高寒山地生態(tài)脆弱區(qū)聚落空間格局特征及成因識(shí)別
——以天祝藏族自治縣為例

陳志杰,白永平,*,周 亮

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070 2 蘭州交通大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院, 蘭州 730070 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所/資源與環(huán)境信息系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101

鄉(xiāng)村振興和城鄉(xiāng)融合發(fā)展,最根本的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展[1],聚落空間高度分散,是鄉(xiāng)村振興實(shí)現(xiàn)的制約因素之一[2]。高寒山地生態(tài)脆弱區(qū)聚落格局對(duì)區(qū)域空間所產(chǎn)生的作用和影響更加敏感和深遠(yuǎn),研究青藏高原高寒山區(qū)聚落分布特征及成因,在優(yōu)化城鄉(xiāng)聚落格局和生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展中具有重要意義。

地貌類型差異性使聚落分布格局特征各不相同,國(guó)外結(jié)合城市規(guī)劃學(xué)、景觀生態(tài)學(xué)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)等對(duì)山地聚落展開(kāi)研究,涉及東歐[3]及中東[4]、南亞[5]等山地國(guó)家,重點(diǎn)關(guān)注城鄉(xiāng)治理與鄉(xiāng)村可持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要集中在黃土高原[6]、豫西山區(qū)[7]、江南丘陵山地[8]以及橫斷山區(qū)(巖溶地貌[9]和青藏高原邊緣[10- 12])等。不同研究區(qū)聚落空間格局特征差異明顯：其中黃土高原聚落呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的地形、交通線和河流指向,并且受耕作半徑和中心城市影響較大;豫西山區(qū)聚落分散和零碎分布的現(xiàn)象突出[13- 14];江南丘陵山地聚落集中分布在低山盆地與河谷階地[15],巖溶區(qū)聚落沿交通線集聚[9],而青藏高原邊緣區(qū)聚落分布垂直地帶性特征明顯[12]。研究視角從比較研究[7]、生態(tài)位[10]、分形理論[16]、地理格網(wǎng)分析[17- 18]到高分影像[19],呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉、技術(shù)方法不斷更新的趨勢(shì)。在此背景下,技術(shù)方法以定性與定量相結(jié)合為主,包括利用平均最鄰近指數(shù)(Average Nearest Neighbor,ANN)[20]、核密度估計(jì)(Kernel Density Estimate,KDE)、景觀指數(shù)[21]、探索性空間數(shù)據(jù)分析(Exploratory Spatial Data Analysis,ESDA)和最小累積阻力值(Minimal Cumulative Resistance,MCR)模型[22- 24]等分析聚落空間格局,也包括利用Logistic回歸[24]、最小二乘回歸(Ordinary Least Square,OLS)、地理加權(quán)回歸(Geographically Weighted Regression,GWR)和地理探測(cè)器方法(GeoDetector)[17,25]等定量模型識(shí)別影響聚落空間格局的因素。通過(guò)ANN、KDE、ESDA以及Logistic回歸等技術(shù)方法,分析聚落空間格局與識(shí)別驅(qū)動(dòng)因素的研究范式,在能客觀和準(zhǔn)確分析聚落空間分布特征的同時(shí),也能有效識(shí)別約束聚落空間布局的因子[26],結(jié)論受主觀判斷的影響較小,可信度較高。盡管如此,現(xiàn)有成果分析交通條件對(duì)聚落空間分布影響較少[24],聚落空間區(qū)位主要采用歐氏距離和緩沖區(qū)分析進(jìn)行識(shí)別,不同層次的道路具有不同的結(jié)構(gòu)和屬性。交通可達(dá)性是衡量區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo),反映了實(shí)際的交通區(qū)位條件,在地形復(fù)雜的山區(qū),歐式距離分析方法難以準(zhǔn)確表達(dá)聚落空間分布特征[27- 28],進(jìn)一步研究基于自然和交通因素的聚落空間分布特征具有重要意義。

天祝縣地處青藏高原區(qū)、西北干旱區(qū)和東部季風(fēng)區(qū)交匯的區(qū)域,祁連山和烏鞘嶺等高大山系深刻影響自然環(huán)境和人類活動(dòng)的空間分布格局,縣域鄉(xiāng)村聚落比重高,城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模較小[27],約有80%的國(guó)土屬于禁止開(kāi)發(fā)區(qū)和限制開(kāi)發(fā)區(qū),生態(tài)安全重要,自然環(huán)境脆弱,人地關(guān)系地域系統(tǒng)敏感性高[29]。其聚落空間分布具有以下特征：一是聚落密集分布在地勢(shì)相對(duì)平坦開(kāi)闊的金強(qiáng)河谷地區(qū);二是在特定的地形地貌基底條件下,縣城對(duì)縣域聚落分布產(chǎn)生的輻射作用較小[15],開(kāi)展該類地區(qū)人類居住生活空間研究,對(duì)于其生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的實(shí)踐參考價(jià)值。因此,本研究通過(guò)ANN、“熱點(diǎn)”探測(cè)、KDE、MCR和Logistic回歸分析,圍繞聚落的分布、規(guī)模和類型3個(gè)特征分析縣域聚落空間格局特征,并從地形條件、農(nóng)業(yè)條件、地表坡向和交通可達(dá)性4個(gè)方面研究聚落分布的區(qū)位特征,定量識(shí)別基于自然和交通因素的聚落分布疏密影響因子,旨在為青藏高原高寒山區(qū)城鄉(xiāng)聚落格局優(yōu)化管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study area of Tianzhu County

天祝藏族自治縣地處河西走廊東端,是青藏高原、黃土高原和內(nèi)蒙古高原的交匯處,也是中國(guó)三大自然區(qū)重要的交匯地帶。自然環(huán)境方面,平均海拔為3075.86 m,祁連山及烏鞘嶺貫穿全境,是重要的分水嶺,對(duì)地形地貌和氣候水文影響明顯,境內(nèi)河流分為石羊河(內(nèi)流河)和黃河(外流河)兩大流域。交通設(shè)施方面,蘭新鐵路、連霍高速公路和312國(guó)道等交通線,由東南向西北方向,經(jīng)烏鞘嶺山脈進(jìn)入河西走廊,并在華藏寺鎮(zhèn)和打柴溝鎮(zhèn)分別布局客貨鐵路站點(diǎn),是我國(guó)東中部地區(qū)聯(lián)系西北地區(qū)的重要通道。在地形地貌、水系分布和交通線布局等自然和社會(huì)因素共同影響下,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚落分布的空間差異性顯著,祁連鎮(zhèn)、哈溪鎮(zhèn)和黃花灘鎮(zhèn)等9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)位于石羊河流域,華藏寺鎮(zhèn)、天堂鎮(zhèn)和松山鎮(zhèn)等8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)位于黃河流域。人口及產(chǎn)業(yè)方面,農(nóng)業(yè)人口比重為80.34%,第一產(chǎn)業(yè)以農(nóng)牧業(yè)混合為主,耕作農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)比重各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的差異大。全縣共有鄉(xiāng)鎮(zhèn)17個(gè),行政村167個(gè),縣級(jí)政府駐地在華藏寺鎮(zhèn),便于表述,以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為基本研究單元(圖1)。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于(1)2018年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)源于天祝縣自然資源局;(2)研究區(qū)DEM(30 m)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http://www.resdc.cn);(3)天祝縣行政界線地圖來(lái)源于甘肅省自然資源廳的標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站提供的標(biāo)準(zhǔn)畫(huà)法示意圖1∶450萬(wàn)基礎(chǔ)要素版(審圖號(hào)：甘S(2017)54號(hào)),利用ArcGis10.4軟件進(jìn)行配準(zhǔn)后矢量化所得(http://zrzy.gansu.gov.cn/index.htm);(4)氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的中國(guó)氣象背景數(shù)據(jù)集(http://www.resdc.cn/)提取和重采樣得出;(5)基礎(chǔ)道路數(shù)據(jù)來(lái)源于全國(guó)地理信息資源目錄服務(wù)系統(tǒng)(http://www.webmap.cn/)發(fā)布的1∶25萬(wàn)全國(guó)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)和Open Street Map(OSM)平臺(tái)提供的2018年路網(wǎng)數(shù)據(jù),結(jié)合兩個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)提供的原始數(shù)據(jù),提取出研究區(qū)內(nèi)的高速公路、國(guó)道、省道、縣道和鄉(xiāng)道矢量數(shù)據(jù)。(6)《天祝縣縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃(2018—2035)》和《天祝縣城鄉(xiāng)統(tǒng)籌總體規(guī)劃(2018—2035)》來(lái)源于政府網(wǎng)站(http://www.gstianzhu.gov.cn/)。

2 研究方法

2.1 平均最鄰近指數(shù)(ANN)

最鄰近指數(shù)指城鄉(xiāng)聚落斑塊中心與其最近鄰聚落之間的平均距離,與假設(shè)隨機(jī)分布期望平均距離進(jìn)行比較,分析聚落是隨機(jī)還是集聚的分布狀態(tài),通過(guò)ArcGIS 10.4對(duì)城鄉(xiāng)聚落空間化數(shù)據(jù)處理分析得出[30]。

2.2 空間“熱點(diǎn)”探測(cè)

(1)

式中,Wij(d)為以距離規(guī)則定義的空間權(quán)重,Xj是j區(qū)域的觀測(cè)值。

2.3 核密度估計(jì)(KDE)

核密度估計(jì)通過(guò)對(duì)區(qū)域中每個(gè)要素點(diǎn)建立一個(gè)平滑的圓形表面,計(jì)算點(diǎn)之間的距離,將聚落斑塊抽象為點(diǎn)要素?cái)?shù)據(jù)集,建立表示聚落空間分布疏密程度的連續(xù)表面,依據(jù)核密度值劃分聚落疏密等級(jí),表達(dá)式見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13]。

2.4 最小累積阻力(MCR)模型

MCR模型是指從源到目的地的過(guò)程中模型的成本[23],根據(jù)表面阻力系數(shù)的不同,模型選擇具有MCR值的路徑。MCR值反映了縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)在現(xiàn)狀道路下可達(dá)潛力與趨勢(shì),可以反映聚落空間位置與MCR值之間的關(guān)系,公式為：

Mij=fmin∑(Dij×Rj)

(2)

式中,Mij為源點(diǎn)j到i地的最小阻力值,Dij為源點(diǎn)j到i地的空間距離,Rj為摩擦系數(shù)。

2.5 二元Logistic回歸分析

基于二元Logistic回歸定量分析聚落時(shí)空格局形成的影響因素,取1或0表示有無(wú)聚落分布,將聚落轉(zhuǎn)換為30 m×30 m分辨率的0—1柵格數(shù)據(jù),設(shè)置自變量可以解釋因變量與自變量之間的關(guān)系,回歸模型為：

(3)

式中,p表示事件發(fā)生的概率,i與j表示隨機(jī)采樣點(diǎn)數(shù)量,α為回歸系數(shù),β為常數(shù)項(xiàng),m為影響因子數(shù),xi表示自變量,選取鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度MCR值(x1)、縣域尺度MCR值(x2)、到國(guó)道、省道和縣道的距離(x3、x4和x5)、高程(x6)、坡度(x7)、坡向(x8)、到河流的距離(x9)、耕地半徑(x10)、年均氣溫(x11)和年均降水(x12)等12個(gè)因子為自變量,進(jìn)行無(wú)量綱處理,通過(guò)ArcGIS 10.4平臺(tái)隨機(jī)抽樣模塊生成200000個(gè)隨機(jī)抽樣點(diǎn),建立聚落空間分布與影響因子之間的Logistic模型,得出模型如下：

log(p/(1-p))=-1.55x1+0.79x3-1.49x4-1.69x5-5.23x6-9.73x7-0.22x8-34.69x10+2.07x12-1.73

(4)

3 結(jié)果分析

3.1 天祝縣聚落空間格局分析

3.1.1天祝縣聚落空間特征

平均最鄰近指數(shù)可以揭示聚落空間分布的集中性特征,由表1可知,縣域尺度ANN值<1且通過(guò)1%檢驗(yàn),聚落空間分布整體上表現(xiàn)為集聚型;鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度ANN值均高于縣域總體水平,各鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚落集聚分布程度低于縣域平均水平,且地域差異性顯著。其中,炭山嶺鎮(zhèn)等14個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)ANN值介于0.35—0.55間,聚落分布集聚程度差異較小,東南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚落分布集聚特性比西北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)明顯。計(jì)算村域尺度的ANN值,ANN通過(guò)<1%檢驗(yàn)的村域有89個(gè),比重為53.6%,空間分布較為均勻(圖2)。通過(guò)顯著性檢驗(yàn)的聚落分布類型為集聚型和分散型2種,聚落為集聚型的村域有54個(gè),比重為60.7%,松山鎮(zhèn)、華藏寺鎮(zhèn)和打柴溝鎮(zhèn)等5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)在村域尺度下的聚落類型以集聚型為主,毛藏鄉(xiāng)和哈溪鎮(zhèn)在村域尺度下聚落以分散型為主。利用“熱點(diǎn)”分析識(shí)別村域尺度ANN的空間聚類特征,“熱點(diǎn)區(qū)”在縣域西北部的毛藏鄉(xiāng)和大紅溝鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)明顯,“冷點(diǎn)區(qū)”在縣域東南部的松山鎮(zhèn)、華藏寺鎮(zhèn)和打柴溝鎮(zhèn)等4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)明顯,空間上“熱點(diǎn)區(qū)”到“冷點(diǎn)區(qū)”表現(xiàn)出自西北向東南逐漸過(guò)渡的圈層特征,聚落分布集中程度呈現(xiàn)出“東南高、西北低”的空間特征。

通過(guò)核密度估計(jì)進(jìn)一步分析聚落空間分布格局,圖2所示核密度值在空間上呈現(xiàn)出“核心-邊緣”結(jié)構(gòu),形成“東南密集型”和“西北稀疏型”2個(gè)典型的聚落分布區(qū)。高密度值范圍是2.47—5.5個(gè)/km2,形成2個(gè)中心,主中心位于華藏寺鎮(zhèn)南部,副中心位于朵什鎮(zhèn)北部;中密度值范圍為1.15—2.46個(gè)/km2,主要圍繞主中心和副中心呈帶狀分布;低密度值分布區(qū)范圍較廣,一是在烏鞘嶺周邊地區(qū)形成規(guī)模較大的低密度值環(huán)形地帶,二是在西南和西部地區(qū)形成條塊型低密度值分布帶。分析各鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚落規(guī)模分布特征,創(chuàng)建覆蓋縣域的2.5 km×2.5 km格網(wǎng),以聚落面積為變量進(jìn)行“熱點(diǎn)”分析(圖2),“熱點(diǎn)區(qū)”在華藏寺鎮(zhèn)南部,形成聚落團(tuán)狀聚集區(qū);“冷點(diǎn)區(qū)”一部分位于打柴溝鎮(zhèn)、石門鎮(zhèn)和賽什斯鎮(zhèn)等4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)的祁連山區(qū),另一部分位于朵什鎮(zhèn)、松山鎮(zhèn)和華藏寺鎮(zhèn)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)境內(nèi)的烏鞘嶺山區(qū);“次熱點(diǎn)區(qū)”和“次冷點(diǎn)區(qū)”分布狀態(tài)與核密度中值和低值分布格局基本一致,天祝縣聚落規(guī)模特征在華藏寺鎮(zhèn)表現(xiàn)為高密度大斑塊,而在其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)表現(xiàn)為中低密度小斑塊。

表1 天祝縣聚落最鄰近指數(shù)

圖2 天祝縣聚落空間分布格局Fig.2 Spatial distribution pattern of settlements in Tianzhu CountyANN: 平均最鄰近指數(shù)Average nearest neighbor

3.1.2天祝縣聚落類型特征

將景觀指數(shù)作為進(jìn)行聚落形態(tài)分類變量,以2.5 km×2.5 km格網(wǎng)為研究尺度提取聚落屬性數(shù)據(jù)(平均斑塊面積、平均斑塊密度和平均斑塊形狀指數(shù))并進(jìn)行分組分析,聚落類型可劃分為6類,平均斑塊密度對(duì)聚落類型識(shí)別中的相關(guān)性較強(qiáng)(R2=0.88),平均斑塊面積相關(guān)性次之(R2=0.48),而平均斑塊形狀指數(shù)對(duì)聚落類型分組性能最弱。天祝縣聚落主要在河谷地區(qū)分布,類型組合方式也因河流流域內(nèi)的地形地貌差異呈現(xiàn)出不同特征(圖3和表2),金強(qiáng)河谷地區(qū)6種聚落類型構(gòu)成完整圈層結(jié)構(gòu),而古浪河、黃羊河、金塔河以及大通河地區(qū)分布的聚落類型相對(duì)單一。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)聚落類型差異明顯(圖3),Ⅰ型和Ⅱ型聚落整體上在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的比重偏低,Ⅰ型在華藏寺鎮(zhèn)(18%)和西大灘鎮(zhèn)(6%)比較典型,Ⅱ型聚落在松山鎮(zhèn)比重最高(26%);Ⅲ型聚落比重較高的是大紅溝鎮(zhèn)(45%)和祁連鎮(zhèn)(33%);Ⅳ型聚落在賽什斯鎮(zhèn)最典型,比重為36%,8個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的Ⅳ型聚落分布比重為0,是分布鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)量最少的類型,地域性特征顯著;Ⅴ型聚落是東大灘鄉(xiāng)聚落的主導(dǎo)類型,比重值為53%;Ⅵ型聚落在各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的比重平均值為50%,毛藏鄉(xiāng)比重最大(93%),毛藏鄉(xiāng)距離縣城華藏寺鎮(zhèn)的距離155 km,人口總數(shù)為0.14萬(wàn)人,少數(shù)民族人口比重為90%,是天祝縣人口數(shù)量最少、少數(shù)民族人口最多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。由此可知,華藏寺鎮(zhèn)和西大灘鎮(zhèn)為代表的重點(diǎn)城鎮(zhèn)聚落類型特征以高密度和大斑塊為主,普通鎮(zhèn)聚落類型特征以中低密度和中等規(guī)模為主,而普通鄉(xiāng)聚落類型以低密度和小規(guī)模為主。

圖3 天祝縣聚落類型空間分布統(tǒng)計(jì)Fig.3 Settlement type spatial distribution statistics in Tianzhu CountyⅠ: 高密度團(tuán)塊型High-density and clusters type; Ⅱ: 中密度團(tuán)塊型Medium-density and clusters type; Ⅲ: 中密度散點(diǎn)型Medium-density and scatter type; Ⅳ: 低密度散點(diǎn)型Low-density and scatter type; Ⅴ: 低密度條帶型Low-density and bands type; Ⅵ: 高寒區(qū)稀疏型Alpine and sparse type

表2 天祝縣聚落分布類型及特征

3.2 天祝縣聚落空間格局影響因素

天祝縣平均海拔在2000 m以上,屬典型高海拔地區(qū),其中海拔在2600 m以下面積僅占10.86%,而海拔在3000 m以上的地區(qū)占47.72%,年均氣溫在-8—4℃,高寒氣候是區(qū)域最為顯著的自然環(huán)境特征,也是影響縣域聚落分布格局的自然基底[31]。同時(shí),天祝縣處于中國(guó)三大自然區(qū)交匯地帶,具有復(fù)雜的地貌類型和自然環(huán)境條件,多年平均降水量和蒸發(fā)量時(shí)空差異明顯,但狹長(zhǎng)河谷地形居多,不宜進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人口居住,水資源和耕作半徑作為農(nóng)業(yè)條件的兩大要素,也影響著鄉(xiāng)村聚落的空間格局[24]。此外,由于日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的差異,山區(qū)陽(yáng)坡溫暖干燥,陰坡寒冷潮濕,聚落空間分布與坡向也具有顯著的相關(guān)性。交通和區(qū)位對(duì)聚落分布也起著重要的作用[6],城鎮(zhèn)是公共服務(wù)供給的中心場(chǎng)所,對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要影響,交通網(wǎng)絡(luò)連接城鄉(xiāng),促進(jìn)城鄉(xiāng)要素流通,山區(qū)聚落受地形條件的限制,集中在分布在不同等級(jí)道路沿線,具有顯著逇指向性和依賴性。不同自然本底條件與人文社會(huì)發(fā)展因素的非均衡性相互交織、相互影響[32],由于數(shù)據(jù)可獲得性限制,將高程、坡度、與主干河流距離[33]、耕地半徑[34- 35]、坡向、氣溫、降水[36]和交通可達(dá)性[24]等8類要素作為評(píng)價(jià)聚落分布疏密程度的影響因子。其中,基于MCR模型的交通可達(dá)性是指源點(diǎn)在區(qū)域中通行的時(shí)間成本,通過(guò)ArcGIS 10.4平臺(tái)構(gòu)建成本柵格阻力面,柵格時(shí)間成本值選定為出行10 km所需要的平均時(shí)間,行車速度根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014),其中高速公路時(shí)速120 km/h、國(guó)道時(shí)速80 km/h、省道時(shí)速60 km/h、縣道時(shí)速30 km/h和鄉(xiāng)道時(shí)速20 km/h,據(jù)此得出阻力值為5、8、10、20和30。將源點(diǎn)分別設(shè)置為縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn),通過(guò)Cost-Distance(成本距離)模塊計(jì)算至縣城和至鄉(xiāng)鎮(zhèn)的最小累積可達(dá)性阻力值(圖4)。

圖4 天祝縣聚落空間格局影響因素Fig.4 Factors affecting settlement spatial pattern in Tianzhu CountyMCR: 最小累積阻力值Minimal cumulative resistance; 影響因素高程、坡度、距離、氣溫、降水和MCR劃分的等級(jí)代號(hào)L1、L2、L3、L4、L5依次是: 等級(jí)1、等級(jí)2、等級(jí)3、等級(jí)4、等級(jí)5(Level 1、Level 2、Level 3、Level 4、Level 5,L1、L2、L3、L4、L5); 坡向代碼依次位于不同的方向區(qū)間,NNE: 北東北方向(north—northeast,NNE,0—45°);NNE: 北東北方向North-northeast,ENE,0—45°; ESE: 東東南方向East-southeast,ESE,90—135°; SSE: 南東南方向South-southeast,SSE,135—180°; SSW: 南西南方向South-southwest,SSW,180—225°; WSW: 西西南方向West-southwest,WSW,225—270°; WNW: 西西北方向West-northwest,WNW,270—315°; NNW: 北西北方向North-northwest,NNW,315—360°

圖5 天祝縣聚落空間格局影響因素分區(qū)統(tǒng)計(jì)Fig.5 Regional statistics of influencing factors of settlement spatial pattern in Tianzhu County

3.2.1影響因素統(tǒng)計(jì)分析

從地形條件、水土配置、地表坡向、氣候條件和交通可達(dá)性5個(gè)方面展開(kāi)研究,除坡向分為8個(gè)方位外,其余要素根據(jù)研究區(qū)實(shí)際,采用等間距法將要素分為5級(jí)(圖4),利用ArcGIS 10.4交集制表模塊,對(duì)各要素不同等級(jí)內(nèi)的聚落數(shù)量和面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì),為表述方便,將5個(gè)等級(jí)依據(jù)各要素?cái)?shù)值范圍由高到低的順序用L1—L5表示。首先,高程等級(jí)L3內(nèi)聚落數(shù)量(44.05%)和面積(46.57%)比重最高,隨著高程等級(jí)由L3分別向L1和L5變化,聚落數(shù)量和面積比重值對(duì)稱下降現(xiàn)象明顯(圖4與圖5);坡度等級(jí)L1內(nèi)聚落數(shù)量(42.17%)和面積(81.59%)比重最高,其次在L2內(nèi)比重也較高,聚落主要分布在坡度<15°的地區(qū),坡度增大時(shí),適宜耕作的土地?cái)?shù)量減少,聚落在海拔較高的整體環(huán)境下主要集中在地勢(shì)平坦的河谷地區(qū)。第二,耕作半徑等級(jí)L1內(nèi)的聚落數(shù)量和面積比重最大,聚落數(shù)量及面積之和的比重分別為82.85%和92.05%,聚落分布格局的耕作半徑集中在900—1300 m。與河流距離等級(jí)L1和L5內(nèi)聚落數(shù)量和面積比重最大,L1內(nèi)聚落數(shù)比重為32.29%,L5內(nèi)聚落比重為35.79%,聚落密集度呈“兩端高,中間低”趨勢(shì),其中,距河流較近地區(qū)以耕作農(nóng)業(yè)和設(shè)施農(nóng)業(yè)為主,距河流較遠(yuǎn)地區(qū)以畜牧業(yè)為主。同時(shí),日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度在不同的方向具有差異性,在ESE(16.39%)、SSE(15.46%)、SSW(12.82%)和ENE(13.70%)4個(gè)坡向聚落比重較大,以偏東和偏南方向?yàn)橹?圖5),屬于陽(yáng)坡或半陽(yáng)坡,日照時(shí)數(shù)較長(zhǎng),適合農(nóng)作物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。第三,年均氣溫等級(jí)L1內(nèi)聚落數(shù)量和面積比重均在60%以上;年均降水等級(jí)L3內(nèi)聚落數(shù)量和面積比重均最大,L1地處河西走廊邊緣,降水較少、蒸發(fā)量較大,L5降水較多,但是海拔較高,年均氣溫0℃以下。氣溫降水空間格局表現(xiàn)出顯著的山地垂直地帶性特征,受氣候條件影響,聚落分布密集區(qū)屬于典型的高寒氣候區(qū)。最后,計(jì)算交通可達(dá)性可以準(zhǔn)確反映區(qū)位條件對(duì)聚落分布的影響,天祝縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)零散分布于不同的小流域,受此影響,華藏寺鎮(zhèn)(縣城)的區(qū)位輻射能力對(duì)分布在金強(qiáng)河流域的鄉(xiāng)鎮(zhèn)較為顯著,難以覆蓋所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)。因此,縣域尺度交通可達(dá)性格局對(duì)縣域聚落分布疏密程度的影響能力有限,需要從更加精細(xì)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度分析,鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度MCR等級(jí)L1內(nèi)聚落數(shù)量(27.52%)和面積(36.67%)比重最大,在L2次之,L1和L2內(nèi)聚落數(shù)量和面積比重為54.94%和65.78%(圖4),聚落密集分布在鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心周圍的趨勢(shì)較為明顯。

3.2.2影響因素Logistic回歸分析

通過(guò)上述根據(jù)自然環(huán)境條件和交通可達(dá)性分析結(jié)果,初步得出聚落分布的影響因素,在此基礎(chǔ)上,采用二元Logistic回歸,定量識(shí)別影響天祝縣聚落布局的影響因素。結(jié)合回歸模型(4),檢驗(yàn)自變量作為解釋變量對(duì)模型的解釋效力具有明顯的等級(jí)性,Wald統(tǒng)計(jì)量客觀反映了自變量對(duì)因變量的解釋效力(表3),依據(jù)Wald統(tǒng)計(jì)量>100、>10和>15將顯著性Sig.值≤0.05(即P≤5%)的自變量分為3類。

表3 Logistic回歸模型變量參數(shù)

第一,Wald統(tǒng)計(jì)量≥100的因變量為x7、x10和x12,x7(坡度)的Wald為675.62,概率P值為0,作為解釋變量對(duì)回歸方程解釋效力較好,聚落分布疏密程度受到坡度影響的顯著性較強(qiáng),且回歸系數(shù)為-9.73,說(shuō)明坡度值越小,聚落密集分布的可能性就越大;x10(耕地半徑)對(duì)聚落空間分布影響僅次于x7,Wald為362.28,概率P值均為0,回歸系數(shù)為-34.69即耕地半徑與聚落分布疏密程度呈負(fù)相關(guān),聚落緊鄰耕地布局的趨勢(shì)明顯,耕地資源數(shù)量與聚落分布疏密程度正相關(guān)性顯著;x12(年均降水)的Wald為115.24,概率P值均為0,回歸系數(shù)為2.07,說(shuō)明聚落分布集中的區(qū)域降水較多。第二,Wald統(tǒng)計(jì)量≥10的因變量為x6、x4、x5和x1,其中x6(高程)的Wald為87.44,概率P值均為0,回歸系數(shù)為-5.23,聚落分布疏密程度與高程值呈反比;x4(到省道距離)和x5(到縣道距離)對(duì)聚落空間分布影響顯著,Wald值分別是51.68和32.53,概率P值均為0,且回歸系數(shù)均<0,到省道和縣道的距離遠(yuǎn)近與聚落分布疏密程度呈負(fù)相關(guān),距離越遠(yuǎn),聚落密集分布的可能性越小;x1(鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度MCR值)的Wald為21.17,概率P值均為0,回歸系數(shù)為-1.55,聚落主要集中在距離鄉(xiāng)鎮(zhèn)中心較近的區(qū)域。第三,Wald統(tǒng)計(jì)量≥1的因變量為x3和x8,就x3(到國(guó)道的距離)而言,僅有312國(guó)道在金強(qiáng)河谷布局,相比較省道和縣道,國(guó)道對(duì)縣域聚落分布影響有限,在模型中的解釋效力也較弱。同樣x8(坡向)Wald值較小,說(shuō)明了縣域聚落分布影響因素中,坡向是在優(yōu)先考慮高程、降水和耕地等Wald統(tǒng)計(jì)量較大的因子之后,才被作為補(bǔ)充性或者一般性的因子加以考慮。

綜上所述,天祝縣聚落空間格局影響最大的是地形條件(即x7)、土地資源(即x10)和降水條件(即x12),而海拔高度(即x6)、交通稟賦(即x5和x4)和交通可達(dá)性(即x1)對(duì)聚落分布影響程度次之。地形條件、土地資源、降水條件和海拔高度是影響聚落空間分布的自然因素,交通稟賦和交通可達(dá)性作為人類活動(dòng)影響聚落疏密程度的直接因素,引導(dǎo)縣域城鄉(xiāng)空間結(jié)構(gòu)和等級(jí)規(guī)模結(jié)構(gòu),從而使各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口規(guī)模具有地域差異性。由《天祝藏族自治縣城鄉(xiāng)統(tǒng)籌總體規(guī)劃(2018—2035)》可知,鄉(xiāng)鎮(zhèn)按照城鎮(zhèn)人口規(guī)模及區(qū)域集聚能力分為中心城區(qū)(華藏寺鎮(zhèn))、重點(diǎn)鎮(zhèn)和一般鄉(xiāng)鎮(zhèn),規(guī)劃人口規(guī)模依次是10萬(wàn)、1萬(wàn)和0.5萬(wàn)。城鄉(xiāng)空間依據(jù)“一心兩軸三區(qū)”的結(jié)構(gòu)發(fā)展,華藏寺鎮(zhèn)是縣域政治經(jīng)濟(jì)文化中心,城鎮(zhèn)發(fā)展主軸依托連霍高速公路和312國(guó)道,由“華藏寺鎮(zhèn)-打柴溝鎮(zhèn)-抓喜秀龍鎮(zhèn)-安遠(yuǎn)鎮(zhèn)”組成,是中心城區(qū)和重點(diǎn)鎮(zhèn)分布區(qū),常住人口數(shù)量多,聚落分布密集;城鎮(zhèn)發(fā)展次軸依托省道和縣道,由“東大灘鄉(xiāng)-松山鎮(zhèn)-石門鎮(zhèn)-賽什斯鎮(zhèn)-炭山嶺鎮(zhèn)-天堂鎮(zhèn)”組成,是一般鄉(xiāng)鎮(zhèn)分布區(qū),人口規(guī)模較小,聚落分布密度較低。進(jìn)一步驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)精度,對(duì)自變量進(jìn)行共線性檢驗(yàn)和ROC分析,共線性診斷的條件指標(biāo)最大值為8.425,變量容忍度均大于0.1,方差膨脹因子均小于10,自變量在非共線參數(shù)值范圍內(nèi),變異系數(shù)值較低,各變量之間不存在共線性關(guān)系。對(duì)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值P進(jìn)行ROC分析,得到AUC為0.92,模型分類效果較好,Logistic回歸模型預(yù)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

通過(guò)分析聚落的分布、規(guī)模和類型3個(gè)特征,基于聚落空間格局影響因素的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果,運(yùn)用Logistic回歸分析識(shí)別聚落空間格局形成因素,得出以下結(jié)論：(1)聚落空間格局整體上集聚分布特性和地域差異性顯著,空間分布表現(xiàn)出“東南高、西北低”的特征,并形成“東南密集型”和“西北稀疏型”2個(gè)典型區(qū)域。(2)聚落規(guī)模在華藏寺鎮(zhèn)表現(xiàn)為高密度大斑塊,而在其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)表現(xiàn)為中低密度小斑塊。自然環(huán)境條件對(duì)聚落分布具有基礎(chǔ)性作用,垂直帶性特征明顯,地勢(shì)相對(duì)平坦的河谷盆地是聚落密集分布的主要區(qū)域,氣候條件和水土資源分布的空間差異影響區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。(3)二元Logistic回歸分析結(jié)果說(shuō)明,地形條件、土地資源、降水條件和海拔高度是影響聚落空間分布的主要自然因素,交通稟賦和交通可達(dá)性作為直接因素,引導(dǎo)縣域城鎮(zhèn)空間結(jié)構(gòu)和等級(jí)規(guī)模結(jié)構(gòu),使各鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口和聚落規(guī)模產(chǎn)生地域差異。

4.2 討論

高寒山區(qū)聚落格局極易受到高大山體和重要水系布局的約束,天祝縣境內(nèi)的聚落受祁連山和烏鞘嶺布局走向影響,總體趨勢(shì)表現(xiàn)為分散在地形相對(duì)平坦的地區(qū),分布區(qū)的空間范圍相對(duì)較小。縣域城鎮(zhèn)體系等級(jí)性特征不顯著,縣城華藏寺鎮(zhèn)中心性較低,腹地范圍局限在金強(qiáng)河谷地區(qū),對(duì)縣域內(nèi)西北部以及北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的輻射帶動(dòng)作用較小,政府行政管理成本較高,而毗鄰縣區(qū)對(duì)縣域內(nèi)偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的影響則更加明顯。

天祝縣是國(guó)家級(jí)重點(diǎn)貧困縣和民族自治縣,貧困發(fā)生率較高和少數(shù)民族聚居是最基本的社會(huì)經(jīng)濟(jì)特征,主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)是以傳統(tǒng)耕作農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)為主的混合農(nóng)業(yè),聚落空間分布與以上特征有密切關(guān)系,適宜耕作區(qū)位于河谷地區(qū),局地小氣候?qū)r(nóng)作物生長(zhǎng)有利,而與主要河流相距較遠(yuǎn)的地區(qū),成為畜牧業(yè)發(fā)展的主要區(qū)域。農(nóng)牧混合經(jīng)營(yíng)模式是長(zhǎng)期以來(lái)高寒山區(qū)人類活動(dòng)逐漸形成的聚落分布模式。

生態(tài)脆弱區(qū)在區(qū)域生態(tài)安全格局中具有不可或缺的地位和價(jià)值,是影響聚落空間格局的自然因素,同時(shí)也是維持區(qū)域生態(tài)平衡、保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的核心要素。天祝縣是河西走廊重要的生態(tài)屏障和生態(tài)資源密集區(qū)域,作為重要水源涵養(yǎng)區(qū)和補(bǔ)給區(qū),約有76%的土地屬限制或禁止開(kāi)發(fā)區(qū)域,圍繞生態(tài)、農(nóng)業(yè)、城鎮(zhèn)空間劃定的生態(tài)保護(hù)紅線、永久基本農(nóng)田、城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)邊界,對(duì)聚落空間格局具有引導(dǎo)作用,能夠在國(guó)土空間規(guī)劃工作中關(guān)于城鄉(xiāng)聚落格局優(yōu)化提供政策依據(jù)。