]。

用來檢驗局部地區(qū)是否存在統(tǒng)計顯著的高值和低值，并對探測到“熱點區(qū)”和“冷點區(qū)”進行可視化顯示。其計算公式為：

2.3 空間韻律測度（spatial metrics）

空間韻律指數(shù)可以量化并高度濃縮鄉(xiāng)村聚落的景觀格局信息，展現(xiàn)其結(jié)構(gòu)組成、形態(tài)變化及空間配置等特征[27]。本文引入景觀生態(tài)學(xué)方法，選取斑塊數(shù)量（number of patches，NP）、斑塊面積（class area，CA）、平均斑塊面積（mean patch area，AREA_MN）、最大斑塊指數(shù)（largest patch index，LPI）、景觀形狀指數(shù)（landscape shape index，LSI）、平均斑塊形狀指數(shù)（mean shape index，SHAPE_MN）、蔓延度指數(shù)（contagion index，CONTAGION）和分離度指數(shù)（splitting index，SPLIT）利用Fragstats 3.3計算景觀格局指數(shù)值，研究鄉(xiāng)村聚落的空間分異特征。

2.4 最小累積阻力模型（minimum cumulative resistance）

最小累積阻力模型是指從“源”出發(fā)到目的地經(jīng)過不同類型的景觀所克服的最小阻力或者耗費的最小費用，由Knaapen提出[28]經(jīng)俞孔堅[29]等根據(jù)地理信息系統(tǒng)中常用的費用距離修改而來，在土地資源空間格局生態(tài)優(yōu)化[30]、土地空間重構(gòu)[31]等方面應(yīng)用廣泛，主要考慮源、距離和景觀基面特征3個方面的因素，其公式如下：

式中MCR為最小累積阻力值，f是一個未知的正函數(shù)，反映空間任一點最小累積阻力與其到所有源的距離和介面特征的正相關(guān)關(guān)系。Dij是指某一質(zhì)點從源j到某一景觀單元的空間距離；Ri是景觀i對該質(zhì)點運動的阻力，阻力值根據(jù)景觀i對質(zhì)點的阻礙程度確定。盡管f函數(shù)通常是未知的，但Dij×Ri的最小阻力值可以認為是某一點從源出發(fā)克服介面阻力到達空間某一點的代價，所以，阻力面可以用來反映某一質(zhì)點在空間中運動的潛在可能性及趨勢[29]。該模型可通過Arcgis 9.3中的cost-distance模塊實現(xiàn)。

3 鄉(xiāng)村聚落空間分異特征

3.1 鄉(xiāng)村聚落分布集聚，表現(xiàn)為“南北密，中間疏”的分異特征

借助Arcgis 9.3計算2012年泗水縣鄉(xiāng)村聚落R統(tǒng)計量得出：泗水縣鄉(xiāng)村聚落分布的R統(tǒng)計量為0.53，標(biāo)準(zhǔn)化Z值為-58.2，遠小于-1.96，說明泗水縣鄉(xiāng)村聚落整體聚集態(tài)勢較為顯著。在空間分布上，借助 Arcgis 9.3中Kernel模塊計算并生成泗水縣鄉(xiāng)村聚落的核密度分布圖（圖2），分析可得：1）泗水縣鄉(xiāng)村聚落密度整體表現(xiàn)為“南北密，中間疏”的空間格局特征，空間分異顯著。2）鄉(xiāng)村聚落平均密度多在1.6～4個/km2范圍內(nèi)，核心區(qū)密度高達28.4個/km2，主要分布在地勢較好，水土條件優(yōu)越，宜居性較強的南北丘陵河谷、中部縣域城鎮(zhèn)中心邊緣和東部水庫周邊區(qū)域，包括泗水縣北部的中冊鎮(zhèn)、高峪鄉(xiāng)、星村鎮(zhèn)、大黃溝鄉(xiāng)和泗水縣南部的圣水峪鄉(xiāng)、泗張鎮(zhèn)和泉林鎮(zhèn)，次密集核心區(qū)主要分布在密集核心區(qū)周邊及泗水縣中部。3）對比分析，受泗水縣獨特地貌類型的影響，北部和南部低山丘陵區(qū)多表現(xiàn)為小斑塊鄉(xiāng)村聚落團簇和散點的兩極化分布。其中海拔最高，地形最為復(fù)雜的北部低山區(qū)多為散點分布，平均密度多在1.5個/km2以下，丘陵區(qū)團簇狀集聚分布明顯，密度多在 7.4～12.6個/km2之間，中部平原區(qū)鄉(xiāng)村聚落帶狀分布明顯，平均密度多在1.6～7.3個/km2之間。

圖2 2012年泗水縣鄉(xiāng)村聚落分布核密度估算圖Fig.2 Kernel density estimation for rural settlements of Sishui county in 2012

3.2 鄉(xiāng)村聚落規(guī)模懸殊，以小型聚落居多，存在低值集聚的冷點區(qū)

從鄉(xiāng)村聚落規(guī)模數(shù)量特征來看，2012年泗水縣鄉(xiāng)村聚落斑塊數(shù)量為1 204個，總面積為9 009.72 hm2，占泗水縣全部面積的8.1%，平均斑塊面積為7.48 hm2。根據(jù)郭曉東等對鄉(xiāng)村聚落規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)[32]，以斑塊面積為依據(jù)劃分為獨院聚落、小型聚落、中等聚落和大型聚落 4個等級（表1）可得：泗水縣鄉(xiāng)村聚落以小型聚落居多，斑塊數(shù)量占總數(shù)的 45.43%，斑塊面積占聚落總面積的6.28%，平均斑塊面積僅為1.03 hm2，獨院聚落斑塊數(shù)量和斑塊面積分別占總數(shù)的10.05%和0.84%，平均斑塊面積為0.62 hm2，破碎化較為嚴(yán)重。從最大斑塊指數(shù)來看，大型聚落為鄉(xiāng)村聚落景觀的優(yōu)勢類型，以23.34%的斑塊數(shù)量占據(jù)了 79.85%的聚落面積，平均斑塊面積達到25.57 hm2，遠高于其他類型的聚落規(guī)模，鄉(xiāng)村聚落規(guī)模分異明顯。

表1 泗水縣鄉(xiāng)村聚落規(guī)模分類統(tǒng)計Table.1 Classification statistics of rural settlements in Sishui county

從鄉(xiāng)村聚落規(guī)模空間分布來看，使用全局空間聚類檢驗（Getis-Ord General G）以聚落斑塊面積為變量測度泗水縣鄉(xiāng)村聚落規(guī)模的空間集聚特征，結(jié)果表明：泗水縣鄉(xiāng)村聚落斑塊規(guī)模存在顯著的低值集聚，即小規(guī)模村莊的集群分布。通過空間“熱點”探測（hot spot analysis對低值集聚進行測度，鄉(xiāng)村聚落規(guī)模G(d)值（0.0008）小于E(d)值，Z(d)值為-8.19，遠小于-2.58，統(tǒng)計顯著，使用自然斷點分類法（Jenks）將統(tǒng)計量由大到小分為四類，得到鄉(xiāng)村聚落斑塊面積的熱點分布圖（圖3）。

圖3 泗水縣鄉(xiāng)村聚落規(guī)模分異“熱點”分布圖Fig.3 Hot spots of rural settlement scale distribution in Sishui county

分析可得：1）泗水縣鄉(xiāng)村聚落小規(guī)模冷點區(qū)主要分布在北部和南部的低山丘陵區(qū)，中部地區(qū)為鄉(xiāng)村聚落規(guī)模的熱點區(qū)，且熱點區(qū)面積明顯高于冷點區(qū)，鄉(xiāng)村聚落規(guī)模呈現(xiàn)出“中部大，南北小”的空間分布特征。2）從鎮(zhèn)域單元看，泗水縣北部中策鎮(zhèn)、高峪鄉(xiāng)和南部泗張鎮(zhèn)海拔較高，河谷發(fā)育較好，為鄉(xiāng)村聚落小規(guī)模集聚分布的冷點區(qū)，沿泗河支流的一致性指向非常顯著；大規(guī)模集聚分布的熱點區(qū)主要分布在中部河谷平原地區(qū)，包括楊柳鎮(zhèn)、泗河街道、濟河街道、星村鎮(zhèn)與大黃溝鄉(xiāng)南部、苗館鎮(zhèn)北部和泉林鎮(zhèn)中部，沿泗河干流的一致性指向非常顯著。3）鄉(xiāng)村聚落規(guī)模的“次冷點區(qū)”主要分布在“冷點區(qū)”周邊以及柘溝鎮(zhèn)、圣水峪鄉(xiāng)和泉林鎮(zhèn)東南部，“次熱點區(qū)”主要分布在“熱點區(qū)”周邊以及金莊鎮(zhèn)。4）鄉(xiāng)村聚落規(guī)模分布與泗水縣鄉(xiāng)村聚落密度分布相比，在空間上表現(xiàn)為明顯的局部負相關(guān)，即存在低密度大規(guī)模與高密度小規(guī)模集聚分布特征。

3.3 鄉(xiāng)村聚落斑塊形狀復(fù)雜，連續(xù)性差，破碎化明顯

選取景觀形狀指數(shù)、平均斑塊形狀指數(shù)、蔓延度和分離度指數(shù)以鎮(zhèn)域為基本單元，從北向南，自西向東研究泗水縣鄉(xiāng)村聚落形狀的梯度特征（圖4）。

圖4 泗水縣鄉(xiāng)村聚落形狀空間分異Fig.4 Spatial pattern differentiation of rural settlements in Sishui county

分析如下：1）景觀形狀指數(shù)（LSI）反映了鄉(xiāng)村聚落斑塊形狀的不規(guī)則或復(fù)雜程度。分析指數(shù)變化可得，泗水縣鄉(xiāng)村聚落景觀形狀指數(shù)值總體較高，波動較大，表明泗水縣鄉(xiāng)村聚落形狀較為復(fù)雜，穩(wěn)定性差，且北部和南部低山丘陵區(qū)更為復(fù)雜，分別在泗中地區(qū)的泗河街道和泗南地區(qū)的泗張鎮(zhèn)出現(xiàn)最小值和最大值，說明泗河街道鄉(xiāng)村聚落形狀相對較為簡單，泗張鎮(zhèn)最為復(fù)雜。2）平均斑塊形狀指數(shù)（SHAPE_MN）為鄉(xiāng)村聚落斑塊外部形狀的復(fù)雜程度，反映外部活動對鄉(xiāng)村聚落的影響。分析可得，泗水縣鄉(xiāng)村聚外部形狀落整體復(fù)雜程度較高。泗中平原區(qū)相對于泗北和泗南低山丘陵區(qū)鄉(xiāng)村聚落斑塊形狀較為簡單，外部條件對鄉(xiāng)村聚落干擾較大，聚落形狀變化較為劇烈。3）蔓延度指數(shù)（CONTAGION）反映了鄉(xiāng)村聚落分布的連續(xù)性。從指數(shù)值來看，泗中平原地區(qū)的蔓延度指數(shù)處于85～88的高值范圍內(nèi)，說明泗中平原地區(qū)鄉(xiāng)村聚落的連續(xù)性較好；受山地丘陵等地形條件的限制，泗水北部地區(qū)蔓延度值波動較大，南部地區(qū)蔓延度值自西向東迅速下降，說明泗水南部和北部山地丘陵區(qū)鄉(xiāng)村聚落連續(xù)性較差。4）分離度指數(shù)（SPLIT）反映了鄉(xiāng)村聚落的破碎化程度。從指數(shù)變化來看，泗水縣鄉(xiāng)村聚落的破碎化程度較高，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)鄉(xiāng)村聚落分離度指數(shù)變化很大，大黃溝鄉(xiāng)、濟河街道的指數(shù)值遠高于星村鎮(zhèn)、高峪鄉(xiāng)和金莊鎮(zhèn)等。泗南地區(qū)分離度指數(shù)自西向東不斷增加，破碎化程度逐漸增高，與泗水縣鄉(xiāng)村聚落規(guī)模在空間分布上具有較好的局部一致性。

3.4 鄉(xiāng)村聚落隨高程、坡度分布變化強烈，沿河流分布一致性指向顯著

表2 2012年泗水縣鄉(xiāng)村聚落在不同高程、坡度、河流范圍內(nèi)分布統(tǒng)計Table 2 Summary of rural settlements in different elevation, slope and river buffer zones of Sishui county in 2012

4 鄉(xiāng)村聚落生態(tài)保護格局優(yōu)化

4.1 生態(tài)保護格局構(gòu)建

2012年泗水縣林地面積占全縣總面積的13.61%，僅次于耕地（58.73%），建設(shè)用地面積占總面積的12.77%，園地、草地面積均不足總面積的2%，此外，泗水縣河泉眾多，境內(nèi)河流總長412.4 km，流域面積1 015.54 km2，森林、水體構(gòu)成了泗水縣重要的“山丘生態(tài)保護區(qū)”和“泗河生態(tài)保護帶”，是影響泗水縣生態(tài)保護與建設(shè)的最主要因素?；诖耍疚膹纳趾退w 2方面構(gòu)建鄉(xiāng)村聚落的生態(tài)保護格局。參考森林、水體等生態(tài)服務(wù)價值[33]及鄉(xiāng)村聚落布局優(yōu)化等相關(guān)文獻，結(jié)合泗水縣實際情況分別確定森林、水體生態(tài)保護源地：1）森林具有重要的空氣和氣候調(diào)節(jié)的功能，借助Arcgis 9.3對林地進行分類提取，通過Elimate模塊對同地類相鄰圖斑多次融合剔除零星地塊，考慮泗水縣 80%以上鄉(xiāng)村聚落分布在高程200 m和坡度5°以下區(qū)域，故選取高程大于200 m、坡度大于 5°以及面積大于 5 hm2的林地和泗水縣國家森林公園作為森林生態(tài)保護源；2）水體具有重要的水源涵養(yǎng)功能，選取泗河干支流及較大水庫以及重要的泉湖風(fēng)景區(qū)作為水體生態(tài)保護源，水庫包括龍灣套水庫、賀莊水庫、華村水庫、葫蘆套水庫等，泉湖風(fēng)景區(qū)包括泉林泉群風(fēng)景區(qū)和雷澤湖。

針對森林、水體不同生態(tài)保護目的，選取不同阻力因子建立阻力面。通過對泗水縣實地調(diào)研，道路、坡度與土地利用類型是影響森林覆蓋度的主要因素，鄉(xiāng)村建設(shè)和人類活動對森林破壞較為嚴(yán)重。泗河流域為重要的文明發(fā)源地，鄉(xiāng)村聚落分布集中，道路建設(shè)嚴(yán)重破壞了水體生態(tài)功能的完整性，包括土地利用類型是影響水體生態(tài)功能的主要因素。因此，本文選取坡度、道路、土地利用類型作為阻力因子構(gòu)建泗水縣森林、水體生態(tài)保護格局。結(jié)合泗水縣實際情況，不同坡度等級和道路緩沖區(qū)的阻力系數(shù)依據(jù)坡度越大，距道路距離越近，對森林、水體阻斷性越強的原則劃分為10～60六個等級，森林、水體不同土地利用類型阻力系數(shù)分別根據(jù)土地利用類型單位面積空氣、氣候調(diào)節(jié)和水源涵養(yǎng)功能的生態(tài)服務(wù)價值及相互轉(zhuǎn)化穩(wěn)定程度按比例折算確定[33-34],值越大，越容易轉(zhuǎn)化，阻力系數(shù)越小，并根據(jù)泗水縣土地利用類型實際進行修正。計算時，與源相同的土地利用類型阻力系數(shù)設(shè)為1，不能相互轉(zhuǎn)化且生態(tài)服務(wù)價值最差的土地利用類型阻力系數(shù)設(shè)為100，其他土地利用類型阻力系數(shù)介于1～100之間。各影響因子權(quán)重根據(jù)泗水縣實際情況通過專家打分法獲?。ū?）。最后，根據(jù)各因子權(quán)重進行柵格計算得到森林、水體生態(tài)保護格局阻力面。

4.2 鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化

借助Arcgis 9.3費用距離模型（cost-distance）計算森林、水體生態(tài)保護格局的最小累積阻力面。分析各阻力面柵格空間頻率分布圖可以發(fā)現(xiàn)最小累積阻力變化曲線具有明顯的斜率突變，表示最小累積阻力在該點前后類型異質(zhì)性較大[35]，以此作為分區(qū)斷點的依據(jù)將 2種生態(tài)保護格局劃分為不同生態(tài)保護區(qū)（圖 5a，5b）。基于縣域整體生態(tài)保護的目的，將森林和水體生態(tài)保護格局進行疊加得到泗水縣綜合生態(tài)保護格局（圖5c），然后與鄉(xiāng)村聚落圖層疊加，根據(jù)鄉(xiāng)村聚落在不同類型生態(tài)保護區(qū)的分布狀況劃分為重點整治型、限制擴張型、適度建設(shè)型和優(yōu)先發(fā)展型4種格局優(yōu)化類型（圖6），統(tǒng)計各優(yōu)化類型鄉(xiāng)村聚落斑塊數(shù)量和面積（表4）并探討鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化方向。

表3 泗水縣森林、水體生態(tài)保護格局的影響因素、阻力系數(shù)與權(quán)重Table.3 Influence factor, resistance coefficient, weights of forest and water ecological protect pattern in Sishui county

圖5 泗水縣森林、水體及綜合生態(tài)保護格局Fig.5 Forest, water ecological protect pattern and comprehensive protect pattern in Sishui county

圖6 泗水縣鄉(xiāng)村聚落用地布局優(yōu)化Fig.6 Layput optimization of rural settlements in Sishui county

表4 泗水縣鄉(xiāng)村聚落布局優(yōu)化統(tǒng)計Table.4 Layout optimization statistical results of rural settlements in Sishui county

1）重點整治型

分布在泗水縣重點生態(tài)保護區(qū)范圍內(nèi)的鄉(xiāng)村聚落優(yōu)化方向為重點治理型，該類型鄉(xiāng)村聚落面積為2 129.45 hm2，占鄉(xiāng)村聚落總面積的23.64%。重點生態(tài)保護區(qū)是森林、水體的主要源地，鄉(xiāng)村建設(shè)和人類活動對森林和水體等自然資源破壞嚴(yán)重。從空間分布來看，該類型鄉(xiāng)村聚落與鄉(xiāng)村聚落密度空間分布具有較好的一致性特征。高密度區(qū)主要分布在森林重點生態(tài)保護區(qū)內(nèi)，為地勢較高、交通不便的山地丘陵區(qū)，鄉(xiāng)村聚落規(guī)模小，形狀復(fù)雜，破碎度高，主要包括中冊鎮(zhèn)、高峪鄉(xiāng)及泗張鎮(zhèn)。低密度區(qū)主要分散分布在泗河兩側(cè)的水體重點生態(tài)保護區(qū)內(nèi)，鄉(xiāng)村聚落規(guī)模大，連續(xù)性較好?；谏鷳B(tài)保護的角度，該區(qū)不適宜鄉(xiāng)村聚落的建設(shè)與開發(fā)，對鄉(xiāng)村聚落建成區(qū)應(yīng)根據(jù)聚落實際情況重點治理自然村和空心村，可將泗北泗南低山丘陵區(qū)規(guī)模小、破碎度高、散點分布的村落向規(guī)模較大、地勢平坦、對生態(tài)環(huán)境破壞較小的聚落集聚區(qū)遷移合并。

“互聯(lián)網(wǎng)+教育”突破了學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)地點的限制，隨時隨地可以學(xué)習(xí)，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)程度，自主規(guī)劃和安排學(xué)習(xí)內(nèi)容；根據(jù)自身情況，安排學(xué)習(xí)地點，有助于學(xué)生進入高效學(xué)習(xí)的狀態(tài)。通過被動學(xué)習(xí)向自主學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，真正有效完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，從而使學(xué)習(xí)“隨心所欲”。

2）限制擴張型

分布在泗水縣次重點生態(tài)保護區(qū)內(nèi)的鄉(xiāng)村聚落優(yōu)化方向為限制擴張型，該類型鄉(xiāng)村聚落面積為4 017.18 hm2，占鄉(xiāng)村聚落總面積的44.59%。次重點生態(tài)保護區(qū)位于重點生態(tài)保護區(qū)的外緣，是生物活動和物質(zhì)能量循環(huán)的重要廊道。該類型鄉(xiāng)村聚落多分布在泗河流域及水庫周邊，是泗水縣鄉(xiāng)村聚落最適宜居住區(qū)，鄉(xiāng)村聚落密度較高，規(guī)模大，形狀較規(guī)則。鄉(xiāng)村聚落擴張和大量的人類活動阻斷了生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流動，對森林、河流及和生物多樣性造成了破壞。針對該類型鄉(xiāng)村聚落進行優(yōu)化，應(yīng)限制區(qū)域內(nèi)鄉(xiāng)村聚落的擴張與用地規(guī)模，由于鄉(xiāng)村聚落密度較高，經(jīng)濟發(fā)展水平較好，鄉(xiāng)村聚落布局優(yōu)化應(yīng)注重立體發(fā)展?？赏ㄟ^新型社區(qū)和中心村建設(shè)釋放多余的土地，用于加強區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)，保護周邊森林和水體生態(tài)功能，提高居民生活水平和宜居程度。

3）適度建設(shè)型

分布在泗水縣一般生態(tài)保護區(qū)內(nèi)的鄉(xiāng)村聚落優(yōu)化方向為適度建設(shè)型。該類型鄉(xiāng)村聚落面積為1 991.23 hm2，占鄉(xiāng)村聚落總面積的22.10%，鄉(xiāng)村聚落密集區(qū)主要分布在泗水中部的金莊鎮(zhèn)、苗館鎮(zhèn)、泉林鎮(zhèn)及泗水北部中冊鎮(zhèn)和南部的圣水峪鄉(xiāng)。該類型區(qū)鄉(xiāng)村聚落分布較為分散，規(guī)模分異明顯。對于中部密度較高，規(guī)模較大，設(shè)施條件較好的聚落，可以作為重點整治型鄉(xiāng)村聚落的中心村和遷并區(qū)，北部和南部規(guī)模較小、設(shè)施較差的村落可對其進行改造，適當(dāng)擴展其規(guī)模，完善配套基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。此外，在鄉(xiāng)村聚落建設(shè)過程中應(yīng)注重生態(tài)環(huán)境的保護，合理布局，適度優(yōu)化。

4）優(yōu)先發(fā)展型

分布在泗水縣非生態(tài)保護區(qū)的鄉(xiāng)村聚落優(yōu)化方向為優(yōu)先發(fā)展型。該類型鄉(xiāng)村聚落面積為871.24 hm2，占鄉(xiāng)村聚落總面積的9.67%，主要以團簇狀集中分布在泗水北部的柘溝鎮(zhèn)、中部的金莊鎮(zhèn)、苗館鎮(zhèn)和南部的圣水峪鄉(xiāng)，在星村鎮(zhèn)北部和泉林鎮(zhèn)、泗張鎮(zhèn)南部有小面積分布。該類型鄉(xiāng)村聚落遠離森林、水體生態(tài)源地，不會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的影響，可作為鄉(xiāng)村聚落的優(yōu)先發(fā)展區(qū)域。針對該類型鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化，政府可以引導(dǎo)周邊規(guī)模小、散點分布的鄉(xiāng)村聚落向該區(qū)域集中遷并，擴大鄉(xiāng)村聚落規(guī)模，對中部等地勢較好、條件便利地區(qū)重點開發(fā)與建設(shè)，對于北部和南部低山丘陵區(qū)，可結(jié)合具體實際對鄉(xiāng)村聚落進行規(guī)劃整治，將多余土地作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)用地，促進泗水縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展，提高區(qū)域居民生活水平。

5 結(jié)論與討論

本文以山丘生態(tài)保護區(qū)山東省泗水縣為例，運用最近鄰點統(tǒng)計、核密度估算、空間關(guān)聯(lián)測度模型、空間韻律測度等方法研究泗水縣鄉(xiāng)村聚落的空間分異特征，把握泗水縣鄉(xiāng)村聚落布局特點和發(fā)展規(guī)律，并運用最小累積阻力模型從泗水縣生態(tài)保護與建設(shè)的視角，構(gòu)建森林、水體生態(tài)保護格局，探討泗水縣鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化方向，結(jié)論與討論如下：

1）泗水縣鄉(xiāng)村聚落空間集聚顯著，聚落密度呈現(xiàn)出“南北密，中間疏”的空間分異特征，鄉(xiāng)村聚落平均密度為 1.6～4個/km2，北部和南部低山丘陵區(qū)鄉(xiāng)村聚落多以團簇和散點分布，中部地區(qū)主要以帶狀分布；聚落規(guī)模以小型聚落居多，存在低值集聚的冷點區(qū)，聚落規(guī)模呈現(xiàn)出“中部大，南北小”的空間分異特征；鄉(xiāng)村聚落形狀復(fù)雜，連續(xù)性差，破碎度較高，且北部和南部低山丘陵區(qū)更為復(fù)雜，整體不規(guī)則程度自西向東先減弱后增強；鄉(xiāng)村聚落隨高程、坡度分布變化強烈，沿河流分布一致性指向顯著，主要分布在高程73～250 m、坡度0～5°以及距河流600 m范圍內(nèi)。

2）通過構(gòu)建森林、水體生態(tài)保護格局，將泗水縣鄉(xiāng)村聚落劃分為重點整治型、限制擴張型、適度建設(shè)型和優(yōu)先發(fā)展型 4類，探討鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化方向。重點整治型應(yīng)盡量避免鄉(xiāng)村聚落發(fā)展，重點治理自然村和空心村，對生態(tài)環(huán)境破壞較大的聚落采取遷移合并；限制擴張型應(yīng)注重立體發(fā)展，限制聚落擴張，可進行新型社區(qū)和中心村建設(shè)，完善區(qū)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施；適度建設(shè)型可以作為重點整治型鄉(xiāng)村聚落的中心村和遷并區(qū)，適當(dāng)擴展聚落規(guī)模；優(yōu)先發(fā)展型可作為周邊小規(guī)模聚落集中發(fā)展區(qū)，也可作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)發(fā)展用地以提高區(qū)內(nèi)居民生活水平。

泗水縣鄉(xiāng)村聚落空間分異特征顯著，與生態(tài)保護格局具有較高的不協(xié)調(diào)性，從生態(tài)保護與建設(shè)的視角進行格局優(yōu)化研究，與以往研究方法相比更符合目前綠色發(fā)展理念，可以更直觀地反映鄉(xiāng)村聚落分布對生態(tài)環(huán)境造成的影響，科學(xué)指導(dǎo)鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化方向，為鄉(xiāng)村聚落格局優(yōu)化提供新的切入點。需要指出的是本文存在的不足之處：在生態(tài)保護格局阻力面構(gòu)建時，各影響因子權(quán)重的設(shè)定是在參考已有的研究成果以及泗水縣實際情況的基礎(chǔ)上通過專家打分法取得，不排除存在一定的主觀性因素，這是后續(xù)研究中需進一步思考和努力的方向。此外，鄉(xiāng)村聚落布局優(yōu)化還應(yīng)結(jié)合具體實際，綜合考慮各方面因素，在保護生態(tài)、保障發(fā)展的前提下適度整治、合理優(yōu)化。

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Spatial differentiation and layout optimization of rural settlements in hill ecological protection area

Meng Lingran1,2, Wu Jun2, Dong Jihong1,3※
(1.School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining and Technology, Xuzhou221116,China;2.School of Geography and Tourism, Qufu Normal University, Rizhao276826,China;3.Jiangsu Key Laboratory of Resources and Environmental Information Engineering, Xuzhou221116,China)

Rural settlements are the places of habitation, production and living for rural population. Research on rural settlements can better reveal the formation of rural settlements and the relationship between the life and environment.Nowadays, the ecological environment problems caused by the rural settlement expansion and population growth have become more prominent, and the reasonable optimization of rural settlements layout and the protection of rural settlements ecological environment function are the key issues in the development of rural settlements. To clarify the spatial differentiation characteristics and optimize the layout of rural settlements in hill ecological protection area, this paper took the Sishui County,Shandong Province as a study case, and analyzed the spatial differentiation characteristics by using the nearest neighbor statistics, the spatial correlation measure model and the spatial metrics model; from 2 aspects of forest and water body based on the perspective of ecological protection and construction, the ecological protection pattern was built by using the minimum cumulative resistance model, and the optimization direction of rural settlement in Sishui county was explored. The results showed that: (1) The rural settlements of Sishui County had significant spatial distribution feature of agglomeration with the average density of 1.6-4 settlements per km2; the rural settlements mostly presented the cluster and scatter distribution in the northern and southern hilly areas, and the zonal distribution in the middle plain areas, with the spatial distribution characteristics of “dense in the north and south, sparse in the middle”. (2) The majority of rural settlements in Sishui were small settlements,and the patch quantity accounted for 45.43% of the totality. There existed the rural settlements whose scale also had significantly low concentration characteristics, presenting the distribution situation of “l(fā)arge in the middle, small in the north and south”. (3) The spatial differentiation in shape had obvious characteristics of complexity, poor continuity and fragmentation in Sishui County, and the shape of rural settlements in the middle plain areas had relatively small complexity,good continuity, and fragmentation, which was much more regular than that in the northern and southern hilly areas. (4) For the spatial distribution characteristics of the elevation, slope and river of rural settlements, it was found that the rural settlements were mainly distributed in the elevation of 73-250 m, the slope of 0-5° and the range of 0-600 m away from rivers.Based on the spatial differentiation of rural settlements, the slope, roads and different land use types were selected as the most important impact factors, and the forest and water ecological protection pattern was constructed; 4 types of layout optimization i.e. key remediation, restricting expansion, moderate construction and prior development were divided according to the impact of rural settlements on forest and water, and the construction and development directions of rural settlements were explored.The results of this study can provide the basis for the planning and development of regional rural settlements under the background of ecological protection and construction.

land use; rural areas; optimization; hill ecological protect area; rural settlements; spatial differentiation; layout optimization; Sishui county

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.037

F301.24

A

1002-6819(2017)-10-0278-09

2016-10-01

2017-04-17

國家重點研發(fā)計劃課題（2016YFC0501105）

孟令冉，男，山東濟寧人，博士，主要從事鄉(xiāng)村空間演變方面的研究。徐州 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，221116。

Email：lingran_meng@163.com

※通信作者：董霽紅，女，山西芮城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦區(qū)復(fù)墾以及鄉(xiāng)村空間演變方面的研究。徐州 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院，221116。Email：dongjihong@cumt.edu.cn