基于空間主成分分析的湖北省土壤侵蝕敏感性評價

朱 惇，李 璐，韓小波

(1.長江水資源保護科學研究所，湖北武漢 430051;2.湖北省水利水電科學研究院，湖北武漢 430070)

土壤侵蝕已成為全球性的環(huán)境問題之一，它嚴重威脅著人類生存與社會可持續(xù)發(fā)展［1-2］。土壤侵蝕是引起土地退化的主要原因，嚴重危害著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，并導致泥沙淤積河道、增加洪水隱患，同時也將含有大量養(yǎng)分、重金屬和化肥、農(nóng)藥的泥沙帶進江河湖庫，造成水體富營養(yǎng)化。

生態(tài)環(huán)境敏感性是指生態(tài)系統(tǒng)對自然環(huán)境變化和人類活動干擾的反應程度，它反映了一個區(qū)域出現(xiàn)生態(tài)失衡與生態(tài)環(huán)境問題的可能性大小及恢復速度［3-4］。通過生態(tài)環(huán)境敏感性評價，可直觀反映出生態(tài)系統(tǒng)對各種自然和人類活動干擾的敏感程度，以及區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)受到干擾時發(fā)生環(huán)境問題的難易程度和可能性大小。目前，國內(nèi)外關于生態(tài)環(huán)境敏感性評價的研究已有較快發(fā)展，并將其廣泛應用到實際工作中。土壤侵蝕是受眾多因素影響的復雜過程，包括自然因素和人為因素兩大方面，在時空尺度上具有強烈的相互依存和變化特點。目前，對土壤侵蝕評價和預報的研究已受到國內(nèi)外學者的關注［5-7］，針對土壤侵蝕敏感性評價也開展了大量研究，主要探討了土壤侵蝕敏感性的影響因素、不同環(huán)境因素對土壤侵蝕敏感性的影響以及不同敏感程度的空間分異規(guī)律。本研究以湖北省為例，運用空間主成分分析(SPCA)與GIS技術，通過分析不同環(huán)境背景條件下的土壤侵蝕分布特征，對湖北省土壤侵蝕敏感性程度分布特征進行綜合評價，以期為全省水土保持規(guī)劃和綜合治理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖北省位于中國中部、長江中游、洞庭湖以北，介于 E108°21'—116°07'、N29°05'—33°20'之間，總面積18.6萬km2。境內(nèi)地貌類型多樣，山地、丘陵、崗地和平原兼?zhèn)洌貏莞卟顟沂猓〉貏莩嗜娓咂稹⒅虚g低平、向南敞開、北有缺口的不完整盆地。屬亞熱帶季風氣候，夏熱冬冷，全省多年平均降水量800～1 600 mm，年際變化大，70% ～80%的降水集中在4—9月份，受地形影響，降水地域分布呈由南向北遞減的趨勢。境內(nèi)土地利用類型多樣，其中林地面積最大，約占全省總面積的42%，耕地次之，約占27%;山地和丘陵區(qū)林地多、耕地少，且多為旱地，平原則以水田為主。境內(nèi)成土的自然地理及生物氣候條件復雜，成土母質(zhì)多樣，土壤類型繁多，具有明顯的南北過渡特征。

2 研究方法

2.1 環(huán)境背景分析因子選擇及預處理

影響土壤侵蝕的因素很多，不同環(huán)境要素在同一擾動因子作用下其敏感性表現(xiàn)不一樣，同一環(huán)境要素在不同擾動因子作用下其敏感性也不同。參考土壤侵蝕形成過程和影響因素的相關研究，可知湖北省土壤侵蝕的敏感性主要受氣候、土壤性質(zhì)、地形、植被覆蓋度以及人類活動的影響，因此本研究選擇土地利用類型、海拔、地形坡度、土壤類型、降水量和植被覆蓋度6種環(huán)境因子進行全省土壤侵蝕敏感性評價。

研究中，收集并整理了研究區(qū)490個氣象站的2005年逐月降水資料，利用ArcGIS軟件進行空間插值，生成研究區(qū)年降水量的柵格分布圖。根據(jù)1∶5萬DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS空間分析功能，計算研究區(qū)的海拔和地形坡度。根據(jù)研究區(qū)2005年的Terra/MODIS遙感數(shù)據(jù)，通過對逐旬歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)進行處理，采用植被指數(shù)轉(zhuǎn)換法［8］計算研究區(qū)5—9月份植被生長期間的平均植被覆蓋度［9］。根據(jù)研究區(qū)2005年的Landsat7多光譜遙感影像，經(jīng)解譯得到土地利用類型圖，并劃分為水域、城鎮(zhèn)、水田、林地、灌草、荒地和旱地7種類型。研究中的土壤侵蝕數(shù)據(jù)來自2005年湖北省水土流失遙感普查成果，按照水利部規(guī)定將土壤侵蝕強度劃分為微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈6個等級。所有的環(huán)境因子和土壤侵蝕空間分布圖均轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的空間分辨率和投影坐標系。

2.2 不同環(huán)境背景條件下的土壤侵蝕綜合評價

為了獲得研究區(qū)土壤侵蝕隨各種環(huán)境背景條件變化的空間分異規(guī)律，利用GIS的空間分析功能，按照不同自然環(huán)境因子對土壤侵蝕強度分布進行梯度分割，分級統(tǒng)計研究區(qū)土壤侵蝕強度沿自然環(huán)境因子梯度分異的規(guī)律，分類統(tǒng)計不同環(huán)境因子分級的土壤侵蝕分布情況。為了使不同侵蝕強度等級之間具有可比性，根據(jù)侵蝕強度等級進行量化分級，依據(jù)其對生態(tài)環(huán)境影響的大小，對不同土壤侵蝕類型的不同強度等級的分級值劃分如下:微度、輕度、中度、強烈、極強烈和劇烈侵蝕程度的分級值分別為0、2、4、6、8和10分，分級值越大，表明土壤侵蝕越嚴重。在此基礎上，通過計算土壤侵蝕綜合指數(shù)［10］，對不同區(qū)域單元內(nèi)的土壤侵蝕強度進行比較。土壤侵蝕綜合指數(shù)的計算式為

式中:INDEXj為第j單元的土壤侵蝕綜合指數(shù);Wij為第i類第j級土壤侵蝕強度的分級值;Aij為第i類第j級土壤侵蝕強度面積比例。

不同環(huán)境背景條件下的土壤侵蝕綜合指數(shù)計算結(jié)果如表1。

由于不同環(huán)境因子具有不同的量綱，無法進行綜合計算，因此需要通過標準化處理轉(zhuǎn)換為無量綱的數(shù)據(jù)。研究中采用極差標準化進行數(shù)據(jù)變換，每一專題指標標準化后的分級數(shù)值在0～1之間，其計算公式為

式中:x'i為變換后的數(shù)據(jù);xi為各項原始數(shù)據(jù);xmax為指標中的最大值;xmin為指標中的最小值。

表1 不同環(huán)境背景條件下的土壤侵蝕綜合指數(shù)

2.3 空間主成分分析法

主成分分析法(PCA)是從多指標分析出發(fā)，運用統(tǒng)計學分析原理與方法提取少數(shù)幾個彼此不相關的綜合性指標而保持其原指標所提供的大量信息的一種統(tǒng)計方法。通過將原始空間坐標軸旋轉(zhuǎn)，將相關的多變量空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個不相關的綜合指標，實現(xiàn)用較少的綜合指標最大限度地保留原來較多變量所反映的信息［11］。其基本原理是:設有N個相關變量Xi(i=1，2，…，N)，由其線性組合成N個獨立變量Yi(i=1，2，…，N)，使獨立變量Yi的方差之和等于原來N個相關變量Xi的方差之和，并按方差大小由小到大排列，這樣就可把N個相關變量的作用看作主要由為首的幾個獨立變量Yi(i=1，2，…，M)(M＜N)所決定，于是N個相關變量Xi就縮減成了M個獨立變量Yi，即通常所說的主成分。與層次分析法和群組決策特征根法不同，主成分分析法是對高維變量進行最佳綜合與簡化，客觀地確定各個指標的權(quán)重，避免了人為打分而帶來的主觀隨意性［12］。而空間主成分分析(SPCA)則是在GIS技術的支持下將每個空間變量對應一個矩陣后，通過主成分分析，將相關的空間變量對因變量的影響程度分配到相應的主成分因子上。本研究運用空間主成分分析法，根據(jù)各環(huán)境因子的土壤侵蝕綜合指數(shù)計算研究區(qū)的土壤侵蝕敏感性指數(shù)，進行區(qū)域土壤侵蝕敏感性評價。土壤侵蝕敏感性指數(shù)定義為M個主成分的加權(quán)和，而權(quán)重用每個主成分相對應的貢獻率來表示。評價公式可表示為

式中:SI為土壤侵蝕敏感性評價結(jié)果;Yi為第i個主成分(i為1、2、3…M，下同);ri為第i個主成分的貢獻率;M為主成分的數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

利用ArcGIS軟件對6個環(huán)境因子的空間變量進行空間主成分分析，表2為主成分分析結(jié)果。從表2可知，第1個主成分的方差貢獻率達到了57%，而前4個主成分的累計方差貢獻率超過90%，這說明前4個主成分足以反映環(huán)境因子下的土壤侵蝕敏感性程度。因此，以各因子的方差貢獻率作為權(quán)重，將前4個主成分加權(quán)求和即可計算出研究區(qū)土壤侵蝕敏感度指數(shù)，計算式為

表2 主成分因子的特征值、貢獻率和累計貢獻率

3.1 研究區(qū)土壤侵蝕敏感性評價結(jié)果

利用ArcGIS的自然間隔分類法將土壤侵蝕敏感性指數(shù)大小分為5級，即非敏感區(qū)、輕度敏感區(qū)、中度敏感區(qū)、高度敏感區(qū)和極敏感區(qū)。圖1和表3分別為研究區(qū)土壤侵蝕敏感性評價空間分布圖和統(tǒng)計結(jié)果。研究表明，研究區(qū)中度及其以上敏感區(qū)的面積為59 859.8 km2，其中:高度敏感區(qū)和極敏感區(qū)面積分別占總面積的9.4%和4.2%，主要分布在鄂西南、鄂西北高山區(qū)，以丹江口庫區(qū)及三峽庫區(qū)周邊最為顯著;中度敏感區(qū)主要分布在鄂東南、鄂東北低山丘陵區(qū);輕度敏感區(qū)面積最大，占總面積的37.2%，主要分布在山地丘陵向平原過渡的地區(qū);非敏感區(qū)主要分布在中部的平原區(qū)。

從主成分分析結(jié)果看，第1個主成分主要反映了地形坡度和高程分布信息，第2個主成分主要反映了土地利用與植被覆蓋信息，第3個主成分反映了降雨和土壤類型等變異相對較小的環(huán)境因子信息。可見，土壤侵蝕是一個受多種環(huán)境因子綜合作用的復雜過程。

圖1 研究區(qū)土壤侵蝕敏感性分布

表3 研究區(qū)土壤侵蝕敏感性評價結(jié)果

3.2 不同環(huán)境背景條件下的土壤侵蝕分布特征

分析土壤侵蝕與地形之間的關系，可知研究區(qū)土壤侵蝕隨著海拔的變化表現(xiàn)出明顯的垂直分異特征，土壤侵蝕主要集中分布于相對高程帶為50—500 m的崗地丘陵、低山以及相對高程帶為500—1 500 m的山地地區(qū)，3個高程帶的土壤侵蝕面積所占比例均超過30%，其中相對高程帶為150—500 m的比例最高，土壤侵蝕綜合指數(shù)也最高，這些地區(qū)恰好也是耕作活動的主要集中地區(qū)，因此土壤侵蝕敏感度較高。相對高程帶在50 m以下的多為平坦地區(qū)或緩丘平壩，其地形平緩，不易發(fā)生水土流失;相對高程帶為1 500 m以上的地區(qū)植被良好，人為擾動影響小，土壤侵蝕敏感性較低。

從土壤侵蝕與地形坡度的關系看，基本表現(xiàn)為隨著坡度的增大侵蝕加劇的特征。8°—15°坡度范圍的土壤侵蝕面積所占比例均為最高，土壤侵蝕綜合指數(shù)也最高，其次為15°—25°的坡度。這兩個坡度范圍適于人類開發(fā)利用，人為活動劇烈，加上開發(fā)利用不合理，土壤侵蝕程度比坡度大的區(qū)域要高出很多，故土壤侵蝕較嚴重。由此可見，人類開發(fā)利用程度高的斜坡和平緩坡地帶是土壤侵蝕敏感性高的地區(qū)。

從土壤侵蝕與土地利用類型的關系看，旱地的土壤侵蝕綜合指數(shù)最高，其次是未利用地和灌草地。丘陵、山地地區(qū)的耕地多為旱地，水田也多實行水旱輪作，同時也是研究區(qū)農(nóng)作的密集區(qū)，由于缺乏相應的水土保持措施，坡耕地的侵蝕程度居高不下，其侵蝕的發(fā)生顯然與人類的不合理開發(fā)利用關系密切。因此，旱地特別是坡耕地仍然是研究區(qū)土壤侵蝕敏感性高的地類，屬于治理的重點對象。

從土壤侵蝕與植被覆蓋狀況之間的關系看，植被覆蓋的好壞，很大程度上影響著土壤侵蝕的發(fā)生、發(fā)展和演變。研究區(qū)土壤侵蝕程度表現(xiàn)為隨著植被覆蓋度的增大而減小的趨勢。植被覆蓋度高的區(qū)域幾乎不發(fā)生侵蝕，土壤侵蝕敏感性較低，這與通常認為隨著植被覆蓋度的降低發(fā)生侵蝕的概率增大的認識是一致的。

從土壤侵蝕與年降水量的關系看，土壤侵蝕主要集中在年降水量＜900 mm的區(qū)域，而年降水量最高的地區(qū)土壤侵蝕面積分布相對較少，土壤侵蝕綜合指數(shù)也較低。分析其原因，年降水量＞1 500 mm的地區(qū)本身面積較小，主要位于鄂西南高山區(qū)和鄂東南低山丘陵區(qū)，這些地區(qū)是研究區(qū)植被覆蓋較好的區(qū)域;年降水量1 100～1 500 mm的地區(qū)位于江漢平原，不易發(fā)生土壤侵蝕;而年降水量＜900 mm的地區(qū)分布面積較大，并且主要分布于鄂西北地區(qū)，該地區(qū)坡度陡、人為毀林開荒、陡坡耕墾，導致區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境明顯退化，尤其以丹江口庫區(qū)及三峽庫區(qū)周邊最為突出。

從土壤侵蝕與土壤類型之間的關系看，土壤侵蝕面積比例較高的地區(qū)多為黃棕壤、石灰土、紅壤、黃壤和紫色土分布區(qū)，這些土壤的質(zhì)地多以疏松的壤質(zhì)土為主，主要分布在山地區(qū)，易發(fā)生片蝕和溝蝕，因此土壤侵蝕敏感性程度比較高。

4 結(jié)語

本研究對湖北省不同環(huán)境因子下的土壤侵蝕分布特征進行了研究，選擇地形坡度、海拔、植被覆蓋度、土地利用、年降水量及土壤類型6個要素作為環(huán)境背景分析的評價因子，通過計算其土壤侵蝕綜合指數(shù)，運用GIS技術與空間主成分分析方法，對研究區(qū)的土壤侵蝕敏感性的空間分布和變異特征進行了評價。研究結(jié)果表明，湖北省的土壤侵蝕敏感性程度主要以輕度及以下敏感性為主，而中度及以上敏感區(qū)約占研究區(qū)總面積的1/3。相對高程150—500 m、坡度8°—15°、植被覆蓋度低、土質(zhì)疏松、土地利用類型以坡耕旱地為主地帶的土壤侵蝕敏感性程度較高。在空間分布上，不同程度的敏感性地區(qū)呈塊狀不連續(xù)分布，高敏感性區(qū)域主要集中分布在環(huán)湖地區(qū)和西北部山區(qū)，分布特征與地貌類型關系密切。鄂西北、鄂西南高山區(qū)土壤侵蝕敏感性最高，鄂東南、鄂東北低山丘陵區(qū)次之，中部平原以非敏感區(qū)為主。

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