任 杰

(貴州省水土保持技術(shù)咨詢研究中心，貴州 貴陽 550005)

水土保持區(qū)劃是確定規(guī)劃單元、進(jìn)行區(qū)域布局和項(xiàng)目布局的支撐和基礎(chǔ)，是規(guī)劃順利開展的關(guān)鍵，也是提出區(qū)域水土保持工作方向、確定區(qū)域水土流失的防治途徑和技術(shù)體系的基礎(chǔ)，是水土保持工作開展的有力指導(dǎo)[1]。目前，在水土保持區(qū)劃方面已有大量方法和研究，劃分方法大多都基于GIS分析空間疊加分析法或SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析法等單一研究方法，如李瑞[2]等采用層次聚類法進(jìn)行了貴州省水土保持四級區(qū)劃研究，朱一梅[3]等采用空間疊置方法進(jìn)行了陜西省漢中市水土保持區(qū)劃研究。統(tǒng)計(jì)分析相對空間疊加分析，只是從數(shù)字統(tǒng)計(jì)角度考慮區(qū)劃，丟失了數(shù)據(jù)的空間屬性，導(dǎo)致劃分結(jié)果往往不太理想。而空間疊加分析則相反，對一些具有空間分布特征的數(shù)據(jù)更易被使用，但其他一些可能會影響水土保持區(qū)劃的主觀因素，如群眾積極性、水土流失治理經(jīng)驗(yàn)均很難體現(xiàn)[4]。2017年，褚麗妹[5]和彌智娟[6]等采用統(tǒng)計(jì)分析結(jié)合空間分析方法在省域尺度下進(jìn)行水土保持區(qū)劃研究，體現(xiàn)了較好的效果，但該方法目前在中小尺度的水土保持區(qū)劃中未得到應(yīng)用和研究。在區(qū)劃指標(biāo)體系選取方面，存在差異性大，分散度高，國家層面在地形地貌、氣候中選取指標(biāo)，而到了省域尺度，更重視土壤侵蝕強(qiáng)度及程度、植被、土壤等指標(biāo)，中小尺度上目前沒有統(tǒng)一的規(guī)定。筆者認(rèn)為在中小尺度下，更應(yīng)側(cè)重人為活動的參與對水土流失的影響，并注重定性因素的量化參與。

本文基于中小尺度區(qū)域安順市開展研究，在貴州省水土保持四級區(qū)劃框架下，從區(qū)域自然地理、社會經(jīng)濟(jì)、水土流失特點(diǎn)及治理經(jīng)驗(yàn)等實(shí)際情況出發(fā)，構(gòu)建一個(gè)定量分析與定性分析相結(jié)合的科學(xué)合理的指標(biāo)體系；采用統(tǒng)計(jì)分析與空間疊置相結(jié)合的方法進(jìn)行安順市水土保持區(qū)劃，旨在為安順市區(qū)域水土保持工作發(fā)展方向和水土流失防治措施提供依據(jù)。

1 指標(biāo)體系的建立

1.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

水土保持區(qū)域差異性的體現(xiàn)，最重要的就是區(qū)劃指標(biāo)體系的建立。按照定量指標(biāo)和定性指標(biāo)相結(jié)合的原則，從水土流失潛在危害性、水土流失現(xiàn)狀、水土流失治理能力3個(gè)層次構(gòu)建指標(biāo)體系。其中水土流失潛在危害反映自然要素和社會人為活動復(fù)合維度，是指水土流失誘發(fā)條件的充分程度，用地形地貌、氣候等自然要素和人口密度、人均收入等社會經(jīng)濟(jì)要素衡量；水土流失強(qiáng)度主要反映區(qū)域水土流失現(xiàn)狀和特點(diǎn)；水土流失治理能力主要反映區(qū)域農(nóng)民、政府等在水土保持方面的投入、經(jīng)驗(yàn)及意識。

1.2 數(shù)據(jù)獲取

區(qū)劃指標(biāo)需考慮數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，且可獲取，以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為評價(jià)單元進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。指標(biāo)數(shù)據(jù)來源：地形地貌來源于地理空間數(shù)據(jù)云DEM數(shù)字高程提取、《貴州省水利建設(shè)生態(tài)建設(shè)石漠化治理綜合規(guī)劃》及貴州省坡度圖；氣象數(shù)據(jù)來源各鄉(xiāng)鎮(zhèn)上報(bào)數(shù)據(jù)；森林覆蓋率來源于安順市林業(yè)局森林資源二類調(diào)查；社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源《安順市統(tǒng)計(jì)年鑒》；土地利用結(jié)構(gòu)來源《安順市第二次全國土地調(diào)查》；水土流失數(shù)據(jù)來源于《貴州省水土保持公告(2010～2015)》；水土流失治理經(jīng)驗(yàn)和群眾意識及積極性通過專家評判打分統(tǒng)計(jì)。

2 劃分范圍與原則

2.1 劃分范圍

安順市涉及貴州省水土保持區(qū)劃四級區(qū)2個(gè)，即黔中中山石灰?guī)r白云巖中度流失蓄水保土區(qū)和黔中中山低山石灰?guī)r白云巖輕度流失人居環(huán)境維護(hù)區(qū)。根據(jù)省級防治區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，黔中中山石灰?guī)r白云巖中度流失蓄水保土區(qū)區(qū)域內(nèi)自然、社會屬性差異性小，因此，保持省級區(qū)劃成果不變，直接劃分為一個(gè)市級分區(qū)。黔中中山低山石灰?guī)r白云巖輕度流失人居環(huán)境維護(hù)區(qū)內(nèi)自然地理、水土流失特點(diǎn)、主體生態(tài)功能以及防治途徑及需求具有明顯差異性，因此，安順市水土保持區(qū)劃針對此區(qū)域展開劃分。

表1 安順市水土保持區(qū)劃指標(biāo)體系

2.2 劃分原則

(1)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)邊界完整、分區(qū)集中連片的原則；

(2)定量與定性分析相結(jié)合的原則；

(3)保持分區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢地貌及氣象條件、土壤侵蝕類型及強(qiáng)度、水土流失防治需求和功能基本一致的原則。

3 劃分方法與過程

3.1 主成分分析

在實(shí)證問題研究中，為了全面、系統(tǒng)的分析問題，必須考慮眾多影響因素。這些涉及的因素一般稱為指標(biāo)，在多元統(tǒng)計(jì)分析中也稱為變量。因?yàn)槊恳粋€(gè)指標(biāo)都在不同程度上反映了所研究問題的某些信息，并且指標(biāo)之間彼此有一定的相關(guān)性，因此，所得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映的信息一定程度上有重疊。在用統(tǒng)計(jì)方法研究多變量問題時(shí)，變量過多會增加計(jì)算量和分析問題的復(fù)雜性，而研究者們則希望在進(jìn)行定量分析的過程中，涉及到的變量較少，而獲得的信息較多。因此，主成分分析法正適應(yīng)這一需求，是解決這類問題的理想工具。

由于選取的水土保持區(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，就會削弱絕對值小的變量的作用而突出絕對值大的變量的作用，不利于進(jìn)一步的分析。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，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。本次選用標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行處理，以使區(qū)劃盡量保留實(shí)際值中的數(shù)值關(guān)系[7]。

首先，對水土流失潛在危害性要素層進(jìn)行主成分分析，在該要素層下有69個(gè)基本評價(jià)單元(鄉(xiāng)鎮(zhèn))，每個(gè)基本評價(jià)單元有12個(gè)變量指標(biāo)，構(gòu)成一個(gè)69×12階原始地理數(shù)據(jù)矩陣，在此基礎(chǔ)上，利用SPSS 20軟件對12個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣R=R12×12，根據(jù)相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算特征值，主成分的貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率以及權(quán)重(見表2)，由表2可知，第一、第二、第三主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已高達(dá)86.59%，根據(jù)累積貢獻(xiàn)率>85%的原則，提取前3個(gè)主成分，主成分1貢獻(xiàn)率為51.79%，主成分2貢獻(xiàn)率23.21%，主成分3貢獻(xiàn)率為11.59%，根據(jù)各自貢獻(xiàn)率計(jì)算其權(quán)重，前3主成分權(quán)重分別為0.5954、02707、01340，同時(shí)也表明前三個(gè)主成分能夠代表最初的12個(gè)指標(biāo)來分析69個(gè)基本評價(jià)單元的水土流失潛在危害性，故只需求出第一、第二、第三主成分即可；根據(jù)前3個(gè)主成分特征值計(jì)算獲得原12個(gè)變量指標(biāo)在主成分上的載荷(見表3)，由此可知：第一主成分與平均海拔、喀斯特面積、森林覆蓋率等相關(guān)性顯著，主要集中反映區(qū)域地形、地貌、森林覆蓋率等差異，因此命名為自然環(huán)境特征因子；第二主成分與人口密度、人均GDP、建設(shè)用地面積比較強(qiáng)相關(guān)，主要反映區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，命名為社會經(jīng)濟(jì)因子；第三主成分與坡耕地面積比相關(guān)性較強(qiáng)，命名為坡耕地因子。

表2 水土流失潛在危害性要素解釋總方差

表3 水土流失潛在危害性要素主成分載荷矩陣

水土流失現(xiàn)狀要素主成分分析。分析計(jì)算過程同上，根據(jù)解釋總方差可知(見表4)，前2個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為90.54%，故提取前2個(gè)主成分即可，第一和第二主成分權(quán)重分別為0.5759、0.4241；根據(jù)主成分荷載矩陣可知(見表5)，第一主成分與水土流失面積、輕度水土流失面積顯著相關(guān)，因此，命名為水土流失綜合因子；第二主成分與中度以上水土流失面積比顯著相關(guān)，命名為中度以上水土流失因子。

表4 水土流失現(xiàn)狀要素解釋總方差

表5 水土流失現(xiàn)狀要素主成分載荷矩陣

水土流失治理能力要素主成分分析。分析計(jì)算過程同上，根據(jù)解釋總方差可知(見表6)，第一主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為91.65%，故提取第一個(gè)主成分即可；根據(jù)主成分荷載矩陣可知(見表7)，第一主成分與近5年年均投入水土流失治理費(fèi)用、治理效果及經(jīng)驗(yàn)顯著相關(guān)，因此，命名為水土流失綜合治理因子。

表6 水土流失治理能力要素解釋總方差

表7 水土流失治理能力要素主成分載荷矩陣

根據(jù)主成分分析，最后得到主成分6個(gè)(見表8)，達(dá)到了簡化指標(biāo)體系效果，為后續(xù)工作提高了效率。由上述步驟獲得的主成分特征值和載荷，計(jì)算出對應(yīng)單位特征向量，即得到各自主成分的解析表達(dá)式以及主成分得分，結(jié)合相應(yīng)主成分權(quán)重，即可計(jì)算出基本評價(jià)單元的綜合得分，為下步的層次聚類分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 層次聚類和空間疊置分析

利用SPSS 20對69個(gè)基本評價(jià)單元的綜合得分進(jìn)行層次聚類分析，步長距離的計(jì)算采用ward法。水土保持潛在危害性要素層選擇步長距離為5時(shí)，將黔中中山低山石灰?guī)r白云巖輕度流失人居環(huán)境維護(hù)區(qū)中涉及到安順市鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分為3類；水土流失現(xiàn)狀要素層選擇步長距離為10時(shí)，將涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分為2類。

通過Arcgis 10.1分別將3個(gè)要素層聚類結(jié)果繪制成圖(見圖1)，由圖A、B、C可知，各要素對黔中中山低山石灰?guī)r白云巖輕度流失人居環(huán)境維護(hù)區(qū)下市級區(qū)劃的劃分總體較為集中，離散區(qū)域較少；再次利用Arcgis 10.1將圖1中的三張要素聚類分析結(jié)果圖進(jìn)行空間疊置，即初步完成了安順市水土保持區(qū)劃(見圖D)，因此，綜合三個(gè)要素可知，安順市北部喀斯特地貌分布廣泛，地勢平坦，人為建設(shè)活動較為頻繁，水土流失總體輕微，在水土流失治理方面投入較大，經(jīng)驗(yàn)豐富；中部喀斯特地貌相對廣泛，其中度以上石漠化面積占比較高，森林覆蓋率相對較高，水土流失輕微，在水土流失治理方面投入較少；安順市南部地勢較為陡峭，坡耕地面積占比較大，水土流失較為嚴(yán)重，中度以上水土流失面積占比較大，在水土流失治理方面投入較大，經(jīng)驗(yàn)較為豐富。

表8 安順市水土保持區(qū)劃主成分指標(biāo)體系

圖1 安順市各要素聚類分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)通過主成分分析，最終得到各要素主成分6個(gè)，達(dá)到簡化指標(biāo)體系、提高后續(xù)工作效率的目的。從主成分權(quán)重可知，水土流失潛在危害性要素主要由自然環(huán)境特征因子和社會經(jīng)濟(jì)因子等構(gòu)成，其中平均海拔、喀斯特地貌面積比、森林覆蓋率、人口密度及坡耕地面積比等指標(biāo)占較大比重，基本能反映安順市區(qū)內(nèi)自然環(huán)境狀況和社會經(jīng)濟(jì)狀況區(qū)內(nèi)一致性和差異性；水土流失現(xiàn)狀要素主要由水土流失因子和中度以上水土流失綜合因子構(gòu)成，符合安順市北部、中部以微輕度為主，南部以中度以上為主的總體分布情況，因此，水土流失面積、輕度水土流失面積比及中度以上水土流失面積比等指標(biāo)能有效劃分區(qū)域不同水土流失特征；水土流失治理能力要素主要由水土流失綜合治理因子構(gòu)成，反映了安順市水土流失綜合治理工程對水土保持產(chǎn)生的影響，其中北部近5年以小流域水土流失綜合治理工程為主，南部則以坡耕地綜合治理工程為主，體現(xiàn)在水土流失綜合治理資金的投入及效果等指標(biāo)。

(2)在貴州省水土保持四級區(qū)劃框架下，根據(jù)不打破省級區(qū)劃邊界的原則，將安順市劃分為4個(gè)分區(qū)。安順市北部地勢平坦、水土流失輕微及城市化率高，水土保持功能是以維護(hù)城市和區(qū)域居住環(huán)境為主；中部地勢起伏較大、水土流失輕微，是安順市重要的生態(tài)屏障區(qū)域，水土保持功能以加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境的維護(hù)，提高景觀質(zhì)量為主；南部地面坡度大，水土流失嚴(yán)重，坡耕地面積多，且區(qū)域發(fā)展以綜合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為依托，水土保持功能則以維護(hù)保持土地生產(chǎn)力為主；安順市西北部地形起伏較大，石漠化等級較高，生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水缺口嚴(yán)重，水土保持功能以加大水源工程建設(shè)，提高水土資源綜合利用為主。

(3)本文基于市域尺度下，從水土流失潛在危害性、水土流失現(xiàn)狀、水土流失治理能力3個(gè)層次構(gòu)建了指標(biāo)體系，并根據(jù)定量與定性相結(jié)合的原則，側(cè)重加入了人為活動可能對區(qū)劃產(chǎn)生影響的定性指標(biāo)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析與空間分析相結(jié)合的方法進(jìn)行劃分，研究結(jié)果表明：該方法的應(yīng)用性較強(qiáng)，將定性指標(biāo)在空間上賦予了一定程度的空間分布特征屬性，為空間疊置分析提供了基礎(chǔ)，使整個(gè)區(qū)劃過程更科學(xué)、更客觀、更合理。

(4)本文采用的統(tǒng)計(jì)分析方法和GIS空間分析都是以軟件為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)的真實(shí)性、時(shí)效性都具有較高的精度要求。因此，本文收集的部分?jǐn)?shù)據(jù)存在這兩方面的不足，一定程度上影響了區(qū)劃結(jié)果，希望在以后的工作中能夠采取更為有效的方式獲取數(shù)據(jù)。