于世偉，陳 賀，曾 容，楊志峰

（北京師范大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 水環(huán)境模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dāng)?shù)目臻g分析框架。傳統(tǒng)的以行政區(qū)域?yàn)榻绲膭澐謫卧荒軌蛲耆从成鷳B(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性、整體性等特點(diǎn)，因而不能滿足實(shí)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(rèn)為，生態(tài)分區(qū)是指生態(tài)系統(tǒng)或有機(jī)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(xué)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）、?。╬rovince）和地段（section）4個等級進(jìn)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(jī)構(gòu)和學(xué)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(xué)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(jìn)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(shí)證明，Omernik的生態(tài)分區(qū)體系在各個尺度都具有很高的實(shí)用性，特別是在生物與水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)定上具有明顯的優(yōu)勢［4－5］。

20世紀(jì)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?yàn)榱饔蚴怯刹煌鷳B(tài)系統(tǒng)組成的一致性區(qū)域和巨型復(fù)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(qiáng)管理。所以，以流域?yàn)閷ο蟮纳鷳B(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(biāo)，以水資源三級區(qū)為基礎(chǔ)，進(jìn)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(jì)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(biāo)，建立了以流域?yàn)閷ο蟮纳鷳B(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(jìn)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(biāo)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(diǎn)：一是生態(tài)分區(qū)指標(biāo)的選擇，包括選取何種指標(biāo)和在每一級分區(qū)中應(yīng)用什么指標(biāo)；二是生態(tài)分區(qū)邊界的確定方法。現(xiàn)有的生態(tài)分區(qū)研究，在這兩個關(guān)鍵點(diǎn)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(biāo)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(qiáng)，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(biāo)選取

指標(biāo)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(biāo)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(biāo)兩個方面。

選取何種指標(biāo)參與生態(tài)分區(qū)的劃分，需要根據(jù)分區(qū)目標(biāo)和分區(qū)對象的實(shí)際情況進(jìn)行選擇，在這個過程中，需要相關(guān)經(jīng)驗(yàn)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(biāo)選取的實(shí)質(zhì)，是判斷各個指標(biāo)在對象區(qū)域的異質(zhì)性大小，即對各個指標(biāo)的重要性（權(quán)重）進(jìn)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(biāo)選取階段引入主成分分析方法，使指標(biāo)選取的結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。

主成分分析是多元統(tǒng)計(jì)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(biāo)轉(zhuǎn)化為綜合指標(biāo)，從而將多維數(shù)據(jù)降維，用最少的指標(biāo)反映盡量多的信息。每一個綜合指標(biāo)（即主成分）都對應(yīng)有一個特征值和貢獻(xiàn)率，特征值越大，貢獻(xiàn)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(biāo)都有一個系數(shù)，系數(shù)的絕對值越大，該原始指標(biāo)對主成分的影響越大。通過分析特征值和貢獻(xiàn)率較大的前幾個主成分可以作為判斷原始指標(biāo)重要性的依據(jù)，從而確定進(jìn)行生態(tài)分區(qū)劃分的指標(biāo)；在同一主成分中系數(shù)較大的指標(biāo)則可以作為同一級生態(tài)分區(qū)的劃分指標(biāo)。

具體步驟為：

（1）將各個指標(biāo)數(shù)據(jù)化；

（2）對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

（3）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)正交的。

（5）求第h個成分的累積貢獻(xiàn)率：

式中：ηh——第h個成份的累積貢獻(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)率較大的前幾個主成分，選取系數(shù)絕對值較大的指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)分區(qū)劃分；在同一主成分中系數(shù)較大的指標(biāo)則可以作為同一級生態(tài)分區(qū)的劃分指標(biāo)。

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(xué)中的格局與尺度等原理與方法，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行分類。其實(shí)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(jìn)行分類的。生態(tài)分區(qū)的內(nèi)在與實(shí)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(jìn)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(biāo)的專題圖進(jìn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)化采用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化變換，樣品間距離采用歐氏距離，聚類方法采用最遠(yuǎn)距離法。歐氏距離的計(jì)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(yuǎn)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(jìn)行判斷。本文判斷的原則主要有以下兩點(diǎn)：

（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(jìn)行合并處理。

2 案例研究

2.1 研究區(qū)概況

以遼河流域?yàn)檠芯繉ο筮M(jìn)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(fēng)氣候區(qū)，冬季漫長寒冷，夏季炎熱多雨，春季干燥多風(fēng)沙，秋季歷時短。流域內(nèi)多年平均降水量300～1 000 mm，受季風(fēng)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(yùn)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(yán)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(jì)意義，進(jìn)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(dá)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(yán)峻。

2.2 生態(tài)分區(qū)過程及結(jié)果

2.2.1 指標(biāo)的選取 本方案主要選取5大類指標(biāo)進(jìn)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(jī)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(biāo)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(biāo)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(xiàn)率

前兩個主成分的特征值大于1，累計(jì)貢獻(xiàn)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(biāo)。

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(biāo)可以作為遼河流域生態(tài)分區(qū)一級分區(qū)的劃分指標(biāo)；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(biāo)。

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(fēng)沙土灌叢區(qū)、遼西北山地干旱風(fēng)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(fēng)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(yán)重，亟需加強(qiáng)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(shí)施提供合理的、科學(xué)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(fù)遼河流域的生態(tài)健康。例如，在缺水嚴(yán)重的遼西北山地干旱區(qū)，應(yīng)立足本區(qū)特點(diǎn)，特別是水資源量特別缺乏的特點(diǎn)，大力推廣防滲、噴灌、微灌、改進(jìn)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(hù)好現(xiàn)有天然次生林和草原的基礎(chǔ)上，實(shí)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(fēng)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(biāo)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(biāo)的權(quán)重，作為各級分區(qū)劃分指標(biāo)選取的依據(jù)，為指標(biāo)選取特別是指標(biāo)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?yàn)槔M(jìn)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(fēng)沙土灌叢區(qū)、遼西北山地干旱風(fēng)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(fēng)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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