基于fragsas和gis的绿洲居民地空间格局特征及其影响因子研究

基于fragsas和gis的绿洲居民地空间格局特征及其影响因子研究

景观结构及其变化是自然、社会和生物因素相互作用的结果。其中，人类活动是景观结构、功能和变化的主要因素。因此,人类活动尤其是人类对自然景观的干扰成为当前景观生态学研究的热点,并在人类活动对景观格局和土地退化的影响等方面取得了重要成果,但对人类活动的源地——居民地的研究尚不多见。居民地是人类生产和生活的主要场所,其分布格局是自然、社会、经济以及历史发展的反映,是人类活动强度的空间表现。对居民地空间分布格局及其影响因子的分析,可揭示人类活动与景观形成和演化的机制,是探讨景观格局与人类生态过程的相互关系的重要途径。绿洲是干旱内流区能流、物流最集中的场所,也是荒漠背景下人类局部优化的生存环境。人类活动,特别是人类不合理的水土资源开发与利用是绿洲土地沙漠化、盐碱化的重要因素。当前,绿洲景观格局及其变化以及受水资源胁迫的绿洲景观格局与变化研究是干旱区绿洲景观生态研究的重要内容[13,14,15,16,17,18,19,13,14,15,16,17,18,19],但围绕干旱区景观动态变化最重要的主导因素-居民地的研究却很缺乏。因此,本文将居民地分布研究方法与景观空间格局分析相结合,综合应用GIS和景观格局分析软件FRAGSTATS,通过对黑河流域中游绿洲——张掖绿洲中的居民地的格局指标、空间邻接比例和最邻近指数的计算,定量分析了绿洲居民地的空间格局特征和分布类型。同时,应用缓冲区、最临近距离等方法研究了居民地分布与耕地、渠系和中心城市的空间关系,探讨了居民地分布类型与耕作半径的相关关系,对揭示人类活动与绿洲演变的相互关系、绿洲水土资源的合理开发与可持续发展有重要意义。1e3000地质概况本文所指张掖绿洲是甘肃省张掖市甘州区(原张掖地区张掖市)境内的绿洲区域,位于河西走廊中段,中国第二大内陆河——黑河出山口后的山前冲洪积平原上,100°6′～100°52′E,38°32′～39°24′N之间。区内光热资源丰富,年均温7.3℃,年降水量129mm,年蒸发量2,048mm,属典型温带大陆性气候。海拔1,420～1,680m,坡度平缓,土层厚而肥沃,水源充足,灌溉渠系发达,林网密布,盛产小麦、玉米、油菜、胡麻等农作物,是国家重要的商品粮基地和著名的西菜东运基地。绿洲总面积84,416hm2,绿洲内居民地密集,人口压力大。据张掖市国民经济和社会发展统计资料,1999年绿洲人口达468,021人,其中农村人口350,721人,87,680户,共有1,986个村民小组。2学习方法2.1土地利用类型的划分本文的景观分类图来源于王一谋等1995年8月的TM影像解译结果。根据景观分类原则,利用ArcViewGISVersion3.0a,将原有土地利用类型合并成6个类型(表1),通过数据格式转换,得到张掖绿洲的景观分类栅格图及居民地分布图。根据绿洲内耕地斑块的面积和分布特征,以及绿洲内经济发达程度的空间差异,将绿洲划分为绿洲核心区、沙井绿洲区和甘浚绿洲区(图1),从而得到各绿洲亚区的景观图。以1∶50,000地形图(1990版)为底图,经几何校正、数字化和拼接后,得到张掖绿洲河流和渠系分布图(图2)。2.2社区空间类型的近自然计算居民地的空间分布特征主要是指其空间分布格局、空间邻接特征和分布类型。格局指数是量化景观空间格局的途径。应用美国俄勒冈州立大学森林科学系开发的景观格局分析软件FRAGSTATSVersion3计算景观格局指标:各类型面积(AREA)、斑块密度(PD)、平均斑块面积(AREA—MEAN)、平均最临近距离(ENN—MN)、聚集度(AI)等5个指标;数据为栅格格式;由于绿洲外围边界是人为定义的,计算中景观边界没有参与计算。另外,为了较准确的量化斑块形状的复杂性,并考虑到栅格数据在计算斑块周长时不精确的特点,在Arcview中计算了形状指数(D),其计算公式为:D=0.28P/A√(1)D=0.28Ρ/A(1)式中,D为形状指数,P为斑块周长,A为斑块面积(注:0.28是半径为1的圆的周长与面积的比值的倒数)。应用ArcView3.0a及其SpatialAnalysis模块,通过矢量格式的转换和切割运算,计算了绿洲中居民地与其它景观类型的空间邻接长度、数目和比例;应用聚落地理学中的最近邻点指数对绿洲居民地的分布类型进行了探讨。最近邻点指数(R)的计算公式为:R=Da¯¯¯¯×2N/A−−−−√(2)R=Da¯×2Ν/A(2)式中,Da¯¯¯¯Da¯为各居民地与其最近居民地之间距离的平均值,N为景观中的居民地斑块总数,A为景观面积。R<=0.5为聚集分布;0.5<R<1.5为随机分布;R>=1.5为均匀分布。绿洲中居民地的空间分布特征与耕地、河流渠系和中心城市等因子的影响有关。应用ArcView3.0a中的缓冲区分析方法和相关分析方法,以居民地斑块为中心,分别以400m,500m等为半径生成居民地斑块的缓冲区图,建立拓扑关系后生成所有居民地缓冲区的分布图,将该图与耕地分布图进行叠加,发现居民地缓冲区图与耕地分布特征极其相似,经不断计算居民地缓冲区的面积,得到各绿洲区居民地的耕作半径,并据此讨论了居民地分布格局与耕地(耕作半径)的关系;在Arcinfo7.0支持下,以1990年的河流渠系分布图为底图,以439个居民地斑块为中心,以3,000m为搜索半径,计算居民地与河流、渠系的最临近距离(计算时,没有单独考虑河流与居民点的最临近距离,主要是因为绿洲内的河流受人为调节影响,天然河道仅在泄洪期或秋冬季才有流水经过,河流与渠系对居民地的影响程度相似;同时,由于地形图的缺失,甘浚乡的居民点没有计算在内)。在计算居民地受中心城市——张掖市的影响时,以张掖市为中心,分别以1～26km为半径生成缓冲区,计算得到各距离带内的居民地斑块面积和斑块数,与该距离带的面积相除后得到居民地的斑块面积百分比和斑块密度。3结果分析3.1景观空间分布特征和规律3.1.1居民地斑块的空间分布特点由表1可见,耕地面积的比例在张掖绿洲及各亚区均大于50%,占绝对优势,其次是以戈壁、沙地和裸地为主的未利用土地,而居民地面积的比例在绿洲水平和亚区水平上差异较大;除沙井绿洲区外,绿洲核心区和甘俊绿洲区的居民地斑块数均占总斑块数的比例均高于张掖绿洲总体水平(50%),说明居民地是绿洲中斑块数最多的类型。以上数据显示了以耕地和农村居民地为主要类型的干旱区灌溉农业绿洲景观的特征,说明绿洲内人类活动强烈,并存在明显的区域差异。由表2可见,居民地斑块的平均面积较小,其中绿洲核心区的居民地斑块平均面积最大,沙井绿洲区和甘浚绿洲区均低于绿洲水平,表明绿洲核心区开发历史悠久,人口密度大;居民地斑块密度较大,其中甘浚绿洲区最大,其次为核心区,两者均大于绿洲总体水平,沙井区则相反;居民地的形状均较简单,绿洲核心区的形状较复杂,甘浚和沙井绿洲区的居民地形状均与绿洲水平一致;另外,居民地聚集程度均较高。总之,张掖绿洲中居民地的平均斑块面积较小,形状简单,密度大且聚集度高,体现出干旱区发达农业绿洲中居民地密集分布和人类活动强烈的特征,因为该区水土地资源条件好,人口承载力高,城镇和交通设施发达,历史以来就是甘肃重要的农业基地。空间邻接紧密的景观类型,它们在结构和功能上也必然密切联系。由表3可见,居民地斑块与耕地的空间邻接长度和数目均最高,占73.8%和77.9%,说明耕地与居民地间存在密切的结构与功能联系,是影响居民地分布的主要类型;另外,居民地与草地的邻接比例也较高,说明除种植业外,畜牧业也是绿洲经济的主体之一;部分居民地与沙地、戈壁等未利用土地类型邻接,说明绿洲内人口压力过重,部分居民的生存条件很差;林地和水域在绿洲内的分布范围比较有限,因而居民地与它们的邻接比例较低。3.1.2社区分布集中分布居民地空间分布类型有聚集型、随机型和均匀型3种,其中聚集型往往与特定资源的聚集分布有关(如水、土、森林或交通要道等),均匀分布则体现了资源条件的均匀性或人类活动水平的相似性,随机分布是资源条件与人类活动的空间特化不明显的现象。经计算,得到张掖绿洲和3个绿洲亚区的面积、居民地数、居民地间的平均最临近距离和最近邻点指数NI(表4)。由表4可见,张掖绿洲总体NI为0.48,小于0.5,表现为聚集分布。从各个亚区来看,核心区NI值最小,为0.43,是绿洲内居民地分布最为集中的区域,为聚集分布;甘浚绿洲区NI为0.5,接近绿洲总体水平,也为聚集分布;沙井绿洲区则为0.73,比绿洲总体水平大得多,表现为随机分布。由此可见,研究区内资源条件和人类活动强度的地区差异较大,居民地集中分布在绿洲内资源条件较好的绿洲核心区;同时,居民地在空间上的分布类型受研究尺度的影响,在绿洲尺度上表现为聚集分布,在绿洲亚区尺度则体现了居民地分布的不均匀性。3.2影响居民分布的因素3.2.1两组居民地缓冲的距离和耕作半径如前所述,绿洲内居民地与耕地邻接长度最长,两者间联系紧密。农村居民点是农民的定居场所,土地是农业劳动的主要对象,农业生产是在居民点之外的田间完成的,因而居民地与耕地的关系反映在耕作半径上。耕作半径是农村居民地离耕作区的远近。一般来说,人多地少地区,耕作精细,土地需要经常受到管理操作,因而耕作半径小,往往形成规模小而密度大的密集型村落。人少地多地区则相反,村落之间距离大(即耕作半径大),聚落规模较大而密度较小。受耕作条件、农业生产水平的影响,特定的居民地所控制和管理的耕地面积是一定的,即其所耕种的耕地面积或影响的范围是有限的。因此,从理论上讲,在特定区域内,当居民地缓冲区的面积与耕地面积相等时,该居民地缓冲区的距离相当于居民地的耕作半径,据此,应用缓冲区分析方法,得到绿洲及各亚区的居民地的耕作半径(表5)。由表可见,当缓冲区半径为690m时,张掖绿洲中所有居民地的缓冲区总面积与耕地总面积比较接近,为844.8km2,因此,可以认为690m是张掖绿洲居民地的耕作半径;在绿洲核心区,当缓冲区距离(耕作半径)为570m时,居民地缓冲区的总面积即与该区的耕地面积一致,且分布在居民地缓冲区内的耕地面积与实际面积的比例与整个绿洲的水平一致,为71%;在沙井绿洲区,为使居民地缓冲区面积与耕地面积相近,居民地缓冲区的距离即耕作半径高达1,060m,而分布在居民地缓冲区内的耕地面积仅为实际耕地面积的67%;在甘浚绿洲区,当居民地缓冲区距离(耕作半径)仅为535m时,居民地缓冲区的面积就与区内的耕地面积相当,且分布在居民地缓冲区内的耕地面积超过绿洲水平,为实际耕地面积的73%。以上分析显示,绿洲内居民地的耕作半径存在较大的区域差异,耕地的人口承载力或耕地的产量或产值也存在区域差异。甘浚绿洲区居民地最集中,耕作半径最短,绿洲核心区的居民地分布格局与整个绿洲水平相当,沙井绿洲区的居民地最分散,耕作半径最大。另外,将表征绿洲及各绿洲亚区的居民地分布类型的最邻近指数(NI)与其耕作半径(缓冲区距离)做对比分析,发现两者的相关性比较好,在耕作半径较小的绿洲核心区和整个张掖绿洲水平上,它们的NI值也比较小,而在耕作半径较大的沙井绿洲区,其NI值也比较大,说明耕地是影响居民地空间分布格局的重要因子,也说明张掖绿洲是典型的农业绿洲,农业是绿洲经济的主体。3.2.2沙井乡的沙地水是绿洲存在和演变的重要物质因素,也是影响居民地空间分布的重要因子。张掖绿洲内部灌溉渠系密布,具有完善而密集的渠系网络(图3),居民地分布与河流渠系关系密切。计算得到各居民点到最近渠系的平均距离为215m,标准差为198。最临近距离的最大值为1,608m,位于张掖绿洲西北沙井乡的沙地中,属井灌区。最小的仅为0.1m,位于大满干渠边。其中最近距离小于100m的聚落有156个,100～200m之间有94个,200～300m之间有74个,300～400m之间有53个,400～500m之间有27个,500～600m之间有12个,600m以上有17个。实际上,农村聚落斑块的平均半径为317m,与渠系的平均最临近距离小于317m的聚落斑块共有332个,占乡村聚落总数的75.6%,说明大部分乡村聚落均有渠系穿过,因为水是绿洲居民生产生活的核心资源。最临近距离小于317m以及317～600m之间的聚落分布在绿洲内比较均匀,没有明显的聚集现象,但超过600m的聚落主要分布在绿洲东北的碱滩乡和西北的沙井乡,均以黑河及其支流——山丹河河水为灌溉水源,此区耕地比较分散,并与沙地、盐碱地等类型交错分布,因为该区地处黑河山前冲击扇边缘,地势较低,地下水位高,土地盐渍化严重,也是绿洲与荒漠的交错地区。3.2.3张后期的密度和斑块面积之间的关系居民地对中心城镇的离散程度能显示出中心城镇与居民地间的联系程度,有助于了解中心城镇的区域经济影响及全区居民地布局的合理性。以张掖市为圆心,分别以1～26km为半径,计算各距离带内居民地面积的百分比和斑块密度,结果见图3。由图可见,随着与张掖市距离的增加,居民地斑块面积百分数和斑块密度均呈现下降趋势,且下降幅度在各距离带内均比较接近,两者的最大值均出现在离张掖市1km的地带内,之后两者均直线递减,在距张掖市4km外递减率减小,10km外两者的值均较小,在26km处趋近于零。以各距离带内居民地斑块面积的百分比线为例,添加趋势线和公式,得到各距离带内的居民地斑块面积百分数与张掖市的距离的相关系数高达0.8961,说明:(1)绿洲内乡村居民地分布受张掖市的影响程度极其明显,两者呈指数相关;(2)以张掖市为中心,居民地分布存在明显的区域差异,距张掖市0～4km的范围内居民地斑块面积比例大于20%且密度高于1个/km2,4～10km的范围内居民地的面积比例和密度均显著减少,10km以外的居民地斑块面积比例小于10%且斑块密度低于0.5个/km2;(3)距张掖市10km的范围是居民地分布最密集的地区,也是人类活动最强烈的地区,因为此区土壤肥沃,是古绿洲所在区域,粮食和蔬菜种植面积广,产量高,经济发达,居民地众多。4最佳计算指标的确定(1)耕地是张掖绿洲景观的基质类型,居民地是绿洲中分布最广泛的类型,绿洲内人类活动强烈;绿洲中居民地斑块的平均面积较小,密度大,形状简单,且聚集度高,体现出干旱区发达农业绿洲中居民地密集分布和人类活动强烈的特征,其中核心区居民地的规模和密度较大,说明其历史较长;绿洲居民地与耕地、林地、草地、荒漠类型和水域的空间邻接具有明显差异,与耕地的邻接长度占总邻接长度的73.8%,邻接斑块数达77.9%,充分体现了干旱区农业绿洲的特征;以最邻近指数为基础的居民地分布类型存在空间差异,在绿洲水平上是随机分布,而在绿洲亚区水