王 錚,夏海斌,田 園,王 魁,花 卉,耿文均,田 麗,鄭保利,趙金彩

1 華東師范大學(xué)地理信息科學(xué)教育部重點實驗室, 上海 200241 2 中國科學(xué)院科技戰(zhàn)略咨詢研究院, 北京 100190 3 河南大學(xué)黃河文明與可持續(xù)發(fā)展研究中心, 開封 475001

早在1935年,地理學(xué)家胡煥庸先生發(fā)現(xiàn)了黑河—騰沖一線,刻畫了中國人口分布差異的空間格局[1],后來被人們稱為胡煥庸線。王錚、張丕遠、劉燕華[2]提出胡煥庸線對應(yīng)于中國的生態(tài)環(huán)境脆弱帶,將胡煥庸線與生態(tài)條件的變化明確地聯(lián)系了起來。吳靜、王錚等[3]研究發(fā)現(xiàn),在氣候變化引起生態(tài)條件和社會經(jīng)濟發(fā)展等多要素的共同作用下,從漢晉時期,全國人口與經(jīng)濟重心持續(xù)向東南遷移,逐漸形成了東南地狹人稠、西北地廣人稀的人口分布格局,最終在1230—60年代形成了胡煥庸線。胡煥庸線代表著中國人地生態(tài)系統(tǒng)的基本特征,因此有必要結(jié)合生態(tài)學(xué)和地理學(xué)觀點認識胡煥庸線。

目前國際上也有一些學(xué)者對人口空間分布的生態(tài)背景做了研究。例如Lovemore和Richard[4]研究了經(jīng)濟發(fā)展政策和土地利用模式等對津巴布韋人口分布的影響。在國內(nèi),封志明等[5]研究了中國人口的空間分布與地形起伏度的關(guān)系,研究結(jié)果表明：他們定義的地形起伏度與人口密度有較好的對數(shù)擬合關(guān)系,擬合度高達0.91。方瑜,歐陽志云等[6]從生態(tài)學(xué)觀點將在這些研究的基礎(chǔ)上,更詳細地認識各種地理與生態(tài)要素人口分布的影響。更進一步,劉清春,王錚[7],夏海斌,王錚[8]借助Krugman的新經(jīng)濟地理學(xué)的地理本性(nature)的觀點,闡述了中國人口分布與地理要素或本性(nature)有關(guān)。

立足于上述認識,本研究將以縣級行政區(qū)為基本研究單元,基于目前最新的2010年第6次全國人口普查數(shù)據(jù),在全國省級尺度對人口分布及空間背后的空間經(jīng)濟格局進行了分析。研究將參考夏海斌、王錚等[8]提出的三次地理本性所包含的指標。基于數(shù)據(jù)的可獲得性,選取了8個綜合反映生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展狀況的指標作為地理要素,探討人口與胡煥庸線的生態(tài)學(xué)、地理學(xué)成因,以圖從根本上說明胡煥庸線的存在性。

1 數(shù)據(jù)及其分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

人口數(shù)據(jù)主要來自于全國第六次人口普查數(shù)據(jù),行政區(qū)劃數(shù)據(jù)是基于1∶400萬矢量圖,數(shù)據(jù)以縣級行政單位為界線,利用ArcGIS10.2對人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)進行空間關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)修訂,基礎(chǔ)數(shù)據(jù)首先以中國地理信息數(shù)據(jù)庫1∶25萬DEM數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),氣候數(shù)據(jù)資料來源于中國氣象局網(wǎng)站,其中人生氣候指數(shù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)來源于中國824個氣象站1961—2012年間50年的觀測數(shù)據(jù)；霜期數(shù)據(jù)是利用1951—2012年中國824個氣象站觀測數(shù)據(jù)計算得到；降水數(shù)據(jù)來自氣象站點觀測的1981—2010年降水資料；地表巖性數(shù)據(jù)(喀斯特數(shù)據(jù))來源于《中國巖溶環(huán)境地質(zhì)圖》；土壤類型數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)研究所的相關(guān)網(wǎng)站,其數(shù)據(jù)粗度是1km×1km；交通數(shù)據(jù)來源于國家2010年交通數(shù)字地圖與12306網(wǎng)站。人均GDP數(shù)據(jù)和人均財政收入數(shù)據(jù)資料來源于《中國城市統(tǒng)計年鑒》和《中國縣(市)社會經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》以及各省的統(tǒng)計年鑒,其中某些經(jīng)濟數(shù)據(jù)有一定保密性,統(tǒng)計合成后可以公開。特別是地形地貌數(shù)據(jù)來自于NASA遙感觀察數(shù)據(jù),計算出全國1km×1km的DEM數(shù)據(jù),用于計算全國各縣旗區(qū)的平均海拔、平均坡度和地表崎嶇度。由此可見,這個數(shù)據(jù)體系由于其數(shù)據(jù)量和和數(shù)據(jù)源的多樣性,構(gòu)成了一個大數(shù)據(jù)集合,構(gòu)成使用大數(shù)據(jù)挖掘方法分析的科學(xué)基礎(chǔ)。由于缺少我國臺灣地區(qū)的數(shù)據(jù)，所以在圖中采用虛線表示我國臺灣地區(qū)的疆域。

1.2 胡煥庸線的計算

圖1 在大圓曲線上的胡煥庸線(色帶是其毗鄰地區(qū))Fig.1 HU Line on the big round curve

根據(jù)胡煥庸線的表述,胡煥庸線是從愛輝(今黑龍江黑河)到云南騰沖的一條直線,在圖1中繪制了地圖上連接著這兩個地方的大圓曲線的線段,顯示了其經(jīng)過的縣(旗、區(qū)),及其毗鄰縣的情況,胡煥庸線經(jīng)過的地區(qū)在全國艱苦邊遠地區(qū)辨識中全部屬于艱苦地區(qū)[9],包含全國66個縣(旗、區(qū))。除黑河、騰沖外,比較著名的還有黑龍江嫩江、內(nèi)蒙古準格爾、陜西榆林、志丹、甘肅隴南、天水、四川康定、北川、云南香格里拉、貢山等。

胡煥庸當年發(fā)現(xiàn)胡煥庸線的一個基礎(chǔ)是人口密度。人口密度反映的不僅是人口分布數(shù)量,也是一個區(qū)域生態(tài)綜合區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展水平的測度與生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量的綜合特征；一個可以供應(yīng)密集人口的區(qū)域其經(jīng)濟發(fā)展水平是好的,生態(tài)條件也不可能惡劣；一般來說,人口稀少的地方,其經(jīng)濟水平也必然低。人口密度的存在特點代表了經(jīng)濟發(fā)展水平,代表了環(huán)境的生態(tài)質(zhì)量水平。通常一個區(qū)域的平均人口密度的計算公式如下：

P=N/M

(1)

式中：P為人口密度(人/ km2)；N為區(qū)域人口數(shù)量(人),M為區(qū)域的面積(km2),圖1是2010年中國人口密度的分布情況,圖中白色實線是胡煥庸線。

1.3 生態(tài)與地理因子的選擇和計算方法

根據(jù)數(shù)據(jù)挖掘原理,好的大數(shù)據(jù)分析,不僅需要數(shù)據(jù)量大,而且需要數(shù)據(jù)特征的物理、生態(tài)、經(jīng)濟或社會變量意義明確。本文根據(jù)依據(jù)Krugman[10]的新經(jīng)濟地理學(xué)原理,以區(qū)域的地理本性來透視區(qū)域人口分布密度與分布特征。對于地理本性,選取了8個綜合地理-生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟發(fā)展狀況的指標表征生態(tài)與地理特征。在這些指標中,先天海拔和緯度綜合反映一個地區(qū)所處的地理位置的地帶性生態(tài)環(huán)境條件；環(huán)境脆弱性則直接刻畫地區(qū)的生態(tài)環(huán)境的艱苦性以及自然災(zāi)害對人類生活的影響；人生氣候指數(shù)反映地區(qū)的環(huán)境適合人類生存發(fā)展的程度；適宜水資源偏離度綜合反映地區(qū)水資源狀況對居民生產(chǎn)、生活的影響；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力反映當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生態(tài)條件對人類生活的支撐力；這些是克魯格曼的理論所強調(diào)的區(qū)域第一次地理本性的特征。第一次地理本性除礦產(chǎn)條件外可以稱為區(qū)域的生態(tài)本性。由人類適應(yīng)行為產(chǎn)生的區(qū)域第二本性,是人類適應(yīng)環(huán)境及其對環(huán)境改造的結(jié)果,包括交通便捷性指數(shù)、區(qū)位指數(shù)和人均GDP,它們分別表達當?shù)氐耐ㄟ_水平、區(qū)位狀況和經(jīng)濟發(fā)展水平、產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平。對這些因素的選取和計算方法如下[8]：

1.3.1合成海拔

合成海拔指標結(jié)合了海拔和緯度二個方面的生態(tài)因素,高緯度地區(qū)與高海拔地區(qū)具有一定的自然地理或生態(tài)環(huán)境相似性(包括熱量、土壤、植被等)。在本文的研究中,以全國1∶25萬DEM數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),通過ARCGIS10.2進行地理計算,得出全國各縣市的平均海拔高度?？紤]到隨著地區(qū)緯度的升高,其接受太陽輻射量隨之降低,與海拔高度類似。通過地區(qū)獲得的有效太陽輻射量,可以計算其緯度位置對應(yīng)的海拔高度,進一步考慮城市是人口主要居住地,在計算一個城市(或縣域)合成海拔時,縣城海拔高度的計算權(quán)重較大。合成海拔的公式如下：

合成海拔=0.3平均海拔+0.7縣城海拔+2/3緯度熱量帶折算海拔 (2.2)

1.3.2環(huán)境脆弱性

環(huán)境脆弱性表征一個地區(qū)各種自然環(huán)境生態(tài)特征,本文運用由地表崎嶇度、無霜期、旱澇指數(shù)和喀斯特特征復(fù)合而成的生態(tài)環(huán)境脆弱性,它表征一個區(qū)域地表的生態(tài)環(huán)境艱苦性一面。各特征計算方法如下：

地表崎嶇度指標,本文的地表崎嶇度pSA是運用夏海斌,王錚等[8]的計算方法獲取的。為了能夠更加真實的展示現(xiàn)狀,對坡度較大的地區(qū)提高其地表崎嶇度指標,采用Burrough[11]提出的坡度算法用公式(2.3),得到的地表崎嶇度：

(2.3)

式中,pSA是地表崎嶇度,S表示平均坡度,adj表示調(diào)整得到的地表崎嶇度。

霜期指標：霜期是自然地理環(huán)境不良的特征,是利用氣象站觀測數(shù)據(jù),本文得到每個站點多年的有霜期,取其平均值得到每個地方的霜期的平均天數(shù)。由于某些站點的缺失,本文采用空間插值算法得到全國空間分布,最后對全國各縣進行區(qū)域統(tǒng)計匯總,得到各縣多年有霜期平均值,最后對其標準化,即為有霜期指標。

旱澇指數(shù)：本文采用標準化降水指數(shù)(Standardized Precipitation Index,SPI)表征區(qū)域旱澇特征,通常這是一種只需利用連續(xù)時間段(30年以上)的降水量數(shù)據(jù)就可以很好的表達的指數(shù),可以反映不同地域和不同時間尺度的干旱降水情況,能夠較好的反映干濕等級標準,可進行多時空尺度的對比分析。本文采用張岳軍和郝智文等[12]的計算公式計算SPI。從農(nóng)業(yè)生態(tài)角度,考慮到冬季降水量對農(nóng)作物生長的影響不大,因此在分季節(jié)計算SPI指數(shù)時,并未計算冬季的SPI。將春、夏和秋三個季節(jié)的SPI指數(shù),按1∶1∶1的權(quán)重合成,可得到全國各縣的復(fù)合SPI指數(shù),其只大于0表示干旱,小于0表示雨水充足。然后對復(fù)合的SPI指數(shù)取絕對值,值越大表明災(zāi)害程度越大,最后對其標準化,得到旱澇指數(shù)。其值越大,越易發(fā)生旱澇災(zāi)害,值越小則表明水分條件越適宜。

巖溶指標：本文基于矢量化《中國巖溶環(huán)境地質(zhì)圖》,并根據(jù)巖溶類別進行分級,然后基于巖溶對當?shù)氐奈：Τ潭荣x值。

最后對計算得到的地表崎嶇度、有霜期、旱澇指數(shù)以3∶1∶1的權(quán)重復(fù)合,然后利用巖溶指標進行校正,即為最終的環(huán)境脆弱性指標,這個指標顯然是一個環(huán)境的生態(tài)指標。

1.3.3人生氣候指數(shù)

人生氣候指數(shù)是衡量地區(qū)人們生產(chǎn)、生活環(huán)境的舒適度的一個重要指標,它往往是人們?nèi)粘Ｔu價區(qū)域生態(tài)條件的一個標準。王錚等[13]論證,知識型產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)人員追求舒適的生活環(huán)境,氣候舒適有利于創(chuàng)造性勞動。舒適度可以體現(xiàn)在多個方面,氣溫、風(fēng)速、濕度等都是重要的指標。本文采用劉清春,王錚等[14]的氣候舒適指數(shù)偏離度來表示氣候舒適程度,即人生氣候指數(shù)。該指數(shù)越大表示偏離舒適氣候的程度越大,越不適宜人類生活,反之,越小越舒適,越適宜人類的生產(chǎn)和生活。

1.3.4農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力是一個個有經(jīng)濟意義的生態(tài)指標,用它可推算出一個地區(qū)的期望農(nóng)業(yè)產(chǎn)量,實際上是對陸地生態(tài)系統(tǒng)初級生態(tài)潛力的一種估計,是區(qū)域?qū)θ丝诨顒拥幕局瘟Φ臏y度。本文采用鐘章奇和王錚等[15]的模型,具體計算方法參照鐘章奇的研究。

1.3.5適宜水資源偏離度

我國水資源分布不均,南北差異較大。過度缺乏和充沛都會對生產(chǎn)和生活產(chǎn)生一定的影響。適宜水資源偏離度是反映一個地區(qū)水資源狀況的綜合指標,主要通過一個地區(qū)的濕潤程度和由降水量引起的地表徑流這兩個方面來反映。本文采用夏海斌,王錚等[8]的方法計算水資源適宜度。該指數(shù)越小水資源狀況越適宜,指數(shù)越大表示水資源過度缺乏或者過度充沛,它們都不利于人們的生產(chǎn)和生活。

1.3.6交通便捷性

交通便捷性指標不是自然生態(tài)系統(tǒng)特征,它的合成是以各種交通工具的質(zhì)與量的乘積也即是以各種交通工具的速度與載客量的乘積作為各自的權(quán)重。交通便捷性的計算公式主要采用夏海斌,戴霄燁等[16]的交通便利性的計算方法。

1.3.7區(qū)位指數(shù)

區(qū)位指數(shù)是一個地區(qū)其與中心城市、省會城市以至首都的聯(lián)系。因此,計算各縣市的區(qū)位指數(shù)以衡量每個縣(市)在全國空間分布的相對位置。研究采用夏海斌等[17]威爾遜空間相互作用模型計算每個縣(市)的區(qū)位指數(shù),它表征城市或區(qū)域的貿(mào)易條件和經(jīng)濟輻射力,為計算這個數(shù)據(jù),需要先行獲得城市GDP數(shù)值、財政收入,城市間球面空間距離和道路交通距離等背景數(shù)據(jù)。

總之,這里選取合成海拔、環(huán)境脆弱性、人生氣候指數(shù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力、適宜水資源偏離度、交通便捷性、區(qū)位指數(shù)和GDP等區(qū)域指標,具有明確的地理學(xué)和生態(tài)學(xué)意義,這種具體指標的學(xué)科意義,認為是最終理解大數(shù)據(jù)分析意義必要的基礎(chǔ)。而GDP等社會經(jīng)濟指標,有助于理解眾多數(shù)據(jù)因子與人口密度關(guān)系。例如為了由數(shù)據(jù)挖掘信息,可以與人口密度影響因素為自變量,以人口密度為因變量,利用逐步回歸分析方法,得到分省區(qū)的擬合方程,進而對各省的人口空間分布的地理或生態(tài)因素進行分析。

圖2 2010年中國縣級人口密度分布圖(缺港澳臺數(shù)據(jù)),白線為胡煥庸線Fig.2 The population density at county level in China in 2010,The white line is HU Line

2 人口分布的空間特征

2.1 人口分布的空間格局

從圖2可以看出,中國人口主要聚集在中國的大城市,包括東部、中部和東南部的地級市,以及西部的某些省會城市,四川盆地、黃淮海平原、長江中下游平原和東南沿海地區(qū)等發(fā)展較好的地方。這些區(qū)域的附近人口分布也較多。人口相對稀疏的地區(qū)大多分布在胡煥庸線附近及其以西,東北和云貴高原的一些自然條件惡劣的地區(qū)。實際上當年胡煥庸線的分析就是胡煥庸學(xué)生利用當年的數(shù)據(jù)采集條件,完成的一項大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。只要有數(shù)據(jù)統(tǒng)計存在,大數(shù)據(jù)分析就會出現(xiàn)。

從統(tǒng)計結(jié)果看(表1),中國人口密度≤25人/ km2的地區(qū)的人口約占全國的1.81%,土地面積卻占全國的51.59%,仍然占據(jù)了中國一半以上的國土面積；人口密度200人/ km2的地區(qū)的人口占全國的78%, 面積卻只占19.8%。更精確地說,大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)人口密度為1—25人/km2低密度區(qū)域占了中國的33.85%的區(qū)域,其次是人口密度為100—200人的中密度區(qū),占全國約 12%的面積。密度達到500人/km2以上的高密度區(qū),占中國總面積的6.7%。人口是聚集的,按經(jīng)濟早期發(fā)展的觀點[18],人口聚集是區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的最初條件。從可持續(xù)發(fā)展看,區(qū)域的生態(tài)適應(yīng),是調(diào)控人口過于聚集的因子。

表1 人口密度各值域范圍總?cè)丝诤兔娣e統(tǒng)計

圖3 2009年中國的第一地理本性特征分布圖 Fig.3 The distribution of the first geographical nature of China in 2009

進一步的采用了地理學(xué)傳統(tǒng)的地圖對比分析方法,計算給出了中國合成海拔(地帶性因子)和水資源適宜度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力等合成的中國第一地理本性圖(這里沒有使用費生態(tài)的礦產(chǎn)條件),它基本上表征的是區(qū)域的生態(tài)條件(圖3),對比圖2,圖3,可以發(fā)現(xiàn)具有生態(tài)學(xué)意義的合成海拔、水資源適宜度和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力確定的中國第一地理本性,決定了中國的人口密度分布。由于氣候變化導(dǎo)致地表水資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力和地帶性熱量分布都發(fā)生變化,因此氣候變化驅(qū)動著中國的人口分布,這一點得到了吳靜,王錚[3]的證實。在中國的早期發(fā)展歷史中這一點得到了證實。距今500年前黃河文明出現(xiàn)在一個疏林地帶,而當時的溫暖濕潤氣候在安陽、洛陽這些帶“陽”字的地方由于太陽輻射的生態(tài)優(yōu)勢產(chǎn)生了農(nóng)業(yè)剩余,導(dǎo)致了城市發(fā)育。相反的在農(nóng)業(yè)生態(tài)條件過于優(yōu)越的中國南方,由于“江南濕熱,丈夫早夭”,在當年的技術(shù)水平下,人口適應(yīng)自然生態(tài)的努力不足,人口得不到發(fā)展。

花卉[19]計算得到了第六次人口普查中國人口累計百分比和面積累積百分比的Lorenz曲線,Lorenz曲線它的彎曲程度很大,明顯偏離對角線,人口占比占全國的40%時,面積占比卻不到6%,與表1所得結(jié)論相一致,中國人口的空間分布表現(xiàn)出空間的不均衡性,從第一地理本性表征的生態(tài)條件看,這種不平衡是其先天性自然地理基礎(chǔ)的。

2.2 人口分布的聚集程度和空間自相關(guān)

中國人口分布數(shù)據(jù)還能通過數(shù)據(jù)方法挖掘。眾所周知,空間全局Moran′s I指數(shù)反映的是人口分布的總體特征。經(jīng)過花卉[19]的計算發(fā)現(xiàn)中國的全局Moran′s I為0.200495。Z檢驗值為正,且P為0.05,即在99.5%的置信度下,中國的人口密度存在自相關(guān)。借助區(qū)域的地理本性認識,容易理解,由于第一地理本性的逐漸過渡性,這種人口密度自相關(guān)是必然的,連續(xù)過渡的第一地理本性,導(dǎo)致人口分布的傾向合適區(qū)域聚集,從而表現(xiàn)了人口分布自相關(guān)。

圖4 2010年人口密度LISA圖[19]Fig.4 The LISA maps for population density in China in 2010

LISA圖(圖4)是衡量空間單元與周圍單元屬性的相似和相異程度及其顯著性的指標,它反映了四種不同的空間自相關(guān)的關(guān)系類別：分別為高-高(H-H)、低-低(L-L)、低-高(L-G)、高-低(G-L)。高-高表示研究區(qū)及其周圍地區(qū)的人口密度較高,低-低表示研究區(qū)及其周圍地區(qū)的人口密度較低；高-低表示研究區(qū)的人口密度較高而周圍人口密度較低,低-高表示研究區(qū)人口密度較低而周圍人口密度較高?；ɑ躘19]通過計算中國縣級人口密度的局部Moran′s I值,在通過Z值檢驗并且P=0.05的基礎(chǔ)上繪制了2010年中國縣級人口密度的LISA圖,如圖4。在圖4中,高-高聚集主要集中在長三角、珠三角、河南、四川、安徽、河北等地；低-低聚集主要分布在西北、西南、東北等地區(qū),注意到這些地區(qū)地理本性的生態(tài)因素漸變性,這種空間自相關(guān)地理起因是具有生態(tài)學(xué)起因的。進一步的,LISA值大的區(qū)域大部分位于胡煥庸線以西,LISA小的部分位于胡煥庸線東側(cè),這表明了胡煥庸線意味著地理本性中的生態(tài)因素突變性。張丕遠,王錚,劉嘯雷等[20]指出大約發(fā)生在1230—1260年代的氣候變化,是全球中世紀溫暖期的結(jié)束,中國歷史時期最大的氣候突變,它以降水減少和干旱沙漠化為特征,人口發(fā)生大規(guī)模遷移,蒙古地區(qū),牧草自燃,中國中國氣溫下降約1°C。遷移人口分布表現(xiàn)的的這種空間自相關(guān)性,說明了中國區(qū)域人口是因經(jīng)濟原因聚集形式存在,人口稀疏的貧困區(qū)則因生態(tài)原因連片出現(xiàn),在圖4中,可以分析胡煥庸線西部人口是低低聚集的,這是中國存在貧困區(qū)連片區(qū)域地理本性基礎(chǔ)[21]。

3 人口分布的地理-生態(tài)因素分析

3.1 地理本性的作用

根據(jù)上述的現(xiàn)象學(xué)特征,進一步通過數(shù)據(jù)分析,分別探討區(qū)域地理本性的指標和人口密度的空間分布之間的關(guān)系。圖5是在縣級行政區(qū)基礎(chǔ)上得到的8個地理本性要素在中國大陸的分布特征(由于缺乏詳細的數(shù)據(jù)資料,圖中對我國臺灣地區(qū)的圖斑做了非彩色處理)。

將這8個特征表征的地理本性的與胡煥庸線展布形式這些特征做直觀分析,我們發(fā)現(xiàn),胡煥庸線與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的分布特征最為一致,其次相對海拔和水資源適宜度也是影響影響胡煥庸線的根本性原因。一些人想象的胡煥庸線是中國絕對海拔變化產(chǎn)生的地貌學(xué)三個臺階的產(chǎn)物,是錯誤的。作為自然因素的地形起伏度、環(huán)境脆弱性、緯度地帶性都影響著胡煥庸線的基本分布。除了海拔因素,這些因素在氣候變化下會發(fā)生變化,事實吳靜,王錚[21]就發(fā)現(xiàn),胡煥庸線很可能出現(xiàn)于13世紀中葉的氣候突變.當時,中世紀溫暖期結(jié)束,中國境內(nèi)氣候大部分地區(qū)變干[23],中國境內(nèi)人類為了適應(yīng)自己生態(tài)環(huán)境的自然變化而呈現(xiàn)出胡煥庸線特征。因此可以說,胡煥庸線是氣候變化的產(chǎn)物。當然這個問題值得進一步探討,在當前氣候變化的條件下,這或許是我們討論胡煥庸線的穩(wěn)定性起點[24]。

3.2 影響因子的統(tǒng)計分析

為了進一步胡煥庸線的成因,將各個區(qū)域的人口分布密度與地理要素做了統(tǒng)計分析,以省區(qū)為單元的計算結(jié)果見表2。表2數(shù)據(jù)顯示,中國大陸各省的人口密度與這8個指標的某些特征存在明顯相關(guān)關(guān)系。這里選入的GDP是人均GDP,它代表了區(qū)域發(fā)展能力。

從各區(qū)域人口密度與8個因子的相關(guān)性特征看,華東地區(qū)的上海、安徽和浙江等東部地區(qū)的人口密度與合成海拔和環(huán)境脆弱性成較強的負相關(guān)關(guān)系,華南地區(qū)的4個省份的人口密度都與合成海拔和環(huán)境脆弱性具有較強的負相關(guān)關(guān)系,在中國北方的華北地區(qū)的河北和山西的人口密度與合成海拔和環(huán)境脆弱性都存在較強的負相關(guān)關(guān)系,東北地區(qū)的黑龍江、吉林和遼寧的人口密度都與合成海拔具有較強的負相關(guān)關(guān)系。所有這些說明中國大部分地區(qū)人口分布受自然地理的作用大。第一次本性的先天決定作用仍然是重要的,因為相對海拔(含地帶性因素)和環(huán)境脆弱性,決定的發(fā)展的先天差異。進一步研究發(fā)現(xiàn),華中地區(qū)的湖北、湖南和河南等中部地區(qū)的人口密度與合成海拔和環(huán)境脆弱性有較強的負相關(guān)關(guān)系,江西的人口密度也與合成海拔具有負相關(guān)關(guān)系。說明中國人口分布在中國中部地區(qū)仍然受到生態(tài)意義第一次本性的控制。但是發(fā)展內(nèi)生的第二本性沒有從根本上決定區(qū)域的人口分布。

浙江、上海、安徽和江蘇人口密度與交通便捷性成較強的正相關(guān)關(guān)系在這些地區(qū),第二本性的交通便利性根本地強化了區(qū)域人口聚集水平和經(jīng)濟密度。華南多區(qū)域或地區(qū)與3個社會經(jīng)濟指標都有較強的正相關(guān)關(guān)系；這是華南地區(qū)長期以來貿(mào)易發(fā)達、開放活躍的結(jié)果。東北地區(qū)各省區(qū)與3個社會經(jīng)濟指標具有正相關(guān)關(guān)系,說明人類為適應(yīng)自然而發(fā)展的第二地理本性是,在發(fā)展意義上是積極的,對東部地區(qū)的發(fā)展有一定決定作用。

值得注意的是,西南地區(qū)較為發(fā)達的重慶和四川的人口密度主要與合成海拔和環(huán)境脆弱性呈較強的負相關(guān)關(guān)系,與東部地區(qū)一致,但是與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力和區(qū)位指數(shù)具有正相關(guān)關(guān)系,說明西南地區(qū)的發(fā)展受到環(huán)境的制約本質(zhì)上與它受到區(qū)位的限制和山地環(huán)境中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的限制作用具有相似性。其中相對落后的處于山地環(huán)境的西藏、云南和貴州的人口密度與區(qū)位指數(shù)和GDP具有正相關(guān)關(guān)系,人口密度主要受區(qū)位和經(jīng)濟的影響較大,應(yīng)該說是山地環(huán)境的海拔、地表崎嶇度,嚴重地影響了發(fā)展水平,只有靠第二本性的改變來發(fā)展。類似的西北地區(qū)的陜西和青海的人口密度主要與合成海拔具有較強的負相關(guān)關(guān)系,與區(qū)位指數(shù)具有較強的正相關(guān)關(guān)系。甘肅的人口密度與除了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力以外的第一次本性指標都具有一般的負相關(guān)關(guān)系,整個西北地區(qū)的人口密度還與第二本性的3個社會經(jīng)濟指標和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力具有正相關(guān)關(guān)系,說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力在我國西部的重要性。新疆的人口密度與合成海拔、水資源適應(yīng)度具有突出的負相關(guān)關(guān)系,與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力、交通便捷性和GDP具有正相關(guān)關(guān)系；寧夏的人口密度與適宜水資源偏離度具有較強的負相關(guān)關(guān)系,與區(qū)位指數(shù)和GDP具有正相關(guān)關(guān)系,說明西北地區(qū)人口密度主要受水資源和區(qū)位因數(shù)的影響。

圖5 中國大陸縣級單位的合成海拔、環(huán)境脆弱性、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力、人生氣候指數(shù)、適宜水資源偏離度、交通便捷性、區(qū)位指數(shù)和GDP分布圖Fig.5 The synthesis of altitude, environmental vulnerability, productive potentiality of agriculture, human climate index, appropriate deviation degree of water resources, traffic convenience, locational index and GDP distribute at county level in China

省份Provinces合成海拔Synthesis altitude環(huán)境脆弱性Environmental vulnerability人生氣候指數(shù)Human climate index水資源適宜度Water resource suitability農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力Agricultural potential production交通便捷性指數(shù)Traffic convenience區(qū)位指數(shù)Location國內(nèi)生產(chǎn)總值GDP重慶-0.881??-0.853??0.546?-0.503?0.877??0.1120.526?0.097浙江-0.821??-0.771??-0.460??0.1120.346??0.404??0.475??0.306?云南-0.223?-0.264??-0.296??0.330?0.0620.478??0.479??0.466??新疆-0.446??-0.374??-0.056-0.312??0.404??0.301??0.1940.337??西藏0.1080.421??-0.48??-0.31??0.1480.281?0.562??0.491??天津0.1700.1800.048-0.006-0.0630.6660.3690.667四川-0.942??-0.660??0.172?-0.579??0.737??0.379??0.785??0.342??上海-1.00??-1.00??-1.00??-1.00??1.00??1.00??1.00??1.00??陜西-0.785??-0.306??-0.051-0.1500.484??0.380??0.687??0.273??山西-0.522??-0.406??-0.282??-0.204?0.428??0.573??0.368??0.483??山東-0.232?-0.004-0.0340.0880.0850.520??0.0940.449??青海-0.775??0.255-0.461??-0.2370.580??0.472??0.868??0.449??寧夏-0.2360.3950.390-0.586?0.1840.0030.626??0.597??內(nèi)蒙古-0.366??-0.055-0.396??-0.317??0.310??0.437??0.543??0.404??遼寧-0.503??-0.339??-0.0870.189-0.1080.641??0.596??0.475??江西-0.529??-0.1150.0550.0690.1420.557??0.700??0.648??吉林-0.552??-0.366?-0.1160.1950.298?0.554??0.575??0.459??湖南-0.617??-0.462??0.171-0.397??0.1320.731??0.691??0.622??湖北-0.746??-0.621??0.267?-0.314??0.599??0.417??0.610??0.256??黑龍江-0.619??-0.249?-0.365??0.0600.491??0.479??0.413??0.370??河南-0.419??-0.352??0.346??0.285??-0.250??0.509??0.571??0.475??河北-0.765??-0.700??-0.057-0.0490.520??0.495??0.649??0.369??海南-0.732??-0.612??-0.503??-0.2420.2000.809??0.550?0.691??貴州0.497??-0.002-0.472??0.421??-0.423??0.456??0.744??0.661??廣西-0.545??-0.619??-0.049-0.140.1810.622??0.632??0.569??廣東-0.718??-0.562??-0.344??-0.2000.397??0.487??0.517??0.458??甘肅-0.496??-0.372??-0.402??-0.491??0.303??0.290??0.333??0.249?福建-0.743??-0.579??-0.553??0.1120.367??0.571??0.606??0.674??安徽-0.603??-0.578??0.1490.499??0.0370.456??0.326??0.677??北京-0.675-0.886-0.8360.496-0.6950.9830.9740.986江蘇-0.082-0.249?-0.205-0.255?0.2290.364??0.607??0.610??

**表示在0.01的水平上相關(guān),*表示在0.05的水平上相關(guān);#本研究尚未對中國港澳臺數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計

事實上,各省份的人口密度與第二本性的三個社會經(jīng)濟指標都有較強的正相關(guān)關(guān)系,說明人口聚集的基礎(chǔ)是三個社會經(jīng)濟指標反映的第二地理特征。第一次本性決定了區(qū)域發(fā)展的生態(tài)條件,其中海拔、水資源和農(nóng)業(yè)潛力具有突出的意義。第二本性的因素推動著人口與經(jīng)濟發(fā)展,其中交通和區(qū)位因素在某些地區(qū)具有突出意義。

值得注意的是,北京、上海和天津與8個因子都不具有顯著的相關(guān)關(guān)系,這可能由于其他因素的影響,例如國家政策、地緣政治地位和海運條件等,當然也可以說人口聚集到一定規(guī)模后,人口密度與兩個本性的聯(lián)系不再顯著,是否存在完全無生態(tài)學(xué)意義的第三本性的作用,如信息化水平,這還需進一步對其進行研究。

從整體上看,通過計算表2中顯著性水平為0.01的各省人口密度與合成海拔、環(huán)境脆弱性、人生氣候指數(shù)、適宜水資源偏離度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力、交通便捷性、GDP和區(qū)位指數(shù)的相關(guān)系數(shù)的平均值,分別為-0.53、-0.50、-0.40、-0.23、0.42、0.51、0.51、0.60?？梢哉J為區(qū)位指數(shù)、合成海拔、交通便捷性、GDP和環(huán)境脆弱性與人口密度具有較強的關(guān)系,對人口空間分布具有較強的影響。整體上看,正相關(guān)關(guān)系最大的是區(qū)位指數(shù),負相關(guān)關(guān)系最大的是合成海拔,其次是水資源偏離度。合成海拔代表的自然地理條件是難以改造的,但是水資源偏離度,特別是區(qū)位指數(shù)是具有明顯可調(diào)節(jié)性的。這是中國未來國土建設(shè)必須注意的地理學(xué)特征。

圖6 Fig.6 The distribute map of ecological livability index at prefecture level in China

基于以上表征區(qū)域生態(tài)與地理特征的8個指標,計算得到地級市尺度的生態(tài)環(huán)境特征,它代表環(huán)境的宜居-艱苦性。宜居和艱苦性是在人口學(xué)爭執(zhí)不休的概念,這里作為我們用它反映相應(yīng)區(qū)域人口生態(tài)意義及區(qū)域適應(yīng)人類生存的可能性。計算并采用自然斷點法將艱苦性指數(shù)分為8大類,它反映如圖6所示。從I類到VIII類,顏色越來越深,表示從生態(tài)條件看該區(qū)域越來越不適宜居住。從圖6中可以看出,胡煥庸線以西的區(qū)域多為VII類和VIII類,胡煥庸線經(jīng)過的區(qū)域以V/VI類為主,由此可見胡煥庸線分割了中國人口生態(tài)宜居區(qū)和環(huán)境艱苦區(qū),胡煥庸線以西的云南、貴州全省和東北與內(nèi)蒙古東部地區(qū)幾乎都落在生態(tài)環(huán)境較為艱苦的V區(qū),或者更高,是生態(tài)環(huán)境的過渡地帶[20]。值得引起重視的是,沿胡煥庸線,基本上是人口生態(tài)環(huán)境艱苦的地區(qū)。

為了大量數(shù)據(jù)計算,將省區(qū)內(nèi)各地級市人口分布密度與各地級市的按面積加權(quán)的各地理要素值,利用各以逐步回歸分析法,分析影響人口分布省區(qū)的顯著相關(guān)的因子。在用SPSS進行逐步回歸分析時,各因子進入回歸方程的顯著性P值設(shè)為0.05,剔除的顯著性P值設(shè)為0.1。

通過這部回歸在地級市為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)的分析分析,影響各個區(qū)域人口分布的因素,重慶、浙江、云南、四川、陜西、山西、吉林、湖北、河南、河北、海南、廣東和福建等14個省份的貢獻率第一、第二的影響因子都包含合成海拔,這14個省區(qū)再加上典型山地省區(qū)西藏、青海、貴州,占了中國省區(qū)數(shù)的一半多,表明在其他條件相同的情況下,海拔、地形起伏度和緯度等地帶性因子,顯著影響了我國的人口密度分布乃至于經(jīng)濟發(fā)展,這就揭示了我國作為山地國家的存在基本地理特征。上海、遼寧、湖南、江西、江蘇、浙江和廣西等省份的海拔不是主要的影響因素,這些省區(qū)的交通便捷性對人口密度差異貢獻率最大,其省份內(nèi)部交通便利程度決定了各個省內(nèi)部的人口分布狀況。值得注意的是青海、江西和貴州等3個省份的區(qū)位指數(shù)貢獻率是最大的,說明這些相對落后的地區(qū)的人口分布受經(jīng)濟區(qū)位的影響較大,需要發(fā)展城市經(jīng)濟。各縣市與中心城市或者省會城市的聯(lián)系以及它們在全國空間分布位置影響了這些省份人口的空間密度。加強這些區(qū)域的各縣市與周邊發(fā)展較好的城市的經(jīng)濟交流而不僅僅是大陸交通聯(lián)系,是促進它們城市經(jīng)濟的發(fā)展是關(guān)鍵。數(shù)據(jù)還揭示,廣東、福建、河南、湖北的水資源豐富度的影響都是負向因子,反映這些地區(qū),水資源過于豐富意味著洪澇發(fā)生,影響了人口分布。但是水資源供應(yīng)不足,是影響區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的重要因素。典型的是甘肅,甘肅省貢獻率第一的因子是適宜水資源偏離度,表明甘肅省內(nèi)部水資源分布差異較大,各地區(qū)的水資源分布的差異影響了甘肅各地區(qū)的人口密度,甘肅省屬于我國水資源較少的省份,又屬于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟區(qū),因此其人口問題,較我國水資源不足的新疆和寧夏相比就更加突出。這就是說在胡煥庸線以西的北部,更應(yīng)該對水資源設(shè)施進行優(yōu)化配置,并進行合理引水,這或許是水利學(xué)家們提出“紅旗河”的意義所在之處。

值得注意的是,影響西藏人口密度前二位的因子而不是海拔,這是很正常的,因為西藏、青海、貴州地區(qū)能夠影響人口分布的海拔內(nèi)部差異已經(jīng)變小,在人口總體分布格局形成的條件下,西藏、青海內(nèi)部的氣溫,濕度和水資源條件等自然環(huán)境條件差異影響了青藏高原地區(qū)各縣市的人口密度。青海、云南、貴州由于城市的地貌的封閉性使得區(qū)位影響特別突出?？沙掷m(xù)發(fā)展的關(guān)鍵應(yīng)該促進人口在人生氣候指數(shù)較好的地區(qū)的聚集。

作為中部地區(qū)代表的安徽省貢獻率第一位的因子是合成海拔,GDP排在第二位?？梢姲不盏貐^(qū)在已經(jīng)突破了海拔影響的限制基礎(chǔ)上,需要突破的是人均GDP。這種情況在逐步的河南省、湖南省等同樣存在,這說明通過聚集來提高人均GDP是逐步地區(qū)發(fā)展的關(guān)鍵。

在以每個縣委數(shù)據(jù)采樣單元基礎(chǔ)上分析發(fā)現(xiàn),北京、上海和天津跟每一個影響因子的關(guān)系都不顯著(重慶的顯著影響因子是合成海拔及人生氣候),究其原因,主要是北京、上海和天津?qū)儆谄皆貐^(qū)直轄市,它們已經(jīng)是中國人口最密集的地區(qū),人口密度的影響因子更為多樣化,比如信息化程度可能已經(jīng)影響了這個分布,其中天津武清的興起就是一例。

4 結(jié)論

本文借助大數(shù)據(jù)分析的思路和數(shù)據(jù)挖掘方法,以中國人口分布密度為典型對象,借助Krugman的新經(jīng)濟地理學(xué)的地理本性觀點,對中國區(qū)域地理特征和胡煥庸線的存在性做了再分析,發(fā)現(xiàn)了下列規(guī)律：

(1)中國人口的空間分布非常不均衡；中國人口密度存在一定的自相關(guān)性,高-高聚集主要集中在長三角,珠三角,河南,四川、安徽、河北等地,低-低聚集主要分布在西北、西南、東北等地區(qū),大部分位于胡煥庸線以西,少部分位于胡煥庸線東側(cè)。沿胡煥庸線是一個生態(tài)環(huán)境過渡帶

(2)胡煥庸線形成的地理學(xué)基礎(chǔ)最直接的是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力,即陸地生態(tài)系統(tǒng)原始生產(chǎn)力,驅(qū)動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力的主要是氣候變化,換言之,胡煥庸線可以認為氣候變化的產(chǎn)物。突破胡煥庸線的關(guān)鍵在于適合由于氣候變化帶來的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力(即陸地生態(tài)系統(tǒng)原始生產(chǎn)力)變化,關(guān)于這個變化,王錚等[24]給出了一個初步研究,在氣候變化新的動態(tài)下,這個問題需要更多研究。

(3)在第一本性指標中,合成海拔對各省人口密度的影響貢獻率排在第一位的省份最多,有13個,考慮到西藏、青海、云貴高原,總體海拔高,我國的山地國家特征突出。其次,可以認為區(qū)位指數(shù)、交通便捷性、GDP和環(huán)境脆弱性與人口密度具有較強的相關(guān)關(guān)系,對人口空間分布具有較強的影響。其中,合成海拔和環(huán)境脆弱性具有較強的負相關(guān)關(guān)系,而交通便捷性、區(qū)位指數(shù)和GDP與人口密度具有較強的正相關(guān)關(guān)系。

(4)逐步回歸分析的結(jié)果顯示,在四川、青海、陜西、陜西、寧夏、遼寧、江西、江西、云南、貴州、內(nèi)蒙古、廣西、甘肅、安徽等省區(qū),第二本性因素的區(qū)位和交通便利性是影響人口發(fā)展前兩位因素,因此需要城市化來推動聚集和交通發(fā)展。而新疆、山東、寧夏、內(nèi)蒙古、黑龍江、江蘇、北京、天津和重慶的人口分布比較獨特,這些指標不能很好的刻畫這些省份的人口的分布規(guī)律,所以針對這幾個省份還需引入新的因子來刻畫人口分布的影響因素。

(5)胡煥庸線沿線是中國的生態(tài)環(huán)境過渡帶。

致謝：感謝劉清春、戴曉曄、吳靜、汪晶等研究生以及國家公務(wù)員局、新疆自治區(qū)人事廳、寧夏自治區(qū)人事廳、云南省人事廳等相關(guān)單位人員的支持。