基于多法驗證的遼寧省水土保持區劃研究

褚麗妹

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

基于多法驗證的遼寧省水土保持區劃研究

褚麗妹

(遼寧省水利水電科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

水土保持區劃；指標體系；主成分分析；聚類分析；空間疊置分析；遼寧省

針對生態文明建設大局的迫切需求及遼寧省水土保持區劃研究尚屬于空白的突出問題，以遼寧省為研究對象，研究建立了大中尺度水土保持區劃指標體系，并將主成分分析、系統聚類分析、空間疊置分析及專家經驗分析等多種方法相結合，以全國水土保持區劃成果為基礎，開展省域大中尺度水土保持區劃研究，最終將遼寧省劃分為12個水土流失典型防治區，即遼東山地水源涵養減災區、遼東山地丘陵水質生態維護區、遼北低山丘陵土壤保持區、遼北漫川漫崗保土攔沙區、遼北漫川漫崗農田保護區、遼中平原人居環境農田防護區、遼東丘陵生態維護區、遼中平原農田保土防風區、遼西低山丘陵保土蓄水區、遼西丘陵保土固沙區、遼東半島丘陵人居環境維護減災區、遼西山地丘陵保土蓄水區，為遼寧省分區開展水土保持生態文明建設搭建了基本框架。

水土保持區劃是水土保持發展戰略、項目布局，以及目標和任務制定的基礎，也是行業管理和國家宏觀決策的重要依據[1]。開展深入系統的水土保持區劃工作，分析各類型區基本地理特征、自然條件、水土流失特點和社會經濟發展現狀，找出區域發展的有利和不利因素，確定區域的發展方向和水土流失防治措施，既是水土保持規劃的基本需求，又能為環境變化的區域響應、生態建設、經濟社會發展、科學試驗觀測等提供基本框架和科學依據。長期以來，我國土壤侵蝕類型分區(即水土流失類型分區)及全國水土流失重點防治區等水土保持分區工作取得了一定成效，對水土保持工作起到了指導和促進作用，但是水土保持區劃研究仍然存在一系列問題，如：區劃概念認識不統一，應用上沒有達成共識；大部分偏重自然區劃，社會經濟兼顧不夠；大部分屬于概念性分區，邊界不清晰，操作性不強；區劃理論、方法研究深度不夠，命名不規范；區域性區劃缺乏統一標準，不能與國家區劃相銜接等[2-3]。目前，遼寧省只是簡單地以東、西、南、北、中等區域方位進行水土保持分區，劃分粗糙，邊界不清，定位不準，應用隨意，缺乏系統的區劃研究。要做好水土保持工作，如果沒有科學、詳盡的水土保持區劃，那么就很難把握水土保持工作的方向[4]。因此，本研究以遼寧省為研究區域，針對大中尺度水土保持區劃等級體系、指標體系、區劃方法等開展研究，以期建立可操作性強且全國統一的省域水土保持區劃方法，有效指導大中尺度區域水土保持生態文明建設工作。

1 水土保持區劃指標體系構建

遼寧省水土保持區劃采用四級分區體系，其中一級區為國家總體格局區，二級區為國家區域協調區，三級區為國家基本功能區和省級基本格局區[5]，四級區為省級典型防治區。四級區劃分以三級區劃分為基礎，是省級尺度的末級區劃，也是最具實踐指導意義的層級，是本文研究的重點。

1.1 劃分標準

省域尺度水土流失典型防治區劃分要符合以下標準：保持區內優勢地貌類型基本一致；保持區內社會經濟發展水平及重點開發建設取向基本一致；保持區內土壤侵蝕類型、侵蝕強度和程度基本一致；保持區內水土流失防治需求及防治模式基本一致；保持區內水土保持功能基本一致；保持區內地表物質組成基本一致；依據土地利用覆被條件和農業產業結構現狀，保持區內土地利用和農業產業結構發展方向基本一致；依據遼寧省土壤類型、農業氣候資源分布、河流水系情況，保持區內土壤類型、氣候(水熱)條件、河流水文條件基本一致[6-8]。

1.2 指標體系

指標的選擇及其數量直接影響到區劃的結果[9-10]，針對當前水土保持區劃急需解決的突出問題，根據省域水土流失典型防治區劃分標準，構建了遼寧省水土保持區劃指標體系。水土保持區劃指標體系由4個層次構成，分別為目標層(A)、要素層(B)、因子層(C)和指標層(D)。目標層是水土保持區劃的預定目標，綜合了影響水土保持的各項要素、因子及指標。要素層充分反映地域單元的自然地理、生態和經濟社會特征，重點考慮水土流失及相關影響要素，確定的水土保持區劃要素主要包括自然要素、社會經濟要素、土地利用要素及水土流失要素。因子層由反映主體要素的各項指標構成。指標層是水土保持各影響因素的具體體現，表達因子層的具體內容。省級區劃由于范圍廣、差異大，指標體系難以統一，即使同一指標在不同地區其權重差異也很大，因此根據區域具體情況，指標以定量為主、定性為輔，定性與定量指標相結合。基于上述原則確定的遼寧省水土保持區劃指標體系見表1。

表1 遼寧省水土保持區劃指標體系

1.3 數據獲取

區劃指標數據要保證可靠，具有公信力，且可獲得。數據獲取單元為區劃單元。考慮到水土保持的綜合性、實踐應用性及其社會經濟功能屬性，確定遼寧省水土保持區劃原則上以縣級行政區為單元，同時考慮到遼東山地丘陵區向遼寧中部平原過渡區域的部分縣(市、區)跨越山地與平原，區內地形地貌、氣候條件、水土流失現狀差異較大，且比例相當，因此該部分區域以鄉鎮行政區為劃分單元。

指標數據來源：地形地貌數據通過地理信息系統從遼寧省數字高程模型中提取；氣象數據來源于各地具有代表性的氣象臺(站)1981—2014年歷年平均值；社會經濟數據來源于《遼寧統計年鑒》，除時段數據外，時點數據均為2014年數據；土地利用數據來源于第二次全國土地調查成果；水土流失數據來源于遼寧省土壤侵蝕數據庫。

2 水土保持區劃方法

水土保持區劃方法眾多，方法選取既要避免某一方法的片面性，又要解決劃分指標繁多、信息繁雜的問題。本研究采用定量分析與定性分析相結合、統計分析與典型調研相結合的方法。根據區劃指標體系，收集相關指標數據，在保留原始指標主要信息的前提下，依托SPSS 20.0軟件采用主成分分析將指標體系中的眾多變量縮減為幾個綜合指標。在此基礎上分別通過SPSS 20.0軟件進行系統聚類分析和GIS空間分析軟件對區劃要素進行空間疊置分析，形成分區成果的相互驗證。最后根據專家經驗法依據行政界線完整、集中連片、水土保持功能及水土流失防治需求一致等原則對定量分區結果進行微域調整，實現界線連續，最終形成遼寧省水土保持區劃成果。具體包括：數據標準化處理采用標準差標準化方法，將全部劃分單元的所有指標數據減去其平均值，再除以標準差，進行數據轉換，轉換后均值為0、方差為1，以消除量綱的影響；主成分分析按照累計貢獻率>0.85或主成分特征值>1提取主成分，以確保這些綜合指標盡量保留原來全部指標的信息；系統聚類分析采用Q型聚類，即按劃分單元進行聚類，距離的計算采用平方歐式距離，最后依據區域共軛原則進行調整，進而得到分區結果；空間疊置分析采用多邊形疊置分析分別對自然要素、土地利用要素、社會經濟要素和水土流失要素區劃圖進行疊置，得到水土保持區劃圖；專家經驗法是通過召集熟悉當地情況的專家學者和一線工作者，甚至是熟悉當地情況的農民，采取實地調研、座談方式，研究在適當的地方劃出粗略的分異界線，然后再收集和分析各種有關資料，進行科學論證并做出相應調整。

3 區劃結果與分析

全國水土保持區劃確定的三級區遼寧省有7個。依據省域尺度水土流失典型防治區劃分標準，長白山山地水源涵養減災區、遼東半島人居環境維護減災區、遼西山地丘陵保土蓄水區區域內分異性較小，在遼寧省四級區劃中對上述3個區域保持原有邊界不變。其余4個三級區，即長白山山地丘陵水質維護保土區、遼河平原人居環境維護農田防護區、遼北漫川漫崗土壤保持區、遼寧西部丘陵保土攔沙區，區域內具有一定的分異性，遼寧省四級區劃主要針對這4個區域進行逐區劃分。

3.1 長白山山地丘陵水質維護保土區(Ⅰ-2-3st)

長白山山地丘陵水質維護保土區包含17個縣級行政區，侵蝕類型均為水力侵蝕。依據本研究確定的定量指標體系，除去D16，選取18項指標，組成17×18階原始矩陣。在數據標準化的基礎上依次計算相關系數矩陣、特征值、主成分貢獻率及累計貢獻率，提取7個主成分，其對應的特征值>1，累積貢獻率為89.20%。提取的前6個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個主成分來代表原來的多個指標的絕大部分信息。計算主成分得分后，進行Q型聚類，采用Ward法，聚類分析結果為以撫順縣為界，大體分為南北2個四級區，見圖1。同時，在主成分分析的基礎上應用MapGIS軟件的空間分析功能對區域內的自然要素、社會經濟要素、土地利用要素及水土流失要素進行空間分析，綜合多要素進行疊置分析得出該區綜合要素分區圖，見圖2。空間疊置分析與聚類分析結果相當。最后依據共軛原則及專家經驗法進行微域調整，確定四級區邊界，見圖3。

圖1 長白山山地丘陵水質維護保土區Ward聯接樹狀圖

圖2 長白山山地丘陵水質維護保土區空間疊置分析

圖3 遼寧省水土保持四級區劃

3.2 遼河平原人居環境維護農田防護區(Ⅲ-1-1rn)

遼河平原人居環境維護農田防護區包含32個縣級行政區，其中遼陽縣、燈塔市、海城市、大石橋市需打破縣級行政界線，按西部平原和東部丘陵分為兩個區劃單元，縣域分區保持鄉鎮行政界線完整，故該區域共有36個劃分單元。選取19項指標，組成36×19階原始矩陣。分析方法同章節3.1。主成分分析提取了6個主成分，其對應的特征值>1，累積貢獻率為82.16%。提取的6個主成分可代表原來的多個指標的絕大部分信息。計算主成分得分后進行系統聚類和空間疊置分析，聚類方法為中位數聯接，見圖4、5。兩種方法分區結果相當，均將該區劃分為3個四級區，邊界略有差異。最后進行微域調整確定四級區邊界，見圖3。

3.3 遼北漫川漫崗土壤保持區(Ⅰ-3-1t)

遼北漫川漫崗土壤保持區包含4個縣級行政區，侵蝕強度均為中度，除去D17，選取18項指標，組成4×18階原始矩陣。分析方法同章節3.1。主成分分析提取了3個主成分，其對應的特征值>1，累積貢獻率為100%。提取的3個主成分可代表原來的多個指標的絕大部分信息。計算主成分得分后進行系統聚類和空間疊置分析，聚類方法為平均聯接(組內)，見圖6、7。兩種方法分區結果相同，均將該區域劃分為2個四級區，且邊界連續，無須進行調整。

圖4 遼河平原人居環境維護農田防護區中位數聯接樹狀圖

圖5 遼河平原人居環境維護農田防護區空間疊置分析

圖6 遼北漫川漫崗土壤保持區平均聯接(組內)樹狀圖

3.4 遼寧西部丘陵保土攔沙區(Ⅲ-1-2tj)

遼寧西部丘陵保土攔沙區包含19個縣級行政區，選取19項指標，組成19×19階原始矩陣。分析方法同章節3.1。主成分分析提取了5個主成分，其對應的特征值>1，累積貢獻率為82.03%。根據主成分矩陣，前3個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個主成分特征值大于1，故取前5個主成分來代表原來的多個指標的絕大部分信息。計算主成分得分后進行系統聚類和空間疊置分析，聚類方法為最近鄰元素，見圖8、9。兩種方法分區結果相當，均將該區劃分為2個四級區，邊界略有差異。最后進行微域調整確定四級區邊界，見圖3。

圖7 遼北漫川漫崗土壤保持區空間疊置分析

圖8 遼寧西部丘陵保土攔沙區最近鄰元素聯接樹狀圖

圖9 遼寧西部丘陵保土攔沙區空間疊置分析

3.5 遼寧省四級區劃結果

銜接全國水土保持區劃成果，遼寧省水土保持區劃共劃分為12個四級區，見表2。12個四級區邊界分布詳見圖3。

表2 遼寧省水土保持四級區劃

4 結 論

(1)研究建立的由自然、社會經濟、土地利用和水土流失4項要素，地形地貌、氣候特征、植被、人口、經濟、地類、水土流失和水土保持8項因子，以及與之相對應的21項指標構成的遼寧省水土保持區劃指標體系，適用于大中尺度水土保持區劃。

(2)通過主成分分析對按指標體系收集的大量指標數據實現了有效降維，顯著提升了水土保持區劃的效率，也為后續分析提供了基本支撐。

(3)定量分析與定性分析相結合。定量分析通過聚類分析和空間疊置分析并行，實現區劃結果的相互驗證，保證了區劃成果的可靠性；定性分析通過專家經驗法進行微域調整，保證了區劃成果的可操作性。

(4)基于多法聯動的遼寧省水土保持區劃，最終將全省劃分為12個四級區，為遼寧省分區開展水土保持生態文明建設提供了科學依據。

[1] 趙巖,王治國,孫保平,等.中國水土保持區劃方案初步研究[J].地理學報,2013,68(3):307-317.

[2] 張超,王治國,王秀茹,等.中國水土保持區劃的回顧與思考[J].中國水土保持科學,2008,6(4):100-104.

[3] 孫保平,王治國,趙巖,等.中國水土保持區劃的目的、任務與特點[C]//中國水土保持學會規劃設計專業委員會2011年年會論文集.杭州:2011:13-17.

[4] 王治國,王春紅.對我國水土保持區劃與規劃若干問題的認識[J].中國水土保持科學,2007,5(1):105-109.

[5] 王治國,張超,紀強,等.全國水土保持區劃分級體系與方法[C]//中國水土保持學會規劃設計專業委員會2011年年會論文集.杭州:2011:5-12.

[6] 李建軍,王念中,張鋒.遼河流域水土保持分區及防治策略[J].東北水利水電,2013(7):46-49.

[7] 李樹彬.遼寧省礦區水土保持生態建設分區研究[J].水土保持通報,2008,28(4):90-99.

[8] 王白春,許林軍,朱莉莉,等.北方風沙區水土保持三級區劃分[C]//中國水土保持學會規劃設計專業委員會2011年年會論文集.杭州:2011:66-73.

[9] 承志榮,王新軍,王雪晴,等.基于主成分分析法的江蘇省水土保持區劃指標體系研究[J].水土保持通報,2013,33(6):181-186.

[10] 王新軍,曹磊,吳穎超,等.基于GIS的江蘇省水土保持區劃方法[J].水土保持通報,2014,34(3):130-134.

(責任編輯 李楊楊)

遼寧水利科技指導性計劃項目(20140110)

S157

A

1000-0941(2017)04-0049-05

褚麗妹(1978—)，女，內蒙古赤峰市人，高級工程師，碩士，主要從事農業水土資源與水土保持研究工作。

2016-12-23