縣域水土保持區劃方法的問題與改進*

王丹陽 李忠武，? 陳 佳 朱小林 王凌霞 胡曉倩

（1 湖南大學環境科學與工程學院，長沙 410082）（2 湖南大學環境生物與控制教育部重點實驗室，長沙 410082）（3 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）（4 湖南省國土資源規劃院，長沙 410007）

水土保持區劃將水土流失類型相同、強度相近，自然社會經濟情況相似的地域單元組織起來，統一配置治理措施。它是因地制宜治理區域水土流失的基礎，也是保持區域水土資源的重要前提。自20世紀50年代提出以來，歷經近70年發展，日趨成熟和完善。尤其自2011年水利部首次提出全國范圍的水土保持三級分區方案并寫入《中國水土保持規劃（2015-2030）》后，更加帶動了省、市、縣和小流域等層面的區劃研究。

誠然，這些工作對各地水土流失防治起著重要的指導作用。但如果區劃的形成過程存在缺漏，最終方案的準確性就會受影響，科學價值削弱；另一方面，生態文明建設的新形式要求水土保持區劃進一步提高學科綜合性和動態適應性，相應的，區劃方法也亟需發展。鑒于此，本文概述當前水土保持區劃方法，分析其不足和可能的改進方向，提出縣域尺度層面的區劃優化設計，以期為區劃工作的進一步完善提供參考。

1 區劃發展歷程及現狀

中國水土保持區劃方法的發展，主要體現在兩個方面，一是技術進步，從主觀定性向客觀定量逐漸過渡；二是概念擴充，主要是與生態學、經濟學的結合，如圖1所示。

1.1 技術進步

技術進步表現為主觀定性向客觀定量轉變。20世紀90年代之前的區劃多基于水保工作經驗。50年代林俊青曾指出“其仍沒有超出自然區劃的范圍，而且多半是科學工作者對自然現象的綜合描述和對合理利用土地、保持水土的意見應該說還是很不成熟的。”［1］如在惠安縣，許伍權等［2］總結自然和社會經濟條件、水土沖刷情況及防治經驗，將其劃分為三個水土保持區；在興國縣，江西農委以地貌為主導因素將全縣劃分為九個水土保持區，又考慮積溫、巖性、侵蝕土壤類型、水土流失現狀和農林牧生產現狀等因素對分區界線做了調整［3］。

圖1 水土保持區劃方法發展過程Fig. 1 Development process of methods for regionalization of soil and water conservation

直至1990年，認識到“用一般的經驗方法來定性分析不夠準確，特別是當分區指標和樣本數較多時，很容易出現錯分或漏分現象”，張漢雄［4］選取年降雨量、徑流深、溝壑密度、植被覆蓋度、川臺地比例、侵蝕模數和人均耕地面積7項指標，首次使用模糊聚類法，計算陜西安塞縣各鄉之間的歐氏距離，得到以樹形圖表示的定量分區結果。這一方法很快被借鑒和推廣，貝葉斯準則逐步判別法［5］、模糊-動態聚類法［6］、聚類星座圖法［7］等一系列聚類分析先后應用于水土保持區劃。進入21世紀后，數理方法以GIS為平臺，進一步獲得了發展。如馬力［8］選取適于ArcGIS處理的坡度、植被蓋度、土地利用類型、水土保持措施和土壤侵蝕模數5項指標，借助空間自相關分析，劃定了縣南溝小流域水土流失重點防治區；孫秀美［9］在ArcGIS上疊置分析生態服務功能類型、土地利用類型、地貌高程和遙感影像圖等多靜態特征圖，確定了沂沭泗小流域水土保持生態功能二級區區界。

1.2 概念擴充

概念擴充表現為與生態學、經濟學等學科不斷融合。最初中國以土壤侵蝕類型分區代替水土保持分區［10］。雖簡單便捷，但忽略了必然影響分區結果的其他因素。尤其是考慮到區域間自然條件差異、社會經濟異質和開發方向不同均會對區劃后的實際治理產生極大影響，獨立開展水土保持區劃勢在必行。

因此，1980年到21世紀初的區劃工作，也有意識地漸將水土保持區劃區別于土壤侵蝕類型區劃。這一區別主要體現在指標體系。比如1988年遼寧省水電廳和水土保持研究所“充分考慮了省內各方的自然特點和水土資源利用的一致性，水土流失的類型、特點、程度和發生發展規律的相似性，水土保持的主攻方向和治理措施的統一性，將全省分為8個水土保持區，并根據侵蝕強度的不同，在每個區內續分3～5個亞區”［11］。而到了2017年，褚麗妹［12］基于多法驗證劃分遼寧省水土保持區時，建立了包括目標層、要素層、因子層和指標層的指標體系，其中要素層明確分為自然、社會經濟、土地利用和水土流失4層，且侵蝕類型僅是指標層內21項指標之一。

水土保持區劃與生態系統服務功能的結合是近年來的趨勢。《全國水土保持區劃導則》劃定了10項水土保持的生態服務功能（水源涵養、土壤保持、蓄水保水、防風固沙、生態維護、防災減災、農田防護、水質維護、攔沙減沙和人居環境改善），初步區劃方案形成后，計算并比較每個區水土保持的各項生態服務功能價值，識別主導功能，并以“地理位置+地貌類型+主導生態服務功能”方式命名各水土保持區，以突出其水土保持的生態目標［13-14］。

2 區劃方法不足

2.1 指標體系欠缺合理

選取水土保持區劃方案大流域尺度3套，區域、省域、小流域和縣域尺度各4套，統計其指標體系得（表1）。定義指標分散度為各方案使用指標去重后數量與全部合計數量的比值，分散度越高，指標選用差異越大。大流域、區域、省域、小流域和縣域尺度的指標分散度依次為0.80、0.64、0.51、0.90和0.62，說明各地區劃工作沒有統一的指標選用規范，導致相同尺度內不同研究使用的指標過于分散，尤其是小流域尺度上4個區劃方案全部51個指標中，只有4次重復。

表1 各尺度區劃方案指標統計Table 1 Statistical analysis of indicator systems used in regionalization of different scales

分散導致混亂。表現為盲目羅列與水土保持關系不大的指標。如澧水流域水土保持區劃中，將漁業和服務業產值占一、三產業總產值比重，水庫和壩塘容量，化肥施用量列入指標體系［15］。盲目羅列又導致指標獨立性減弱。如云南省水土保持區劃中，將農業人口比例和非農業人口比例均列入指標體系，而二者是明顯的線性函數關系［16］。考慮到所有列入指標體系的指標均會對聚類分析結果產生影響，所以指標選用分散、不合理和共線性的情況，均會影響區劃準確度和科學性。

將各尺度區劃重復率最高的指標再次合計并去重，計算指標分散度為0.42，較任何尺度區劃指標的選取均要集中，說明指標選取并未反映出尺度差異，也未服從尺度變化。比如人口密度和植被覆蓋率均是大流域尺度和小流域尺度上重復最多的指標，說明對于面積相差20倍～30倍的大流域和小流域而言，人口密度和植被覆蓋率均是水土保持區劃的關鍵指標。這與已有知識矛盾，因為熱量、水分在大尺度上主導，而人類活動的影響更多在局部。

2.2 定量計算存在局限

主成分分析、系統聚類等方法及GIS的應用提高了區劃工作的效率。但不應忽視定量方法的局限性。首先，難量化指標的納入分析受到了限制。以GIS為研究手段，則參數選取、數據量化與集成等方面也需充分考慮GIS的適宜性［8］，因此具有空間分布特征的指標，如坡度、水保措施、地類、植被覆蓋率、土壤侵蝕模數等更易被使用，而其他一些可能影響水土保持區劃的主觀因素，比如農民投入水保勞作的積極性、水土流失治理經驗，均很難在其中體現。

其次，數理方法丟掉了數據屬性，只進行數字計算。以系統聚類法為例，在假設情景下，區域R2和R3分屬兩個水土保持區，指標僅考慮X1土壤侵蝕模數和X2人口密度，且μ（X1）和μ（X2）為由三相模糊統計法確定的指標隸屬度函數，將區域R1、R2、R3指標值輸入函數得到表2，現確定R1歸屬。根據歐氏距離計算公式：

式中，n為指標數量，rij為i區域和j區域的歐氏距離，Xik、Xjk分別為i區域和j區域的第k個指標值。

表2 區域及對應隸屬度函數值Table 2 Membership functions values of the three regions

計算r12為0.4，r13為0.5，將R1區域劃歸R2。而關注X1和X2的數據屬性，則發現R1與R3區域的土壤侵蝕和人類活動的程度均為高-低型，而R2區域恰好相反。在實際水土流失治理中，可能R1與R3區域更關注對不利自然條件的控制，而R2區域更強調限制人為因素的影響。那么將土壤侵蝕強度和人類干擾程度相反的兩個區域劃分到一起是否合適，是否利于統籌規劃水土流失防治？

2.3 生態功能體現不足

生態系統服務功能是生態系統與生態過程所形成及維持的人類賴以生存的自然環境與效用，其價值是物化在環境中的社會必要勞動，其效益可通過貨幣表現［17］。水土保持的生態系統服務功能就是運行各項水土保持措施對維持、改良和保護自然環境的綜合效用［18］。2007年十七大首次將生態文明寫入報告，以之為導向，外延水土保持價值范疇，確定并量化其生態功能，是將水土保持對接生態文明建設的重要舉措。由此，生態功能識別及量化逐漸成為水土保持區劃的重要工作。

但生態系統服務功能與水土保持區劃的結合主要集中在區劃工作后期，即先形成水土保持區，再計算每個區各類服務功能的相應價值，識別主導功能。因此嚴格而言，生態系統服務功能及其價值量的計算并不影響區劃結果。在區域、省域等大尺度上，為了便于宏觀把控、突出區域間差異，這樣處理是可以接受的。但在縣域、小流域范圍，還應探討將生態功能融入區劃過程的更好方式，使水土保持區劃真正可以面向區域生態系統服務功能的提升。

3 改進縣域尺度區劃

針對水土保持區劃方法的不足，歸納以下待解決問題：第一，如何優化指標體系設計，精簡不必要指標、避免共線性、體現尺度差異？第二，如何補充定性和定量分析，處理難量化因子并考慮數據實際含義？第三，如何進一步將生態系統服務功能及價值與區劃的密切結合？現有中國水土保持三級區劃方案將全國劃分為8個一級區、40個二級區和115個三級區，是各級水利部門進一步開展區劃工作的依托，也是相關學術研究的重要參考。對縣域尺度水土保持區劃方法的探討在其基礎上展開。

3.1 設計思路

以水土流失危險性（P）、土壤侵蝕態勢（E）、水土保持能力（C）為三個維度，構建三維指標框架。其中水土流失危險性是自然和人為復合維度，有前向和后向兩方面含義，前向危險性是指水土流失誘發條件的充分程度，用氣候、地貌等自然要素和人口、產業等社會經濟要素衡量，后向危險性是指一旦發生水土流失造成損失的嚴重程度，以生態系統服務價值衡量，價值越高，潛在損失就越大。計算公式為

式中，n為因子數，Vi和Wi分別為第i個因子的指標值和權重。

土壤侵蝕態勢是自然維度，表示當前土壤的侵蝕狀況。按土壤侵蝕強度將評價單元地塊劃分為輕度、中度、強度、極強、劇烈侵蝕五類，根據每類土地面積確定單元總體土壤侵蝕態勢，用土壤侵蝕綜合指數表示。計算公式為

式中，n為土壤侵蝕等級數，Ci和A分別為第i等級侵蝕土壤的面積和權重，S為評價單元的土地總面積。E在0到100之間取值，為0時表示沒有任何水土流失發生，在許多平原地區普遍存在，為100時表示評價單元全部劇烈侵蝕，除非單元面積很小，不然實際很難發生。

水土保持能力是人為維度，表示以個體、企業、政府等行為主體的社會系統采取措施治理流失、保持水土的能力。評價因子可分兩類，一是可量化因子，如資金技術投入、交通便利度等，二是難量化因子，如水保工作參與積極性。計算公式為

式中，n為因子數，V’i和W’i分別為第i個因子的指標值和權重。

其次，根據以上三維框架，參考以往研究，考慮縣域尺度自然過程的主導因子和數據獲取性，得到指標體系如表3。在水土流失危險性維度中，坡度以＞15°坡地占評價單元面積的比重（%）計算；植被覆蓋率和人口密度單位分別為%和人·m-3；土地利用強度以受人類干擾土地（如耕地、居民點、建筑及工礦用地）占評價單元面積的比重（%）表征；生態系統服務功能以評價單元10種水土保持的生態系統服務功能的價值（元）量化。土壤侵蝕綜合指數單位為1，在0～100內取值。資金/技術投入以近3年年均投入治理費用（元·年-1）計算，其中技術投入折算為等效資金投入；交通通達度以單位面積的道路長度表示，單位是m·m-2；水保工作積極性是定性指標，以問卷或訪談形式，調查農民、企業、政府部門等的水土保持意識和積極性并打分。考慮區域空間異質性，指標權重應借助主成分分析法，根據具體區劃區域的自然、社會特征確定。

最后，以鎮或村為基本評價單元，計算區劃范圍內各單元的三維數值。對水土流失危險性和土壤侵蝕態勢兩個維度，按數值分布直方圖中由低到高累計頻數的30%、40%、30%分為低、中、高三類，分別以A/B/C和1/2/3表示；對水土保持能力維度，按由低到高50%、50%的累計頻數分為弱、強兩類，以I/II表示。將不同三維組合類型劃為不同水保類型區，如圖2所示。

圖2中A1為自然修復區，水土流失危險性低，土壤侵蝕強度弱；A2、B1、C1為預防保護區，特征是水土流失危險性高但流失情況尚不嚴重，或流失情況已引起注意但危險性尚低；B2、C2為防治結合區，區內土壤侵蝕強度較預防保護區更高；A3、B3、C3為重點治理區，區內水土流失危險性可能不高，但侵蝕狀況已相當嚴峻。

表3 縣域尺度水土保持區劃指標體系Table 3 Indicator system developed for regionalization at county-scale

圖2 水土保持類型區劃分Fig. 2 Types of soil and water conservation regions

無論是水土保持能力較強的II類自然修復區還是較弱的I類自然修復區，均可以憑借環境本身的恢復能力有效地保持水土，無需另投入，統稱為自然修復區。對I類預防保護區、防治結合區和重點治理區，因區域經濟條件較差、基礎設施落后或保水保土意識不強，需要做好前期工作，完善基礎建設、加強科普宣傳和吸收民間資本，如江西省實行“公司+基地+農戶”運作方式，有效推動了社會資金多元化投入［19］。相比之下，II類預防保護區、防治結合區和重點治理區的水土保持能力較強，水土流失治理效率更高，但仍需注意資金、人力的合理調配。

3.2 設計依據

壓力-狀態-響應模型。又稱PSR模型，由經濟合作與發展組織提出，用于系統的壓力、狀態和響應分析，基本架構如圖3，工農業、城鎮建設等人類活動對資源環境造成的壓力以一定狀態指標傳導到個人、企業、政府等行為者，迫使其做出響應［20］。PSR模型已廣泛應用于生態安全、土地利用和自然資源評價。保留模型框架，適當外延概念，將三個水土保持區劃維度分別視為壓力、狀態和響應三個模塊。水土流失危險性對應壓力，但與模型中純粹人類活動的壓力不同，這一危險性包括了自然和人為兩方面；土壤侵蝕態勢對應狀態，其態勢是對自然過程和人類活動的響應，進而影響各類行為者的福利；水土保持能力對應響應，行為者的態度和行為決定響應的方向和強度。

圖3 PSR模型架構Fig. 3 Structure of PSR model

已有水保區劃工作。水利部和中國科學院、工程院在南方紅壤區開展水土保持區劃時，提出水土流失潛在危險性（Ie）和土壤侵蝕綜合指數（E）概念［19］。前者是指誘發水土流失的人為不可控自然因素，以坡度、高程、K值、花崗巖區、年均降水量、暴雨頻次指標衡量；后者概念與本文相同。而后以100 m×100 m的地塊為基本評價單元，計算每個單元的Ie和E值，按兩值的不同組合確定各單元所屬的水土保持區，如表4。再以縣界為基準，統計每個縣內各類水土保持區的單元數量，以占比超過60%的優勢單元類型作為該縣的水土保持區類型。本文借鑒土壤侵蝕綜合指數概念，并擴充水土流失潛在危險性為自然人為復合維度；為方便社會經濟數據統計，對接未來以行政單元為主體的水土流失治理工作，將基本評價單元由地塊調整為村鎮；簡化五級土壤侵蝕綜合指數為三級，并以動態頻數分布而非固定數值確定三個維度的低、中、高分界點，以適應不同區劃區域的差異。

表4 水土保持類型區劃分標準Table 4 Classification standard of types of soil and water conservation regions

水土流失驅動因子的尺度效應。全國水土保持分區使用海拔、＞10℃積溫、年均降水量和干燥指數為一級區劃指標；特定優勢地貌類型、若干次要地貌類型的組合、水土流失類型及強度和植被類型（主要植被區帶）為二級區劃指標；地貌特征指標（如相對高差、特征地貌）、社會經濟發展狀況指標（如人口密度、人均收入、人均GDP、工業產值比例）、水土流失防治需求和特點（如坡耕地治理、小流域綜合治理、崩崗治理、石漠化防治）、土壤侵蝕程度和強度（土層厚度）為三級區劃指標。不同指標在不同尺度區劃的應用反映了水土流失驅動因素的尺度效應：一級區劃指標使用地勢、氣候等大尺度上起主導作用的自然因子，二級使用地貌、植被等中尺度自然因子，三級則側重考慮人類活動。而借鑒縣域、小流域等較小尺度水土流失影響因子的研究［21-25］，本文共確定指標9項，其中自然指標3項，人為指標5項，復合指標1項；定量指標8項，定性指標1項。

基于以上依據的縣域水土保持區劃方法設計，可初步回答前面的三個問題。對問題一，依據縣域尺度水土流失的驅動因子重新設計指標體系，精簡冗余，各項指標相關性不顯著，避免了指標共線性，指標體系科學性得以提升；對問題二，打破自然、人為的簡單分類，將9項指標按其內涵歸入壓力、狀態和響應三個維度，避免了數據屬性被定量計算方法掩蓋，同時加入水保工作積極性等定性指標，補充了行為主體能動性對水土流失治理的重要影響；對問題三，將生態系統服務功能作為從屬于水土流失危險性維度的指標，對評價單元生態系統服務價值的計算直接作為影響區劃的重要因素，進一步密切了生態功能與水土保持區劃的結合。

3.3 案例說明

指標數據獲取、加權計算等可參考相關文獻，不再贅述。為突出重點，現簡化條件，假設擬區劃區域有評價單元100個，以10×10矩陣形式列出，每一評價單元由其所在行和列的坐標唯一確定。經過數據收集、歸一化處理、加權計算等，得到各評價單元的三維屬性，如圖4。紅色框線內單元為強水土保持能力區，以外為弱水土保持能力區；各單元的水土流失危險性和土壤侵蝕態勢兩個維度由“字母+數字”形式表示，含義同圖2。

圖4 評價單元的三維屬性疊置Fig. 4 Superposition of 3-dimension data of each evaluating unit

將不同的三維組合劃分到不同水土保持類型區，得圖5，100個評價單元共識別為6個水土保持類型區。對于自然修復區（A1），除圖3中7j屬于弱水土保持能力區外，其余25個單元均屬于強水土保持能力區，因自然修復區水土保持可主要靠生態系統自身恢復，受行為主體能力強弱的影響不大，故將圖4中7j和其余25個村落同劃為II類自然修復區。預防保護區（A2、B1、C1）和防治結合區（B2、C2）均進一步分為I類和II類，I類區域可投入的人、財、物力有限，相較II類區域，需優先治理重點流失地塊，優化資源調配，最大化提高有限資源的使用效率。重點治理區（A3、B3、C3）與自然修復區相反，完全屬于弱水土保持能力區，土壤侵蝕情況最嚴峻，自然環境和人類活動最易誘發水土流失，且治理能力十分有限。要發展該區域水土保持工作，需借助外部幫助，如財政傾斜，人才、技術引進等。

值得注意的，單元圖5中1e為高水土流失危險性-中土壤侵蝕態勢-弱水土保持能力的三維組合，應屬II類防治結合區，但在圖4中被歸為I類重點治理區。這是定性判斷對定量分析的修正結果。主要是避免產生“飛地”，減少破碎斑塊，并保證區劃后水土保持措施布置的空間連續性。類似的，村落圖5中4f為低水土流失危險性-高土壤侵蝕態勢-強水土保持能力的三維組合，應屬II類重點治理區，但卻被歸為了II類防治結合區。這主要是出于兩點考慮：第一，以一個評價單元作為一個類型區，增加了分區的復雜性，且不利于后續工作開展；第二，將其劃入II類防治結合區，可以接受經濟發達地區輻射，共享技術、資金和基礎設施。可見，定性判斷不僅體現在前期計算過程，也體現在初步區劃后的斑塊整合、邊界調整，這也是對如何補充定性和定量分析的進一步回答。與聚類分析相比，通過每個評價單元的三維屬性確定其歸屬的區劃方法，在精簡指標并保留指標內涵的前提下，實現了定性與定量的結合，并一定程度上簡化了計算過程。

圖5 假設情景中水土保持區劃Fig. 5 Regionalization of soil and water conservation in hypothetical scenario

4 結 論

技術引入使水土保持區劃從主觀定性向客觀定量逐漸過渡，概念擴充使區劃與生態學、經濟學等學科不斷融合，是近70年來中國水土保持區劃方法發展歷程的主要特點。現有區劃方法存在問題有三：一是指標體系科學性不足，尺度和空間差異未體現，并且指標冗雜，部分指標間高度相關；二是定量方法限制了對定性因子的考慮，并弱化了數據的實際含義；三是生態系統服務功能的融入只體現在區劃工作結束后，而無法影響區劃過程。針對于此，對縣域尺度水土保持區劃方案加以改進，提出包含水土流失危險性、土壤侵蝕態勢和水土保持能力的三維指標框架，并以坡度、植被覆蓋率、人口密度、土地利用強度、生態系統服務功能、土壤侵蝕綜合指數、資金/技術投入、交通通達度和水保工作積極性等9項自然、人為或復合指標構建指標體系，劃分不同的三維組合類型，輔助定性分析，將評價單元歸屬于不同的水土保持類型區。值得注意的是，一是本文所述三維水土保持區劃方法針對于縣域尺度，若以之適用于大尺度，需做相應調整：比如以村鎮為基本評價單元在縣域是可行的，而若擴展到省域，在數據采集和處理等方面就會非常復雜；又比如水土流失危險性維度的五項指標，若轉換到大尺度，也要根據水土流失驅動因子的尺度效應相應調整。