1980—2020年河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度的時(shí)空變化及特征分析

摘 要：【目的】基于多期土地利用/土地覆蓋專題數(shù)據(jù)，探討和分析1980—2020年河南省的人類活動(dòng)強(qiáng)度時(shí)空變化特征?！痉椒ā坎捎藐懙乇韺尤祟惢顒?dòng)強(qiáng)度模型計(jì)算不同時(shí)期河南省的人口活動(dòng)強(qiáng)度，基于全局自相關(guān)和局部自相關(guān)分析河南省40年內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度的時(shí)空變化特征?！窘Y(jié)果】2020年，河南省土地利用/土地覆蓋類型主要為耕地和林地，分別占全省總面積的64.85%和16.58%。40年內(nèi)建設(shè)用地面積大幅度增加54.17%，林地和水域面積分別增加1.65%和3.6%，其余地類面積均減少，其中耕地、未利用土地和草地分別減少5 668.93 km2、134.85 km2和1 174.27 km2。1980年河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度為22.09%，2020年達(dá)到25.46%。【結(jié)論】1980—2020年河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度空間聚集特征顯著，空間分布格局呈東高西低、北高南低的特點(diǎn)。人類活動(dòng)強(qiáng)度變化冷點(diǎn)地區(qū)主要集中在豫西山地、豫北山地、豫南山地等地區(qū)，熱點(diǎn)地區(qū)分布在以鄭州為中心的河南省中東部地區(qū)。

關(guān)鍵詞：人類活動(dòng)強(qiáng)度；土地利用/土地覆被；河南省

中圖分類號(hào)：X312? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）07-0096-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.07.019

Temporal and Spatial Changes and Characteristics Analysis of Human Activity Intensity in Henan Province from 1980 to 2020

MA Qiming

（College of Land Engineering， Chang'an University， Xi'an 710064， China）

Abstract：[Purposes] The study is based on multi-temporal thematic data of land use/land cover， aiming to explore and analyze the temporal and spatial variations of human activity intensity in Henan Province， China from 1980 to 2020. [Methods] Utilizing the land surface human activity intensity model， this study calculates the human activity intensity in Henan Province during different periods. Subsequently， based on global autocorrelation and local autocorrelation， the spatial and temporal variation characteristics of human activity intensity in Henan Province in 40 years were analyzed. [Findings] In 2020， the land use/land cover types in Henan Province were primarily farmland land and forest land， accounting for 64.85% and 16.58% of the total area， respectively. Over the course of forty years， the area of construction land has significantly increased by 54.17%， while forest and water areas have increased by 1.65% and 3.6%， respectively. Conversely， the remaining land classes have experienced a decrease， with farmland， unused land， and grassland decreasing by 5 668.93 km?， 134.85 km?， and 1 174.27 km?， respectively. The human activity intensity in Henan Province was 22.09% in 1980 and has reached 25.46% in 2020. [Conclusions] From 1980 to 2020， the spatial aggregation characteristics of human activity intensity in Henan Province were significant， displaying an eastern high-western low and northern high-southern low distribution pattern. Areas with lower fluctuations in human activity intensity were primarily concentrated in regions such as the western mountains， northern mountains， and southern mountains of Henan. On the other hand， regions exhibiting higher fluctuations were concentrated in the central and eastern parts of Henan Province， centered around Zhengzhou.

Keywords： human activity intensity; land use/land cover; Henan Province

0 引言

對(duì)一定區(qū)域內(nèi)的人類活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行定量分析及空間化表達(dá)，可為該區(qū)域后期的土地利用政策制定和生態(tài)建設(shè)提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。人類活動(dòng)強(qiáng)度是指一定面積的區(qū)域內(nèi)受人類活動(dòng)所產(chǎn)生的擾動(dòng)程度，是人類對(duì)該區(qū)域利用、改造和開發(fā)的程度［1-2］。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)人類活動(dòng)強(qiáng)度的研究主要集中于人類活動(dòng)強(qiáng)度量化方法、時(shí)空演變及驅(qū)動(dòng)因素分析等方面。隨著遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，高質(zhì)量人類活動(dòng)強(qiáng)度空間數(shù)據(jù)得以擴(kuò)增和豐富［3］。人類活動(dòng)強(qiáng)度量化方法可劃分為非空間化方法和空間化方法。非空間化量化方法包括指標(biāo)評(píng)價(jià)法［4］和統(tǒng)計(jì)分析法［5］等。空間化量化方法又可分成間接空間化和直接空間化兩類：間接空間化是基于可用于衡量指標(biāo)的變化來定量評(píng)估人類活動(dòng)強(qiáng)度，如凈初級(jí)生產(chǎn)力人類占用法［6］、全球干擾指數(shù)法［7］和植被指數(shù)法［8］等；直接空間化方法包括基于自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多方面指標(biāo)來定量評(píng)價(jià)人類活動(dòng)強(qiáng)度的綜合指標(biāo)法［9］、基于土地利用轉(zhuǎn)變、人口密度等空間數(shù)據(jù)的人類足跡指數(shù)法（Human Footprint Index ，HFI）［10］及利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和遙感解譯數(shù)據(jù)的土地類型變化法等［2］。土地類型變化法因普適性較強(qiáng)和人類活動(dòng)強(qiáng)度空間數(shù)據(jù)充分而被廣泛使用，其中徐勇等提出的陸地表層人類活動(dòng)強(qiáng)度（Human Activity Intensity of Land Surface，HAILS）算法模型已應(yīng)用于黃土高原、黔南地區(qū)和海南島等不同空間尺度并取得良好成果［11-13］。本研究基于多期土地利用/土地覆蓋專題數(shù)據(jù)，探討和分析1980—2020年河南省的人類活動(dòng)強(qiáng)度時(shí)空變化特征，以期為今后的土地利用政策制定和生態(tài)建設(shè)提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)來源

河南省位于我國中東部，地理位置介于東經(jīng)110°21′～116°39′，北緯31°23′～36°22′。在黃河中下游地區(qū)，是我國礦產(chǎn)資源大省、人口大省及農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)。河南省包括17個(gè)地級(jí)市、1個(gè)省直轄縣級(jí)市和83個(gè)縣區(qū)，土地總面積為16.7萬km2。

本研究所采用的土地利用/土地覆被數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)中心徐新良等學(xué)者的中國多時(shí)期土地利用遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集（CNLUCC）。該數(shù)據(jù)集是以美國陸地衛(wèi)星Landsat遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，通過人工目視解譯構(gòu)建的我國土地利用/土地覆蓋專題數(shù)據(jù)庫，空間分辨率為1 km。該數(shù)據(jù)集的分類系統(tǒng)為二級(jí)分類系統(tǒng)，其中一級(jí)分類包括耕地、草地、水域、林地、未利用土地和城鄉(xiāng)、工礦、居民用地共6個(gè)類型，二級(jí)分類基于土地資源的自然屬性劃分為23個(gè)類型［13］。本研究使用的是CNLUCC數(shù)據(jù)集中1980、1990、2000、2005、2010、2015、2020年共7期數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 陸地表層人類活動(dòng)強(qiáng)度

河南省不同時(shí)期人類活動(dòng)強(qiáng)度量化的算法模型采用的是徐勇等提出的陸地表層人類活動(dòng)強(qiáng)度（HAILS）和建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)（Conversion Index of Construction Land Equivalent，CI）［2］。不同的土地利用/土地覆被類型表征著人類活動(dòng)對(duì)陸地表層自然覆被利用、改造和開發(fā)的不同程度?；诙蛹?jí)分布式算法可將不同的地類換算為不同的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)。陸地表層人類活動(dòng)強(qiáng)度的計(jì)算公式為式（1）［2］。

[HAILS=SCLES×100%][SCLE=i=1nSLi?CIi] （1）

式中：HAILS為研究區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度；SCLE為研究區(qū)域內(nèi)建設(shè)用地當(dāng)量面積；S為研究區(qū)總面積；SLi為研究區(qū)內(nèi)第i種土地利用/覆被類型的面積；CIi為第i種土地利用/覆被類型的建設(shè)用地當(dāng)量折算系數(shù)；n為研究區(qū)內(nèi)土地利用/覆被類型總數(shù)。

2.2 空間自相關(guān)

空間自相關(guān)是同一變量在不同地理空間位置的相關(guān)性，是空間單元屬性值聚集程度的一種度量［14］。它包括全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)。因此，本研究引入Moran's I指數(shù)去定量分析河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度的空間自相關(guān)，從而探尋該區(qū)域人類活動(dòng)強(qiáng)度的空間分布模式。同時(shí)引入局部G系數(shù)來計(jì)算省內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度的局部空間自相關(guān)，從而識(shí)別研究區(qū)內(nèi)的人類活動(dòng)強(qiáng)度的高、低值聚集分布。

2.2.1 全局空間自相關(guān)。利用Moran's I指數(shù)計(jì)算河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行全局空間自相關(guān)，其表達(dá)式為式（2）。

[I=i=1nj=1nWijxi-xxj-xS2?i=1nj=1nWij] （2）

式中：S2表示研究區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度的方差；n表示研究區(qū)空間單元總數(shù)；xi和xj表示第i空間單元和第j空間單元的人類活動(dòng)強(qiáng)度，`x表示河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度平均值，Wij表示第i空間單元和第j像元的空間權(quán)重矩陣。其中，當(dāng)Moran's I為正時(shí)，表示人類活動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)空間正相關(guān)，值越大表明空間相關(guān)性越明顯；當(dāng)Moran's I為負(fù)時(shí)，表示人類活動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)空間負(fù)相關(guān)，值越小則空間差異越大；Moran's I為0時(shí)，則表示變量是隨機(jī)分布。使用Z得分來進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，若|Z|>1.96，則說明檢驗(yàn)結(jié)果具有顯著性。

2.2.2 局部空間自相關(guān)

利用局部G系數(shù)計(jì)算河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度的局部空間自相關(guān)性［15］，其表達(dá)式為式（3）。

[Gi=j=1nWijxjj=1nxj] （3）

式中，Gi表示第i空間單元的局部G系數(shù)值；Wij表示第i空間單元和第j像元的空間權(quán)重矩陣。若G為正時(shí)，則表明人類活動(dòng)強(qiáng)度較高地區(qū)空間集聚，屬于熱點(diǎn)區(qū)域，z值越高，熱點(diǎn)聚類越緊密；若G為負(fù)時(shí)，則表明人類活動(dòng)強(qiáng)度較低地區(qū)空間集聚，屬于冷點(diǎn)區(qū)域，z值越低，冷點(diǎn)聚類越緊密。

3 結(jié)果

3.1 河南省土地利用變化時(shí)空特征分析

基于多期土地利用/土地覆蓋數(shù)據(jù)計(jì)算1980—2020年河南省土地利用/土地覆被一級(jí)類型構(gòu)成及變化見表1。由表1可知，2020年河南省土地利用類型主要以耕地為主，耕地面積占河南省面積的64.85%，其中水田類型和旱地類型分別占河南省面積的6.41%和58.44%，其面積分別為10 613.71km2和96 740.37km2，水田主要分布于豫中的新鄉(xiāng)市、開封市及豫南的信陽市，而旱地則分散于省內(nèi)平原及丘陵地區(qū)。其次是林地類型，占河南省面積的16.58%，其中灌木林、疏林地、有林地和其他林地的面積分別為3 459.94 km2、5 624.03 km2、17 535.41 km2和581.17 km2，主要分布在西部、北部和南部山區(qū)丘陵地帶。再次是城鄉(xiāng)/工礦/居民用地面積總計(jì)18 222.75 km2，占河南省面積的11.01%。草地類型面積為8 589.12 km2，占河南省面積的5.19%。未利用土地類型占地面積最小，僅占河南省面積的0.01%。

1980—2020年，未利用土地類型占地面積比例整體變化幅度最大，減少了134.85 km2，減幅為89.34%。其次是城鄉(xiāng)/工礦/居民用地，其面積從1980年的11 819.86 km2增大到2020年的18 222.75 km2，增幅為54.17%。草地和耕地面積減少了-12.03%和-5.02%，減少面積為1 174.27 km2和5 668.93 km2。林地和水域面積增加了446.67 km2和135.75 km2，分別占1980年的1.65%和3.6%。

3.2 河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度的時(shí)空變化分析

1980—2020年河南省建設(shè)用地當(dāng)量面積及人類活動(dòng)強(qiáng)度變化如圖1所示。其中，前期1980—1990年增長(zhǎng)趨勢(shì)較為緩慢，中期1990—2015年保持較平穩(wěn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，后期2015—2020年增長(zhǎng)趨勢(shì)則相對(duì)迅速?；陉懙乇韺尤祟惢顒?dòng)強(qiáng)度模型計(jì)算可得，1980年河南省建設(shè)用地當(dāng)量面積為36 567.91 km2，人類活動(dòng)強(qiáng)度為22.09%，2000年河南省建設(shè)用地當(dāng)量面積為37 927.96 km2，人類活動(dòng)強(qiáng)度為22.91%，2020年河南省建設(shè)用地當(dāng)量面積和人類活動(dòng)強(qiáng)度分別為42 139.02 km2和25.46%。從1980年至2020年，河南省的建設(shè)用地當(dāng)量面積和人類活動(dòng)強(qiáng)度分別增加了5 571.11 km2和3.36%。

1980—2020年河南省建設(shè)用地當(dāng)量面積和人類活動(dòng)強(qiáng)度變化如圖2所示，各市人類活動(dòng)強(qiáng)度變化見表2。由圖2、表2可知，河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度較低的區(qū)域主要集中在豫西山地、豫北山地、豫南山地處，而人類活動(dòng)強(qiáng)度高的區(qū)域分布在河南中部和東部區(qū)域。河南省西高東低并呈望北向南之勢(shì)，北、西、南三面山脈丘陵居多，而中東部多是廣袤平原、肥沃田地，因此歷年人類活動(dòng)強(qiáng)度的整體空間分布也呈半環(huán)狀。濟(jì)源市、洛陽市、南陽市、三門峽市及信陽市的人類活動(dòng)強(qiáng)度均較低（＜22%），這些區(qū)域位于豫西山地、豫北山地、豫南山地等地區(qū)，域內(nèi)山脈丘陵較多，自然稟賦條件薄弱，因此耕地和建設(shè)用地所占面積比例較小。而濮陽市、新鄉(xiāng)市、開封市和周口市等區(qū)域處于河南自然本地條件較好的平原區(qū)域，耕地覆蓋率高且人口聚集，因此這些區(qū)域具有較高的人類活動(dòng)強(qiáng)度。其中鄭州市的人類活動(dòng)強(qiáng)度自1980年的26.51%增至2020年的38.56%，40年內(nèi)增幅為12.04%，遠(yuǎn)超省內(nèi)其他區(qū)域人類活動(dòng)強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度。這可能與當(dāng)?shù)氐娜丝诹魅?、?jīng)濟(jì)發(fā)展和政府政策等驅(qū)動(dòng)因素有關(guān)。

3.3 河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度的空間自相關(guān)分析

基于空間自相關(guān)的全局指標(biāo)Moran's I指數(shù)可得出1980—2000年以來歷年河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度全局空間自相關(guān)指標(biāo)結(jié)果見表3。由表3可知，歷年Moran's I指數(shù)值均為正，Z得分大于1.96，P值為0，表明歷年河南省的人類活動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著的空間集聚特征。同時(shí)自1990年起，每一年的Moran's I指數(shù)處于上升趨勢(shì)，表明1990—2020年河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度的空間集聚程度呈現(xiàn)加強(qiáng)趨勢(shì)。1980—2000年、2000—2020年及1980—2020年的Moran's I指數(shù)值為0.21、0.04和0.06，這表明這三個(gè)時(shí)間段內(nèi)的人類活動(dòng)強(qiáng)度變化亦呈現(xiàn)空間集聚特征。

使用ArcGIS10.8軟件上的熱點(diǎn)分析工具進(jìn)一步探尋人類活動(dòng)強(qiáng)度及其變化的空間差異。地理空間位置上相互鄰近且人類活動(dòng)強(qiáng)度高于研究區(qū)平均水平的單元構(gòu)成高值集聚區(qū)，亦稱為熱點(diǎn)地區(qū)；反之地理空間位置上相互鄰近且人類活動(dòng)強(qiáng)度低于研究區(qū)平均值的地區(qū)構(gòu)成低值集聚區(qū)，亦稱為冷點(diǎn)地區(qū)［13］。980—2020年河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度變化熱點(diǎn)如圖3所示。由圖3可知，從空間分布上來看，人類活動(dòng)強(qiáng)度的熱點(diǎn)地區(qū)主要離散分布于河南省的中部和東部地區(qū)的各市域內(nèi)，冷點(diǎn)地區(qū)集中分布于三門峽市、濟(jì)源市、洛陽市南部、南陽市北部、焦作市北部邊緣和信陽市南部的山區(qū)。從時(shí)空格局變化上分析，1980—2000年，河南省的人類活動(dòng)強(qiáng)度變化星星狀分散于河南省內(nèi)中北部區(qū)域；2000—2020年，人類活動(dòng)強(qiáng)度變化逐漸集中于鄭州市為中心的中東部區(qū)域。

4 結(jié)論與討論

1980—2020年期間，河南省土地利用/土地覆蓋類型主要為耕地類型，然后依次是林地、建設(shè)用地、草地、水域和未利用地類型。40年內(nèi)，隨著河南省社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人口數(shù)量的增長(zhǎng)，人們對(duì)陸地表層覆被利用、改造和開發(fā)的程度逐漸加深，建設(shè)用地面積呈現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)，林地和水域面積出現(xiàn)微弱增長(zhǎng)，其他土地利用/土地覆被類型均出現(xiàn)不同程度的縮減，其中未利用土地面積減少幅度最大，占1980年此類型土地的89.34%；耕地類型減少面積最大，共減少5 668.93 km2。

40年內(nèi)，建設(shè)用地當(dāng)量面積和人類活動(dòng)強(qiáng)度保持連續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中變化以2010年為界，1980—2010年期間，人類活動(dòng)強(qiáng)度增長(zhǎng)相對(duì)緩慢；2010—2020年，增長(zhǎng)迅速。40年內(nèi)省內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度共增加3.36%。

1980—2020年，河南省的人類活動(dòng)強(qiáng)度的空間分布格局呈現(xiàn)出東高西低、北高南低特點(diǎn)。研究區(qū)內(nèi)人類活動(dòng)強(qiáng)度具有顯著的空間集聚特征，冷點(diǎn)地區(qū)主要分布在豫西山地、豫北山地、豫南山地等山脈丘陵地區(qū)，熱點(diǎn)地區(qū)則分布在豫中、豫東等的平原區(qū)域。河南省人類活動(dòng)強(qiáng)度變化的熱點(diǎn)主要集中在以鄭州市為中心的研究區(qū)中東部區(qū)域，即城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速地區(qū)。本研究對(duì)河南省40年內(nèi)的人類活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行定量分析及空間化表達(dá)，可為今后的土地利用政策制定和生態(tài)建設(shè)提供理論參考和科學(xué)依據(jù)。

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收稿日期：2023-10-19

基金項(xiàng)目：雅礱江流域水電開發(fā)有限公司科研試驗(yàn)項(xiàng)目“高寒高海拔光伏電站生態(tài)效應(yīng)評(píng)估與護(hù)修對(duì)策研究”（000023-23XB0065）; 內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目“現(xiàn)代牧區(qū)草地高效生產(chǎn)與家畜優(yōu)化利用技術(shù)研發(fā)與示范”（2021ZD0045）。

作者簡(jiǎn)介：馬起明（1998—），女，碩士生，研究方向：地理時(shí)空統(tǒng)計(jì)方法。