基于地理探測器的湖南新石器時期聚落遺址人居環(huán)境適宜度評價

杜心宇，胡希軍，金曉玲，曹詩怡，羅紫薇，韋寶婧

中南林業(yè)科技大學 風景園林學院，長沙 410004

史前聚落遺址是歷史文化遺產(chǎn)的重要組成部分，也是整合特定歷史時期人居環(huán)境信息的關(guān)鍵物質(zhì)資料，其空間分布和組織模式中蘊含了古代人類的居住繁衍、生產(chǎn)生活、人地關(guān)系，破解這些空間信息是解讀地域文化的重要途徑（劉文卿和劉大平，2019）。此外，自然環(huán)境是影響聚落遺址分布的重要因素，聚落位置的選擇和更迭與環(huán)境有著密切的聯(lián)系（邱士可等，2019）。目前關(guān)于古代聚落遺址的時空分布特征與自然環(huán)境關(guān)系的定量分析和模擬研究已成為探究史前人地關(guān)系的重要熱點之一（姚付龍等，2019）。

隨著史前聚落研究工作的不斷開展，在自然環(huán)境因素方面，國內(nèi)學者在氣候因素、地貌因素、土壤因素等方面分別進行了研究及探討（武虹，2017）。而國外學者分別從氣候變遷、自然災害、植被類型、野生動植物（Revelles et al，2019；Sun et al，2019）等方面論述自然環(huán)境因素對古人選址起到了重要作用。人為因素方面，國內(nèi)相關(guān)研究集中在史前耕地格局和史前交通路線研究（牛奧運，2018；朱燕等，2018），而國外學者從農(nóng)田耕作、風俗文化、運河修筑等方面討論了影響聚落遺址空間分布和聚落更迭的內(nèi)在作用機制（Gauthier，2019；Nakajima et al，2019）。

湖南地區(qū)是長江中游新石器時期文化發(fā)源地之一，目前已有工作涉及湖南新石器時期的遺址分布（李意愿，2019），但鮮有采用定量的方法對新石器時期的環(huán)境適宜度進行評價。本文擬運用地理探測器的因子探測法確定各因素的權(quán)重值，構(gòu)建聚落遺址空間分析模型和適宜性評價體系，探究湖南省新石器時期人類聚落遺址分布與自然環(huán)境之間的關(guān)系及特征，主要從氣候、高程、地貌等7個方面分析自然環(huán)境因素對史前人類選擇生活場地的影響。通過對新石器時期聚落遺址與自然環(huán)境的綜合評價，反映人類對環(huán)境變遷的響應(yīng)規(guī)律，從而分析新石器時期人類對自然環(huán)境的選擇策略和意義，為今后史前人地關(guān)系的相關(guān)研究提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

湖南省界于北緯24°38′ — 30°08′、東經(jīng)108°47′ — 114°15′，位于長江中游，南鄰嶺南地區(qū)，北連江漢平原，西依云貴高原，東臨華東丘陵。地勢為東、西、南三面高，北面低；屬大陸性亞熱帶季風濕潤氣候（譚遠輝，2018）。全省總面積21.18萬km2，分為5個區(qū)域，按地貌類型可大致分為：湘北平原地貌，湘西山地地貌，湘中丘陵地貌，湘南和湘東均為丘陵和山地地貌（胡最和聶陽意，2015）。且湖南的地貌類型多樣，以流水地貌、巖溶地貌及湖成地貌為特色（黃國林等，2019）。省內(nèi)水系發(fā)達，河網(wǎng)密布，主要以湘、資、沅、澧四水及其支流由南向北匯入洞庭湖和長江。

湖南地區(qū)史前文化時序完整，聚落類型全面，遺址數(shù)量較多，持續(xù)時間長，且在長江中游區(qū)域具有一定的代表性。新石器時期共經(jīng)歷了6個階段，彭頭山文化時期（9.0 — 7.8 ka BP）、皂市下層文化時期（7.8 — 6.8 ka BP）、湯家崗文化時期（6.8 — 6.3 ka BP）、大溪文化時期（6.3 — 5.3 ka BP）、屈家?guī)X文化時期（5.3 — 4.6 ka BP）和石家河文化時期（4.6 — 4.0 ka BP）（吳小平和吳建民，1998）。從最早人類活動跡象上看，早在距今約12 ka前的舊石器向新石器過渡階段，在玉蟾巖遺址中發(fā)現(xiàn)了栽培稻的遺跡，說明此時社會特征發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從食物采集階段逐漸向農(nóng)耕文明過渡。5 ka前的新石器晚期形成了酋邦社會，出現(xiàn)了一種等級制度下的階級生活形式，并以家庭生產(chǎn)生活方式定居繁衍在這片土地上。根據(jù)相關(guān)研究比對，湖南新石器時期的地形地勢未有明顯的變化（賈肖，2019）。

2 研究方法

本文擬選取高程、坡度、坡向、水系、地貌、植被類型和土壤這7項指標構(gòu)建湖南省地區(qū)新石器時期聚落遺址人居環(huán)境指數(shù)綜合評價體系，共設(shè)為宜居度高、較高、中等、較低和低5個等級。確定權(quán)重的方法有很多，例如AHP層次分析法、主成分分析法、模糊數(shù)學模型、熵權(quán)法等（畢碩本等，2016），但上述方法在確定權(quán)重時較為主觀。本文選用地理探測器中的因子探測方法，原因如下：首先，地理探測器可以研究自然環(huán)境因素的影響機制；其次，該方法較為客觀，且應(yīng)用時沒有過多的前提假設(shè)條件；最后，該方法避免了統(tǒng)計方法變量的局限性。因此，采用地理探測器的方法計算各因子的權(quán)重值并在ArcGIS中對聚落遺址分布和自然要素進行空間分析，探討新石器時期聚落遺址和自然環(huán)境之間的人地關(guān)系。

2.1 數(shù)據(jù)來源及分析

依據(jù)《中國文物地圖集·湖南分冊》中1∶350萬新石器時期地形圖和聚落遺址分布圖、國家地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)中心（http://www.geodata.cn/）和中國科學院地理科學與資源研究所資源環(huán)境科學與數(shù)據(jù)中心（http://www.resdc.cn/）的全國土壤、地貌和植被類型數(shù)據(jù)，以及前人對湖南省新石器時期的氣候、土壤、地質(zhì)地貌等研究成果（表1），在ArcGIS中利用裁剪（clip）或按掩膜提取工具（extract by mask）提取湖南省土壤、地貌和植被類型分布數(shù)據(jù)，基于湖南省30 m高程數(shù)據(jù)對坡度、坡向進行數(shù)據(jù)提取和分析。將《中國文物地圖集·湖南分冊》中的“湖南省新石器時期遺址分布圖”進行掃描，在ArcGIS中進行地理配準，描出水系及遺址點分布，并分別對水系和遺址點做密度分析（density analysis）。將以上所有的指標層數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.5中進行校準和配準，空間參考為GCS-WGS-1984地理坐標系。

表1 數(shù)據(jù)類型及來源Tab. 1 Data type and source

2.2 因子探測器識別各要素權(quán)重

地理探測器是由王勁峰及其研究團隊所開發(fā)，被用于探索空間分異和影響其分異的驅(qū)動因素，是一種新的統(tǒng)計學方法，包含了四部分內(nèi)容：風險探測、因子探測、生態(tài)探測和交互探測，其中，因子探測用于識別風險因素（王勁峰和徐成東，2017；成方龍等，2020）。本文采用因子探測法，以了解影響古人選擇居住地的因素。

2.3 各指標權(quán)重確定

將高程、坡度、坡向、水體、地貌、土壤和植被類型等7個因子在ArcGIS 10.5中進行分析（圖1）。首先，使用核密度分析（kernel density）功能，設(shè)置像元大小為10000 m×10000 m，搜索半徑為10000 m，生成新石器時期遺址點密度圖（圖1a）。核密度分析原理為落入搜索區(qū)的點具有不同的權(quán)重，靠近中心點的權(quán)重值越大，反之則越小。其次，對繪制的水體進行線密度分析，將處理后的高程、坡度、坡向等7個因子和遺址密度值圖多值提取至點（extract values to points）。然后將遺址點作為因變量Y，高程、坡度、坡向等7個影響因子作為自變量X導入到地理探測器軟件中，分析得出各指標權(quán)重值：Weight ={0.569366, 0.427024, 0.436147, 0.797112, 0.199278, 0.204762, 0.227746}。

2.4 綜合加權(quán)等級值

在確定評價對象的等級隸屬程度時，首先需要對各對象劃分等級標準，這個等級標準即為某評語對應(yīng)因素的等級區(qū)間。分別將宜居度高的設(shè)為1，宜居度較高的設(shè)為2，宜居度中等的設(shè)為3，宜居度較低的設(shè)為4，宜居度低的設(shè)為5，得出指標隸屬度分析結(jié)果。

當權(quán)重向量和模糊評價矩陣都為已知時，利用加權(quán)平均型算子方法指出眾多指標的總體趨勢，該模糊加權(quán)綜合評價的數(shù)學模型為：

式中：F為評語集上的等價模糊子集，j為評語等級數(shù)，s為因素個數(shù)，bj（j= 1, 2, 3, …,n）為評價對象的綜合隸屬度，ws（s=1, 2, 3, …,m）為各項權(quán)重系數(shù)。

將確定后的各權(quán)重值做歸一化處理后得到各權(quán)重的占比為20%、15%、15%、28%、7%、7%、8%。利用加權(quán)疊加的方法將各評語對象乘以其權(quán)重百分比，得到綜合加權(quán)平均等級值Y：Y= 20%×高程+15%×坡度+15%×坡向+28%×水體+7%×地貌+7%×土壤+8%×植被。

3 結(jié)果與分析

本文運用自然斷點法，將等級分成5級，5類區(qū)間分別為(0, 0.1]，(0.1, 0.25]，(0.25, 0.5]，(0.5, 0.75]，(0.75, 1]，得到湖南省新石器時期聚落遺址宜居度指數(shù)綜合評價等級，并由高到低對應(yīng)的綜合等級值分別為1、2、3、4、5。

3.1 遺址點空間分布與自然環(huán)境的關(guān)系

影響遺址點分布的因素眾多，根據(jù)上述權(quán)重結(jié)果可知，海拔和水體所占的權(quán)重值最大，根據(jù)圖1c和表2遺址點數(shù)量及比例的分布規(guī)律可知，分布在海拔[5, 198) m和[198, 413) m的遺址點數(shù)量最多，共303個，占總遺址數(shù)量的89.11%。對比地貌類型可知，平原到臺地、臺地到丘陵的遺址點個數(shù)較多，總占比64.12%，說明遺址點的空間分布趨向于海拔較低的地區(qū)，海拔越高遺址點分布的數(shù)量越少（圖1g，表2）。由水體密度和遺址點分布的規(guī)律可知，遺址點多分布于水體密度中等偏高的區(qū)域，其比例達到了50%以上（表2），水體密度高的區(qū)域主要集中在洞庭湖區(qū)域，水體密度中等及較高的區(qū)域為湘、資、沅、澧及其支流和交匯的部分地區(qū)（圖1b）。

表2 不同因子遺址點數(shù)量及比例Tab. 2 The number and proportion of sites with different factors

圖1 研究區(qū)遺址點密度（a）、水體線密度（b）、DEM高程（c）、坡度（d）、坡向（e）、土壤類型（f）、地貌（g）及植被類型（h）Fig. 1 Site density (a), water linear density (b), DEM (c), slope (d), aspect (e), soil type (f), geomorphology (g) and vegetation distribution (h) in the study area

土壤關(guān)系著植被的生長類型和生長條件，從植被類型上看，遺址點分布較多的區(qū)域植被類型為草甸、灌從、栽培植被等，且遺址點分布數(shù)量占總數(shù)量的81.47%（圖1h，表2），土壤類型為灌淤土、紅壤、黃壤、沼澤土和水稻土的遺址數(shù)量最多，有282個，占總數(shù)量的82.94%（圖1f，表2）。因此，遺址點較多分布在適于種植農(nóng)作物的地區(qū)。

坡度、坡向是選擇聚居地的重要因素，一般朝南向日照充足，適宜植被和農(nóng)作物的生長。由表2、圖1e可知，分布在各方位的遺址點相對較均衡，分布在南向的聚落遺址略高于其他坡向，這說明古人在選擇棲息地時，較傾向于陽坡，但坡向與其他因素相比并非是最重要的考慮因素。從坡度因子分析可知，遺址點多分布于斜坡到平原之間，且遺址點個數(shù)總比例達到了81.18%，說明多數(shù)遺址點分布的區(qū)域較為平坦（圖1d，表2）。

3.2 人居環(huán)境指數(shù)模糊綜合評價

從模糊綜合評價等級圖來看（圖2），宜居度高及較高的地區(qū)主要在洞庭湖區(qū)域、湘、資、沅、澧及其支流周邊分布，且總分布面積為4.39萬km2，占湖南省總面積的20.73%。該區(qū)域也是遺址點分布較為密集的區(qū)域（表3）。宜居度中等的區(qū)域面積共14.20萬km2，在整個區(qū)域面積中占比最大，占湖南省總面積的67.04%。宜居度低及較低的區(qū)域主要分布在海拔較高的地區(qū)，如湘中、湘西和湘南的部分區(qū)域。且總面積為2.59萬km2，占湖南省總面積的12.23%。

圖2 人居環(huán)境模糊綜合評價等級圖Fig. 2 Comprehensive evaluation diagram human of settlement environment

表3 各等級總面積占比Tab. 3 Proportion of total area of each grade

3.3 遺址點分布的隸屬度分析

根據(jù)綜合等級劃分結(jié)果（圖3），綜合等級為1的地區(qū)，高程在[1033, 2077) m，坡度在[33°, 76°)，坡向分布于東北向和北向，地貌類型為變質(zhì)巖褶皺中山和砂頁巖褶皺中山，土壤類型有棕壤、黃棕壤。植被為溫帶針葉林、亞熱帶針葉林、針闊混交林等類型，遺址點分布在水體密度較低的地區(qū)。遺址點有上朝園、稱砣嶺等，部分遺址點未命名。

圖3 遺址點分布的隸屬度分析圖Fig. 3 Membership analysis diagram of site distribution

綜合等級為2的地區(qū)，高程在[671, 1033) m，坡度在[24°, 33°)，坡向分布在西南向和西向，地貌為變質(zhì)巖和砂頁巖褶斷中山（低山）、灰?guī)r夾砂頁巖峰叢中山（低山）等類型，土壤類型有紅黏土、石灰（巖）土、紫色土和石質(zhì)土。植被有亞熱帶落葉闊葉林、亞熱帶和熱帶竹林和竹叢等類型。遺址點分布在水體密度中低地區(qū)。主要遺址點有小坳、上朝園、園山下、天子坪、坨上坪、大荒地、斗篷坡等。

綜合等級為3的地區(qū)，高程在[413, 671) m，坡度在[15°, 24°)，坡向分布在東南向和南向，地貌為灰?guī)r夾砂頁巖峰叢低山（山丘）、變質(zhì)巖和砂頁巖褶斷低山等類型，土壤類型有粗骨土、山地草甸土和潮土。植被有草甸、灌叢、沼澤、栽培植被等類型，遺址點分布在水體密度中等地區(qū)。主要遺址點有竹山嶺、大樹山、曬禾坪、太坪、車家堰、龍船坪和大洞坪等。

綜合等級為4的地區(qū)，高程在[198, 413) m，坡度在[7°, 15°)，坡向分布在東南向和東向，地貌為變質(zhì)巖和砂頁巖褶斷丘陵、灰?guī)r夾砂頁巖丘陵等地貌類型，土壤類型有沼澤土、水稻土，植被有闊葉林、灌叢等類型，遺址點分布在水體密度中高地區(qū)。此區(qū)域為遺址點分布較為密集的區(qū)域，主要遺址點有彭頭山、城頭山、曹家棚、梅溪橋、狀元洲、青洲坪等。

綜合等級為5的地區(qū)，高程在[5, 198) m，坡度在[0°, 7°)，坡向分布在北向和西北向，地貌類型為流水沖積平原、巖溶臺地（平原）、侵蝕剝蝕丘陵（臺地）、流水堆積臺地等。土壤類型有灌淤土、紅壤、黃壤，植被有一年生兩熟水旱糧食作物，一年兩熟或三熟水旱輪作（有雙季稻）等栽培植被，遺址點分布在水體密度高的地區(qū)。主要集中于洞庭湖附近或沿澧水、湘江周邊分布，遺址點主要有梨樹山、木魚包、青龍咀、雞公橋等。

從總體來看，聚落遺址點分布越密集的地區(qū)宜居度越高。宜居度中等及以上的總面積為18.59萬km2，占湖南省總面積的87.77%。綜合來看，宜居度中等以上的遺址點比例達到85%左右，中等以下的遺址點比例在15%左右。另外，綜合等級越高的遺址越靠近河流周邊，沿洞庭湖區(qū)域、湘、資、沅、澧及其支流或河流交匯處分布。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

運用高程、水體、地貌、植被類型等7個因素探索聚落遺址和自然環(huán)境之間的關(guān)系，對湖南新石器時期的人居環(huán)境適宜度進行了綜合評價，并運用地理探測器來輔助分析各因子的權(quán)重。相較于其他確定權(quán)重的方法，該方法更為客觀和有說服力。將獲得的權(quán)重值歸一化處理后，使用加權(quán)疊加和自然斷點法，將等級分為5級并得到湖南地區(qū)新石器時期聚落遺址人居環(huán)境適宜度綜合評價等級。結(jié)果表明：

（1）綜合評價等級為1的地區(qū)為山地型、丘陵型遺址；等級2的地區(qū)為崗地、丘陵型遺址；綜合評價等級為3的區(qū)域類型最豐富，有平原型遺址、崗地型遺址、山地型遺址、丘陵型遺址；綜合評價等級為4的區(qū)域遺址點的類型為平原型、丘陵型遺址；綜合評價等級為5的地區(qū)為丘陵型、臺地型、平原型遺址。

（2）宜居度中等的區(qū)域面積最大，占湖南省總面積的50%以上。且宜居度中等以上的區(qū)域總面積有18.59萬km2，占湖南省總面積的87.77%，宜居度低和較低的區(qū)域總面積為2.59萬km2，占湖南省總面積的12.23%。此外，將遺址點和綜合評價等級圖疊加發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的遺址點分布在中等及以上的區(qū)域，也就是遺址點密度越高宜居度的等級也就越高。

（3）根據(jù)綜合評價等級結(jié)果來看，宜居度綜合等級較高和高的地區(qū)分布在地勢較低的區(qū)域，這些地區(qū)的地形地貌主要以沖積平原、丘陵、臺地類型為主，具有高程較低、土壤肥沃、植被類型豐富、動物類型多樣等特色。且沖積平原土壤肥沃適于種植一些基礎(chǔ)作物；丘陵地區(qū)森林資源和動植物資源豐富，能開展取柴、采集果蔬和狩獵活動，同時木材還能用作取火工具，且具有取暖、防御野獸攻擊等作用。

（4）根據(jù)權(quán)重分析結(jié)果，水體權(quán)重最高。通過對綜合評價等級結(jié)果和遺址點分布對照可以看出，宜居度中等以上區(qū)域的遺址點密度較高，且沿洞庭湖區(qū)域、沅江、澧水、資水、湘江的周邊及交匯處分布較多，其原因是便于古人日常用水、捕撈等活動，除了生活用途之外，水還起到交通運輸和指引方向等作用。

4.2 展望

本文主要分析了不同自然因素對古人聚落選址的影響，并探討兩者之間的關(guān)系。但數(shù)據(jù)資料存在局限性，關(guān)于新石器時期數(shù)據(jù)資料較少，雖依據(jù)《中國文物地圖集·湖南分冊》確定了各遺址點的空間分布，但遺址點空間坐標的準確性仍存在偏差，且文中的自然環(huán)境數(shù)據(jù)所采用的是現(xiàn)代監(jiān)測數(shù)據(jù)，對分析結(jié)果及結(jié)論會造成一定的影響。同時，不同文化時期的聚落遺址分布也受到人文因素的影響，例如不同時期的人口增長，生產(chǎn)工具的變革、稻作農(nóng)業(yè)的發(fā)展等造成了社會經(jīng)濟類型轉(zhuǎn)變和社會等級分化。后續(xù)工作將進一步開展人文因素影響下的湖南新石器時期聚落遺址分布及人居環(huán)境適宜度分析。

目前關(guān)于聚落遺址的研究主要集中于特定時期的遺址時空分布格局、聚落遺址分布特征、聚落遺址時空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建和聚落形態(tài)等方面，按照時間序列來分析聚落遺址分布與環(huán)境之間的關(guān)系有待進一步探討。例如新石器時期分為早、中、晚期，包含了不同類型的文化時期，其聚落遺址的空間分布、聚落形態(tài)和社會經(jīng)濟等都與自然環(huán)境有著密不可分的關(guān)系，關(guān)于時間序列的聚落遺址分布和環(huán)境要素之間的相互影響關(guān)系將會成為未來重要的研究內(nèi)容。