丘陵區(qū)農(nóng)村居民點空間格局特征及布局優(yōu)化
——以江蘇省句容市為例

張榮天

(揚州大學(xué)，江蘇揚州 225009)

農(nóng)村居民點是居民以農(nóng)業(yè)為主要經(jīng)濟活動的聚落形態(tài)，是國內(nèi)外鄉(xiāng)村地理學(xué)重要的研究對象[1]。Kohl首次對農(nóng)村聚落展開系統(tǒng)化闡述及研究[2]，隨后Demangeon等分別實證解析了法國、德國等國農(nóng)村居民點的空間分布格局特征[3-4]。20世紀60年代后，國外關(guān)于居民點研究開始出現(xiàn)社會、文化轉(zhuǎn)向，例如Cater等以社會學(xué)視角剖析了區(qū)域農(nóng)村居民點的空間格局特征[5-6]。國內(nèi)關(guān)于農(nóng)村居民點的研究起步較晚，以下重點從研究內(nèi)容、方法及地域等方面展開綜述：(1)研究內(nèi)容上，早期重點關(guān)注農(nóng)村居民點、農(nóng)業(yè)區(qū)劃及農(nóng)業(yè)土地利用等[7]，隨著我國城鎮(zhèn)化、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展進程加快，關(guān)于農(nóng)村聚落演化[8]、農(nóng)村空心化[9]及農(nóng)村聚落優(yōu)化調(diào)控[10]研究日益增多；(2)研究方法上，“3S”技術(shù)[11]、數(shù)學(xué)模型[12]及景觀格局指數(shù)[13]等在農(nóng)村居民點空間格局分布規(guī)律研究中得到充分應(yīng)用，但總體而言，當前關(guān)于農(nóng)村居民點定量研究仍相對不足；(3)研究地域上，目前研究既涉及到我國東部發(fā)達地區(qū)[14-15]，也涉及到中西部欠發(fā)達地區(qū)[16-17]；另外，對于我國典型丘陵區(qū)農(nóng)村聚落的研究有所涉及[18-19]。江蘇省句容市土地利用類型復(fù)雜多樣，林地景觀面積占市域土地總面積的12%，是我國東部典型丘陵地區(qū)之一。筆者基于GIS空間分析平臺，整合多種數(shù)學(xué)方法與空間模型，選擇句容市(圖1)作為丘陵地區(qū)典型案例，深入分析我國丘陵區(qū)農(nóng)村居民點空間分布格局特征，并在此基礎(chǔ)上提出丘陵區(qū)農(nóng)村居民點布局優(yōu)化模式，以期為我國丘陵區(qū)農(nóng)村居民點整治規(guī)劃及空間重構(gòu)提供參考。

1　研究方法及數(shù)據(jù)來源

1.1　研究方法

1.1.1R統(tǒng)計量R統(tǒng)計量最早由Clark提出，1960年Dacey將R統(tǒng)計量引入地理學(xué)研究中，核心思想是將各點間最小距離與最近鄰點之間的距離進行比較，得出點空間分布特征，可以有效揭示觀測模式與隨機模式的聚集或分散的基本特征[20]。理論公式如下：

(1)

式中：robs為最近鄰點平均距離觀測值；rexp為最近鄰點平均距離期望值；di為i農(nóng)村居民點最近鄰點距離；n為農(nóng)村居民點總數(shù)；A為研究區(qū)域面積。若R>1，表明觀測模式比隨機模式分散；若R<1，表明觀測模式比隨機模式聚集。

1.1.2Kernel核密度Kernel核密度是非參數(shù)密度估計的一種統(tǒng)計法，其基本原理：通過對區(qū)域中要素點建立平滑圓形表面，基于數(shù)學(xué)函數(shù)計算要素點到參考位置的距離，并對參考位置的所有表面值進行求和，最后建立這些點的峰值來創(chuàng)建平滑連續(xù)表面[21]。理論公式如下：

(2)

式中，f(x，y)為(x，y)位置的密度估計；n為觀測值；h為平滑參數(shù)；K為核函數(shù)；di為(x，y)位置距第i個觀測位置的距離。

1.1.3空間韻律指數(shù)空間韻律指數(shù)是景觀生態(tài)學(xué)中重要的分析指標，可反映景觀結(jié)構(gòu)組成和空間配置某些特征[10]。本研究重點選取了平均斑塊面積(MPS)、斑塊面積標準差(PSSD)、形狀指數(shù)(SHAPE)、分維指數(shù)(FRAC)等空間韻律指數(shù)來反映丘陵區(qū)農(nóng)村居民點景觀空間分布及演變特征(表1)[22-23]。

表1　空間韻律指數(shù)與內(nèi)涵

1.1.4加權(quán)Voronoi圖采用Voronoi圖變異系數(shù)Cv值對丘陵區(qū)農(nóng)村居民點空間分布類型進行探討，本研究將Voronoi圖定義為給定平面上點集S={p1，p2，…，pn}，通過如下公式進行分割[24]：

Ti=x：d(x,pi)

(3)

式中：d為歐式距離；x為集合Ti中的元素。Voronoi圖是對平面的一種剖分，在任意一個凸Voronoi多邊形中，任意一個內(nèi)點到該凸多邊形的發(fā)生點pi的距離都小于該點到其他任何發(fā)生點pj的距離。其中，變異系數(shù)Cv值是Voronoi多邊形面積的標準差與平均值比值，主要用來衡量空間變化程度。理論公式如下[25]：

Cv=標準差/平均值×100%。

(4)

理論上，Cv大于64%時，表明呈現(xiàn)集群空間分布；Cv在33%～64%時，表明呈現(xiàn)出隨機空間分布；Cv小于33%時，表明呈現(xiàn)出均勻空間分布。

1.2　數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于江蘇省句容市2014年度土地利用變更基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合句容市研究區(qū)域土地利用實際特征，采用國家土地利用二級分類標準，將句容市土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)劃分為9大基本類型；并基于ArcGIS 10.2軟件平臺，將句容市農(nóng)村居民點空間矢量數(shù)據(jù)單獨提取出來，形成句容市農(nóng)村居民點空間分布格局(圖2)。

2　丘陵區(qū)農(nóng)村居民點空間格局特征

2.1　農(nóng)村居民點R統(tǒng)計量分析

基于ArcGIS 10.2分析軟件，首先提取出句容市面狀農(nóng)村居民點質(zhì)心將其轉(zhuǎn)為點狀格式；其次，利用GIS中的Near工具分別計算出句容市各農(nóng)村居民點之間的最近空間距離；最后，根據(jù)R統(tǒng)計量相應(yīng)理論公式分別計算出句容市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)村居民點的觀測值、期望值、R統(tǒng)計量和標準化Z值等具體分析指標(表2)。

表2　句容市農(nóng)村居民點分布的最近鄰點統(tǒng)計量

由表2可以看出：(1)總體上，句容市農(nóng)村居民點的R統(tǒng)計量均小于1，標準化Z值均小于-1.96，表明句容市農(nóng)村居民點空間分布聚集態(tài)勢均較為顯著，呈現(xiàn)出“集聚型”空間分布格局。(2)對比句容市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的R統(tǒng)計量，其中寶華鎮(zhèn)、下蜀鎮(zhèn)、茅山風(fēng)景區(qū)等R統(tǒng)計量更趨近于0，說明這幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)村居民點空間分布集聚態(tài)勢更顯著，產(chǎn)生這種差異主要歸結(jié)于句容市丘陵地貌景觀主要分布在市域北部地區(qū)(下蜀鎮(zhèn)、寶華鎮(zhèn)等)及茅山風(fēng)景區(qū)域之內(nèi)，下蜀鎮(zhèn)、寶華鎮(zhèn)及茅山風(fēng)景區(qū)的林地景觀面積較大，分別占其鎮(zhèn)域總面積的 20.45%、30.26%、44.24%，導(dǎo)致句容市北部地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)受地形地貌條件的制約，滿足農(nóng)村居民點生產(chǎn)、生活條件的空間十分有限，其農(nóng)村居民點空間布局呈相對集聚的態(tài)勢。

2.2　農(nóng)村居民點Kernel核密度分析

R統(tǒng)計量指標揭示了句容市農(nóng)村居民點整體屬于集聚分布模式，這主要是從宏觀上剖析農(nóng)村居民點空間分布基本特征；但由于微自然環(huán)境不同，農(nóng)村居民點空間分布存在一定差異，還需要進一步揭示更微觀層面上的句容市農(nóng)村居民點空間分布格局特征。鑒于此，基于ArcGIS 10.2分析軟件，將句容市農(nóng)村居民點矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，運用Kernel核密度分析法生成句容市農(nóng)村居民點密度分布圖，并通過GIS軟件中的Jenks自然斷裂點法將句容市農(nóng)村居民點密度劃分為5個等級區(qū)：低密度區(qū)(<0.419個/km2)，次低密度區(qū)(0.419～0.966個/km2)，中密度區(qū)(0.967～1.513個/km2)，次高密度區(qū)(1.514～2.205個/km2)，高密度區(qū)(>2.205個/km2)，并輸出句容市農(nóng)村居民點空間分布Kernel核密度圖(圖3)。

通過圖3可知：(1)總體上，句容市農(nóng)村居民點空間分布的總體密度大致為3.28個/km2，說明整體上該市屬于農(nóng)村居民點空間分布密集區(qū)域，這與研究區(qū)地理特征關(guān)聯(lián)密切；另外，句容市農(nóng)村居民點空間密度分布呈現(xiàn)出顯著的“南密北疏”特征。(2)句容市農(nóng)村居民點空間分布低密度區(qū)主要分布在寶華鎮(zhèn)、下蜀鎮(zhèn)、茅山風(fēng)景區(qū)；次低密度區(qū)主要分布在邊城鎮(zhèn)、白兔鎮(zhèn)；中密度區(qū)主要分布在黃梅鎮(zhèn)、郭莊鎮(zhèn)；次高密度區(qū)主要分布在后白鎮(zhèn)、天王鎮(zhèn)；高密度區(qū)主要分布在華陽鎮(zhèn)、茅山鎮(zhèn)。句容市北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布著大量林地景觀，如句容林場、寶華山國家森林公園，導(dǎo)致其農(nóng)村居民點分布相對稀疏；而南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)整體上地勢平坦，經(jīng)濟發(fā)展水平較高，農(nóng)村居民均勻分布程度較高。

2.3　農(nóng)村居民點空間韻律指數(shù)分析

通過平均斑塊面積(MPS)、最大斑塊指數(shù)(LPI)、分維指數(shù)(FRAC)、形狀指數(shù)(SHAPE)等空間韻律指數(shù)來分析句容市農(nóng)村居民點空間分布規(guī)律。句容市華陽鎮(zhèn)、白兔鎮(zhèn)及后白鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點平均斑塊面積(MPS)較大，數(shù)值在[5.18，7.02]之間變化；寶華鎮(zhèn)、下蜀鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點平均斑塊面積較小，數(shù)值在[2.35，3.28]之間波動。另外，句容市中部及南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)LPI值較大，數(shù)值在[0.24，0.54]之間變化；句容市北部地區(qū)的寶華鎮(zhèn)、下蜀鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)最大斑塊LPI值相對較小，數(shù)值在[0.06，0.14]之間變化(表3)，表明句容市中部、南部地區(qū)農(nóng)村居民點規(guī)模較大，而北部地區(qū)農(nóng)村居民點規(guī)模較小。

句容市農(nóng)村居民點形態(tài)分布規(guī)則程度也呈現(xiàn)“南北分異”特征，即句容市中部、南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點空間分布形態(tài)較規(guī)則，而北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點空間分布形態(tài)相對疏散。整體上，句容市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)村居民點斑塊分維數(shù)FRAC數(shù)值在[1.01，1.18]之間波動；句容市中部及南部地區(qū)華陽鎮(zhèn)、白兔鎮(zhèn)、后白鎮(zhèn)及天王鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的農(nóng)村居民點斑塊分維數(shù)FRAC值較小，數(shù)值在[1.01，1.07]之間變化；而句容北部地區(qū)下蜀鎮(zhèn)、寶華鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點分維數(shù)FRAC值則較大，數(shù)值在[1.15，1.18]之間變化，表明句容市北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點形態(tài)不規(guī)則性程度要高于中部及南部地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。另外，句容市北部地區(qū)下蜀鎮(zhèn)、寶華鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點形狀指數(shù)SHAPE值則相對較大，數(shù)值在[1.67，1.78]之間變化；而句容市南部地區(qū)天王鎮(zhèn)、郭莊鎮(zhèn)、后天鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點形狀指數(shù)SHAPE值則相對較小，數(shù)值在[1.05，1.22]范圍波動(表3)，通過形狀指數(shù)SHAPE進一步論證了句容市農(nóng)村居民點空間分布呈“南北分異”的基本特征。

表3　句容市農(nóng)村居民點空間韻律指數(shù)

3　丘陵區(qū)農(nóng)村居民點布局優(yōu)化研究

基于ArcGIS 10.2軟件Weighted Voronoi Diagram擴展分析模塊，將句容市農(nóng)村居民點生成無權(quán)重的普通Voronoi，再將農(nóng)村居民點區(qū)位條件分值平方根為權(quán)重值，進一步得到農(nóng)村居民點的加權(quán)Voronoi圖，以此作為丘陵區(qū)農(nóng)村居民點空間布局優(yōu)化調(diào)整的基本依據(jù)。另外，結(jié)合句容市丘陵區(qū)地域的實際特征，將句容市農(nóng)村居民點布局優(yōu)化劃分為城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化型、重點發(fā)展型、保留發(fā)展型、優(yōu)先整治型等4種類型。

3.1　城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化型

通過ArcGIS 10.2軟件鄰域分析中緩沖區(qū)分析，將位于建制鎮(zhèn)2.5 km臨近區(qū)范圍內(nèi)農(nóng)村居民點劃為城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化型，這一類型農(nóng)村居民點數(shù)量為366個，總面積為32.65 hm2，占句容市總面積27.21%。該類型是指分布在縣城、中心鎮(zhèn)邊緣及主要交通干線附近的農(nóng)村聚落。優(yōu)化布局具體思路：將靠近句容市建成區(qū)或中心鎮(zhèn)區(qū)的農(nóng)村居民點納入城鎮(zhèn)規(guī)劃體系中，積極引導(dǎo)農(nóng)村居民點用地向城鎮(zhèn)居民小區(qū)類型轉(zhuǎn)變，加大交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，強調(diào)內(nèi)部用地的功能分區(qū)，形成全方位、多層次的用地格局。

3.2　重點發(fā)展型

將距離建制鎮(zhèn)范圍超過2.5 km，影響范圍超過60 hm2，且區(qū)位條件為優(yōu)等級、較優(yōu)等級農(nóng)村居民點界定為重點發(fā)展型，這一類型農(nóng)村居民點數(shù)量為447個，總面積為35.88 hm2，占句容市總面積29.91%。該模式主要是指距離城鎮(zhèn)中心較遠、規(guī)模較大、交通區(qū)位及經(jīng)濟發(fā)展水平較好的農(nóng)村聚落。優(yōu)化布局思路：將句容市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)模較小、條件差的農(nóng)村居民點就近搬遷至中心村，重點進行市域范圍內(nèi)的中心村建設(shè)；并完善各中心村的基礎(chǔ)及公共服務(wù)設(shè)施，立足各中心村資源優(yōu)勢，發(fā)展及壯大特色產(chǎn)業(yè)，吸引周邊小自然村向中心村集聚。

3.3　限制發(fā)展型

除城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化型和重點發(fā)展型以外，將其他區(qū)位條件為優(yōu)、較優(yōu)和一般等級且空間影響范圍<60 hm2的農(nóng)村居民點予以保留，但控制其規(guī)模發(fā)展，不宜進行擴建，這一類型農(nóng)村居民點數(shù)量為349個，總面積為28.09 hm2，占句容市總面積23.41%。優(yōu)化布局具體思路：在原有農(nóng)村居民點空間格局穩(wěn)定的前提下，對該類型農(nóng)村居民點進行復(fù)建及合理開發(fā)，通過推進農(nóng)村居民點整治建設(shè)、充分挖掘村莊的內(nèi)部用地潛力，并實現(xiàn)村莊尤其是空心村用地有效“減肥”，提升丘陵區(qū)農(nóng)村居民點用地集約利用水平。

3.4　異地搬遷型

除上面3個優(yōu)化類型外，其余均為異地搬遷型，這一類型農(nóng)村居民點數(shù)量為296個，總面積為23.36 hm2，占句容市總面積19.47%。這一類型農(nóng)村居民點多位于市域居民點適宜性等級較差的地區(qū)，耕地資源短缺、交通不便利及村民多外出務(wù)工。優(yōu)化布局具體思路：逐步進行異地遷移，可采取城鎮(zhèn)安置、中心村安置、小村并入大村及建設(shè)獨立新村等多途徑進行搬迀；另外，對置換出來的老宅基地采取復(fù)墾還林、還耕等措施，不斷改善市域生態(tài)環(huán)境；同時，要注意處理好搬遷后農(nóng)民的生計、就業(yè)以及社會保障等問題。

4　結(jié)論與討論

本研究基于GIS空間分析平臺，綜合運用R統(tǒng)計量、Kernel核密度、空間韻律指數(shù)及Voronoi圖等方法，以句容市為例，對我國丘陵區(qū)農(nóng)村居民點空間格局及布局優(yōu)化進行了探討。結(jié)論如下：句容市農(nóng)村居民點分布的R統(tǒng)計量小于1，空間分布表現(xiàn)為集聚分布，并且市域北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)集聚程度高于南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)；通過農(nóng)村居民點Kernel核密度分析得到句容市農(nóng)村居民點空間密度分布呈“南密北疏”特征；通過空間韻律指數(shù)分析得到句容市農(nóng)村居民點形態(tài)、規(guī)模分布規(guī)則程度也呈“南北分異”特征，句容市南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村居民點形態(tài)規(guī)則程度要高于北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)。結(jié)合農(nóng)村居民點區(qū)位分布特征，基于加權(quán)Voronoi圖，將句容市農(nóng)村居民點布局劃分為4種模式：農(nóng)村城鎮(zhèn)化型、重點發(fā)展型、限制發(fā)展型、整體搬遷型，其中城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)化型占27.21%、重點發(fā)展型占29.91%、限制發(fā)展型占 23.41%、異地搬遷型占19.47%；并針對這4種模式提出具體優(yōu)化策略及建議。

需要指出的是，筆者僅研究了丘陵區(qū)農(nóng)村居民點現(xiàn)狀空間格局特征，忽視了長時間尺度農(nóng)村居民點空間格局演化規(guī)律分析，因此長時間尺度丘陵區(qū)農(nóng)村居民點格局演化及其驅(qū)動機理需要深入研究；只初步分析了丘陵區(qū)典型地句容市的農(nóng)村居民點特征，在今后研究中，可開展丘陵區(qū)不同地域農(nóng)村居民點空間格局及優(yōu)化調(diào)控對比性研究。

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