基于多法验证的辽宁省水土保持区划研究

2017-04-24褚丽妹

中国水土保持 2017年4期

关键词：区划分区水土保持

褚丽妹

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳 110003)

基于多法验证的辽宁省水土保持区划研究

褚丽妹

(辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳 110003)

水土保持区划；指标体系；主成分分析；聚类分析；空间叠置分析；辽宁省

针对生态文明建设大局的迫切需求及辽宁省水土保持区划研究尚属于空白的突出问题，以辽宁省为研究对象，研究建立了大中尺度水土保持区划指标体系，并将主成分分析、系统聚类分析、空间叠置分析及专家经验分析等多种方法相结合，以全国水土保持区划成果为基础，开展省域大中尺度水土保持区划研究，最终将辽宁省划分为12个水土流失典型防治区，即辽东山地水源涵养减灾区、辽东山地丘陵水质生态维护区、辽北低山丘陵土壤保持区、辽北漫川漫岗保土拦沙区、辽北漫川漫岗农田保护区、辽中平原人居环境农田防护区、辽东丘陵生态维护区、辽中平原农田保土防风区、辽西低山丘陵保土蓄水区、辽西丘陵保土固沙区、辽东半岛丘陵人居环境维护减灾区、辽西山地丘陵保土蓄水区，为辽宁省分区开展水土保持生态文明建设搭建了基本框架。

水土保持区划是水土保持发展战略、项目布局，以及目标和任务制定的基础，也是行业管理和国家宏观决策的重要依据[1]。开展深入系统的水土保持区划工作，分析各类型区基本地理特征、自然条件、水土流失特点和社会经济发展现状，找出区域发展的有利和不利因素，确定区域的发展方向和水土流失防治措施，既是水土保持规划的基本需求，又能为环境变化的区域响应、生态建设、经济社会发展、科学试验观测等提供基本框架和科学依据。长期以来，我国土壤侵蚀类型分区(即水土流失类型分区)及全国水土流失重点防治区等水土保持分区工作取得了一定成效，对水土保持工作起到了指导和促进作用，但是水土保持区划研究仍然存在一系列问题，如：区划概念认识不统一，应用上没有达成共识；大部分偏重自然区划，社会经济兼顾不够；大部分属于概念性分区，边界不清晰，操作性不强；区划理论、方法研究深度不够，命名不规范；区域性区划缺乏统一标准，不能与国家区划相衔接等[2-3]。目前，辽宁省只是简单地以东、西、南、北、中等区域方位进行水土保持分区，划分粗糙，边界不清，定位不准，应用随意，缺乏系统的区划研究。要做好水土保持工作，如果没有科学、详尽的水土保持区划，那么就很难把握水土保持工作的方向[4]。因此，本研究以辽宁省为研究区域，针对大中尺度水土保持区划等级体系、指标体系、区划方法等开展研究，以期建立可操作性强且全国统一的省域水土保持区划方法，有效指导大中尺度区域水土保持生态文明建设工作。

1 水土保持区划指标体系构建

辽宁省水土保持区划采用四级分区体系，其中一级区为国家总体格局区，二级区为国家区域协调区，三级区为国家基本功能区和省级基本格局区[5]，四级区为省级典型防治区。四级区划分以三级区划分为基础，是省级尺度的末级区划，也是最具实践指导意义的层级，是本文研究的重点。

1.1 划分标准

省域尺度水土流失典型防治区划分要符合以下标准：保持区内优势地貌类型基本一致；保持区内社会经济发展水平及重点开发建设取向基本一致；保持区内土壤侵蚀类型、侵蚀强度和程度基本一致；保持区内水土流失防治需求及防治模式基本一致；保持区内水土保持功能基本一致；保持区内地表物质组成基本一致；依据土地利用覆被条件和农业产业结构现状，保持区内土地利用和农业产业结构发展方向基本一致；依据辽宁省土壤类型、农业气候资源分布、河流水系情况，保持区内土壤类型、气候(水热)条件、河流水文条件基本一致[6-8]。

1.2 指标体系

指标的选择及其数量直接影响到区划的结果[9-10]，针对当前水土保持区划急需解决的突出问题，根据省域水土流失典型防治区划分标准，构建了辽宁省水土保持区划指标体系。水土保持区划指标体系由4个层次构成，分别为目标层(A)、要素层(B)、因子层(C)和指标层(D)。目标层是水土保持区划的预定目标，综合了影响水土保持的各项要素、因子及指标。要素层充分反映地域单元的自然地理、生态和经济社会特征，重点考虑水土流失及相关影响要素，确定的水土保持区划要素主要包括自然要素、社会经济要素、土地利用要素及水土流失要素。因子层由反映主体要素的各项指标构成。指标层是水土保持各影响因素的具体体现，表达因子层的具体内容。省级区划由于范围广、差异大，指标体系难以统一，即使同一指标在不同地区其权重差异也很大，因此根据区域具体情况，指标以定量为主、定性为辅，定性与定量指标相结合。基于上述原则确定的辽宁省水土保持区划指标体系见表1。

表1 辽宁省水土保持区划指标体系

1.3 数据获取

区划指标数据要保证可靠，具有公信力，且可获得。数据获取单元为区划单元。考虑到水土保持的综合性、实践应用性及其社会经济功能属性，确定辽宁省水土保持区划原则上以县级行政区为单元，同时考虑到辽东山地丘陵区向辽宁中部平原过渡区域的部分县(市、区)跨越山地与平原，区内地形地貌、气候条件、水土流失现状差异较大，且比例相当，因此该部分区域以乡镇行政区为划分单元。

指标数据来源：地形地貌数据通过地理信息系统从辽宁省数字高程模型中提取；气象数据来源于各地具有代表性的气象台(站)1981—2014年历年平均值；社会经济数据来源于《辽宁统计年鉴》，除时段数据外，时点数据均为2014年数据；土地利用数据来源于第二次全国土地调查成果；水土流失数据来源于辽宁省土壤侵蚀数据库。

2 水土保持区划方法

水土保持区划方法众多，方法选取既要避免某一方法的片面性，又要解决划分指标繁多、信息繁杂的问题。本研究采用定量分析与定性分析相结合、统计分析与典型调研相结合的方法。根据区划指标体系，收集相关指标数据，在保留原始指标主要信息的前提下，依托SPSS 20.0软件采用主成分分析将指标体系中的众多变量缩减为几个综合指标。在此基础上分别通过SPSS 20.0软件进行系统聚类分析和GIS空间分析软件对区划要素进行空间叠置分析，形成分区成果的相互验证。最后根据专家经验法依据行政界线完整、集中连片、水土保持功能及水土流失防治需求一致等原则对定量分区结果进行微域调整，实现界线连续，最终形成辽宁省水土保持区划成果。具体包括：数据标准化处理采用标准差标准化方法，将全部划分单元的所有指标数据减去其平均值，再除以标准差，进行数据转换，转换后均值为0、方差为1，以消除量纲的影响；主成分分析按照累计贡献率>0.85或主成分特征值>1提取主成分，以确保这些综合指标尽量保留原来全部指标的信息；系统聚类分析采用Q型聚类，即按划分单元进行聚类，距离的计算采用平方欧式距离，最后依据区域共轭原则进行调整，进而得到分区结果；空间叠置分析采用多边形叠置分析分别对自然要素、土地利用要素、社会经济要素和水土流失要素区划图进行叠置，得到水土保持区划图；专家经验法是通过召集熟悉当地情况的专家学者和一线工作者，甚至是熟悉当地情况的农民，采取实地调研、座谈方式，研究在适当的地方划出粗略的分异界线，然后再收集和分析各种有关资料，进行科学论证并做出相应调整。

3 区划结果与分析

全国水土保持区划确定的三级区辽宁省有7个。依据省域尺度水土流失典型防治区划分标准，长白山山地水源涵养减灾区、辽东半岛人居环境维护减灾区、辽西山地丘陵保土蓄水区区域内分异性较小，在辽宁省四级区划中对上述3个区域保持原有边界不变。其余4个三级区，即长白山山地丘陵水质维护保土区、辽河平原人居环境维护农田防护区、辽北漫川漫岗土壤保持区、辽宁西部丘陵保土拦沙区，区域内具有一定的分异性，辽宁省四级区划主要针对这4个区域进行逐区划分。

3.1 长白山山地丘陵水质维护保土区(Ⅰ-2-3st)

长白山山地丘陵水质维护保土区包含17个县级行政区，侵蚀类型均为水力侵蚀。依据本研究确定的定量指标体系，除去D16，选取18项指标，组成17×18阶原始矩阵。在数据标准化的基础上依次计算相关系数矩阵、特征值、主成分贡献率及累计贡献率，提取7个主成分，其对应的特征值>1，累积贡献率为89.20%。提取的前6个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个主成分来代表原来的多个指标的绝大部分信息。计算主成分得分后，进行Q型聚类，采用Ward法，聚类分析结果为以抚顺县为界，大体分为南北2个四级区，见图1。同时，在主成分分析的基础上应用MapGIS软件的空间分析功能对区域内的自然要素、社会经济要素、土地利用要素及水土流失要素进行空间分析，综合多要素进行叠置分析得出该区综合要素分区图，见图2。空间叠置分析与聚类分析结果相当。最后依据共轭原则及专家经验法进行微域调整，确定四级区边界，见图3。

图1 长白山山地丘陵水质维护保土区Ward联接树状图

图2 长白山山地丘陵水质维护保土区空间叠置分析

图3 辽宁省水土保持四级区划

3.2 辽河平原人居环境维护农田防护区(Ⅲ-1-1rn)

辽河平原人居环境维护农田防护区包含32个县级行政区，其中辽阳县、灯塔市、海城市、大石桥市需打破县级行政界线，按西部平原和东部丘陵分为两个区划单元，县域分区保持乡镇行政界线完整，故该区域共有36个划分单元。选取19项指标，组成36×19阶原始矩阵。分析方法同章节3.1。主成分分析提取了6个主成分，其对应的特征值>1，累积贡献率为82.16%。提取的6个主成分可代表原来的多个指标的绝大部分信息。计算主成分得分后进行系统聚类和空间叠置分析，聚类方法为中位数联接，见图4、5。两种方法分区结果相当，均将该区划分为3个四级区，边界略有差异。最后进行微域调整确定四级区边界，见图3。

3.3 辽北漫川漫岗土壤保持区(Ⅰ-3-1t)

辽北漫川漫岗土壤保持区包含4个县级行政区，侵蚀强度均为中度，除去D17，选取18项指标，组成4×18阶原始矩阵。分析方法同章节3.1。主成分分析提取了3个主成分，其对应的特征值>1，累积贡献率为100%。提取的3个主成分可代表原来的多个指标的绝大部分信息。计算主成分得分后进行系统聚类和空间叠置分析，聚类方法为平均联接(组内)，见图6、7。两种方法分区结果相同，均将该区域划分为2个四级区，且边界连续，无须进行调整。

图4 辽河平原人居环境维护农田防护区中位数联接树状图

图5 辽河平原人居环境维护农田防护区空间叠置分析

图6 辽北漫川漫岗土壤保持区平均联接(组内)树状图

3.4 辽宁西部丘陵保土拦沙区(Ⅲ-1-2tj)

辽宁西部丘陵保土拦沙区包含19个县级行政区，选取19项指标，组成19×19阶原始矩阵。分析方法同章节3.1。主成分分析提取了5个主成分，其对应的特征值>1，累积贡献率为82.03%。根据主成分矩阵，前3个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个主成分特征值大于1，故取前5个主成分来代表原来的多个指标的绝大部分信息。计算主成分得分后进行系统聚类和空间叠置分析，聚类方法为最近邻元素，见图8、9。两种方法分区结果相当，均将该区划分为2个四级区，边界略有差异。最后进行微域调整确定四级区边界，见图3。