貴州省區(qū)縣農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的模糊聚類分析*

陳　宵，盧　蘭

(貴州科學(xué)院山地資源研究所，貴州　貴陽　550001)

?

貴州省區(qū)縣農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的模糊聚類分析*

陳宵，盧蘭1▲

(貴州科學(xué)院山地資源研究所，貴州貴陽550001)

摘要：貴州是一個農(nóng)業(yè)大省，農(nóng)業(yè)人口和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)比重大，而農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境作為農(nóng)業(yè)賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，其綜合研究被一再強調(diào)。為了得到貴州省內(nèi)各區(qū)縣農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的客觀評價，將貴州省的89個區(qū)縣作為樣本，選取自然條件、巖溶環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)的15個因子作為指標(biāo)。采用模糊等價矩陣的方法對各區(qū)縣進(jìn)行農(nóng)業(yè)生態(tài)的評價分析，最后得到了4個農(nóng)業(yè)分區(qū)，針對各個農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境分區(qū)存在的問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)生態(tài)，環(huán)境評價，模糊矩陣，聚類分析，區(qū)縣

貴州省位于云貴高原東部，是我國西部高原山地向東部丘陵平原的過渡帶[1]，平均海拔在1 100 m左右。處于長江、珠江兩大水系的分水嶺地帶[2]，導(dǎo)致地表形態(tài)起伏多變，氣候條件復(fù)雜，土壤種類繁多。再加上石灰?guī)r分布廣泛，石漠化和水土流失嚴(yán)重，地表水土分離。農(nóng)田土層薄、保水保肥能力較弱，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱而且不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高。

盡管在“十一五”期間，農(nóng)民收入與糧食產(chǎn)量有較大幅度的提高。但是貴州省在農(nóng)業(yè)技術(shù)水平上比起全國平均水平依然落后。在此情況下農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境不得不擔(dān)負(fù)更多的生產(chǎn)性壓力。為了應(yīng)對農(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)方面的雙重壓力，對現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境在資源量與生產(chǎn)力方面有一個客觀深入的了解是非常必要的。因此，文章選取具有代表性的三類評價指標(biāo)，應(yīng)用模糊相關(guān)矩陣的數(shù)學(xué)方法，從數(shù)量的角度在區(qū)縣級的中觀尺度上對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行分區(qū)，綜合考慮、仔細(xì)比較了各個分區(qū)在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境上的優(yōu)勢與不足，期望為各區(qū)縣農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)發(fā)展政策制訂提供參考。

1模糊聚類指標(biāo)的選取

要對貴州各區(qū)縣農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行聚類評價，首先要考慮到貴州省在地質(zhì)、地貌、水文方面的特殊情況。所以進(jìn)行聚類分析所選取的指標(biāo)應(yīng)滿足以下條件：

1)生態(tài)環(huán)境的整體性：系統(tǒng)是由各個因子在不同層次上組成的，主要因子影響著系統(tǒng)的運行情況[3]。所以在指標(biāo)選取時，應(yīng)該首先考慮遵循農(nóng)業(yè)環(huán)境的本底，同時也考慮人類活動對于生態(tài)環(huán)境的影響。

2)區(qū)域特殊性：貴州省內(nèi)地貌分為：高原、山地、丘陵和盆地4種[4]，其中高原山地約占全省面積的61.8 %，丘陵占30.7，盆地占7.5 %[5]。多山脈、斷層，而且?guī)r溶地貌發(fā)育廣泛，喀斯特地貌面積占到全省面積73 %，因而在指標(biāo)選取時，應(yīng)突出這些因素。

基于以上原則，我們選取了具有代表性且易于收集的15個因子作為反映貴州省農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境指標(biāo)。這些指標(biāo)可分為3個方面，環(huán)境本底值：包含：區(qū)縣面積、森林覆蓋率、年平均降雨量、平均濕度。巖溶區(qū)特點：起伏度、平均坡度、生態(tài)極脆弱區(qū)面積、強度水土流失面積以及人類活動影響：人口密度、人均耕地、農(nóng)民人均收入、人均糧食產(chǎn)量、高產(chǎn)田面積等。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，模糊聚類分析的指標(biāo)如表1所示。

表1　農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境模糊聚類選取指標(biāo)說明

2模糊聚類分析

模糊聚類分析又稱點群分析、群分析、簇分析，是按研究對象在性質(zhì)上的親疏關(guān)系進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計方法，能夠反映樣本間的內(nèi)在組合關(guān)系[6]。而由于研究中不同類型的數(shù)據(jù)有著不同的量綱，為了使不同量綱的數(shù)據(jù)也能夠進(jìn)行比較，因而采用了極差變換的標(biāo)準(zhǔn)化方式：

設(shè)論域U={u1，u2，…，un}為被分類的對象，每個元素又由m個數(shù)據(jù)表示，對第i個元素有：

ui={xi1，xi2，…，xim}(i=1，2，…，n)

這時原始矩陣為：

進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差變換：

(1)

(2)

(3)

經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)差變換后，每個變量的均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1，并可以消除量綱影響，但不一定在[0，1]上。

(4)[7]

經(jīng)過變換后0≤xik≤1，且消除了量綱的影響。

經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后就能夠建立模糊相似矩陣。建立模糊相似矩陣即是衡量出分類對象間相似程度的統(tǒng)計量，而各單元間的模糊相似系數(shù)可采用夾角余弦公式[8]計算：

(5)

Rij：i區(qū)縣和j區(qū)縣間模糊相關(guān)系數(shù)；

k： 第k個指標(biāo)。

文章所采用的VC6.0計算程序步驟見圖1。

利用夾角余弦法能夠得到一個反映各區(qū)縣間相似關(guān)系的模糊矩陣U，再通過傳遞閉包法計算等價矩陣U，確定分區(qū)相關(guān)系數(shù)并進(jìn)行農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境分區(qū)(圖2)。

3分區(qū)結(jié)論與分析

通過模糊等價矩陣所計算出的相關(guān)系數(shù)將貴州

圖1　VC模糊聚類分析的數(shù)據(jù)與處理步驟

圖2　通過模糊等價矩陣計算得到的分區(qū)結(jié)果

省各區(qū)縣的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境分為城市近郊農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境示范區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)、農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)4個農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境區(qū)，分區(qū)的結(jié)果見圖3。

將圖3分區(qū)中的各個區(qū)縣的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行仔細(xì)分析后得到了模糊聚類分區(qū)的結(jié)果(表2)，這4個農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境區(qū)存在極大的差異，有各自的優(yōu)勢與不足，而最為突出的就是重點城市周邊的的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境相似度很高，與其他縣或地級市周邊的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境有極大的不同，可以做出以下的分析評價。

圖3　貴州省區(qū)縣農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境聚類分區(qū)圖

分區(qū)類型區(qū)縣名稱城市近郊農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)遵義縣 遵義市 開陽 黔西 修文清鎮(zhèn) 烏當(dāng) 白云 金陽 云巖南明 花溪 小河 安順市農(nóng)業(yè)生態(tài)示范區(qū)赤水 綏陽 湄潭 萬山 施秉息烽 天柱 劍河 臺江 仁懷錦屏 凱里 麻江 平壩 雷山榕江 丹寨 都勻 長順 三都從江 羅甸農(nóng)業(yè)生態(tài)保護(hù)區(qū)道真 沿河 桐梓 松桃 思南銅仁市 金沙 余慶 大方 納雍福泉 水城 貴定 六枝 普定惠水 盤縣 關(guān)嶺 興仁 貞豐荔波 望謨 六盤水 六盤水市農(nóng)業(yè)生態(tài)敏感區(qū)務(wù)川 正安 習(xí)水 德江 印江鳳崗 江口 畢節(jié)市 石阡 玉屏岑鞏 甕安 赫章 威寧 鎮(zhèn)遠(yuǎn)黃平 三穗 織金 龍里 鎮(zhèn)寧晴隆 普安 平塘 紫云 獨山安龍 興義 冊亨

城市近郊農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)處于貴州省內(nèi)經(jīng)濟(jì)地位較為重要城市近郊或距離較近的區(qū)縣，地形以盆地和山地間的壩子為主，平均坡度和地表起伏度小。森林覆蓋率較高，水土流失面積較小。其特點是：人類影響和經(jīng)濟(jì)因素對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境有極大影響。人口密度大且人均耕地面積小，人口因素對于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境有極大的壓力。優(yōu)勢是：人均收入和人均糧產(chǎn)量領(lǐng)先于其他區(qū)縣，土地經(jīng)濟(jì)效益高。所以這類地區(qū)應(yīng)該充分利用生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)和現(xiàn)代管理手段，生產(chǎn)綠色無公害與有機高附加值的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，與城市二、三產(chǎn)業(yè)和交通運輸相結(jié)合，發(fā)展外向型的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)。

農(nóng)業(yè)生態(tài)示范區(qū)一般位于貴州省的丘陵低山地區(qū)，自然條件好，森林覆蓋率最高，林業(yè)資源豐富。石漠化面積小，水土流失面積最小。由于本區(qū)人口密度較小，人類對于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的影響也小。雖然本區(qū)有著最好的生態(tài)環(huán)境，但是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益并不高，具體表現(xiàn)為農(nóng)民人均收入比城市近郊農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境區(qū)要低很多。所以本區(qū)應(yīng)該充分發(fā)揮林業(yè)資源優(yōu)勢，發(fā)展特色林下種養(yǎng)殖業(yè)、苗圃、中藥種植等。

農(nóng)業(yè)生態(tài)保護(hù)區(qū)位于貴州省的中高山或石漠化分布較多的區(qū)縣，森林覆蓋率要比以上兩區(qū)要低，人口相對比較少，但由于自然環(huán)境本底值低，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境比較差。具體表現(xiàn)為水土不易保持、土壤層薄、高產(chǎn)田數(shù)量少、人均糧食產(chǎn)量少、農(nóng)民人均收入低。所以，對于此區(qū)域的區(qū)縣應(yīng)該優(yōu)先保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，進(jìn)行合理適度開發(fā)，可以發(fā)展果品、食用油、加工材料所用的經(jīng)濟(jì)林，綜合提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

農(nóng)業(yè)生態(tài)敏感區(qū)本區(qū)多位于高山或石山裸露面積大的地區(qū)。主要特點有：平均坡度大、地面起伏度大、森林覆蓋面積小，石灰?guī)r出露面積較大，水土流失面積大，缺乏水源。人均耕地面積小，地形起伏度大、坡度大，耕地被巖溶槽谷、峰叢洼地切割。生態(tài)敏感區(qū)面積大，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱，一旦遭受破壞，需要花很長時間進(jìn)行恢復(fù)。因此，在該區(qū)域進(jìn)行農(nóng)業(yè)活動，需要保水、保土、保肥，在缺水的區(qū)域?qū)ふ宜吹嘏d修微型蓄水工程，實行退耕還林、封山育林，減少石漠化面積和水土流失。

參考文獻(xiàn)【REFERENCES】

[1]宗建亮.貴州經(jīng)濟(jì)發(fā)展與對外開放[M].貴州：貴州人民出版社，1999.

[2]何謀軍，屠玉麟，王密.貴州省農(nóng)村生態(tài)環(huán)境前景預(yù)測及生態(tài)建設(shè)對策[J].貴州師范大學(xué)學(xué)報(自然版)，2002，20(4)：20-24.

He M J，Tu Y L，Wang M J.The prospect of rural ecological environment in Guizhou province andCountermeasures of ecological construction of prediction[J].Journal of Guizhou Normal University(NATURAL SCIENCE)，2002，20(4)：20-24.

[3]費特.應(yīng)用水文地質(zhì)學(xué)[M].孫晉玉，譯.北京：高等教育出版社，2011.

C.W.Fetter.Applied Hyrogeology[M].Beijing：Higher Educa-tion Press.2011.

[4]李瑞玲，王世杰.貴州區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境綜合評價[J].中國巖溶，2001，20(3)：225-230.

Li R L，Wang S J.Comprehensive evaluation of the regional agricultural eco-environment in Guizhou province[J].Carsologica Sinica.2001，20(3)：225-230.

[5]蘇維詞，朱文孝.貴州喀斯特山區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性分析[J].山地學(xué)報，2000，18(5)：429-434.

Su W C，Zhu W X.The eco-environmental fragility in karst mountain regions of Guizhou province[J].Journal of mountain science，2000，18(5)：429-434.

[6]聞新，周露，李東江.MATLAB模糊邏輯工具箱的分析與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社.2001.

[7]李弘吉.模糊數(shù)學(xué)基礎(chǔ)及使用算法[M].科學(xué)出版社，2005.

[8]王臘春，蒙?；?，張兆干.貴州典型巖溶小流域水文水資源研究[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

收稿日期：2016-03-15；修回日期：

*基金項目：貴州省科技廳社會發(fā)展攻關(guān)項目(黔科合SY字[2009]3084號)，基于生物多樣性保護(hù)的工地整理復(fù)墾開發(fā)技術(shù)研究與示范；貴州省科技廳社會發(fā)展攻關(guān)項目(黔科合SY字[2013]3169號)，鄉(xiāng)村復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)對位配置技術(shù)模式構(gòu)建與示范。

作者簡介：陳宵(1986-)，男，中級實驗師，碩士。研究方向：農(nóng)業(yè)環(huán)境。

通訊作者：▲盧蘭(1962-)，女，研究員，主要從事土地資源及農(nóng)業(yè)資源研究。

中圖分類號：O175.26

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-6563(2016)03-0035-04

Fuzzy cluster analysis of agroecological environment in the districts and counties of Guizhou Province*

CHEN Xiao，LU Lan1▲

(InstituteforMountainousResources，GuizhouAcademyofScience，Guiyang550001，China)

Abstract：Guizhou is a big agricultural province，in which majority of population engage in agricultural industries.As the foundation of survival and development，the comprehensive research of ecological agriculture is emphasized repeatedly.In order to get the objective evaluation of each district，we choose 89 districts and counties as samples，and choose 15 factors of natural condition，Karst environment，and social economics as indexes.By the method of fuzzy equivalent matrix，we evaluate agricultural ecology in every district and county.At last，we get 4 agricultural divisions，and agricultural ecological environment problems of each division are discussed.

Keywords：agricultural ecology，environmental evaluation，fuzzy analysis，districts and counties