1990-2018年黃河三角洲人類活動強度時空格局演變及其驅動因素

朱紋君, 韓 美, 孔祥倫, 李云龍, 孔凡彪, 魏 帆, 榮佳輝

(山東師范大學 地理與環境學院, 濟南 250014)

人類活動對地表生態系統的演變和發展有重要驅動作用[1]。隨著經濟的高速發展，人類活動帶來的環境問題日益突出，對生態環境壓力不斷增大，制約人類社會的發展[2]。因此，關注人類活動的時空變化，明確其驅動因素，對維持區域生態環境動態平衡、實現區域可持續發展具有重要意義。人類活動強度(Human activity intensity of land surface, HAILS)是對人類活動程度的度量，指某區域受人類活動影響導致該區域地表過程速率發生改變的程度[3]。在生態系統較為脆弱、敏感的特殊區域，人類活動對區域自然環境影響尤為顯著[4]。在一些學者提出“人類活動在多大程度上影響自然進程”這一問題后，學術界開始探討人類活動對自然環境的影響[5-7]。張翠云等[8]依據研究區域特征構建指標體系，應用權重加權法對黑河流域人類活動強度展開研究，但研究指標體系的構建和權重的確定主觀性較強；郭少壯等[9]通過秦嶺的景觀格局演變評估人類活動強度，雖減少了主觀性對研究結果的影響，但景觀格局并非人類活動最直觀的表現形式，且方法的普適性較差。

土地利用是人類活動最直接的表現形式。鑒于此，徐勇等[10]提出建設用地當量法，以土地利用為基礎測算區域人類活動強度，客觀性較強且適用于生態環境較為特殊的區域。黃河三角洲生態環境比較特殊[11]，隨著經濟社會的發展和人類活動的不斷增強，黃河三角洲自然生態環境演變劇烈[12-14]。韓美等[15]、陳珂欣等[16]對黃河三角洲人類活動強度進行研究，分析在人類活動影響下濕地景觀格局的響應；劉佳琦等[17]指出，隨著人類活動強度的增加，區域景觀連通性與復雜性下降，景觀多樣性與空間異質性增加。總之，目前黃河三角洲對人類活動強度的研究主要從人類活動引起的景觀格局響應角度展開[18]，揭示人類活動對景觀格局的影響機制，但針對人類活動強度的分析較少。鑒于此，本文運用建設用地當量法，計算1990—2018年黃河三角洲人類活動強度，分析其主要驅動因子，為黃河三角洲生態環境保持及可持續發展提供科學性支持。

1 研究區概況

近代黃河三角洲位于黃河入海口處(東經118°07′—119°18′，北緯37°09′—38°12′)，以寧海為頂點，南抵支脈河河口，西起套兒河口，地處渤海灣與萊州灣之間，總面積達6 445 km2。基于研究目的及數據的可獲取性，本研究區域為東營區、河口區、墾利區和利津縣。至2018年，黃河三角洲總人口數為143.54萬人，水庫建造面積達178.91 km2，耕地面積上升至3 141.63 km2，占總面積的48.75%。近30 a來，研究區人口數量不斷增多，興修水庫、開墾耕地、修建城鎮設施和工礦開采等人類活動使環境壓力日益增大，人類活動日漸強烈。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本研究采用USGS提供的1990年、1997年、2004年、2011年、2018年5期Landsat TM/OLI數據(表1)，分辨率為30 m，應用ENVI對影像進行幾何精校正、大氣校正、輻射校正、裁切等預處理，控制校正誤差在1個像元以內，使用面向對象分類法，經人機交互修正后提取土地利用空間位置分布信息。依據?中國土地利用現狀分類?將研究區土地利用類型分為草地、林地、水域、建設用地、未利用地和耕地6個一級類型以及13個二級類型(表2)。通過實地考察并結合高分辨率影像(Google Earth)獲取450個校正樣本驗證解譯精度，均在90%以上，符合研究需要。

表1 遙感影像信息

表2 土地利用類型分類

本文依據指標選取的全面性、主導性、代表性以及資料可獲取性原則[19]，結合專家知識以及黃河三角洲的特性[20-22]從經濟社會[23]方面選取與人類活動強度變化聯系較大的指標，構建驅動因子指標體系[24-25]，其中，人口是人類活動的基礎，人口密度(X1)決定著區域人類活動。GDP變化率(X2)、農業總產值(X3)、工業總產值(X4)是區域經濟社會發展水平重要指標。石油業、鹽業、農耕業是黃河三角洲最主要的經濟發展方向，原油開采量(X5)、鹽田開采量(X6)、耕地率(X7)對人類活動的反映最直觀。城鎮和農村是人類活動的主要區域，城鎮化率(X8)，財政支出(X9)、固定資產投資總額(X10)，是研究區人類社會經濟活動的映射。上述研究數據均源于1990—2018年的《東營市年鑒》、《河口年鑒》、《利津年鑒》、《墾利年鑒》和《東營區年鑒》。

2.2 研究方法

2.2.1 土地利用動態度 土地利用動態度用于衡量黃河三角洲人類活動對土地利用改造程度，指研究區內土地利用類型數量的變化[26-27]，包括單一土地利用類型動態度和綜合土地利用動態度。

(1) 單一土地利用類型動態度表示：研究時段內，黃河三角洲某種土地利用類型的數量變化情況，其公式為：

(1)

式中：K為單一土地利用類型動態度(%)；Ua和Ub分別表示研究初期和末期土地利用類型數量(km2)；T為監測時段，當T為年時，K值就是研究區某種土地利用類型年變化率。

(2) 黃河三角洲的綜合土地利用動態度的公式為：

(2)

式中:LC表示區域綜合土地利用動態度(%)；LUi表示研究初期第i類土地利用類型面積(km2)；ΔLUi-j為研究時段內第i類土地利用類型轉出數量絕對值(km2)；T為研究時長,當T為年時,LC就是研究區土地利用年變化率。

2.2.2 人類活動強度計算方法 人類活動強度的計算采用徐勇等[10]提出的建設用地當量(CLE, Construction land equivalent)模型和土地利用/土地覆被類型的建設用地當量折算系數(CI, Conversion index of construction land equivalent)算法，其公式如下：

(3)

(4)

式中:HAILS(Human activity intensity of land surface)指地表人類活動強度(%)；SCLE為建設用地當量面積；S為研究區域總面積；SLi(km2)為第i種土地利用/土地覆被類型面積；CIi為該種土地利用/覆被類型的折算系數；n為研究區域內土地利用類型的總數。參考相關研究[28]和研究區域特征，將人類活動強度劃分為0%～5%，5%～10%，10%～20%，20%～40%，40%～60%，60%～100%6個強度帶，強度值由低到高分別對應1—6號等級，其中1—3號為低級強度帶，4—6號為高級強度帶。

2.2.3 Pearson相關系數 Pearson積差簡單相關系數[29]可用于衡量兩個變量的密切程度。本文應用SPSS軟件計算Pearson相關系數，度量所選10個因子與人類活動強度的關聯程度[30]，其數學表達式為：

(9)

式中：n為樣本數；xi和yi分別為樣本的變量值。計算結果的置信度(Sig值)以0.01級別(95%)和0.05級別(90%)兩個等級為分界，若Sig值大于0.05，則表明所選自變量與因變量相關性置信度低，不滿足假設。在0～0.05之間，Sig值越小則表明該驅動因子與人類活動強度相關性的顯著度越高。

3 結果與分析

3.1 土地利用時空演變分析

土地系統是人類與自然環境間的紐帶，也是自然環境對人類活動的最直觀的響應對象[31]。近30 a黃河三角洲土地利用格局變化顯著(圖1A)，主要土地利用類型為耕地。至2018年，耕地的面積達3 141.63 km2(圖1B)，占總面積的48.74%，是人類活動面積最大的場所，主要分布在研究區西南內陸地區和黃河沿岸地帶；水域的面積為1 929.91 km2，占比29.95%，集中分布在黃河三角洲沿岸地區。其中，坑塘、鹽田是人類活動的主要區域，水庫是人類活動的產物；建設用地是受人類活動影響最強烈的區域，包括城鄉居民用地和工礦用地，面積為863.78 km2。其他土地利用類型所占比例大小依次為草地、林地和未利用地。

圖1 黃河三角洲土地利用類型及其面積變化

綜合土地利用動態度表明，不同研究時段人類活動對黃河三角洲土地利用的影響程度不同(圖2A)，大致以2004—2011年時段為界，前期動態度大幅度減小，后期增加。4個時段的動態度分別為2.17%(1990—1997年)，1.15%(1997—2004年)，1.11%(2004—2011年)和1.26%(2011—2018年)，相比其他時段，1990—1997年土地利用變化較為顯著，人類活動較為強烈。從單一土地利用動態度看(圖2B)，1990—1997年人類活動主要集中在建造林地、修建水域以及擴張建設用地方面，其單一土地利用動態度分別為16.70%，6.03%和5.10%。其中林地的動態度最大，說明該時期人類活動對林地的影響程度最大。2004—2011年人類活動對土地系統的影響較輕，建設用地與林地依舊是受人類活動影響較大的土地利用類型，草地和水域的動態度出現負增長，其中草地縮減最為顯著，動態度為-3.16%，水域的動態度為-1.04%。

圖2 黃河三角洲土地利用動態度

3.2 人類活動強度時空變化分析

從時間上看，黃河三角洲人類活動強度總體呈上升趨勢(圖3)，不同時段人類活動強度變化不同，大致以2004—2011年時段為界，前期強度增長幅度不斷減小，后期再次增大。其中1990—1997年增長幅度最大，年均增長0.64%。建設用地當量面積不斷增大，變化特征與人類活動強度的變化特征大致相同。

圖3 1990-2018年黃河三角洲建設用地當量面積和人類活動強度

1990—2018年人類活動強度格局變化顯著(圖4A)，人類活動逐漸由區域內部向區域邊緣推進，各縣域受人類活動影響日益強烈(圖4B)。其中，1級強度帶變化最為顯著，占研究區總面積的10.34%。研究時段內，該強度帶自內陸向沿海方向消退，最終穩定在研究區內自然保護區兩個分區范圍附近。2級強度帶分布較為零散，面積逐漸減少。主要土地利用類型為灘涂、草地，受人類活動影響較輕，故人類活動強度較低；3級強度帶主要分布在研究區沿河地帶，占比13.76%，面積不斷增大，但增長幅度較小；4級強度帶與耕地的分布大致相同，占總面積的38.40%，農業是黃河三角洲主要經濟發展形式，由于土壤鹽漬化[32]和產業結構的轉型，農業逐步向鹽業、石油業和養殖業轉變，故人類活動強度較低；5級強度帶主要分布在6級強度帶邊緣，占比12.57%；6級強度帶面積占研究區總面積的20.78%，集中分布在東營區城鎮建設區、河口區鹽田區以及勝利油田地區，人類活動較為集中，范圍不斷擴大且向沿海方向推進。

圖4 1990-2018年黃河三角洲人類活動強度分布及趨勢

3.3 人類活動強度變化的驅動因子分析

研究時段內，黃河三角洲各自變量與人類活動強度均呈顯著性相關[33]，模型計算效果較優。Pearson相關性分析結果表明(表4)，人口密度(0.986)、原油開采量(0.969)和鹽田開采量(0.994)是黃河三角洲人類活動強度演變的重要驅動因子。隨著人口密度的上升，食宿等基礎物質需求量不斷擴大，從而引起土地利用類型的轉變[34]，對黃河三角洲地表過程干擾程度最大，故人口密度與人類活動強度相關性最高。自《黃河三角洲高效生態經濟區發展規劃》的頒布與實施，區域產業發展方向得到調整，油業與鹽業成為近年來黃河三角洲發展最為迅速的區域特色產業[35]，但對產業區域內部及周邊范圍生態環境影響顯著，例如化學物質污染、地質災害爆發等[36-37]，同時推動人類活動強度分布格局向沿海方向發展，加大了鹽田區和勝利油田區的人類活動強度。

表4 1990-2018黃河三角洲人類活動強度驅動因子Pearson相關系數分析結果

不同縣域尺度上人類活動強度的影響因素有顯著差異(表5)。研究時段內東營區人口數量高于其他縣區，2018年東營區總人口數達66.81萬人，人口密度為58.21人/km2。隨著社會經濟的發展，東營區城鎮化率不斷提高，建設用地的擴張成為區域人類活動的主要表現形式。故人口密度和城鎮化率與東營區人類活動強度相關性較高；河口區鹽田數量多，隨著黃河三角洲產業重心由農業向工業轉移，鹽業成為河口區經濟發展產業重心之一。因此GDP變化率和鹽田開采量對河口區人類活動強度解釋力較高。墾利區含有勝利油田和大量耕地，是人類活動的集中區域，故墾利區人類活動強度主要受原油開采量和耕地率的驅動。利津縣內社會經濟活動頻繁，除原油開采量、鹽田開采量、耕地率和城鎮化率外各驅動因子均與人類活動強度具有顯著相關性，其中GDP變化率相關性最高。

表5 黃河三角洲各縣域人類活動強度驅動因子Pearson相關系數分析結果

4 討論與結論

(1) 近30 a間黃河三角洲土地利用格局演變劇烈，其中，水域面積增加幅度最大，共增加了881.69 km2；未利用地縮減最顯著，至2018年面積縮減至103.27 km2，共減少了1 179.71 km2，其余土地利用類型變化幅度不大。研究時段內，綜合土地利用動態度呈先下降后上升的趨勢，不同時段人類活動對土地利用干擾程度不同。其中，1990—1997年人類活動對土地利用的影響最強烈，綜合土地利用動態度為2.17%。根據單一土地利用動態度結果，該時段人類活動主要表現形式為建造林地、修建水域和擴張建設用地，其單一土地利用動態度分別為16.70%，6.03%和5.10%。

(2) 1990—2018年黃河三角洲人類活動強度總體呈上升趨勢，1990年黃河三角洲人類活動強度為18.14%，2018年達到35.24%，增長了16.90%。增長幅度大致以2011年為界，前期不斷下降，后期增長幅度上升，其中1990—1997年增長幅度最大，年均增長0.64%。從總體上看，研究年限內黃河三角洲人類活動強度分布格局大致呈5，6級強度帶向北部及東部邊緣地區推進且范圍不斷擴大、低強度帶自內陸向沿海方向消退的特征。其中東營區城鎮建設用地和勝利油田地區人類活動較集中，人類活動強度一直較高；河口區鹽田隨著時間的變化逐漸從低強度帶轉變為高強度帶。

(3) 黃河三角洲人類活動強度演變的主要驅動因子是人口密度、原油開采量和鹽田開采量。各驅動因素區域差異性顯著，東營區主要驅動因子為城鎮化率，鹽田開采量是河口區主要驅動因子，原油開采量與GDP變化率分別是墾利區和利津縣的主要驅動因子。由于本文根據研究區獨特的生態要素[15]選取相關指標進行驅動分析，因此主要驅動因子除人口密度外還有鹽田開采量和油田開采量，雖與相關研究[28]略有不同，但符合黃河三角洲的特性。

人類活動強度影響因素多樣，由于數據獲取的限制，本文指標體系有待進一步完善。在復雜的人類活動體系中，量化重要影響因素如土地利用政策、經濟發展政策等對人類活動強度的影響很難實現。因此，尋找合適的量化方法分析人類活動強度演變的驅動機制，是未來值得考慮的問題。