1980—2020年河南省人类活动强度的时空变化及特征分析

摘 要：【目的】基于多期土地利用/土地覆蓋专题数据，探讨和分析1980—2020年河南省的人类活动强度时空变化特征。【方法】采用陆地表层人类活动强度模型计算不同时期河南省的人口活动强度，基于全局自相关和局部自相关分析河南省40年内人类活动强度的时空变化特征。【结果】2020年，河南省土地利用/土地覆盖类型主要为耕地和林地，分别占全省总面积的64.85%和16.58%。40年内建设用地面积大幅度增加54.17%，林地和水域面积分别增加1.65%和3.6%，其余地类面积均减少，其中耕地、未利用土地和草地分别减少5 668.93 km2、134.85 km2和1 174.27 km2。1980年河南省人类活动强度为22.09%，2020年达到25.46%。【结论】1980—2020年河南省人类活动强度空间聚集特征显著，空间分布格局呈东高西低、北高南低的特点。人类活动强度变化冷点地区主要集中在豫西山地、豫北山地、豫南山地等地区，热点地区分布在以郑州为中心的河南省中东部地区。

关键词：人类活动强度；土地利用/土地覆被；河南省

中图分类号：X312      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）07-0096-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.019

Temporal and Spatial Changes and Characteristics Analysis of Human Activity Intensity in Henan Province from 1980 to 2020

MA Qiming

（College of Land Engineering， Chang'an University， Xi'an 710064， China）

Abstract：[Purposes] The study is based on multi-temporal thematic data of land use/land cover， aiming to explore and analyze the temporal and spatial variations of human activity intensity in Henan Province， China from 1980 to 2020. [Methods] Utilizing the land surface human activity intensity model， this study calculates the human activity intensity in Henan Province during different periods. Subsequently， based on global autocorrelation and local autocorrelation， the spatial and temporal variation characteristics of human activity intensity in Henan Province in 40 years were analyzed. [Findings] In 2020， the land use/land cover types in Henan Province were primarily farmland land and forest land， accounting for 64.85% and 16.58% of the total area， respectively. Over the course of forty years， the area of construction land has significantly increased by 54.17%， while forest and water areas have increased by 1.65% and 3.6%， respectively. Conversely， the remaining land classes have experienced a decrease， with farmland， unused land， and grassland decreasing by 5 668.93 km?， 134.85 km?， and 1 174.27 km?， respectively. The human activity intensity in Henan Province was 22.09% in 1980 and has reached 25.46% in 2020. [Conclusions] From 1980 to 2020， the spatial aggregation characteristics of human activity intensity in Henan Province were significant， displaying an eastern high-western low and northern high-southern low distribution pattern. Areas with lower fluctuations in human activity intensity were primarily concentrated in regions such as the western mountains， northern mountains， and southern mountains of Henan. On the other hand， regions exhibiting higher fluctuations were concentrated in the central and eastern parts of Henan Province， centered around Zhengzhou.

Keywords： human activity intensity; land use/land cover; Henan Province

0 引言

对一定区域内的人类活动强度进行定量分析及空间化表达，可为该区域后期的土地利用政策制定和生态建设提供理论参考和科学依据。人类活动强度是指一定面积的区域内受人类活动所产生的扰动程度，是人类对该区域利用、改造和开发的程度［1-2］。当前，国内外学者对人类活动强度的研究主要集中于人类活动强度量化方法、时空演变及驱动因素分析等方面。随着遥感和地理信息系统技术的蓬勃发展，高质量人类活动强度空间数据得以扩增和丰富［3］。人类活动强度量化方法可划分为非空间化方法和空间化方法。非空间化量化方法包括指标评价法［4］和统计分析法［5］等。空间化量化方法又可分成间接空间化和直接空间化两类：间接空间化是基于可用于衡量指标的变化来定量评估人类活动强度，如净初级生产力人类占用法［6］、全球干扰指数法［7］和植被指数法［8］等；直接空间化方法包括基于自然、社会和经济等多方面指标来定量评价人类活动强度的综合指标法［9］、基于土地利用转变、人口密度等空间数据的人类足迹指数法（Human Footprint Index ，HFI）［10］及利用统计数据和遥感解译数据的土地类型变化法等［2］。土地类型变化法因普适性较强和人类活动强度空间数据充分而被广泛使用，其中徐勇等提出的陆地表层人类活动强度（Human Activity Intensity of Land Surface，HAILS）算法模型已应用于黄土高原、黔南地区和海南岛等不同空间尺度并取得良好成果［11-13］。本研究基于多期土地利用/土地覆盖专题数据，探讨和分析1980—2020年河南省的人类活动强度时空变化特征，以期为今后的土地利用政策制定和生态建设提供理论参考和科学依据。

1 研究区和数据来源

河南省位于我国中东部，地理位置介于东经110°21′～116°39′，北纬31°23′～36°22′。在黄河中下游地区，是我国矿产资源大省、人口大省及农产品主产区。河南省包括17个地级市、1个省直辖县级市和83个县区，土地总面积为16.7万km2。

本研究所采用的土地利用/土地覆被数据来源于中国科学院资源环境数据中心徐新良等学者的中国多时期土地利用遥感监测数据集（CNLUCC）。该数据集是以美国陆地卫星Landsat遥感影像为主要数据源，通过人工目视解译构建的我国土地利用/土地覆盖专题数据库，空间分辨率为1 km。该数据集的分类系统为二级分类系统，其中一级分类包括耕地、草地、水域、林地、未利用土地和城乡、工矿、居民用地共6个类型，二级分类基于土地资源的自然属性划分为23个类型［13］。本研究使用的是CNLUCC数据集中1980、1990、2000、2005、2010、2015、2020年共7期数据。

2 研究方法

2.1 陆地表层人类活动强度

河南省不同时期人类活动强度量化的算法模型采用的是徐勇等提出的陆地表层人类活动强度（HAILS）和建设用地当量折算系数（Conversion Index of Construction Land Equivalent，CI）［2］。不同的土地利用/土地覆被类型表征着人类活动对陆地表层自然覆被利用、改造和开发的不同程度。基于二层级分布式算法可将不同的地类换算为不同的建设用地当量折算系数。陆地表层人类活动强度的计算公式为式（1）［2］。

[HAILS=SCLES×100%][SCLE=i=1nSLi?CIi] （1）

式中：HAILS为研究区内人类活动强度；SCLE为研究区域内建设用地当量面积；S为研究区总面积；SLi为研究区内第i种土地利用/覆被类型的面积；CIi为第i种土地利用/覆被类型的建设用地当量折算系数；n为研究区内土地利用/覆被类型总数。

2.2 空間自相关

空间自相关是同一变量在不同地理空间位置的相关性，是空间单元属性值聚集程度的一种度量［14］。它包括全局空间自相关和局部空间自相关。因此，本研究引入Moran's I指数去定量分析河南省人类活动强度的空间自相关，从而探寻该区域人类活动强度的空间分布模式。同时引入局部G系数来计算省内人类活动强度的局部空间自相关，从而识别研究区内的人类活动强度的高、低值聚集分布。

2.2.1 全局空间自相关。利用Moran's I指数计算河南省人类活动强度进行全局空间自相关，其表达式为式（2）。

[I=i=1nj=1nWijxi-xxj-xS2?i=1nj=1nWij] （2）

式中：S2表示研究区内人类活动强度的方差；n表示研究区空间单元总数；xi和xj表示第i空间单元和第j空间单元的人类活动强度，`x表示河南省人类活动强度平均值，Wij表示第i空间单元和第j像元的空间权重矩阵。其中，当Moran's I为正时，表示人类活动强度呈现空间正相关，值越大表明空间相关性越明显；当Moran's I为负时，表示人类活动强度呈现空间负相关，值越小则空间差异越大；Moran's I为0时，则表示变量是随机分布。使用Z得分来进行显著性检验，若|Z|>1.96，则说明检验结果具有显著性。

2.2.2 局部空间自相关

利用局部G系数计算河南省人类活动强度的局部空间自相关性［15］，其表达式为式（3）。

[Gi=j=1nWijxjj=1nxj] （3）

式中，Gi表示第i空间单元的局部G系数值；Wij表示第i空间单元和第j像元的空间权重矩阵。若G为正时，则表明人类活动强度较高地区空间集聚，属于热点区域，z值越高，热点聚类越紧密；若G为负时，则表明人类活动强度较低地区空间集聚，属于冷点区域，z值越低，冷点聚类越紧密。

3 结果

3.1 河南省土地利用变化时空特征分析

基于多期土地利用/土地覆盖数据计算1980—2020年河南省土地利用/土地覆被一级类型构成及变化见表1。由表1可知，2020年河南省土地利用类型主要以耕地为主，耕地面积占河南省面积的64.85%，其中水田类型和旱地类型分别占河南省面积的6.41%和58.44%，其面积分别为10 613.71km2和96 740.37km2，水田主要分布于豫中的新乡市、开封市及豫南的信阳市，而旱地则分散于省内平原及丘陵地区。其次是林地类型，占河南省面积的16.58%，其中灌木林、疏林地、有林地和其他林地的面积分别为3 459.94 km2、5 624.03 km2、17 535.41 km2和581.17 km2，主要分布在西部、北部和南部山区丘陵地带。再次是城乡/工矿/居民用地面积总计18 222.75 km2，占河南省面积的11.01%。草地类型面积为8 589.12 km2，占河南省面积的5.19%。未利用土地类型占地面积最小，仅占河南省面积的0.01%。

1980—2020年，未利用土地类型占地面积比例整体变化幅度最大，减少了134.85 km2，减幅为89.34%。其次是城乡/工矿/居民用地，其面积从1980年的11 819.86 km2增大到2020年的18 222.75 km2，增幅为54.17%。草地和耕地面积减少了-12.03%和-5.02%，减少面积为1 174.27 km2和5 668.93 km2。林地和水域面积增加了446.67 km2和135.75 km2，分别占1980年的1.65%和3.6%。

3.2 河南省人类活动强度的时空变化分析

1980—2020年河南省建设用地当量面积及人类活动强度变化如图1所示。其中，前期1980—1990年增长趋势较为缓慢，中期1990—2015年保持较平稳的增长趋势，后期2015—2020年增长趋势则相对迅速。基于陆地表层人类活动强度模型计算可得，1980年河南省建设用地当量面积为36 567.91 km2，人类活动强度为22.09%，2000年河南省建设用地当量面积为37 927.96 km2，人类活动强度为22.91%，2020年河南省建设用地当量面积和人类活动强度分别为42 139.02 km2和25.46%。从1980年至2020年，河南省的建设用地当量面积和人类活动强度分别增加了5 571.11 km2和3.36%。

1980—2020年河南省建设用地当量面积和人类活动强度变化如图2所示，各市人类活动强度变化见表2。由图2、表2可知，河南省人类活动强度较低的区域主要集中在豫西山地、豫北山地、豫南山地处，而人类活动强度高的区域分布在河南中部和东部区域。河南省西高东低并呈望北向南之势，北、西、南三面山脉丘陵居多，而中东部多是广袤平原、肥沃田地，因此历年人类活动强度的整体空间分布也呈半环状。济源市、洛阳市、南阳市、三门峡市及信阳市的人类活动强度均较低（＜22%），这些区域位于豫西山地、豫北山地、豫南山地等地区，域内山脉丘陵较多，自然禀赋条件薄弱，因此耕地和建设用地所占面积比例较小。而濮阳市、新乡市、开封市和周口市等区域处于河南自然本地条件较好的平原区域，耕地覆盖率高且人口聚集，因此这些区域具有较高的人类活动强度。其中郑州市的人类活动强度自1980年的26.51%增至2020年的38.56%，40年内增幅为12.04%，远超省内其他区域人类活动强度增长幅度。这可能与当地的人口流入、经济发展和政府政策等驱动因素有关。

3.3 河南省人类活动强度的空间自相关分析

基于空间自相关的全局指标Moran's I指数可得出1980—2000年以来历年河南省人类活动强度全局空间自相关指标结果见表3。由表3可知，历年Moran's I指数值均为正，Z得分大于1.96，P值为0，表明历年河南省的人类活动强度呈现显著的空间集聚特征。同时自1990年起，每一年的Moran's I指数处于上升趋势，表明1990—2020年河南省人類活动强度的空间集聚程度呈现加强趋势。1980—2000年、2000—2020年及1980—2020年的Moran's I指数值为0.21、0.04和0.06，这表明这三个时间段内的人类活动强度变化亦呈现空间集聚特征。

使用ArcGIS10.8软件上的热点分析工具进一步探寻人类活动强度及其变化的空间差异。地理空间位置上相互邻近且人类活动强度高于研究区平均水平的单元构成高值集聚区，亦称为热点地区；反之地理空间位置上相互邻近且人类活动强度低于研究区平均值的地区构成低值集聚区，亦称为冷点地区［13］。980—2020年河南省人类活动强度变化热点如图3所示。由图3可知，从空间分布上来看，人类活动强度的热点地区主要离散分布于河南省的中部和东部地区的各市域内，冷点地区集中分布于三门峡市、济源市、洛阳市南部、南阳市北部、焦作市北部边缘和信阳市南部的山区。从时空格局变化上分析，1980—2000年，河南省的人类活动强度变化星星状分散于河南省内中北部区域；2000—2020年，人类活动强度变化逐渐集中于郑州市为中心的中东部区域。

4 结论与讨论

1980—2020年期间，河南省土地利用/土地覆盖类型主要为耕地类型，然后依次是林地、建设用地、草地、水域和未利用地类型。40年内，随着河南省社会经济迅速发展和人口数量的增长，人们对陆地表层覆被利用、改造和开发的程度逐渐加深，建设用地面积呈现大幅度增长趋势，林地和水域面积出现微弱增长，其他土地利用/土地覆被类型均出现不同程度的缩减，其中未利用土地面积减少幅度最大，占1980年此类型土地的89.34%；耕地类型减少面积最大，共减少5 668.93 km2。

40年内，建设用地当量面积和人类活动强度保持连续增长趋势，其中变化以2010年为界，1980—2010年期间，人类活动强度增长相对缓慢；2010—2020年，增长迅速。40年内省内人类活动强度共增加3.36%。

1980—2020年，河南省的人类活动强度的空间分布格局呈现出东高西低、北高南低特点。研究区内人类活动强度具有显著的空间集聚特征，冷点地区主要分布在豫西山地、豫北山地、豫南山地等山脈丘陵地区，热点地区则分布在豫中、豫东等的平原区域。河南省人类活动强度变化的热点主要集中在以郑州市为中心的研究区中东部区域，即城市建设和经济发展迅速地区。本研究对河南省40年内的人类活动强度进行定量分析及空间化表达，可为今后的土地利用政策制定和生态建设提供理论参考和科学依据。

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收稿日期：2023-10-19

基金项目：雅砻江流域水电开发有限公司科研试验项目“高寒高海拔光伏电站生态效应评估与护修对策研究”（000023-23XB0065）; 内蒙古自治区科技重大专项项目“现代牧区草地高效生产与家畜优化利用技术研发与示范”（2021ZD0045）。

作者简介：马起明（1998—），女，硕士生，研究方向：地理时空统计方法。