承志榮，王新軍，2，王雪晴，周 綱，趙言文

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京210095；2.常州工學(xué)院 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 常州213002；3.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州310058；4.江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇 南京210029）

水土保持區(qū)劃是根據(jù)自然和社會(huì)條件、水土流失類型、強(qiáng)度和危害，以及水土流失治理的區(qū)域相似性和區(qū)域間差異性進(jìn)行的水土保持區(qū)域劃分，并對(duì)各區(qū)分別采取相應(yīng)的生產(chǎn)發(fā)展方向布局（或土地利用方向）和水土流失防治措施布局的工作。因此，水土保持區(qū)劃不但涉及自然資源情況和水土流失情況的調(diào)查，還涉及到經(jīng)濟(jì)社會(huì)狀況調(diào)查，涉及到農(nóng)、林、水、國土等其它行業(yè)相關(guān)情況的調(diào)查［1］。2011年組織開展的全國水土保持區(qū)劃工作，其作為全國層面上的區(qū)劃，尺度較大，其結(jié)果可作為宏觀上的指導(dǎo)，反映了全國自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)及水土流失防治需求的差異性和統(tǒng)一性［2］。江蘇省水土保持研究至今仍停留在區(qū)域或流域水土流失和水土保持措施方面，如張磊［3］采用GIS對(duì)江蘇省太湖流域水土流失情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，金兆森［4］等提出了江蘇省平原沙土區(qū)的水土保持措施，朱友銀［5］等構(gòu)建了江蘇省平原河網(wǎng)地區(qū)的水土流失防治措施體系，陳良［6］研究了江蘇省低山丘陵區(qū)水土流失情況及其治理措施。為了給江蘇省水土保持區(qū)劃提供科學(xué)依據(jù)，本研究運(yùn)用主成分分析方法，從自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用和水土流失等方面選取若干個(gè)指標(biāo)，對(duì)江蘇省水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系的建立進(jìn)行了研究。

1 指標(biāo)體系的建立

1.1 指標(biāo)體系建立的原則

在選擇水土保持區(qū)劃因子時(shí)，不僅要獨(dú)立考慮各種因素對(duì)水土保持的影響方式和程度，而且要把各種與之相關(guān)的因素作為系統(tǒng)中的環(huán)節(jié)綜合考慮［7］；不僅要反映區(qū)間差異性，也要體現(xiàn)區(qū)內(nèi)相似性。因此，在選擇指標(biāo)構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí)，必須遵循如下原則:（1）全面性和代表性相結(jié)合。影響水土保持的因素比較多，所選擇的指標(biāo)既要盡量全面地反映影響江蘇省水土保持的自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、土地利用等各個(gè)方面，又要求能夠突出地體現(xiàn)江蘇省水土保持特點(diǎn)和水土流失特征。（2）系統(tǒng)性和層次性相結(jié)合。由于江蘇省水土保持區(qū)劃是一個(gè)系統(tǒng)，具有多層次性，所以指標(biāo)體系也由多層結(jié)構(gòu)組成。同時(shí)，系統(tǒng)中各要素又相互聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，因此，應(yīng)從系統(tǒng)出發(fā)，選擇各層次相協(xié)調(diào)的因子。（3）可獲取性與可操作性相結(jié)合。建立的指標(biāo)體系往往實(shí)踐性不強(qiáng)，因此在選取指標(biāo)時(shí)應(yīng)結(jié)合相關(guān)江蘇省水土保持資料信息的實(shí)際，盡量選擇那些關(guān)鍵性的、綜合性的和易獲取的指標(biāo)，使建立的指標(biāo)體系簡潔明了，易于量化和分析。（4）動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性相結(jié)合。江蘇省水土保持區(qū)劃要在一定時(shí)期內(nèi)指導(dǎo)水土保持工作，所以要求指標(biāo)體系內(nèi)容不宜頻繁變動(dòng)，在一定時(shí)期內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定性。同時(shí)，指標(biāo)也應(yīng)具有一定的動(dòng)態(tài)性，可隨著江蘇省的發(fā)展逐步調(diào)整。（5）普遍性與區(qū)域性相結(jié)合。不同區(qū)域間具有差異性，影響各區(qū)域水土保持的因素也是不同的，必須根據(jù)江蘇省自身的特點(diǎn)建立符合地區(qū)相應(yīng)情況的指標(biāo)體系。同時(shí)也要考慮到指標(biāo)的可比性，以便進(jìn)行區(qū)域橫向與縱向的比較分析。

1.2 指標(biāo)體系的構(gòu)成

水土保持是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，它不僅受自然因素的影響，也受社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，土地利用變化也能引起一系列自然現(xiàn)象和生態(tài)過程的變化［8］。因此，水土保持影響因素包括自然、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等多個(gè)方面，而對(duì)水土保持影響因子的分析，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多因素、多指標(biāo)綜合作用的系統(tǒng)分析。根據(jù)水土保持區(qū)劃體系結(jié)構(gòu)，將水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系分為4個(gè)層次，包括目標(biāo)層（A）、要素層（B）、因子層（C）和指標(biāo)層（D）。其中，要素層（B）包括自然要素（B1）、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素（B2）、土地利用要素（B3）和水土流失要素（B4），因子層（C）由各項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成，如地形地貌因子（C1）等；指標(biāo)層（D）是水土保持各影響因素的具體體現(xiàn)，根據(jù)江蘇省具體情況進(jìn)行選擇確定。

1.3 指標(biāo)層指標(biāo)的選擇與分析

1.3.1 自然要素（B1） 自然要素是水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系中最重要的要素。影響水土流失的自然因素主要有:降雨、植被、坡面等因子［9］。江蘇省位于我國大陸東部沿海，總面積1.03×105km2。地貌以平原為主，該省平均海拔13.3m；丘陵山區(qū)面積1.47×104km2，占14.33%；水面面積1.73×104km2，占16.86%，比例之高居全國首位。江蘇省降水充沛，多年平均降水量800～1 100mm，且地區(qū)差異明顯，東部降水多于西部，南部多于北部，太湖南部、宜溧地區(qū)和長江附近降水最多，達(dá)1 150mm，江淮地區(qū)為950～1 100mm，淮北為850～950mm。江蘇省穩(wěn)定通過10℃的活動(dòng)積溫一般達(dá)4 500～5 000℃，滿足一年兩熟或三熟，增加了人為擾動(dòng)土地的力度；各地平均氣溫介于13～16℃，江南地區(qū)15～16℃，江淮流域14～15℃，淮北及沿海地區(qū)13～14℃，由東北向西南逐漸增高。江蘇省土壤質(zhì)地以壤土為主，部分地區(qū)為易造成水土流失的沙質(zhì)土，沙土區(qū)主要分布在廢黃河兩側(cè)、沿海平原及通揚(yáng)運(yùn)河以南地區(qū)。根據(jù)江蘇省的地貌地形、氣候、林草植被、土壤質(zhì)地等因子及其特點(diǎn)，選擇平均海拔（D1）、丘陵面積比例（D2）、年均降水量（D3）、年均氣溫（D4）、林草覆蓋率（D5）、沙土面積比（D6）、水域面積比（D7）等指標(biāo)構(gòu)成和反映自然要素（表1）。

1.3.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素（B2） 社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增加以及頻繁的人為活動(dòng)對(duì)新時(shí)期水土保持工作帶來了很大的挑戰(zhàn)。特別是開發(fā)建設(shè)活動(dòng)已成為新增水土流失的主要原因［10］。所以，社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件是水土保持重要的影響要素。2010年末，江蘇省共13個(gè)省轄市，55個(gè)市轄區(qū)、26個(gè)縣級(jí)市、24個(gè)縣。該省常住人口7 869.34萬人，人口密度767人/km2。2010年江蘇省地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到41 425.48億元，同比增長16.8%，人均地區(qū)生產(chǎn)總值5.28萬元，財(cái)政總收入11 743億元，三產(chǎn)比例為6.13∶52.51∶41.36。社會(huì)要素選定了人口密度（D8），人均GDP（D9），第一產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值比例（D10），第二產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)總值比例（D11）作為組成指標(biāo)（表1）。

1.3.3 土地利用要素（B3） 土地利用類型的不同對(duì)水土流失有著十分明顯的影響［11］。2010年底，江蘇省有農(nóng)用地6.72×106hm2，占該省總面積的62.91%；建設(shè)用地1.93×106hm2，占該省總面積的18.12%；未利用地2.02×106hm2，占該省總面積的18.97%。江蘇省土地利用類型以農(nóng)用地為主，建設(shè)用地比例高于全國平均水平、未利用地低于全國平均水平。其次，江蘇省土地利用還具有土地開發(fā)程度和總體效益高，建設(shè)用地?cái)U(kuò)張較快，土地利用的區(qū)域差異較大等特點(diǎn)。由于江蘇省大面積的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建設(shè)活動(dòng)，加劇了對(duì)土地的擾動(dòng)，增加了水土流失量。因此，選擇園地比例（D12）、林地比例（D13）、未用地比例（D14）、建設(shè)用地（D15）作為土地利用要素的指標(biāo)（表1）。

1.3.4 水土流失要素（B4） 水土流失的狀況直接決定水土保持措施的布局和重點(diǎn)工作方向，是水土保持區(qū)劃的基礎(chǔ)。江蘇省主要表現(xiàn)為丘陵山區(qū)（低山、丘陵、崗地）和平原區(qū)水土流失，大部分地區(qū)以水力侵蝕為主，水土流失強(qiáng)度以輕、微度流失為主，強(qiáng)度與面積的地域分布特征差異明顯［12］。2007年江蘇省水土流失定量監(jiān)測［13］顯示，2007年全省水土流失總量1.96×107t，水土流失總面積89 364.5km2；微度水土流失量6.74×106t，水土流失面積83 243.4km2，占水土流失總面積的93.15%；輕度水土流失量4.27×106t，水土流失面積5 229.4km2，占水土流失總面積的5.85%；中度及以上水土流失量8.61×106t，水土流失面積891.7km2，占水土流失總面積的1%。水土流失要素主要為水土流失類型因子，包括水土流失面積比例（D16）、微度土壤侵蝕面積比（D17）、輕度土壤侵蝕面積比（D18）、中度土壤侵蝕面積比（D19）、強(qiáng)度土壤侵蝕面積比（D20）、極強(qiáng)度土壤侵蝕面積比（D21）和烈度土壤侵蝕面積比（D22）（表1）。

表1 江蘇省水土保持區(qū)劃指標(biāo)

2 指標(biāo)體系的主成分分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

江蘇省水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系的主成分分析數(shù)據(jù)主要來源有于4個(gè)方面:（1）自然要素中的平均海拔數(shù)據(jù)是通過地理信息系統(tǒng)（GIS）從江蘇省30米分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）中提取的，年均降水量和年均氣溫來源于江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒和各縣的政府網(wǎng)站，其它數(shù)據(jù)均來源于各地水利主管部門上報(bào)數(shù)據(jù)。（2）社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來源于江蘇省統(tǒng)計(jì)年鑒和各地水利主管部門上報(bào)數(shù)據(jù)。（3）土地利用數(shù)據(jù)為2010年江蘇省各地土地利用數(shù)據(jù)，來源于各地水利主管部門上報(bào)數(shù)據(jù)和各地國土部門網(wǎng)站。（4）水土流失數(shù)據(jù)來源于江蘇省水土流失定量監(jiān)測成果。數(shù)據(jù)均以縣級(jí)行政單元收集，共105個(gè)縣級(jí)單元，2 310個(gè)數(shù)據(jù)。由于資料來源所限，水土流失數(shù)據(jù)采用2007年數(shù)據(jù)，其它均為2010年數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

由于選取的江蘇省水土保持區(qū)劃指標(biāo)的來源不同，量化的方法各異，導(dǎo)致了各種變量的量綱和數(shù)量大小是不一致的，變化幅度也不相同。如果直接用指標(biāo)值來計(jì)算，就會(huì)削弱絕對(duì)值小的變量的作用而突出絕對(duì)值大的變量的作用，不利于進(jìn)一步的分析［14］。因此，為了給每種變量以統(tǒng)一度量，必須在進(jìn)行主成分分析前，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究選用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化方法，以使區(qū)劃盡量保留實(shí)際值中的數(shù)值關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)化過程通過SPSS 18.0軟件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化公式為:

式中:Zij——第i個(gè)樣本的j變量標(biāo)準(zhǔn)化之后的值；Xij——第i個(gè)樣本的j變量的值；——第j個(gè)變量的算術(shù)平均值第j個(gè)變量的標(biāo)準(zhǔn)差

經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化變換后即變?yōu)?

2.3 主成分分析

2.3.1 主成分分析的原理與算法 主成分分析，又稱主組元分析、主分量分析，它是利用變量族的少數(shù)幾個(gè)線性組合（新的變量族）來解釋多維變量的協(xié)方差結(jié)構(gòu)，挑選最佳變量子集，簡化數(shù)據(jù)，揭示變量間關(guān)系的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法［15］。通過降維技術(shù)，它可以把多個(gè)具有一定相關(guān)性的指標(biāo)約化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)，使其盡可能多地包含原始變量的信息［16］。因此，主成分分析被廣泛用于指標(biāo)合成［17］。其計(jì)算步驟為:

（1）計(jì)算指標(biāo)數(shù)據(jù)的相關(guān)矩陣。以處理后的數(shù)據(jù)得到的樣本協(xié)方差陣為樣本相關(guān)陣，設(shè)此時(shí)的數(shù)據(jù)矩陣為為指標(biāo)數(shù)目，n為分區(qū)單元數(shù)，則相關(guān)系數(shù)矩陣R為

R＝（Rij）m×m

其中，r11＝r22＝r33＝…＝rmm＝1，i，j＝1，2，3，…，m。

（2）計(jì)算特征值和特征向量。由特征方程│R－λi│＝0，求得m 個(gè)特征值（i＝1，2，3，…，m），λi將其按大小順序排列為λ1≥λ2≥λ3≥…≥λm≥0，每個(gè)特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為:

將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)變量轉(zhuǎn)換為成分表達(dá)式:

（3）根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率提取主成分及其權(quán)數(shù)。前p個(gè)綜合指標(biāo)（p＜m）的方差與全部指標(biāo)的總方差之比即為累積貢獻(xiàn)率，通常要求提取的主成分的數(shù)量p滿足a＞0.85，即

表示提取的p個(gè)綜合指標(biāo)基本保留了原來全部指標(biāo)的85%以上的信息，這樣就達(dá)到了用較少指標(biāo)代替原來較多指標(biāo)的目的。權(quán)數(shù)G為每個(gè)主成分得分方差貢獻(xiàn)率:

2.3.2 各要素的主成分分析 使用SPSS 18.0軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。

（1）自然要素指標(biāo)主成分分析。① 首先在SPSS軟件下建立自然要素各指標(biāo)的數(shù)據(jù)文件。② 執(zhí)行“分析丨降維丨因子分析”命令，其中“抽取”對(duì)話框中方法選擇“主成分法”，抽取因子數(shù)量為5，保證抽取的主成分的累積貢獻(xiàn)率大于85%?！暗梅帧睂?duì)話框中選擇“保存為變量”，方法選擇“回歸”。③ 由主成分分析解釋的總方差分析結(jié)果可以看出，提取的前5個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為92.09%，大于85%。④ 根據(jù)主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率計(jì)算第1，2，3，4，5主成分的權(quán)重分別為0.34，0.26，0.16，0.13，0.11。⑤ 由主成分分析得到的成分矩陣詳見表2，由表2可以看出，第一主成分主要在年均降水量（D3）、年均氣溫（D4）上有較大載荷，因此第一主成分命名為氣候因子；第二主成分主要在丘陵山區(qū)面積比例（D2）上載荷較大，主要反映丘陵帶來的差異，因此第二主成分命名為地形地貌因子；第三主成分主要表現(xiàn)在水域面積比例（D7）指標(biāo)上，因此第三主成分命名為水域因子；第4主成分主要表現(xiàn)在林草覆蓋率（D5）指標(biāo)上，因此第4主成分命名為林草覆蓋因子；第5主成分主要表現(xiàn)在沙土面積比例（D6）指標(biāo)上，因此第5主成分命名為土壤質(zhì)地因子。

表2 自然要素主成分矩陣

（2）社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素指標(biāo)主成分分析。分析計(jì)算過程同上，共提取3個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素主成分，累積貢獻(xiàn)率92.98%，第1，2，3主成分的權(quán)重分別為0.50，0.37和0.13，根據(jù)成分矩陣各主成分分別命名為社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素綜合因子、二產(chǎn)比例因子、人均GDP因子。結(jié)果詳見表3。

表3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素主成分矩陣

（3）土地利用要素指標(biāo)主成分分析。分析計(jì)算過程同上，共提取4個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率100%，第1，2，3，4主成分的權(quán)重分別為0.36，0.25，0.21和0.18，根據(jù)成分矩陣分別命名為土地利用綜合因子、未利用地因子、園林地因子和建設(shè)用地因子。結(jié)果詳見表4。

表4 土地利用要素主成分矩陣

（4）水土流失要素指標(biāo)主成分分析。分析計(jì)算過程同上，共提取3個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率95.06%，第1，2，3主成分的權(quán)重分別為0.64，0.24和0.12，根據(jù)成分矩陣分別命名為水土流失綜合因子、微度因子和輕度因子。結(jié)果詳見表5。

表5 水土流失要素主成分矩陣

3 結(jié)果與分析

根據(jù)主成分分析，最終得到各要素主成分15個(gè)，達(dá)到了簡化數(shù)據(jù)，提取重點(diǎn)的效果。從各主成分權(quán)重來看，自然要素主要由氣候因子和地形地貌因子等構(gòu)成，基本能反映江蘇省自然情況的區(qū)內(nèi)一致性和區(qū)間差異性，其中水域因子在自然要素中也占了一定比重，體現(xiàn)了江蘇省水域?qū)拸V，河網(wǎng)密集，內(nèi)部差異顯著的特點(diǎn)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素主要由綜合因子和第二產(chǎn)值比例因子等構(gòu)成，反映了江蘇省產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、特別是第二產(chǎn)業(yè)發(fā)展（尤其是生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目）對(duì)江蘇省水土保持產(chǎn)生較大影響的特征；土地利用要素主要由綜合因子和未利用地因子等構(gòu)成，說明江蘇省不同土地利用類型對(duì)水土保持產(chǎn)生了不同程度的影響；水土流失要素主要由水土流失綜合因子及微輕度因子組成，符合江蘇省主要以微輕度水土流失為主的實(shí)際，作為水土流失要素的主成分，能夠有效劃分不同水土流失情況和特征的區(qū)域（表6）。

表6 江蘇省水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系

每類主成分取代原來各要素的全部指標(biāo)，可綜合反映各要素的特征。因此，以得出的15個(gè)主成分重新構(gòu)建江蘇省水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系，結(jié)合相應(yīng)的權(quán)重，即可計(jì)算出各類要素的綜合得分，為下一步的區(qū)劃奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

（1）從自然要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素、土地利用要素和水土流失要素4個(gè)方面選取22個(gè)指標(biāo)，通過主成分分析，從中選取15個(gè)主成分，并分別確定其權(quán)重，來建立江蘇省水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系，為下一步江蘇省水土保持區(qū)劃工作提供了依據(jù)。

（2）從指標(biāo)建立原則出發(fā)，依據(jù)江蘇省自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、土地利用和水土流失特點(diǎn)選取的指標(biāo)和主成分，比較全面地反映了江蘇省地區(qū)特色和江蘇省水土保持特征，結(jié)果表明采用的主成分分析方法科學(xué)、成熟、有效。

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