基于地理探测器的山东省人口空间格局演变及影响因素研究

穆聪

(湖南工业大学 城市与环境学院，湖南 株洲 412007)

人口空间分布是指人口数量和规模的地域分布,是一个地区的人口与其社会、经济、资源以及环境相互作用的综合体现[1]。新型城镇化是我国重大发展战略,突出强调“人的城镇化”,摸清区域人口分布是促进人的城镇化的重要前提[2]。我国为适应国情不断调整生育政策,生育政策的放松必将对人口规模和结构的走势产生重要影响[3]。因此,研究人口分布的时空演变特征及形成机制, 有利于制定合理的人口政策, 对实现人口的合理再分布和人口与资源、环境、经济的协调发展具有重要的指导意义[4]。人口空间分布的研究历来受到学者们的重视：从研究对象上,针对常住人口和外来人口[5]、少数民族[6]、宗教信仰人群[7]等不同群体研究其空间分布;从研究尺度上,针对全国[8]、跨省区域[9]、省域[10]、重大城市[11],从省、市、县逐步精化到乡镇街道[12-14];从研究方法上,利用空间自相关[15]、人口集中指数与不均衡指数[16]、探索性空间数据分析[6]、洛伦兹曲线[17]、地理加权回归[18]、地理探测器[12]等方法研究人口空间格局演变。在影响因素方面,学者们通常将人口空间格局的影响因素划分为自然因素和社会因素两类,自然因素有高程、坡度[19]等,社会因素有人均GDP、公共服务设施、交通可达性[20]等。

山东省地处华东平原、黄河下游,是我国经济较为发达的沿海省份之一。对于山东省人口空间分布格局,王静等[21]从市、县、1km 3个不同尺度上对山东省人口空间分布格局进行分析;张慧[22]采用人口密度、人口集疏度和人口稳定度等指标来研究建国以来山东省人口分布地域格局及集疏程度的时空变化情况。本研究以山东省为研究区域,以区县为研究单元,选取2000—2020年山东省人口数据,运用空间自相关、人口重心、人口分布结构指数、地理探测器等方法分析山东省人口空间格局演变特征和影响因素,以期为山东省人口规划管理和经济发展提供科学依据。

1 研究区概况

山东省位于东经114°47.5′～122°42.3′、北纬34°22.9′～38°24.01′之间,陆域面积15.58万km2,地形复杂,中南部为山地丘陵,东部为半岛,西部及北部属平原且地势较低(图1)。山东省下辖地市16个,县级行政区136个(58个下辖区、26个县级市、52个县),省会设于济南,截至2020年12月底,常住人口10 165 万人,人口密度为643 人/km2。

图1 研究区概况图

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文的人口数据来源于山东省及各地市统计局公布的第五、六、七次人口普查数据。行政区划数据来源于阿里云数据可视化平台(http：//datav.aliyun.com/portal/school/atlas/area_selector),由于山东省行政区划在2000—2020年期间经过区县拆分合并等相应调整,文中以2021年5月的行政区划为准,研究单元为136个区县。数字高程数据来源于地理空间数据云平台(https：//www.gscloud.cn/),分辨率为30 m×30 m,地形起伏度由ArcGIS10.4软件通过DEM数据计算所得。气温、降水、人均GDP、城镇化率、人均可支配收入数据来源于各区县统计年鉴及第七次人口普查统计数据。平均房价数据来源于58同城网站(https：//tj.58.com/)。

2.2 研究方法

2.2.1 人口分布结构指数

人口分布结构指数[23]是指不均衡指数(U)和集中指数(C),用来模拟人口集中或分散的趋势,计算公式分别为：

(1)

(2)

式中：n为地域个数,xi为i行政单元人口占研究区总人口的比重,yi为i行政单元土地面积占研究区总土地面积的比重。U的数值越大,表明区域人口的空间分布越不均衡;C的数值越大,表明区域人口的空间分布越集中。

2.2.2 标准差椭圆

标准差椭圆可以反映要素的分布中心、离散趋势以及扩散方向等空间特征。平均中心表示地理要素的空间重心及迁移方向,椭圆的长半轴反映了离散程度较大的方向,短半轴反映了聚集程度较高的方向。长短半轴的值差距越大即椭圆扁率越大,表示数据的方向性越明显;反之,表示方向性越不明显。

2.2.3 空间自相关

空间自相关包括全局自相关和局部自相关,常用来检验某一现象与其相邻空间单元的现象关联性是否显著。

全局莫兰指数衡量的是全部空间数据的依赖性和关联性。莫兰指数的值域为-1～1,越接近于-1,负相关性就越大;反之,越接近于1,正相关性就越大。若莫兰指数为0,则表示研究单元随机分布不存在空间自相关性。

局部莫兰指数衡量的是相邻空间单元之间属性的相似性及显著性水平。LISA集聚图将区域间的空间联系形态分为高-高集聚、低-低集聚、高-低集聚和低-高集聚4种类型。

2.2.4 地理探测器

研究采用地理探测器[24]的因子探测与交互探测对山东省县域的人口空间格局与8个影响因子(表1)的关系进行分析。

表1 人口分布影响因素

因子探测是探测某因子多大程度上解释变量的空间分异,可用q值度量,q值的值域为0～1,值越大说明影响因子对该区域人口密度的因子解释力越强。

交互作用探测用于探测因子A、B相互作用后是否会强化或弱化人口密度的影响,主要有非线性减弱、单线性减弱、双线性增强、相互独立、非线性增强5种类型。

3 结果与分析

3.1 人口空间格局特征

3.1.1 人口密度与人口分布指数

1)人口密度分析。山东省人口密度20年来总体呈现增长趋势(图2), 2000年人口密度为574 人/km2,2010年增长到610 人/km2,2020年为643 人/km2。从总体上看,人口密度呈现西南高东北低的分布,各地级市中心区人口密度较大。县级范围内山东省人口分布差异性明显,2000年、2010年与2020年人口密度最大的区县均位于青岛市,分别为市南区14 918 人/km2、市南区18 162 人/km2、市北区17 411 人/km2;人口密度最小的区县均位于东营市,分别为河口区97 人/km2、垦利区104 人/km2、河口区108 人/km2。

(a)2000年 (b)2010年 (c)2020年图2 山东省人口密度分布图

2)人口分布结构指数分析。一个地域的人口分布均衡程度需要采用不均衡指数(U)和集中指数(C)来体现。根据式(1)和式(2)对山东省16地市的人口与面积进行计算,得到山东省2000、2010、2020年的不均衡指数和集中指数(表2)。由表2可知,山东省人口分布集中指数与不均衡指数数值较小,表明人口总体分布较均衡,但集中指数与不均衡指数均呈上升趋势,表明2000—2020年,山东省人口分布总体向集中与不均衡发展。

表2 山东省人口分布结构指数

3.1.2 人口重心迁移特征

根据图3可知,山东省人口重心位于淄博市博山区东南部,2000、2010年和2020年人口密度重心均位于潍坊市临朐县。2000—2010年人口重心向东北迁移,迁移距离为7 723 m;2010年—2020年人口重心向西北迁移,迁移距离为1 799 m,较前10年迁移距离变短、迁移速度放缓,说明山东省人口分布格局趋向一定的稳定性。总体上看,山东省人口空间格局呈现西南—东北方向分布(表3),标准差椭圆面积不断减小,说明山东省人口分布进一步集聚。长半轴和短半轴均呈现减小趋势,说明了山东省人口的向心集聚特征,扁率先增加后减少,说明人口分布由西南—东北方向向西北—东南方向集聚程度增强。旋转角度增大,标准差椭圆呈现顺时针旋转,说明山东省人口有向东、北方向移动的趋势。

3.1.3 人口空间集聚分析

1)全局空间自相关。在GeoDa软件的支持下,计算山东省县级尺度下人口分布的全局莫兰指数。根据表4可知,山东省2000年、2010年与2020年人口密度的莫兰指数分别为0.439 3、0.449 6、0.468 0,即山东省136个研究单元人口密度空间分布不是随机分布的,而是呈现出显著空间正向自相关;从演化趋势来看,山东省人口密度莫兰指数逐渐增大,表明山东省人口密度集聚趋势加大。

2)局部空间自相关。利用GeoDa软件绘制山东省2000年、2010年和2020年LISA集聚图(图4)。由图4可知,山东省人口整体聚集方位不大,聚集区域发生少量变化。人口密度的局部空间自相关不显著的县(区)较多,2000年为131个,2010年和2020年均为130个,2000—2020年均为高-低集聚模式。2000年,人口密度的高-高集聚区有1个,在山东省东部沿海,为青岛市市北区;低-低集聚区有3个,分布在山东省北部,为河口区、沾化区和利津县;低-高集聚区有1个,为崂山区。2010年,人口密度的高-高集聚区仍然为青岛市市北区;低-低集聚区有4个,均分布在山东省北部,为河口区、沾化区、滨城区和东营区;低-高集聚区仍然为崂山区。2020年,山东省人口密度仅有高-高和低-低两种集聚区,高-高集聚区有3个,均分布在青岛市内,有市北区、市南区和崂山区;低-低集聚区有3个,为河口区、东营区和海阳市。

图3 山东省人口重心分布及标准差椭圆分布

表3 山东省人口密度标准差椭圆参数变化

表4 山东省人口分布空间自相关系数

3.2 人口分布与影响因素的关系

3.2.1 因子探测分析

选取2020年各影响因子数据与人口数(图5)对山东省人口分布做因子探测分析,地理探测器的探测结果表明,各影响因子对山东省人口密度的作用强度不同(表5),各因子对人口密度的作用强度由大到小依次为平均房价(0.584 3)、城镇化率(0.278 2)、人均可支配收入(0.171 1)、人均GDP(0.065 5)、气温(0.058 4)、降水(0.037 2)、高程(0.016 5)、地形起伏度(0.016 1)。在县域尺度研究下,社会因素对山东省人口空间分布的影响作用明显强于自然因素。

(a)2000年 (b)2010年 (c)2020年图4 山东省人口密度LISA集聚图

图5 山东省人口密度与影响因素空间分布图

表5 因子探测结果

3.2.2 交互探测

人口分布并不是某单个影响因子决定的,而是多个影响因子综合作用的结果。因子探测只能检验单个影响因子对人口分布的影响力,需利用交互探测分析两影响因子对山东省人口空间分布的交互影响作用。

由表6可知,交互作用探测结果显示两类影响因素对山东省人口分布的影响存在非线性增强和双因子增强两种作用类型,表明任意两因子交互作用影响力强于单因子。平均房价与城镇化率、平均房价与人均可支配收入这两类交互作用类型为双因子增强,其余因子交互作用为非线性增强;其中,平均房价与城镇化率交互作用对人口分布影响力最大为0.783 6,高程与地形起伏度交互作用对人口分布的影响力最弱。平均房价在单因子探测中对人口分布的解释度较高,与其他因子的交互作用也具有较高解释度。高程与地形起伏度在单因子探测中对人口分布的解释度较低,但在与其他因子交互作用时均呈现非线性增强效果。气温与降水两因子在单因子作用于人口分布时解释度较低,但在与人均GDP、平均房价、城镇化率、人均可支配收入4个社会因子的交互作用下对人口分布均呈现较高的影响力。4个社会因子的交互作用也均呈现较高的影响力。

表6 交互探测结果

4 结论

1)2000—2020年山东省人口空间格局基本保持不变,整体呈现西南高东北低的态势,各地级市中心区人口密度显著高于周边区县,人口分布呈现多中心发展。

2)山东省人口总体分布较均衡,但集中指数与不均衡指数均呈上升趋势,人口分布向集中与不均衡分布缓慢发展。

3)山东省的人口重心向东北方向缓慢移动,表明人口分布向山东半岛凝聚,与半岛经济发展水平较高相契合。

4)2000—2020年20年间山东省人口密度分布均呈现出显著空间正向自相关,莫兰指数逐渐增大,进一步表明人口分布集聚趋势增强;山东省人口分布低-低集聚区主要位于黄河三角洲地区,高-高集聚区则位于青岛市中心区,与黄河三角洲人口分布稀疏、青岛市中心区人口分布稠密的格局相契合。

5)各影响因子对山东省人口密度的作用强度不同,社会因素显著高于自然因素,表明山东省人口分布更多受社会因素的影响,自然因素对人口分布作用不大。任意两因子交互作用强度都大于单因子对人口分布的影响力,表明山东省人口分布格局是受多个因子共同作用形成的。