农村居民点作为人类生产生活的重要载体^[1-3],伴随着中国改革开放社会经济的飞速发展,在快速城镇化和工业化的扰动下^[4],以及城乡二元结构的长期束缚和“重城轻乡”发展战略导向驱使下^[5-6],农村居民点用地粗放、功能单一、缺乏规划、空心化、贫困化、环境污染化等一系列“乡村病”日益凸显、越发严重^[7]。党的“十九大”审时度势,鲜明指出中国特色社会主义进入新时代,并首次提出“实施乡村振兴战略”,致力于建设“产业兴旺、生态宜居、乡村文明、治理有效、生活富裕”的现代化新农村^[6]。乡村振兴,生态宜居是关键,居民点适宜性评价是进行乡村整治、优化重构,改善人居环境的前提基础^[8-10]。因此,在新时代实施乡村振兴战略背景下,基于科学、客观的居民点适宜性评价结果,立足区域发展实际、根据资源禀赋因地制宜的探索开展人居环境整治,已成为亟待解决的重点前沿课题。

国际学者针对农村居民点适宜性评价开展了大量研究,取得丰硕成果。总结已有研究,主要呈现以下几方面特点:(1)研究地域多样化。涵盖平原、山地、农区、盆地、少数民族区域和生态经济区,主要有陕西关中平原腹地西安杨陵区^[11]、宝鸡市陇县^[12]、黑龙江省五常市^[13]、山西忻定盆地忻府区^[14]、江西省潘阳湖生态经济区潘阳县^[15]、西南典型低山丘陵区^[16]以及四川盆地震后重建北川羌族自治县^[17]、川中丘陵隆昌市^[18]、成都平原都江堰市^[19];(2)评价指标完善化。在传统的土地适宜性评价指标,例如高程、坡度、坡向等自然因素^[19]以及距道路、距城镇等区位因素^[16]的基础上,根据评价目标的导向性以及区域的差异性,反映社会经济发展状况的人居可支配收入、人口城镇化率、土地经济密度等因子,以及土地利用类型、生态保护区、人文景观、地质灾害、植被覆盖度等生态环境因素逐渐纳入到评价指标体系中^[13-15,20];(3)研究数据多源化。涵盖了中国资源3号卫星、全球MODIS NDVI,Landsat OLI,DEM等遥感影像数据,土地利用现状、国土资源调查及年度变更等土地利用数据,地形图、土壤图、交通道路、河流水系、植被、地质灾害、城乡规划等辅助数据以及统计年鉴等社会经济统计数据^{[11,13,21-22]};(4)评价模型、理论丰富化。在传统的土地资源学土地适宜性评价理论基础上逐渐引入景观生态学、生态位理论^[23-24]、AVC三力^[20]、“源、汇”景观理论等^[25]新理论,评价模型在传统的AHP层次分析法基础上,利用RS遥感影像,基于GIS空间分析,最小积累阻力模型^[19]、灰靶模型^[26]、生态位适宜度模型^[27]、物元模型等^[28]模型方法已广泛应用到居民点适宜性评价中。已有研究成果丰富了农村居民点适宜性评价前沿研究,为农村居民点规划、整治、重构,人居环境改善及乡村振兴战略实施提供科学依据。但尚且存在部分问题没有很好的解决,例如评价因子权重赋值人为主观臆断现象。截至目前,评价指标因子选取和因子权重赋值尚无统一规范或标准,主要依靠参与人员或专家经验进行权重赋值,因而由于人员的专业背景、学术经验差异化以及研究区域的独特性,导致因子权重赋值存在较为严重的人为主观臆断现象,进而引发评价结果准确性存在偏差。

基于数据驱动的机器学习方法可以杜绝人为主观臆断影响。近年来,随着信息科学技术的兴起,使得基于数据驱动的机器学习方法在土地科学领域的土地类型分类^[8]、城市扩张^[29]、资源生态安全评价^[30]、栖息地适宜性评价等^[31]方面得到了广泛运用。探讨基于数据驱动的机器学习方法在居民点适宜性评价领域应用的案例成果虽为罕见,但已成为学术前沿研究趋势^[8]。因此,本文以生态环境脆弱、少数民族边疆地区的内蒙古包头市达尔罕茂明安联合旗(简称达茂旗)为例,基于数据驱动的机器学习maxEnt模型方法,选取DEM、坡度、坡向自然环境因素,距道路距离、距城镇距离区位条件因素,距耕地距离、距林地距离、距水域距离生产条件因素以及植被覆盖度、距草地距离生态环境因素,对达茂旗居民点空间分布适宜性进行评价研究,进而厘清各因子要素对居民点适宜性影响的重要程度,明晰适宜区居民点与各因子要素的最佳配置关系,以期为该区域居民点优化整治、人居环境改善提供新思路。

达茂旗全称达尔罕茂明安联合旗,地理位置处于109°16'—111°25'E,41°20'—42°40'N,位于阴山山脉北麓,北与蒙古国接壤,东邻乌兰察布市四子王旗,西接巴彦淖尔市乌拉特中旗,南连呼和浩特市武川县、包头市固阳县,国境线长88.6 km。达茂旗是包头市唯一以蒙古族为主体、汉族占多数、多民族聚居的边境少数民族地区,旗内总人口12万人,其中少数民族1.83万人(蒙古族1.73万人),有蒙、汉、回、满等15个民族。全旗管辖7个镇、2个乡、3个苏木、77个村(嘎查)委员会,总面积1.82万km²,其中天然草场面积1.66万km²,是内蒙古自治区十大天然牧场之一。达茂旗地处大青山西北内蒙古高原地带,地势南高北低,缓缓向北倾斜,南部属丘陵区,中、西有低山陡坡,北部属高平原台地,间有开阔原野,最高海拔1 846 m,平均海拔1 367 m。达茂旗地处中温带,又深居内陆腹地,大陆性气候特征显著,属中温带半干旱大陆性气候。达茂旗地广人稀,资源丰富,民族文化底蕴深厚,居民点建设功能单一,缺少规划,呈“满天星”的高度离散特征^[32]。

maxEnt模型表明影响达茂旗居民点空间分布适宜性最重要因子为距道路距离,其次是距耕地距离,而自然因素中的坡度、DEM及坡向因子对其影响重要程度较低,这与一般研究中基于参与人员经验而给定的因子权重排名并不一致^[16,24]。其原因是maxEnt模型采用刀切法(Jackknife)判断各环境因子的重要性。首先分别使用各环境因子单独建模计算,即利用“仅此变量”建模; 再排除该因子,利用剩余环境因子建模,即“除此变量”计算; 最后“所有变量”建模计算,即使用评价指标体系全部环境因子建模,通过交叉检测验证,根据各因子的贡献值大小来判读其重要性,进而避免了AHP层次分析法和最小积累阻力模型等方法中因子权重赋值的人为主观臆断现象,使得评价结果更客观。

评价因子响应曲线显示出,达茂旗居民点空间分布适宜性分区在高程值选择上并未呈现出低地取向性,高程值约在1 350～1400 m时适宜性最高,在1 400～1800 m时也呈现出较好的适宜性,该结果与已有研究结论一致^[32,49]。达茂旗地处阴山北麓,区内地势南高北低,呈现出向北逐渐倾斜趋势,居民点空间分布上也具有南部聚集北部较离散的特征。坡度值在0°～2.5°区间内随着坡度值增加其适宜性增高,而在15°临界值之内,随着坡度增加其适宜性降低,该结果与一般研究结论相同。达茂旗居民点空间分布适宜区多集中在坡向值126°～234°,即东南坡、南坡和西南坡上。李飞等^[50]对同属于农牧交错区的科尔沁左翼中旗农村居民点研究中同样证实农牧交错区的居民点在坡向选择中部分居民点坐落于东南坡等阴坡,同样现象在张鑫等^[49]对达茂旗居民点空间分异特征研究中也得到佐证。

maxEnt模型与传统模型对比在对达茂旗居民点空间分布适宜性评价中表现出一定的优越性,为基于数据驱动的机器学习模型与方法对乡村地理学研究中居民点适宜性评价、人居环境优化重构等研究提供参考案例。但在maxEnt模型评价结果进行适宜区等级划分中尚无统一标准,进而导致各类适宜区空间分布位置及面积大小等受到一定影响。农村居民点作为人类生产生活的重要载体,已然成为一种自然—社会—经济的复合生态位,深受自然环境、社会经济发展、民族文化、民族信仰,政府调控政策等多重因素的影响,由于数据获取等原因,本文仅局限于单一时间点分析,而未能够对其进行长时间序列的综合全面研究。maxEnt模型虽然备受国内外学者青睐,近年来得到了较为广泛的认可和较高的使用率,但该模型其普适性等问题还需慎重考虑,通过广泛的应用及逐渐的改进优化,该模型将会给居民点适宜性研究带来新的憧憬,基于数据驱动的机器学习模型与方法也终将开拓乡村地理学研究的新境界。

图4 因子响应曲线

(1)达茂旗居民点空间分布最适宜区面积最小,主要分布在达茂旗百灵庙镇东北部、石宝镇东南部、希拉穆仁镇南部、达尔罕苏木乡西北部及达茂旗南部的乌克忽洞镇及西河乡范围内,非适宜区多集中在达茂旗北部的满都拉镇、巴音花镇和查干哈达苏木区域内,所占面积高于最适宜区占比。

(2)距道路距离因子对达茂旗居民点空间分布适宜性影响最为重要,距草地距离、距城镇距离及植被覆盖度因子影响重要性低于距耕地距离和距林地距离因子。相比较上述因子而言,距水域距离、坡度、DEM及坡向因子对达茂旗居民点空间分布适宜性影响作用最弱。

(3)高程值在1 350～1 400 m时最适宜,无低地取向性,但有较明显的低平缓坡度指向性,0°～2.5°适宜性最高。坡向方面适宜区青睐于南坡和西南坡,东南坡阴坡上也具有一定适宜性。随着距道路、城镇的距离值增加适宜性降低。距耕地距离因子与距水域距离因子影响趋势相似,起初适宜性随着距离增加而降低,接着出现适宜性平缓区域,超过某个临界值后适宜性呈断崖式下降,最后趋于无变化。距草地距离约300～800 m时适宜性最好,植被覆盖度值越高其居民点空间分布适宜性越高。