褚麗妹

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

基于多法驗(yàn)證的遼寧省水土保持區(qū)劃研究

褚麗妹

(遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

水土保持區(qū)劃；指標(biāo)體系；主成分分析；聚類分析；空間疊置分析；遼寧省

針對(duì)生態(tài)文明建設(shè)大局的迫切需求及遼寧省水土保持區(qū)劃研究尚屬于空白的突出問(wèn)題，以遼寧省為研究對(duì)象，研究建立了大中尺度水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系，并將主成分分析、系統(tǒng)聚類分析、空間疊置分析及專家經(jīng)驗(yàn)分析等多種方法相結(jié)合，以全國(guó)水土保持區(qū)劃成果為基礎(chǔ)，開(kāi)展省域大中尺度水土保持區(qū)劃研究，最終將遼寧省劃分為12個(gè)水土流失典型防治區(qū)，即遼東山地水源涵養(yǎng)減災(zāi)區(qū)、遼東山地丘陵水質(zhì)生態(tài)維護(hù)區(qū)、遼北低山丘陵土壤保持區(qū)、遼北漫川漫崗保土攔沙區(qū)、遼北漫川漫崗農(nóng)田保護(hù)區(qū)、遼中平原人居環(huán)境農(nóng)田防護(hù)區(qū)、遼東丘陵生態(tài)維護(hù)區(qū)、遼中平原農(nóng)田保土防風(fēng)區(qū)、遼西低山丘陵保土蓄水區(qū)、遼西丘陵保土固沙區(qū)、遼東半島丘陵人居環(huán)境維護(hù)減災(zāi)區(qū)、遼西山地丘陵保土蓄水區(qū)，為遼寧省分區(qū)開(kāi)展水土保持生態(tài)文明建設(shè)搭建了基本框架。

水土保持區(qū)劃是水土保持發(fā)展戰(zhàn)略、項(xiàng)目布局，以及目標(biāo)和任務(wù)制定的基礎(chǔ)，也是行業(yè)管理和國(guó)家宏觀決策的重要依據(jù)[1]。開(kāi)展深入系統(tǒng)的水土保持區(qū)劃工作，分析各類型區(qū)基本地理特征、自然條件、水土流失特點(diǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀，找出區(qū)域發(fā)展的有利和不利因素，確定區(qū)域的發(fā)展方向和水土流失防治措施，既是水土保持規(guī)劃的基本需求，又能為環(huán)境變化的區(qū)域響應(yīng)、生態(tài)建設(shè)、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、科學(xué)試驗(yàn)觀測(cè)等提供基本框架和科學(xué)依據(jù)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)土壤侵蝕類型分區(qū)(即水土流失類型分區(qū))及全國(guó)水土流失重點(diǎn)防治區(qū)等水土保持分區(qū)工作取得了一定成效，對(duì)水土保持工作起到了指導(dǎo)和促進(jìn)作用，但是水土保持區(qū)劃研究仍然存在一系列問(wèn)題，如：區(qū)劃概念認(rèn)識(shí)不統(tǒng)一，應(yīng)用上沒(méi)有達(dá)成共識(shí)；大部分偏重自然區(qū)劃，社會(huì)經(jīng)濟(jì)兼顧不夠；大部分屬于概念性分區(qū)，邊界不清晰，操作性不強(qiáng)；區(qū)劃理論、方法研究深度不夠，命名不規(guī)范；區(qū)域性區(qū)劃缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，不能與國(guó)家區(qū)劃相銜接等[2-3]。目前，遼寧省只是簡(jiǎn)單地以東、西、南、北、中等區(qū)域方位進(jìn)行水土保持分區(qū)，劃分粗糙，邊界不清，定位不準(zhǔn)，應(yīng)用隨意，缺乏系統(tǒng)的區(qū)劃研究。要做好水土保持工作，如果沒(méi)有科學(xué)、詳盡的水土保持區(qū)劃，那么就很難把握水土保持工作的方向[4]。因此，本研究以遼寧省為研究區(qū)域，針對(duì)大中尺度水土保持區(qū)劃等級(jí)體系、指標(biāo)體系、區(qū)劃方法等開(kāi)展研究，以期建立可操作性強(qiáng)且全國(guó)統(tǒng)一的省域水土保持區(qū)劃方法，有效指導(dǎo)大中尺度區(qū)域水土保持生態(tài)文明建設(shè)工作。

1 水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系構(gòu)建

遼寧省水土保持區(qū)劃采用四級(jí)分區(qū)體系，其中一級(jí)區(qū)為國(guó)家總體格局區(qū)，二級(jí)區(qū)為國(guó)家區(qū)域協(xié)調(diào)區(qū)，三級(jí)區(qū)為國(guó)家基本功能區(qū)和省級(jí)基本格局區(qū)[5]，四級(jí)區(qū)為省級(jí)典型防治區(qū)。四級(jí)區(qū)劃分以三級(jí)區(qū)劃分為基礎(chǔ)，是省級(jí)尺度的末級(jí)區(qū)劃，也是最具實(shí)踐指導(dǎo)意義的層級(jí)，是本文研究的重點(diǎn)。

1.1 劃分標(biāo)準(zhǔn)

省域尺度水土流失典型防治區(qū)劃分要符合以下標(biāo)準(zhǔn)：保持區(qū)內(nèi)優(yōu)勢(shì)地貌類型基本一致；保持區(qū)內(nèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及重點(diǎn)開(kāi)發(fā)建設(shè)取向基本一致；保持區(qū)內(nèi)土壤侵蝕類型、侵蝕強(qiáng)度和程度基本一致；保持區(qū)內(nèi)水土流失防治需求及防治模式基本一致；保持區(qū)內(nèi)水土保持功能基本一致；保持區(qū)內(nèi)地表物質(zhì)組成基本一致；依據(jù)土地利用覆被條件和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，保持區(qū)內(nèi)土地利用和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展方向基本一致；依據(jù)遼寧省土壤類型、農(nóng)業(yè)氣候資源分布、河流水系情況，保持區(qū)內(nèi)土壤類型、氣候(水熱)條件、河流水文條件基本一致[6-8]。

1.2 指標(biāo)體系

指標(biāo)的選擇及其數(shù)量直接影響到區(qū)劃的結(jié)果[9-10]，針對(duì)當(dāng)前水土保持區(qū)劃急需解決的突出問(wèn)題，根據(jù)省域水土流失典型防治區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了遼寧省水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系。水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系由4個(gè)層次構(gòu)成，分別為目標(biāo)層(A)、要素層(B)、因子層(C)和指標(biāo)層(D)。目標(biāo)層是水土保持區(qū)劃的預(yù)定目標(biāo)，綜合了影響水土保持的各項(xiàng)要素、因子及指標(biāo)。要素層充分反映地域單元的自然地理、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)特征，重點(diǎn)考慮水土流失及相關(guān)影響要素，確定的水土保持區(qū)劃要素主要包括自然要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素、土地利用要素及水土流失要素。因子層由反映主體要素的各項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成。指標(biāo)層是水土保持各影響因素的具體體現(xiàn)，表達(dá)因子層的具體內(nèi)容。省級(jí)區(qū)劃由于范圍廣、差異大，指標(biāo)體系難以統(tǒng)一，即使同一指標(biāo)在不同地區(qū)其權(quán)重差異也很大，因此根據(jù)區(qū)域具體情況，指標(biāo)以定量為主、定性為輔，定性與定量指標(biāo)相結(jié)合?；谏鲜鲈瓌t確定的遼寧省水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系見(jiàn)表1。

表1 遼寧省水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系

1.3 數(shù)據(jù)獲取

區(qū)劃指標(biāo)數(shù)據(jù)要保證可靠，具有公信力，且可獲得。數(shù)據(jù)獲取單元為區(qū)劃單元?？紤]到水土保持的綜合性、實(shí)踐應(yīng)用性及其社會(huì)經(jīng)濟(jì)功能屬性，確定遼寧省水土保持區(qū)劃原則上以縣級(jí)行政區(qū)為單元，同時(shí)考慮到遼東山地丘陵區(qū)向遼寧中部平原過(guò)渡區(qū)域的部分縣(市、區(qū))跨越山地與平原，區(qū)內(nèi)地形地貌、氣候條件、水土流失現(xiàn)狀差異較大，且比例相當(dāng)，因此該部分區(qū)域以鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)為劃分單元。

指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源：地形地貌數(shù)據(jù)通過(guò)地理信息系統(tǒng)從遼寧省數(shù)字高程模型中提?。粴庀髷?shù)據(jù)來(lái)源于各地具有代表性的氣象臺(tái)(站)1981—2014年歷年平均值；社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來(lái)源于《遼寧統(tǒng)計(jì)年鑒》，除時(shí)段數(shù)據(jù)外，時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)均為2014年數(shù)據(jù)；土地利用數(shù)據(jù)來(lái)源于第二次全國(guó)土地調(diào)查成果；水土流失數(shù)據(jù)來(lái)源于遼寧省土壤侵蝕數(shù)據(jù)庫(kù)。

2 水土保持區(qū)劃方法

水土保持區(qū)劃方法眾多，方法選取既要避免某一方法的片面性，又要解決劃分指標(biāo)繁多、信息繁雜的問(wèn)題。本研究采用定量分析與定性分析相結(jié)合、統(tǒng)計(jì)分析與典型調(diào)研相結(jié)合的方法。根據(jù)區(qū)劃指標(biāo)體系，收集相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，在保留原始指標(biāo)主要信息的前提下，依托SPSS 20.0軟件采用主成分分析將指標(biāo)體系中的眾多變量縮減為幾個(gè)綜合指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上分別通過(guò)SPSS 20.0軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析和GIS空間分析軟件對(duì)區(qū)劃要素進(jìn)行空間疊置分析，形成分區(qū)成果的相互驗(yàn)證。最后根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)法依據(jù)行政界線完整、集中連片、水土保持功能及水土流失防治需求一致等原則對(duì)定量分區(qū)結(jié)果進(jìn)行微域調(diào)整，實(shí)現(xiàn)界線連續(xù)，最終形成遼寧省水土保持區(qū)劃成果。具體包括：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理采用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化方法，將全部劃分單元的所有指標(biāo)數(shù)據(jù)減去其平均值，再除以標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后均值為0、方差為1，以消除量綱的影響；主成分分析按照累計(jì)貢獻(xiàn)率>0.85或主成分特征值>1提取主成分，以確保這些綜合指標(biāo)盡量保留原來(lái)全部指標(biāo)的信息；系統(tǒng)聚類分析采用Q型聚類，即按劃分單元進(jìn)行聚類，距離的計(jì)算采用平方歐式距離，最后依據(jù)區(qū)域共軛原則進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而得到分區(qū)結(jié)果；空間疊置分析采用多邊形疊置分析分別對(duì)自然要素、土地利用要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素和水土流失要素區(qū)劃圖進(jìn)行疊置，得到水土保持區(qū)劃圖；專家經(jīng)驗(yàn)法是通過(guò)召集熟悉當(dāng)?shù)厍闆r的專家學(xué)者和一線工作者，甚至是熟悉當(dāng)?shù)厍闆r的農(nóng)民，采取實(shí)地調(diào)研、座談方式，研究在適當(dāng)?shù)牡胤絼澇龃致缘姆之惤缇€，然后再收集和分析各種有關(guān)資料，進(jìn)行科學(xué)論證并做出相應(yīng)調(diào)整。

3 區(qū)劃結(jié)果與分析

全國(guó)水土保持區(qū)劃確定的三級(jí)區(qū)遼寧省有7個(gè)。依據(jù)省域尺度水土流失典型防治區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，長(zhǎng)白山山地水源涵養(yǎng)減災(zāi)區(qū)、遼東半島人居環(huán)境維護(hù)減災(zāi)區(qū)、遼西山地丘陵保土蓄水區(qū)區(qū)域內(nèi)分異性較小，在遼寧省四級(jí)區(qū)劃中對(duì)上述3個(gè)區(qū)域保持原有邊界不變。其余4個(gè)三級(jí)區(qū)，即長(zhǎng)白山山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)、遼河平原人居環(huán)境維護(hù)農(nóng)田防護(hù)區(qū)、遼北漫川漫崗?fù)寥辣３謪^(qū)、遼寧西部丘陵保土攔沙區(qū)，區(qū)域內(nèi)具有一定的分異性，遼寧省四級(jí)區(qū)劃主要針對(duì)這4個(gè)區(qū)域進(jìn)行逐區(qū)劃分。

3.1 長(zhǎng)白山山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)(Ⅰ-2-3st)

長(zhǎng)白山山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)包含17個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，侵蝕類型均為水力侵蝕。依據(jù)本研究確定的定量指標(biāo)體系，除去D16，選取18項(xiàng)指標(biāo)，組成17×18階原始矩陣。在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上依次計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣、特征值、主成分貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率，提取7個(gè)主成分，其對(duì)應(yīng)的特征值>1，累積貢獻(xiàn)率為89.20%。提取的前6個(gè)主成分可以表征原始因子代表的全部信息，第7主成分特征值大于1，故取前7個(gè)主成分來(lái)代表原來(lái)的多個(gè)指標(biāo)的絕大部分信息。計(jì)算主成分得分后，進(jìn)行Q型聚類，采用Ward法，聚類分析結(jié)果為以撫順縣為界，大體分為南北2個(gè)四級(jí)區(qū)，見(jiàn)圖1。同時(shí)，在主成分分析的基礎(chǔ)上應(yīng)用MapGIS軟件的空間分析功能對(duì)區(qū)域內(nèi)的自然要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素、土地利用要素及水土流失要素進(jìn)行空間分析，綜合多要素進(jìn)行疊置分析得出該區(qū)綜合要素分區(qū)圖，見(jiàn)圖2。空間疊置分析與聚類分析結(jié)果相當(dāng)。最后依據(jù)共軛原則及專家經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行微域調(diào)整，確定四級(jí)區(qū)邊界，見(jiàn)圖3。

圖1 長(zhǎng)白山山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)Ward聯(lián)接樹(shù)狀圖

圖2 長(zhǎng)白山山地丘陵水質(zhì)維護(hù)保土區(qū)空間疊置分析

圖3 遼寧省水土保持四級(jí)區(qū)劃

3.2 遼河平原人居環(huán)境維護(hù)農(nóng)田防護(hù)區(qū)(Ⅲ-1-1rn)

遼河平原人居環(huán)境維護(hù)農(nóng)田防護(hù)區(qū)包含32個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，其中遼陽(yáng)縣、燈塔市、海城市、大石橋市需打破縣級(jí)行政界線，按西部平原和東部丘陵分為兩個(gè)區(qū)劃單元，縣域分區(qū)保持鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政界線完整，故該區(qū)域共有36個(gè)劃分單元。選取19項(xiàng)指標(biāo)，組成36×19階原始矩陣。分析方法同章節(jié)3.1。主成分分析提取了6個(gè)主成分，其對(duì)應(yīng)的特征值>1，累積貢獻(xiàn)率為82.16%。提取的6個(gè)主成分可代表原來(lái)的多個(gè)指標(biāo)的絕大部分信息。計(jì)算主成分得分后進(jìn)行系統(tǒng)聚類和空間疊置分析，聚類方法為中位數(shù)聯(lián)接，見(jiàn)圖4、5。兩種方法分區(qū)結(jié)果相當(dāng)，均將該區(qū)劃分為3個(gè)四級(jí)區(qū)，邊界略有差異。最后進(jìn)行微域調(diào)整確定四級(jí)區(qū)邊界，見(jiàn)圖3。

3.3 遼北漫川漫崗?fù)寥辣３謪^(qū)(Ⅰ-3-1t)

遼北漫川漫崗?fù)寥辣３謪^(qū)包含4個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，侵蝕強(qiáng)度均為中度，除去D17，選取18項(xiàng)指標(biāo)，組成4×18階原始矩陣。分析方法同章節(jié)3.1。主成分分析提取了3個(gè)主成分，其對(duì)應(yīng)的特征值>1，累積貢獻(xiàn)率為100%。提取的3個(gè)主成分可代表原來(lái)的多個(gè)指標(biāo)的絕大部分信息。計(jì)算主成分得分后進(jìn)行系統(tǒng)聚類和空間疊置分析，聚類方法為平均聯(lián)接(組內(nèi))，見(jiàn)圖6、7。兩種方法分區(qū)結(jié)果相同，均將該區(qū)域劃分為2個(gè)四級(jí)區(qū)，且邊界連續(xù)，無(wú)須進(jìn)行調(diào)整。

圖4 遼河平原人居環(huán)境維護(hù)農(nóng)田防護(hù)區(qū)中位數(shù)聯(lián)接樹(shù)狀圖

圖5 遼河平原人居環(huán)境維護(hù)農(nóng)田防護(hù)區(qū)空間疊置分析

圖6 遼北漫川漫崗?fù)寥辣３謪^(qū)平均聯(lián)接(組內(nèi))樹(shù)狀圖

3.4 遼寧西部丘陵保土攔沙區(qū)(Ⅲ-1-2tj)

遼寧西部丘陵保土攔沙區(qū)包含19個(gè)縣級(jí)行政區(qū)，選取19項(xiàng)指標(biāo)，組成19×19階原始矩陣。分析方法同章節(jié)3.1。主成分分析提取了5個(gè)主成分，其對(duì)應(yīng)的特征值>1，累積貢獻(xiàn)率為82.03%。根據(jù)主成分矩陣，前3個(gè)主成分基本上可以表征原始因子代表的大部分信息，但第4、第5個(gè)主成分特征值大于1，故取前5個(gè)主成分來(lái)代表原來(lái)的多個(gè)指標(biāo)的絕大部分信息。計(jì)算主成分得分后進(jìn)行系統(tǒng)聚類和空間疊置分析，聚類方法為最近鄰元素，見(jiàn)圖8、9。兩種方法分區(qū)結(jié)果相當(dāng)，均將該區(qū)劃分為2個(gè)四級(jí)區(qū)，邊界略有差異。最后進(jìn)行微域調(diào)整確定四級(jí)區(qū)邊界，見(jiàn)圖3。

圖7 遼北漫川漫崗?fù)寥辣３謪^(qū)空間疊置分析

圖8 遼寧西部丘陵保土攔沙區(qū)最近鄰元素聯(lián)接樹(shù)狀圖

圖9 遼寧西部丘陵保土攔沙區(qū)空間疊置分析

3.5 遼寧省四級(jí)區(qū)劃結(jié)果

銜接全國(guó)水土保持區(qū)劃成果，遼寧省水土保持區(qū)劃共劃分為12個(gè)四級(jí)區(qū)，見(jiàn)表2。12個(gè)四級(jí)區(qū)邊界分布詳見(jiàn)圖3。

表2 遼寧省水土保持四級(jí)區(qū)劃

4 結(jié) 論

(1)研究建立的由自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用和水土流失4項(xiàng)要素，地形地貌、氣候特征、植被、人口、經(jīng)濟(jì)、地類、水土流失和水土保持8項(xiàng)因子，以及與之相對(duì)應(yīng)的21項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成的遼寧省水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系，適用于大中尺度水土保持區(qū)劃。

(2)通過(guò)主成分分析對(duì)按指標(biāo)體系收集的大量指標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了有效降維，顯著提升了水土保持區(qū)劃的效率，也為后續(xù)分析提供了基本支撐。

(3)定量分析與定性分析相結(jié)合。定量分析通過(guò)聚類分析和空間疊置分析并行，實(shí)現(xiàn)區(qū)劃結(jié)果的相互驗(yàn)證，保證了區(qū)劃成果的可靠性；定性分析通過(guò)專家經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行微域調(diào)整，保證了區(qū)劃成果的可操作性。

(4)基于多法聯(lián)動(dòng)的遼寧省水土保持區(qū)劃，最終將全省劃分為12個(gè)四級(jí)區(qū)，為遼寧省分區(qū)開(kāi)展水土保持生態(tài)文明建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

遼寧水利科技指導(dǎo)性計(jì)劃項(xiàng)目(20140110)

S157

A

1000-0941(2017)04-0049-05

褚麗妹(1978—)，女，內(nèi)蒙古赤峰市人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)水土資源與水土保持研究工作。

2016-12-23