生態涵養區農村居民點內部用地結構特征研究

唐秀美 劉 玉 任艷敏 楊亞楠

(1.北京市農林科學院信息技術研究中心， 北京 100097； 2.農業農村部農業遙感機理與定量遙感重點實驗室， 北京 100097)

0 引言

農村居民點是鄉村生產、生活、生態的重要組成部分，是地域體系研究的重要領域之一[1]。同時，作為農村人口的主要聚集地，農村居民點是農村土地利用的重要部分和農村人地關系表現的核心[2]，其格局和利用結構的變化可以反映人類活動與地理環境間的相互影響[3-6]。近年來，農村居民點的研究多集中于用地適宜性評價[7-10]、景觀格局分析[10-11]、時空格局變化及驅動力分析[12-15]以及整治模式[16-17]等方面。總體上看，宏觀和中觀尺度的研究較多[18]，且多將農村居民點作為一個整體進行分析，對于農村居民點用地精細化規劃和管理實踐的支撐不足[19]。在農村居民點內部用地結構的研究方面，姜廣輝團隊[20-23]探索性研究了平谷區農村居民點內部用地類型劃分、空間分異規律、驅動因素及優化等，為農村居民點內部用地的分類方法與功能分析等研究奠定基礎，但亟需多區域、多視角地實證目前的研究成果。

密云區是北京市重要的生態涵養區，區內有北京最大的飲用水源供應地——密云水庫。本文從水源保護區視角對比密云區農村居民點內部用地結構特征和差異，旨在掌握水源保護區內外農村居民點的利用狀況，為制定差別化的農村居民點的利用和保護策略服務，為農村居民點的合理利用及水源保護區的科學保護提供依據。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區概況

密云區位于北京市東北部，位置為116°39′33″～117°30′25″E，40°13′7″～40°47′57″N，處于燕山山地與華北平原交接區域。密云區為暖溫帶季風型大陸性半濕潤半干旱氣候，四季分明，干濕冷暖變化明顯。根據《北京市密云水庫懷柔水庫和京密引水渠水源保護管理條例》，密云水庫一、二、三級保護區總面積149 062 hm2(圖1)。其中，一級保護區包括密云水庫內湖區和環庫公路以內的近水地帶，面積為26 796 hm2；二級保護區為一級保護區之外至水庫的向水坡范圍以內以及密云水庫調節池的匯水范圍以內，面積為34 741 hm2；三級保護區為二級保護區以外至上游河道的流域，面積為87 525 hm2。分析密云水庫水源保護區范圍內外農村居民點內部用地結構及差異，有利于掌握農村居民點的利用差異。

1.2 數據來源與處理

選取2018年7月國產高分1號衛星影像數據獲取密云區土地利用數據。在對影像進行圖像增強和幾何校正的基礎上，參考《土地利用現狀分類體系》(GB/T 21010—2017)以及已有研究成果[24]，利用ArcGIS進行地類判別與目視解譯，結合2018年區域POI數據、地理國情普查數據和現場調研情況，基于功能視角將密云區農村居民點用地類型劃分為生產空間、生活空間、生態空間3個一級類。其中，生產空間細化為農業生產用地、工業生產用地和商旅服務用地3個二級類；生活空間細化為居住用地、公共設施用地和交通用地3個二級類；生態空間細化為公共綠地、防護綠地、水面和未利用地4個二級類(圖1)。

圖1 2018年密云區農村居民點內部用地類型Fig.1 Internal land use structure of rural settlements in Miyun District in 2018

2 研究思路與研究方法

2.1 研究思路

本文結合密云水庫水源保護區范圍，將密云區全域劃分為水源保護一級區、二級區、三級區和區外4個區，采用Weaver-Thomas組合系數法、洛倫茲曲線、基尼系數、景觀格局分析等方法和模型，對農村居民點內部用地類型、結構特征和景觀格局進行分析。總體研究思路如圖2所示。

圖2 研究思路Fig.2 Research idea map

2.2 研究方法

2.2.1農村居民點內部用地組合類型

采用Weaver-Thomas組合系數法分析農村居民點內部用地的組合類型[25]。首先，把農村居民點的各土地利用類型面積占研究區農村居民點總面積的比例從大到小排序；其次，構建組合結構類型及假設比例。理論上，土地利用組合結構類型和土地利用類型的數目相同。組合系數計算式為

(1)

其中

式中Nt——區域內第t類組合結構的Weaver-Thomas組合系數

Ttf——區域內第t種實際分配情況下第f種土地利用類型占比

T′tf——區域內第t種假設分配情況下第f種土地利用類型占比

2.2.2土地利用均衡度分析

(1)洛倫茲曲線

經濟學家LORENZ提出的洛倫茲曲線(Lorenz curves)最初用來反映一個國家或地區的總收入在國家人口中的分配均衡程度[26]。洛倫茲曲線是一條內凹的曲線，橫坐標為人口的百分比，縱坐標為橫坐標對應的收入百分比，均等線是洛倫茲曲線與坐標軸呈45°夾角時的理想狀態。實際情況下，洛倫茲曲線均在絕對平均線右下位置，且越靠近均等線，說明區域該土地利用類型的分布越均衡，反之則越不均衡。具體步驟為：①求取區域某地類的區位熵[27]，反映各地類的區位優勢和相對重要性，計算式為

(2)

式中Q——土地利用區位熵

qij——區域i內第j種地類的面積

qj——區域i內所有地類的總面積

qi——研究區內i區域的土地面積

q——研究區土地的總面積

②將某土地利用類型的區位熵按照升序排列，然后計算研究區土地總面積累計百分比和某地類的累計百分比。③將村土地總面積累計百分比作為X軸，該土地利用類型的累計百分比作為Y軸，繪制洛倫茲曲線。

(2)基尼系數

基尼系數是基于洛倫茲曲線演化出的一種判斷均衡程度的定量化指標[28]。基尼系數原始公式為

(3)

式中G——基尼系數

A——洛倫茲曲線與均等線相交，所得的閉合區域的面積

B——洛倫茲曲線與構建洛倫茲曲線的正方形邊界相交，右下角閉合區域的面積

基尼系數G的值域為[0,1]，G越大，空間分布差距越大；反之，G越小，農村居民點內部用地分布的均勻程度更高。通常，當0≤G<0.2時，認為是高度平均；當0.2≤G<0.3時，認為是比較平均；當0.3≤G<0.4時，認為是相對合理，并且0.4通常作為不合理分布的閾值；當0.4≤G<0.6時，認為是差距較大；當G≥0.6時，認為有懸殊差距。本文采用費建波等[29]關于基尼系數的算法，公式為

(4)

式中Mi——區域i內某地類面積累計百分比

Qi——區域i內土地面積占研究區土地總面積的累計百分比

Mi+1——第i+1區域土地面積累計百分比

Qi+1——第i+1區域土地面積占研究區土地總面積的累計百分比

2.2.3土地景觀格局分析

利用景觀格局定量化分析軟件Fragstats 4.2分析農村居民點內部用地的景觀格局特征[30]，選取景觀指數中的斑塊密度(PD)和景觀形狀指數(LSI)分別反映景觀的破碎程度與形狀復雜程度。

3 結果分析

3.1 土地利用類型與功能

利用ArcGIS 10.3對不同區域各類農村居民點面積及比例進行統計(表1)。密云區農村居民點的生活空間面積為56.39 hm2，占總面積的69.49%；生產空間面積為18.14 hm2，占總面積的22.35%；生態空間面積為6.64 hm2，占總面積的8.16%。總體上看，農村居民點內部用地以生活空間為主，其次是生產空間，生態空間最少。從4個區看，生活空間的面積比例最大，其中三級區最突出，比例達到83.83%；生產空間占比居中，其中區外的生產空間比例最大，為26.56%；一級區和二級區的生態空間比例較大，分別達到10.80%、10.81%，三級區的生態空間最少，僅有4.51%。生活空間中，各區都以居住用地為主；生產空間中，一級區以商旅服務用地為主，二級區以工業生產用地為主，三級區以農業生產和商旅服務用地為主，區外以工業生產用地為主；生態空間中，水源保護區內部都以公共綠地為主，保護區外的未利用地比例較大，防護綠地在各區也占到一定比例，水面的比例較小。

表1 2018年密云區農村居民點內部用地面積統計Tab.1 Internal land use structure of rural settlements in Miyun District in 2018

基于Weaver-Thomas組合系數法的計算結果可知(表2)，密云區4個區農村居民點用地組合狀況存在差異，組合類型數從5～7不等。結果顯示，4個區均包含有居住用地、農業生產用地、工業生產用地和商旅服務用地；一級區以居住用地、公共設施用地、商旅服務用地、公共綠地為主，二級區以居住用地、工業生產用地、商旅服務用地、公共綠地為主，三級區以居住用地、商旅服務用地、農業生產用地、公共設施用地為主，區外以居住用地、工業生產用地、農業生產用地、商旅服務用地為主。

表2 2018年密云區不同區域農村居民點內部用地組合類型Tab.2 Combination types of internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

3.2 土地利用均衡度

繪制洛倫茲曲線，分析農村居民點內部土地利用的均衡程度。如圖3所示，密云區農村居民點內部用地結構中，洛倫茲曲線與均等線的距離由小到大為生活空間、生產空間、生態空間，說明在不同區域土地利用結構的均勻程度中，生活空間的分布最均衡，其次是生產空間，生態空間最不均衡。

圖3 2018年密云區不同區域農村居民點內部用地一級類的洛倫茲曲線Fig.3 Lorentz curves of first-level internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

基尼系數計算結果表明(表3)，水源保護區內部的生活空間均衡程度高于區外，而生產空間的均衡程度低于區外，且保護區內差距不大；生態空間的不均衡程度最高，一級區最不均衡。

表3 2018年密云區各區農村居民點內部用地一級類的基尼系數Tab.3 Gini coefficient of first-level internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

為分析密云區農村居民點內部用地二級類型的土地利用分布均衡程度，以村為單元，將每個村各土地利用類型按照區位熵值升序排列繪制洛倫茲曲線。由圖4可知，土地利用類型在各區的分布不均衡。其中，生活空間二級類中，居住用地的分布最為均衡，其次是公共設施用地，交通用地的分布最不均衡；生產空間二級類中，各類型的分布都較不均衡，其中工業生產用地的分布最不均衡，其次是商旅服務用地，農業生產空間的分布最均衡；生態空間分布最不均衡，其二級類分布總體都不均衡，特別是防護綠地和水面。

圖4 2018年密云區農村居民點內部用地二級類洛倫茲曲線Fig.4 Lorentz curves of second-level internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

基于基尼系數定量化分析結果可知(表4)，生活空間中居住用地的基尼系數最低，生產空間中工業生產用地的基尼系數差距較大，區外為0.31，區內不小于0.44，其余地類的基尼系數均大于0.4，且交通用地和水面的基尼系數大于0.6。同時，不同地類在各區域的均衡度不同，其中，農業生產用地在三級區內分布相對均衡，在其他區的差距較大；工業生產用地在區外分布相對均衡，在一級區和二級區內分布不均衡，三級區內分布最不均衡；商旅服務用地在一級區和三級區分布相對均衡，在二級區和區外分布不均衡；居住用地在各區的分布都較均衡；公共設施用地在一級區內分布最不均衡，其他區域相對均衡；交通用地和水面在各區的分布都不均衡；公共綠地在區內相對均衡，在區外不均衡；防護綠地在一級區內分布均衡，其他區不均衡；水面在各區的分布都不均衡；未利用地在一級區的分布最不均衡。

表4 密云區2018年不同區域農村居民點內部用地二級類的基尼系數Tab.4 Gini coefficient of second-level internal land use of rural settlements in Miyun District in 2018

3.3 景觀格局特征

農村居民點內部用地景觀格局如表5所示。由表5可知，密云區農村居民點內部用地以居住用地、農業生產用地、工業生產用地為主，斑塊密度差距較大。景觀密度最大的是居住用地，其次是農業生產用地和商旅服務用地，水面、公共綠地、防護綠地和交通用地等的斑塊密度較小，說明其分布相對集中。

表5 密云區2018年農村居民點內部用地景觀格局Tab.5 Internal land use landscape of rural settlements in Miyun District, Beijing in 2018

斑塊密度由大到小為區外、三級區、二級區、一級區，說明隨著保護區級別的提升，用地結構相對規整。斑塊形狀指數差距較大，總體看，居住用地的形狀指數最大，其次是商旅服務用地和公共設施用地，水面、工業生產用地、防護綠地、交通用地的形狀指數相對較小，說明其形狀相對規則。同時，各土地利用類型的形狀指數也都呈現了保護區內低于保護區外，高級別保護區低于低級別保護區的規律，說明級別越高，景觀的形狀越規則。

3.4 討論

密云水庫水源保護區主要位于密云北部山區，海拔高，坡度大，除保護區的政策影響外，農村居民點所處區域坡度大，居民點分布較為分散，且區域經濟發展水平相對較低，而水源保護區范圍外主要屬于密云區南部淺山區地帶，也是密云區經濟發展水平較高的區域，人口分布密集，農村居民點的分布也較為集聚，其內部用地結構差異除受水源保護區劃定影響外，也受到其他因素的影響，識別不同因素的影響效應和機制是今后研究的重點。

在中國鄉村振興戰略實施背景下，農村土地利用特別是農村居民點內部土地利用結構調整和優化是將來的研究重點，對于提高區域土地利用效益，改善農村人居環境有重要意義，農村居民點內部用地結構類型分類、精細化識別與優化利用策略等也是亟待深化拓展的重要方向。

4 結論

(1)農村居民點是生產、生活、生態功能的復合體。密云區農村居民點以生活空間為主，生產空間和生態空間為輔。不同分區的農村居民點內部用地組合類型不同，各分區農村居民點內部用地結構都是生活空間最高，生態空間最小，但結構有一定差異：生活空間中，保護區內的基礎設施和交通用地比例低于區外；生產空間中，保護區內的生產空間低于保護區外，一級區以商旅服務用地為主，二級區以工業生產用地為主，三級區以農業生產用地和商旅服務用地為主，區外以工業生產用地為主；生態空間高于保護區外，且一級區和二級區的生態空間比例最大。內部的生產空間較保護區外低，生態空間保護優于保護區外。

(2)農村居民點內部用地均衡程度不同。其中，生活空間的分布最均衡，其次是生產空間，生態空間分布最不均衡。不同用地在水源保護區內外的均衡程度不同，水源保護區外的工業生產用地分布比區內均衡；商旅服務用地在區內的均衡程度高于區外；居住用地在各區分布較均衡；公共設施用地在區內分布不均衡；交通用地和水面在各區的分布都不均衡；公共綠地在區內比區外均衡；防護綠地僅在一級區內分布均衡；水面在各分區的分布都較不均衡；未利用地在一級區的分布最不均衡，其他區域相對均衡。

(3)不同分區農村居民點景觀格局狀況有差異。分布較為混合，景觀破碎程度高，其中，居住用地的破碎度高于農業生產用地和商旅服務用地，水面、綠地和交通用地等分布相對集中；居住用地的形狀指數較大，說明其形狀較為不規則，而水面、工業生產用地、防護綠地、交通用地的形狀相對規則。同時，各土地利用類型的斑塊密度和形狀指數也都呈現了區內低于區外，高級別保護區低于低級別保護區的規律。說明保護區范圍內的農村居民點內部用地相對區外更加聚集和規則，破碎程度低。