褚麗妹

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

基于多法驗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研究院，遼寧 沈陽 110003)

水土保持區(qū)劃；指標體系；主成分分析；聚類分析；空間疊置分析；遼寧省

針對生態(tài)文明建設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題，以遼寧省為研究對象，研究建立了大中尺度水土保持區(qū)劃指標體系，并將主成分分析、系統(tǒng)聚類分析、空間疊置分析及專家經驗分析等多種方法相結合，以全國水土保持區(qū)劃成果為基礎，開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個水土流失典型防治區(qū)，即遼東山地水源涵養(yǎng)減災區(qū)、遼東山地丘陵水質生態(tài)維護區(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)、遼北漫川漫崗農田保護區(qū)、遼中平原人居環(huán)境農田防護區(qū)、遼東丘陵生態(tài)維護區(qū)、遼中平原農田保土防風區(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)境維護減災區(qū)、遼西山地丘陵保土蓄水區(qū)，為遼寧省分區(qū)開展水土保持生態(tài)文明建設搭建了基本框架。

水土保持區(qū)劃是水土保持發(fā)展戰(zhàn)略、項目布局，以及目標和任務制定的基礎，也是行業(yè)管理和國家宏觀決策的重要依據[1]。開展深入系統(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、水土流失特點和社會經濟發(fā)展現狀，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、生態(tài)建設、經濟社會發(fā)展、科學試驗觀測等提供基本框架和科學依據。長期以來，我國土壤侵蝕類型分區(qū)(即水土流失類型分區(qū))及全國水土流失重點防治區(qū)等水土保持分區(qū)工作取得了一定成效，對水土保持工作起到了指導和促進作用，但是水土保持區(qū)劃研究仍然存在一系列問題，如：區(qū)劃概念認識不統(tǒng)一，應用上沒有達成共識；大部分偏重自然區(qū)劃，社會經濟兼顧不夠；大部分屬于概念性分區(qū)，邊界不清晰，操作性不強；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)一標準，不能與國家區(qū)劃相銜接等[2-3]。目前，遼寧省只是簡單地以東、西、南、北、中等區(qū)域方位進行水土保持分區(qū)，劃分粗糙，邊界不清，定位不準，應用隨意，缺乏系統(tǒng)的區(qū)劃研究。要做好水土保持工作，如果沒有科學、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，針對大中尺度水土保持區(qū)劃等級體系、指標體系、區(qū)劃方法等開展研究，以期建立可操作性強且全國統(tǒng)一的省域水土保持區(qū)劃方法，有效指導大中尺度區(qū)域水土保持生態(tài)文明建設工作。

1 水土保持區(qū)劃指標體系構建

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

1.1 劃分標準

省域尺度水土流失典型防治區(qū)劃分要符合以下標準：保持區(qū)內優(yōu)勢地貌類型基本一致；保持區(qū)內社會經濟發(fā)展水平及重點開發(fā)建設取向基本一致；保持區(qū)內土壤侵蝕類型、侵蝕強度和程度基本一致；保持區(qū)內水土流失防治需求及防治模式基本一致；保持區(qū)內水土保持功能基本一致；保持區(qū)內地表物質組成基本一致；依據土地利用覆被條件和農業(yè)產業(yè)結構現狀，保持區(qū)內土地利用和農業(yè)產業(yè)結構發(fā)展方向基本一致；依據遼寧省土壤類型、農業(yè)氣候資源分布、河流水系情況，保持區(qū)內土壤類型、氣候(水熱)條件、河流水文條件基本一致[6-8]。

1.2 指標體系

指標的選擇及其數量直接影響到區(qū)劃的結果[9-10]，針對當前水土保持區(qū)劃急需解決的突出問題，根據省域水土流失典型防治區(qū)劃分標準，構建了遼寧省水土保持區(qū)劃指標體系。水土保持區(qū)劃指標體系由4個層次構成，分別為目標層(A)、要素層(B)、因子層(C)和指標層(D)。目標層是水土保持區(qū)劃的預定目標，綜合了影響水土保持的各項要素、因子及指標。要素層充分反映地域單元的自然地理、生態(tài)和經濟社會特征，重點考慮水土流失及相關影響要素，確定的水土保持區(qū)劃要素主要包括自然要素、社會經濟要素、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指標構成。指標層是水土保持各影響因素的具體體現，表達因子層的具體內容。省級區(qū)劃由于范圍廣、差異大，指標體系難以統(tǒng)一，即使同一指標在不同地區(qū)其權重差異也很大，因此根據區(qū)域具體情況，指標以定量為主、定性為輔，定性與定量指標相結合?；谏鲜鲈瓌t確定的遼寧省水土保持區(qū)劃指標體系見表1。

表1 遼寧省水土保持區(qū)劃指標體系

1.3 數據獲取

區(qū)劃指標數據要保證可靠，具有公信力，且可獲得。數據獲取單元為區(qū)劃單元?？紤]到水土保持的綜合性、實踐應用性及其社會經濟功能屬性，確定遼寧省水土保持區(qū)劃原則上以縣級行政區(qū)為單元，同時考慮到遼東山地丘陵區(qū)向遼寧中部平原過渡區(qū)域的部分縣(市、區(qū))跨越山地與平原，區(qū)內地形地貌、氣候條件、水土流失現狀差異較大，且比例相當，因此該部分區(qū)域以鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)為劃分單元。

指標數據來源：地形地貌數據通過地理信息系統(tǒng)從遼寧省數字高程模型中提?。粴庀髷祿碓从诟鞯鼐哂写硇缘臍庀笈_(站)1981—2014年歷年平均值；社會經濟數據來源于《遼寧統(tǒng)計年鑒》，除時段數據外，時點數據均為2014年數據；土地利用數據來源于第二次全國土地調查成果；水土流失數據來源于遼寧省土壤侵蝕數據庫。

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，又要解決劃分指標繁多、信息繁雜的問題。本研究采用定量分析與定性分析相結合、統(tǒng)計分析與典型調研相結合的方法。根據區(qū)劃指標體系，收集相關指標數據，在保留原始指標主要信息的前提下，依托SPSS 20.0軟件采用主成分分析將指標體系中的眾多變量縮減為幾個綜合指標。在此基礎上分別通過SPSS 20.0軟件進行系統(tǒng)聚類分析和GIS空間分析軟件對區(qū)劃要素進行空間疊置分析，形成分區(qū)成果的相互驗證。最后根據專家經驗法依據行政界線完整、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定量分區(qū)結果進行微域調整，實現界線連續(xù)，最終形成遼寧省水土保持區(qū)劃成果。具體包括：數據標準化處理采用標準差標準化方法，將全部劃分單元的所有指標數據減去其平均值，再除以標準差，進行數據轉換，轉換后均值為0、方差為1，以消除量綱的影響；主成分分析按照累計貢獻率>0.85或主成分特征值>1提取主成分，以確保這些綜合指標盡量保留原來全部指標的信息；系統(tǒng)聚類分析采用Q型聚類，即按劃分單元進行聚類，距離的計算采用平方歐式距離，最后依據區(qū)域共軛原則進行調整，進而得到分區(qū)結果；空間疊置分析采用多邊形疊置分析分別對自然要素、土地利用要素、社會經濟要素和水土流失要素區(qū)劃圖進行疊置，得到水土保持區(qū)劃圖；專家經驗法是通過召集熟悉當地情況的專家學者和一線工作者，甚至是熟悉當地情況的農民，采取實地調研、座談方式，研究在適當的地方劃出粗略的分異界線，然后再收集和分析各種有關資料，進行科學論證并做出相應調整。

3 區(qū)劃結果與分析

全國水土保持區(qū)劃確定的三級區(qū)遼寧省有7個。依據省域尺度水土流失典型防治區(qū)劃分標準，長白山山地水源涵養(yǎng)減災區(qū)、遼東半島人居環(huán)境維護減災區(qū)、遼西山地丘陵保土蓄水區(qū)區(qū)域內分異性較小，在遼寧省四級區(qū)劃中對上述3個區(qū)域保持原有邊界不變。其余4個三級區(qū)，即長白山山地丘陵水質維護保土區(qū)、遼河平原人居環(huán)境維護農田防護區(qū)、遼北漫川漫崗土壤保持區(qū)、遼寧西部丘陵保土攔沙區(qū)，區(qū)域內具有一定的分異性，遼寧省四級區(qū)劃主要針對這4個區(qū)域進行逐區(qū)劃分。

3.1 長白山山地丘陵水質維護保土區(qū)(Ⅰ-2-3st)

長白山山地丘陵水質維護保土區(qū)包含17個縣級行政區(qū)，侵蝕類型均為水力侵蝕。依據本研究確定的定量指標體系，除去D16，選取18項指標，組成17×18階原始矩陣。在數據標準化的基礎上依次計算相關系數矩陣、特征值、主成分貢獻率及累計貢獻率，提取7個主成分，其對應的特征值>1，累積貢獻率為89.20%。提取的前6個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個主成分來代表原來的多個指標的絕大部分信息。計算主成分得分后，進行Q型聚類，采用Ward法，聚類分析結果為以撫順縣為界，大體分為南北2個四級區(qū)，見圖1。同時，在主成分分析的基礎上應用MapGIS軟件的空間分析功能對區(qū)域內的自然要素、社會經濟要素、土地利用要素及水土流失要素進行空間分析，綜合多要素進行疊置分析得出該區(qū)綜合要素分區(qū)圖，見圖2。空間疊置分析與聚類分析結果相當。最后依據共軛原則及專家經驗法進行微域調整，確定四級區(qū)邊界，見圖3。

圖1 長白山山地丘陵水質維護保土區(qū)Ward聯(lián)接樹狀圖

圖2 長白山山地丘陵水質維護保土區(qū)空間疊置分析

圖3 遼寧省水土保持四級區(qū)劃

3.2 遼河平原人居環(huán)境維護農田防護區(qū)(Ⅲ-1-1rn)

遼河平原人居環(huán)境維護農田防護區(qū)包含32個縣級行政區(qū)，其中遼陽縣、燈塔市、海城市、大石橋市需打破縣級行政界線，按西部平原和東部丘陵分為兩個區(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個劃分單元。選取19項指標，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個主成分，其對應的特征值>1，累積貢獻率為82.16%。提取的6個主成分可代表原來的多個指標的絕大部分信息。計算主成分得分后進行系統(tǒng)聚類和空間疊置分析，聚類方法為中位數聯(lián)接，見圖4、5。兩種方法分區(qū)結果相當，均將該區(qū)劃分為3個四級區(qū)，邊界略有差異。最后進行微域調整確定四級區(qū)邊界，見圖3。

3.3 遼北漫川漫崗土壤保持區(qū)(Ⅰ-3-1t)

遼北漫川漫崗土壤保持區(qū)包含4個縣級行政區(qū)，侵蝕強度均為中度，除去D17，選取18項指標，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個主成分，其對應的特征值>1，累積貢獻率為100%。提取的3個主成分可代表原來的多個指標的絕大部分信息。計算主成分得分后進行系統(tǒng)聚類和空間疊置分析，聚類方法為平均聯(lián)接(組內)，見圖6、7。兩種方法分區(qū)結果相同，均將該區(qū)域劃分為2個四級區(qū)，且邊界連續(xù)，無須進行調整。

圖4 遼河平原人居環(huán)境維護農田防護區(qū)中位數聯(lián)接樹狀圖

圖5 遼河平原人居環(huán)境維護農田防護區(qū)空間疊置分析

圖6 遼北漫川漫崗土壤保持區(qū)平均聯(lián)接(組內)樹狀圖

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個縣級行政區(qū)，選取19項指標，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個主成分，其對應的特征值>1，累積貢獻率為82.03%。根據主成分矩陣，前3個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個主成分特征值大于1，故取前5個主成分來代表原來的多個指標的絕大部分信息。計算主成分得分后進行系統(tǒng)聚類和空間疊置分析，聚類方法為最近鄰元素，見圖8、9。兩種方法分區(qū)結果相當，均將該區(qū)劃分為2個四級區(qū)，邊界略有差異。最后進行微域調整確定四級區(qū)邊界，見圖3。

圖7 遼北漫川漫崗土壤保持區(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 遼寧省四級區(qū)劃結果

銜接全國水土保持區(qū)劃成果，遼寧省水土保持區(qū)劃共劃分為12個四級區(qū)，見表2。12個四級區(qū)邊界分布詳見圖3。

表2 遼寧省水土保持四級區(qū)劃

4 結 論

(1)研究建立的由自然、社會經濟、土地利用和水土流失4項要素，地形地貌、氣候特征、植被、人口、經濟、地類、水土流失和水土保持8項因子，以及與之相對應的21項指標構成的遼寧省水土保持區(qū)劃指標體系，適用于大中尺度水土保持區(qū)劃。

(2)通過主成分分析對按指標體系收集的大量指標數據實現了有效降維，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合。定量分析通過聚類分析和空間疊置分析并行，實現區(qū)劃結果的相互驗證，保證了區(qū)劃成果的可靠性；定性分析通過專家經驗法進行微域調整，保證了區(qū)劃成果的可操作性。

(4)基于多法聯(lián)動的遼寧省水土保持區(qū)劃，最終將全省劃分為12個四級區(qū)，為遼寧省分區(qū)開展水土保持生態(tài)文明建設提供了科學依據。

[1] 趙巖,王治國,孫保平,等.中國水土保持區(qū)劃方案初步研究[J].地理學報,2013,68(3):307-317.

[2] 張超,王治國,王秀茹,等.中國水土保持區(qū)劃的回顧與思考[J].中國水土保持科學,2008,6(4):100-104.

[3] 孫保平,王治國,趙巖,等.中國水土保持區(qū)劃的目的、任務與特點[C]//中國水土保持學會規(guī)劃設計專業(yè)委員會2011年年會論文集.杭州:2011:13-17.

[4] 王治國,王春紅.對我國水土保持區(qū)劃與規(guī)劃若干問題的認識[J].中國水土保持科學,2007,5(1):105-109.

[5] 王治國,張超,紀強,等.全國水土保持區(qū)劃分級體系與方法[C]//中國水土保持學會規(guī)劃設計專業(yè)委員會2011年年會論文集.杭州:2011:5-12.

[6] 李建軍,王念中,張鋒.遼河流域水土保持分區(qū)及防治策略[J].東北水利水電,2013(7):46-49.

[7] 李樹彬.遼寧省礦區(qū)水土保持生態(tài)建設分區(qū)研究[J].水土保持通報,2008,28(4):90-99.

[8] 王白春,許林軍,朱莉莉,等.北方風沙區(qū)水土保持三級區(qū)劃分[C]//中國水土保持學會規(guī)劃設計專業(yè)委員會2011年年會論文集.杭州:2011:66-73.

[9] 承志榮,王新軍,王雪晴,等.基于主成分分析法的江蘇省水土保持區(qū)劃指標體系研究[J].水土保持通報,2013,33(6):181-186.

[10] 王新軍,曹磊,吳穎超,等.基于GIS的江蘇省水土保持區(qū)劃方法[J].水土保持通報,2014,34(3):130-134.

(責任編輯 李楊楊)

遼寧水利科技指導性計劃項目(20140110)

S157

A

1000-0941(2017)04-0049-05

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

2016-12-23