層次聚類(lèi)分析方法在水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)中的應(yīng)用

姚西文，韓 芬

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

1 分區(qū)研究的范圍

平?jīng)鍪形挥诟拭C省東部，東經(jīng) 105°20'～107°45'、北緯 34°54'～35°43'之間，總面積 11169.7km2，六盤(pán)山南北向縱貫平?jīng)鍪兄胁?。其東部為涇河流域，面積7398.7km2，轄崆峒、涇川、華亭、崇信、靈臺(tái)五縣區(qū)，屬隴東黃土高原溝壑區(qū);西部為渭河流域，面積3772km2，轄靜寧、莊浪兩縣，屬隴中黃土丘陵區(qū)。

2 分區(qū)方法的選擇

聚類(lèi)分析方法是統(tǒng)計(jì)學(xué)上研究多要素事物分類(lèi)問(wèn)題的數(shù)量方法，可對(duì)諸多因素及其之間的相似性程度進(jìn)行分析，從而研究區(qū)域之間差異，是定量研究事物分類(lèi)問(wèn)題和分區(qū)問(wèn)題的重要方法，能夠定量地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(lèi)。進(jìn)行水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)需要分析影響水土流失和生態(tài)恢復(fù)的諸多因素，并對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和排序。為能夠達(dá)到分區(qū)科學(xué)、符合實(shí)際、有利于措施配置和便于操作實(shí)施的目的，此次采用系統(tǒng)聚類(lèi)法即層次聚類(lèi)分析法進(jìn)行水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)研究。

3 水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)

3.1 分區(qū)研究的范圍和單位

為了便于收集、整理、分析數(shù)據(jù)資料，保持行政區(qū)域(單元)完整性，有利于當(dāng)?shù)卣块T(mén)依據(jù)分區(qū)方案開(kāi)展并實(shí)施水土保持生態(tài)修復(fù)工作，更好地將研究成果與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，此次分區(qū)研究的范圍確定為平?jīng)鍪行姓^(qū)域內(nèi)的六縣一區(qū)(涇川縣、靈臺(tái)縣、崇信縣、華亭縣、莊浪縣、靜寧縣和崆峒區(qū))。分區(qū)單位為最基本的行政單元，即各縣(區(qū))所屬102個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))。

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，即對(duì)應(yīng)靜寧縣1～24、靈臺(tái)縣25～37、崇信縣38～44、華亭縣44～55、涇川縣56～67、崆峒區(qū)68～84、莊浪縣85～102個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))。在分區(qū)運(yùn)算過(guò)程中，序號(hào)與其對(duì)應(yīng)的各縣區(qū)的各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))具有相同意義。

3.2 分區(qū)的原則

a.相似性原則。同一生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)自然條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況、水土流失特點(diǎn)、植被條件等基本相似。

b.一致性原則。同一生態(tài)修復(fù)區(qū)內(nèi)生產(chǎn)發(fā)展方向、發(fā)展重點(diǎn)、措施布局等基本一致。要求區(qū)域間差異最大化和區(qū)域內(nèi)各單元差異最小化。

c.綜合分析和主導(dǎo)因素相結(jié)合原則。生態(tài)環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，在進(jìn)行分區(qū)時(shí)，必須全面考慮構(gòu)成生態(tài)環(huán)境的各種要素及其綜合特征的相似性和差異性。

d.共扼性原則。這一原則要求劃分出的區(qū)域是連續(xù)的地域單元，不能在空間上有存在于某區(qū)域之外、但又屬于該區(qū)的地域單元。

e.完整性原則?？紤]到建設(shè)過(guò)程中便于修復(fù)措施的實(shí)施和后期管理，同一生態(tài)修復(fù)區(qū)應(yīng)集中連片;同一分區(qū)行政區(qū)劃應(yīng)盡可能相對(duì)一致完整。

3.3 分區(qū)指標(biāo)體系的構(gòu)建

生態(tài)修復(fù)分區(qū)是生態(tài)系統(tǒng)和自然資源合理管理及持續(xù)利用的基礎(chǔ)，合理的生態(tài)分區(qū)可為生態(tài)環(huán)境建設(shè)和管理提供科學(xué)依據(jù)。為了使該項(xiàng)研究的分區(qū)結(jié)果更加合理、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，突出該地區(qū)的氣候、植被、水土流失、人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等自然環(huán)境分異特點(diǎn)和人類(lèi)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，從自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件兩方面，設(shè)計(jì)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“干燥指數(shù)、年降雨量、土壤侵蝕強(qiáng)度、多年平均徑流深、多年平均陸面蒸發(fā)量、高程、人均耕地、人口密度、人均收入”等水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)的因子。具體見(jiàn)表1。

表1 水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.4 聚類(lèi)指標(biāo)體系賦值

根據(jù)表1中的指標(biāo)分類(lèi)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)、《甘肅省平?jīng)龅貐^(qū)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)與水利區(qū)劃》、《甘肅省平?jīng)鍪薪y(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)》等資料，對(duì)分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行賦值。

3.5 分區(qū)

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

由表1可見(jiàn)，該研究采用的聚類(lèi)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(lèi)，將弱化數(shù)值量較小指標(biāo)對(duì)分區(qū)單位的影響，進(jìn)而影響聚類(lèi)結(jié)果的正確性，所以在分區(qū)之前先對(duì)聚類(lèi)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

在SPSS 13.0分析軟件中通過(guò)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(méi)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(lái)比較兩個(gè)從不同單位總體中抽出的變量值。

3.5.2 層次聚類(lèi)

該項(xiàng)研究樣本之間的距離采用聚類(lèi)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(lèi)聚到一起，以發(fā)現(xiàn)規(guī)模和形狀大致相同的類(lèi)，此方法效果較好。

樣本與小類(lèi)、小類(lèi)與小類(lèi)之間的距離使用離差平方和法，使同一類(lèi)內(nèi)部案例的離差平方和較小，不同類(lèi)之間案例的離差平方和較大。求解過(guò)程是首先使每個(gè)案例自成一類(lèi)，每一步使離差平方和增加最小的兩類(lèi)合并為一類(lèi)，直到所有的案例都?xì)w為一類(lèi)為止。該研究運(yùn)用SPSS 13.0聚類(lèi)分析軟件進(jìn)行運(yùn)算分析。

3.6 層次聚類(lèi)的分類(lèi)結(jié)果與分析

在保持鄉(xiāng)(鎮(zhèn))行政界線(xiàn)完整性和分區(qū)界線(xiàn)連續(xù)性原則前提下，以層次聚類(lèi)分析得到的水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)的分類(lèi)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類(lèi)5個(gè)區(qū)。

運(yùn)用SPSS 13.0聚類(lèi)分析軟件運(yùn)行后得出的以上結(jié)果，與實(shí)際分析后，認(rèn)為存在一些個(gè)別不合理之處，如:個(gè)別相同的分區(qū)太過(guò)零散、不連續(xù)，差別過(guò)大?？紤]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)展的實(shí)際情況、發(fā)展程度、規(guī)劃的社會(huì)經(jīng)濟(jì)主要發(fā)展方向及今后的水土保持生態(tài)修復(fù)措施的配置和實(shí)施，對(duì)聚類(lèi)分析結(jié)果進(jìn)行了微調(diào)與合并。這樣雖然與聚類(lèi)結(jié)果有所出入，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。據(jù)此，水土保持生態(tài)修復(fù)分區(qū)仍分為5個(gè)區(qū)，并根據(jù)氣候、地質(zhì)地貌和植被特點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)命名，具體結(jié)果如表2及下頁(yè)圖1、圖2所示。

表2 SPSS13.0運(yùn)算出的平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)

圖1 SPSS 13.0運(yùn)算出的平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)聚類(lèi)分析結(jié)果樹(shù)狀圖

圖2 平?jīng)鍪兴帘３稚鷳B(tài)修復(fù)分區(qū)

4 結(jié)語(yǔ)

該研究應(yīng)用多層次聚類(lèi)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(wèn)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)，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)和經(jīng)濟(jì)效益更加顯著?！?/p>

［1］ 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．

［2］ 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．