基于地形起伏度的中國西南地區人口集疏格局演化研究

鐘 靜,盧 濤,*

1 中國科學院成都生物研究所, 中國科學院山地生態恢復與生物資源利用重點實驗室,生態恢復與生物多樣性保育四川省重點實驗室, 成都 610041 2 中國科學院大學, 北京 100049

人口分布格局是特定時間內人口在某一地理空間的集散狀態[1],它的形成是區域內自然因素、社會經濟因素、政治歷史因素等共同作用的結果[2]。其中,自然環境因素作為人類生存發展的基礎,決定了人口分布的基本格局[3]。人口分布格局差異是區域差異的客觀反映[4],并且人口數量變化和空間分布通過改變自然資源、糧食需求、土地利用覆被等直接或間接地影響生態過程[5]。因此,探討人口空間分布格局及規律是研究區域人口、資源與環境協調發展的基礎,對于增進對人地關系的理解,實現區域可持續發展具有十分重要的作用[6]。

人口集疏格局作為人口分布在空間上的直觀表達,在一定程度上決定了區域資源配置與發展規劃[1]。研究人口集疏格局演化不僅有利于揭示人口流動規律及動態變化趨勢[7],還可以反映區域人地關系狀況,因為人口聚集區往往對自然環境資源有著更大的威脅和需求[4]。目前,對人口集疏格局的研究較多,區域[8],國家[7-9]、省域[10]及重點城市[11]等多個尺度均有涉及；研究方法較多且不斷趨于成熟,主要包括空間統計分析法[10]、洛侖茲曲線法[1]、半變異函數法[12]、樣帶分析法[1]等。但相關研究通常偏重于對人口分布靜態格局的理解,而對人口集疏格局演化過程則罕有涉及[13-14]。少數涉及到人口集疏格局演化過程的研究,也往往采用人口密度作為指標[10]。人口密度雖然能在一定程度上反應人口的集疏格局狀況,但作為人口空間分布的靜態指標,其格局的形成在短時間內變化往往并不明顯[7,11],并且較難區分人口自然增長率差異較小時的人口集聚情況[12]。因此,近年來研究人員建議采用人口集聚度指標[9,15- 17]和人口流動指標[18- 20]對人口集疏格局演變進行量化表征,從而揭示不同地區人口集疏分布的內在規律。

地形起伏度作為關鍵的自然環境因素,對區域人口的空間分布有著重要影響[9,21-22]。目前,圍繞地形起伏度與人口分布格局關系的研究大都集中在探討地形起伏度對人口分布格局的靜態影響方面[1,22- 25]；而針對地形起伏度對人口集疏格局演化的定量影響研究尚不多見。中國西南地區地貌類型多樣,地形結構復雜,區域人口集疏格局具有明顯的地域特征,如何科學量化地形起伏度在人口集疏格局形成和演化過程中的作用,對區域可持續發展具有重要意義。因此,本文旨在基于中國西南地區地形起伏度數據和1995—2010年間4個時間節點的人口統計數據,定量分析地形起伏度對人口增減變化及人口集疏格局演化的影響,揭示區域人口分布的靜態地域格局以及人口流動的動態變化趨勢,以期為增進對該區人地關系的理解提供科學支撐。

1 研究區概況

圖1 中國西南地區區位圖Fig.1 Location of southwestern China

中國西南地區主要包括四川、重慶、云南、貴州、廣西、青海南部以及西藏中東部地區(圖1),大致介于83.862°—112.069°E,21.135°—36.482°N之間,總面積為254.6×104km2。西南地區橫跨中國一二三級階梯,是長江、黃河等多條河流的發源地及上游區,地形結構復雜,海拔差異較大,涵蓋高原、平原、山地、丘陵等多種地貌類型。

根據2010年度的統計結果,西南地區共轄縣市級行政區665個,總人口約2.65億。人口分布地域差異較大,西部地區地域廣闊,但人口數量少,分布稀疏；東部平原和丘陵地區,面積相對較小但人口數量眾多,且分布集中。

2 材料和研究方法

2.1 數據來源

本研究采用的數據源主要包括中國西南地區數字高程模型數據ASTER GDEMv2(30m)和1995年、2000年、2005年以及2010年的人口統計數據。其中,研究區DEM數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站(http://www.Gscloud.cn),并經校正、投影轉換等前期處理后,由西南地區2010年度的縣域矢量圖裁剪得到。各區縣人口統計數據、行政區域面積數據,源于各省、直轄市、自治區的統計年鑒。

因西南地區在研究時段內存在縣級行政區的撤并以及邊界的變化,本文統一采用2010年中國縣級行政區劃作為基本研究單元以便于數據的統計分析。

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變點分析法[26]。根據本文作者之前對中國西南地區地形起伏度最佳分析尺度的研究結果[27],以2.43km2作為分析窗口提取區域地形起伏度。通過ArcGIS軟件的Neighborhood Statistics工具計算分析窗口內最大高程和最小高程值的專題圖層,進而利用Raster Calculator計算二者的差值得到地形起伏度圖層,最后通過求取地形起伏度的平均值得到中國西南地區以縣域為單位的地形起伏度數據。相關劃分結果參照中國1∶100萬數字地貌制圖規范中的分級標準,分別以200、400、600m為間隔,將研究區地形起伏度劃分為小起伏、中起伏、大起伏和極大起伏區域。

2.2.2 人口密度相對變化率

人口密度相對變化率能夠有效解釋人口分布的變化情況,反應不同時段人口增減的數量特征和變化趨勢[28]。本文通過中國西南地區人口密度相對變化率,以五年為單位定量分析1995—2000年、2000—2005年、2005—2010年3個時段西南地區人口增減變化和地域分布格局,結合研究區三個時段內人口總量遞增的特征,采用-1、0、1為間隔將人口增減變化分為人口快速增加,人口緩慢增加,人口緩慢降低以及人口快速降低四種類型。公式如下：

(1)

式中,Cx表示x縣的人口密度相對變化率；Di+1和Di分別為中國西南地區i+1年和i年的人口密度；dx(i+1)和dx(i)分別為x縣i+1年和i年的人口密度。

2.2.3 人口集聚度

人口集聚度是指區域人口空間分布的集中或分散程度,綜合表征了一定地理范圍內部分乃至全部人口向該地理范圍內的一個或多個特定區域匯聚的現象、趨勢以及過程[2]。通常采用某一地區以占區域1%的面積上集聚的區域人口比重(%)來表示[7,29]。由于本文研究區域為中國西南地區,為了更明確表征人口在西南地區的集疏態勢,本文采用各縣域單位面積上西南地區人口比重進行計算。計算公式如下：

(2)

式中,Ri是i縣的人口集聚度；Pi是i縣的人口數(人)；Ai是i縣的土地面積(km2)；Aw是西南地區總面積(km2)；Pw是西南地區總人口數(人)。

2.2.4 人口商度

人口密度能夠有效表征人口靜態分布格局,但不能確切表征某一時段內人口的動態變化規律以及各縣域人口相對于區域人口變化下所呈現的集疏過程[12,15]。為此,本文引入人口商度指標[20,30],從理論上表征不同時期的人口遷移流動狀況,用于確立人口遷移流動的集疏過程,定量揭示1995—2010年期間西南地區縣域尺度上人口遷移流動的地域特征與空間格局。具體計算公式為：

(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分別表示第i+1期和第i期縣域單元的人口密度值；Di+1和Di表示第i+1和i期西南地區平均人口密度值。為了進一步明確人口的再分布過程,本文根據人口商度變化,將西南地區人口流動情況劃分為五類,分別為人口強流出區,人口弱流出區,人口穩定區,人口弱流入區以及人口強流入區,并制定了相應劃分標準(表1)。

表1 西南地區人口商度分級標準

3 結果與分析

3.1 地形起伏度與人口分布的相關性

圖2 西南地區地形起伏度縣域分級圖Fig.2 Classification of relief amplitudes in southwestern China

西南地區地形起伏度的空間分布差異較大,同類型起伏區分布集中,整體呈現出中部高,東南部次之,西北部和東北部較低的特征(圖2、表2)。小起伏地區涵蓋192個縣域,面積占比30.34%,主要分布在研究區西北部的青藏高原高原面、東北部的四川盆地盆中區域以及東南部廣西丘陵；中起伏地區包括261個縣域單元,面積占比30.33%,僅次于小起伏地區,主要集中分布在云貴高原境內；大起伏和極大起伏地區涵蓋212個縣域單元,面積占比高達39.34%,主要分布在橫斷山區、青藏高原東南部邊緣以及川西高原地區。

西南地區1995年、2000年、2005年和2010年,縣域尺度上統計的人口密度數據與地形起伏度的相關性分析結果表明：西南地區人口密度數據隨著地形起伏度的增加,呈顯著下降趨勢,且二者之間存在顯著相關性(圖3)。

表2 西南地區地形起伏度分級統計結果

圖3 西南地區地形起伏度與人口密度的相關性Fig.3 Relationship between relief amplitudes and population density in southwestern China

圖4為1995—2010年期間4個時間節點上不同地形起伏度的人口累積頻率分布曲線和人口密度柱狀圖,從圖中可見：人口密度隨地形起伏度增大而逐漸減小,人口密度高值區集中分布在地形起伏度的低值區域(200m),而人口稀疏區和無人區主要分布于地形起伏度高值區域(800m以上)。當地形起伏度小于400m,人口累積頻率分布曲線較陡,相應人口累積比率高達87%；600m后曲線逐漸和緩,相應人口累積占比達96%,人口數量累計比率增加9%；800m后,人口累積量變化不大,曲線逐漸趨于平穩。

圖4 西南地區不同地形起伏度上人口累積分布Fig.4 Accumulative frequency of population at different relief amplitudes in southwestern China

圖5 1995—2010年西南地區人口增減變化分布格局Fig.5 Distribution pattern of population growth and reduction from 1995 to 2010 in southwestern China

3.2 地形起伏度與人口增減變化的相關性

通過1995—2010年間3個時段內西南地區各縣人口密度相對變化率的數據統計(圖5、表3),探討人口集疏格局靜態變化趨勢及其與地形起伏度的相關性。結果表明：

1995—2000年,西南地區85.31%的縣人口增加。其中人口快速增加縣占比52.51%,主要分布在廣西、貴州和四川盆地的中小起伏區域,增加人口數量占總增加人口的87.93%；人口緩慢增加縣占比32.80%,主要集中在大起伏和中起伏地區,人口占緩慢增加人口的71.25%；人口減少縣占比11.99%,主要零星分布在云南、四川省內的中小起伏區域。

2000—2005年,人口增加縣的比例下降為72.43%。其中人口快速增加主要發生在貴州境內的中小起伏地區,增加人口占比37.06%,占快速增加人口的81.61%；人口緩慢增加主要集中在大起伏地區,人口占比11.55%,占緩慢增加人口的42.75%,中起伏次之,人口占比8.75%。人口減少縣占比24.67%,集中分布在西藏南部的小起伏地區,人口占比9.67%,占快速降低人口的70.07%。

2005—2010年,人口增長縣占比68.09%。其中,人口快速增加地區集中分布在廣西、重慶、云南東北部和四川東部的中小起伏區,人口占比41.55%,占快速增加人口的79.78%。人口減少縣占比27.81%。其中,人口快速降低集中在貴州和云南西部的中起伏地區,降低人口占比10.99%,占快速降低人口的57.12%；人口緩慢降低主要分布在大起伏和極大起伏區域,人口占比5.79%,占緩慢降低人口的67.56%。

表 3 1995—2010年西南地區人口增減變化地域格局統計

總體而言,西南地區人口增減變化的分布規律與地形起伏度之間存在較強的關聯性。人口快速增加的地區主要集中分布在平原、丘陵,低山等起伏不大的區域；青藏高原高原面上區域雖然地勢起伏較小,但由于海拔較高,環境惡劣,人口分布較少,人口增減變化不明顯；地形起伏相對較大的高山區和盆地邊緣地區,人口增減變化較小；極高山地區和高原邊緣地區人口則呈現緩慢降低的趨勢。

3.3 地形起伏度與人口集疏格局演化的相關性

基于中國西南地區分縣尺度上不同時段的人口集疏度研究,繪制人口集疏度分級圖(圖6),并進行相關統計分析(表4)。結果表明,西南地區人口集聚度東密西疏,與區域地形東部平緩西部陡峻的分布特征相一致。人口密集區主要分布在東部地勢低平的盆地丘陵地區,人口稀疏區集中分布在西部的高山高原地區。具體而言,西南地區1995年人口密集區占主導地位,涵蓋189個縣域單元,人口占比高達52.53%,主要分布在研究區南部的云貴高原地區；人口均值區面積占比28.02%,人口占比32.34%,僅次于人口密集區,主要分布在四川盆地和廣西丘陵地區；人口高度密集區域包括50個縣域單元,土地僅占比0.94%,人口占比12.07%,大多是省會城市及其輻射區域；人口稀疏區涵蓋111個縣域單元,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東緣；而基本無人區涵蓋48個縣域單元,人口占比僅為0.17%,但土地占比高達30.20%,存在大量的無人區,主要分布在海拔較高的青藏高原內部以及地形起伏較大的高原南緣地區。相較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級雖均有所變化,但整體趨勢保持不變。

圖6 1995—2010年西南地區分縣尺度的人口聚集度分布圖Fig.6 Distribution of southwestern China′s population agglomeration index at country scale

通過統計人口商度數據,繪制人口集疏格局變化圖并完成人口集疏格局演化的地域統計(圖7、表5),以進一步探討人口集疏格局的動態變化規律,進而定量研究地形起伏度對人口集疏格局演化的影響。結果表明,1995—2010年期間,西南地區人口以穩定增長為主,人口流動趨勢逐漸增強。其中1995—2000年,在人口穩定增長的背景下,西南地區處于人口流動的初級階段,有10752.8萬人處于流動狀態,占總人口比例的45.36%,流入人口與流出人口之比為12.7∶1,人口流入為主要流動趨勢,且集中分布在廣西、貴州西部和四川東部地區。2000—2005年,人口穩定增長趨勢有所下降,涵蓋474個縣域單位,占總人口的52.81%。人口流動日趨激烈,其中流出人口占有絕對比例,涵蓋158個縣域單元,人口占比40.30%,主要分布在四川盆地內部和廣西丘陵地區,流入人口占比6.88%,僅為零星分布。2005—2010年,西南地區人口穩定程度持續下降,相對于2000—2005年人口占比降低到47.96%,人口流動趨勢激烈,流出人口占據主導地位,涵蓋222個縣域單元,人口占比47.62%,集中分布在四川盆地和貴州高原地區以及云南中南部地區；人口流入不明顯,僅占4.42%。

表4 西南地區分縣人口聚集度分類統計表

圖7 1995—2010年西南地區人口集疏變化分布圖Fig.7 Changes of population concentration and decentralization from 1995 to 2010 in southwestern China

時間段Period地形起伏度分級Classification of relief amplitudes 人口流入地區Population inflow area人口穩定地區Population stabilization area人口流出地區Population outflow area縣域/個人數/萬人人口比例/%縣域/個人數/萬人人口比例/%縣域/個人數/萬人人口比例/%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極大00062582.72.46000總計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極大00061570.52.28128.30.11總計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極大00062638.92.49000總計231135.74.4242012328.247.9622212243.247.62

1995—2010年間,西南地區人口空間集疏格局變化不大,但人口流動日趨激烈,且流動趨勢具有明顯的地域特征。其中,1995—2000年間,人口流入主要發生在中小起伏地區,流入人口占比40.79%,占總流入人口的97%；人口穩定區主要分布在中起伏地區,人口占比27.26%,小起伏和大起伏地區差別不大,人口占比分別為12.55%和12.37%；流出人口主要分布在小起伏地區,人口占比2.92%,占流出人口的88.22%。2000—2005年間,西南地區人口穩定區域同樣集中分布在中起伏地區,涵蓋215個縣域單位,人口占比30.20%,占穩定人口的比例高達57.19%；人口流動主要發生在小起伏地區,其中,流入人口涵蓋28個縣域單元,人口占比5.81%,占總流入人口的84.45%,流出人口涵蓋104個縣域,人口比例27.91%,占總流出人口的69.26%,為主要流動趨勢。2005—2010年間,人口穩定地區同樣分布在中起伏地區,但相較上一時段,減少了51個縣域單元,人口占比下降到23.02%；人口流出趨勢繼續增強,流出人口主要集中在中小起伏地區,涵蓋203個縣域單元,人口數量占比44.63%,占流出人口的93.70%；人口流入涵蓋23個縣域,集中分布在中小起伏地區,人口占比4.42%。整體而言,地形起伏度對人口集疏格局動態變化影響較大。大起伏和極大起伏地區由于地形高差大,自然環境惡劣,人口數量分布較少,人口穩定增長為主要趨勢；而中小起伏地區,地勢平緩,經濟交通發達,人口流動變化激烈,且人口流出逐漸成為主流趨勢。

4 討論

本研究通過人口密度、人口集聚度以及人口商度指標的增減變化,有效實現了地形起伏度對人口靜態格局和動態流動趨勢影響的定量化研究。但影響人口流動和人口增減變化的因素較多,涉及自然、社會經濟等多個方面,本研究僅立足于地形起伏度,雖旨在從最為基本的因素深入探討其對人口分布的影響,但尚不能全面了解人口集疏格局形成與演化的機制。因此,后續應加強人口集疏格局形成演化的多因素研究。

此外,空間分析尺度的不同,可能會導致人口集疏格局演化規律的相關結論存在差異。由于數據獲取的限制,本研究的研究尺度為縣級。這種研究單元的劃分方法默認縣域內人口為均勻分布,因此并不能反映實際情況。較縣級平均人口密度,鄉鎮是人口普查數據發布的基本單元,能更加客觀、細致地刻畫人口地理狀況,從而較縣域單元反映出更多的空間異質性[22,32]。因此,鄉鎮尺度的人口集聚格局演化研究應成為后續研究的重要方向。

5 結論

本研究基于中國西南地區縣域尺度的地形起伏度數據以及1995—2010年人口分布數據,通過分析地形起伏度的特征規律、人口密度增減變化以及人口集疏格局演變,探討地形起伏度與人口集疏格局靜態特征和動態演化之間的相關性。主要結論如下：

(1)西南地區縣域尺度地形起伏度差異較大,整體呈現出中部高,東南部次之,西北部和東北部較低的特征。其中,小起伏區域占比30.34%,主要集中在平原、盆地等海拔較低的區域；大起伏和極大起伏區域占比高達39.34%,主要分布在海拔較高的高山高原地區。地形起伏度的空間分布特征與西南地區地貌類型分布基本一致。

(2)地形起伏度是影響西南地區人口分布和人口增減變化的重要因素。1995—2010年間,絕大多數人口集中分布在中小起伏地區,且人口密度總體上隨著地形起伏度增大而逐漸降低。西南地區地形起伏度格局決定了區域高度集聚和極端稀疏兩種人口格局并存的現狀。15年間,西南地區人口增減變化頻繁,并呈現明顯的地域特征。其中,人口增加地區集中分布在平原、丘陵、低山等地形起伏低值區；人口緩慢增加區主要分布在起伏相對較大的高山區和盆地邊緣地區；而地形起伏度大的極高山地區和高原邊緣地區人口增減變化不顯著。

(3)地形起伏度的整體格局根本上決定了西南地區人口分布“西疏東密”格局的形成。1995—2010年間,西南地區雖然人口集聚度總體上不斷小幅提高,但集疏格局演化并不明顯。人口密集區主要分布在四川盆地盆中區域以及廣西丘陵等小起伏地區,人口稀疏區則主要分布在高山高原等大起伏地區。區域人口流動主要發生在地形中小起伏地區,且流出人口占有絕對優勢；而地形起伏度較大的高山高原地區,人口流入流出不明顯,多為人口穩定區域。