“人居环境”这一概念最早由希腊学者道萨迪亚斯(C. A. Doxiadis)于1950年代提出, 此后更有建筑学、生态学和地理学等不同学科的学者对其进行了完善。人居环境是人类聚居生活的地方, 是与人类生存活动密切相关的地表空间, 它是人类在大自然中赖以生存的基地, 是人类利用自然、改造自然的主要场所^[1]。人居环境的适宜程度从根本上影响着人类活动的方式、进程和强度, 同时也在一定程度上决定了人口的地理格局。加强对人居环境特别是人居环境动态演变的研究, 是了解研究区人居环境适宜性的现状、演变规律以及变化趋势的重要途径。

国外学者从生态环境^[2]和气候变化^[3-4]等自然因素与人居环境关系研究, 转向关注社会空间公平^[5]、城市政策的制定^[6]和公众参与管理城市规划与设计等因素对人居环境的影响^[7], 同时还关注低收入人群^[8]和弱势群体^[9]的人居环境问题。国内吴良镛院士于1993年提出了“人居环境科学”的概念^[10]。近年来国内人居环境研究主要集中在人居环境内涵^[11]、评价方法^[12]、指标体系^[13-14]、自然因素^[15-16]与人文因素^[17-19]对人居环境适宜性的影响等方面。目前国内外对人居环境的研究在内容、尺度和方法等方面都已经日趋完善, 但国内学者对人居环境的研究多注重对人居环境适宜性的评价和指标体系的探讨等, 对其内在机理和演变规律的探讨多为自然因素对人居环境的影响方面, 人文因素的探讨相对较弱。此外, 人居环境的研究视野和对象多集中于城市人居环境, 而对于广大农村地区^[20], 尤其是新疆南疆地区的人居环境研究较少。地处西北内陆干旱区的南疆地区由于自然地理和社会经济环境特殊, 仍有部分人口生存环境恶劣, 这类地区的人居环境问题亟需得到关注。

克里雅绿洲是古丝绸之路上的重镇, 现今依然是南疆3地州经济发展的重要支撑。然而, 由于水资源过度开发、土地撂荒、土地沙漠化以及盐渍化和用水矛盾突出等问题, 生态环境已成为克里雅绿洲人居环境改善和区域可持续发展的主要阻力。笔者综合相关自然和人文因子, 开展克里雅绿洲人居环境适宜性动态演变研究, 有助于辨析绿洲人居环境状态的变化过程, 明晰人居环境重点治理区域, 从而有计划、有目的地改善人居环境, 协调区域社会、经济、环境健康可持续发展。

1 数据与方法 1.1 研究区概况

克里雅绿洲位于新疆维吾尔自治区西南部的于田县, 塔克拉玛干沙漠南缘, 昆仑山中段北麓, 其地理位置为36°44′~37°12′N, 81°08′~82°00′E(图 1)。东连民丰县, 西接策勒县, 南部与西藏自治区改则县接壤, 北部深入塔克拉玛干沙漠, 与阿克苏地区沙雅县毗邻。县境东西窄, 南北长, 近似牛腿形。南北长达466 km, 相对高差超过5 500 m。314国道自东向西贯穿全县, 县政府驻木尕拉镇, 西距和田市178 km, 北距首府乌鲁木齐直线距离972.5 km。于田县总面积4.032×10⁴ km², 其中绿洲面积仅为1.56×10⁴ km², 总人口28.95万人, 其中维吾尔族人口占98.3%。全县耕地面积335.80 km², 人均耕地仅有1 160 m², 是一个以农为主、农牧结合的国家扶贫开发重点县。克里雅绿洲位于于田县中部, 南北与戈壁荒滩连亘, 整个绿洲形状酷似马掌形, 属暖温带大陆性气候区, 四季分明, 昼夜温差较大, 日照时间长, 热量丰富, 降水较少, 多集中在6—7月。

1.2 指标体系构建

人居环境作为一个复杂的巨系统, 对其评价指标体系的探讨已有许多成果, 但尚未形成统一的标准。在前人研究^[13-14]的基础上, 从研究区实际情况出发, 构建克里雅绿洲人居环境适宜性评价指标体系, 如表 1所示。

1.3 数据来源

克里雅绿洲1995年TM影像(145/34, 成像时间为1995年8月11日)、2005年TM影像(145/34, 成像时间为2005年7月22日)、2015年OLI影像(145/34, 成像时间为2015年9月17日)、DEM数据来自美国地质勘探局网站; 1 km网格GDP数据、1 km网格人口数据、500 m×500 m多年平均气温分布图、500 m×500 m多年平均降雨分布图等来自地球系统科学数据共享平台。在2010年网格人口和GDP数据基础上, 利用均匀增长模型计算2010—2015年人口和GDP增长率后, 应用ArcGIS 10.2软件的统计分析模块获得2015年网格人口分布数据和网格GDP数据。所有空间数据通过投影变换和重采样, 将栅格分辨率统一为30 m×30 m, 投影方式为Xian_1980_3_Degree_GK_Zone_27。

2 各单项指标数据层的提取 2.1 地形起伏度数据层提取

地形条件不仅制约地表物质与能量的再分配, 影响植被的生长过程, 还决定土地利用方式和质量的优劣^[21], 除对人居环境有直接影响外, 还通过影响温度、降水量、土地覆被、风速、太阳辐射等间接影响人居环境。该研究参考封志明等^[12]的方法建立克里雅绿洲地形起伏度的提取模型, 计算公式为

$ \begin{array}{l} {S_{{\rm{RDL}}}} = {T_{{\rm{AL}}}}/1\;000 + ({H_{{\rm{max}}}} - {H_{{\rm{min}}}}) \times \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(1 - {A_{\rm{P}}}/A)/500。\end{array} $

(1)

式(1)中, S_RDL为地形起伏度; T_AL为一定区域内的平均海拔, m; H_max为区域内最高海拔, m; H_min为区域内最低海拔, m; A_P为区域内平地面积, m²; A为区域总面积, m²。

2.2 地被指数数据层提取

地被指数用来衡量土地利用状态和土地覆被特征的综合表征, 不仅包括地表自然覆盖状态, 还包括人类活动在地表的遗留物质。因此地被指数变化是人类活动和自然环境综合影响的结果, 对人居环境适宜性有一定影响。

$ {I_{{\rm{LC}}}} = {T_{{\rm{Li}}}} \times {I_{{\rm{NDV}}}}。$

(2)

式(2)中, I_LC为地被指数; T_Li为各土地利用类型的权重; I_NDV为归一化植被指数。

克里雅绿洲土地利用类型主要为耕地、林地/灌木、草地、建筑用地、水域和未利用地6种。参照文献[22]对土地利用类型赋予的权重, 结合多次在克里雅绿洲的多次野外调研情况, 最终确定各类土地利用类型的权重, 其中耕地权重为0.25, 林地/灌木为0.18, 草地为0.15, 建筑用地为0.20, 水域为0.17, 未利用地为0.05。

2.3 气候数据层提取

气候条件是影响人类生产、生活和聚居的基础条件, 也是评价区域人居环境适宜性的重要参数。利用全国多年平均降水和气温的栅格数据, 经过投影转换和重采样后得到克里雅绿洲降水和气温的栅格空间数据。

2.4 距集市距离数据层提取

乡村集市依靠复杂的功能对乡村社会起着无法替代的整合作用, 是一个集政治整合、经济贸易和文化娱乐为一体的综合场域^[23]。克里雅绿洲的农村集市不仅具有经济功能, 更突出的是其背后的社会文化功能, 参与整个集市贸易的客属都会在整个交往互动中产生新的社会关系^[24]。因此, 距集市距离的远近对农村居民生产、生活具有重要的意义。利用实地调研, 采用GPS定位各乡镇集市经纬度, 通过投影转换, 利用ArcGIS 10.2软件进行距离分析, 得到集市中心到绿洲每个点距离的图层。

2.5 距水源地距离数据层提取

绿洲的形成大都依赖一定的水系, 水资源作为绿洲生态环境的命脉, 从不同方面影响着绿洲的空间格局、规模等级、产业结构和生态环境, 距水源地距离是干旱区人居环境适宜性评价必须考虑的因素。在土地利用类型分类的基础上对水域进行提取, 利用ArcGIS 10.2软件进行距离分析, 得到克里雅绿洲各区域到水源地距离的图层。

2.6 GDP数据层提取

经济发展与人居环境建设之间是相互影响和相互促进的。于田县作为南疆地区国家扶贫开发重点县, 经济发展和生态环境保护之间不协调。GDP作为衡量地区经济发展水平的重要指标, 具有很大的参考价值, 因此选择GDP作为评价人居环境适宜性的指标。对全国1 km格网GDP空间化数据进行投影转换和重采样, 得到克里雅绿洲所在区域的GDP空间分布数据。

3 人居环境指数模型构建 3.1 模型构建

在对研究区单项指标分析和评价的基础上, 借鉴封志明等^[12]的研究, 构建克里雅绿洲人居环境适宜性综合评价模型，即人居环境指数模型, 计算公式为

$ \begin{array}{l} {I_{{\rm{HE}}}} = \alpha \times {S_{{\rm{RDL}}}} + \beta \times {I_{{\rm{LC}}}} + \chi \times T + \delta \times P + \varepsilon \times \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;{D_{\rm{M}}} + \phi \times {D_{{\rm{WS}}}} + \varphi \times {P_{{\rm{GD}}}}。\end{array} $

(3)

式(3)中, I_HE为人居环境指数, 取值范围为0~1;S_RDL为标准化地形起伏度; I_LC为标准化地被指数; T为标准化气温; P为标准化降水; D_M为标准化距集市距离; D_WS为标准化距水源地距离; P_GD为标准化GDP; α、β、χ、δ、ε、ϕ、φ分别为各单项指标所对应的权重。

3.2 单项指标标准化处理

为增加各指标之间的可比性, 需要对各单项指标进行标准化处理, 正向指标、逆向指标和适度指标的标准化计算公式分别为

$ {{x'}_i} = \frac{{{x_i} - {\rm{min}}({x_i})}}{{{\rm{max}}({x_i}) - {\rm{min}}({x_i})}}, $

(4)

$ {{x'}_i} = \frac{{{\rm{max}}({x_i}) - {x_i}}}{{{\rm{max}}({x_i}) - {\rm{min}}({x_i})}}, $

(5)

$ {{x'}_i} = {\rm{max}}\left| {{x_i} - k} \right| - \left| {{x_i} - k} \right|。$

(6)

式(4)~(6)中, x_i′为单项指标i的标准化值; x_i为单项指标i的原始值; max(x_i)为评价单元指标i的最大值; min(x_i)为评价单元指标i的最小值; k为评价单元指标i的最适宜值, 该研究中取其均值。

3.3 单项指标权重确定

采用相关系数赋权法确定克里雅绿洲人居环境适宜性评价指标的权重。计算人口密度与各单项指标之间的相关系数矩阵, 并将3 a人口密度与各单项指标相关系数的平均值作为人口密度与各单项指标的相关系数, 以保证3 a各单项指标数据的一致性。各单项指标的权重根据人口密度与各单项指标之间的相关系数占相关系数总和的比例确定, 其中地形起伏度权重α为0.003 4, 地被指数权重β为0.188 1, 气温权重χ为0.090 9, 降水权重δ为0.050 5, 距集市距离权重ε为0.118 9, 距水源地距离权重ϕ为0.078 6, GDP权重φ为0.469 6。

4 结果与分析 4.1 人居环境适宜性综合评价结果

1995、2005和2015年克里雅绿洲人居环境指数值分别为0.137~0.640、0.135~0.787和0.167~0.873, 整体呈上升趋势。

为定量分析克里雅绿洲人居环境适宜性, 利用自然间断点分级法并参考相关研究成果, 确定人居环境适宜性等级划分标准, 如表 2所示。按标准将克里雅绿洲人居环境指数划分为不适宜区、临界适宜区、低度适宜区、中度适宜区和高度适宜区5类, 结果如图 2所示。

4.2 人居环境适宜性时空演变分析

克里雅绿洲1995、2005和2015年的人居环境适宜性各分类区面积和占比统计结果见表 3。克里雅绿洲主体部分人居环境适宜性以低度适宜和中度适宜为主, 高度适宜区所占面积较小。其中高度适宜区主要分布在绿洲中部, 靠近集市和交通线的区域, 所占面积最小; 中度适宜区主要分布在绿洲中部以耕地为主的区域, 分布面积较广; 低度适宜区主要分布在中度适宜区外围, 以各类草地为主。

1995年克里雅绿洲人居环境不适宜区面积为2 243.31 km², 占比为40.10%, 主要分布在绿洲交错带外围的荒漠地区; 人居环境临界适宜区面积和占比分别为2 478.20 km²和44.30%, 主要分布在沙漠向绿洲过渡的交错带区域; 低度适宜区以绿洲主体为主, 主要土地利用类型为草地, 面积和占比分别为638.57 km²和11.41%;中度适宜区面积和占比分别为180.42 km²和3.23%, 主要分布在绿洲内部的喀尔克乡、斯也克乡、先拜巴扎镇、加依乡、木尕拉镇以及奥依托格拉克乡等地, 空间上比较集聚; 高度适宜区面积为53.92 km², 占比为0.96%, 主要分布在绿洲内部各乡镇靠近集市中心的核心区域。

由表 4可知，2005年克里雅绿洲人居环境不适宜区面积为2 244.92 km², 占比为40.13%, 比1995年增加1.61 km²。临界适宜区面积和占比分别为2 440.49 km²和43.62%, 较1995年减少37.71 km², 表明沙漠面积的扩张侵蚀了绿洲外部的交错带区域。低度适宜区面积和占比分别为463.37 km²和8.28%, 相比1995年减少175.20 km², 空间上分布在喀尔克、希吾勒、英巴格和阿日希等地, 这些区域在此阶段开发强度较大, 人居环境条件逐步改善。中度适宜区面积为397.74 km², 占比为7.11%, 较1995年增加217.32 km², 增加的区域主要是由低度适宜区转变而来。高度适宜区面积为47.90 km², 占比为0.86%, 比1995年减少6.02 km², 减少的区域主要集中在奥依托格拉克乡等地, 这些区域畜牧业的迅速发展对生态环境产生了一定的负面影响。

2015年克里雅绿洲人居环境不适宜区面积为2 527.97 km², 占比为45.19%, 近20 a面积增加284.66 km²(表 4), 表明沙漠化对绿洲的蚕食仍在继续, 沙漠面积在不断扩大。临界适宜区和低度适宜区面积和占比分别为2 119.62 km²、37.89%和444.50 km²、7.94%, 近20 a面积分别减少358.58和194.07 km²。中度适宜区和高度适宜区面积和占比分别为432.56 km²、7.73%和69.77 km²、1.25%, 近20 a面积分别增加252.14和15.85 km², 增加的区域主要集中在开发区和希吾勒乡等地。这一系列变化一方面是由于荒漠化使得交错带面积急剧减少, 人居环境临界适宜区面积缩小, 不适宜区域面积增加; 另一方面是由于靠近绿洲边缘地区, 人类活动强度不断增强, 不适宜区域通过生态环境建设和环境综合整治, 人居环境得到改善。

4.3 人居环境适宜性动态演变分析

1995、2005和2015年不同人居环境适宜类型面积的转移矩阵见表 5~7。1995—2015年不同人居环境适宜类型之间, 尤其是相邻类型之间转换现象十分明显, 其中绿洲内部各类型之间相对稳定, 而绿洲外围各类型之间转换幅度较大。

人居环境不适宜区主要转换为临界适宜区, 1995—2015年转换面积为95.81 km²。临界适宜区主要转换为不适宜区、低度适宜区和中度适宜区, 1995—2015年转换面积分别为381.66、144.21和32.67 km²。低度适宜区主要转换为临界适宜区、中度适宜区和高度适宜区, 1995—2015年转换面积分别为104.81、219.15和30.72 km²。中度适宜区主要转换为临界适宜区、中度适宜区和高度适宜区, 1995—2015年转换面积分别为0.08、13.08和30.72 km²。高度适宜区主要转换为低度适宜区和中度适宜区, 1995—2015年转换面积分别为2.13和39.23 km²。

4.4 人居环境的适宜性和限制性分析

为进一步明确影响克里雅绿洲人居环境适宜性的主要驱动因子, 拟合分析1995、2005和2015年各单项指标标准化数据与人居环境指数, 结果见图 3。其中距集市距离与人居环境指数的相关性最高, R²达0.798(P＜0.001)。距水源地距离、地被指数和GDP与人居环境指数的相关性较高, R²分别为0.604、0.556和0.439(P＜0.001)。地形起伏度、气温和降水与人居环境指数的相关性较低, R²分别为0.047、0.159和0.050(P＜0.001)。各单项指标与人居环境指数的R²依次为距集市距离>距水源地距离＞地被指数＞GDP＞气温＞降水＞地形起伏度。

总体来说, 距集市距离、距水源地距离、地被指数和GDP对人居环境适宜性的影响较大, 这些指标从根本上影响着人居环境的适宜程度。而地形起伏度、气温和降水对克里雅绿洲人居环境的影响程度相对较小。原因在于克里雅绿洲主要分布在克里雅河中下游平原地带, 地势平缓, 地形起伏度变化不大, 因此地形对人居环境的影响较小。此外, 研究区处于干旱的大陆性荒漠气候区, 面积较小, 在地形影响较弱的条件下, 气温和降水的年际变化程度和区域差异较小。

通过分析克里雅绿洲不同人居环境适宜类型区的主要影响因子发现, 人居环境高度适宜区和中度适宜区受各评价指标的限制较弱, 是克里雅绿洲人类聚居和发展的最理想区域, 人口密度也相应较高。而人居环境低度适宜区在一定程度上受到部分指标条件的限制, 这些区域地被指数较低, 同时距离集市和水源地较远, 单位面积GDP较低, 人口密度也相应较小。人居环境临界适宜区和不适宜区受除地形起伏度外各指标的严重制约, 临界适宜区多处于绿洲和荒漠之间的交错带区域, 这些区域地被指数低, 地表植被覆盖度低, 气候干旱, 距离集市距离远, 地表水源稀少, 难以利用, 单位面积GDP低; 而不适宜区域多处于荒漠和裸地, 这些区域受到地被指数、气候、距集市距离、距水源地距离和GDP的严格限制, 不适合人类长期聚居生活。

5 结论与讨论

通过选取相关自然和人文指标, 构建克里雅绿洲人居环境适宜性综合评价指标体系, 利用综合评价模型计算克里雅绿洲人居环境指数。从时空角度出发, 分析了克里雅绿洲人居环境适宜性演变情况, 并对克里雅绿洲人居环境的适宜性和限制性做了分析, 定量揭示了克里雅绿洲人居环境适宜性的空间格局和地域特征。结果如下:

(1) 在时间尺度上, 1995—2015年克里雅绿洲人居环境指数总体上呈上升趋势, 人居环境质量有所改善, 比较适宜人类聚居生活的区域面积在逐年增加, 而临界适宜区和低度适宜区面积总体上在减少。

(2) 在空间尺度上, 人居环境高度适宜区的面积呈先减少后增加的趋势, 主要集中在奥依托格拉克乡、开发区和希吾勒乡等地; 低度适宜区面积减少, 中度适宜区面积增加, 主要集中在喀尔克乡、希吾勒乡、开发区、拉依苏、兰干乡、劳改农场和稻田区等地; 临界适宜区面积减少, 而不适宜区面积增加, 主要集中在交错带区域, 说明沙漠化对绿洲外围交错带的侵蚀现象依然很严重。

(3) 1995—2015年, 克里雅绿洲不同人居环境适宜类型之间, 尤其是相邻类型之间相互转换的现象十分明显。绿洲内部各类型相对稳定, 而绿洲外围各类型之间转换幅度较大。

(4) 各单项指标与人居环境指数的相关性从高到低排序为距集市距离>距水源地距离＞地被指数＞GDP＞气温＞降水＞地形起伏度。人居环境中、高度适宜区受各指标限制性较弱, 各指标的适宜程度较高, 是人类比较理想的聚居地; 不适宜区和临界适宜区受各指标条件的严格限制, 不适合人类居住生活; 低度适宜区受到各指标条件的限制, 人居环境条件较差, 人类居住和生活受到一定的限制。

由于地区之间的差异性, 目前尚没有评价指标体系能够对不同尺度和地域的人居环境进行评价。该文中构建的指标体系虽涵盖了自然和人文方面的一些要素, 但限于研究区长时间序列空间数据较难获取, 未考虑如居民环境满意程度、基础设施、医疗卫生和科教水平等因素。因此, 要想对人居环境进行精确而全面的评价, 仍需要在模型的指标选取和参数确定等方面进行深入研究。