金沙江流域地形起伏度與經濟發展的空間關系研究

和佳慧，吳映梅

(云南師范大學地理學部，云南昆明 650500)

0 引言

地形在一定程度上影響著區域經濟發展，其中地形起伏度是地形的重要因子之一，其對人類生產生活、社會經濟發展等都產生著重要的影響.自1948年蘇聯科學院地理研究所開始對地形起伏度進行研究以來[1]，眾多專家學者對其開展了廣泛的研究并將其運用于眾多研究領域.如唐林楠[2-3]等人將地形起伏度運用于農業機械化的發展研究；封志明[4-6]等人分析了地形起伏度與人口分布關系；吳見[7-8]等人在地形起伏度的基礎上研究土地利用空間格局變化.在地形起伏度與經濟的關系方面，也有較多學者進行了深刻的研究.封志明[9]從縣域單元對中國地形起伏度與經濟發展的相關性進行分析，章金城[10-11]等人從省域層面對地形起伏度與經濟關系進行探討，張靜靜[12-13]等人對山區的地形起伏度和經濟發展做相關性研究.

目前，對地形起伏度與經濟關系的研究已較為成熟，研究成果頗多，研究方法主要以線性回歸模型[11-14]、相關系數[15-16]等為主，方法較為單一；研究尺度以小尺度[9-15,17]為主，對大中尺度的研究較少；研究區域多以國家[4,9]、省域[6,10,11,17]等行政單元以及地形較復雜的山區[12-14,18]為主，針對自然單元，特別是對河流流域的研究較少.金沙江流域屬于長江流域的一部分，跨4省1自治區，作為國家實施“一帶一路”建設、長江經濟帶建設等發展戰略和生態文明建設、脫貧攻堅、區域合作中的重要一環，對金沙江流域地形起伏度與經濟發展的空間關系進行研究，有利于進一步優化流域內經濟發展空間格局，加快流域內社會經濟發展.本文使用90 m分辨率的DEM數據，以ArcGIS和Geo_Da等軟件作為技術支撐平臺，采用均值變點法提取金沙江流域的地形起伏度，通過空間自相關探討金沙江流域縣域地形起伏度與經濟發展的關系，以期為相似地區對地形起伏度的研究提供分析案例，為金沙江流域經濟發展提供一定的理論參考.

1 研究區域概況及數據來源

1.1 研究區域概況

對于金沙江流域的范圍的劃分，不同的研究對其界定有些區別.為了保證行政單元的完整性，本文研究區域共97個縣(區、市)，其中青海省、西藏自治區、云南省、四川省、貴州省的縣域個數分別為7、4、45、40、1；流域內海拔最高點為6 824 m，最低點222 m，平均海拔3 840 m，地勢大致呈西北高，東南低；2018年GDP總量約為12 896億元，占全國GDP總量的1.43%，人均GDP約為35 537元，遠低于全國平均水平(64 644元).

1.2 數據來源

本文行政區區劃圖來自國家地理系統科學數據中心；DEM數據來源于中國科學院資源環境科學中心，分辨率為90 m(SRTM數據)；經濟數據來源于2019年《中國縣域統計年鑒(縣市卷)》.

2 研究方法與數據處理

2.1 地形起伏度提取

2.1.1 確定最佳統計單元 本文采用移動窗口方法，起始窗口為3×3，移動步距為2，利用ArcGIS的焦點統計工具，統計不同窗口下海拔的最大值與最小值，并求二者之差，由(圖1)可以看出，金沙江流域平均高差變化的擬合曲線公式為y=227.81x0.417，擬合度為R2=0.985 9，在0.8～1km2之間擬合曲線出現一個拐點，其對應的窗口即為最佳統計單元.

圖1 沙江流域平均高差變化擬合曲線和S與差值Si變化曲線Fig.1 Fitting Curve of Mean Height Difference and Variance Curve of Difference between S and Si in Jinsha River basin

使用均值變點法計算金沙江流域地形起伏度的最佳統計單元.具體步驟如下：

(1)求不同窗口下地形起伏度平均值及其窗口面積，并求比值，得到各窗口下單位面積起伏度Tt，并求其的對數，得到數列Xt，同時求得數列Xt方差S為9.10：

Xt=InTt

(1)

式(1)中，t為窗口個數，分別取值為1，2，3…，15.

(2)

2.1.2 地形起伏度計算 本文參考封志明等定義的地形起伏度[4]，計算公式如下：

(3)

式(3)中：RDLS為地形起伏度，ALT為縣域平均海拔；Hmax和Hmin分別為研究區內海拔最高值和最低值，P(A)為縣域內平地面積，A為縣域總面積.

2.2 空間自相關

2.2.1 雙變量空間自相關 為了探討金沙江流域縣域間地形起伏度與經濟發展之間的關系，使用雙變量空間自相關計算它們在整個研究區內的相關性，計算公式如下：

(4)

2.2.2 局部空間自相關 雙變量空間自相關具有一定的局限性，不能具體指出集聚或異常發生的位置，本文運用Moran散點圖和LISA指標來探討地形起伏度與經濟局部空間自相關.Moran散點圖中，一、三象限表示地形起伏度與經濟發展之間呈空間正相關，二、四象限表示地形起伏度與經濟發展之間呈空間負相關.LISA指標計算公式如下：

(5)

3 結果分析

3.1 地形起伏度的分布規律

本文使用ArcGIS 10.4中自然間斷點分級法將金沙江流域地形起伏度分為5級，分別為高水平區、較高水平區、中水平區、較低水平區和低水平區.由圖2可知，高水平區主要分布在研究區的中部，包括康定市、德欽縣等27個縣(區、市)，占到研究區總面積的51.39%；較高水平區主要分布在研究區北部和東南部，包括格爾木市、鹽源縣等15個縣(區、市)，占到研究區總面積的31.59%；中水平區主要分布在研究區西南部和東部，包括賓川縣、宣威市等21個縣(區、市)，占到研究區域總面積的8.82%；較低水平區主要分布在研究區南部，包括楚雄市、祿豐縣等15個縣(區、市)，占到研究區總面積的4.75%；低水平區主要分布在研究區南部和東部，包括翠屏區、鎮雄縣等19個縣(區、市)，占到研究區總面積的3.45%.從整體上看，金沙江流域地形起伏度區域差異較大，差值達6.103 9，但呈一定的規律分布，大致呈西北向東南遞減的規律分布.同時發現省際之間地形起伏度也存在較大的差異，青海省、西藏自治區的地形起伏度明顯大于云南省、四川省及貴州省；同時省域內地形起伏度差異也較大，以云南省和四川省尤為明顯.

圖2 金沙江流域地形起伏度Fig.2 Topographic undulation in Jinsha River Basin

通過上述分析，可以發現海拔與地形起伏度之間存在著一定的相關性，并建立二者之間的相互關系式，由圖3可以看出，二者之間存在線性關系，關系式為：y=0.000 6x+0.576 4，其中R2=0.819 6，通過了P<0.001 的顯著性檢驗.表明在一定程度上金沙江流域縣域平均海拔隨著地形起伏度的升高而升高.

圖3 地形起伏度與平均海拔的關系 Fig.3 The Relationship between topographic relief and average elevation

3.2 地形起伏度空間自相關分析

本文使用Geo_Da軟件來探討金沙江流域地形起伏度的空間自相關性，其中Moran'sI值為0.608 3，通過p<0.05的檢驗，表明金沙江流域地形起伏度有較強的全局空間自相關性.進一步用局部空間自相關性來分析金沙江流域地形起伏的空間變化，繪制金沙江流域地形起伏度LISA集聚圖(圖4)，可以看出，高-高集聚型有25個縣(區、市)，主要分布在研究區中部(青藏高原東南部和橫斷山區北部)，該類型區縣域地形起伏度都較高；低-低集聚型有47個縣(區、市)，主要分布在研究區南部(云貴高原)，該類型區縣域地勢較為平坦；不顯著集聚型有18個縣(區、市)，高-低集聚型有7個縣(區、市)，主要分布在研究區東南部，無低-高集聚型，這三類集聚區縣域間地形起伏度的相關性較弱.

圖4 金沙江流域地形起伏度LISA集聚圖Fig.4 Topographic Undulation LISA Agglomeration of Jinsha River Basin

3.3 地形起伏度與經濟空間自相關分析

為了探討金沙江流域地形起伏度與經濟之間的相關關系，本文使用Geo_Da軟件計算Moran'sI值，得到金沙江流域地形起伏度與GDP、人均GDP雙變量空間自相關Moran'sI值分別為-0.247 0、-0.112 4，均通過p<0.05的檢驗，表明整體上，金沙江流域地形起伏度與經濟發展水平成負相關關系，即一般來說地形起伏度大的縣域經濟發展水平較差，反之則經濟發展水平較高.

使用LISA圖來進一步說明地形起伏度與經濟發展之間的相互關系.由地形起伏度與經濟LISA集聚關系圖(圖5)可知，地形起伏度與GDP、人均GDP存在以下三種集聚關系：

圖5 地形起伏度與經濟LISA集聚關系Fig.5 A relationship between Topographic Relief and Economic LISA Aggregation

(1)高-高型.該區域較周圍區域地形起伏度較大，經濟發展水平較高，主要分布在會東縣、祿勸彝族苗族自治縣等2個縣(區、市).地形起伏度平均值為4.93，平均海拔為2 154.85 m，人均GDP為30 297.50元，第二產業和第三產業較發達(占該類型區地區生產總值的70.16%).祿勸彝族苗族自治縣屬于昆明下轄縣，二三產業均發展較好，會東縣第二產業較發達，2018年被評為“四川省清潔能源和有色金屬加工循環經濟特色產業基地”，這些縣域位于橫斷山區與云貴高原的交界部分，地形起伏較大，但由于地理位置及自然資源等優勢，經濟發展水平較高.

(2)低-高型.該區域較周圍區域地形起伏度較小，經濟發展水平較高，主要分布在五華區、楚雄市等19個縣(區、市).地形起伏度平均值為3.56，平均海拔為2 044.97m，人均GDP為43 632.16元，第二產業和第三產業產值占比分別為0.53、0.38.這些縣域雖大多位于云貴高原，海拔較高，但地形起伏較小，且又位于滇中地區，受昆明的經濟輻射帶動作用，經濟發展較好.

(3)高-低型.該區域較周圍區域地形起伏度較大，經濟發展水平較差，主要分布在色達縣、康定市等8個縣(區、市).地形起伏度平均值為6.41，平均海拔為4 241.66 m，人均GDP為28 417.50 元，三產產值比雖為0.14∶0.45∶0.41 ，但是縣域平均GDP值僅為26.15億元，比研究區平均水平132.95億元低106.80億元.這些縣域大部分位于青藏高原東南緣，不但海拔高，地形起伏度還大，第一產業類型主要為牧業，第二產業產值雖占比大，但是產值不高.這些地區多為我國大江大河的發源地，資源環境保護是第一位，經濟發展水平也較低.

對比金沙江流域地形起伏度與GDP、人均GDP空間集聚關系，可以發現部分縣(區、市)集聚關系發生了變化，其中高-高集聚型增加了2個，低-高集聚型增加了2個，高-低集聚型減少了12個，低-低集聚型增加了12個；同時發現，類型變化主要產生在不顯著類型與其他類型之間，而發生這種變化主要的原因與人均GDP有著密切的關系，而人均GDP除了受GDP總量的影響外，主要受人口數量的影響.如玉龍納西族自治縣和木里藏族自治縣等縣(區、市)雖然GDP不高，但是由于人口較少，從而導致人均GDP較高，其集聚類型由不顯著型變為高-高型；鹽津縣和大關等縣(區、市)雖然GDP總量高，但由于人口較多，從而導致人均GDP較低，其集聚類型由不顯著型變為低-低型；其他類型區的變化也是同理受人口數量，從而影響人均GDP，進而影響集聚類型.

4 結論與討論

(1)金沙江流域地形起伏度的最佳分析窗口為13×13個像元，流域內地形起伏度高水平、較高水平區、中水平區、較低水平區和低水平區，分別占到研究區域總面積的51.39%、31.59%、8.82%、4.75%、3.45%；研究區內地形起伏度大致呈西北向東南遞減的分布規律，且省際之間差異較大.

(2)金沙江流域各縣(市、區)之間地形起伏度有較強空間相關性，且Moran'sI值為0.608 3；地形起伏度與GDP、人均GDP雙變量空間自相關Moran'sI值分別為-0.247 0、-0.112 4，在整體上，地形起伏度與經濟發展呈顯著負相關關系；地形起伏度與經濟發展也存在空間異質性，從空間集聚關系看，會東縣、祿勸彝族苗族自治縣等2個縣(市、區)為地形起伏度較大，經濟發展水平較高的地區，五華區、楚雄市等19個縣(市、區)為地形起伏度較小，經濟發展水平較高的地區，色達縣、康定市等8個縣(市、區)為地形起伏度較大，經濟發展水平較差的地區.

本文雖然選擇了以河流流域為研究區域，研究區域具有特殊性，但是經濟發展水平不止是GDP、人均 GDP，還應關注三產、固定資產投資、社會消費品零售總額等等.地形雖然是制約社會經濟發展的重要因素之一，但要考慮到不同區域的功能定位不同，像金沙江流域的部分地區屬于限制開發區，且退出了GDP等考核，在以后的研究中需要考慮到不能單純從經濟發展水平去研究一個區域的發展狀況，同時金沙江流域屬于長江流域的一部分，在今后對其的研究需要進一步深入，為金沙江流域及長江流域經濟合理布局及協調發展提供一些參考.