1980—2020年河南省人類活動強度的時空變化及特征分析

摘 要：【目的】基于多期土地利用/土地覆蓋專題數據，探討和分析1980—2020年河南省的人類活動強度時空變化特征。【方法】采用陸地表層人類活動強度模型計算不同時期河南省的人口活動強度，基于全局自相關和局部自相關分析河南省40年內人類活動強度的時空變化特征。【結果】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年內建設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年河南省人類活動強度為22.09%，2020年達到25.46%。【結論】1980—2020年河南省人類活動強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。人類活動強度變化冷點地區主要集中在豫西山地、豫北山地、豫南山地等地區，熱點地區分布在以鄭州為中心的河南省中東部地區。

關鍵詞：人類活動強度；土地利用/土地覆被；河南省

中圖分類號：X312? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：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

對一定區域內的人類活動強度進行定量分析及空間化表達，可為該區域后期的土地利用政策制定和生態建設提供理論參考和科學依據。人類活動強度是指一定面積的區域內受人類活動所產生的擾動程度，是人類對該區域利用、改造和開發的程度［1-2］。當前，國內外學者對人類活動強度的研究主要集中于人類活動強度量化方法、時空演變及驅動因素分析等方面。隨著遙感和地理信息系統技術的蓬勃發展，高質量人類活動強度空間數據得以擴增和豐富［3］。人類活動強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評價法［4］和統計分析法［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的變化來定量評估人類活動強度，如凈初級生產力人類占用法［6］、全球干擾指數法［7］和植被指數法［8］等；直接空間化方法包括基于自然、社會和經濟等多方面指標來定量評價人類活動強度的綜合指標法［9］、基于土地利用轉變、人口密度等空間數據的人類足跡指數法（Human Footprint Index ，HFI）［10］及利用統計數據和遙感解譯數據的土地類型變化法等［2］。土地類型變化法因普適性較強和人類活動強度空間數據充分而被廣泛使用，其中徐勇等提出的陸地表層人類活動強度（Human Activity Intensity of Land Surface，HAILS）算法模型已應用于黃土高原、黔南地區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/土地覆蓋專題數據，探討和分析1980—2020年河南省的人類活動強度時空變化特征，以期為今后的土地利用政策制定和生態建設提供理論參考和科學依據。

1 研究區和數據來源

河南省位于我國中東部，地理位置介于東經110°21′～116°39′，北緯31°23′～36°22′。在黃河中下游地區，是我國礦產資源大省、人口大省及農產品主產區。河南省包括17個地級市、1個省直轄縣級市和83個縣區，土地總面積為16.7萬km2。

本研究所采用的土地利用/土地覆被數據來源于中國科學院資源環境數據中心徐新良等學者的中國多時期土地利用遙感監測數據集（CNLUCC）。該數據集是以美國陸地衛星Landsat遙感影像為主要數據源，通過人工目視解譯構建的我國土地利用/土地覆蓋專題數據庫，空間分辨率為1 km。該數據集的分類系統為二級分類系統，其中一級分類包括耕地、草地、水域、林地、未利用土地和城鄉、工礦、居民用地共6個類型，二級分類基于土地資源的自然屬性劃分為23個類型［13］。本研究使用的是CNLUCC數據集中1980、1990、2000、2005、2010、2015、2020年共7期數據。

2 研究方法

2.1 陸地表層人類活動強度

河南省不同時期人類活動強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強度（HAILS）和建設用地當量折算系數（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對陸地表層自然覆被利用、改造和開發的不同程度。基于二層級分布式算法可將不同的地類換算為不同的建設用地當量折算系數。陸地表層人類活動強度的計算公式為式（1）［2］。

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

式中：HAILS為研究區內人類活動強度；SCLE為研究區域內建設用地當量面積；S為研究區總面積；SLi為研究區內第i種土地利用/覆被類型的面積；CIi為第i種土地利用/覆被類型的建設用地當量折算系數；n為研究區內土地利用/覆被類型總數。

2.2 空間自相關

空間自相關是同一變量在不同地理空間位置的相關性，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和局部空間自相關。因此，本研究引入Moran's I指數去定量分析河南省人類活動強度的空間自相關，從而探尋該區域人類活動強度的空間分布模式。同時引入局部G系數來計算省內人類活動強度的局部空間自相關，從而識別研究區內的人類活動強度的高、低值聚集分布。

2.2.1 全局空間自相關。利用Moran's I指數計算河南省人類活動強度進行全局空間自相關，其表達式為式（2）。

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

式中：S2表示研究區內人類活動強度的方差；n表示研究區空間單元總數；xi和xj表示第i空間單元和第j空間單元的人類活動強度，`x表示河南省人類活動強度平均值，Wij表示第i空間單元和第j像元的空間權重矩陣。其中，當Moran's I為正時，表示人類活動強度呈現空間正相關，值越大表明空間相關性越明顯；當Moran's I為負時，表示人類活動強度呈現空間負相關，值越小則空間差異越大；Moran's I為0時，則表示變量是隨機分布。使用Z得分來進行顯著性檢驗，若|Z|>1.96，則說明檢驗結果具有顯著性。

2.2.2 局部空間自相關

利用局部G系數計算河南省人類活動強度的局部空間自相關性［15］，其表達式為式（3）。

[Gi=j=1nWijxjj=1nxj] （3）

式中，Gi表示第i空間單元的局部G系數值；Wij表示第i空間單元和第j像元的空間權重矩陣。若G為正時，則表明人類活動強度較高地區空間集聚，屬于熱點區域，z值越高，熱點聚類越緊密；若G為負時，則表明人類活動強度較低地區空間集聚，屬于冷點區域，z值越低，冷點聚類越緊密。

3 結果

3.1 河南省土地利用變化時空特征分析

基于多期土地利用/土地覆蓋數據計算1980—2020年河南省土地利用/土地覆被一級類型構成及變化見表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市、開封市及豫南的信陽市，而旱地則分散于省內平原及丘陵地區。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、北部和南部山區丘陵地帶。再次是城鄉/工礦/居民用地面積總計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/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 河南省人類活動強度的時空變化分析

1980—2020年河南省建設用地當量面積及人類活動強度變化如圖1所示。其中，前期1980—1990年增長趨勢較為緩慢，中期1990—2015年保持較平穩的增長趨勢，后期2015—2020年增長趨勢則相對迅速。基于陸地表層人類活動強度模型計算可得，1980年河南省建設用地當量面積為36 567.91 km2，人類活動強度為22.09%，2000年河南省建設用地當量面積為37 927.96 km2，人類活動強度為22.91%，2020年河南省建設用地當量面積和人類活動強度分別為42 139.02 km2和25.46%。從1980年至2020年，河南省的建設用地當量面積和人類活動強度分別增加了5 571.11 km2和3.36%。

1980—2020年河南省建設用地當量面積和人類活動強度變化如圖2所示，各市人類活動強度變化見表2。由圖2、表2可知，河南省人類活動強度較低的區域主要集中在豫西山地、豫北山地、豫南山地處，而人類活動強度高的區域分布在河南中部和東部區域。河南省西高東低并呈望北向南之勢，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，因此歷年人類活動強度的整體空間分布也呈半環狀。濟源市、洛陽市、南陽市、三門峽市及信陽市的人類活動強度均較低（＜22%），這些區域位于豫西山地、豫北山地、豫南山地等地區，域內山脈丘陵較多，自然稟賦條件薄弱，因此耕地和建設用地所占面積比例較小。而濮陽市、新鄉市、開封市和周口市等區域處于河南自然本地條件較好的平原區域，耕地覆蓋率高且人口聚集，因此這些區域具有較高的人類活動強度。其中鄭州市的人類活動強度自1980年的26.51%增至2020年的38.56%，40年內增幅為12.04%，遠超省內其他區域人類活動強度增長幅度。這可能與當地的人口流入、經濟發展和政府政策等驅動因素有關。

3.3 河南省人類活動強度的空間自相關分析

基于空間自相關的全局指標Moran's I指數可得出1980—2000年以來歷年河南省人類活動強度全局空間自相關指標結果見表3。由表3可知，歷年Moran's I指數值均為正，Z得分大于1.96，P值為0，表明歷年河南省的人類活動強度呈現顯著的空間集聚特征。同時自1990年起，每一年的Moran's I指數處于上升趨勢，表明1990—2020年河南省人類活動強度的空間集聚程度呈現加強趨勢。1980—2000年、2000—2020年及1980—2020年的Moran's I指數值為0.21、0.04和0.06，這表明這三個時間段內的人類活動強度變化亦呈現空間集聚特征。

使用ArcGIS10.8軟件上的熱點分析工具進一步探尋人類活動強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強度高于研究區平均水平的單元構成高值集聚區，亦稱為熱點地區；反之地理空間位置上相互鄰近且人類活動強度低于研究區平均值的地區構成低值集聚區，亦稱為冷點地區［13］。980—2020年河南省人類活動強度變化熱點如圖3所示。由圖3可知，從空間分布上來看，人類活動強度的熱點地區主要離散分布于河南省的中部和東部地區的各市域內，冷點地區集中分布于三門峽市、濟源市、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。從時空格局變化上分析，1980—2000年，河南省的人類活動強度變化星星狀分散于河南省內中北部區域；2000—2020年，人類活動強度變化逐漸集中于鄭州市為中心的中東部區域。

4 結論與討論

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、建設用地、草地、水域和未利用地類型。40年內，隨著河南省社會經濟迅速發展和人口數量的增長，人們對陸地表層覆被利用、改造和開發的程度逐漸加深，建設用地面積呈現大幅度增長趨勢，林地和水域面積出現微弱增長，其他土地利用/土地覆被類型均出現不同程度的縮減，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，建設用地當量面積和人類活動強度保持連續增長趨勢，其中變化以2010年為界，1980—2010年期間，人類活動強度增長相對緩慢；2010—2020年，增長迅速。40年內省內人類活動強度共增加3.36%。

1980—2020年，河南省的人類活動強度的空間分布格局呈現出東高西低、北高南低特點。研究區內人類活動強度具有顯著的空間集聚特征，冷點地區主要分布在豫西山地、豫北山地、豫南山地等山脈丘陵地區，熱點地區則分布在豫中、豫東等的平原區域。河南省人類活動強度變化的熱點主要集中在以鄭州市為中心的研究區中東部區域，即城市建設和經濟發展迅速地區。本研究對河南省40年內的人類活動強度進行定量分析及空間化表達，可為今后的土地利用政策制定和生態建設提供理論參考和科學依據。

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收稿日期：2023-10-19

基金項目：雅礱江流域水電開發有限公司科研試驗項目“高寒高海拔光伏電站生態效應評估與護修對策研究”（000023-23XB0065）; 內蒙古自治區科技重大專項項目“現代牧區草地高效生產與家畜優化利用技術研發與示范”（2021ZD0045）。

作者簡介：馬起明（1998—），女，碩士生，研究方向：地理時空統計方法。