山地縣域聚落生態(tài)位分布特征及其與地形因子的關(guān)系
——以岷江上游為例

劉延國，廖彥淞，黃成敏，王 青

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，中國 綿陽 621010；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，中國 成都 610045)

山地縣域聚落生態(tài)位分布特征及其與地形因子的關(guān)系
——以岷江上游為例

劉延國1,2，廖彥淞2，黃成敏2，王 青1

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，中國 綿陽 621010；2.四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，中國 成都 610045)

為探究少數(shù)民族山區(qū)不同地形因子對聚落生態(tài)位分布空間格局的影響，以岷江上游少數(shù)民族山區(qū)為例，基于DEM和遙感影像及GIS技術(shù)，研究了山地縣域聚落生態(tài)位在不同地形因子上的分布特征，結(jié)合6個景觀指數(shù)的計(jì)算，定性和定量分析了聚落生態(tài)位格局與地形因子的相關(guān)性.結(jié)果表明：聚落生態(tài)位總面積較小，僅占區(qū)域面積的3.98%，單個面積也較小，平均僅為0.61 km2，分布存在明顯的垂直梯度特征，且集中分布于15～35°之間的緩斜坡及斜坡，45～135°與225～315°的半陽坡以及135～225°的陽坡面上；景觀格局指數(shù)也顯示出聚落生態(tài)位分布隨地形變化的梯度特征.由此可見，高程、坡度和坡向這三類地形因子對山地聚落生態(tài)位的大小、形狀和空間分布起著重要的影響作用.

生態(tài)位；山地聚落；地形；景觀格局；岷江上游

山區(qū)聚落作為山區(qū)群眾生存與生活的基本空間組織單元，是人類與周圍地質(zhì)、地貌、大氣、水體、土壤和植被等環(huán)境要素之間交流的平臺，其生態(tài)位反映聚落在山地垂直方向上所處的空間位置及人類生活所能利用的資源空間[1-3]，也是長期以來山區(qū)群眾利用自然資源和適應(yīng)自然環(huán)境的智慧結(jié)晶與外在表現(xiàn)形式，蘊(yùn)含了豐富的生態(tài)和地理信息.山區(qū)(地)作為以地形為主導(dǎo)的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，其土地利用景觀垂直變化梯度大約是水平變異梯度的1000倍[4-6]，是影響局部地區(qū)土地利用變化最直接和最關(guān)鍵的因素，在一定程度上決定著土地的利用類型[7-14].地形因子作為山區(qū)土地利用格局分布的重要影響因素，其變化直接影響到地面的物質(zhì)流動與能量轉(zhuǎn)化，對人類活動的限制性和對不同地類空間分布的自然選擇性，使不同地類及聚落在地形梯度上的分布呈現(xiàn)出規(guī)律變化特征[6,10].數(shù)字高程模型(DEM)作為研究空間變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，蘊(yùn)含著大量的地形結(jié)構(gòu)和特征信息[4,5,15].基于DEM和遙感影像及GIS技術(shù)，通過提取高質(zhì)量的高程、坡度和坡向等地形因子信息，定量研究山地縣域聚落生態(tài)位在不同地形因子上的分布特征，可以進(jìn)一步厘清山區(qū)聚落生態(tài)位的分布格局特征，為山區(qū)聚落優(yōu)化布局提供依據(jù).同時(shí)，鑒于山區(qū)多是貧困集中區(qū)的特點(diǎn)[16,17]，而聚落作為貧困的直接載體，其研究結(jié)果對理解區(qū)域貧困及開展減貧策略的制定也有重要意義.

1 區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 區(qū)域概況

岷江上游地處四川盆地丘陵山地向川西北高原的過渡地帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂發(fā)育，新構(gòu)造運(yùn)動隆升強(qiáng)烈，是青藏高原東麓自然地理環(huán)境的典型代表.地理位置介于31°26′～33°16′N和102°59′～104°14′E之間，地勢由西北向東南降低，地表切割由北向南加劇，屬于中深切割地形，平均高差在1 000 m以上，中、高、低山所占比例相差懸殊全國罕見，且該區(qū)域具有水平地帶性和垂直地帶性的雙重氣候特征，并在局地焚風(fēng)效應(yīng)的影響下，干旱河谷的隱域性分異現(xiàn)象明顯.岷江上游行政區(qū)劃隸屬于四川省阿壩藏族羌族自治州，其范圍大致與汶川、理縣、茂縣、黑水及松潘五縣的行政界線相一致，面積2.24萬km2，人口39.2萬人，農(nóng)業(yè)人口占75%以上，少數(shù)民族占總?cè)丝诘?9%以上，是四川省內(nèi)藏族、羌族和回族聚落的集中分布區(qū)，我國主要的羌族聚居區(qū).在藏—羌—漢—回多元民族交融的發(fā)展進(jìn)程中，形成了我國西南地區(qū)一條重要的民族廊道以及自然景觀帶.岷江上游地區(qū)在多源文化背景下，長期以來的人類生計(jì)活動對山地生態(tài)環(huán)境的持續(xù)干擾，加上活躍地震帶的疊加影響，使其成為長江上游典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，川西農(nóng)牧民貧困連片集中區(qū)(4個省級貧困縣，1個國家級貧困縣黑水縣)，該區(qū)一直是扶貧開發(fā)關(guān)注的重點(diǎn)區(qū)域，也是學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)區(qū)[18-20].

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究采用的遙感數(shù)據(jù)包括3個方面：(1)SPOT-5(2009～2010年，2.5 m全色和10 m多光譜波段)影像數(shù)據(jù)，成像傳感器均HRG2，數(shù)據(jù)格式均為GEOTIFF，產(chǎn)品級別均為1 A；(2)數(shù)字高程模型(DEM)；(3)Google Earth三維立體影像及在線免費(fèi)數(shù)據(jù).采用田野調(diào)查、3S技術(shù)相結(jié)合的方法，開展對岷江上游的聚落生態(tài)位的定量信息提取.

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)處理

2.1.1 遙感影像預(yù)處理 采用ERDAS IMAGINE 9.2對SPOT遙感影像進(jìn)行幾何校正及分辨率融合.以實(shí)地采取的控制點(diǎn)為地理參考，通過Google Earth三維立體影像對多光譜和全色波段數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，實(shí)現(xiàn)多光譜和全色波段數(shù)據(jù)的融合.

2.1.2 聚落生態(tài)位信息提取 聚落生態(tài)位是以聚落為中心，占有一定地理空間的實(shí)體范圍，包含房屋建筑、農(nóng)田、經(jīng)濟(jì)林地、部分斜坡草地以及道路等要素的人工—自然綜合體，故以融合影像為數(shù)據(jù)源，輔助區(qū)域Google Earth影像，在ArcGIS 10.2中采用目視解譯法提取岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位空間信息.

2.1.3 基于DEM的高程、坡度和坡向分級 利用DEM 數(shù)據(jù)，采用ArcGIS中的Spatial Analyst模塊下的表面分析分別提取高程、坡度和坡向信息.高程是影響土地利用方式的重要環(huán)境因子，隨著高程的增加，大氣濕度、溫度都會發(fā)生明顯的變化，導(dǎo)致土地的利用方式隨高程的變化發(fā)生一定的變化.坡度對土地利用有著重要的影響：小于6°的坡地，可以作為農(nóng)用旱地或牧草地；大于6°的坡地，易產(chǎn)生強(qiáng)烈的侵蝕，需修筑梯田或采用水保耕作法等水保措施；25°是退耕還林還牧界限；溝坡地的地面坡度大部分在35°以上，該類土地應(yīng)以種草造林為主要利用方式，以保護(hù)邊坡的穩(wěn)定性，防止崩塌、錯落等重力侵蝕發(fā)生；45°是植樹造林的上限[15].坡向表征了地面任何一點(diǎn)高程值改變量的最大變化方向.為了便于對聚落生態(tài)位在不同地形因子上進(jìn)行特征分析，結(jié)合相關(guān)研究成果及研究區(qū)實(shí)際[2,3,15,21]，對聚落生態(tài)位高程、坡度、坡向分級如表1.

表1 聚落生態(tài)位高程、坡度、坡向分級

2.2 研究方法

景觀指數(shù)是指能夠高度概括景觀格局信息，反映結(jié)構(gòu)組成和空間配置等方面特征的簡單定量指標(biāo)[22-24].根據(jù)研究需要，分別從斑塊水平、類型水平和景觀水平3個層次，選取斑塊數(shù)量、斑塊密度、斑塊平均面積、面積加權(quán)形狀指數(shù)、面積加權(quán)分維數(shù)、斑塊分離度指數(shù)，研究聚落生態(tài)位景觀格局狀況.以提取到的聚落生態(tài)位信息為數(shù)據(jù)源，在ArcGIS 10.2中將提取到的聚落生態(tài)位矢量數(shù)據(jù)柵格化，用于在Fragstats 4.2中進(jìn)行景觀指數(shù)的計(jì)算，輔助SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

面積加權(quán)形狀指數(shù)(AWSMI)：斑塊的周長與面積比乘以各自的面積權(quán)重后的和.當(dāng)AWSMI=1時(shí)，表明所有斑塊形狀為最簡單的方形；當(dāng)AWSMI增大時(shí)，斑塊形狀變得復(fù)雜，更不規(guī)則，采用下列公式[22-24]：

式中，n為聚落生態(tài)位數(shù)量，Pi為聚落生態(tài)位周長，ai是聚落生態(tài)位面積，A為縣域聚落生態(tài)位總面積.

面積加權(quán)分維數(shù)(AWMPFD)： AWMPFD運(yùn)用分維理論來測量斑塊和景觀的空間形狀復(fù)雜性，是反映景觀格局總體特征的重要指標(biāo).AWMPFD=1代表斑塊形狀最為簡單的正方形或圓形，AWMPFD=2代表周長最復(fù)雜的斑塊類型，采用下列公式[22-24]：

式中指標(biāo)含義同上.

斑塊分離度(Fi)：指不同斑塊個體分布的分離程度，采用下列公式[22-24]：

式中指標(biāo)含義同上.

3 結(jié)果與分析

通過ArcGIS 10.2對岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位的提取結(jié)果(表2)顯示，聚落生態(tài)位總計(jì)1 667個，區(qū)域總體聚落生態(tài)位占區(qū)域總面積比例都較小，最小的理縣僅占2.09%，一定程度上反映山區(qū)適宜的聚落生態(tài)位面積區(qū)域較小；汶川平均海拔最低，松潘處在高原面上，平均海拔最高，區(qū)域垂直分異特征明顯，隨著區(qū)域平均海拔的升高，聚落生態(tài)位密度變小，平均面積呈增大趨勢，汶川最小，松潘平均最大超過113公頃，說明高海拔區(qū)域聚落需要更大的資源空間以維持其生計(jì).

表2 聚落生態(tài)位總體特征

3.1 聚落生態(tài)位在不同地形上的分布特征

3.1.1 在不同海拔梯度上的分布特征 將DEM和聚落生態(tài)位疊加，統(tǒng)計(jì)聚落生態(tài)位在不同海拔梯度上的分布，結(jié)果如表3所示.

表3 聚落生態(tài)位海拔梯度信息

隨著海拔的升高，聚落生態(tài)位面積逐步增大；汶川縣聚落生態(tài)位整體分布海拔最低，松潘縣聚落生態(tài)位整體分布海拔最高，且海拔3 200 m以上聚落生態(tài)位面積占25%以上，屬典型的高山聚落；汶川、理縣、茂縣及黑水縣，聚落大都分布在1 300～2 800 m之間，處在河谷暖溫帶半干旱氣候(2 000 m以下)、溫帶半干旱河谷氣候(2 000～2 500 m)以及山地寒溫帶氣候(2 500～3 000 m)帶上；松潘縣聚落主要分布在2 800～3 200 m之間，處于山地亞寒帶氣候(3 000～4 000 m)帶上.

3.1.2 聚落生態(tài)位在不同坡度上的分布特征 將坡度和聚落生態(tài)位疊加，統(tǒng)計(jì)聚落生態(tài)位在坡度上的分布，結(jié)果如表4.

(1)岷江上游聚落生態(tài)位集中分布于15°～35°之間的緩斜坡及斜坡山地上，分布數(shù)量最多，面積占比最大；聚落生態(tài)位平均面積隨坡度的升高逐漸降低，說明坡度高的山地很難找到合適的生態(tài)位，平均周長隨著坡度升高也降低，形狀趨于簡單；松潘縣處在高原臺面上，15°以下緩地分布聚落面積占40%以上，汶川、理縣、茂縣及黑水15°以下緩地分布都在10%左右.

(2)<6°的平緩地上，松潘縣聚落生態(tài)位面積最大，平均面積最大，高于茂縣，最低的為黑水縣在2%以下；6°～15°的緩地上，松潘縣聚落生態(tài)位占據(jù)明顯優(yōu)勢，面積占比接近25%，其次為汶川，最低的為茂縣、黑水都在9%左右；15°～25°的緩斜坡上，汶川、茂縣及黑水的面積超過30%，其中茂縣數(shù)量占比超過30%，最少的理縣數(shù)量超過20%；25°～35°的斜坡上，汶川、理縣、茂縣及黑水的聚落生態(tài)位分布面積最大，其中黑水面積占比超過40%，數(shù)量超過37%，除松潘以外數(shù)量比例都接近30%；>35°以上的斜坡上，平均面積都較小，其中汶川聚落生態(tài)位分布數(shù)量最多，其次是黑水，松潘最少，理縣面積占比及數(shù)量占比都最高，分別為27.19%及34.51%.

表4 聚落生態(tài)位坡度信息

3.1.3 聚落生態(tài)位在不向坡向上的分布特征 將坡向和聚落生態(tài)位疊加，統(tǒng)計(jì)聚落生態(tài)位在坡向上的分布，結(jié)果如表5.

(1)岷江上游聚落生態(tài)位主要分布于45°～135°和225°～315°以及135°～225°之間半陽坡及陽坡山地上，半陽坡山地分布最為集中，且聚落生態(tài)位平均面積較?。魂幤戮勐渖鷳B(tài)位也占據(jù)一定比例，汶川、理縣、茂縣總面積占比超過20%，最高的理縣達(dá)32%，平均面積也較大.

(2)0°～45°和315°～360°的陰坡上，汶川縣數(shù)量分布最多達(dá)116個，面積占比最高的為理縣，松潘縣數(shù)量及面積占比都最少；45°～135°和225°～315°的半陽坡上，聚落分布最多，最高的松潘超過58%，最少的理縣也超過44%，面積占比也都在40%以上；135°～225°的陽坡上，黑水與松潘占明顯優(yōu)勢，最小的汶川面積占比也超過22%.

表5 聚落生態(tài)位坡向信息

3.2 不同地形因子聚落生態(tài)位景觀格局指數(shù)特征

3.2.1 總體景觀格局特征 岷江上游聚落生態(tài)位總體景觀格局計(jì)算結(jié)果如表6，岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位占國土面積比例都較小，平均僅為3.98%，單個聚落生態(tài)位的面積也較小，最大的僅為1.14 km2；隨著區(qū)域整體平均海拔的升高，聚落生態(tài)位密度變小，平均面積變大，高寒區(qū)域受作物生長季節(jié)及產(chǎn)出的限制[18,20，25]，要滿足生產(chǎn)生活需要的作物產(chǎn)出，目前只有通過擴(kuò)大作物種植面積來取得，因此聚落生態(tài)位面積低海拔區(qū)域大.總體而言整個岷江上游地區(qū)聚落聚集度明顯，隨著區(qū)域平均海拔的升高，聚落區(qū)域集中分布，且形狀趨于不規(guī)則，說明高海拔區(qū)域聚落生態(tài)位處于自然狀態(tài).

表6 聚落生態(tài)位景觀格局總體特征

3.2.2 不同海拔梯度上聚落生態(tài)位集中分布區(qū)景觀格局特征 不同海拔梯度岷江上游聚落生態(tài)位集中分布景觀格局特征如表7.

(1)隨著海拔梯度的升高，聚落生態(tài)位密度逐漸降低，分離度指數(shù)逐漸變小，在一定程度上說明高海拔聚落集中趨勢明顯，符合便于勞動互助與交往等方面的社會性需要特征，聚落面積逐漸變大，且形狀趨于不規(guī)則.

(2)1 300～2 200 m海拔區(qū)間，理縣聚落生態(tài)位比汶川更聚集，且面積更小，形狀更復(fù)雜；2 200～2 800 m海拔區(qū)間，高原面上的松潘聚落生態(tài)更集中，面積更大，形狀也比汶川、理縣、茂縣更為復(fù)雜；2 800～3 200 m海拔區(qū)間，松潘縣聚落生態(tài)位更復(fù)雜也更集中，其中黑水縣在此區(qū)段生態(tài)位密度最大.

(3)低海拔區(qū)域的汶川而言，隨著海拔梯度升高，聚落生態(tài)位形狀趨于復(fù)雜，而高原面上的松潘聚落形狀指數(shù)逐漸減小，形狀趨于簡單.

表7 不同海拔梯度上聚落生態(tài)位集中分布區(qū)景觀格局特征

3.2.3 不同坡度聚落生態(tài)位集中分布區(qū)景觀格局特征 不同坡度岷江上游聚落生態(tài)位集中分布景觀格局特征如表8所示.

(1)隨著坡度的升高，聚落生態(tài)位密度逐漸升高，集中趨勢明顯，且形狀趨于不規(guī)則.

(2)6°～15°區(qū)間段，低海拔區(qū)域的汶川比高原面上的松潘更集聚，密度更大，且形狀更規(guī)則，說明汶川聚落生態(tài)位在緩地上的人為干預(yù)程度高；15°～25°的緩斜坡上，茂縣聚落生態(tài)位形狀最復(fù)雜，集聚程度而言，汶川最為集中，松潘較松散，密度而言，高原面上的松潘依然最?。?5°～35°的斜坡上，汶川、茂縣及黑水縣聚落生態(tài)位數(shù)量分布較多，且比理縣及松潘縣要松散；茂縣聚落生態(tài)位形狀最復(fù)雜；>35°的斜坡上，依然分布有數(shù)量較多聚落，除松潘高原面上，其余4縣域聚落生態(tài)位密度大，面積小，形狀比低坡度聚落生態(tài)位復(fù)雜.

表8 不同坡度上聚落生態(tài)位集中分布區(qū)景觀格局特征

3.2.4 不同坡向聚落生態(tài)位集中分布區(qū)景觀格局特征 不同坡向上岷江上游聚落生態(tài)位集中分布景觀格局特征如表9所示.

(1)聚落生態(tài)位在半陽坡分布最多，密度最大，聚落形狀從陰坡到半陽坡及陽坡逐漸趨于簡單，從平均低海拔的汶川到高原面上的松潘，集中趨勢明顯.

(2)0°～45°及315°～360°的陰坡上，汶川分布聚落最多，密度最大，松潘最少，且形狀最復(fù)雜，茂縣聚落生態(tài)位形狀也比較復(fù)雜；45°～135°及 225°～315°的半陽坡上，聚落生態(tài)位分布最多，密度最大，形狀較陰坡簡單；135°～225°的陽坡上，集聚度明顯，形狀較半陽坡簡單，從另外一個角度說明山區(qū)陽坡適宜生態(tài)位面積較小，半陽坡為山區(qū)聚落的適宜生態(tài)位.

表9 不同坡向上聚落生態(tài)位集中分布區(qū)景觀格局特征

3.3 結(jié)果分析

從聚落生態(tài)位在不同地形上的分布特征來看，具有明顯的海拔梯度特征，隨著海拔梯度升高，聚落數(shù)量減小，面積逐漸增大，不論在哪一個海拔區(qū)間，聚落生態(tài)位多選擇在坡度較平緩的半陽坡及陽坡區(qū)域，這與岷江上游的山地特征及特殊的氣候特征相吻合，也是少數(shù)民族群眾在首先滿足基本的生存需要前提下，提高生產(chǎn)效率與及生活便捷水平的必然選擇；從聚落生態(tài)位景觀格局指數(shù)特征來看，基本與不同地形上的分布特征相一致，聚落生態(tài)位密度逐漸降低，分離度指數(shù)逐漸變小，符合便于勞動互助與交往等方面的社會性需要特征，聚落生態(tài)位形狀趨于不規(guī)則，主要是高海拔區(qū)域，受作物生長季節(jié)及產(chǎn)出的限制[18,20，25]，要足夠的滿足生產(chǎn)生活需要的作物產(chǎn)出，目前只有通過擴(kuò)大作物種植面積來取得，因受地域空間限制程度較小，生態(tài)位更多處于自然狀態(tài)，形狀更不規(guī)則.

綜上，岷江上游山區(qū)聚落生態(tài)位分布及其空間格局特征是長期以來少數(shù)民族群眾利用自然資源和適應(yīng)自然環(huán)境的產(chǎn)物，是其智慧的結(jié)晶與外在表現(xiàn)形式，但由于不合理的人類生計(jì)活動及活躍地震帶的影響，岷江上游也成為長江上游典型的生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)和川西農(nóng)牧民貧困連片集中區(qū)，到2020年實(shí)現(xiàn)區(qū)域全部脫貧，是四川省及國家的現(xiàn)實(shí)要求與戰(zhàn)略目標(biāo)，本文的研究結(jié)論也能從一個側(cè)面為區(qū)域精準(zhǔn)扶貧策略的制定提供一定參考.

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(編輯 HWJ)

Spatial Distribution of the Mountain Settlement Niche and its Relationship with Terrain Factors—A Case Study of Min River

LIUYan-guo1,2*,LIAOYan-song2,HUANGCheng-min2,WANGQing1

(1.School of Environment and Resource,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621010,China;2.College of Architecture and Environment,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

To understand the influence of terrain factors on the mountain settlement niches at country’s scale,in this paper,by taking the poverty stricken ethnic mountainous region of the upper reaches of Min River as an example and using the Digital Elevation Model (DEM),remote sensing data and the geographic information system,we studied the spatial distribution characteristics of mountain settlement niches on different terrains.Simultaneously,the correlation between mountain settlement niches and the terrain environment was also qualitatively and quantitatively examined with the six landscape metrics.Our results show that the total area of mountain settlement niches takes only 3.98 percent of the studied area,with the single niche is only 0.61 square kilometers.There is a significant terrain gradient in spatial distribution of settlement niches,which mainly concentrate in the region of slop 15～35°,in the aspect of 45～135°and 225～315°,the semi-sunny slopes,and the aspect of 135～225°,sunny slops.There is also a significant terrain gradient in landscape pattern metrics of spatial distributions.Therefore,it becomes clear that terrain factors,including elevation,slope and aspect strongly influenced the spatial distribution of settlement niches in mountain areas.

niche; mountain settlement; terrain; landscape pattern; upper reaches of Min River

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.01.003

2015-03-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41301587,41371185);國家科技支撐計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2011BAK12B04)

* 通訊作者,E-mail：liuyg@swust.edu.cn

K90; P94

A

1000-2537(2017)01-0017-09