于世偉，陳 賀，曾 容，楊志峰

（北京師范大學 環(huán)境學院 水環(huán)境模擬國家重點實驗室，北京100875）

環(huán)境與資源的研究、評估、監(jiān)測和管理，都需要有一個適當?shù)目臻g分析框架。傳統(tǒng)的以行政區(qū)域為界的劃分單元不能夠完全反映生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性、整體性等特點，因而不能滿足實際中的需求。而生態(tài)分區(qū)則可以滿足這樣的要求。一般認為，生態(tài)分區(qū)是指生態(tài)系統(tǒng)或有機體及其環(huán)境的關(guān)系具有同質(zhì)性的區(qū)域［1］。

雖然關(guān)于自然區(qū)劃的研究開展的很早，但是真正意義上的生態(tài)分區(qū)方案直到1976年才由美國學者Bailey提出。Bailey利用Kucher的自然植被類型和區(qū)域氣候信息，提出了美國生態(tài)區(qū)域的等級系統(tǒng)，按地域（domain）、區(qū)（division）、省（province）和地段（section）4個等級進行了生態(tài)分區(qū)的劃分，并編制了美國生態(tài)區(qū)域圖。在這之后，許多機構(gòu)和學者都提出了自己的生態(tài)分區(qū)體系［2］。其中，比較有影響的是由美國學者Omernik提出的生態(tài)分區(qū)劃分方法。Omernik的方法建立在這樣的假設(shè)之上：生物和非生物因素的成分與組成影響著生態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)和完整性，而通過分析這些因素，可以識別不同的生態(tài)分區(qū)。這些因素通常包括：地質(zhì)類型、地形地貌、植被類型、氣候類型、土壤類型、土地利用類型、野生生物以及水文因子等［3］。具體的生態(tài)分區(qū)劃分過程有3步：首先，通過對這些因素的分析、比較，選擇能夠反映生態(tài)系統(tǒng)特征的因子，并制作專題圖。然后，將各專題圖進行疊加分析，得到初步的生態(tài)分區(qū)劃分結(jié)果。最后，通過專家判斷法確定生態(tài)分區(qū)的最終邊界。美國環(huán)保局使用Omernik的生態(tài)分區(qū)劃分方法將北美大陸劃分為15個生態(tài)一級分區(qū)，52個二級分區(qū)；美國大陸及阿拉斯加被劃分為104個三級分區(qū)。事實證明，Omernik的生態(tài)分區(qū)體系在各個尺度都具有很高的實用性，特別是在生物與水質(zhì)標準的設(shè)定上具有明顯的優(yōu)勢［4－5］。

20世紀80年代以來，我國關(guān)于生態(tài)分區(qū)的研究很多，如中國生態(tài)區(qū)劃［6－7］，中國生態(tài)環(huán)境脅迫過程區(qū)劃［8］，中國生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力區(qū)劃［9］，中國生態(tài)資產(chǎn)區(qū)劃［10］，中國生物多樣性生態(tài)地理區(qū)劃［11］等。

近年來，生態(tài)分區(qū)的研究更多的集中在水生態(tài)系統(tǒng)、特別是流域生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)方面。這是因為流域是由不同生態(tài)系統(tǒng)組成的一致性區(qū)域和巨型復合生態(tài)系統(tǒng)，具有生物生產(chǎn)、物質(zhì)循環(huán)、能量流動、信息傳遞等基本功能以及對人類有重要意義的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。但是由于人類不合理的開發(fā)利用，流域生態(tài)系統(tǒng)面臨著諸多生態(tài)環(huán)境問題，亟待從流域整體的角度加強管理。所以，以流域為對象的生態(tài)分區(qū)劃分工作具有很大的必要性和迫切性。目前相關(guān)研究的主要代表為生態(tài)水文分區(qū)體系［12－13］和水生態(tài)分區(qū)體系［14－15］。生態(tài)水文分區(qū)選取生態(tài)和水文指標，以水資源三級區(qū)為基礎(chǔ)，進行劃分。生態(tài)水文分區(qū)側(cè)重于流域的水資源特征，具有比較多的水文分區(qū)特性，適宜于區(qū)域特別是流域生態(tài)需水的計算與管理。水生態(tài)分區(qū)應(yīng)用Omernik的生態(tài)分區(qū)劃分方法，選取水文條件（徑流深度）、地貌、植被類型、土壤類型和土地利用類型等指標，建立了以流域為對象的生態(tài)分區(qū)體系。這兩種方法不論是生態(tài)水文分區(qū)，還是水生態(tài)分區(qū)，在進行生態(tài)分區(qū)的劃分之前，都事先確定了劃分的層級以及各層級劃分所依據(jù)的指標類型，最后確定分區(qū)邊界應(yīng)用的方法都是專家判斷法。

生態(tài)分區(qū)劃分的過程中，有兩個關(guān)鍵點：一是生態(tài)分區(qū)指標的選擇，包括選取何種指標和在每一級分區(qū)中應(yīng)用什么指標；二是生態(tài)分區(qū)邊界的確定方法?，F(xiàn)有的生態(tài)分區(qū)研究，在這兩個關(guān)鍵點使用的方法基本上都是專家判斷法。這樣做可以使得分區(qū)的結(jié)果表現(xiàn)出更好的規(guī)律性，更加符合管理者的目標要求。然而，這樣也就同時帶來了另外一個問題：這樣一種定性的方法，主觀性很強，專家的選擇對于結(jié)果的影響很大。不同的專家選擇很可能造成劃分結(jié)果上的差異。因此，探討如何在這兩個方面引入定量化方法，從而降低定性方法對于生態(tài)分區(qū)結(jié)果可能造成的不確定性，具有很大的價值。

1 研究方法

1.1 指標選取

指標選取是生態(tài)分區(qū)劃分的關(guān)鍵之一，包括選取何種指標參與生態(tài)分區(qū)的劃分以及在每一級分區(qū)中應(yīng)用何種指標兩個方面。

選取何種指標參與生態(tài)分區(qū)的劃分，需要根據(jù)分區(qū)目標和分區(qū)對象的實際情況進行選擇，在這個過程中，需要相關(guān)經(jīng)驗和專業(yè)的支持，因而專家判斷法是適合的方法，可以作為這一工作的基礎(chǔ)。指標選取的實質(zhì)，是判斷各個指標在對象區(qū)域的異質(zhì)性大小，即對各個指標的重要性（權(quán)重）進行確定，并作為整個生態(tài)分區(qū)劃分的基礎(chǔ)。因此，可以在指標選取階段引入主成分分析方法，使指標選取的結(jié)果更加客觀準確。

主成分分析是多元統(tǒng)計分析的一個分支，它能夠在保證原始數(shù)據(jù)信息損失最小的情況下，以少數(shù)的綜合變量取代原有的多維變量，簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，客觀確定權(quán)重［16］。主成分分析方法，通過將原始指標轉(zhuǎn)化為綜合指標，從而將多維數(shù)據(jù)降維，用最少的指標反映盡量多的信息。每一個綜合指標（即主成分）都對應(yīng)有一個特征值和貢獻率，特征值越大，貢獻率越高，則該主成分反應(yīng)的總體信息越多。在每一個主成分中，原始指標都有一個系數(shù)，系數(shù)的絕對值越大，該原始指標對主成分的影響越大。通過分析特征值和貢獻率較大的前幾個主成分可以作為判斷原始指標重要性的依據(jù)，從而確定進行生態(tài)分區(qū)劃分的指標；在同一主成分中系數(shù)較大的指標則可以作為同一級生態(tài)分區(qū)的劃分指標。

具體步驟為：

（1）將各個指標數(shù)據(jù)化；

（2）對數(shù)據(jù)進行標準化處理：

（3）計算標準化數(shù)據(jù)矩陣的協(xié)方差矩陣；

（4）求協(xié)方差矩陣的前m個特征值λ1≥λ2≥…≥λm，以及對應(yīng)的特征向量a1，a2，…，am，要求它們是標準正交的。

（5）求第h個成分的累積貢獻率：

式中：ηh——第h個成份的累積貢獻率；λi——協(xié)方差矩陣的第i個特征值。

（6）求第h主成分Fh，有

式中：Fh——第h主成份；x——標準化數(shù)據(jù)矩陣；ah——第h 特征向量；xj——第j個變量；ahj——ah的第j個分量。

（7）分析特征值和貢獻率較大的前幾個主成分，選取系數(shù)絕對值較大的指標進行生態(tài)分區(qū)劃分；在同一主成分中系數(shù)較大的指標則可以作為同一級生態(tài)分區(qū)的劃分指標。

1.2 邊界確定

生態(tài)分區(qū)是以不同尺度的生態(tài)系統(tǒng)及其影響因素為研究對象，應(yīng)用生態(tài)學中的格局與尺度等原理與方法，對目標區(qū)域進行分類。其實質(zhì)，是一定尺度下的景觀分類方法，主要反映自然因子（氣候、水文、地形地貌、土壤、植被等）及人類影響因子的作用關(guān)系。而系統(tǒng)聚類的方法，是按照所選取的樣本之間的相似性對樣本進行分類的。生態(tài)分區(qū)的內(nèi)在與實質(zhì)的要求和系統(tǒng)聚類的方法存在很大程度上的契合。同時，系統(tǒng)聚類的方法是一種無監(jiān)督的分類方法，在很大程度上排除了主觀因素對于生態(tài)分區(qū)結(jié)果的影響。因此，應(yīng)用系統(tǒng)聚類方法進行生態(tài)分區(qū)的劃分是比較合適的。

參考系統(tǒng)聚類的一般步驟［16］，聚類包括以下步驟：

（1）對選取指標的專題圖進行疊置分析，將分區(qū)對象分為眾多具有不同屬性值的小斑塊。設(shè)斑塊數(shù)為n，構(gòu)造n個類，每個類只包含一個小斑塊，記作G1，G2，…，Gn。

（2）定義n個類兩兩間的距離｛dij｝，記作D（0）＝

（3）合并距離最近的兩類為一新類，記作Gn＋1類，并取消剛合并的那兩類，得到n－1類，也就是n－1個斑塊。

（4）計算新類與剩余各類的距離，若類的個數(shù)等于1，停止聚類，否則回到步驟（3）。

本研究數(shù)據(jù)標準化采用標準差標準化變換，樣品間距離采用歐氏距離，聚類方法采用最遠距離法。歐氏距離的計算公式如式（4）。

式中：dij——i個斑塊與第j個斑塊的距離；xik——第i個斑塊的第k個屬性；xjk——第j個斑塊的第k個屬性。

最遠距離法的公式為：

式中：drk——對象Gr和Gk之間的距離；dpk——組成對象Gr的對象Gp與Gk之間的距離；dqk——組成對象Gr的對象Gq和Gk之間的距離。

通過系統(tǒng)聚類，可以得到一系列的結(jié)果，而如何在這些結(jié)果中選擇適宜的結(jié)果作為生態(tài)分區(qū)的結(jié)果，就需要依據(jù)一定的原則進行判斷。本文判斷的原則主要有以下兩點：

（1）區(qū)際異質(zhì)性與區(qū)內(nèi)同質(zhì)性［17］。在不同的生態(tài)分區(qū)中，其性質(zhì)存在比較明顯的差異，使得各生態(tài)分區(qū)之間表現(xiàn)出比較明顯的異質(zhì)性。而在同一生態(tài)分區(qū)內(nèi)則呈現(xiàn)相對的同質(zhì)性。

（2）利于管理原則。這一原則要求各生態(tài)分區(qū)必須在空間上具有連續(xù)性，從而為管理提供便利。因此，對于生態(tài)區(qū)內(nèi)部較小的異質(zhì)性斑塊在不影響生態(tài)分區(qū)整體性質(zhì)的基礎(chǔ)上可以對其進行合并處理。

2 案例研究

2.1 研究區(qū)概況

以遼河流域為研究對象進行案例研究。遼河流域地處我國東北地區(qū)的西南部，南瀕渤海與黃海，西南與內(nèi)蒙古內(nèi)陸河和河北海灤河流域相鄰，北與松花江流域毗連，地理位置東經(jīng)117°00′－125°30′，北緯40°30′－45°10′，地跨遼寧、吉林、內(nèi)蒙古、河北4省，由遼河水系和渾太水系兩個水系組成，流域面積21.9萬km2。

遼河流域地處中溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候區(qū)，冬季漫長寒冷，夏季炎熱多雨，春季干燥多風沙，秋季歷時短。流域內(nèi)多年平均降水量300～1 000 mm，受季風環(huán)流、水汽來源、地形等因素影響，降水的時空分布極為不均。全流域蒸發(fā)量大部分在500～1 200mm之間，與降水、空氣濕度、太陽輻射等因素有關(guān)，總的分布趨勢與水汽飽和差、相對濕度等氣象因素分布一致，整體呈現(xiàn)自西南向東北遞減的趨勢。遼河流域的地貌格局受燕山期以來的構(gòu)造運動控制，東、西、北三面逐漸被抬升，中部相對沉陷，地勢大體是自北向南、自東西兩側(cè)向中間傾斜降低，中下游形成平原。

目前遼河流域年徑流量僅137.2億m3，在我國7大水系中徑流量最小，人均水資源占有量約為638 m3，僅為全國人均占有水量的1／4左右，是我國嚴重貧水的地區(qū)之一；水污染在7大水系中位列第一，汛期和非汛期Ⅳ類、Ⅴ類、劣Ⅴ類河長比例分別為56.37%和63.51%，水質(zhì)污染使水不同程度地喪失了作為資源的經(jīng)濟意義，進一步加劇了水資源供需矛盾；全流域?qū)λY源的開發(fā)利用率已達到71%，大大超過了全國平均水平20%和江河極限開發(fā)利用水平40%；流域范圍內(nèi)河流斷流、湖庫萎縮、水土流失、生物種群喪失等生態(tài)環(huán)境問題嚴峻。

2.2 生態(tài)分區(qū)過程及結(jié)果

2.2.1 指標的選取 本方案主要選取5大類指標進行水生態(tài)分區(qū)：水熱條件、地勢地貌、植被類型、土地利用類型以及土壤類型。

其中，水熱條件體現(xiàn)了氣候?qū)τ谏鷳B(tài)系統(tǒng)的影響。地形地貌、土壤類型和植被類型影響河流水文和形態(tài)，形成了不同的河流生境條件，屬于自然因素對于生態(tài)系統(tǒng)的影響。土地的利用方式影響了河流有機營養(yǎng)物質(zhì)的輸入，屬于人為因素對于生態(tài)系統(tǒng)的影響。因此，選擇水熱條件、地形地貌、土壤類型、植被類型和土地利用類型等指標參與生態(tài)分區(qū)的劃分，能夠比較全面的體現(xiàn)自然因素及人為因素對于生態(tài)系統(tǒng)的影響，反映區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的特性。

2.2.2 指標分級 根據(jù)前文所述方法，應(yīng)用主成分分析的方法，得到結(jié)果如表1。

表1 主成分特征值及貢獻率

前兩個主成分的特征值大于1，累計貢獻率超過了50%，因此在分析中主要考慮前兩個主成分。

表2 主成分矩陣

在主成分1中，土壤類型、植被類型系數(shù)最大，其次為地形與降雨量；而在主成分2中，地形、降雨量系數(shù)最大，其次為土地利用，土壤類型和植被類型系數(shù)較小。因而，可以將土壤類型和植被類型，地形和降雨量，分別作為兩級生態(tài)分區(qū)的指標。

從流域的尺度來看，地形和降雨量在遼河流域的分布主要體現(xiàn)在整個流域的尺度，自西北向東南分別為山區(qū)－平原－丘陵和干旱－半濕潤－濕潤，因而這兩個指標可以作為遼河流域生態(tài)分區(qū)一級分區(qū)的劃分指標；而土壤類型以及植被類型的分布則沒有流域性的明顯分布趨勢，形成的異質(zhì)性斑塊較小，因而作為二級分區(qū)的劃分指標。

2.2.3 邊界確定 使用系統(tǒng)聚類方法，將遼河流域劃分為兩級生態(tài)分區(qū)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 遼河流域生態(tài)分區(qū)圖

根據(jù)各生態(tài)分區(qū)特征，將各一級分區(qū)命名為遼西北山地干旱區(qū)、遼中南平原半濕潤區(qū)、遼東南丘陵濕潤區(qū)，將各二級分區(qū)分別命名為遼西北山地干旱風沙土灌叢區(qū)、遼西北山地干旱風沙土草原區(qū)、遼西北山地干旱褐土草原區(qū)、遼西北山地干旱鈣土草原區(qū)、遼中南平原半濕潤風沙土草原灌叢區(qū)、遼中南平原半濕潤黃堰土農(nóng)作物區(qū)、遼中南平原半濕潤棕壤闊葉林區(qū)、遼東南丘陵濕潤棕壤針葉林區(qū)、遼東南丘陵濕潤暗棕壤闊葉林區(qū)。各分區(qū)特征見表3。

遼河流域人類活動對生態(tài)環(huán)境的影響劇烈，生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，亟需加強生態(tài)環(huán)境管理。本文通過生態(tài)分區(qū)的劃分，為流域環(huán)境與資源的研究、評估、監(jiān)測和管理提供適宜的空間分析框架，為遼河流域生態(tài)管理和相關(guān)政策的制定與實施提供合理的、科學的依據(jù)。應(yīng)依據(jù)生態(tài)分區(qū)的劃分結(jié)果，在不同的生態(tài)區(qū)中采取相應(yīng)的措施，遏止生態(tài)惡化的趨勢，并逐漸恢復遼河流域的生態(tài)健康。例如，在缺水嚴重的遼西北山地干旱區(qū)，應(yīng)立足本區(qū)特點，特別是水資源量特別缺乏的特點，大力推廣防滲、噴灌、微灌、改進溝畦灌、膜上灌等農(nóng)業(yè)節(jié)水措施，限制耗水型工業(yè)的發(fā)展；在保護好現(xiàn)有天然次生林和草原的基礎(chǔ)上，實施稀疏草地治理和水源涵養(yǎng)林建設(shè)，治理流動半流動沙地、沙漠化草場，防治風沙。

表3 遼河流域生態(tài)分區(qū)特征表

3 結(jié)論與討論

（1）在總結(jié)國內(nèi)外生態(tài)分區(qū)相關(guān)的研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，指出生態(tài)分區(qū)的劃分有兩個關(guān)鍵：分別是指標的選取和分區(qū)邊界的確定。在已有的方法中，主觀判斷方法（特別是專家判斷法）應(yīng)用最廣。

（2）應(yīng)用主成分分析方法確定各分區(qū)指標的權(quán)重，作為各級分區(qū)劃分指標選取的依據(jù)，為指標選取特別是指標分級提供了定量方法的支持。在邊界確定中，應(yīng)用了系統(tǒng)聚類的方法，是一種無監(jiān)督的分類方法，在較大程度上避免了主觀因素對于分區(qū)結(jié)果的影響。

（3）以的定量化方法為基礎(chǔ)，以遼河流域為例進行生態(tài)分區(qū)的劃分。遼河流域共劃分為一級分區(qū)3個，分別為：遼西北山地干旱區(qū)、遼中南平原半濕潤區(qū)、遼東南丘陵濕潤區(qū)；二級分區(qū)9個，分別為：遼西北山地干旱風沙土灌叢區(qū)、遼西北山地干旱風沙土草原區(qū)、遼西北山地干旱褐土草原區(qū)、遼西北山地干旱鈣土草原區(qū)、遼中南平原半濕潤風沙土草原灌叢區(qū)、遼中南平原半濕潤黃堰土農(nóng)作物區(qū)、遼中南平原半濕潤棕壤闊葉林區(qū)、遼東南丘陵濕潤棕壤針葉林區(qū)、遼東南丘陵濕潤暗棕壤闊葉林區(qū)。

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