基于主成分分析法的贵州省安顺市水土保持区划

任 杰

(贵州省水土保持技术咨询研究中心，贵州 贵阳 550005)

水土保持区划是确定规划单元、进行区域布局和项目布局的支撑和基础，是规划顺利开展的关键，也是提出区域水土保持工作方向、确定区域水土流失的防治途径和技术体系的基础，是水土保持工作开展的有力指导[1]。目前，在水土保持区划方面已有大量方法和研究，划分方法大多都基于GIS分析空间叠加分析法或SPSS软件统计分析法等单一研究方法，如李瑞[2]等采用层次聚类法进行了贵州省水土保持四级区划研究，朱一梅[3]等采用空间叠置方法进行了陕西省汉中市水土保持区划研究。统计分析相对空间叠加分析，只是从数字统计角度考虑区划，丢失了数据的空间属性，导致划分结果往往不太理想。而空间叠加分析则相反，对一些具有空间分布特征的数据更易被使用，但其他一些可能会影响水土保持区划的主观因素，如群众积极性、水土流失治理经验均很难体现[4]。2017年，褚丽妹[5]和弥智娟[6]等采用统计分析结合空间分析方法在省域尺度下进行水土保持区划研究，体现了较好的效果，但该方法目前在中小尺度的水土保持区划中未得到应用和研究。在区划指标体系选取方面，存在差异性大，分散度高，国家层面在地形地貌、气候中选取指标，而到了省域尺度，更重视土壤侵蚀强度及程度、植被、土壤等指标，中小尺度上目前没有统一的规定。笔者认为在中小尺度下，更应侧重人为活动的参与对水土流失的影响，并注重定性因素的量化参与。

本文基于中小尺度区域安顺市开展研究，在贵州省水土保持四级区划框架下，从区域自然地理、社会经济、水土流失特点及治理经验等实际情况出发，构建一个定量分析与定性分析相结合的科学合理的指标体系；采用统计分析与空间叠置相结合的方法进行安顺市水土保持区划，旨在为安顺市区域水土保持工作发展方向和水土流失防治措施提供依据。

1 指标体系的建立

1.1 指标体系的构建

水土保持区域差异性的体现，最重要的就是区划指标体系的建立。按照定量指标和定性指标相结合的原则，从水土流失潜在危害性、水土流失现状、水土流失治理能力3个层次构建指标体系。其中水土流失潜在危害反映自然要素和社会人为活动复合维度，是指水土流失诱发条件的充分程度，用地形地貌、气候等自然要素和人口密度、人均收入等社会经济要素衡量；水土流失强度主要反映区域水土流失现状和特点；水土流失治理能力主要反映区域农民、政府等在水土保持方面的投入、经验及意识。

1.2 数据获取

区划指标需考虑数据真实、可靠，且可获取，以乡(镇)为评价单元进行数据统计。指标数据来源：地形地貌来源于地理空间数据云DEM数字高程提取、《贵州省水利建设生态建设石漠化治理综合规划》及贵州省坡度图；气象数据来源各乡镇上报数据；森林覆盖率来源于安顺市林业局森林资源二类调查；社会经济数据来源《安顺市统计年鉴》；土地利用结构来源《安顺市第二次全国土地调查》；水土流失数据来源于《贵州省水土保持公告(2010～2015)》；水土流失治理经验和群众意识及积极性通过专家评判打分统计。

2 划分范围与原则

2.1 划分范围

安顺市涉及贵州省水土保持区划四级区2个，即黔中中山石灰岩白云岩中度流失蓄水保土区和黔中中山低山石灰岩白云岩轻度流失人居环境维护区。根据省级防治区划分标准，黔中中山石灰岩白云岩中度流失蓄水保土区区域内自然、社会属性差异性小，因此，保持省级区划成果不变，直接划分为一个市级分区。黔中中山低山石灰岩白云岩轻度流失人居环境维护区内自然地理、水土流失特点、主体生态功能以及防治途径及需求具有明显差异性，因此，安顺市水土保持区划针对此区域展开划分。

表1 安顺市水土保持区划指标体系

2.2 划分原则

(1)以乡镇级行政区边界完整、分区集中连片的原则；

(2)定量与定性分析相结合的原则；

(3)保持分区内的优势地貌及气象条件、土壤侵蚀类型及强度、水土流失防治需求和功能基本一致的原则。

3 划分方法与过程

3.1 主成分分析

在实证问题研究中，为了全面、系统的分析问题，必须考虑众多影响因素。这些涉及的因素一般称为指标，在多元统计分析中也称为变量。因为每一个指标都在不同程度上反映了所研究问题的某些信息，并且指标之间彼此有一定的相关性，因此，所得的统计数据反映的信息一定程度上有重叠。在用统计方法研究多变量问题时，变量过多会增加计算量和分析问题的复杂性，而研究者们则希望在进行定量分析的过程中，涉及到的变量较少，而获得的信息较多。因此，主成分分析法正适应这一需求，是解决这类问题的理想工具。

由于选取的水土保持区划指标的来源不同，量化的方法各异，导致了各种变量的量纲和数量大小是不一致的，变化幅度也不相同。如果直接用指标值来计算，就会削弱绝对值小的变量的作用而突出绝对值大的变量的作用，不利于进一步的分析。因此，为了给每种变量以统一度量，必须在进行主成分分析前，对原始数据进行数据标准化处理。本次选用标准差标准化方法进行处理，以使区划尽量保留实际值中的数值关系[7]。

首先，对水土流失潜在危害性要素层进行主成分分析，在该要素层下有69个基本评价单元(乡镇)，每个基本评价单元有12个变量指标，构成一个69×12阶原始地理数据矩阵，在此基础上，利用SPSS 20软件对12个指标数据进行标准化处理，并计算相关系数矩阵R=R12×12，根据相关系数矩阵计算特征值，主成分的贡献率、累计贡献率以及权重(见表2)，由表2可知，第一、第二、第三主成分的累计贡献率已高达86.59%，根据累积贡献率>85%的原则，提取前3个主成分，主成分1贡献率为51.79%，主成分2贡献率23.21%，主成分3贡献率为11.59%，根据各自贡献率计算其权重，前3主成分权重分别为0.5954、02707、01340，同时也表明前三个主成分能够代表最初的12个指标来分析69个基本评价单元的水土流失潜在危害性，故只需求出第一、第二、第三主成分即可；根据前3个主成分特征值计算获得原12个变量指标在主成分上的载荷(见表3)，由此可知：第一主成分与平均海拔、喀斯特面积、森林覆盖率等相关性显著，主要集中反映区域地形、地貌、森林覆盖率等差异，因此命名为自然环境特征因子；第二主成分与人口密度、人均GDP、建设用地面积比较强相关，主要反映区域社会经济发展状况，命名为社会经济因子；第三主成分与坡耕地面积比相关性较强，命名为坡耕地因子。

表2 水土流失潜在危害性要素解释总方差

表3 水土流失潜在危害性要素主成分载荷矩阵

水土流失现状要素主成分分析。分析计算过程同上，根据解释总方差可知(见表4)，前2个主成分累计方差贡献率为90.54%，故提取前2个主成分即可，第一和第二主成分权重分别为0.5759、0.4241；根据主成分荷载矩阵可知(见表5)，第一主成分与水土流失面积、轻度水土流失面积显著相关，因此，命名为水土流失综合因子；第二主成分与中度以上水土流失面积比显著相关，命名为中度以上水土流失因子。

表4 水土流失现状要素解释总方差

表5 水土流失现状要素主成分载荷矩阵

水土流失治理能力要素主成分分析。分析计算过程同上，根据解释总方差可知(见表6)，第一主成分累计方差贡献率为91.65%，故提取第一个主成分即可；根据主成分荷载矩阵可知(见表7)，第一主成分与近5年年均投入水土流失治理费用、治理效果及经验显著相关，因此，命名为水土流失综合治理因子。

表6 水土流失治理能力要素解释总方差

表7 水土流失治理能力要素主成分载荷矩阵

根据主成分分析，最后得到主成分6个(见表8)，达到了简化指标体系效果，为后续工作提高了效率。由上述步骤获得的主成分特征值和载荷，计算出对应单位特征向量，即得到各自主成分的解析表达式以及主成分得分，结合相应主成分权重，即可计算出基本评价单元的综合得分，为下步的层次聚类分析奠定基础。

3.2 层次聚类和空间叠置分析

利用SPSS 20对69个基本评价单元的综合得分进行层次聚类分析，步长距离的计算采用ward法。水土保持潜在危害性要素层选择步长距离为5时，将黔中中山低山石灰岩白云岩轻度流失人居环境维护区中涉及到安顺市乡镇划分为3类；水土流失现状要素层选择步长距离为10时，将涉及乡镇划分为2类。

通过Arcgis 10.1分别将3个要素层聚类结果绘制成图(见图1)，由图A、B、C可知，各要素对黔中中山低山石灰岩白云岩轻度流失人居环境维护区下市级区划的划分总体较为集中，离散区域较少；再次利用Arcgis 10.1将图1中的三张要素聚类分析结果图进行空间叠置，即初步完成了安顺市水土保持区划(见图D)，因此，综合三个要素可知，安顺市北部喀斯特地貌分布广泛，地势平坦，人为建设活动较为频繁，水土流失总体轻微，在水土流失治理方面投入较大，经验丰富；中部喀斯特地貌相对广泛，其中度以上石漠化面积占比较高，森林覆盖率相对较高，水土流失轻微，在水土流失治理方面投入较少；安顺市南部地势较为陡峭，坡耕地面积占比较大，水土流失较为严重，中度以上水土流失面积占比较大，在水土流失治理方面投入较大，经验较为丰富。

表8 安顺市水土保持区划主成分指标体系

图1 安顺市各要素聚类分析结果

4 结论

(1)通过主成分分析，最终得到各要素主成分6个，达到简化指标体系、提高后续工作效率的目的。从主成分权重可知，水土流失潜在危害性要素主要由自然环境特征因子和社会经济因子等构成，其中平均海拔、喀斯特地貌面积比、森林覆盖率、人口密度及坡耕地面积比等指标占较大比重，基本能反映安顺市区内自然环境状况和社会经济状况区内一致性和差异性；水土流失现状要素主要由水土流失因子和中度以上水土流失综合因子构成，符合安顺市北部、中部以微轻度为主，南部以中度以上为主的总体分布情况，因此，水土流失面积、轻度水土流失面积比及中度以上水土流失面积比等指标能有效划分区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综合治理因子构成，反映了安顺市水土流失综合治理工程对水土保持产生的影响，其中北部近5年以小流域水土流失综合治理工程为主，南部则以坡耕地综合治理工程为主，体现在水土流失综合治理资金的投入及效果等指标。

(2)在贵州省水土保持四级区划框架下，根据不打破省级区划边界的原则，将安顺市划分为4个分区。安顺市北部地势平坦、水土流失轻微及城市化率高，水土保持功能是以维护城市和区域居住环境为主；中部地势起伏较大、水土流失轻微，是安顺市重要的生态屏障区域，水土保持功能以加强生态环境的维护，提高景观质量为主；南部地面坡度大，水土流失严重，坡耕地面积多，且区域发展以综合农业生产为依托，水土保持功能则以维护保持土地生产力为主；安顺市西北部地形起伏较大，石漠化等级较高，生产、生活、生态用水缺口严重，水土保持功能以加大水源工程建设，提高水土资源综合利用为主。

(3)本文基于市域尺度下，从水土流失潜在危害性、水土流失现状、水土流失治理能力3个层次构建了指标体系，并根据定量与定性相结合的原则，侧重加入了人为活动可能对区划产生影响的定性指标，结合统计分析与空间分析相结合的方法进行划分，研究结果表明：该方法的应用性较强，将定性指标在空间上赋予了一定程度的空间分布特征属性，为空间叠置分析提供了基础，使整个区划过程更科学、更客观、更合理。

(4)本文采用的统计分析方法和GIS空间分析都是以软件为基础，对数据的真实性、时效性都具有较高的精度要求。因此，本文收集的部分数据存在这两方面的不足，一定程度上影响了区划结果，希望在以后的工作中能够采取更为有效的方式获取数据。