紅壤低山丘陵區(qū)水土流失防治分區(qū)方法與措施配置*
——以寧都縣小洋小流域?yàn)槔?/h1>
2021-10-11 02:05:28王凌霞李忠武王丹陽胡曉倩
土壤學(xué)報(bào) 2021年5期
王凌霞，李忠武，2?，王丹陽，陳 佳，胡曉倩，寧 珂
（1. 湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082；2. 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長沙 410081；3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）
水土保持區(qū)劃是根據(jù)水土流失特征和自然社會(huì)現(xiàn)狀進(jìn)行的水土保持區(qū)域劃分或合并的研究。自20世紀(jì)50年代以來，諸多學(xué)者就省域、市域、縣域[1-3]等大尺度區(qū)域上提出了水土保持區(qū)劃方案，水利部也于2011年組織制定了全國水土保持三級區(qū)劃方案，分別從國家、區(qū)域、項(xiàng)目角度指導(dǎo)水土保持工作的開展[4]。這些方案以行政區(qū)為基本單元，分析了自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水土流失類型等因素，為水土保持重點(diǎn)項(xiàng)目的布局與規(guī)劃，防治目標(biāo)與技術(shù)體系的確定奠定了基礎(chǔ)。但其同一空間單元內(nèi)自然因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、水土流失特征仍存在明顯的差異，難以因地制宜地指導(dǎo)具體水土保持措施布設(shè)。
20世紀(jì)80年代初，水利部借鑒美國水土保持工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國自身地形地貌及土地利用特點(diǎn)，確定了以面積<50 km2的小流域?yàn)榛締卧乃亮魇ЬC合治理模式。相較于大尺度水土保持區(qū)劃宏觀布局的目標(biāo)，在小流域尺度制定水土流失防治分區(qū)以防治水土流失，改善生態(tài)環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，可以因地制宜地指導(dǎo)水土保持措施布設(shè)，對地方機(jī)構(gòu)土壤管理實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)[5]。因此，以像元為空間單元，在小流域尺度開展水土流失防治分區(qū)是指導(dǎo)水土保持綜合治理的有效途徑。
分區(qū)方法是影響分區(qū)結(jié)果的重要環(huán)節(jié)，相同指標(biāo)體系下采用不同分區(qū)方法可能導(dǎo)致分區(qū)結(jié)果的巨大差異。隨著衛(wèi)星成像技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)分區(qū)方法逐漸由定性向定量轉(zhuǎn)變[6]。從技術(shù)角度來看，分區(qū)是一種根據(jù)空間單元的相似性來組織空間單元評價(jià)結(jié)果的方法，其中最常用的定量方法是聚類算法，現(xiàn)有聚類算法種類繁多、體系復(fù)雜，需要依據(jù)分區(qū)原則制定評價(jià)方案，對不同分區(qū)方法所得結(jié)果進(jìn)行對比。鑒于此，本研究選擇小洋小流域?yàn)槔?，基于“壓?狀態(tài)-響應(yīng)”模型從水土流失敏感性、土壤侵蝕態(tài)勢、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)三個(gè)維度構(gòu)建水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系，分別運(yùn)用k均值聚類算法（k-means clustering algorithm，k-means）、自組織映射算法（Self-organizing Maps，SOM）、迭代自組織數(shù)據(jù)分析算法（Iterative Self-organizing Data Analysis，ISODATA）劃分水土流失防治分區(qū)，按照分區(qū)結(jié)果的輪廓系數(shù)（Silhouette Coefficient，SC）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon’s Diversity Index，SHDI）、周長-面積分維指數(shù)（Perimeter-Area Fractal Dimension Index，PAFRAC）對三種分區(qū)方案進(jìn)行優(yōu)選，并以所得最優(yōu)的分區(qū)方案為基礎(chǔ)布設(shè)水土保持措施，以期為小流域水土保持綜合治理工作提供科學(xué)指導(dǎo)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
寧都縣位于南方紅壤低山丘陵區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的贛南地區(qū)。自20世紀(jì)80年代起，寧都縣相繼被列入三項(xiàng)全國水土保持工程，共治理72條小流域，取得了顯著的治理成果。小洋小流域于2017年計(jì)劃開展國家水土保持重點(diǎn)治理工程，在此之前只有群眾自發(fā)的、小規(guī)模的零星治理。以2015年小洋小流域?yàn)槔梢源砟戏郊t壤低山丘陵區(qū)未治理小流域的自然狀態(tài)。小流域地處固厚鄉(xiāng)、固村鎮(zhèn)、長勝鎮(zhèn)交界處，總面積47.60 km2，水土流失面積25.17 km2，占土地總面積的53.72%。土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，屬于全國水土保持區(qū)劃中的贛南山地土壤保持三級區(qū)（Ⅴ-4-8t）。成土母質(zhì)以花崗巖類風(fēng)化物為主，土壤類型主要有紅壤和水稻土，具有砂礫含量高，自然肥力較低的特點(diǎn)，一旦植被遭到破壞，極易造成嚴(yán)重的水土流失。流域氣候類型屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為18.9℃，雨量充沛且年內(nèi)分配不均，多年平均降水量為1 551 mm，主要集中在4—6月。小流域地貌類型以低山、丘陵為主，局部為河灘地，林草覆蓋率約為74.9%。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年底流域總?cè)丝? 680人，人口密度為164人·km–2，農(nóng)村居民人均可支配收入7 248元。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占主導(dǎo)地位，農(nóng)民收入以種植業(yè)為主，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致農(nóng)民生產(chǎn)生活受到較大影響。同時(shí)流域內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理，糧食作物占較大優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)作物、林果產(chǎn)值比重較小，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)單調(diào)，當(dāng)?shù)厝罕姲l(fā)展經(jīng)濟(jì)果木林的愿望強(qiáng)烈。
1.2 小流域水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系
水土流失防治分區(qū)是在區(qū)域水土流失成因、驅(qū)動(dòng)力及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，全面評價(jià)水土流失對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，為水土保持措施的布設(shè)乃至生產(chǎn)發(fā)展方向布局提供科學(xué)依據(jù)。因此，可以構(gòu)建基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（Pressure- State-Response，PSR）模型的水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系概念框架，利用模型的三個(gè)維度分別反映生態(tài)系統(tǒng)對水土保持的需求、依據(jù)和適應(yīng)。PSR模型是由加拿大統(tǒng)計(jì)學(xué)家David J.Rapport和Tony Friend最早提出，后由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）推廣發(fā)展的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的常用模型。其中壓力代表外界對生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)，狀態(tài)指生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，響應(yīng)指生態(tài)系統(tǒng)對外界擾動(dòng)的反饋[7]。由于人類活動(dòng)和自然因素的空間異質(zhì)性使土壤承受不同程度壓力（P），造成了現(xiàn)有水土流失空間分布情況（S），生態(tài)系統(tǒng)為適應(yīng)水土流失現(xiàn)狀，其服務(wù)功能結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變（R）。因此，基于實(shí)效性、系統(tǒng)性和可操作性原則，選擇三個(gè)維度5項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建小流域水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系（表1）。
表1 小流域水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系 Table 1 Index systems used for zoning
（1）壓力維度。壓力維度采用水土流失敏感性要素評價(jià)，小流域內(nèi)部由于自然環(huán)境差異和人類活動(dòng)影響，不同區(qū)域發(fā)生土壤侵蝕的可能性有著明顯差異。為了識(shí)別易形成土壤侵蝕的區(qū)域，評價(jià)土壤侵蝕對人類活動(dòng)的敏感程度，本研究針對小流域自然環(huán)境特點(diǎn)及土壤侵蝕成因，選擇了坡度、植被覆蓋度、土地利用類型三個(gè)指標(biāo)。其中坡度指標(biāo)采用2015年DEM數(shù)據(jù)（http://www.gscloud.cn/）計(jì)算得出。并根據(jù)中國土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)（SL190-2007），將其分為6級：<5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°，>35°；植被覆蓋度采用來源于2015年中國250 m植被指數(shù)16天合成產(chǎn)品（http://www.gscloud.cn/）計(jì)算得到；土地利用類型主要利用高分二號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)（http://www. rscloudmart.com：8088/），采用人機(jī)交互式目視判讀的方式，依照中國科學(xué)院土地資源分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[8]，獲得了土地利用數(shù)據(jù)。利用ArcGIS空間分析功能，將坡度、植被覆蓋度、土地利用類型三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行重采樣、疊加分析，并借鑒孫小濤等[9]的研究，建立小流域水土流失敏感性評判等級表，生成水土流失敏感性空間分布圖。
（2）狀態(tài)維度。狀態(tài)維度對應(yīng)土壤侵蝕態(tài)勢，定量表征小流域內(nèi)已發(fā)生的土壤侵蝕分布情況，對預(yù)防和治理土壤侵蝕，因地制宜地布設(shè)水土保持措施提供科學(xué)指導(dǎo)。本研究參考程琳等[10]的研究，采用中國土壤流失方程（CSLE）計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)（t·km–2·a–1），并 根 據(jù) 土 壤 侵 蝕 分 級 分 類 標(biāo) 準(zhǔn)（SL190-2007）將其分為6類：<500（微度）、500～2 500（輕度）、2 500～5 000（中度）、5 000～8 000（強(qiáng)烈）、8 000～15 000（極強(qiáng)烈）、>15 000（劇烈），得到土壤侵蝕強(qiáng)度以表征小流域土壤侵蝕態(tài)勢。
（3）響應(yīng)維度。響應(yīng)旨在確定生態(tài)系統(tǒng)對外界擾動(dòng)的自適應(yīng)能力，因而引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)要素。小流域水土流失防治分區(qū)的目標(biāo)就是治理水土流失，最終實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的恢復(fù)及價(jià)值的提升。過往水土保持區(qū)劃方案中通常將土壤保持、水源涵養(yǎng)等與水土保持相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入指標(biāo)體系[11]，但是當(dāng)區(qū)劃目標(biāo)過分強(qiáng)調(diào)土壤保持功能時(shí)，可能會(huì)損害到其他一種或多種服務(wù)的供給，導(dǎo)致預(yù)期之外的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)衰退[12]。因而全面評估小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對水土流失防治分區(qū)研究的意義重大。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量化指標(biāo)，有效地將同一生態(tài)系統(tǒng)所提供的不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行綜合，并可與其他生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析對比。為了全面評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，本研究將其分為9類功能：糧食生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、廢物處理、生物多樣性維護(hù)、提供審美價(jià)值、土壤形成和保護(hù)以及水文調(diào)節(jié)。本研究采用基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估的方法[13]，該方法數(shù)據(jù)需求少，操作簡單，方法統(tǒng)一，適合對小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行快速核算。最后利用熵權(quán)法計(jì)算各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的權(quán)重，對小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行綜合評價(jià)。
1.3 小流域水土流失防治分區(qū)方法
早期分區(qū)側(cè)重專家商會(huì)、指標(biāo)體系研究，其結(jié)果很容易被分析者的觀點(diǎn)所影響。隨著數(shù)據(jù)精度的不斷提升，采用人工分區(qū)的難度也逐級增加，機(jī)器學(xué)習(xí)方法被引入分區(qū)工作中。自下而上的分區(qū)劃定主要采用聚類算法，這其中又根據(jù)學(xué)習(xí)方式不同分為監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類。監(jiān)督分類是按照一定規(guī)則（訓(xùn)練數(shù)據(jù)）為對象貼標(biāo)簽，并依照標(biāo)簽來區(qū)分歸類[14]。該方法分類結(jié)果很大程度上依賴于訓(xùn)練樣本，因而很難對不同算法之間進(jìn)行嚴(yán)格比較。而非監(jiān)督分類則無需訓(xùn)練數(shù)據(jù)，將屬性相近的基本單元以一定規(guī)則聚類起來，可以避免由于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的選擇造成方法主觀性強(qiáng)的問題[15]，在各類區(qū)劃中應(yīng)用較為廣泛。本研究選取自然分區(qū)中最常用的3種非監(jiān)督分類算法：k-means算法、SOM算法、ISODATA算法進(jìn)行對比，篩選出適于小流域水土流失防治分區(qū)方法。
k-means算法源于信號(hào)處理中一種向量量化的方法，現(xiàn)今作為一種聚類分析方法流行于數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域。通過計(jì)算給定樣本集中樣本之間的距離大小，將樣本劃分為k個(gè)簇。盡量實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)樣本聯(lián)系緊密，簇間距離最大化。
SOM算法是一種可以將高維數(shù)據(jù)降維映射到低維空間中的聚類方法，它由輸入層和競爭層兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，通過模擬生物神經(jīng)元之間的興奮、協(xié)調(diào)與抑制、競爭作用原理，在二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上通過自組織競爭對輸入層進(jìn)行聚類。
ISODATA算法是對k-means算法的進(jìn)一步優(yōu)化，通過在初始化時(shí)加入合并與分裂兩個(gè)閾值，對相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大于分裂閾值的分量進(jìn)行拆分，對中心距離小于合并閾值的分量進(jìn)行兼并，最終得到一個(gè)比較理想的分類結(jié)果。
本研究以2015年為基準(zhǔn)，30 m×30 m柵格作為空間單元，計(jì)算每個(gè)空間單元的水土流失敏感性、土壤侵蝕態(tài)勢、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)三項(xiàng)評價(jià)要素作為輸入數(shù)據(jù)，將分區(qū)數(shù)目定為5類，利用ArcGIS空間分析功能和MATLAB共同實(shí)現(xiàn)三種聚類算法在小洋小流域中的分區(qū)過程。
1.4 分區(qū)方法評價(jià)
選擇輪廓系數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、周長-面積分維指數(shù)分別從聚散性、多樣性和形狀復(fù)雜性來評價(jià)分區(qū)結(jié)果。
（1）輪廓系數(shù)。輪廓系數(shù)可以從分區(qū)結(jié)果的內(nèi)聚度和分離度兩方面評價(jià)水土流失防治分區(qū)方案的聚類效果，計(jì)算公式如下：
式中，a(i)為i向量到同一簇內(nèi)其他點(diǎn)不相似程度的平均值，b(i)為i向量到其他簇的平均不相似程度的最小值。為評價(jià)當(dāng)前聚類的整體輪廓系數(shù)，計(jì)算所有輪廓系數(shù)S(i)的平均值，即為平均輪廓系數(shù)SC；
式中，n為數(shù)據(jù)集中特征向量的總數(shù)。平均輪廓系數(shù)的區(qū)間為[–1，1]，值越大表示聚類效果越好，反之越差，0代表聚類重疊。
（2）香農(nóng)多樣性指數(shù)。香農(nóng)多樣性指數(shù)常用于生態(tài)學(xué)中反映景觀異質(zhì)性，在水土流失防治分區(qū)方案評價(jià)中可用于量化不同分區(qū)的非均衡分布情況，計(jì)算公式如下：
式中，P為各基本單元類型構(gòu)成不同分區(qū)的比例。香農(nóng)多樣性指數(shù)的范圍為SHDI≥0，SHDI增大，說明各基本單元類型在不同分區(qū)中呈均衡化趨勢分布。為了實(shí)現(xiàn)分區(qū)方案中組間差異最大化，組內(nèi)差異最小化的原則，香農(nóng)多樣性指數(shù)越小表示分區(qū)結(jié)果越好。
（3）周長-面積分維指數(shù)。周長-面積分維指數(shù)反映了不同分區(qū)形狀的復(fù)雜性，計(jì)算公式如下：
式中，p為斑塊周長（m），a為斑塊面積（m2）。周長-面積分維指數(shù)的區(qū)間為[1，2]，指數(shù)越高，斑塊形狀越復(fù)雜，反之越簡單。為盡可能簡化分區(qū)結(jié)果，方便水土保持措施布設(shè)與落實(shí)，在評價(jià)水土流失防治分區(qū)時(shí)，周長-面積分維指數(shù)越小分區(qū)結(jié)果越好。
2 結(jié)果與討論
2.1 水土流失敏感性及土壤侵蝕態(tài)勢空間分布格局
小洋小流域水土流失敏感性分布如圖1a所示，流域以微度敏感區(qū)為主，占全區(qū)總面積的79%；輕度水土流失敏感區(qū)面積為6.2 km2，占全區(qū)總面積13%；中度水土流失敏感區(qū)面積為2.4 km2，占全區(qū)總面積5%，主要分散地分布在地勢起伏較大的地區(qū)；強(qiáng)烈與極強(qiáng)烈敏感區(qū)主要分布在流域東北部、中部建設(shè)用地以及西部流域農(nóng)田區(qū)，占全區(qū)總面積3%。綜上，小洋小流域水土流失敏感性區(qū)域較小，且敏感程度較低，尤其以輕度和中度為主，應(yīng)以預(yù)防為主。
利用CSLE模型對小洋小流域土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)，土壤侵蝕現(xiàn)狀如圖1b所示。小洋小流域以微度土壤侵蝕為主，占全區(qū)總面積74%。而輕度及以上土壤侵蝕面積約為9.8 km2，占全區(qū)總面積26%。其中輕度侵蝕集中發(fā)生在流域的西北、西南及東部地區(qū)，且在其他坡度為6°～15°的區(qū)域零散分布。而中度侵蝕區(qū)域以坡度為8°～20°，植被覆蓋度為50%～60%為主，分散在的輕度侵蝕區(qū)域周圍。流域西北、西南、東北等地存在少量強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)，圖斑破碎，主要以點(diǎn)狀分布，極少呈面狀分布特征，其坡度以>15°為主，植被覆蓋度< 45%。
通過對小洋小流域水土流失敏感性與土壤侵蝕態(tài)勢對比可知，土壤侵蝕強(qiáng)度為微度到中度的地區(qū)水土流失敏感性均以微度為主，但侵蝕強(qiáng)度越高的地區(qū)水土流失敏感度為輕度及以上的占比越大。土壤侵蝕強(qiáng)烈的地區(qū)存在輕度敏感性的占比最高，而侵蝕極強(qiáng)烈的地區(qū)，水土流失敏感性以強(qiáng)烈為主。在不考慮人為因素的情況下，土壤侵蝕強(qiáng)度與水土流失敏感性強(qiáng)度應(yīng)較為一致，但現(xiàn)實(shí)情況是，土壤侵蝕不顯著的區(qū)域也可能存在強(qiáng)烈的水土流失風(fēng)險(xiǎn)，而土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域可能由于人為治理緩解了侵蝕強(qiáng)度繼續(xù)加重的風(fēng)險(xiǎn)。因此在分區(qū)過程中分別評價(jià)土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)及現(xiàn)狀極為重要。
2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局
參考謝高地等[16]提出的“中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”，估算了小洋小流域2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量（圖2）。計(jì)算結(jié)果顯示，小洋小流域生態(tài)系統(tǒng)的總服務(wù)價(jià)值量為1.88億元。就生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別而言，各生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值較為均衡。其中土壤形成與保護(hù)價(jià)值最高，為3.30千萬元，水源涵養(yǎng)位列第二，為2.91千萬元，兩種服務(wù)功能價(jià)值分別占總價(jià)值的17.58%和15.47%，這表明小洋小流域有較強(qiáng)的水土流失自我修復(fù)的能力。其次是氣體調(diào)節(jié)、生態(tài)多樣性保護(hù)、氣候調(diào)節(jié)、原材料生產(chǎn)，共占總服務(wù)價(jià)值的50.41%；其他各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值較低，共占總服務(wù)價(jià)值的16.54%。
而就不同土地利用的服務(wù)價(jià)值而言，森林提供的服務(wù)價(jià)值最高，為1.56億元，占總價(jià)值的83.25%；其他土地利用類型提供的服務(wù)價(jià)值占總價(jià)值不到20%；未利用土地提供的服務(wù)價(jià)值量最低，僅占總價(jià)值量的0.01%。Costanza[17]的研究結(jié)果指出建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極小，基本可以被忽略，所以本研究中建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為0。
2.3 小流域水土流失防治分區(qū)方法對比
計(jì)算小洋小流域采用三種分區(qū)方法所得的小流域水土流失防治分區(qū)方案（圖3），可以發(fā)現(xiàn)不同分區(qū)方法應(yīng)用于相同小流域內(nèi)所得結(jié)果不盡相同。本研究通過對比不同水土流失防治分區(qū)方案的輪廓系數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、周長-面積分維指數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)（圖4），從技術(shù)角度評價(jià)分區(qū)方案的合理性。
平均輪廓系數(shù)用于表征分區(qū)方案的聚類效果，其數(shù)值越大，各分區(qū)的內(nèi)聚度和分離度最優(yōu)。小洋小流域采用k-means算法分區(qū)方案的聚類效果最佳，其次是采用ISODATA，而采用SOM算法分區(qū)方案的聚類效果一般。香農(nóng)多樣性指數(shù)表征各分區(qū)之間各評價(jià)指標(biāo)的一致性大小，其數(shù)值越小，區(qū)內(nèi)相似性越大，區(qū)間差異性越小。小洋小流域中采用k-means算法得到香農(nóng)多樣性指數(shù)遠(yuǎn)小于其他算法所得結(jié)果，因此k-means算法分區(qū)結(jié)果更能滿足區(qū)內(nèi)相似性和區(qū)間差異性的分區(qū)原則。對于周長-面積分維指數(shù)，三種聚類算法在該指數(shù)上的表現(xiàn)差異不大且偏高，表明利用聚類算法所得方案的分區(qū)邊界復(fù)雜、形狀破碎，不利于后期水土保持措施布設(shè)與落實(shí)。因而需要對分區(qū)結(jié)果進(jìn)一步處理，平滑邊界、去除碎屑圖斑。綜上，通過對三種分區(qū)方案的聚散性、多樣性和形狀復(fù)雜性進(jìn)行分析，k-means算法表現(xiàn)最佳。同時(shí)k-means算法相較其他兩種算法運(yùn)算時(shí)間短，且有較為成熟的軟件支持計(jì)算，因而易于操作與推廣。從技術(shù)角度來看，k-means算法最適用于小洋小流域水土流失防治分區(qū)，但仍需要從實(shí)踐角度出發(fā)對該方案進(jìn)行驗(yàn)證。
2.4 基于水土流失防治分區(qū)的措施布設(shè)
在k-means算法聚類得到小流域水土流失防治分區(qū)結(jié)果的基礎(chǔ)上，在ArcMap中轉(zhuǎn)化為柵格圖像，采用眾數(shù)濾波、鄰域分析等方法去除碎屑圖斑、平滑區(qū)域邊界，并利用其他兩種分區(qū)方案進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整，最后對結(jié)果進(jìn)行可視化處理，輸出小洋小流域水土流失防治分區(qū)圖（圖5）。
小流域不僅是一個(gè)地理結(jié)構(gòu)單元，同時(shí)也是水土流失綜合治理的空間單元。小流域綜合治理的主要目標(biāo)是減少水土流失、改善生態(tài)環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效益協(xié)同發(fā)展。因此，基于小流域水土流失防治分 區(qū)結(jié)果中各分區(qū)特點(diǎn)的空間異質(zhì)性，提出具體有效的水土保持措施建議，可以改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提升。由于水土保持措施中的工程措施是以點(diǎn)狀措施形式配套生物措施使用的，很難通過水土流失防治分區(qū)這一面狀單元直接指導(dǎo)工程措施的布設(shè)，因而本研究主要分析水土流失防治分區(qū)結(jié)果與生物措施配置之間的關(guān)系。
分區(qū)1沒有明顯的土壤侵蝕，且水土流失敏感性極低，因此沒有設(shè)計(jì)水土保持措施。分區(qū)2以微度、輕度水土流失區(qū)域?yàn)橹?，另包含少量中度及以上的水土流失區(qū)域。該區(qū)立地條件較好，大部分區(qū)域的坡度小于15°，原土地利用類型以耕地為主，有部分分散的果園林地。應(yīng)根據(jù)地形條件，以水土流失治理與坡地農(nóng)業(yè)開發(fā)為目標(biāo)，優(yōu)化坡地農(nóng)業(yè)空間配置模式。在<5°的平地及淺丘以耕作措施為主治理水土流失，通過合理密植、間作套作等方式提高土地利用率。5°～15°緩坡地區(qū)適宜采取坡地水平梯田，并輔以坡面工程優(yōu)化配置[18]。15°～25°以植物籬措施為主進(jìn)行治理，可選擇黃花菜、麥冬、百喜草等適宜南方紅壤區(qū)生長，且具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物種類[19]。
分區(qū)3水土流失敏感性較強(qiáng)，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低，但其土壤侵蝕以微度為主，有部分輕度侵蝕。其主要原因是2015年小洋小流域正在大規(guī)模開發(fā)臍橙園，有大面積剛剛建成梯田還未種植樹木的裸土地。經(jīng)果林作為重要的水土資源開發(fā)性治理措施之一，具有保水保肥能力強(qiáng)，生態(tài)效益明顯等特點(diǎn)。同時(shí)其也具有經(jīng)營周期短，經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢，可以有效增加水土流失區(qū)群眾收入。但值得注意的是，地表覆被單一可能會(huì)增加生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，難以控制水土流失，仍需其他措施綜合治理[20]。張杰等[21]對紅壤坡地柑橘園不同水土保持措施組合評估，結(jié)果表明在經(jīng)果林下全面覆蓋種植百喜草、狗牙根等植物可以使減流減沙、土壤含水率提高等綜合水土保持效益最優(yōu)。此外，在果園開發(fā)初期應(yīng)盡快增加地表植被覆蓋，減少土壤裸露面積，可以有效控制水土流失，降低水土流失敏感性[22]。
分區(qū)4以中度水土流失為主，但區(qū)域內(nèi)水土流失敏感性不高，且4區(qū)的土壤形成與保護(hù)功能在5個(gè)分區(qū)中最高，具有較強(qiáng)的自然恢復(fù)能力。該區(qū)土地利用類型以林地為主，區(qū)內(nèi)平均植被覆蓋度為43.7%。應(yīng)實(shí)行封禁治理消除人為干擾，同時(shí)在林木稀疏或不均勻的地塊進(jìn)行補(bǔ)植，加強(qiáng)林草植被保護(hù)，依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，恢復(fù)植被，提高涵養(yǎng)水源的功能[23-24]。
分區(qū)5水土流失嚴(yán)重且具有較高繼續(xù)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，主要分布在山丘頂部地區(qū)。因此，為了盡快恢復(fù)地表植被覆蓋度，應(yīng)因地制宜地選擇相應(yīng)樹種和混交類型布設(shè)水土保持林。在水土保持林建設(shè)過程中，還需考慮南方紅壤低山丘陵區(qū)較為常見的馬尾松林地的林下水土流失問題。由于人為擾動(dòng)與林下植被的缺失，馬尾松林地土壤侵蝕嚴(yán)重[25-26]。因此，有必要開展林下補(bǔ)植，微地形改造等工程，提高水保林的防治效益。
第五期國家水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程（2013—2017）規(guī)劃范圍包括小洋小流域，并于2017年正式實(shí)施。通過對比小洋水土流失防治分區(qū)圖與小洋小流域核心示范區(qū)水土保持措施圖（圖6）發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有梯田措施中分區(qū)1占比81.24%，經(jīng)果林措施中分區(qū)3占比60.64%，分區(qū)方案及措施設(shè)計(jì)與現(xiàn)有小流域綜合治理配置較為吻合，所得結(jié)果治理需求明確，可以直接指導(dǎo)水土保持措施設(shè)計(jì)，從實(shí)踐角度驗(yàn)證了以k-means算法為基礎(chǔ)的小流域水土流失防治分區(qū)方案的合理性。其中分區(qū)2、3、5形成的配置模式與南方紅壤區(qū)較為成熟的“頂林-腰果-谷農(nóng)”[27]的三層立體治理模式一致，且通過分析生態(tài)系統(tǒng)對水土保持的需求、依據(jù)和適應(yīng)特征得到的分區(qū)結(jié)果， 相比于簡單識(shí)別分布位置與坡度大小所劃分的三層結(jié)構(gòu)更具針對性。此外，該分區(qū)方案中加入了對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的全面評估，進(jìn)一步將人工治理與生態(tài)自我修復(fù)有機(jī)結(jié)合，為南方紅壤低山丘陵區(qū)小流域水土保持措施設(shè)計(jì)提供了科學(xué)實(shí)用的方案。
3 結(jié) 論
研究得到的小洋小流域水土流失防治分區(qū)方案，可以全面清晰地刻畫出小流域尺度內(nèi)不同分區(qū)水土流失趨勢、現(xiàn)狀及治理需求的空間分異特征，并在此基礎(chǔ)上對水土保持措施布設(shè)提出了相應(yīng)的建議，為小流域水土保持綜合治理提供決策依據(jù)，具有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值。值得注意的是，本研究旨在從常用分區(qū)聚類算法中篩選出最適用于南方紅壤低山丘陵區(qū)小流域水土流失防治分區(qū)的算法，在研究過程中的數(shù)據(jù)精度、評價(jià)模型、參數(shù)設(shè)計(jì)盡可能滿足方法對比需求。在未來分區(qū)方案制定過程中，應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善：（1）本研究中為了便于比較不同聚類算法的效果，依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將分區(qū)數(shù)目定為5個(gè)。在之后研究中，應(yīng)設(shè)計(jì)不同分類數(shù)的區(qū)劃方案進(jìn)行對比，在評價(jià)區(qū)劃方案的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際需求，選擇分區(qū)結(jié)果最理想的分類數(shù)；（2）基于CSLE模型計(jì)算出的土壤侵蝕量尚存在爭議，如何基于徑流小區(qū)數(shù)據(jù)校正估算模型，更準(zhǔn)確地測定南方紅壤低山丘陵區(qū)的土壤侵蝕量，仍有待更深入地探討； （3）利用非監(jiān)督聚類方法劃定小流域水土流失防治分區(qū)可以避免因權(quán)重設(shè)置等問題造成的主觀影響，但在聚類方法參數(shù)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面仍具有主觀性，如何改進(jìn)聚類方法避免主觀影響，應(yīng)成為下一步的工作重點(diǎn)。
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王凌霞，李忠武，2?，王丹陽，陳 佳，胡曉倩，寧 珂
（1. 湖南大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082；2. 湖南師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，長沙 410081；3. 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100）
水土保持區(qū)劃是根據(jù)水土流失特征和自然社會(huì)現(xiàn)狀進(jìn)行的水土保持區(qū)域劃分或合并的研究。自20世紀(jì)50年代以來，諸多學(xué)者就省域、市域、縣域[1-3]等大尺度區(qū)域上提出了水土保持區(qū)劃方案，水利部也于2011年組織制定了全國水土保持三級區(qū)劃方案，分別從國家、區(qū)域、項(xiàng)目角度指導(dǎo)水土保持工作的開展[4]。這些方案以行政區(qū)為基本單元，分析了自然環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、水土流失類型等因素，為水土保持重點(diǎn)項(xiàng)目的布局與規(guī)劃，防治目標(biāo)與技術(shù)體系的確定奠定了基礎(chǔ)。但其同一空間單元內(nèi)自然因素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、水土流失特征仍存在明顯的差異，難以因地制宜地指導(dǎo)具體水土保持措施布設(shè)。
20世紀(jì)80年代初，水利部借鑒美國水土保持工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合中國自身地形地貌及土地利用特點(diǎn)，確定了以面積<50 km2的小流域?yàn)榛締卧乃亮魇ЬC合治理模式。相較于大尺度水土保持區(qū)劃宏觀布局的目標(biāo)，在小流域尺度制定水土流失防治分區(qū)以防治水土流失，改善生態(tài)環(huán)境為出發(fā)點(diǎn)，可以因地制宜地指導(dǎo)水土保持措施布設(shè)，對地方機(jī)構(gòu)土壤管理實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)[5]。因此，以像元為空間單元，在小流域尺度開展水土流失防治分區(qū)是指導(dǎo)水土保持綜合治理的有效途徑。
分區(qū)方法是影響分區(qū)結(jié)果的重要環(huán)節(jié)，相同指標(biāo)體系下采用不同分區(qū)方法可能導(dǎo)致分區(qū)結(jié)果的巨大差異。隨著衛(wèi)星成像技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)分區(qū)方法逐漸由定性向定量轉(zhuǎn)變[6]。從技術(shù)角度來看，分區(qū)是一種根據(jù)空間單元的相似性來組織空間單元評價(jià)結(jié)果的方法，其中最常用的定量方法是聚類算法，現(xiàn)有聚類算法種類繁多、體系復(fù)雜，需要依據(jù)分區(qū)原則制定評價(jià)方案，對不同分區(qū)方法所得結(jié)果進(jìn)行對比。鑒于此，本研究選擇小洋小流域?yàn)槔?，基于“壓?狀態(tài)-響應(yīng)”模型從水土流失敏感性、土壤侵蝕態(tài)勢、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)三個(gè)維度構(gòu)建水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系，分別運(yùn)用k均值聚類算法（k-means clustering algorithm，k-means）、自組織映射算法（Self-organizing Maps，SOM）、迭代自組織數(shù)據(jù)分析算法（Iterative Self-organizing Data Analysis，ISODATA）劃分水土流失防治分區(qū)，按照分區(qū)結(jié)果的輪廓系數(shù)（Silhouette Coefficient，SC）、香農(nóng)多樣性指數(shù)（Shannon’s Diversity Index，SHDI）、周長-面積分維指數(shù)（Perimeter-Area Fractal Dimension Index，PAFRAC）對三種分區(qū)方案進(jìn)行優(yōu)選，并以所得最優(yōu)的分區(qū)方案為基礎(chǔ)布設(shè)水土保持措施，以期為小流域水土保持綜合治理工作提供科學(xué)指導(dǎo)。
1 材料與方法
1.1 研究區(qū)概況
寧都縣位于南方紅壤低山丘陵區(qū)水土流失最為嚴(yán)重的贛南地區(qū)。自20世紀(jì)80年代起，寧都縣相繼被列入三項(xiàng)全國水土保持工程，共治理72條小流域，取得了顯著的治理成果。小洋小流域于2017年計(jì)劃開展國家水土保持重點(diǎn)治理工程，在此之前只有群眾自發(fā)的、小規(guī)模的零星治理。以2015年小洋小流域?yàn)槔梢源砟戏郊t壤低山丘陵區(qū)未治理小流域的自然狀態(tài)。小流域地處固厚鄉(xiāng)、固村鎮(zhèn)、長勝鎮(zhèn)交界處，總面積47.60 km2，水土流失面積25.17 km2，占土地總面積的53.72%。土壤侵蝕類型以水力侵蝕為主，屬于全國水土保持區(qū)劃中的贛南山地土壤保持三級區(qū)（Ⅴ-4-8t）。成土母質(zhì)以花崗巖類風(fēng)化物為主，土壤類型主要有紅壤和水稻土，具有砂礫含量高，自然肥力較低的特點(diǎn)，一旦植被遭到破壞，極易造成嚴(yán)重的水土流失。流域氣候類型屬亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫為18.9℃，雨量充沛且年內(nèi)分配不均，多年平均降水量為1 551 mm，主要集中在4—6月。小流域地貌類型以低山、丘陵為主，局部為河灘地，林草覆蓋率約為74.9%。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年底流域總?cè)丝? 680人，人口密度為164人·km–2，農(nóng)村居民人均可支配收入7 248元。流域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)占主導(dǎo)地位，農(nóng)民收入以種植業(yè)為主，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致農(nóng)民生產(chǎn)生活受到較大影響。同時(shí)流域內(nèi)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理，糧食作物占較大優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)作物、林果產(chǎn)值比重較小，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)單調(diào)，當(dāng)?shù)厝罕姲l(fā)展經(jīng)濟(jì)果木林的愿望強(qiáng)烈。
1.2 小流域水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系
水土流失防治分區(qū)是在區(qū)域水土流失成因、驅(qū)動(dòng)力及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，全面評價(jià)水土流失對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的影響，為水土保持措施的布設(shè)乃至生產(chǎn)發(fā)展方向布局提供科學(xué)依據(jù)。因此，可以構(gòu)建基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（Pressure- State-Response，PSR）模型的水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系概念框架，利用模型的三個(gè)維度分別反映生態(tài)系統(tǒng)對水土保持的需求、依據(jù)和適應(yīng)。PSR模型是由加拿大統(tǒng)計(jì)學(xué)家David J.Rapport和Tony Friend最早提出，后由經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織（OECD）和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署（UNEP）推廣發(fā)展的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價(jià)的常用模型。其中壓力代表外界對生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)，狀態(tài)指生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀，響應(yīng)指生態(tài)系統(tǒng)對外界擾動(dòng)的反饋[7]。由于人類活動(dòng)和自然因素的空間異質(zhì)性使土壤承受不同程度壓力（P），造成了現(xiàn)有水土流失空間分布情況（S），生態(tài)系統(tǒng)為適應(yīng)水土流失現(xiàn)狀，其服務(wù)功能結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變（R）。因此，基于實(shí)效性、系統(tǒng)性和可操作性原則，選擇三個(gè)維度5項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建小流域水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系（表1）。
表1 小流域水土流失防治分區(qū)指標(biāo)體系 Table 1 Index systems used for zoning
（1）壓力維度。壓力維度采用水土流失敏感性要素評價(jià)，小流域內(nèi)部由于自然環(huán)境差異和人類活動(dòng)影響，不同區(qū)域發(fā)生土壤侵蝕的可能性有著明顯差異。為了識(shí)別易形成土壤侵蝕的區(qū)域，評價(jià)土壤侵蝕對人類活動(dòng)的敏感程度，本研究針對小流域自然環(huán)境特點(diǎn)及土壤侵蝕成因，選擇了坡度、植被覆蓋度、土地利用類型三個(gè)指標(biāo)。其中坡度指標(biāo)采用2015年DEM數(shù)據(jù)（http://www.gscloud.cn/）計(jì)算得出。并根據(jù)中國土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)（SL190-2007），將其分為6級：<5°，5°～8°，8°～15°，15°～25°，25°～35°，>35°；植被覆蓋度采用來源于2015年中國250 m植被指數(shù)16天合成產(chǎn)品（http://www.gscloud.cn/）計(jì)算得到；土地利用類型主要利用高分二號(hào)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)（http://www. rscloudmart.com：8088/），采用人機(jī)交互式目視判讀的方式，依照中國科學(xué)院土地資源分類系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)[8]，獲得了土地利用數(shù)據(jù)。利用ArcGIS空間分析功能，將坡度、植被覆蓋度、土地利用類型三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行重采樣、疊加分析，并借鑒孫小濤等[9]的研究，建立小流域水土流失敏感性評判等級表，生成水土流失敏感性空間分布圖。
（2）狀態(tài)維度。狀態(tài)維度對應(yīng)土壤侵蝕態(tài)勢，定量表征小流域內(nèi)已發(fā)生的土壤侵蝕分布情況，對預(yù)防和治理土壤侵蝕，因地制宜地布設(shè)水土保持措施提供科學(xué)指導(dǎo)。本研究參考程琳等[10]的研究，采用中國土壤流失方程（CSLE）計(jì)算土壤侵蝕模數(shù)（t·km–2·a–1），并 根 據(jù) 土 壤 侵 蝕 分 級 分 類 標(biāo) 準(zhǔn)（SL190-2007）將其分為6類：<500（微度）、500～2 500（輕度）、2 500～5 000（中度）、5 000～8 000（強(qiáng)烈）、8 000～15 000（極強(qiáng)烈）、>15 000（劇烈），得到土壤侵蝕強(qiáng)度以表征小流域土壤侵蝕態(tài)勢。
（3）響應(yīng)維度。響應(yīng)旨在確定生態(tài)系統(tǒng)對外界擾動(dòng)的自適應(yīng)能力，因而引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)要素。小流域水土流失防治分區(qū)的目標(biāo)就是治理水土流失，最終實(shí)現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的恢復(fù)及價(jià)值的提升。過往水土保持區(qū)劃方案中通常將土壤保持、水源涵養(yǎng)等與水土保持相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入指標(biāo)體系[11]，但是當(dāng)區(qū)劃目標(biāo)過分強(qiáng)調(diào)土壤保持功能時(shí)，可能會(huì)損害到其他一種或多種服務(wù)的供給，導(dǎo)致預(yù)期之外的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)衰退[12]。因而全面評估小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值對水土流失防治分區(qū)研究的意義重大。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量化指標(biāo)，有效地將同一生態(tài)系統(tǒng)所提供的不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行綜合，并可與其他生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析對比。為了全面評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，本研究將其分為9類功能：糧食生產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、廢物處理、生物多樣性維護(hù)、提供審美價(jià)值、土壤形成和保護(hù)以及水文調(diào)節(jié)。本研究采用基于單位面積價(jià)值當(dāng)量因子的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值評估的方法[13]，該方法數(shù)據(jù)需求少，操作簡單，方法統(tǒng)一，適合對小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行快速核算。最后利用熵權(quán)法計(jì)算各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的權(quán)重，對小流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行綜合評價(jià)。
1.3 小流域水土流失防治分區(qū)方法
早期分區(qū)側(cè)重專家商會(huì)、指標(biāo)體系研究，其結(jié)果很容易被分析者的觀點(diǎn)所影響。隨著數(shù)據(jù)精度的不斷提升，采用人工分區(qū)的難度也逐級增加，機(jī)器學(xué)習(xí)方法被引入分區(qū)工作中。自下而上的分區(qū)劃定主要采用聚類算法，這其中又根據(jù)學(xué)習(xí)方式不同分為監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類。監(jiān)督分類是按照一定規(guī)則（訓(xùn)練數(shù)據(jù)）為對象貼標(biāo)簽，并依照標(biāo)簽來區(qū)分歸類[14]。該方法分類結(jié)果很大程度上依賴于訓(xùn)練樣本，因而很難對不同算法之間進(jìn)行嚴(yán)格比較。而非監(jiān)督分類則無需訓(xùn)練數(shù)據(jù)，將屬性相近的基本單元以一定規(guī)則聚類起來，可以避免由于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的選擇造成方法主觀性強(qiáng)的問題[15]，在各類區(qū)劃中應(yīng)用較為廣泛。本研究選取自然分區(qū)中最常用的3種非監(jiān)督分類算法：k-means算法、SOM算法、ISODATA算法進(jìn)行對比，篩選出適于小流域水土流失防治分區(qū)方法。
k-means算法源于信號(hào)處理中一種向量量化的方法，現(xiàn)今作為一種聚類分析方法流行于數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域。通過計(jì)算給定樣本集中樣本之間的距離大小，將樣本劃分為k個(gè)簇。盡量實(shí)現(xiàn)簇內(nèi)樣本聯(lián)系緊密，簇間距離最大化。
SOM算法是一種可以將高維數(shù)據(jù)降維映射到低維空間中的聚類方法，它由輸入層和競爭層兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成，通過模擬生物神經(jīng)元之間的興奮、協(xié)調(diào)與抑制、競爭作用原理，在二維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上通過自組織競爭對輸入層進(jìn)行聚類。
ISODATA算法是對k-means算法的進(jìn)一步優(yōu)化，通過在初始化時(shí)加入合并與分裂兩個(gè)閾值，對相對標(biāo)準(zhǔn)偏差大于分裂閾值的分量進(jìn)行拆分，對中心距離小于合并閾值的分量進(jìn)行兼并，最終得到一個(gè)比較理想的分類結(jié)果。
本研究以2015年為基準(zhǔn)，30 m×30 m柵格作為空間單元，計(jì)算每個(gè)空間單元的水土流失敏感性、土壤侵蝕態(tài)勢、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)三項(xiàng)評價(jià)要素作為輸入數(shù)據(jù)，將分區(qū)數(shù)目定為5類，利用ArcGIS空間分析功能和MATLAB共同實(shí)現(xiàn)三種聚類算法在小洋小流域中的分區(qū)過程。
1.4 分區(qū)方法評價(jià)
選擇輪廓系數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、周長-面積分維指數(shù)分別從聚散性、多樣性和形狀復(fù)雜性來評價(jià)分區(qū)結(jié)果。
（1）輪廓系數(shù)。輪廓系數(shù)可以從分區(qū)結(jié)果的內(nèi)聚度和分離度兩方面評價(jià)水土流失防治分區(qū)方案的聚類效果，計(jì)算公式如下：
式中，a(i)為i向量到同一簇內(nèi)其他點(diǎn)不相似程度的平均值，b(i)為i向量到其他簇的平均不相似程度的最小值。為評價(jià)當(dāng)前聚類的整體輪廓系數(shù)，計(jì)算所有輪廓系數(shù)S(i)的平均值，即為平均輪廓系數(shù)SC；
式中，n為數(shù)據(jù)集中特征向量的總數(shù)。平均輪廓系數(shù)的區(qū)間為[–1，1]，值越大表示聚類效果越好，反之越差，0代表聚類重疊。
（2）香農(nóng)多樣性指數(shù)。香農(nóng)多樣性指數(shù)常用于生態(tài)學(xué)中反映景觀異質(zhì)性，在水土流失防治分區(qū)方案評價(jià)中可用于量化不同分區(qū)的非均衡分布情況，計(jì)算公式如下：
式中，P為各基本單元類型構(gòu)成不同分區(qū)的比例。香農(nóng)多樣性指數(shù)的范圍為SHDI≥0，SHDI增大，說明各基本單元類型在不同分區(qū)中呈均衡化趨勢分布。為了實(shí)現(xiàn)分區(qū)方案中組間差異最大化，組內(nèi)差異最小化的原則，香農(nóng)多樣性指數(shù)越小表示分區(qū)結(jié)果越好。
（3）周長-面積分維指數(shù)。周長-面積分維指數(shù)反映了不同分區(qū)形狀的復(fù)雜性，計(jì)算公式如下：
式中，p為斑塊周長（m），a為斑塊面積（m2）。周長-面積分維指數(shù)的區(qū)間為[1，2]，指數(shù)越高，斑塊形狀越復(fù)雜，反之越簡單。為盡可能簡化分區(qū)結(jié)果，方便水土保持措施布設(shè)與落實(shí)，在評價(jià)水土流失防治分區(qū)時(shí)，周長-面積分維指數(shù)越小分區(qū)結(jié)果越好。
2 結(jié)果與討論
2.1 水土流失敏感性及土壤侵蝕態(tài)勢空間分布格局
小洋小流域水土流失敏感性分布如圖1a所示，流域以微度敏感區(qū)為主，占全區(qū)總面積的79%；輕度水土流失敏感區(qū)面積為6.2 km2，占全區(qū)總面積13%；中度水土流失敏感區(qū)面積為2.4 km2，占全區(qū)總面積5%，主要分散地分布在地勢起伏較大的地區(qū)；強(qiáng)烈與極強(qiáng)烈敏感區(qū)主要分布在流域東北部、中部建設(shè)用地以及西部流域農(nóng)田區(qū)，占全區(qū)總面積3%。綜上，小洋小流域水土流失敏感性區(qū)域較小，且敏感程度較低，尤其以輕度和中度為主，應(yīng)以預(yù)防為主。
利用CSLE模型對小洋小流域土壤侵蝕強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià)，土壤侵蝕現(xiàn)狀如圖1b所示。小洋小流域以微度土壤侵蝕為主，占全區(qū)總面積74%。而輕度及以上土壤侵蝕面積約為9.8 km2，占全區(qū)總面積26%。其中輕度侵蝕集中發(fā)生在流域的西北、西南及東部地區(qū)，且在其他坡度為6°～15°的區(qū)域零散分布。而中度侵蝕區(qū)域以坡度為8°～20°，植被覆蓋度為50%～60%為主，分散在的輕度侵蝕區(qū)域周圍。流域西北、西南、東北等地存在少量強(qiáng)烈、極強(qiáng)烈侵蝕區(qū)，圖斑破碎，主要以點(diǎn)狀分布，極少呈面狀分布特征，其坡度以>15°為主，植被覆蓋度< 45%。
通過對小洋小流域水土流失敏感性與土壤侵蝕態(tài)勢對比可知，土壤侵蝕強(qiáng)度為微度到中度的地區(qū)水土流失敏感性均以微度為主，但侵蝕強(qiáng)度越高的地區(qū)水土流失敏感度為輕度及以上的占比越大。土壤侵蝕強(qiáng)烈的地區(qū)存在輕度敏感性的占比最高，而侵蝕極強(qiáng)烈的地區(qū)，水土流失敏感性以強(qiáng)烈為主。在不考慮人為因素的情況下，土壤侵蝕強(qiáng)度與水土流失敏感性強(qiáng)度應(yīng)較為一致，但現(xiàn)實(shí)情況是，土壤侵蝕不顯著的區(qū)域也可能存在強(qiáng)烈的水土流失風(fēng)險(xiǎn)，而土壤侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域可能由于人為治理緩解了侵蝕強(qiáng)度繼續(xù)加重的風(fēng)險(xiǎn)。因此在分區(qū)過程中分別評價(jià)土壤侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)及現(xiàn)狀極為重要。
2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布格局
參考謝高地等[16]提出的“中國生態(tài)系統(tǒng)單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值當(dāng)量表”，估算了小洋小流域2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量（圖2）。計(jì)算結(jié)果顯示，小洋小流域生態(tài)系統(tǒng)的總服務(wù)價(jià)值量為1.88億元。就生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別而言，各生態(tài)服務(wù)功能的價(jià)值較為均衡。其中土壤形成與保護(hù)價(jià)值最高，為3.30千萬元，水源涵養(yǎng)位列第二，為2.91千萬元，兩種服務(wù)功能價(jià)值分別占總價(jià)值的17.58%和15.47%，這表明小洋小流域有較強(qiáng)的水土流失自我修復(fù)的能力。其次是氣體調(diào)節(jié)、生態(tài)多樣性保護(hù)、氣候調(diào)節(jié)、原材料生產(chǎn)，共占總服務(wù)價(jià)值的50.41%；其他各項(xiàng)生態(tài)服務(wù)價(jià)值較低，共占總服務(wù)價(jià)值的16.54%。
而就不同土地利用的服務(wù)價(jià)值而言，森林提供的服務(wù)價(jià)值最高，為1.56億元，占總價(jià)值的83.25%；其他土地利用類型提供的服務(wù)價(jià)值占總價(jià)值不到20%；未利用土地提供的服務(wù)價(jià)值量最低，僅占總價(jià)值量的0.01%。Costanza[17]的研究結(jié)果指出建設(shè)用地的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能極小，基本可以被忽略，所以本研究中建設(shè)用地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值為0。
2.3 小流域水土流失防治分區(qū)方法對比
計(jì)算小洋小流域采用三種分區(qū)方法所得的小流域水土流失防治分區(qū)方案（圖3），可以發(fā)現(xiàn)不同分區(qū)方法應(yīng)用于相同小流域內(nèi)所得結(jié)果不盡相同。本研究通過對比不同水土流失防治分區(qū)方案的輪廓系數(shù)、香農(nóng)多樣性指數(shù)、周長-面積分維指數(shù)三項(xiàng)指標(biāo)（圖4），從技術(shù)角度評價(jià)分區(qū)方案的合理性。
平均輪廓系數(shù)用于表征分區(qū)方案的聚類效果，其數(shù)值越大，各分區(qū)的內(nèi)聚度和分離度最優(yōu)。小洋小流域采用k-means算法分區(qū)方案的聚類效果最佳，其次是采用ISODATA，而采用SOM算法分區(qū)方案的聚類效果一般。香農(nóng)多樣性指數(shù)表征各分區(qū)之間各評價(jià)指標(biāo)的一致性大小，其數(shù)值越小，區(qū)內(nèi)相似性越大，區(qū)間差異性越小。小洋小流域中采用k-means算法得到香農(nóng)多樣性指數(shù)遠(yuǎn)小于其他算法所得結(jié)果，因此k-means算法分區(qū)結(jié)果更能滿足區(qū)內(nèi)相似性和區(qū)間差異性的分區(qū)原則。對于周長-面積分維指數(shù)，三種聚類算法在該指數(shù)上的表現(xiàn)差異不大且偏高，表明利用聚類算法所得方案的分區(qū)邊界復(fù)雜、形狀破碎，不利于后期水土保持措施布設(shè)與落實(shí)。因而需要對分區(qū)結(jié)果進(jìn)一步處理，平滑邊界、去除碎屑圖斑。綜上，通過對三種分區(qū)方案的聚散性、多樣性和形狀復(fù)雜性進(jìn)行分析，k-means算法表現(xiàn)最佳。同時(shí)k-means算法相較其他兩種算法運(yùn)算時(shí)間短，且有較為成熟的軟件支持計(jì)算，因而易于操作與推廣。從技術(shù)角度來看，k-means算法最適用于小洋小流域水土流失防治分區(qū)，但仍需要從實(shí)踐角度出發(fā)對該方案進(jìn)行驗(yàn)證。
2.4 基于水土流失防治分區(qū)的措施布設(shè)
在k-means算法聚類得到小流域水土流失防治分區(qū)結(jié)果的基礎(chǔ)上，在ArcMap中轉(zhuǎn)化為柵格圖像，采用眾數(shù)濾波、鄰域分析等方法去除碎屑圖斑、平滑區(qū)域邊界，并利用其他兩種分區(qū)方案進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)整，最后對結(jié)果進(jìn)行可視化處理，輸出小洋小流域水土流失防治分區(qū)圖（圖5）。
小流域不僅是一個(gè)地理結(jié)構(gòu)單元，同時(shí)也是水土流失綜合治理的空間單元。小流域綜合治理的主要目標(biāo)是減少水土流失、改善生態(tài)環(huán)境和提高經(jīng)濟(jì)效益協(xié)同發(fā)展。因此，基于小流域水土流失防治分 區(qū)結(jié)果中各分區(qū)特點(diǎn)的空間異質(zhì)性，提出具體有效的水土保持措施建議，可以改善生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的提升。由于水土保持措施中的工程措施是以點(diǎn)狀措施形式配套生物措施使用的，很難通過水土流失防治分區(qū)這一面狀單元直接指導(dǎo)工程措施的布設(shè)，因而本研究主要分析水土流失防治分區(qū)結(jié)果與生物措施配置之間的關(guān)系。
分區(qū)1沒有明顯的土壤侵蝕，且水土流失敏感性極低，因此沒有設(shè)計(jì)水土保持措施。分區(qū)2以微度、輕度水土流失區(qū)域?yàn)橹?，另包含少量中度及以上的水土流失區(qū)域。該區(qū)立地條件較好，大部分區(qū)域的坡度小于15°，原土地利用類型以耕地為主，有部分分散的果園林地。應(yīng)根據(jù)地形條件，以水土流失治理與坡地農(nóng)業(yè)開發(fā)為目標(biāo)，優(yōu)化坡地農(nóng)業(yè)空間配置模式。在<5°的平地及淺丘以耕作措施為主治理水土流失，通過合理密植、間作套作等方式提高土地利用率。5°～15°緩坡地區(qū)適宜采取坡地水平梯田，并輔以坡面工程優(yōu)化配置[18]。15°～25°以植物籬措施為主進(jìn)行治理，可選擇黃花菜、麥冬、百喜草等適宜南方紅壤區(qū)生長，且具有一定經(jīng)濟(jì)價(jià)值的植物種類[19]。
分區(qū)3水土流失敏感性較強(qiáng)，區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值較低，但其土壤侵蝕以微度為主，有部分輕度侵蝕。其主要原因是2015年小洋小流域正在大規(guī)模開發(fā)臍橙園，有大面積剛剛建成梯田還未種植樹木的裸土地。經(jīng)果林作為重要的水土資源開發(fā)性治理措施之一，具有保水保肥能力強(qiáng)，生態(tài)效益明顯等特點(diǎn)。同時(shí)其也具有經(jīng)營周期短，經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)勢，可以有效增加水土流失區(qū)群眾收入。但值得注意的是，地表覆被單一可能會(huì)增加生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，難以控制水土流失，仍需其他措施綜合治理[20]。張杰等[21]對紅壤坡地柑橘園不同水土保持措施組合評估，結(jié)果表明在經(jīng)果林下全面覆蓋種植百喜草、狗牙根等植物可以使減流減沙、土壤含水率提高等綜合水土保持效益最優(yōu)。此外，在果園開發(fā)初期應(yīng)盡快增加地表植被覆蓋，減少土壤裸露面積，可以有效控制水土流失，降低水土流失敏感性[22]。
分區(qū)4以中度水土流失為主，但區(qū)域內(nèi)水土流失敏感性不高，且4區(qū)的土壤形成與保護(hù)功能在5個(gè)分區(qū)中最高，具有較強(qiáng)的自然恢復(fù)能力。該區(qū)土地利用類型以林地為主，區(qū)內(nèi)平均植被覆蓋度為43.7%。應(yīng)實(shí)行封禁治理消除人為干擾，同時(shí)在林木稀疏或不均勻的地塊進(jìn)行補(bǔ)植，加強(qiáng)林草植被保護(hù)，依靠生態(tài)系統(tǒng)的自我恢復(fù)能力，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)，恢復(fù)植被，提高涵養(yǎng)水源的功能[23-24]。
分區(qū)5水土流失嚴(yán)重且具有較高繼續(xù)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，主要分布在山丘頂部地區(qū)。因此，為了盡快恢復(fù)地表植被覆蓋度，應(yīng)因地制宜地選擇相應(yīng)樹種和混交類型布設(shè)水土保持林。在水土保持林建設(shè)過程中，還需考慮南方紅壤低山丘陵區(qū)較為常見的馬尾松林地的林下水土流失問題。由于人為擾動(dòng)與林下植被的缺失，馬尾松林地土壤侵蝕嚴(yán)重[25-26]。因此，有必要開展林下補(bǔ)植，微地形改造等工程，提高水保林的防治效益。
第五期國家水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程（2013—2017）規(guī)劃范圍包括小洋小流域，并于2017年正式實(shí)施。通過對比小洋水土流失防治分區(qū)圖與小洋小流域核心示范區(qū)水土保持措施圖（圖6）發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有梯田措施中分區(qū)1占比81.24%，經(jīng)果林措施中分區(qū)3占比60.64%，分區(qū)方案及措施設(shè)計(jì)與現(xiàn)有小流域綜合治理配置較為吻合，所得結(jié)果治理需求明確，可以直接指導(dǎo)水土保持措施設(shè)計(jì)，從實(shí)踐角度驗(yàn)證了以k-means算法為基礎(chǔ)的小流域水土流失防治分區(qū)方案的合理性。其中分區(qū)2、3、5形成的配置模式與南方紅壤區(qū)較為成熟的“頂林-腰果-谷農(nóng)”[27]的三層立體治理模式一致，且通過分析生態(tài)系統(tǒng)對水土保持的需求、依據(jù)和適應(yīng)特征得到的分區(qū)結(jié)果， 相比于簡單識(shí)別分布位置與坡度大小所劃分的三層結(jié)構(gòu)更具針對性。此外，該分區(qū)方案中加入了對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的全面評估，進(jìn)一步將人工治理與生態(tài)自我修復(fù)有機(jī)結(jié)合，為南方紅壤低山丘陵區(qū)小流域水土保持措施設(shè)計(jì)提供了科學(xué)實(shí)用的方案。
3 結(jié) 論
研究得到的小洋小流域水土流失防治分區(qū)方案，可以全面清晰地刻畫出小流域尺度內(nèi)不同分區(qū)水土流失趨勢、現(xiàn)狀及治理需求的空間分異特征，并在此基礎(chǔ)上對水土保持措施布設(shè)提出了相應(yīng)的建議，為小流域水土保持綜合治理提供決策依據(jù)，具有重要的理論與實(shí)踐價(jià)值。值得注意的是，本研究旨在從常用分區(qū)聚類算法中篩選出最適用于南方紅壤低山丘陵區(qū)小流域水土流失防治分區(qū)的算法，在研究過程中的數(shù)據(jù)精度、評價(jià)模型、參數(shù)設(shè)計(jì)盡可能滿足方法對比需求。在未來分區(qū)方案制定過程中，應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善：（1）本研究中為了便于比較不同聚類算法的效果，依據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將分區(qū)數(shù)目定為5個(gè)。在之后研究中，應(yīng)設(shè)計(jì)不同分類數(shù)的區(qū)劃方案進(jìn)行對比，在評價(jià)區(qū)劃方案的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際需求，選擇分區(qū)結(jié)果最理想的分類數(shù)；（2）基于CSLE模型計(jì)算出的土壤侵蝕量尚存在爭議，如何基于徑流小區(qū)數(shù)據(jù)校正估算模型，更準(zhǔn)確地測定南方紅壤低山丘陵區(qū)的土壤侵蝕量，仍有待更深入地探討； （3）利用非監(jiān)督聚類方法劃定小流域水土流失防治分區(qū)可以避免因權(quán)重設(shè)置等問題造成的主觀影響，但在聚類方法參數(shù)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面仍具有主觀性，如何改進(jìn)聚類方法避免主觀影響，應(yīng)成為下一步的工作重點(diǎn)。
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