黃河三角洲人地關系協調度時空演變及其驅動機制

朱紋君, 韓 美, 魏丹妮, ALI Muhammad, 王佳煒, 孫金欣

(山東師范大學 地理與環境學院, 濟南 250014)

人地關系指人類活動與自然環境之間的關系[1]，是地域系統的核心理論。其核心目標是協調區域社會經濟發展與自然環境間的矛盾，達到人與自然環境協調發展[2]。工業革命以來，隨著社會經濟與科學技術的高速發展，人類活動對自然環境的影響不斷加深[3]。自然資源稀缺、生態環境質量下降、地表圈層功能退化等[4-5]生態環境問題日益嚴峻，人地關系日漸緊張[6]。中國是世界上最大的發展中國家，也是經濟發展速度最快的國家之一。黨的“十八大”報告明確指出生態文明建設與環境問題是我國經濟社會可持續發展的焦點問題[7]。在過去的三十年里，我國經濟的高速發展使得自然環境系統的脆弱性增加，對生態環境造成了極大的破壞，阻礙可持續發展進程[8]。因此，為使自然資源滿足人類經濟社會發展的同時保證生態環境安全，就必須實現可持續發展，實現可持續發展的前提就是要實現人地協調[9]。

人地協調是經過漫長歷史時期演變得出的人地關系理論。不同時期由于生產力水平的不同，人與自然環境關系的內涵不同。實質上，人地關系包含人的主觀能動性和自然環境的制約性，人地關系理論的差異性表現在對人或自然的主體地位強調不同。早期人地關系的研究對自然環境地位強調性較高，認為人地關系的演進主要受自然力量的驅動[10]。因此，大多學者通過環境因素的變化反映人地關系[11]。工業革命以來，社會生產力得到極大發展，人地關系的研究開始傾向于人的主體地位。從人類活動角度出發構建經濟指標體系，評估區域人地關系逐漸成為主流思想[12-13]。該時期社會經濟的高速發展使生態環境遭到嚴重的破壞，20世紀60年代后，國際社會開始不斷反思與探尋經濟社會與自然環境協調發展的途徑，以期保證資源環境在滿足社會經濟發展的同時，保護生態環境質量不被破壞[14-15]。自此，可持續發展正式提出，人地協調發展得到高度重視。新時期人地關系的研究將自然環境與人視為同等地位，要求人與自然協調發展[16-17]。在現代人地協調觀的要求下，人地關系的評估需綜合考量人對自然環境的影響和自然環境對人的制約性。基于此，國內外學者通過構建雙向指標體系，借助DFSR[18](驅動力—狀態—響應)、VSD[19](暴露—敏感—適應)、SD[20](人地系統動力學)、PRED[21](人口、資源、環境、發展)和EF[22](生態足跡)等模型量化人地關系，旨在探求區域人地關系的協調程度，調節人地矛盾。

黃河三角洲是黃河下游典型的生態環境脆弱區。近年來，受區域內人類活動顯著影響，人地關系日趨緊張[23]。在黃河流域生態保護和高質量發展的戰略指導下，探究人地關系協調度的時空演變及其驅動機制，對黃河三角洲實現生態保護和高質量發展有重要意義。因此，本文依據新時期人地關系的內涵并結合相關研究[24]，運用人類活動強度[25]與生態承載力[26]構建人地協調度計算模型，測算黃河三角洲人地協調度時空演變特征，同時應用地理探測器對其驅動機制進行分析，以期對黃河三角洲高質量發展與可持續發展提供參考。

1 研究區概況

黃河三角洲(東經118°07′—119°18′，北緯37°09′—38°12′)地處海陸生態環境過渡帶，以其豐富的資源和生態環境的脆弱性而著名。主體位于黃河入海口處，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，地勢西南高東北低，地形起伏度較小，總面積達6 445 km2。研究區隸屬典型暖溫帶半濕潤季風氣候，夏季盛行西南風，冬季盛行西北風，四季分明，雨熱同期，多年平均溫度12.9℃，多年平均降水量約為585 mm。近年來，由人類活動導致的濕地生態系統退化[27]、環境質量下降等[28]問題嚴重影響黃河三角洲生態系統安全與可持續發展。基于研究目的與數據的可獲取性，本研究區域為東營區、河口區、墾利區和利津縣。

2 數據與方法

2.1 數據來源與處理

本研究采用USGS提供的1998年、2004年、2011年、2018年4期Landsat TM/OLI數據，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1)。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 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，結合專家知識以及黃河三角洲的特性從自然、經濟社會方面選取與人地協調度變化聯系較大的指標，構建影響因子指標體系[29-31]。人地協調的指標體系系統層包括人類活動與自然環境兩個方面，其中人類活動系統層包括人口規模、經濟發展水平、居民收支水平、產業結構4個表達層，自然環境系統包括自然資源稟賦、自然環境特征兩個表達層。基于此，影響因子選取人口、GDP、城鎮化率、財政支出、固定投資總額、第一二三產業產值、人均耕地面積、人均水資源、人均建設用地面積、DEM、坡度、年均蒸發量、年均降水量、植被覆蓋度等16個指標(表2)。在上述數據處理時，人文數據按行政區劃整合，自然數據按柵格單元整合。相關研究數據均源于1998—2018年的《東營市年鑒》、《河口年鑒》、《利津年鑒》、《墾利年鑒》、《東營區年鑒》以及中國科學院資源環境科學與數據中心。

2.2 研究方法

2.2.1 人地協調度模型 人地協調度的計算包含“人”與“地”兩個方面的協調[32-33]。因此，本文通過人類活動強度HAILS與生態承載力ECC兩個變量構建人地協調度的計算模型。其中，人類活動強度是衡量區域人類活動對自然環境的影響程度[34]，代表人地系統中“人”對“地”的影響；生態承載力代表自然環境對人類活動的耐受能力[35]，即“地”對“人”的制約性。經過無量綱化處理后，計算兩個變量間的協調程度即代表人地協調度。

① 建設用地當量法。人類活動強度的計算采用徐勇等[25]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：

(1)

(2)

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(表3);n為研究區域內土地利用類型的總數。

表2 黃河三角洲人地協調度時空演變影響因子體系

在人類活動強度計算過程中，不同土地利用/覆被類型設定折算系數不同。按照人類活動對地表改造程度的大小依次為建設用地、耕地、水域、林地、草地、未利用地，分別設定其當量折算系數(表3)。其中，水域包括水庫、鹽田、坑塘、河流和灘涂4個部分，分別對應折算系數為0.6，0.6，0.067，0，0。

表3 黃河三角洲不同土地利用類型建設用地當量折算系數

② 產量、均衡因子法。黃河三角洲生態承載力的計算采用產量、均衡因子法。由于區域特征的差異，生物生產能力不同，因此，區域生態承載力的計算需經過均衡化處理，將其轉化為相同生產力的生產土地面積，以便加總。參考黃河三角洲區域特征，結合生態足跡模型、統計年鑒數據以及FAO數據庫，確定其產量因子與均衡因子(表4)，其計算公式如下：

(3)

式中：ECCi為區域i的生態承載力；Yi，Bi分別為區域的產量因子和平衡因子；Si為該區域的面積，在計算生態承載力時，扣除12%生物多樣性保護。

表4 不同土地利用類型的產量因子和均衡因子

③ 人地協調度計算方法。人地協調度計算通過測度人類活動強度與生態承載力的耦合程度來表示。模型計算結果主要包括耦合度、協調度、協調系數3個部分，計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：HAILSi是區域i的人類活動強度；ECCi為i區的生態承載力。Ci為黃河三角洲人類活動強度與生態承載力的耦合度，取值在0到1之間。Ti表示綜合協調系數，α和β分別為兩個不定參數(α+β=1)，由于在人地系統中人與自然的同樣地位，確定α=β=0.5。Di為人地協調度，Di∈[0,1]。參考相關研究[36]將協調度D計算結果分為嚴重失調(0～0.2)、相對失調(0.2～0.4)、低等協調(0.4～0.6)、良好協調(0.6～0.8)、優質協調(0.8～1)。

2.2.2 地理探測器 地理探測器探測研究變量的空間分異性，并揭示其時空演變驅動力的統計學方法。主要包括分異因子探測、交互作用探測、生態探測以及風險探測4個部分[37]。本文應用地理探測器模型中分異因子探測器與交互作用探測器，對黃河三角洲人地協調度時空演變的驅動力進行分析。分異因子探測器可對人地協調度的空間分異性及所選影響因子對人地協調度的解釋程度，其計算公式如下：

(7)

(8)

SST=Nσ2

(9)

式中：q是各影響因素對人地協調度的時空演變解釋力；σ2為所選因子的離散方差；N為區域單元數；L為因子種類數量；Nh和σh為區域h的樣本量和離散方差。q取值范圍[0～1]，q值越大表明影響因子對人地協調度時空演變的解釋力越大。

交互作用探測器可識別兩個不同影響因子的共同作用對人地協調度的解釋力，即通過對比單變量q值和雙變量q值的大小關系來判斷兩變量共同作用時是否會增加或減弱對因變量Y的影響程度，是該方法區別于傳統統計學方法的最大特點，判斷依據見表5。

3 結果與分析

3.1 黃河三角洲人地協調模型計算結果與分析

3.1.1 黃河三角洲人地協調度時空演變分析 黃河三角洲人地協調度計算結果表明(表6)，研究時段內區域內人地協調度水平不斷提升：失調區域面積下降顯著，協調區域面積逐漸上升。研究初期，黃河三角洲人地關系較為緊張，人地協調度整體水平較低，主要人地關系特征為良好協調，區域面積達2 847.57 km2，占研究區總面積的44.15%。但相對失調與嚴重失調區域面積仍較高，面積分別為1 123.91 km2，1 209.67 km2。較為特殊的是1998—2004年研究區人地協調度水平顯著下降，人地關系失調的區域面積呈上升趨勢，其中相對失調區域面積上升最為顯著，較1998年面積上升了807.24 km2，低等協調與良好協調面積均有下降。自2004年后人地協調度逐步上升，低等協調、良好協調、優質協調區域面積逐步增加，人地關系逐漸緩和。

表6 1998-2018年不同等級人地協調度區域面積變化 km2

從空間分布格局來看(圖1)，研究時段內黃河人地協調度時空分布特征大致為內陸協調水平較高，沿海協調水平較低。其中協調水平高值區存在明顯擴張現象，良好協調區域與優質協調區域越發集中連片，主要分布于內陸近黃河地區；失調區域逐步向沿海消退，最終縮減至自然保護區兩個分區處。黃河三角洲內陸為人類居住和活動的主要場所，研究時段內，各地區開發建設基本完善并逐步開始恢復、保護生態環境，因此良好協調區域和優質協調區域主要分布于內陸區域并呈擴張趨勢；由于自然災害與產業轉型等原因，沿海生態環境脆弱區域承載過度人類活動[38]，因此處于失調狀態。但隨著科學技術的進步與相關政策的調節，人地矛盾逐步緩和，沿海區域協調水平逐漸提升。

圖1 1998-2018年黃河三角洲人地協調度時空分布

3.1.2 黃河三角洲各鄉鎮人地協調度等級時空演變分析 1998—2018年，黃河三角洲各鄉鎮人地協調度等級空間格局變化顯著(圖2)，總體呈自黃河沿岸向周圍遞減的空間分布特征。整體上看，黃河三角洲各鄉鎮協調度等級較低，低協調等級區域分布最為廣泛。研究初期，大部分鄉鎮處于失調狀態，部分沿黃河鄉鎮人地協調等級較高。2004年，研究區西部和南部各鄉鎮協調等級有所下降，除黃河口鎮外，東部沿海及其周邊鄉鎮仍處于失調狀態。至2018年，研究區各鄉鎮主要人地關系等級仍為低協調，但各鄉鎮協調度水平均有提升，人地關系有所改善。高等級協調區域逐步向研究區中部至黃河兩岸匯集，表明在政府與國家政策的宏觀調控下，沿黃河各鄉鎮人地關系均有所改善且政策響應良好[39]。

圖2 1998-2018年黃河三角洲各鄉鎮人地協調度等級分布

黃河三角洲各鄉鎮人地協調度測算結果(表7)表明，1998年以來黃河三角洲各鄉鎮人地協調水平較高，平均值在0.5(良好協調)上下波動，協調水平較為穩定。各鄉鎮協調度水平差異顯著。研究初期鄉鎮協調度極差值為0.51，至2018年縮減至0.24，表明研究時段內各鄉鎮人地協調水平差距逐步縮減，總體協調水平有提升趨勢。總體來看，1998—2018年間鄉鎮協調度水平呈下降趨勢，各鄉鎮協調度演變差異明顯。六合鎮、勝坨鎮、墾利街道、永安鎮、河口街道、六戶鎮以及鹽窩鎮人地協調度呈上升趨勢，其中六合鎮、勝坨鎮、墾利街道和永安鎮增長水平最為顯著，增長值分別為0.27，0.26，0.25，0.24；新戶鎮人地協調度雖有波動但近20年間無明顯變化；其余鄉鎮協調水平均呈下降趨勢，汀羅鎮、東城街道、刁口鄉、郝家鎮、黃河路街道、牛莊鎮和史口鎮協調水平下降最為明顯，下降值分別為0.24，0.17，0.17，0.16，0.13，0.12，0.12，其余鄉鎮下降幅度較小。

3.2 地理探測器結果與分析

3.2.1 分異因子探測器結果與分析 地理探測器因子探測結果表明(圖3)，黃河三角洲人地協調度水平與人均水資源密切相關。總體來看，1998—2018年人均水資源、年均降水量、植被覆蓋率與人口數量是人地協調度時空演變的主導因素，但不同因子的解釋力q值不高。2018年各因子對人地協調度時空分異的解釋能力順序為：人均水資源(1.121 3)、植被覆蓋率(0.074 2)、年均降水量(0.066 2)、人均建設用地面積(0.061 2)、人均耕地面積(0.047 1)、DEM(0.034 7)、第一產業產值(0.034 7)、人口數量(0.033 8)、固定投資總額(0.032 1)、城鎮化率(0.030 7)、第二產業產值(0.030 6)、財政收入(0.026 6)、年均蒸發量(0.025 2)、GDP(0.024 9)、第三產業產值(0.017 7)、坡度(0.000 7)。其中，人均水資源、植被覆蓋率和年均降水量對人地協調度影響最大，因此，修復與保護區域自然環境是黃河三角洲人地協調發展的關鍵途徑。

表7 1998-2018年黃河三角洲各鄉鎮協調度變化

近20年來，各影響因子對黃河三角洲人地協調度的解釋力變化顯著，經濟發展水平、自然資源稟賦和自然環境特征在人地協調度演進中重要程度逐步上升(表8)。其中，人均建設用地面積、DEM、人均水資源、年均蒸發量、第三產業產值與城鎮化率q值增長最為顯著，較1998年分別上升了0.026 7，0.018 2，0.012 3，0.011 8，0.010 2，0.010 1。建設用地的擴張是人類活動系統中經濟發展的主要表現形式，隨著經濟的發展，人類活動輻射范圍逐步增加，對區域自然環境產生負面效應。尤其在1998—2018年，黃河三角洲經濟發展迅速，擴張建設用地等人類活動對其周圍自然環境特征與資源稟賦改造作用加深，加深區域人地矛盾。因此研究時段內，經濟發展水平、自然資源稟賦和自然環境特征對研究區人地協調度的解釋力逐步上升。

3.2.2 交互作用探測器結果與分析 人地協調度的空間分異是由多個因子綜合作用的結果，各影響因子交互探測的結果表明(圖4)，1998—2018年各因子間交互作用對研究區人地協調度解釋力均呈增強趨勢。影響因子間交互作用方式主要包括非線性增強、雙因子增強與單因子非線性減弱。

研究時段內，大部分因子間交互作用方式主要為非線性增強，雙因子增強作用方式逐漸增多。特殊的是1998年間，坡度分別與第一產業產值、第三產業產值和城鎮化率的交互作用呈現單因子非線性減弱作用方式，表明其交互作用對人地協調度的解釋力不高。1998—2004年部分自然資源稟賦、經濟發展水平和自然環境特征指標因子間交互作用為雙因子增強，例如人均耕地面積分別與人均建設用地面積和年均降水量交互作用、DEM分別與人均耕地面積、城鎮化率、GDP和年均降水量交互作用、年均降水量與GDP交互作用、人均建設用地面積和植被覆蓋率交互作用等。至2018年，人均水資源與除人均耕地面積和第三產業產值外其他因子，人均建設用地面積與人口、DEM與人均耕地面積、第一產業產值、財政收入、人口交互作用結果均為雙因子增強，表明自然資源稟賦、經濟發展水平與自然環境特征因子間交互作用對人地協調度影響程度逐步提升，人均水資源、人均建設用地面積、DEM與其他部分因子間交互作用對人地協調度解釋力越來越高。

4 討論與結論

4.1 討 論

本文基于耦合協調度模型與地理探測器探討了1998—2018年黃河三角洲人地協調度時空分布，發現近20年來黃河三角洲人地協調度水平較低，但整體呈上升趨勢。部分學者應用區域開發強度RDI與資源環境水平指數REI之間的耦合協調度[40]，反映黃河三角洲地區人地協調度。雖選取進行耦合評估的變量有所差異，但研究結果均一致表明黃河三角洲人地關系處于低級協調水平以及良性發展的趨勢。

人地協調度是人類活動與自然環境之間相互作用的結果，是對區域人地關系與可持續發展現狀的定量評價。黃河三角洲人地協調度空間分布結果表明，隨著黃河流域以及黃河三角洲相關政策的規劃，人地矛盾逐步緩和。驅動力結果表明自然環境相關因子在其演化過程中占主體地位，隨著經濟水平的提高，人類活動在人地協調關系中的重要程度不斷上升，有逐步占據主體地位的趨勢。根據人地關系的基本理論演進過程，人類活動與自然環境在人地關系中的主體地位是不斷變化的，即從自然環境占主體地位—人類活動占主體地位—人與環境地位平等。可以看出研究時段內黃河三角洲人地關系處于第一階段到第二階段的過渡時期，雖人地關系逐步緩和，但距人地協調發展仍有一段距離。

圖3 1998-2018年黃河三角洲人地協調度空間分異影響因子探測結果

屆時研究區域內人地協調度仍處于較低水平，人地關系等同于工業革命前后人類活動逐步占據主體地位時期。為提高人地協調度水平，可提高人均水資源擁有量、植被覆蓋率，同時控制人口數量增長、平衡產業結構。在今后的人地關系發展中，需保持自然環境主體地位的同時合理控制人類活動增長趨勢，根據區域發展現狀以及主要人類活動方式制定合理政策進行宏觀調控，從而加速人地關系進程。同時，在未來的人地關系研究中，應用耦合協調度模型對人地關系的量化評估前，可先對區域人地關系現狀進行初步評估以確定α與β值，由于不同研究區域人地關系發展階段不同，人類活動與自然環境的主體地位也不同，恰當的調整α，β參數值，可更加確切的反映區域內人地關系的變化。

4.2 結 論

(1) 1998—2018年黃河三角洲人地協調度格局演變劇烈，失調區域面積逐步下降，協調區域面積逐漸上升，整體呈良好協調水平。其中良好協調區域面積增加幅度最大，共增加512.44 km2。嚴重失調區域面積縮減最為顯著，至2018年減少至493.63 km2，共減少了715.06 km2。人地協調度空間格局呈自內陸向沿海遞減的特點，協調區域逐漸擴張且愈發集中連片，人地關系逐步緩和。

(2) 研究時段內，各鄉鎮協調度水平等級較高，協調水平變化較為穩定，但鄉鎮間協調等級差異明顯且協調水平差距逐漸減小。1998年各鄉鎮人地協調度極差值達0.51，至2018年縮減至0.24。其中六合鎮、勝坨鎮、墾利街道、永安鎮、河口街道、六戶鎮以及鹽窩鎮協調水平呈上升趨勢，除新戶鎮外，其他鄉鎮協調水平均呈下降趨勢，下降幅度不大。各鄉鎮協調度空間分布特征呈自黃河沿岸向四周遞減的分布特征，且逐漸有上升趨勢。

表8 1998-2018年黃河三角洲人地協調度影響因子變化

圖4 1998-2018年黃河三角洲人地協調度因子交互作用探測結果

(3) 黃河三角洲人地協調度演變的主要影響因子是人均水資源、年均降水量、植被覆蓋率與人口數量。研究時段內各影響因子對人地協調度空間分異的解釋能力變化明顯，GDP、人均建設用地面積、城鎮化率、第一產業產值、第三產業產值、人均水資源、DEM、年均蒸發量與年均降水量q值呈上升趨勢，其余因子q值結果均下降。其中，人均建設用地面積、DEM、人均水資源q值增長最為顯著，較1998年分別上升了0.026 7，0.018 2，0.012 3。

(4) 1998—2018年各因子間交互作用對研究區人地協調度的解釋力均呈增強趨勢，主要作用結果有非線性增強、雙因子增強和單因子非線性減弱3種方式。大部分因子間交互作用為非線性增強，僅在1998年間出現單因子非線性減弱作用。2004—2018年，雙因子增強作用逐步增多。至2018年，人均水資源與除人均耕地面積和第三產業產值外的其他因子；人均建設用地面積與人口；DEM與人均耕地面積、第一產業產值、財政收入、人口交互作用結果均為雙因子增強。