歷史時期山西古城遺址的分布及影響因素分析

董海平，?？〗?，于秋月，趙景波，賀美芳

（1.太原師范學院 歷史地理與環(huán)境變遷研究所，山西 晉中 030619；2.陜西師范大學 地理科學與旅游學院，陜西 西安 710062；3.太原理工大學 建筑學院，山西 晉中 030619）

古城遺址是一座城市歷史的見證，是一定時期內人類生產生活方式的體現(xiàn)，也是古代最為常見的防御性建筑，反映了歷史時期區(qū)域內政治、經濟、軍事和建筑等方面的成就[1]。古城遺址的研究有助于了解歷史時期人類的經濟發(fā)展、社會變遷及其環(huán)境演變等人地關系，同時有利于遺址的保護和開發(fā)利用。遺址的研究涉及很多方面，主要集中于遺址的空間分布[2]、時空演變的驅動力[3，4]、遺址識別[5]和保護措施[6]等。對于遺址空間分布的研究，以往主要是通過文字描述和表格來反映，隨著RS和GIS的發(fā)展，該研究趨向于定量化、可視化，越來越多的學者利用最近鄰指數(shù)法[7]、點密度分析方法[8，9]、核密度估算法和不平衡指數(shù)法[10]等方法研究遺址的分布特征。古城遺址的分布受到自然、人文等因素的影響，同時這些因素在不同的歷史時期所占的地位不同[11]。20世紀90年代以來，GIS被廣泛運用于遺址的研究中，如克里木·買買提等利用GIS的空間分析方法對吐魯番地區(qū)古遺址的空間分布及其影響因素進行研究，發(fā)現(xiàn)該研究區(qū)的遺址具有線性分布的特征[12]；阮浩波等運用最近鄰指數(shù)法探討了毛烏素沙地漢代古城遺址的分布，發(fā)現(xiàn)該地的漢代古城遺址主要有4個集聚區(qū)[13]。

本研究擬利用GIS技術對山西省新石器—明清時期的古城遺址進行Ripley's K函數(shù)分析，得出各時期遺址的分布狀態(tài)，并從自然和人文兩個角度研究其影響因素，以期揭示山西省人類活動與環(huán)境演變的關系，為今后古城遺址的保護、研究等提供依據。

1 研究區(qū)概況

山西省位于黃河中游地區(qū)，地理坐標為34°34'N—40°44'N，110°14'E—114°33'E，共包括11個地級市。山西省地形復雜多樣，有山地、丘陵、高原和盆地等多種地貌，地勢東北高西南低，東有太行山，西有呂梁山，北有恒山、五臺山，南有中條山。由于外圍被山環(huán)繞，受海洋影響較弱，形成溫帶大陸性季風氣候，南北氣候差異顯著，晝夜溫差較大。山西省河流較多，共有大小河流1 000余條，分屬黃河、海河兩大水系，以季節(jié)性河流為主，其中主要的水資源補給為當?shù)亟邓?，由于降水量分布不均，水資源的地域分布也極不均勻，表現(xiàn)為由東南向西北遞減。

歷史時期，山西在我國政治、軍事、經濟和文化等發(fā)展過程中占有重要地位。因其特殊的地理區(qū)位，山西頻繁發(fā)生戰(zhàn)爭，修建了很多軍事防御性建筑，古代的營建活動最早可以追溯到堯舜禹時代，有“中國古代建筑的寶庫”之稱。古代山西的道路交通發(fā)展較早，對中國道路交通發(fā)展具有重要促進作用。

2 數(shù)據來源與研究方法

2.1 數(shù)據來源及處理

對《山西省志·古建筑志》及山西省各縣志記載的古城遺址進行統(tǒng)計，結合實地考查等方法確定各遺址的實際地理位置，剔除年代不詳?shù)墓懦沁z址，選出291座古城遺址作為研究對象。根據每個古城遺址的位置利用百度地圖獲取其經緯度，從地理空間數(shù)據云獲取山西省30 m分辨率的DEM數(shù)字高程模型，并搜集行政區(qū)劃圖和水系圖，利用ArcGIS10.2軟件對這些圖進行配準和矢量化。

按照時間順序將歷史時期分為新石器、夏—西周、春秋—秦、漢—南北朝、隋唐、宋—元、明清7個時期，各個古城遺址按所屬的時期進行歸類。

2.2 研究方法

2.2.1 Ripley's K函數(shù)分析

Ripley's K函數(shù)是分析研究區(qū)域中所有點數(shù)據聚集程度的一種方法[14，15]，解決了最近距離分析、G函數(shù)分析和F函數(shù)分析信息缺失大的不足[16]，可以有效地檢測各點之間的空間依賴性，并按照空間尺度的變化研究點的分布格局。Ripley's K函數(shù)定義公式為

利用ArcGIS10.2軟件使用Ripley's K函數(shù)對山西省7個歷史時期古城遺址的分布狀態(tài)進行分析，采用蒙特卡洛檢驗，設定置信度為99%，得到觀測值k、置信區(qū)間、觀測值k與期望值k之間的差值DiffK和距離之間的關系圖。當觀測值k在置信區(qū)間上方時，為顯著聚集分布；當觀測值k在置信區(qū)間內時，為隨機分布；當觀測值k在置信區(qū)間下方時，為均勻分布。當差值DiffK大于零時，差值DiffK越大聚類程度越強；而當差值DiffK小于零時，差值DiffK越小聚類程度越強。

2.2.2 疊加分析和緩沖區(qū)分析

將歷史時期的古城遺址數(shù)據與山西省DEM圖、坡度圖和坡向圖疊置，分析歷史時期古城遺址的空間分布特征。通過緩沖區(qū)分析研究河流對古城遺址分布的影響，利用相關文獻資料對山西省古城遺址分布的各種影響因素進行分析。

3 結果與分析

3.1 歷史時期古城遺址的分布類型

分別對各歷史時期的古城遺址進行Ripley's K函數(shù)分析，設定置信度為99%，得出不同歷史時期古城遺址的分布曲線圖（圖1）。

由圖1可以看出，新石器、春秋—秦和漢—南北朝時期的觀測值k位于置信區(qū)間的上方，且差值DiffK在距離小于160 km時均大于0，這些時期的古城遺址在空間上呈顯著聚集分布。夏—西周、隋唐、宋—元和明清時期的觀測值k基本位于置信區(qū)間內，這些時期的古城遺址在空間上呈隨機分布。夏—西周時期的古城遺址在距離為19 km時聚集程度最強；隋唐時期的差值DiffK 均小于0，在距離為30 km時聚集程度最強；宋—元時期的差值DiffK均大于0，在距離為15 km時聚集程度最強；明清時期的古城遺址在距離小于90 km時差值DiffK大于0，大于90 km時差值DiffK小于0，距離為35 km時聚集最為顯著。

3.2 歷史時期古城遺址的空間分布特征

利用ArcGIS10.2軟件在DEM圖上作坡度圖和坡向圖，坡度圖分為0～9°、10～18°、19～30°和31～90°四個范圍，坡向則共劃分為八個方向。將各歷史時期的古城遺址分布圖與坡度圖和坡向圖進行疊加，統(tǒng)計歷史時期各坡度、各坡向所對應的古城遺址數(shù)量，得出歷史時期古城遺址坡度、坡向分布表和分布圖（見表1、表2、圖2）。

3.2.1 新石器時期

新石器時期古城遺址的數(shù)量最少，共有9處，占總數(shù)的3.1%，可以稱其為萌芽階段。從古城遺址分布的位置來看，有4處位于臨汾市，其中3處沿汾河分布；有2處位于忻州市，其中1處沿黃河分布；大同市、運城市、晉城市各有1處，位于運城的遺址沿汾河分布。從海拔來看，有4處位于海拔301～600 m的臨汾盆地，位于海拔601～900 m、901～1 200 m、1 201～1 400 m的各有1處。從坡度來看，有7處位于0～9°范圍內，位于10～18°和19～30°范圍內的各有1處。從坡向來看，正南方向和東南方向的古城遺址數(shù)量多于其他方向。

3.2.2 夏—西周時期

夏—西周時期的古城遺址共有11處，占總數(shù)的3.8%。其中位于運城市的有6處，位于晉中市、臨汾市的各有2處，位于長治市的有1處，54.5%的遺址沿河流分布。從海拔來看，81.8%的古城遺址位于海拔900 m及以下的地區(qū)。由坡度數(shù)據可以看出，有9處遺址位于0～9°范圍內，其余坡度范圍內的遺址數(shù)量較少。由坡向數(shù)據可知，東南方向遺址數(shù)量較多，其余方向遺址均勻分布。

圖1 歷史時期古城遺址函數(shù)分布曲線圖Figure 1 Distribution curve of function of the ancient city sites in historical periods

3.2.3 春秋—秦時期

春秋—秦時期的古城遺址共有71處，占總數(shù)的24.4%，可以稱其為發(fā)展階段，與前兩個時期相比，北部的古城遺址增多，但遺址數(shù)量仍然呈現(xiàn)出“南高北低”的格局。山西省的各個地級市均有古城遺址分布，其中臨汾市、運城市和呂梁市分布較多。沿黃河、汾河分布的古城遺址數(shù)量較多，受河流影響較大。從海拔看，87.3%的古城遺址分布在海拔1 200 m以下地區(qū)，其中16.9%的古城遺址位于海拔301～600 m的臨汾盆地。從坡度來看，46.5%的古城遺址分布在坡度為0～9°范圍內，28.2%的古城遺址分布在坡度為10～18°范圍內，其余坡度范圍內分布較少。從坡向看，除東向的古城遺址較少外，其余方向上分布較均勻。

表1 歷史時期不同坡度的古城遺址數(shù)量Table 1 The number of the ancient city sites of different slope in historical periods

表2 歷史時期不同坡向的古城遺址數(shù)量Table 2 The number of the ancient city sites of different aspect in historical periods

3.2.4 漢—南北朝時期

漢—南北朝時期的古城遺址數(shù)量最多，共91處，占總數(shù)的31.3%，可稱為輝煌階段，北部和南部相對集聚，形成了“南北多、中部少”的格局。大同市、朔州市、忻州市為富集區(qū)，共占這一時期古城遺址總數(shù)的52.7%。位于海拔901～1 200 m地區(qū)的古城遺址數(shù)量最多，共30處，位于海拔601～900 m盆地和丘陵的古城遺址有21處。從坡度來看，76.9%的古城遺址分布在0～9°坡度范圍內，大部分分布在坡度較小的地區(qū)。在坡向上與春秋—秦時期的古城遺址分布類似，東向的遺址數(shù)量較少，其他方向均勻分布。

3.2.5 隋唐時期

隋唐時期的古城遺址數(shù)量出現(xiàn)大幅度下降，僅有15處，占總數(shù)的5.2%，稱之為下降階段。這一時期的古城遺址呈離散隨機分布，相互之間距離較遠，其中53.3%沿河流分布。從海拔看，73.3%的遺址分布在海拔1 200 m以下地區(qū)，海拔301～600 m的臨汾盆地和運城盆地、海拔601～900 m的忻定盆地、海拔901～1 200 m的大同盆地和長治盆地均有分布，東部和南部的低山丘陵處也有分布。從坡度來看，0～9°坡度范圍內古城遺址數(shù)量最多，共10處。從坡向來看，各方向上古城遺址分布較均勻。

3.2.6 宋—元時期

與隋唐時期相比，宋—元時期的古城遺址數(shù)量總體上呈現(xiàn)增加趨勢，北部明顯增多，此時期遺址共有32處，占總數(shù)的11%，稱為回升階段。研究區(qū)北部的古城遺址較多，管涔山和呂梁山的西部、恒山和五臺山之間都有古城遺址分布，在研究區(qū)東南部和中部幾乎沒有分布。0～9°的坡度范圍內有19處古城遺址，10～18°坡度范圍內有7處古城遺址，坡度越小分布的古城遺址越多。各個坡向上的古城遺址均勻分布。

3.2.7 明清時期

明清時期的古城遺址數(shù)量與春秋—秦時期相似，共有62處，占總數(shù)的21.3%。大部分古城遺址沿河流呈線狀分布，位于黃河以東、汾河以西的古城遺址呈零星點狀分布。明清時期晉商的商貿活動逐步擴展，形成了晉商商貿之路[17]（圖2中紅線），有22.6%的古城遺址沿商貿之路分布。古城遺址分布最為密集的地區(qū)是位于汾河中下游海拔301～600 m的臨汾盆地，海拔601～900 m和901～1 200 m的盆地和丘陵也有分布，如應州古城遺址和馬邑古城遺址。69.4%的古城遺址位于0～9°坡度范圍內。北向、南向和西南方向的古城遺址數(shù)量較多。

綜上所述，山西省歷史時期古城遺址的數(shù)量呈現(xiàn)出明顯的“先增大后減少再增大”的趨勢，即“N”型變化（如圖3）。從新石器時期至南北朝時期，古城遺址的數(shù)量逐漸增多，隋唐時期出現(xiàn)了下降，由宋至明清時期又開始增加。古城遺址經歷了一個從南到北逐漸均勻的遷移軌跡。古城遺址有點狀、線狀和團狀等不同的分布狀態(tài)，這些狀態(tài)的呈現(xiàn)與自然和人文因素密切相關。各時期的古城遺址都有沿河流分布的特點，且大多分布在海拔低、坡度低的地區(qū)，河流、地形對古城遺址的分布有重要影響。

圖3 各時期古城遺址數(shù)量變化圖Figure 3 Changes of the number of the ancient city sites in historical periods

4 討論

4.1 影響古城遺址分布的自然因素

4.1.1 氣候與氣候變化因素

由于早期的生產力水平較低，氣候變化對早期古城遺址的數(shù)量和分布影響較大。全新世大暖期盛行之后氣候顯著降溫變干，隨后進入波動緩和的暖濕時期[18]。新石器時期，人類受自然條件的限制較大，人口數(shù)量少且聚居范圍較小，多呈小規(guī)模分散分布，古城遺址數(shù)量較少，主要分布在山西省南部。夏—周時期，氣候總體變暖，但冷暖波動幅度較大，且逐漸變冷變干，大多數(shù)古城遺址仍主要分布在山西省南部。漢代山西氣候比較溫暖，土壤肥沃，受人類破壞較小，適宜農業(yè)耕作，水資源豐富且便于獲取，有利于城市發(fā)展，因而這一時期古城遺址數(shù)量較多。隋唐時期氣候明顯溫暖，但唐朝以來，統(tǒng)治者大興土木，肆意砍伐，并不斷在汾河流域墾荒屯田，致使農耕業(yè)向山坡擴展，山地森林植被遭到破壞，汾河流域水土流失嚴重，自然災害頻發(fā)，因此隋唐時期和宋—元時期古城遺址數(shù)量較少。明清時期，天然植被毀壞嚴重，生態(tài)環(huán)境隨之惡化，但隨著農業(yè)等科學技術的大幅進步，人類適應自然條件的能力明顯提高，古城遺址的數(shù)量也增加。

4.1.2 地形坡度與坡向因素

坡度是地表單元陡緩的程度，河流的流速隨坡度發(fā)生變化，在坡度較大的地區(qū)，河流流速大且容易造成水土流失，致使土壤形成困難，不利于房屋建造及人類生產活動；坡度較小的地區(qū)河流流速較小，河流中的含沙層逐漸沉淀下來使土壤層變厚，植被較為豐富，較適宜人類居住，因此坡度在很大程度上影響著人類聚居地的分布，坡度在0～9°范圍內適宜人類居住[19]。歷史時期山西省古城遺址的坡度分布情況表明，在0～9°坡度范圍內的古城遺址數(shù)量最多，隨著坡度的增大古城遺址的數(shù)量急劇下降，古城遺址的分布受坡度的影響極大。本研究發(fā)現(xiàn)在某些坡度較大的地區(qū)也有古城遺址的存在，這些古城遺址主要用于軍事防御。

坡向是指坡面所朝的方向，不同坡向的日照時間不同，日照時間充足的地方既有利于農業(yè)發(fā)展，也有利于人類居住。在古代，由于取暖方式等的限制，城址的選擇受到坡向的影響。通過對山西省歷史時期古城遺址的坡向分析可知，大部分古城遺址分布南向或偏南向。但總體來看，任一時期在不同坡向上分布的古城遺址數(shù)量相差不大，可近似看為均勻分布。因此，坡向不是影響山西省古城遺址分布的主要因素。

4.1.3 河流與水資源因素

由山西省新石器—明清時期古城遺址的分布規(guī)律可知，河流對古城遺址的分布有重要影響，各個時期的古城遺址均有沿河流呈線狀分布的特征。古代生產力水平低下，人們對自然徑流的依賴性較強[20]，農業(yè)生產和生活需要靠近水源才能得到保障。

本研究利用ArcGIS10.2 軟件對山西河流水系圖作出距離為2 km 的緩沖區(qū)，并將新石器—明清時期的291個古城遺址分布圖與緩沖區(qū)圖進行疊加（見圖4）。由圖4可知，距河岸2 km之內的古城遺址有131個，占總數(shù)的45%，大部分古城遺址分布在距河岸5 km之內，古城遺址具有明顯的臨河、近河特點。部分古城遺址距離河流較遠，主要出于軍事防御等需要。

圖4 古城遺址河流緩沖區(qū)圖Figure 4 River buffer maps of the ancient city sites

4.2 影響古城遺址分布的人文因素

4.2.1 政治與政策因素

商朝時期，政治中心分布在山西南部，山西中北部的廣大地區(qū)尚未被充分開發(fā)，因此古城遺址主要集中分布在南部。春秋戰(zhàn)國時期，周王室衰微，諸侯國各自擴大勢力范圍，晉國勢力向北部擴張[21]，山西中北部的古城遺址數(shù)量逐步增加。漢朝時，山西省被漢王朝直接管轄，實行以農為先的政策，人口數(shù)量在短期內大幅增長，古城遺址數(shù)量最多，遍布全省。隋唐時期，山西推行均田制并進行屯田，使得山西成為當時的主要糧食產區(qū)之一，安史之亂后山西社會經濟遭到嚴重破壞，古城遺址數(shù)量下降。宋—元時期，遼在山西北部統(tǒng)治，元末連年戰(zhàn)爭使得社會經濟衰退，土地荒廢，人口減少[22]，古城遺址數(shù)量較少且主要分布在北部。明初為了安定社會和促進發(fā)展，朱元璋提出降低賦稅以減輕農民負擔的政策，山西出現(xiàn)大面積蝗災時政府免收當年租賦，贈恤饑荒，穩(wěn)定民心，古城遺址數(shù)量有所增加。平城、曲沃古城、狄城、禹王城等古城遺址的興建受政治因素影響較大。

4.2.2 交通與經濟因素

新石器時代，堯建都平陽（今山西臨汾市），山西的南部成為當時的發(fā)展中心，形成了以晉南為中心通向四域的道路，農業(yè)和畜牧業(yè)開始出現(xiàn)，人口有所增加，經濟發(fā)展水平仍然較低，古城遺址數(shù)量較少且主要分布在山西省南部。商周時期，鐵器的出現(xiàn)使生產力得到較大發(fā)展，周王朝所封的諸侯國都分布于太原以南的地區(qū)，農業(yè)仍然是以農耕為主，道路交通、手工業(yè)和商業(yè)等不斷發(fā)展，山西南部的古城遺址增多。春秋戰(zhàn)國時期，鐵器的廣泛使用和社會生產關系的確立使當時的經濟蓬勃發(fā)展，道路網也初具規(guī)模，同時隨著戰(zhàn)爭規(guī)模的擴大開辟的道路也不斷增多，古城遺址數(shù)量也相應增多且逐漸向北移動。西漢時期，秦代設的四郡在山西境內繼續(xù)保持，其中上黨郡是商業(yè)往來要道，交通比較發(fā)達，東漢時期與匈奴的友好往來使得山西成為南北交通的必經之路[23]，促進了山西的交通發(fā)展，因此漢朝時期的古城遺址數(shù)量較多。宋—元時期，農業(yè)、手工業(yè)、畜牧業(yè)和工商業(yè)的發(fā)展使得山西北部的經濟繁榮發(fā)展，因此古城遺址主要分布在山西北部。明朝統(tǒng)治者注重在邊境地區(qū)發(fā)展屯田制，征調大量物資運送到沿北部長城的軍事地帶[24]，由此晉商逐步崛起，進一步推動經濟發(fā)展。清代蒙古部落歸順于清王朝，打破了幾百年的邊境隔閡，中原地區(qū)的絲綢、藥材得以和蒙古部落的皮革實現(xiàn)互通，北部商貿更加繁榮。明清時期，隨著商品經濟等的發(fā)展，逐漸形成較完整的商運交通網，如建于大同市的市場城遺址曾是內地與蒙古通商后開放互市的集中點；與隋唐—元宋時期相比，古城遺址數(shù)量有所增加。

4.2.3 軍事防御因素

山西特殊的地理區(qū)位使之成為兵家的必爭之地，用作軍事防御的古城遺址較多。商朝時期的垣曲商城和東下馮商城軍事色彩極濃，能防止戎狄南下騷擾。西漢時期，戰(zhàn)爭頻繁，右玉縣古城即為一戰(zhàn)略要地[25]。西魏堅守玉璧城且在玉璧之戰(zhàn)時靠它進行防御，東魏、北齊在山西修筑長城以防御外敵。唐朝時期，山西在軍事上也具有重要的地位，太原為邊防重鎮(zhèn)，在之前的基礎上擴建了晉陽城以防御突厥侵擾[26]。明朝時，為剿滅殘元勢力唐勝宗用圍困的方法增筑了寧化古城，加強了防御；為了防御蒙古軍事貴族的南下在山西北部設立了九邊重鎮(zhèn)軍事防線，擴建了太原城以加強防衛(wèi)；在山西晉中為防御外敵南擾而修建平遙古城。清代在山西北部修筑長城等進行軍事防御。

5 結論

本研究將GIS的Ripley's K函數(shù)引入山西省歷史時期古城遺址分布研究，發(fā)現(xiàn)新石器、春秋—秦和漢—南北朝時期的古城遺址在空間上呈顯著聚集分布，夏—西周、隋唐、宋—元和明清時期的古城遺址在空間上呈隨機分布，但各時期最強聚類程度的距離不同；隨著時間的推移，各時期古城遺址數(shù)量呈“N”型變化，古城遺址在坡度低、海拔低的地區(qū)分布較多，有點狀、線狀和聚集狀的分布形態(tài)；古城遺址的分布受自然因素和人文因素共同影響，早期生產力水平較低，遺址受自然條件的影響較大，主要分布在氣候相對溫暖濕潤的地區(qū)，后期隨著經濟水平的提高，遺址主要受政策、交通、經濟和軍事防御等因素的影響。