基于fragsas和gis的綠洲居民地空間格局特征及其影響因子研究

基于fragsas和gis的綠洲居民地空間格局特征及其影響因子研究

景觀結構及其變化是自然、社會和生物因素相互作用的結果。其中，人類活動是景觀結構、功能和變化的主要因素。因此,人類活動尤其是人類對自然景觀的干擾成為當前景觀生態(tài)學研究的熱點,并在人類活動對景觀格局和土地退化的影響等方面取得了重要成果,但對人類活動的源地——居民地的研究尚不多見。居民地是人類生產(chǎn)和生活的主要場所,其分布格局是自然、社會、經(jīng)濟以及歷史發(fā)展的反映,是人類活動強度的空間表現(xiàn)。對居民地空間分布格局及其影響因子的分析,可揭示人類活動與景觀形成和演化的機制,是探討景觀格局與人類生態(tài)過程的相互關系的重要途徑。綠洲是干旱內(nèi)流區(qū)能流、物流最集中的場所,也是荒漠背景下人類局部優(yōu)化的生存環(huán)境。人類活動,特別是人類不合理的水土資源開發(fā)與利用是綠洲土地沙漠化、鹽堿化的重要因素。當前,綠洲景觀格局及其變化以及受水資源脅迫的綠洲景觀格局與變化研究是干旱區(qū)綠洲景觀生態(tài)研究的重要內(nèi)容[13,14,15,16,17,18,19,13,14,15,16,17,18,19],但圍繞干旱區(qū)景觀動態(tài)變化最重要的主導因素-居民地的研究卻很缺乏。因此,本文將居民地分布研究方法與景觀空間格局分析相結合,綜合應用GIS和景觀格局分析軟件FRAGSTATS,通過對黑河流域中游綠洲——張掖綠洲中的居民地的格局指標、空間鄰接比例和最鄰近指數(shù)的計算,定量分析了綠洲居民地的空間格局特征和分布類型。同時,應用緩沖區(qū)、最臨近距離等方法研究了居民地分布與耕地、渠系和中心城市的空間關系,探討了居民地分布類型與耕作半徑的相關關系,對揭示人類活動與綠洲演變的相互關系、綠洲水土資源的合理開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展有重要意義。1e3000地質(zhì)概況本文所指張掖綠洲是甘肅省張掖市甘州區(qū)(原張掖地區(qū)張掖市)境內(nèi)的綠洲區(qū)域,位于河西走廊中段,中國第二大內(nèi)陸河——黑河出山口后的山前沖洪積平原上,100°6′～100°52′E,38°32′～39°24′N之間。區(qū)內(nèi)光熱資源豐富,年均溫7.3℃,年降水量129mm,年蒸發(fā)量2,048mm,屬典型溫帶大陸性氣候。海拔1,420～1,680m,坡度平緩,土層厚而肥沃,水源充足,灌溉渠系發(fā)達,林網(wǎng)密布,盛產(chǎn)小麥、玉米、油菜、胡麻等農(nóng)作物,是國家重要的商品糧基地和著名的西菜東運基地。綠洲總面積84,416hm2,綠洲內(nèi)居民地密集,人口壓力大。據(jù)張掖市國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計資料,1999年綠洲人口達468,021人,其中農(nóng)村人口350,721人,87,680戶,共有1,986個村民小組。2學習方法2.1土地利用類型的劃分本文的景觀分類圖來源于王一謀等1995年8月的TM影像解譯結果。根據(jù)景觀分類原則,利用ArcViewGISVersion3.0a,將原有土地利用類型合并成6個類型(表1),通過數(shù)據(jù)格式轉換,得到張掖綠洲的景觀分類柵格圖及居民地分布圖。根據(jù)綠洲內(nèi)耕地斑塊的面積和分布特征,以及綠洲內(nèi)經(jīng)濟發(fā)達程度的空間差異,將綠洲劃分為綠洲核心區(qū)、沙井綠洲區(qū)和甘浚綠洲區(qū)(圖1),從而得到各綠洲亞區(qū)的景觀圖。以1∶50,000地形圖(1990版)為底圖,經(jīng)幾何校正、數(shù)字化和拼接后,得到張掖綠洲河流和渠系分布圖(圖2)。2.2社區(qū)空間類型的近自然計算居民地的空間分布特征主要是指其空間分布格局、空間鄰接特征和分布類型。格局指數(shù)是量化景觀空間格局的途徑。應用美國俄勒岡州立大學森林科學系開發(fā)的景觀格局分析軟件FRAGSTATSVersion3計算景觀格局指標:各類型面積(AREA)、斑塊密度(PD)、平均斑塊面積(AREA—MEAN)、平均最臨近距離(ENN—MN)、聚集度(AI)等5個指標;數(shù)據(jù)為柵格格式;由于綠洲外圍邊界是人為定義的,計算中景觀邊界沒有參與計算。另外,為了較準確的量化斑塊形狀的復雜性,并考慮到柵格數(shù)據(jù)在計算斑塊周長時不精確的特點,在Arcview中計算了形狀指數(shù)(D),其計算公式為:D=0.28P/A√(1)D=0.28Ρ/A(1)式中,D為形狀指數(shù),P為斑塊周長,A為斑塊面積(注:0.28是半徑為1的圓的周長與面積的比值的倒數(shù))。應用ArcView3.0a及其SpatialAnalysis模塊,通過矢量格式的轉換和切割運算,計算了綠洲中居民地與其它景觀類型的空間鄰接長度、數(shù)目和比例;應用聚落地理學中的最近鄰點指數(shù)對綠洲居民地的分布類型進行了探討。最近鄰點指數(shù)(R)的計算公式為:R=Daˉˉˉˉ×2N/A????√(2)R=Daˉ×2Ν/A(2)式中,DaˉˉˉˉDaˉ為各居民地與其最近居民地之間距離的平均值,N為景觀中的居民地斑塊總數(shù),A為景觀面積。R<=0.5為聚集分布;0.5<R<1.5為隨機分布;R>=1.5為均勻分布。綠洲中居民地的空間分布特征與耕地、河流渠系和中心城市等因子的影響有關。應用ArcView3.0a中的緩沖區(qū)分析方法和相關分析方法,以居民地斑塊為中心,分別以400m,500m等為半徑生成居民地斑塊的緩沖區(qū)圖,建立拓撲關系后生成所有居民地緩沖區(qū)的分布圖,將該圖與耕地分布圖進行疊加,發(fā)現(xiàn)居民地緩沖區(qū)圖與耕地分布特征極其相似,經(jīng)不斷計算居民地緩沖區(qū)的面積,得到各綠洲區(qū)居民地的耕作半徑,并據(jù)此討論了居民地分布格局與耕地(耕作半徑)的關系;在Arcinfo7.0支持下,以1990年的河流渠系分布圖為底圖,以439個居民地斑塊為中心,以3,000m為搜索半徑,計算居民地與河流、渠系的最臨近距離(計算時,沒有單獨考慮河流與居民點的最臨近距離,主要是因為綠洲內(nèi)的河流受人為調(diào)節(jié)影響,天然河道僅在泄洪期或秋冬季才有流水經(jīng)過,河流與渠系對居民地的影響程度相似;同時,由于地形圖的缺失,甘浚鄉(xiāng)的居民點沒有計算在內(nèi))。在計算居民地受中心城市——張掖市的影響時,以張掖市為中心,分別以1～26km為半徑生成緩沖區(qū),計算得到各距離帶內(nèi)的居民地斑塊面積和斑塊數(shù),與該距離帶的面積相除后得到居民地的斑塊面積百分比和斑塊密度。3結果分析3.1景觀空間分布特征和規(guī)律3.1.1居民地斑塊的空間分布特點由表1可見,耕地面積的比例在張掖綠洲及各亞區(qū)均大于50%,占絕對優(yōu)勢,其次是以戈壁、沙地和裸地為主的未利用土地,而居民地面積的比例在綠洲水平和亞區(qū)水平上差異較大;除沙井綠洲區(qū)外,綠洲核心區(qū)和甘俊綠洲區(qū)的居民地斑塊數(shù)均占總斑塊數(shù)的比例均高于張掖綠洲總體水平(50%),說明居民地是綠洲中斑塊數(shù)最多的類型。以上數(shù)據(jù)顯示了以耕地和農(nóng)村居民地為主要類型的干旱區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)綠洲景觀的特征,說明綠洲內(nèi)人類活動強烈,并存在明顯的區(qū)域差異。由表2可見,居民地斑塊的平均面積較小,其中綠洲核心區(qū)的居民地斑塊平均面積最大,沙井綠洲區(qū)和甘浚綠洲區(qū)均低于綠洲水平,表明綠洲核心區(qū)開發(fā)歷史悠久,人口密度大;居民地斑塊密度較大,其中甘浚綠洲區(qū)最大,其次為核心區(qū),兩者均大于綠洲總體水平,沙井區(qū)則相反;居民地的形狀均較簡單,綠洲核心區(qū)的形狀較復雜,甘浚和沙井綠洲區(qū)的居民地形狀均與綠洲水平一致;另外,居民地聚集程度均較高?？傊?張掖綠洲中居民地的平均斑塊面積較小,形狀簡單,密度大且聚集度高,體現(xiàn)出干旱區(qū)發(fā)達農(nóng)業(yè)綠洲中居民地密集分布和人類活動強烈的特征,因為該區(qū)水土地資源條件好,人口承載力高,城鎮(zhèn)和交通設施發(fā)達,歷史以來就是甘肅重要的農(nóng)業(yè)基地?？臻g鄰接緊密的景觀類型,它們在結構和功能上也必然密切聯(lián)系。由表3可見,居民地斑塊與耕地的空間鄰接長度和數(shù)目均最高,占73.8%和77.9%,說明耕地與居民地間存在密切的結構與功能聯(lián)系,是影響居民地分布的主要類型;另外,居民地與草地的鄰接比例也較高,說明除種植業(yè)外,畜牧業(yè)也是綠洲經(jīng)濟的主體之一;部分居民地與沙地、戈壁等未利用土地類型鄰接,說明綠洲內(nèi)人口壓力過重,部分居民的生存條件很差;林地和水域在綠洲內(nèi)的分布范圍比較有限,因而居民地與它們的鄰接比例較低。3.1.2社區(qū)分布集中分布居民地空間分布類型有聚集型、隨機型和均勻型3種,其中聚集型往往與特定資源的聚集分布有關(如水、土、森林或交通要道等),均勻分布則體現(xiàn)了資源條件的均勻性或人類活動水平的相似性,隨機分布是資源條件與人類活動的空間特化不明顯的現(xiàn)象。經(jīng)計算,得到張掖綠洲和3個綠洲亞區(qū)的面積、居民地數(shù)、居民地間的平均最臨近距離和最近鄰點指數(shù)NI(表4)。由表4可見,張掖綠洲總體NI為0.48,小于0.5,表現(xiàn)為聚集分布。從各個亞區(qū)來看,核心區(qū)NI值最小,為0.43,是綠洲內(nèi)居民地分布最為集中的區(qū)域,為聚集分布;甘浚綠洲區(qū)NI為0.5,接近綠洲總體水平,也為聚集分布;沙井綠洲區(qū)則為0.73,比綠洲總體水平大得多,表現(xiàn)為隨機分布。由此可見,研究區(qū)內(nèi)資源條件和人類活動強度的地區(qū)差異較大,居民地集中分布在綠洲內(nèi)資源條件較好的綠洲核心區(qū);同時,居民地在空間上的分布類型受研究尺度的影響,在綠洲尺度上表現(xiàn)為聚集分布,在綠洲亞區(qū)尺度則體現(xiàn)了居民地分布的不均勻性。3.2影響居民分布的因素3.2.1兩組居民地緩沖的距離和耕作半徑如前所述,綠洲內(nèi)居民地與耕地鄰接長度最長,兩者間聯(lián)系緊密。農(nóng)村居民點是農(nóng)民的定居場所,土地是農(nóng)業(yè)勞動的主要對象,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是在居民點之外的田間完成的,因而居民地與耕地的關系反映在耕作半徑上。耕作半徑是農(nóng)村居民地離耕作區(qū)的遠近。一般來說,人多地少地區(qū),耕作精細,土地需要經(jīng)常受到管理操作,因而耕作半徑小,往往形成規(guī)模小而密度大的密集型村落。人少地多地區(qū)則相反,村落之間距離大(即耕作半徑大),聚落規(guī)模較大而密度較小。受耕作條件、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的影響,特定的居民地所控制和管理的耕地面積是一定的,即其所耕種的耕地面積或影響的范圍是有限的。因此,從理論上講,在特定區(qū)域內(nèi),當居民地緩沖區(qū)的面積與耕地面積相等時,該居民地緩沖區(qū)的距離相當于居民地的耕作半徑,據(jù)此,應用緩沖區(qū)分析方法,得到綠洲及各亞區(qū)的居民地的耕作半徑(表5)。由表可見,當緩沖區(qū)半徑為690m時,張掖綠洲中所有居民地的緩沖區(qū)總面積與耕地總面積比較接近,為844.8km2,因此,可以認為690m是張掖綠洲居民地的耕作半徑;在綠洲核心區(qū),當緩沖區(qū)距離(耕作半徑)為570m時,居民地緩沖區(qū)的總面積即與該區(qū)的耕地面積一致,且分布在居民地緩沖區(qū)內(nèi)的耕地面積與實際面積的比例與整個綠洲的水平一致,為71%;在沙井綠洲區(qū),為使居民地緩沖區(qū)面積與耕地面積相近,居民地緩沖區(qū)的距離即耕作半徑高達1,060m,而分布在居民地緩沖區(qū)內(nèi)的耕地面積僅為實際耕地面積的67%;在甘浚綠洲區(qū),當居民地緩沖區(qū)距離(耕作半徑)僅為535m時,居民地緩沖區(qū)的面積就與區(qū)內(nèi)的耕地面積相當,且分布在居民地緩沖區(qū)內(nèi)的耕地面積超過綠洲水平,為實際耕地面積的73%。以上分析顯示,綠洲內(nèi)居民地的耕作半徑存在較大的區(qū)域差異,耕地的人口承載力或耕地的產(chǎn)量或產(chǎn)值也存在區(qū)域差異。甘浚綠洲區(qū)居民地最集中,耕作半徑最短,綠洲核心區(qū)的居民地分布格局與整個綠洲水平相當,沙井綠洲區(qū)的居民地最分散,耕作半徑最大。另外,將表征綠洲及各綠洲亞區(qū)的居民地分布類型的最鄰近指數(shù)(NI)與其耕作半徑(緩沖區(qū)距離)做對比分析,發(fā)現(xiàn)兩者的相關性比較好,在耕作半徑較小的綠洲核心區(qū)和整個張掖綠洲水平上,它們的NI值也比較小,而在耕作半徑較大的沙井綠洲區(qū),其NI值也比較大,說明耕地是影響居民地空間分布格局的重要因子,也說明張掖綠洲是典型的農(nóng)業(yè)綠洲,農(nóng)業(yè)是綠洲經(jīng)濟的主體。3.2.2沙井鄉(xiāng)的沙地水是綠洲存在和演變的重要物質(zhì)因素,也是影響居民地空間分布的重要因子。張掖綠洲內(nèi)部灌溉渠系密布,具有完善而密集的渠系網(wǎng)絡(圖3),居民地分布與河流渠系關系密切。計算得到各居民點到最近渠系的平均距離為215m,標準差為198。最臨近距離的最大值為1,608m,位于張掖綠洲西北沙井鄉(xiāng)的沙地中,屬井灌區(qū)。最小的僅為0.1m,位于大滿干渠邊。其中最近距離小于100m的聚落有156個,100～200m之間有94個,200～300m之間有74個,300～400m之間有53個,400～500m之間有27個,500～600m之間有12個,600m以上有17個。實際上,農(nóng)村聚落斑塊的平均半徑為317m,與渠系的平均最臨近距離小于317m的聚落斑塊共有332個,占鄉(xiāng)村聚落總數(shù)的75.6%,說明大部分鄉(xiāng)村聚落均有渠系穿過,因為水是綠洲居民生產(chǎn)生活的核心資源。最臨近距離小于317m以及317～600m之間的聚落分布在綠洲內(nèi)比較均勻,沒有明顯的聚集現(xiàn)象,但超過600m的聚落主要分布在綠洲東北的堿灘鄉(xiāng)和西北的沙井鄉(xiāng),均以黑河及其支流——山丹河河水為灌溉水源,此區(qū)耕地比較分散,并與沙地、鹽堿地等類型交錯分布,因為該區(qū)地處黑河山前沖擊扇邊緣,地勢較低,地下水位高,土地鹽漬化嚴重,也是綠洲與荒漠的交錯地區(qū)。3.2.3張后期的密度和斑塊面積之間的關系居民地對中心城鎮(zhèn)的離散程度能顯示出中心城鎮(zhèn)與居民地間的聯(lián)系程度,有助于了解中心城鎮(zhèn)的區(qū)域經(jīng)濟影響及全區(qū)居民地布局的合理性。以張掖市為圓心,分別以1～26km為半徑,計算各距離帶內(nèi)居民地面積的百分比和斑塊密度,結果見圖3。由圖可見,隨著與張掖市距離的增加,居民地斑塊面積百分數(shù)和斑塊密度均呈現(xiàn)下降趨勢,且下降幅度在各距離帶內(nèi)均比較接近,兩者的最大值均出現(xiàn)在離張掖市1km的地帶內(nèi),之后兩者均直線遞減,在距張掖市4km外遞減率減小,10km外兩者的值均較小,在26km處趨近于零。以各距離帶內(nèi)居民地斑塊面積的百分比線為例,添加趨勢線和公式,得到各距離帶內(nèi)的居民地斑塊面積百分數(shù)與張掖市的距離的相關系數(shù)高達0.8961,說明:(1)綠洲內(nèi)鄉(xiāng)村居民地分布受張掖市的影響程度極其明顯,兩者呈指數(shù)相關;(2)以張掖市為中心,居民地分布存在明顯的區(qū)域差異,距張掖市0～4km的范圍內(nèi)居民地斑塊面積比例大于20%且密度高于1個/km2,4～10km的范圍內(nèi)居民地的面積比例和密度均顯著減少,10km以外的居民地斑塊面積比例小于10%且斑塊密度低于0.5個/km2;(3)距張掖市10km的范圍是居民地分布最密集的地區(qū),也是人類活動最強烈的地區(qū),因為此區(qū)土壤肥沃,是古綠洲所在區(qū)域,糧食和蔬菜種植面積廣,產(chǎn)量高,經(jīng)濟發(fā)達,居民地眾多。4最佳計算指標的確定(1)耕地是張掖綠洲景觀的基質(zhì)類型,居民地是綠洲中分布最廣泛的類型,綠洲內(nèi)人類活動強烈;綠洲中居民地斑塊的平均面積較小,密度大,形狀簡單,且聚集度高,體現(xiàn)出干旱區(qū)發(fā)達農(nóng)業(yè)綠洲中居民地密集分布和人類活動強烈的特征,其中核心區(qū)居民地的規(guī)模和密度較大,說明其歷史較長;綠洲居民地與耕地、林地、草地、荒漠類型和水域的空間鄰接具有明顯差異,與耕地的鄰接長度占總鄰接長度的73.8%,鄰接斑塊數(shù)達77.9%,充分體現(xiàn)了干旱區(qū)農(nóng)業(yè)綠洲的特征;以最鄰近指數(shù)為基礎的居民地分布類型存在空間差異,在綠洲水平上是隨機分布,而在綠洲亞區(qū)水