基于柵格的中國(guó)東北地形起伏度與人口、經(jīng)濟(jì)關(guān)系研究

□竇永靜，宮旭烜，谷嘉凱

（太原師范學(xué)院地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619）

地形作為最基本的自然環(huán)境要素之一，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)生活造成重大影響，其中地形起伏特征的影響作用最為突出。人口與經(jīng)濟(jì)的空間分布間接表征了某種時(shí)空背景下的人地關(guān)系，受到自然環(huán)境和區(qū)域發(fā)展條件的多重約束。

眾多學(xué)者在國(guó)家、區(qū)域、省域、市域等不同尺度開(kāi)展了地形要素對(duì)人口經(jīng)濟(jì)分布影響的研究，表明地形因素會(huì)限制人口分布格局、城鎮(zhèn)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式。地形起伏度為某一范圍內(nèi)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)之間的高差，已被證明可對(duì)大尺度和區(qū)域人居自然環(huán)境進(jìn)行有效評(píng)價(jià)。

東北地區(qū)正面臨新一輪的振興發(fā)展機(jī)遇，而目前人口問(wèn)題已對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重影響。東北地區(qū)作為一個(gè)獨(dú)特完整的自然地理單元，地貌類(lèi)型豐富多樣。明確地形起伏特征如何影響人口分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)于東北地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。不少學(xué)者開(kāi)展了地形地貌對(duì)東北地區(qū)人口空間分布格局、土地利用格局的影響研究，但鮮有探討該地區(qū)地形起伏度與人口分布和經(jīng)濟(jì)發(fā)展關(guān)系的研究。另外，地形地貌越復(fù)雜，行政區(qū)劃單元內(nèi)部人口和經(jīng)濟(jì)的空間差異就越突出，而目前的研究大多是采用行政區(qū)劃單元的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，忽略了內(nèi)部的人口經(jīng)濟(jì)空間差異，進(jìn)而導(dǎo)致研究結(jié)果失真?；诳臻g化數(shù)據(jù)在柵格尺度上定量分析地形起伏如何影響人口和經(jīng)濟(jì)的分布愈加重要。

本研究基于SRTM DEM 數(shù)據(jù)提取地形起伏度，利用中國(guó)人口、GDP 空間分布網(wǎng)格數(shù)據(jù)，采用莫蘭指數(shù)和熱點(diǎn)分析方法分析人口-經(jīng)濟(jì)空間格局特征，基于1 km 的柵格尺度定量分析地形起伏特征與人口、經(jīng)濟(jì)的關(guān)系，以期增進(jìn)理解人地關(guān)系，促進(jìn)人口合理布局，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，為制定區(qū)域人口和經(jīng)濟(jì)政策提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)（115°31′～135°05′E，38°43′～53°33′N(xiāo)）行政區(qū)劃范圍包括黑龍江省、吉林省、遼寧省以及內(nèi)蒙古自治區(qū)東部3 市1 盟（呼倫貝爾市、赤峰市、通遼市和興安盟），總面積約為124 萬(wàn)km。東北地區(qū)被東面的長(zhǎng)白山脈、西面的大興安嶺、北面的小興安嶺三面包圍，東北角為三江平原，中部為松嫩平原，南部為遼河平原。2015 年末東北地區(qū)總?cè)丝诩s為1.21 億人，生產(chǎn)總值約為64 028.72 億元，分別占全國(guó)人口和全國(guó)GDP 的8.80%和9.34%。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

DEM 數(shù)據(jù)來(lái)源于SRTM V4.1，通過(guò)拼接、裁剪得到東北地區(qū)DEM柵格數(shù)據(jù)。為方便與人口和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格疊加分析，重采樣成1 km 分辨率的DEM柵格。

2015 年人口和GDP 空間分布柵格數(shù)據(jù)分別來(lái)自于1 km 中國(guó)人口空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集和中國(guó)GDP 空間分布公里網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，由中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http：//www.resdc.cn/）提供。

1.3 研究方法

1.3.1 地形起伏度計(jì)算

主要參考封志明等（2007）提出的人居環(huán)境自然評(píng)價(jià)背景下的地形起伏度計(jì)算公式。

式中：RDLS（Relief Degree of Land Surface）為地形起伏度；和分別為區(qū)域內(nèi)海拔的最高值和最低值；（）為研究區(qū)域內(nèi)的平地面積（坡度≤0.5°的區(qū)域界定為平地）；A 為區(qū)域總面積即窗口面積，為121 km；將500 m 作為1 個(gè)中國(guó)基準(zhǔn)山體的高度。

1.3.2 人口-經(jīng)濟(jì)空間格局分析

采用莫蘭指數(shù)和熱點(diǎn)分析方法，分別從全局和局部?jī)蓚€(gè)視角分析東北地區(qū)人口-經(jīng)濟(jì)的空間格局。莫蘭指數(shù)是主要的全局聚類(lèi)分析方法之一，能夠有效評(píng)估數(shù)據(jù)潛在的空間相關(guān)性。熱點(diǎn)分析可識(shí)別局部地區(qū)具有統(tǒng)計(jì)顯著性的高值區(qū)（熱點(diǎn)）和低值區(qū)（冷點(diǎn)）。

2 結(jié)果與分析

2.1 地形起伏度的分布規(guī)律

由圖1（a）可知，東北地區(qū)地形起伏度大體呈現(xiàn)四周高、中部低的空間分布格局。高值區(qū)主要分布在長(zhǎng)白山脈和大興安嶺，地形起伏度最大值為2.62，小興安嶺為次高值區(qū)；低值區(qū)分布在松遼平原、遼西走廊和遼東半島沿海地區(qū)、呼倫貝爾高原以及三江平原。圖1（b）表明，東北地區(qū)地形起伏度以低值為主，其平均值為0.44。當(dāng)?shù)匦纹鸱葹?.5 時(shí)，累計(jì)頻率達(dá)到60.04%；地形起伏度為1.5 時(shí)，累計(jì)頻率高達(dá)98.66%。

圖1 中國(guó)東北地區(qū)地形起伏度空間分布及累積分布

2.2 人口和經(jīng)濟(jì)空間分布特征

從圖2 人口和經(jīng)濟(jì)的總體格局來(lái)看，東北地區(qū)人口密度和經(jīng)濟(jì)密度地域差異明顯，呈現(xiàn)一定的空間耦合特征。柵格尺度上人口和密度的相關(guān)性分析結(jié)果為0.83（＜0.05），這表明東北地區(qū)人口分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有一定的協(xié)調(diào)性。人口和GDP 高值區(qū)大多分布在東北平原，少數(shù)分布在其他重要的地級(jí)城市如呼倫貝爾市海拉爾區(qū)、佳木斯市、牡丹江市等，以及邊境口岸城市如滿洲里、琿春市、白山市等，這些地區(qū)人口密度高于500 人/km，經(jīng)濟(jì)密度高于1 000 萬(wàn)元/km；人口和GDP 低值區(qū)大都分布在大小興安嶺及長(zhǎng)白山脈山區(qū)和邊境地區(qū)，這些地區(qū)人口密度和經(jīng)濟(jì)密度分別低于100 人/km、100 萬(wàn)元/km。需要注意的是，地形起伏相對(duì)平坦的呼倫貝爾高原和三江平原也呈現(xiàn)地廣人稀的特征。

圖2 2015 年?yáng)|北地區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)密度空間分布

柵格尺度空間自相關(guān)結(jié)果顯示，人口和經(jīng)濟(jì)密度的莫蘭指數(shù)分別為0.71、0.69（＜0.001），表明東北地區(qū)人口和經(jīng)濟(jì)空間分布存在較高的集聚性。

圖3 熱點(diǎn)分析結(jié)果進(jìn)一步表明，人口密度的冷熱點(diǎn)格局中同時(shí)存在高值集聚與低值集聚，呈現(xiàn)內(nèi)部熱、外圍冷，熱點(diǎn)區(qū)主要位于松嫩平原、遼河平原、遼東半島以及遼西走廊，其他零散分布的熱點(diǎn)區(qū)為各地級(jí)市市區(qū)，而冷點(diǎn)區(qū)主要位于大小興安嶺以及呼倫貝爾高原；經(jīng)濟(jì)密度的冷熱點(diǎn)格局中僅有高值集聚，熱點(diǎn)區(qū)的分布與人口相似。總的來(lái)看，四大城市群（沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)區(qū)、遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶、長(zhǎng)吉圖開(kāi)發(fā)開(kāi)放先導(dǎo)區(qū)、哈大齊經(jīng)濟(jì)圈）是人口和經(jīng)濟(jì)的集聚區(qū)。

圖3 2015 年?yáng)|北地區(qū)人口、經(jīng)濟(jì)冷熱點(diǎn)

2.3 東北地區(qū)地形起伏度對(duì)人口和經(jīng)濟(jì)的影響

2.3.1 地形起伏特征對(duì)人口和經(jīng)濟(jì)的影響

基于柵格尺度分析地形起伏度對(duì)人口和經(jīng)濟(jì)密度的影響，并進(jìn)行曲線擬合，如圖4 所示。隨著地形起伏度增加，東北地區(qū)人口密度和經(jīng)濟(jì)密度整體上均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。地形起伏度與人口密度和經(jīng)濟(jì)密度的擬合度分別為0.60 和0.59。

圖4 東北地區(qū)地形起伏度與人口/經(jīng)濟(jì)密度的關(guān)系

2.3.2 地形起伏度與人口和經(jīng)濟(jì)空間分布的關(guān)系

由表1 可知，人口數(shù)量比例、生產(chǎn)總值比例隨著地形起伏度增加呈現(xiàn)快速減少的趨勢(shì)。地形起伏度0～0.1 時(shí)土地面積僅占31.52%，人口總數(shù)和生產(chǎn)總值占比卻分別達(dá)到48.79%和51.60%，人口密度和經(jīng)濟(jì)密度分別達(dá)到最大（148.09 人/km和756.44 萬(wàn)元/km）。當(dāng)?shù)匦纹鸱冗^(guò)渡到0.1～0.3 時(shí)，人口和經(jīng)濟(jì)密度下降幅度最大，分別降低32.74%和35.50%，人口總數(shù)和生產(chǎn)總值分別減少了3 964.87 萬(wàn)人和1 566.36 億元。當(dāng)?shù)匦纹鸱冗_(dá)到0.7～0.9 時(shí)，人口密度和經(jīng)濟(jì)密度達(dá)到最低值，為52.08 人/km和208.03 萬(wàn)元/km，人口和生產(chǎn)總值累計(jì)頻率分別達(dá)到了90.99%和92.27%。隨著地形起伏度降低，雖然人口總數(shù)和生產(chǎn)總值仍在減少，但人口密度和經(jīng)濟(jì)密度出現(xiàn)輕微反彈上升，原因可能是東北山區(qū)有較發(fā)達(dá)的采礦業(yè)、林業(yè)以及旅游業(yè)。整體來(lái)看，東北地區(qū)84.39%的人口和86.81%的生產(chǎn)總值分布在地形起伏度不超過(guò)0.7 的區(qū)域，面積占比為73.6%，這表明東北地區(qū)人口和經(jīng)濟(jì)分布不均衡，存在明顯的集聚效應(yīng)。

表1 東北地區(qū)不同地形起伏度上土地、人口、經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)情況

3 結(jié)論與討論

東北地區(qū)地形起伏度大體呈現(xiàn)四周高、中部低的空間分布格局。人口密度和經(jīng)濟(jì)密度空間分布地域差異明顯，具有一定的空間耦合特征，高值區(qū)大多分布在東北平原，低值區(qū)大多分布在大小興安嶺及長(zhǎng)白山脈山區(qū)和邊境地區(qū)。同時(shí)，東北地區(qū)人口和經(jīng)濟(jì)空間分布存在較高的集聚性，經(jīng)濟(jì)空間的集聚性低于人口空間。人口密度的冷熱點(diǎn)呈現(xiàn)內(nèi)部熱、外圍冷的格局，而經(jīng)濟(jì)密度僅有高值集聚，熱點(diǎn)區(qū)的分布與人口相似。四大城市群（沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)區(qū)、遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶、長(zhǎng)吉圖開(kāi)發(fā)開(kāi)放先導(dǎo)區(qū)、哈大齊經(jīng)濟(jì)圈）是人口和經(jīng)濟(jì)的集聚區(qū)。隨著地形起伏度的增加，東北地區(qū)人口密度和經(jīng)濟(jì)密度整體上均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。東北地區(qū)84.39%的人口和86.81%的生產(chǎn)總值分布在地形起伏度不超過(guò)0.7 的區(qū)域，面積占比為73.6%，存在明顯的集聚效應(yīng)。

本研究利用人口和經(jīng)濟(jì)空間數(shù)據(jù)集開(kāi)展柵格尺度上的定量分析，相比傳統(tǒng)的行政區(qū)劃統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，更有助于揭示其內(nèi)部差異和凸顯其現(xiàn)實(shí)意義，有利于揭示東北地區(qū)地形因子對(duì)人口、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的作用機(jī)制。但受數(shù)據(jù)限制，本研究采用的柵格分辨率僅為1 km，而地形、人口、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的空間分異特征的尺度依賴性會(huì)導(dǎo)致研究結(jié)果存在一定的不確定性。鄉(xiāng)鎮(zhèn)是人口和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)布的基本單元，比縣域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更能細(xì)致地反映出人口和經(jīng)濟(jì)的空間異質(zhì)性。因此，未來(lái)的研究應(yīng)充分利用鄉(xiāng)鎮(zhèn)數(shù)據(jù)等更精細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)提高空間化的人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)精度，同時(shí)探討不同尺度上地形起伏度與人口經(jīng)濟(jì)的關(guān)系及差異規(guī)律，從而更精準(zhǔn)地揭示地形起伏度對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響機(jī)制，為當(dāng)?shù)刂贫ń?jīng)濟(jì)發(fā)展政策提供依據(jù)。