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1935年胡师在《地理学报》（第2卷第2期）发表开拓中国人口地理学的重要论文《中国人口之分布》，并附有中国第一张人口密度图。当时中国总人口估计有4.75亿，他以1点表示1万人，根据所掌握的实际情况将4.75万个点子落实到地图上，再以等值线法画出人口密度图。该文指出中国人口分布存在着极端的地区不平衡，大致从黑龙江省的爱珲到云南省的腾冲画一斜线，可以清楚标识以此线分出的东南半壁和西北半壁人口密度悬殊的情况：东南半壁虽只占土地面积的 36%，而人口却占 96%；西北半壁虽土地面积占 64%，而人口仅占4%。这个现象主要是地理环境和农业基础的地区差异所造成的。这条东北—西南斜线可说是对反映中国人口地理基本情况起到了画龙点睛的作用，从而一直为外国学者所确认和引用，并被称为“胡焕庸线”。《中国人口之分布》发表后不久即被美国 Geographical Review 杂志全文翻译介绍，英国、德国地理刊物亦相继介绍，认为该文不仅开创了中国人口地理研究，同时也奠定了中国人口地理学的基础。该文内容不限于人口的数量研究，而着重探讨自然、社会、经济特别是农业生产条件对人口增长和分布的影响。该文所揭示的东南半壁与西北半壁的差异至今仍然有着指导意义。根据1982年全国人口普查数据，东南和西北的人口比是94.4∶5.6,1990年全国人口普查结果又表示两个半壁的人口比是94.2∶5.8，可见“胡焕庸线”确实揭示了中国人口分布的最基本地区差异。
新中国成立后重视人口的调查研究，胡师于1953年从治淮委员会调回华东师范大学地理系，先以教授外国自然地理为主，其后逐渐恢复人口研究，1957年该校根据他的建议成立人口地理研究室，他率领师生到江苏省的南通、常熟、宜兴等地进行人口地理和农业地理的调查，并发表了研究报告，延续了20年前的人口地理研究。但曾几何时，北京大学马寅初教授发表了《新人口论》，主张推行计划生育、控制人口增长，不幸遭到不公正的政治批判，于是国内有关人口研究都难以为继，胡师不得已而转教自然地理。此后直到“文革”后的1978年中央拨乱反正，马寅初的《新人口论》得到平反，人口问题再次受到重视，1982年又进行全国人口普查，胡师被中国人口学会聘为顾问，并接受国家计划生育委员会的研究任务，华东师范大学不仅恢复了人口地理研究室，并扩建为人口研究所，胡师任所长。同时得到联合国人口基金委的资助，得以开展到全国各地调查和出版著作所需费用，并招收人口地理专业博士研究生和博士后。胡师先后出版了《中国八大区的人口密度和人口政策》、《中国八大区人口增长、经济发展的过去与未来》等著作，荣获上海市高等学校哲学社会科学研究优秀成果一等奖。又与张善余教授合编《世界人口地理》、《中国人口地理》等书，1990年出版了《胡焕庸人口地理选集》，选辑了他的代表性论文29篇。胡师研究人口地理的重点：一是人口分布的区域差异，二是人口分布与粮食生产的关系，始终把人口地理与农业地理加以有机结合。他曾主张：蒙新地区人口容量不宜超过6000万，青藏地区不宜超过1000万，边疆少数民族地区也应推行计划生育政策。所有他晚期的累累著作推动了中国人口地理学、人口经济学和人口社会学的研究。