兗州礦區(qū)農(nóng)村居民點景觀格局變化分析

程榮，段永紅*，王萍

(1.山西農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801；2.曲阜師范大學 地理與旅游學院，山東 日照 276800)

不同形態(tài)和規(guī)模的景觀嵌塊體在空間上進行排列組合形成了景觀格局。景觀之間的本質(zhì)差別是由各種自然與人為因素在不同時空尺度上相互作用造成的。農(nóng)村居民點的數(shù)量、大小、密集程度、占據(jù)土地面積等具有一定的空間差異性。采礦擾動是礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點空間特征變化的主要原因[1]。兗州礦區(qū)煤炭資源的開發(fā)使得地表塌陷，水位高于地表，導致積水淹沒大量的耕地，嚴重影響了礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民的生產(chǎn)、生活，也成為礦區(qū)農(nóng)村居民點景觀格局變化的主要原因。

本文選取兗州礦區(qū)作為研究對象，采用最近鄰點統(tǒng)計量(R統(tǒng)計量)分析2009—2015年礦區(qū)村莊居民點規(guī)模、分布特征的變化，分析2009—2015年礦區(qū)居民點搬遷前后景觀格局變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，借助GIS的空間分析方法和景觀格局指數(shù)分析道路、塌陷積水區(qū)和河流對礦區(qū)農(nóng)村居民點布局、變化的影響。

1 研究區(qū)概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

兗州礦區(qū)位于魯西南平原地區(qū)，濟寧市境內(nèi)，地勢平坦，是我國東部平原的高潛水位的礦區(qū)。礦區(qū)內(nèi)煤層具有厚度大、埋藏較淺、儲存穩(wěn)定、易開采、水文和地質(zhì)構(gòu)造較簡單等特點，這些優(yōu)勢條件使該地區(qū)適宜建設(shè)大型和特大型礦井[2]。礦區(qū)地處溫帶半濕潤季風區(qū)，屬大陸性海洋性過渡氣候，四季分明、雨熱同期，年平均降水量712.99 mm，年平均氣溫14.1 ℃。兗州煤礦區(qū)的降水主要集中在每年的7、8 月，有時會延長到9月，最大降水量可達1 263.88 mm，約占全年降水量的65%[3]。

兗州礦區(qū)是我國眾多的優(yōu)質(zhì)煤田之一，主要有南屯、唐村、北宿、興隆莊、鮑店、楊村、東灘、濟寧二號和濟寧三號等礦井[4]。本研究選取南屯、唐村、北宿、興隆莊、鮑店、楊村、東灘礦井作為研究區(qū)(圖1)。

圖1 兗州礦區(qū)地理位置示意圖Fig.1 Geographical map of Yanzhou mining area

1.2 資料來源與數(shù)據(jù)處理

本文所用的遙感數(shù)據(jù)來源于無偏移的Google Earth歷史影像，兗州礦區(qū)2009年、2012年與2015年的遙感影像數(shù)據(jù)的分辨率為0.48 m、礦區(qū)30 m分辨率的高程數(shù)據(jù)以及相關(guān)文字資料[5]。通過人工目視判讀矢量化得到農(nóng)村居民點、道路、河流水系以及塌陷積水區(qū)范圍數(shù)據(jù)，將居民點的多邊形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點數(shù)據(jù)，進一步分析居民點的分布特征。此外，對道路、塌陷積水區(qū)及河流作緩沖區(qū)操作。

1.3 研究方法

1.3.1 最近鄰點統(tǒng)計量

利用最近鄰點統(tǒng)計量(R統(tǒng)計量)，首先計算得出各居民點與其周圍居民點之間的最小距離，然后與理想條件下的最近鄰點之間的距離進行比較，分析得出礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點分布的特征及變化趨勢[6]。計算公式見表1。

1.3.2 景觀格局指數(shù)

景觀是由不同形狀、大小、組合的自然及人文斑塊組成的嵌塊體，常運用景觀生態(tài)學方法描述農(nóng)村居民點的規(guī)模、形狀及分布特征[12]。礦區(qū)農(nóng)村居民點是鄉(xiāng)村聚落景觀的主要構(gòu)成部分，礦區(qū)內(nèi)的自然因素和人文因素影響著居民點的空間分布特征。而景觀格局指數(shù)可以反映居民點的結(jié)構(gòu)構(gòu)成、空間組合特征[13]。因此本文選取了一系列景觀格局指數(shù)分析道路、河流、塌陷積水區(qū)等自然因素對礦區(qū)農(nóng)村居民點分布、變化的影響。各景觀格局指數(shù)名稱及其具體內(nèi)涵和表征意義見表2。

2 研究結(jié)果分析

2.1 集聚與分散程度的最近鄰點統(tǒng)計量分析

利用ArcGIS10.2中的Feature to point工具，將農(nóng)村居民點的面狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點狀數(shù)據(jù)；其次通過near工具，計算得出3年礦區(qū)農(nóng)村居民點之間的最近距離；最后根據(jù)表1中的公式計算相應的值，計算結(jié)果見表3。

通過分析表3得知，2009年到2015年的7年間居民點數(shù)量共減少了16個，且最近距離的觀測值要大于期望值，并呈現(xiàn)逐年增大的趨勢，表明礦區(qū)內(nèi)的居民點在各種因素的影響下總的密度發(fā)生變化；在各年份中，R統(tǒng)計量均大于1，-1.96

表1 最近鄰點統(tǒng)計量計算公式Table 1 The calculation formula of nearest neighbor statistical

表2 景觀格局指數(shù)特征及解釋Table 2 Characteristics and interpretation of Landscape Pattern indexes

表3 2009—2015年農(nóng)村居民點分布的最鄰近點統(tǒng)計量分析結(jié)果Table 3 Summary of the Nearest Neighbor analysis for the rural settlements from 2009 to 2015

2.2 不同因素對農(nóng)村居民點分布景觀格局的影響

在ArcGIS10.2中，將道路、河流和塌陷積水區(qū)的緩沖區(qū)分析結(jié)果分別與各年份的農(nóng)村居民點點數(shù)據(jù)圖層進行合并，得到圖2～4。在此基礎(chǔ)上，利用ArcGIS的查詢統(tǒng)計功能統(tǒng)計出離道路、河流和塌陷積水區(qū)不同距離范圍內(nèi)農(nóng)村居民點斑塊的數(shù)量、周長及面積等特征，再根據(jù)公式計算相應的景觀格局指數(shù)，計算結(jié)果見表4～6。

圖2 2009年和2015年不同道路緩沖區(qū)農(nóng)村居民點分布圖Fig.2 The distributions of rural settlements within different buffers of road in 2009 and 2015

圖3 2009年和2015年不同塌陷積水區(qū)緩沖區(qū)農(nóng)村居民點分布圖Fig.3 The distributions of rural settlements within different buffers of subsidence area in 2009 and 2015

2.2.1 道路的影響

由表4分析可得，在各年份中，距離道路200 m范圍內(nèi)農(nóng)村居民點斑塊數(shù)分布最多，斑塊面積的比重均超過了50%，密度也最大；隨著距道路越遠，各緩沖區(qū)范圍內(nèi)的農(nóng)村居民點的數(shù)量逐漸減少，尤其在500～1 000 m的距離范圍內(nèi)數(shù)量減少的幅度較大；距離道路500 m之外，居民點數(shù)量的比重均不大于15%，說明農(nóng)村居民點形成的重要條件之一為道路的通達性，道路對其空間布局及演化產(chǎn)生巨大的影響[15]。

圖4 2009年和2015年不同河流緩沖區(qū)農(nóng)村居民點分布圖Fig.4 The distributions of rural settlements within different buffers of river in 2009 and 2015

表4 道路對農(nóng)村居民點分布影響的景觀格局指數(shù)統(tǒng)計表Table 4 Summary of landscape pattern index of road as the influence to the rural settlements

各距離范圍內(nèi)，斑塊數(shù)量呈現(xiàn)逐年減少的趨勢，但在0～200 m范圍內(nèi)，占斑塊總數(shù)的比重、斑塊面積及平均斑塊面積逐年升高，且平均斑塊分維數(shù)也呈現(xiàn)逐年增大的態(tài)勢，表明該礦區(qū)范圍內(nèi)居民點的形狀變得不規(guī)則、破碎。盡管居民點的數(shù)量在逐年較少，但是通過搬遷、舊村改造、整合并建居民點逐漸向道路集聚。在1 000 m范圍外，分布有為數(shù)不多面積較大的居民點，在2009—2015年間，居民點的數(shù)量和平均斑塊面積在減少，平均分維數(shù)在升高，且變化幅度較大，表明農(nóng)村居民點正處在動態(tài)變化的過程。

表5 塌陷積水區(qū)對農(nóng)村居民點分布影響的景觀格局指數(shù)統(tǒng)計表Table 5 Summary of landscape pattern index of subsidence area as the influence to the rural settlements

表6 河流對農(nóng)村居民點分布影響的景觀格局指數(shù)統(tǒng)計表Table 6 Summary of landscape pattern index of river as the influence to the rural settlements

2.2.2 塌陷積水區(qū)的影響

由表5可見，距離塌陷區(qū)500 m內(nèi)只有6%～10%的居民點，隨著離塌陷積水區(qū)距離逐漸增加，居民點數(shù)量呈現(xiàn)先增加，后減小再增大的態(tài)勢，超過50%的居民點分布在2 000 m以外的范圍。

礦區(qū)內(nèi)塌陷積水區(qū)主要集中于礦區(qū)中部，這些積水區(qū)的前身大多為耕地，而居民點大多鄰近耕地，所以有約30%的居民點分布在離塌陷區(qū)1 000 m的范圍之內(nèi)；對比3年的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，除去500～1 000 m范圍內(nèi)的平均斑塊面積及平均分維數(shù)有所升高外，其它各項景觀指數(shù)均呈現(xiàn)減小的趨勢，而1 000 m范圍以外的居民點的比重正在逐年上升，表明塌陷已經(jīng)嚴重影響到居民的生產(chǎn)生活，為了避免損失和傷害，居民點由內(nèi)部向外圍遷移，搬離塌陷積水區(qū)，并逐漸趨于穩(wěn)定。

在距離塌陷積水區(qū)2 000 m范圍以外，有較多規(guī)模較大的居民點集中分布在礦區(qū)的東南部和西部，這里遠離塌陷積水區(qū)的影響，并鄰近鄒城、濟寧市區(qū)及大的中心鎮(zhèn)，完善的基礎(chǔ)設(shè)施和良好的生活條件對居民點有較大的吸引作用；2009—2015年間居民點的數(shù)量比重在逐年上升，居民點總的面積及平均占地面積呈現(xiàn)減小的趨勢，且平均分維數(shù)有升高的趨勢，居民點的形狀變得不規(guī)則、破碎，說明居民點在良好的地理條件、區(qū)位條件及政策的影響下，村莊進行搬遷或是對原有的居民點進行整治，正處于較大的變化中。

2.2.3 河流的影響

河流是影響農(nóng)村居民點布局及演變的又一重要的自然因素，由表6可見，各年份中，離河流2 000 m范圍內(nèi)，各距離范圍內(nèi)，居民點的數(shù)量比重較均勻，在1000～1 500 m的距離內(nèi)，斑塊數(shù)量較多，平均斑塊面積也較大，且呈現(xiàn)逐年增大的態(tài)勢，主要是因為靠近河流的主要是面積較大的林地和耕地，河流可以提供灌溉水源，而居民點臨近耕地，所以則分布的相對分散，密度較小。在距離河流2 000 m范圍外，分布有超過30%的居民點，且主要集中分布于礦區(qū)的東南部和西部，這與塌陷積水區(qū)范圍影響下的農(nóng)村居民點的空間分布基本一致。

對比三年的景觀格局指數(shù)，處于0～500 m的距離范圍內(nèi)的居民點數(shù)量的比重減少較多，總的斑塊面積減少但居民點平均用地規(guī)模有所增加，斑塊密度和平均分維數(shù)均表現(xiàn)出減小的趨勢，且在2009年到2012年間平均分維數(shù)變化最大；在500～1 000 m范圍內(nèi)，居民點數(shù)量比重和平均分維數(shù)先增大后減小，平均斑塊面積先減小后增大，密度呈現(xiàn)減小的態(tài)勢。在1000～1 500 m范圍內(nèi)，居民點的個數(shù)比重增大，平均占地面積和平均分維數(shù)均增大較多。

綜上分析，研究區(qū)地下水位較高、煤層埋設(shè)淺而厚，因此煤炭資源的開發(fā)后耕地大面積塌陷且常年積水。礦區(qū)農(nóng)村居民點多通過搬遷、歸并或舊址重建等方式進行整治，由破碎、不規(guī)則的形狀向規(guī)則的趨勢發(fā)展，由塌陷積水區(qū)向非塌陷積水區(qū)的方向遷移。

3 討論與結(jié)論

(1)首先，本文通過R統(tǒng)計量研究分析得出從2009年至2015年7年間礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點的空間分布特征及變化趨勢：從2009年到2015年，居民點數(shù)量逐漸減少，均呈現(xiàn)出較分散的空間布局狀態(tài)，但在某些地區(qū)還是呈現(xiàn)出了微弱的聚集態(tài)勢。

(2)其次，結(jié)合GIS的空間分析方法和景觀生態(tài)學的知識，選取一系列景觀格局指數(shù)分析了道路、河流及塌陷積水區(qū)對居民點布局變化的影響。結(jié)果表明，由于受到道路、河流、塌陷積水區(qū)及政策的影響，礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點呈現(xiàn)出由內(nèi)向外遷移的趨勢，四周居民點的聚集程度高于中部；時間上，2015年居民點的聚集程度略高于2009年。通過分析可以得出：遠離塌陷區(qū)、鄰近主干道和河流的地塊最適宜作為居民點的搬遷選址。遷移的方向主要為鄰近大的中心城鎮(zhèn)、鄒城及濟寧市區(qū)。城鎮(zhèn)及市區(qū)的各項基礎(chǔ)設(shè)施更加完善，更適合于人口集聚，這與《濟寧市壓煤村莊搬遷用地規(guī)劃(2001—2020年)》中的新村選址建議相符合。

(3)河流和塌陷積水區(qū)對于兗州礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點空間變化的影響較大。但是兩者對居民點布局變化的影響并不相同。通過分析可見，塌陷積水區(qū)位于研究區(qū)中部，受其影響居民點逐步向外圍遷移；河流主要起到灌溉水源的作用，居民點的空間變化表現(xiàn)出趨利的特點。

(4)采礦擾動是礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點的空間特征變化的主要原因[16]。兗州礦區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民點主要通過舊地重建、整合并建、礦區(qū)內(nèi)的搬遷、搬遷到礦區(qū)之外等方式進行整治。在整治過程中，既要協(xié)調(diào)各部門的參與，也需要獲得當?shù)卮迕竦闹С?。在搬遷選址上，要綜合考慮多種因素，加強宣傳，完善基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，努力為村民營造舒適、安全的居住環(huán)境。