长江上游生态系统人类扰动强度时空分异

吴 凯，顾晋饴，童 坤，李凌琪，白 乐

（1.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，郑州 450003；2.河海大学 环境学院，南京 210098；3.中国科学院 南京地理与湖泊研究所，南京 210008）

随着经济社会的发展和进步，人类为满足自身的生存和发展而对自然环境所采取的各种开发、利用和保护等活动的强度和广度不断发生改变，人类活动引起了一系列生态环境问题[1-3]。生态系统人类扰动强度作为衡量人类对自然环境作用程度的一个重要指标，相关研究受到学者们的关注和重视。该指标是表征人类对地表生态环境影响和作用程度的综合指标，是景观生态风险[4-5]、环境治理评价[6]，生态保护红线划定[7]等工作的关键性和基础性内容。土地利用是人类活动的主要表征，采用土地利用变化描述区域生态系统人类扰动强度。专家学者们对土地利用时空变化特征[8-9]、驱动力[10-11]、方法模型选取[12-13]等进行了深入探讨。但涉及土地利用程度相关研究时，往往采用土地利用率、国土开发强度（建设用地面积占国土面积的比例）等单类型指标，探寻综合指标集成研究显得尤为重要。相关研究中指标的选取和权重的确定多针对特定区域，存在主观性强和普适性差的缺陷，不便开展区域之间的对比。基于此，本研究基于生态系统人类扰动强度概念，构建了人类扰动强度计算模型——建设用地当量面积占区域土地总面积百分比法，该方法可反映区域土地利用程度综合状况，利于不同区域之间相关研究成果的对比分析，普适性较强，可定量描述人类扰动强度。借此增强区域之间相关研究成果的可比性，为推进环境变化的综合监测研究提供一个参数或变量。将长江上游作为研究区，兼顾行政区和水资源分区，与生态系统类型或人类活动变化分析相结合。定量揭示了1995年、2015年两个时期人类活动和生态系统分布格局演变和动态特征。研究可为区域的生态环境变化趋势提供重要的生态安全预警信息，而且可为组织当地有序的生产生活提供科学的决策依据，以实现区域生态环境保护的科学发展。

1 数据与方法

1.1 研究区域

长江从源头到宜昌通称上游，涉及青、藏、云、贵、川、渝、陕、甘、鄂9省（自治区、直辖市），包含了金沙江石鼓以上、嘉陵江、金沙江石鼓以下、岷沱江、宜宾至宜昌和乌江六个水资源三级分区，面积1.054×106km2（图1）。长江上游地区西高东低，地形复杂，以山地为主，山脉河流众多。区域气候类型复杂多样，其西部高原和山地属寒带气候，其余为亚热带湿润季风气候，区域多年平均降雨量约1 100 mm。长江上游地区是联系我国东、西部和南、北部的结合地带。同时，长江上游是长江水源区，是我国一个重要的生态屏障，对中下游的发展和全国的生态及水资源安全都至关重要[14]。长江上游地区具有丰富的农业土地资源，特殊的自然环境。然而长期不合理的开发利用，导致了严重的水土流失以及非点源污染，依托长江黄金水道集中发展能源、化工、冶金等重工业，一些污染型企业向中上游地区转移[15]，人类活动对区域自然环境产生了深刻的影响[16]。研究区域主体选为长江上游区域，同时考虑到研究所需社会经济数据为行政区划统计，兼顾自然地理分区和人类社会的行政分区特征，选取长江上游空间所涉及的县级行政区，如图1所示，研究区域涉及的地级行政区70个，县级行政区404个，总面积约1.4×106km2。

图1 长江上游位置和研究区域行政区划Fig.1 Geographical location of the upper Yangtze River and the administrative division of the study area

1.2 数据来源与处理

土地利用/覆盖数据采用“中国5年间隔陆地生态系统空间分布数据集（1990—2010）”及中科院资源环境科学与数据中心（http://www.resdc.cn/）数据。该栅格数据集100 m空间分辨率从1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年几个时期展示了中国森林、草地、农田、水体与湿地、聚落、荒漠和其他共七种主要生态系统类型的空间分布状况[17]。其土地利用图位置误差平均小于50 m，图斑的正确判读率为98.7%，土地利用一级类型综合评价精度达到94.3%以上，数据质量满足研究需求[18]。本研究选取其中的1995年和2015年两个时段。

人口数据中1995年数据采用《中华人民共和国全国分县市人口统计资料（1995年度）》中的数据，2015年数据由涉及各省市的相关统计年鉴等统计资料中获取。

1.3 生态系统人类扰动强度

一定区域内人类对陆地表层利用、改造和开发的程度可通过土地利用类型得到反映，以人类社会经济活动对陆地表层作用程度最高的土地利用类型——建设用地当量为基本度量单位，将不同土地利用类型面积按照其建设用地当量折算系数大小换算成对应的建设用地当量，然后根据区域不同土地利用类型建设用地当量总和，计算人类扰动强度。其中折算系数的确定是关键，它是以不同土地利用类型下的自然覆被改变与否及空气、热量、水分和养分能否进行正常交换为依据，结合相关文献[19]和区域特征[14，16]，最终确定的建设用地当量折算系数如表1所示。人类扰动强度计算公式如下：

式中：HAIi为第i个地区人类扰动强度；SCLE-i为第i个地区建设用地当量面积；Si为第i个地区土地总面积；SLij为第i个地区第j种土地利用类型的面积；CIij为第i个地区的第j种土地利用类型的建设用地当量折算系数；m为第i个地区的土地利用类型数量。

表1 不同土地利用/覆被类型的建设用地当量折算系数Table 1 Conversion index of construction land equivalent for different land use/cover types

1.4 重心模型

重心作为一个来源于经典力学的物理学概念，其含义是指物体各个部分受到重力的合力作用点。将重心概念扩展到区域重心，是样本平均数在二维空间上的延伸，指在某一时间区域的某种要素在空间平面上力矩达到平衡的点。重心分析旨在了解区域内各发展要素在空间上的均衡点，这种发展要素可以是经济总量重心、人口总量重心、污染重心、土地利用类型重心、干旱重心等经济、社会、生态环境多方面的[15，20-22]。空间上，重心模型反映区域发展指标与形心分析的契合程度，便于分析研究区域要素在空间上的流动性与聚集性。在时间上，重心动态变化表示区域要素分布的对比和转移，有助于深化研究区域发展历程、状态和趋势[23]。

重心坐标计算方法见式（3）。

式中：（X，Y）为重心坐标；Mi为平面i的质量或权重；Xi为平面i点的经度或坐标；Yi为平面i点的纬度或坐标，即（X，Y）是平面i点的地理坐标。

2 结果与分析

2.1 人口及人类扰动强度分布特征

人类活动和自然生态环境的改变是围绕着人这一核心进行的，首先对人口数量变化及空间变化特征进行分析。图2所示为1995年和2015年长江上游区域的县级行政区的人口分布，从暖色到冷色代表了县级行政区人口总数的多到少。1995年人口分布的格局呈现东多西少的特征。处于区域西部的青海和四川的部分县级行政区呈现区域面积大但人口分布稀少的特征，人口分布的热点则集中在区域东部的川渝城市群。2015年人口分布的总体特征与1995年保持一致。2015年各县级行政区人口较1995年均呈增加态势。同时川渝城市群人口的暖色调在向外延扩展。2015年人口分布较1995年呈现空间均衡性演进，空间人口分布的差异性在减小。图3所示为1995年和2015年长江上游县级单元人口数量的等距分组直方图和密度曲线，直方图0～20万、20万～40万和140万～160万人的县级单位数量2015年较1995年减少，其他区间的则为增加，其密度曲线2015年较1995年峰值低，且向右平移，即峰值由低值向中间值移动。总之，人口数量出现了明显的增加，且总体分布更加均衡。

图2 长江上游县级行政区人口空间分布（1995，2015）Fig.2 Population distribution at the county level in the upper Yangtze River（1995,2015）

图3 长江上游县级行政区人口数量分布（1995，2015）Fig.3 Statistical characteristics of population at the county level in the upper Yangtze River（1995,2015）

基于人类扰动强度概念及计算公式（1）、公式（2），得到1995年和2015年人类扰动强度的时空分布[图4（a）和（b）]，利用2015年县级单位的人类扰动强度减去1995年得到1995年和2015年人类扰动强度差值[图4（c）]。1995年人类扰动强度的格局呈现东弱西强的特征，该年份下生产力相对不高，以农业生产为主。按照人类扰动强度模型的计算方法，1995年城市建成区面积相对较小，以农田和草地为主，西部的青海地区主要土地利用为农作物、水体湿地，相对东部较小的城市建成区、农村和小城镇的聚落其人类扰动强度计算占据优势。2015年人类扰动强度的格局发生了剧烈变化，经过二十年的快速发展，东部形成了区域城市群，城镇建成区面积大幅扩张，空间分布上人类扰动强度明显增加。分析1995年和2015年人类扰动强度差值，差值均大于零，表明各县级单元2015年人类扰动强度较1995年增加。其空间分布上，西部的差值较东部小，特别以川渝城市群核心及其外延范围内差值较大。人类扰动强度差值的空间格局具有以下特征：处于研究区东部的川渝城市群集聚成为高值区，该高值区向外辐射递减；研究区西部的大片区域差值相对较小，人类扰动强度变化幅度相对较小。对比1995年和2015年长江上游县级单元人类扰动强度的等距分组直方图和密度曲线，直方图显示1995年人类扰动强度数值分布的县级单位数量的峰值分布在横轴左侧0～0.05，人类扰动强度极小值县级单元数量较多，2015年的峰值分布在横轴中间靠左位置，则右移至0.10～0.15，其极大值和极小值均较小。聚焦人类扰动强度值极大区域，即观察坐标轴右侧的直方图两个年份的移动情况，发现人类扰动强度的极大值随着年份推移也在变大，说明城市的人类扰动强度在变大。从密度分布曲线上对比，密度分布曲线随时间推移，其峰值右移变低。总之，人类扰动强度从全局视角看变大了，但分布更为均衡。

图4 长江上游县级单元人类扰动强度分布（1995，2015）Fig.4 Human disturbance intensity distribution at the county level in the upper Yangtze River ecosystem（1995,2015）

图5 长江上游人口及人类扰动强度重心空间分布（1995—2015）Fig.5 Population barycenter and human disturbance intensity barycenter in the upper Yangtze River（1995—2015）

为定量分析重心的方向趋势和聚集性，以各县级单元的人口和人类扰动强度为权重，利用式（3），计算得到1995年和2015年两期的研究区域人口和人类扰动强度重心分布，并绘出研究区域的形心点（图5）。研究区域形心位于资中县。1995年和2015年人口重心分别位于重庆大足区和隆昌县，从1995年至2015年从东向西略偏南移动了约30 km。1995年和2015年人类扰动强度重心分别位于芦山县和仁寿县，从1995年至2015年从西向东略偏南移动了约160 km。两个重心移动方向均指向区域形心位置，对于人口而言，青海和四川西部等西部区域的人口增加以及川渝城市群的向西辐射两方面因素导致人口重心西移，对于人类扰动强度而言，东部特别是城市群社会经济的迅速发展使得人类扰动强度重心向东移动。1995年和2015年人口重心和人类扰动强度重心相距分别为270 km和110 km，即人口重心和人类扰动强度重心在靠近，表明人口与人类扰动强度空间的相关性在加大，同时人口和人类扰动强度的空间均衡性在增加。

2.2 人类扰动强度时空分异特征

对长江上游区域县级单元利用人类扰动强度和速度指标进行分类，根据各县级单元的人类扰动强度指标和速度指标，以中位数为各指标的阈值进行类型划分。其中人类扰动强度采用1995年和2015年的人类扰动强度的均值，速度指标采用1995年和2015年的人类扰动强度的差值进行计算分析。404个县级单元的人类扰动强度的中位数为0.066，速度指标的中位数为0.044，以此为阈值将县级单元划分为四个类型，即人类扰动强度指标大于0.066且速度指标大于0.044的区域属强人类扰动快速型，人类扰动强度指标小于0.066且速度指标大于0.044的区域属弱人类扰动快速型，人类扰动强度指标小于0.066且速度指标小于0.044的区域属弱人类扰动缓慢型，人类扰动强度指标大于0.066且速度指标小于0.044的区域属强人类扰动稳定型。404个县级单元地区中，强人类扰动快速型126个、弱人类扰动快速型76个、弱人类扰动缓慢型126个、强人类扰动稳定型76个（图6）。将各个类型标注在地图上得到四种类型的县级单元的空间分布。对四种类型的数据特征和空间分布进行详细描述。

图6 长江上游县级行政区生态系统人类扰动强度分类Fig.6 Classification of human disturbance intensity in the upper Yangtze River ecosystem

（1）强人类扰动快速型。126个县级单元中，从数据特征上看，强度指标为0.066～0.115，中位数和平均数分别为0.086和0.086。速度指标为0.045～0.179，中位数和平均数分别为0.136和0.124。从空间分布上看，这一类型主体片状分布于四川和重庆城市群，及区域东南角的小片区域，包括了重庆市辖区、成都市辖区、绵阳市、宜宾市、泸州市、遵义市和安顺市等社会经济相对发达的地区，该地区人口相对密集，城市化和工业化进程开始较早[24]。在地理分区上，该区域主体位于四川盆地核心地带以及贵州高原的边缘小片区域，在地貌上主体属于小起伏低山和低海拔丘陵地带。

（2）弱人类扰动快速型。76个县级单元中，从数据特征上看，强度指标为0.032～0.066，中位数和平均数分别为0.058和0.055。速度指标为0.045～0.113，中位数和平均数分别为0.060和0.066。从空间分布上看，这一类型围绕着四川和重庆城市群，处于该城市群的四周部位，包括了重庆市、达州市、遵义市、乐山市和雅安市等部分区域，即川渝城市群的辐射带。在地理分区上，该区域主体位于四川盆地的边缘地带及贵州高原的部分区域，在地貌上主体属于中海拔丘陵、中起伏中山和大起伏中山地带。

（3）弱人类扰动缓慢型。从数据特征上看，强度指标为0.008～0.066，中位数和平均数分别为0.049和0.046。速度指标为0.004～0.044，中位数和平均数分别为0.026和0.024。从空间分布上看，这一类型主要分布在区域南部大片区域和东部边缘狭长区域，包括了中甸、丽江、楚雄、怒江、西昌、恩施、凯里和神农架等部分区域，历史上属于经济发展薄弱地区。在地理分区上，该区域主体位于川西藏东高山深谷、云南高原、贵州高原和汉中盆地边缘部分区域。在地貌上主体属于大起伏高山、大起伏中山和中起伏中山等地带。

（4）强人类扰动稳定型。从数据特征上看，强度指标为0.066～0.402，中位数和平均数分别为0.076和0.093。速度指标为0.001～0.044，中位数和平均数分别为0.025和0.019。从空间分布上看，这一类型主要分布在区域西部大片区域、北部边缘和东南部小片区域，包括了格尔木市、乌兰县、治多县、昌都、马尔康、毕节和曲靖市等部分区域，历史上属于经济发展薄弱地区，以耕地和畜牧业为主。在地理分区上，该区域主体位于青藏高原宽谷、果洛那曲丘状高原、汉中盆地边缘和云南高原部分区域。在地貌上主体属于中起伏极高山、大起伏极高山、小起伏高山和大起伏高山等地带。

3 结论

基于人类扰动强度概念，即一定区域内人类对陆地表层利用、改造和开发的程度，可通过土地利用类型得到反映。构建人类扰动强度计算模型——建设用地当量面积占区域土地总面积百分比法，定量描述1995年、2015年两个时期的人类扰动强度整体分布特性及区域差异特征，得到以下结论：1995年和2015年人口分布的格局呈现东多西少的特征。处于区域西部的青海和四川的部分县级行政区呈现区域面积大但人口分布稀少的特征，人口分布的热点则集中在区域东部的川渝城市群。两个时期进行对比得出，人口数量整体出现了明显的增加，且总体分布更加均衡。计算分析人类扰动强度的时空分布特征，1995年人类扰动强度的格局呈现东弱西强的特征，2015年东部区域城市群人类扰动强度明显增加，总之人类扰动强度从全局上变大了，但分布更为均衡。分析人口和人类扰动强度重心的方向趋势和聚集性，人口重心西移，人类扰动强度重心东移，两个重心移动方向均指向区域形心位置。人口重心和人类扰动强度重心在靠近，表明人口与人类扰动强度空间的相关性在加大，同时人口和人类扰动强度的空间均衡性在增加。根据各县级单元的人类扰动强度指标和速度指标，以中位数为各指标的阈值进行分类，划分出四个类型：强人类扰动快速型、弱人类扰动快速型、弱人类扰动缓慢型和强人类扰动稳定型。四个类型划分与地区经济发展特征和地形地貌等自然环境特征密切相关。