人地系统科学认知与探测方法研究进展

人地系统科学认知与探测方法研究进展

人地系统是人类活动与地理环境相互作用形成的复杂系统。随着人类活动对地理环境的影响日益加剧，深入研究人地系统对于实现生态文明建设、国土空间优化等国家战略具有重要意义。本文基于地理学“三主三分”理论，构建了人地系统分区-分类-分级探测体系，揭示了2000-2020年中国的人地系统演化特征。

人地系统是人类活动与地理环境相互联系、相互作用而形成的复杂适应系统。进入人类世，随着人类活动对地理环境的作用和影响不断加剧，人地系统演化过程及其机理复杂性、空间差异性日益显现。新时代中国实施生态文明建设、国土空间规划、城乡融合发展和乡村振兴战略，重在协调和优化多区域、多层级、多部门之间的人地耦合关系及其要素配置格局，根本改善经济发展、粮食生产、生态安全和民生保障等多重功能之间的权衡协同关系，对深化现代人地系统科学研究提出了新要求、新挑战。因此，深入开展人地系统空间识别、类型诊断和强度评估，既是现代人地系统科学和地理学综合研究的重要国际科学前沿议题，也是服务于国土空间格局优化、人与自然和谐共生的现代化等国家战略需求的重要科学基础。

本研究基于人地关系地域系统理论和地理学“三主三分”(即主体功能分区、主导类型分类、主要用途分级)方法，率先构建了“自上而下”的人地系统功能分区-类型分类-强度分级探测的理论与方法体系（图1），用于探测人地系统的宏观分布格局、中观地域类型和微观等级次序特征，解析一定人地系统从其自然地带(N), 到地域类型(A)、交通状况(T)、城乡关系(U)，再到资源环境(R)、经济社会发展(E)的分级传导模式(NATURE)、作用机制及其地带性、地域性、地方性分异规律。构建人地系统分区-分类-分级探测体系的价值在于综合揭示人地系统的区域差异、类型分异、等级区别及其时空演化规律，科学认知人地系统全要素-多结构-多功能的时空差异、级联效应及其内在机理，实现对人地系统的宏观分区综合管控、中观分类科学施策、微观分级精准治理，推动以人地系统耦合与可持续发展为核心的地理学综合研究，促进现代人地系统科学的理论认知与工程实践的有机融合，形成人与自然和谐共生的多尺度人地系统优化格局（图2）。

图1 现代人地系统分区识别-分类诊断-分级评估科学认知体系

图2 人地系统分区识别-分类诊断-分级评估的多级尺度与时空传导

本研究通过集成土地利用、人口密度、夜间灯光指数、感兴趣点等多源空间数据，利用决策树、空间聚类、人类足迹强度指数等定量模型方法，研制了中国人地系统生活-生产-生态功能分区方案（图3），识别了城市型-村镇型-农业型-生态型等主导类型（图4），评析了人类足迹强度（图5），揭示了20002020年中国人地系统分布、类型和等级的时空变化趋势。研究结果发现：中国人地系统面积占比由53.9%增至54.1%，基本稳定在54%左右，空间上呈东南高、西北低的分异特征，平原地区、耕地和城市集中分布区的占比明显高于山地丘陵区和地广人稀地区；人地系统中生活功能区面积占比由3.61%增至5.24%，生产和生态功能区占比分别由35.19%和61.20%降至34.66%和60.10%。快速城镇化和乡村振兴发展促使城市型、村镇型人地系统面积扩大，分别增长了135.45%和9.59%，但新增主要源于农业型人地系统；受生态退耕和耕地扩张共同影响，农业型和生态型人地系统间存在相互转换，其面积分别减少1.06%和1.37%（表1）。中国人地系统的人类足迹强度(HFI)由9.28增至10.25，增幅为10%，呈现出高值区扩张、低值区缩减，人类活动持续加强且空间集聚化的特征（表2）。村镇型、农业型和生态型人地系统的HFI分别增加2.21、0.94和0.44；而城市型人地系统HFI波动增加, 在其面积显著扩张的20102015年期间小幅减少0.84（表3）。

图3 20002020年中国人地系统的时空分布: (a) 2000年; (b) 2005年; (c) 2010年; (d) 2015年; (e) 2020年; (f) 20002020年面积及占比变化

图4 2000~2020年中国人地系统类型的空间分布: (a) 2000年; (b) 2005年; (c) 2010年; (d) 2015年; (e) 2020年

图5 2000~2020年中国人地系统人类足迹强度的空间分布: (a) 2000年; (b) 2005年; (c) 2010年; (d) 2015年; (e) 2020年

表1 2000~2020年中国不同人地系统类型在总土地面积的占比(%)
类型 2000年 2005年 2010年 2015年 2020年
城市型人地系统 0.56 0.70 0.88 1.14 1.31
村镇型人地系统 1.39 1.41 1.45 1.48 1.52
农业型人地系统 18.97 18.89 18.76 18.83 18.77
生态型人地系统 33.00 32.94 32.95> 32.71 32.54

表2 20002020年中国不同人类足迹强度的人地系统面积占比(%)
人类足迹强度 2000年 2005年 2010年 2015年 2020年
04 16.22 16.16 16.27 15.08 14.82
410 16.77 16.62 16.55 16.77 16.51
1020 16.88 16.56 16.04 16.67 16.38
2030 3.39 3.66 4.03 4.38 4.84
3045 0.63 0.92 1.14 1.25 1.59

表3 2000~2020年中国不同人地系统类型的人类足迹强度指数
类型 2000年 2005年 2010年 2015年 2020年
城市型人地系统 26.99 28.42 29.04 28.20 28.57
村镇型人地系统 17.03 17.62 17.96 18.35 19.24
农业型人地系统 13.31 13.50 13.65 13.86 14.24
生态型人地系统 6.34 6.41 6.44 6.67 6.79

本研究构建的人地系统功能分区-类型分类-强度分级探测理论与方法体系，可作为分层次解析人地系统地带性-地域性-地方性分异与演化规律的研究范式，深化了现代人地系统耦合过程-机理-格局的科学认知，为科技支撑人地系统协调与可持续发展战略，促进人与自然和谐共生和全面乡村振兴决策提供了科学依据。

本研究得到了国家自然科学基金重大项目“乡村地域系统协同观测与转型机理及模拟(42293270)”、重点项目“中国乡村人地系统演化过程及其资源环境效应研究(41931293)”等资助。