平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)研究

姚西文

(平?jīng)鍪兴帘３挚茖W(xué)研究所,甘肅 平?jīng)?744000)

平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)研究

姚西文

(平?jīng)鍪兴帘３挚茖W(xué)研究所,甘肅 平?jīng)?744000)

水土保持；生態(tài)修復(fù)；分區(qū)方法；指標(biāo)體系；平?jīng)?/p>

我國地域遼闊、地形起伏，氣候的水平地帶性和垂直地帶性分布明顯，不同地區(qū)的降水、溫度等自然因素差異較大。氣候條件的變化使與之相適應(yīng)的土壤、植被呈地帶性分布，形成了復(fù)雜多樣的土壤類型和植被類型。以平?jīng)鍪袨槔龢?gòu)建的水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo)體系，采用層次聚類分析法進(jìn)行了水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)研究，獲得了比較好的結(jié)果。

我國地域遼闊、地形起伏，氣候的水平地帶性和垂直地帶性分布明顯，不同地區(qū)的降水、溫度等自然因素差異較大。氣候條件的變化使與之相適應(yīng)的土壤、植被呈地帶性分布，形成了復(fù)雜多樣的土壤類型和植被類型。在人類開發(fā)利用自然資源的過程中，自然資源、人口分布的區(qū)域性差異，致使自然資源在開發(fā)利用過程中的破壞程度及其自我恢復(fù)能力不同，使得現(xiàn)狀條件下的自然資源差異較原有差異更甚。綜合分析構(gòu)建水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo)體系，采用科學(xué)合理的方法進(jìn)行水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)，對(duì)于配置修復(fù)措施，促進(jìn)區(qū)域水土保持生態(tài)修復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。基于此，我們以平?jīng)鍪袨槔M(jìn)行了水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)方法和指標(biāo)體系研究。

1 研究區(qū)域

平?jīng)鍪形挥诟拭C東部，在東經(jīng)105°20′～107°45′、北緯34°54′～35°43′之間，總面積11 169.7 km2。其東部為涇河流域，面積7 398.7 km2，包括崆峒、涇川、華亭、崇信、靈臺(tái)五縣(區(qū))，屬隴東黃土高塬溝壑區(qū)；西部為渭河流域，面積3 771.0 km2，包括靜寧、莊浪兩縣，屬隴中黃土丘陵區(qū)。項(xiàng)目分區(qū)研究的范圍為平?jīng)鍪行姓^(qū)域內(nèi)的六縣一區(qū)。

2 構(gòu)建水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo)體系

水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)是促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)、自然資源合理管理及持續(xù)利用的基礎(chǔ)，合理的生態(tài)修復(fù)分區(qū)可為生態(tài)建設(shè)和資源開發(fā)管理政策的制定提供科學(xué)依據(jù)，也可以提高生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能。為了使本項(xiàng)研究的分區(qū)結(jié)論科學(xué)合理、符合實(shí)際，在綜合分析生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)及其地域相似性和差異性的基礎(chǔ)上，根據(jù)水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)原則，結(jié)合平?jīng)鍪懈骺h(區(qū))、各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的實(shí)際情況，突出本地區(qū)的氣候、植被、水土流失、人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等自然環(huán)境的分異性特點(diǎn)和人類活動(dòng)強(qiáng)烈程度對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響及數(shù)據(jù)的可得性與可靠性，從自然生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和水土流失3個(gè)方面結(jié)合水土保持生態(tài)修復(fù)實(shí)踐，構(gòu)建了平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出了水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)的因子，即干燥指數(shù)、年均降水量、多年平均陸面蒸發(fā)量、高程、土壤侵蝕強(qiáng)度、多年平均徑流深、人均耕地、農(nóng)村人口密度、農(nóng)民年人均收入等，具體見表1。

表1 平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3 聚類指標(biāo)體系賦值

根據(jù)表1中的指標(biāo)分類和指標(biāo)含義，結(jié)合平?jīng)鍪猩仲Y源調(diào)查成果數(shù)據(jù)(平?jīng)鍪芯G化委員會(huì)，2009年)、《甘肅省平?jīng)龅貐^(qū)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)與水利區(qū)劃》(平?jīng)龅貐^(qū)農(nóng)業(yè)區(qū)劃辦公室，1988年)、《甘肅省平?jīng)鍪薪y(tǒng)計(jì)年鑒》(2006—2010年)，以及平?jīng)鍪懈骺h區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒(2006—2010年)，對(duì)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行賦值(略)。

4 分區(qū)的方法選擇

水土保持生態(tài)修復(fù)以植物措施為主、工程措施為輔，植被生長與恢復(fù)的速度決定生態(tài)修復(fù)的效果，而影響植被生長與恢復(fù)的因子特別是影響水土保持生態(tài)修復(fù)效果的因子較多，因此選擇科學(xué)合理的分區(qū)方法，才能使分區(qū)結(jié)果符合實(shí)際，有利于措施配置和操作實(shí)施。聚類分析方法[1]可以對(duì)多因素及其之間的相似性進(jìn)行分析，從而研究區(qū)域之間的差異，是定量研究事物分類問題和分區(qū)問題的重要方法，能夠定量確定樣本之間的親疏關(guān)系，并按這種親疏關(guān)系程度對(duì)樣本進(jìn)行聚類。系統(tǒng)聚類法即層次聚類分析法，是目前國內(nèi)外常用的一種分區(qū)方法，其思路是：先將n個(gè)樣品各自作為一類，然后規(guī)定樣品之間的距離及類和類之間的距離，再進(jìn)行逐級(jí)合并，直至所有的樣品都成為一類為止。經(jīng)過分析比較，最終確定采用層次聚類分析方法對(duì)平?jīng)鍪行姓^(qū)域內(nèi)的六縣一區(qū)進(jìn)行水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)研究。

5 層次聚類分析法分區(qū)過程

5.1 確定分區(qū)單位

分區(qū)單位為最基本的行政單元即各縣(區(qū))所屬鄉(xiāng)鎮(zhèn)，即選取平?jīng)鍪邢螺牭臎艽ā㈧`臺(tái)、崇信、華亭、莊浪、靜寧六縣和崆峒區(qū)共102個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這不僅易于收集整理分析數(shù)據(jù)資料，還可以保持行政區(qū)域(單元)的完整性，也有利于政府部門依據(jù)分區(qū)方案開展并實(shí)施水土保持生態(tài)修復(fù)工作,將研究成果與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合。

分區(qū)時(shí)，把各分區(qū)單位分別以1，2，3，…，102個(gè)序數(shù)進(jìn)行標(biāo)記，分別對(duì)應(yīng)靜寧縣的1～24、靈臺(tái)縣的25～37、崇信縣的38～44、華亭縣的45～55、涇川縣的56～67、崆峒區(qū)的68～84、莊浪縣的85～102個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。在分區(qū)運(yùn)算過程中，序號(hào)與其對(duì)應(yīng)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)具有相同的意義。

5.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理(標(biāo)準(zhǔn)化)

由表1可見，本研究采用的聚類指標(biāo)的量綱不統(tǒng)一，各指標(biāo)之間的數(shù)值相差懸殊，數(shù)據(jù)浮動(dòng)范圍較大，直接用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，將弱化數(shù)值量較小指標(biāo)對(duì)分區(qū)的影響，進(jìn)而影響聚類結(jié)果的正確性，所以在分區(qū)之前先對(duì)聚類指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

在SPSS 13.0分析軟件[2]中通過標(biāo)準(zhǔn)化處理(Z scores)把數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化到Z分?jǐn)?shù)。Z分?jǐn)?shù)是從平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差的總體中抽出一個(gè)變量，表示的是此變量的偏差值。由于Z分?jǐn)?shù)分母的單位與分子相同，故Z分?jǐn)?shù)沒有單位，變換后的數(shù)據(jù)均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1，消去了量綱的影響；當(dāng)抽樣樣本改變時(shí)，它仍能保持相對(duì)穩(wěn)定性，可以用來比較兩個(gè)從不同單位總體中抽出的變量值。

假設(shè)所有樣本表示為

均值表示為

均方差表示為

Sj=

則標(biāo)準(zhǔn)化變換計(jì)算公式為

5.3 層次聚類

本項(xiàng)研究樣本之間的距離采用聚類分析中使用最廣泛的距離——?dú)W氏距離，它傾向于把案例數(shù)少的類聚到一起，以發(fā)現(xiàn)規(guī)模和形狀大致相同的類。

樣本與小類、小類與小類之間的距離使用離差平方和法，使同一類案例的離差平方和較小，不同類之間案例的離差平方和較大。求解過程是首先使每個(gè)案例自成一類，每一步使離差平方和增加最小的兩類合并為一類，直到所有的案例都?xì)w為一類為止。本研究運(yùn)用SPSS13.0聚類分析軟件進(jìn)行運(yùn)算分析。

5.4 層次聚類的分類結(jié)果與分析

在保持鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政界線完整性和分區(qū)界線連續(xù)性原則的前提下,以層次聚類分析得到的水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)的分類結(jié)果為基礎(chǔ)，得出平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)，共分成5個(gè)區(qū)。

運(yùn)用SPSS13.0聚類分析軟件運(yùn)行后得出的結(jié)果，我們認(rèn)為存在一些不合理之處，如個(gè)別相同的分區(qū)太過零散，不連續(xù)，差別過大。考慮到此，結(jié)合平?jīng)鍪懈骺h(區(qū))的行政體系，經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展情況、發(fā)展程度，社會(huì)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃方向及今后的水土保持生態(tài)修復(fù)措施配置，對(duì)聚類分析結(jié)果進(jìn)行了微調(diào)與合并,并根據(jù)氣候、地質(zhì)地貌和植被特點(diǎn)進(jìn)行了分區(qū)命名，具體結(jié)果見表2。這樣雖然與聚類結(jié)果略有出入，但更切合生態(tài)修復(fù)分區(qū)的行政管理體制，有利于修復(fù)措施的配置和實(shí)施。

表2 平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)成果

6 討論與結(jié)論

(1)分區(qū)方法科學(xué)合理，分區(qū)結(jié)果符合實(shí)際。本研究應(yīng)用層次聚類分析方法較好地解決了多因素復(fù)雜條件下平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)問題，為合理配置水土保持生態(tài)修復(fù)措施和投資提供了科學(xué)依據(jù)，可使資源配置更加合理，水土保持和生態(tài)恢復(fù)效果更加明顯，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益更加顯著。

(2)指標(biāo)體系構(gòu)建和分區(qū)指標(biāo)選擇符合分區(qū)要求。確定的自然生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和水土流失3類9個(gè)水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)指標(biāo)，符合平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)的要求，并且得到了比較好的分區(qū)結(jié)果。分析比較表明，降水是影響水土保持生態(tài)修復(fù)的最主要因子，對(duì)分區(qū)結(jié)果影響最大，其次是干燥指數(shù)，再次是人口密度。

(3)區(qū)域間水土保持生態(tài)修復(fù)措施配置差異明顯，分區(qū)具有實(shí)踐上的必要性。結(jié)合水土保持生態(tài)修復(fù)工程的規(guī)劃實(shí)施，對(duì)不同區(qū)域間的措施配置及投資規(guī)模、投資結(jié)構(gòu)、植被恢復(fù)效果進(jìn)行的比較分析表明，不同區(qū)域間具有明顯差異，合理分區(qū)對(duì)配置水土保持生態(tài)修復(fù)資源具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 徐建華.現(xiàn)代地理學(xué)中的數(shù)學(xué)方法[M].北京:高等教育出版社,2002:69-84.

[2] 余建英，何建洪．?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與SPSS應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，2003：203-245．

(責(zé)任編輯 張培虎)

S157

C

1000-0941(2017)05-0023-03

姚西文(1964—)，男，甘肅平?jīng)鍪腥耍呒?jí)工程師，長期從事水土保持科學(xué)研究工作。

2016-08-09