基于地形起伏度的中国西南地区人口集疏格局演化研究

钟 静,卢 涛,*

1 中国科学院成都生物研究所, 中国科学院山地生态恢复与生物资源利用重点实验室,生态恢复与生物多样性保育四川省重点实验室, 成都 610041 2 中国科学院大学, 北京 100049

人口分布格局是特定时间内人口在某一地理空间的集散状态[1],它的形成是区域内自然因素、社会经济因素、政治历史因素等共同作用的结果[2]。其中,自然环境因素作为人类生存发展的基础,决定了人口分布的基本格局[3]。人口分布格局差异是区域差异的客观反映[4],并且人口数量变化和空间分布通过改变自然资源、粮食需求、土地利用覆被等直接或间接地影响生态过程[5]。因此,探讨人口空间分布格局及规律是研究区域人口、资源与环境协调发展的基础,对于增进对人地关系的理解,实现区域可持续发展具有十分重要的作用[6]。

人口集疏格局作为人口分布在空间上的直观表达,在一定程度上决定了区域资源配置与发展规划[1]。研究人口集疏格局演化不仅有利于揭示人口流动规律及动态变化趋势[7],还可以反映区域人地关系状况,因为人口聚集区往往对自然环境资源有着更大的威胁和需求[4]。目前,对人口集疏格局的研究较多,区域[8],国家[7-9]、省域[10]及重点城市[11]等多个尺度均有涉及；研究方法较多且不断趋于成熟,主要包括空间统计分析法[10]、洛仑兹曲线法[1]、半变异函数法[12]、样带分析法[1]等。但相关研究通常偏重于对人口分布静态格局的理解,而对人口集疏格局演化过程则罕有涉及[13-14]。少数涉及到人口集疏格局演化过程的研究,也往往采用人口密度作为指标[10]。人口密度虽然能在一定程度上反应人口的集疏格局状况,但作为人口空间分布的静态指标,其格局的形成在短时间内变化往往并不明显[7,11],并且较难区分人口自然增长率差异较小时的人口集聚情况[12]。因此,近年来研究人员建议采用人口集聚度指标[9,15- 17]和人口流动指标[18- 20]对人口集疏格局演变进行量化表征,从而揭示不同地区人口集疏分布的内在规律。

地形起伏度作为关键的自然环境因素,对区域人口的空间分布有着重要影响[9,21-22]。目前,围绕地形起伏度与人口分布格局关系的研究大都集中在探讨地形起伏度对人口分布格局的静态影响方面[1,22- 25]；而针对地形起伏度对人口集疏格局演化的定量影响研究尚不多见。中国西南地区地貌类型多样,地形结构复杂,区域人口集疏格局具有明显的地域特征,如何科学量化地形起伏度在人口集疏格局形成和演化过程中的作用,对区域可持续发展具有重要意义。因此,本文旨在基于中国西南地区地形起伏度数据和1995—2010年间4个时间节点的人口统计数据,定量分析地形起伏度对人口增减变化及人口集疏格局演化的影响,揭示区域人口分布的静态地域格局以及人口流动的动态变化趋势,以期为增进对该区人地关系的理解提供科学支撑。

1 研究区概况

图1 中国西南地区区位图Fig.1 Location of southwestern China

中国西南地区主要包括四川、重庆、云南、贵州、广西、青海南部以及西藏中东部地区(图1),大致介于83.862°—112.069°E,21.135°—36.482°N之间,总面积为254.6×104km2。西南地区横跨中国一二三级阶梯,是长江、黄河等多条河流的发源地及上游区,地形结构复杂,海拔差异较大,涵盖高原、平原、山地、丘陵等多种地貌类型。

根据2010年度的统计结果,西南地区共辖县市级行政区665个,总人口约2.65亿。人口分布地域差异较大,西部地区地域广阔,但人口数量少,分布稀疏；东部平原和丘陵地区,面积相对较小但人口数量众多,且分布集中。

2 材料和研究方法

2.1 数据来源

本研究采用的数据源主要包括中国西南地区数字高程模型数据ASTER GDEMv2(30m)和1995年、2000年、2005年以及2010年的人口统计数据。其中,研究区DEM数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站(http://www.Gscloud.cn),并经校正、投影转换等前期处理后,由西南地区2010年度的县域矢量图裁剪得到。各区县人口统计数据、行政区域面积数据,源于各省、直辖市、自治区的统计年鉴。

因西南地区在研究时段内存在县级行政区的撤并以及边界的变化,本文统一采用2010年中国县级行政区划作为基本研究单元以便于数据的统计分析。

2.2 研究方法

2.2.1 地形起伏度提取

地形起伏度的提取主要采用窗口分析法和均值变点分析法[26]。根据本文作者之前对中国西南地区地形起伏度最佳分析尺度的研究结果[27],以2.43km2作为分析窗口提取区域地形起伏度。通过ArcGIS软件的Neighborhood Statistics工具计算分析窗口内最大高程和最小高程值的专题图层,进而利用Raster Calculator计算二者的差值得到地形起伏度图层,最后通过求取地形起伏度的平均值得到中国西南地区以县域为单位的地形起伏度数据。相关划分结果参照中国1∶100万数字地貌制图规范中的分级标准,分别以200、400、600m为间隔,将研究区地形起伏度划分为小起伏、中起伏、大起伏和极大起伏区域。

2.2.2 人口密度相对变化率

人口密度相对变化率能够有效解释人口分布的变化情况,反应不同时段人口增减的数量特征和变化趋势[28]。本文通过中国西南地区人口密度相对变化率,以五年为单位定量分析1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年3个时段西南地区人口增减变化和地域分布格局,结合研究区三个时段内人口总量递增的特征,采用-1、0、1为间隔将人口增减变化分为人口快速增加,人口缓慢增加,人口缓慢降低以及人口快速降低四种类型。公式如下：

(1)

式中,Cx表示x县的人口密度相对变化率；Di+1和Di分别为中国西南地区i+1年和i年的人口密度；dx(i+1)和dx(i)分别为x县i+1年和i年的人口密度。

2.2.3 人口集聚度

人口集聚度是指区域人口空间分布的集中或分散程度,综合表征了一定地理范围内部分乃至全部人口向该地理范围内的一个或多个特定区域汇聚的现象、趋势以及过程[2]。通常采用某一地区以占区域1%的面积上集聚的区域人口比重(%)来表示[7,29]。由于本文研究区域为中国西南地区,为了更明确表征人口在西南地区的集疏态势,本文采用各县域单位面积上西南地区人口比重进行计算。计算公式如下：

(2)

式中,Ri是i县的人口集聚度；Pi是i县的人口数(人)；Ai是i县的土地面积(km2)；Aw是西南地区总面积(km2)；Pw是西南地区总人口数(人)。

2.2.4 人口商度

人口密度能够有效表征人口静态分布格局,但不能确切表征某一时段内人口的动态变化规律以及各县域人口相对于区域人口变化下所呈现的集疏过程[12,15]。为此,本文引入人口商度指标[20,30],从理论上表征不同时期的人口迁移流动状况,用于确立人口迁移流动的集疏过程,定量揭示1995—2010年期间西南地区县域尺度上人口迁移流动的地域特征与空间格局。具体计算公式为：

(3)

式中,K代表人口商度值,通常K>0,表示人口流入,K<0表示人口流出；di+1和di分别表示第i+1期和第i期县域单元的人口密度值；Di+1和Di表示第i+1和i期西南地区平均人口密度值。为了进一步明确人口的再分布过程,本文根据人口商度变化,将西南地区人口流动情况划分为五类,分别为人口强流出区,人口弱流出区,人口稳定区,人口弱流入区以及人口强流入区,并制定了相应划分标准(表1)。

表1 西南地区人口商度分级标准

3 结果与分析

3.1 地形起伏度与人口分布的相关性

图2 西南地区地形起伏度县域分级图Fig.2 Classification of relief amplitudes in southwestern China

西南地区地形起伏度的空间分布差异较大,同类型起伏区分布集中,整体呈现出中部高,东南部次之,西北部和东北部较低的特征(图2、表2)。小起伏地区涵盖192个县域,面积占比30.34%,主要分布在研究区西北部的青藏高原高原面、东北部的四川盆地盆中区域以及东南部广西丘陵；中起伏地区包括261个县域单元,面积占比30.33%,仅次于小起伏地区,主要集中分布在云贵高原境内；大起伏和极大起伏地区涵盖212个县域单元,面积占比高达39.34%,主要分布在横断山区、青藏高原东南部边缘以及川西高原地区。

西南地区1995年、2000年、2005年和2010年,县域尺度上统计的人口密度数据与地形起伏度的相关性分析结果表明：西南地区人口密度数据随着地形起伏度的增加,呈显著下降趋势,且二者之间存在显著相关性(图3)。

表2 西南地区地形起伏度分级统计结果

图3 西南地区地形起伏度与人口密度的相关性Fig.3 Relationship between relief amplitudes and population density in southwestern China

图4为1995—2010年期间4个时间节点上不同地形起伏度的人口累积频率分布曲线和人口密度柱状图,从图中可见：人口密度随地形起伏度增大而逐渐减小,人口密度高值区集中分布在地形起伏度的低值区域(200m),而人口稀疏区和无人区主要分布于地形起伏度高值区域(800m以上)。当地形起伏度小于400m,人口累积频率分布曲线较陡,相应人口累积比率高达87%；600m后曲线逐渐和缓,相应人口累积占比达96%,人口数量累计比率增加9%；800m后,人口累积量变化不大,曲线逐渐趋于平稳。

图4 西南地区不同地形起伏度上人口累积分布Fig.4 Accumulative frequency of population at different relief amplitudes in southwestern China

图5 1995—2010年西南地区人口增减变化分布格局Fig.5 Distribution pattern of population growth and reduction from 1995 to 2010 in southwestern China

3.2 地形起伏度与人口增减变化的相关性

通过1995—2010年间3个时段内西南地区各县人口密度相对变化率的数据统计(图5、表3),探讨人口集疏格局静态变化趋势及其与地形起伏度的相关性。结果表明：

1995—2000年,西南地区85.31%的县人口增加。其中人口快速增加县占比52.51%,主要分布在广西、贵州和四川盆地的中小起伏区域,增加人口数量占总增加人口的87.93%；人口缓慢增加县占比32.80%,主要集中在大起伏和中起伏地区,人口占缓慢增加人口的71.25%；人口减少县占比11.99%,主要零星分布在云南、四川省内的中小起伏区域。

2000—2005年,人口增加县的比例下降为72.43%。其中人口快速增加主要发生在贵州境内的中小起伏地区,增加人口占比37.06%,占快速增加人口的81.61%；人口缓慢增加主要集中在大起伏地区,人口占比11.55%,占缓慢增加人口的42.75%,中起伏次之,人口占比8.75%。人口减少县占比24.67%,集中分布在西藏南部的小起伏地区,人口占比9.67%,占快速降低人口的70.07%。

2005—2010年,人口增长县占比68.09%。其中,人口快速增加地区集中分布在广西、重庆、云南东北部和四川东部的中小起伏区,人口占比41.55%,占快速增加人口的79.78%。人口减少县占比27.81%。其中,人口快速降低集中在贵州和云南西部的中起伏地区,降低人口占比10.99%,占快速降低人口的57.12%；人口缓慢降低主要分布在大起伏和极大起伏区域,人口占比5.79%,占缓慢降低人口的67.56%。

表 3 1995—2010年西南地区人口增减变化地域格局统计

总体而言,西南地区人口增减变化的分布规律与地形起伏度之间存在较强的关联性。人口快速增加的地区主要集中分布在平原、丘陵,低山等起伏不大的区域；青藏高原高原面上区域虽然地势起伏较小,但由于海拔较高,环境恶劣,人口分布较少,人口增减变化不明显；地形起伏相对较大的高山区和盆地边缘地区,人口增减变化较小；极高山地区和高原边缘地区人口则呈现缓慢降低的趋势。

3.3 地形起伏度与人口集疏格局演化的相关性

基于中国西南地区分县尺度上不同时段的人口集疏度研究,绘制人口集疏度分级图(图6),并进行相关统计分析(表4)。结果表明,西南地区人口集聚度东密西疏,与区域地形东部平缓西部陡峻的分布特征相一致。人口密集区主要分布在东部地势低平的盆地丘陵地区,人口稀疏区集中分布在西部的高山高原地区。具体而言,西南地区1995年人口密集区占主导地位,涵盖189个县域单元,人口占比高达52.53%,主要分布在研究区南部的云贵高原地区；人口均值区面积占比28.02%,人口占比32.34%,仅次于人口密集区,主要分布在四川盆地和广西丘陵地区；人口高度密集区域包括50个县域单元,土地仅占比0.94%,人口占比12.07%,大多是省会城市及其辐射区域；人口稀疏区涵盖111个县域单元,土地占比26.97%,人口占比2.9%,主要分布在川西高原和青藏高原东缘；而基本无人区涵盖48个县域单元,人口占比仅为0.17%,但土地占比高达30.20%,存在大量的无人区,主要分布在海拔较高的青藏高原内部以及地形起伏较大的高原南缘地区。相较1995年人口集聚度而言,2000年、2005年以及2010年的人口集聚度各等级虽均有所变化,但整体趋势保持不变。

图6 1995—2010年西南地区分县尺度的人口聚集度分布图Fig.6 Distribution of southwestern China′s population agglomeration index at country scale

通过统计人口商度数据,绘制人口集疏格局变化图并完成人口集疏格局演化的地域统计(图7、表5),以进一步探讨人口集疏格局的动态变化规律,进而定量研究地形起伏度对人口集疏格局演化的影响。结果表明,1995—2010年期间,西南地区人口以稳定增长为主,人口流动趋势逐渐增强。其中1995—2000年,在人口稳定增长的背景下,西南地区处于人口流动的初级阶段,有10752.8万人处于流动状态,占总人口比例的45.36%,流入人口与流出人口之比为12.7∶1,人口流入为主要流动趋势,且集中分布在广西、贵州西部和四川东部地区。2000—2005年,人口稳定增长趋势有所下降,涵盖474个县域单位,占总人口的52.81%。人口流动日趋激烈,其中流出人口占有绝对比例,涵盖158个县域单元,人口占比40.30%,主要分布在四川盆地内部和广西丘陵地区,流入人口占比6.88%,仅为零星分布。2005—2010年,西南地区人口稳定程度持续下降,相对于2000—2005年人口占比降低到47.96%,人口流动趋势激烈,流出人口占据主导地位,涵盖222个县域单元,人口占比47.62%,集中分布在四川盆地和贵州高原地区以及云南中南部地区；人口流入不明显,仅占4.42%。

表4 西南地区分县人口聚集度分类统计表

图7 1995—2010年西南地区人口集疏变化分布图Fig.7 Changes of population concentration and decentralization from 1995 to 2010 in southwestern China

时间段Period地形起伏度分级Classification of relief amplitudes 人口流入地区Population inflow area人口稳定地区Population stabilization area人口流出地区Population outflow area县域/个人数/万人人口比例/%县域/个人数/万人人口比例/%县域/个人数/万人人口比例/%1995—2000小1116382.226.93632975.512.5518693.32.92中683285.913.861906460.527.26369.60.29大8298.91.261392931.612.37322.80.10极大00062582.72.46000总计1879967.142.0545412950.354.6424785.73.312000—2005小281454.95.81602203.28.801046987.227.91中2138.10.552157559.030.20442557.410.22大3130.10.521382886.411.539515.82.06极大00061570.52.28128.30.11总计331723.16.8847413219.152.8115810088.740.302005—2010小20965.53.76632954.911.491097362.028.64中3170.20.661645917.223.02944109.615.99大00 01312817.210.9619771.73.00极大00062638.92.49000总计231135.74.4242012328.247.9622212243.247.62

1995—2010年间,西南地区人口空间集疏格局变化不大,但人口流动日趋激烈,且流动趋势具有明显的地域特征。其中,1995—2000年间,人口流入主要发生在中小起伏地区,流入人口占比40.79%,占总流入人口的97%；人口稳定区主要分布在中起伏地区,人口占比27.26%,小起伏和大起伏地区差别不大,人口占比分别为12.55%和12.37%；流出人口主要分布在小起伏地区,人口占比2.92%,占流出人口的88.22%。2000—2005年间,西南地区人口稳定区域同样集中分布在中起伏地区,涵盖215个县域单位,人口占比30.20%,占稳定人口的比例高达57.19%；人口流动主要发生在小起伏地区,其中,流入人口涵盖28个县域单元,人口占比5.81%,占总流入人口的84.45%,流出人口涵盖104个县域,人口比例27.91%,占总流出人口的69.26%,为主要流动趋势。2005—2010年间,人口稳定地区同样分布在中起伏地区,但相较上一时段,减少了51个县域单元,人口占比下降到23.02%；人口流出趋势继续增强,流出人口主要集中在中小起伏地区,涵盖203个县域单元,人口数量占比44.63%,占流出人口的93.70%；人口流入涵盖23个县域,集中分布在中小起伏地区,人口占比4.42%。整体而言,地形起伏度对人口集疏格局动态变化影响较大。大起伏和极大起伏地区由于地形高差大,自然环境恶劣,人口数量分布较少,人口稳定增长为主要趋势；而中小起伏地区,地势平缓,经济交通发达,人口流动变化激烈,且人口流出逐渐成为主流趋势。

4 讨论

本研究通过人口密度、人口集聚度以及人口商度指标的增减变化,有效实现了地形起伏度对人口静态格局和动态流动趋势影响的定量化研究。但影响人口流动和人口增减变化的因素较多,涉及自然、社会经济等多个方面,本研究仅立足于地形起伏度,虽旨在从最为基本的因素深入探讨其对人口分布的影响,但尚不能全面了解人口集疏格局形成与演化的机制。因此,后续应加强人口集疏格局形成演化的多因素研究。

此外,空间分析尺度的不同,可能会导致人口集疏格局演化规律的相关结论存在差异。由于数据获取的限制,本研究的研究尺度为县级。这种研究单元的划分方法默认县域内人口为均匀分布,因此并不能反映实际情况。较县级平均人口密度,乡镇是人口普查数据发布的基本单元,能更加客观、细致地刻画人口地理状况,从而较县域单元反映出更多的空间异质性[22,32]。因此,乡镇尺度的人口集聚格局演化研究应成为后续研究的重要方向。

5 结论

本研究基于中国西南地区县域尺度的地形起伏度数据以及1995—2010年人口分布数据,通过分析地形起伏度的特征规律、人口密度增减变化以及人口集疏格局演变,探讨地形起伏度与人口集疏格局静态特征和动态演化之间的相关性。主要结论如下：

(1)西南地区县域尺度地形起伏度差异较大,整体呈现出中部高,东南部次之,西北部和东北部较低的特征。其中,小起伏区域占比30.34%,主要集中在平原、盆地等海拔较低的区域；大起伏和极大起伏区域占比高达39.34%,主要分布在海拔较高的高山高原地区。地形起伏度的空间分布特征与西南地区地貌类型分布基本一致。

(2)地形起伏度是影响西南地区人口分布和人口增减变化的重要因素。1995—2010年间,绝大多数人口集中分布在中小起伏地区,且人口密度总体上随着地形起伏度增大而逐渐降低。西南地区地形起伏度格局决定了区域高度集聚和极端稀疏两种人口格局并存的现状。15年间,西南地区人口增减变化频繁,并呈现明显的地域特征。其中,人口增加地区集中分布在平原、丘陵、低山等地形起伏低值区；人口缓慢增加区主要分布在起伏相对较大的高山区和盆地边缘地区；而地形起伏度大的极高山地区和高原边缘地区人口增减变化不显著。

(3)地形起伏度的整体格局根本上决定了西南地区人口分布“西疏东密”格局的形成。1995—2010年间,西南地区虽然人口集聚度总体上不断小幅提高,但集疏格局演化并不明显。人口密集区主要分布在四川盆地盆中区域以及广西丘陵等小起伏地区,人口稀疏区则主要分布在高山高原等大起伏地区。区域人口流动主要发生在地形中小起伏地区,且流出人口占有绝对优势；而地形起伏度较大的高山高原地区,人口流入流出不明显,多为人口稳定区域。