基于主成分分析法的貴州省安順市水土保持區(qū)劃

任 杰

(貴州省水土保持技術咨詢研究中心，貴州 貴陽 550005)

水土保持區(qū)劃是確定規(guī)劃單元、進行區(qū)域布局和項目布局的支撐和基礎，是規(guī)劃順利開展的關鍵，也是提出區(qū)域水土保持工作方向、確定區(qū)域水土流失的防治途徑和技術體系的基礎，是水土保持工作開展的有力指導[1]。目前，在水土保持區(qū)劃方面已有大量方法和研究，劃分方法大多都基于GIS分析空間疊加分析法或SPSS軟件統(tǒng)計分析法等單一研究方法，如李瑞[2]等采用層次聚類法進行了貴州省水土保持四級區(qū)劃研究，朱一梅[3]等采用空間疊置方法進行了陜西省漢中市水土保持區(qū)劃研究。統(tǒng)計分析相對空間疊加分析，只是從數字統(tǒng)計角度考慮區(qū)劃，丟失了數據的空間屬性，導致劃分結果往往不太理想。而空間疊加分析則相反，對一些具有空間分布特征的數據更易被使用，但其他一些可能會影響水土保持區(qū)劃的主觀因素，如群眾積極性、水土流失治理經驗均很難體現[4]。2017年，褚麗妹[5]和彌智娟[6]等采用統(tǒng)計分析結合空間分析方法在省域尺度下進行水土保持區(qū)劃研究，體現了較好的效果，但該方法目前在中小尺度的水土保持區(qū)劃中未得到應用和研究。在區(qū)劃指標體系選取方面，存在差異性大，分散度高，國家層面在地形地貌、氣候中選取指標，而到了省域尺度，更重視土壤侵蝕強度及程度、植被、土壤等指標，中小尺度上目前沒有統(tǒng)一的規(guī)定。筆者認為在中小尺度下，更應側重人為活動的參與對水土流失的影響，并注重定性因素的量化參與。

本文基于中小尺度區(qū)域安順市開展研究，在貴州省水土保持四級區(qū)劃框架下，從區(qū)域自然地理、社會經濟、水土流失特點及治理經驗等實際情況出發(fā)，構建一個定量分析與定性分析相結合的科學合理的指標體系；采用統(tǒng)計分析與空間疊置相結合的方法進行安順市水土保持區(qū)劃，旨在為安順市區(qū)域水土保持工作發(fā)展方向和水土流失防治措施提供依據。

1 指標體系的建立

1.1 指標體系的構建

水土保持區(qū)域差異性的體現，最重要的就是區(qū)劃指標體系的建立。按照定量指標和定性指標相結合的原則，從水土流失潛在危害性、水土流失現狀、水土流失治理能力3個層次構建指標體系。其中水土流失潛在危害反映自然要素和社會人為活動復合維度，是指水土流失誘發(fā)條件的充分程度，用地形地貌、氣候等自然要素和人口密度、人均收入等社會經濟要素衡量；水土流失強度主要反映區(qū)域水土流失現狀和特點；水土流失治理能力主要反映區(qū)域農民、政府等在水土保持方面的投入、經驗及意識。

1.2 數據獲取

區(qū)劃指標需考慮數據真實、可靠，且可獲取，以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為評價單元進行數據統(tǒng)計。指標數據來源：地形地貌來源于地理空間數據云DEM數字高程提取、《貴州省水利建設生態(tài)建設石漠化治理綜合規(guī)劃》及貴州省坡度圖；氣象數據來源各鄉(xiāng)鎮(zhèn)上報數據；森林覆蓋率來源于安順市林業(yè)局森林資源二類調查；社會經濟數據來源《安順市統(tǒng)計年鑒》；土地利用結構來源《安順市第二次全國土地調查》；水土流失數據來源于《貴州省水土保持公告(2010～2015)》；水土流失治理經驗和群眾意識及積極性通過專家評判打分統(tǒng)計。

2 劃分范圍與原則

2.1 劃分范圍

安順市涉及貴州省水土保持區(qū)劃四級區(qū)2個，即黔中中山石灰?guī)r白云巖中度流失蓄水保土區(qū)和黔中中山低山石灰?guī)r白云巖輕度流失人居環(huán)境維護區(qū)。根據省級防治區(qū)劃分標準，黔中中山石灰?guī)r白云巖中度流失蓄水保土區(qū)區(qū)域內自然、社會屬性差異性小，因此，保持省級區(qū)劃成果不變，直接劃分為一個市級分區(qū)。黔中中山低山石灰?guī)r白云巖輕度流失人居環(huán)境維護區(qū)內自然地理、水土流失特點、主體生態(tài)功能以及防治途徑及需求具有明顯差異性，因此，安順市水土保持區(qū)劃針對此區(qū)域展開劃分。

表1 安順市水土保持區(qū)劃指標體系

2.2 劃分原則

(1)以鄉(xiāng)鎮(zhèn)級行政區(qū)邊界完整、分區(qū)集中連片的原則；

(2)定量與定性分析相結合的原則；

(3)保持分區(qū)內的優(yōu)勢地貌及氣象條件、土壤侵蝕類型及強度、水土流失防治需求和功能基本一致的原則。

3 劃分方法與過程

3.1 主成分分析

在實證問題研究中，為了全面、系統(tǒng)的分析問題，必須考慮眾多影響因素。這些涉及的因素一般稱為指標，在多元統(tǒng)計分析中也稱為變量。因為每一個指標都在不同程度上反映了所研究問題的某些信息，并且指標之間彼此有一定的相關性，因此，所得的統(tǒng)計數據反映的信息一定程度上有重疊。在用統(tǒng)計方法研究多變量問題時，變量過多會增加計算量和分析問題的復雜性，而研究者們則希望在進行定量分析的過程中，涉及到的變量較少，而獲得的信息較多。因此，主成分分析法正適應這一需求，是解決這類問題的理想工具。

由于選取的水土保持區(qū)劃指標的來源不同，量化的方法各異，導致了各種變量的量綱和數量大小是不一致的，變化幅度也不相同。如果直接用指標值來計算，就會削弱絕對值小的變量的作用而突出絕對值大的變量的作用，不利于進一步的分析。因此，為了給每種變量以統(tǒng)一度量，必須在進行主成分分析前，對原始數據進行數據標準化處理。本次選用標準差標準化方法進行處理，以使區(qū)劃盡量保留實際值中的數值關系[7]。

首先，對水土流失潛在危害性要素層進行主成分分析，在該要素層下有69個基本評價單元(鄉(xiāng)鎮(zhèn))，每個基本評價單元有12個變量指標，構成一個69×12階原始地理數據矩陣，在此基礎上，利用SPSS 20軟件對12個指標數據進行標準化處理，并計算相關系數矩陣R=R12×12，根據相關系數矩陣計算特征值，主成分的貢獻率、累計貢獻率以及權重(見表2)，由表2可知，第一、第二、第三主成分的累計貢獻率已高達86.59%，根據累積貢獻率>85%的原則，提取前3個主成分，主成分1貢獻率為51.79%，主成分2貢獻率23.21%，主成分3貢獻率為11.59%，根據各自貢獻率計算其權重，前3主成分權重分別為0.5954、02707、01340，同時也表明前三個主成分能夠代表最初的12個指標來分析69個基本評價單元的水土流失潛在危害性，故只需求出第一、第二、第三主成分即可；根據前3個主成分特征值計算獲得原12個變量指標在主成分上的載荷(見表3)，由此可知：第一主成分與平均海拔、喀斯特面積、森林覆蓋率等相關性顯著，主要集中反映區(qū)域地形、地貌、森林覆蓋率等差異，因此命名為自然環(huán)境特征因子；第二主成分與人口密度、人均GDP、建設用地面積比較強相關，主要反映區(qū)域社會經濟發(fā)展狀況，命名為社會經濟因子；第三主成分與坡耕地面積比相關性較強，命名為坡耕地因子。

表2 水土流失潛在危害性要素解釋總方差

表3 水土流失潛在危害性要素主成分載荷矩陣

水土流失現狀要素主成分分析。分析計算過程同上，根據解釋總方差可知(見表4)，前2個主成分累計方差貢獻率為90.54%，故提取前2個主成分即可，第一和第二主成分權重分別為0.5759、0.4241；根據主成分荷載矩陣可知(見表5)，第一主成分與水土流失面積、輕度水土流失面積顯著相關，因此，命名為水土流失綜合因子；第二主成分與中度以上水土流失面積比顯著相關，命名為中度以上水土流失因子。

表4 水土流失現狀要素解釋總方差

表5 水土流失現狀要素主成分載荷矩陣

水土流失治理能力要素主成分分析。分析計算過程同上，根據解釋總方差可知(見表6)，第一主成分累計方差貢獻率為91.65%，故提取第一個主成分即可；根據主成分荷載矩陣可知(見表7)，第一主成分與近5年年均投入水土流失治理費用、治理效果及經驗顯著相關，因此，命名為水土流失綜合治理因子。

表6 水土流失治理能力要素解釋總方差

表7 水土流失治理能力要素主成分載荷矩陣

根據主成分分析，最后得到主成分6個(見表8)，達到了簡化指標體系效果，為后續(xù)工作提高了效率。由上述步驟獲得的主成分特征值和載荷，計算出對應單位特征向量，即得到各自主成分的解析表達式以及主成分得分，結合相應主成分權重，即可計算出基本評價單元的綜合得分，為下步的層次聚類分析奠定基礎。

3.2 層次聚類和空間疊置分析

利用SPSS 20對69個基本評價單元的綜合得分進行層次聚類分析，步長距離的計算采用ward法。水土保持潛在危害性要素層選擇步長距離為5時，將黔中中山低山石灰?guī)r白云巖輕度流失人居環(huán)境維護區(qū)中涉及到安順市鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分為3類；水土流失現狀要素層選擇步長距離為10時，將涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)劃分為2類。

通過Arcgis 10.1分別將3個要素層聚類結果繪制成圖(見圖1)，由圖A、B、C可知，各要素對黔中中山低山石灰?guī)r白云巖輕度流失人居環(huán)境維護區(qū)下市級區(qū)劃的劃分總體較為集中，離散區(qū)域較少；再次利用Arcgis 10.1將圖1中的三張要素聚類分析結果圖進行空間疊置，即初步完成了安順市水土保持區(qū)劃(見圖D)，因此，綜合三個要素可知，安順市北部喀斯特地貌分布廣泛，地勢平坦，人為建設活動較為頻繁，水土流失總體輕微，在水土流失治理方面投入較大，經驗豐富；中部喀斯特地貌相對廣泛，其中度以上石漠化面積占比較高，森林覆蓋率相對較高，水土流失輕微，在水土流失治理方面投入較少；安順市南部地勢較為陡峭，坡耕地面積占比較大，水土流失較為嚴重，中度以上水土流失面積占比較大，在水土流失治理方面投入較大，經驗較為豐富。

表8 安順市水土保持區(qū)劃主成分指標體系

圖1 安順市各要素聚類分析結果

4 結論

(1)通過主成分分析，最終得到各要素主成分6個，達到簡化指標體系、提高后續(xù)工作效率的目的。從主成分權重可知，水土流失潛在危害性要素主要由自然環(huán)境特征因子和社會經濟因子等構成，其中平均海拔、喀斯特地貌面積比、森林覆蓋率、人口密度及坡耕地面積比等指標占較大比重，基本能反映安順市區(qū)內自然環(huán)境狀況和社會經濟狀況區(qū)內一致性和差異性；水土流失現狀要素主要由水土流失因子和中度以上水土流失綜合因子構成，符合安順市北部、中部以微輕度為主，南部以中度以上為主的總體分布情況，因此，水土流失面積、輕度水土流失面積比及中度以上水土流失面積比等指標能有效劃分區(qū)域不同水土流失特征；水土流失治理能力要素主要由水土流失綜合治理因子構成，反映了安順市水土流失綜合治理工程對水土保持產生的影響，其中北部近5年以小流域水土流失綜合治理工程為主，南部則以坡耕地綜合治理工程為主，體現在水土流失綜合治理資金的投入及效果等指標。

(2)在貴州省水土保持四級區(qū)劃框架下，根據不打破省級區(qū)劃邊界的原則，將安順市劃分為4個分區(qū)。安順市北部地勢平坦、水土流失輕微及城市化率高，水土保持功能是以維護城市和區(qū)域居住環(huán)境為主；中部地勢起伏較大、水土流失輕微，是安順市重要的生態(tài)屏障區(qū)域，水土保持功能以加強生態(tài)環(huán)境的維護，提高景觀質量為主；南部地面坡度大，水土流失嚴重，坡耕地面積多，且區(qū)域發(fā)展以綜合農業(yè)生產為依托，水土保持功能則以維護保持土地生產力為主；安順市西北部地形起伏較大，石漠化等級較高，生產、生活、生態(tài)用水缺口嚴重，水土保持功能以加大水源工程建設，提高水土資源綜合利用為主。

(3)本文基于市域尺度下，從水土流失潛在危害性、水土流失現狀、水土流失治理能力3個層次構建了指標體系，并根據定量與定性相結合的原則，側重加入了人為活動可能對區(qū)劃產生影響的定性指標，結合統(tǒng)計分析與空間分析相結合的方法進行劃分，研究結果表明：該方法的應用性較強，將定性指標在空間上賦予了一定程度的空間分布特征屬性，為空間疊置分析提供了基礎，使整個區(qū)劃過程更科學、更客觀、更合理。

(4)本文采用的統(tǒng)計分析方法和GIS空間分析都是以軟件為基礎，對數據的真實性、時效性都具有較高的精度要求。因此，本文收集的部分數據存在這兩方面的不足，一定程度上影響了區(qū)劃結果，希望在以后的工作中能夠采取更為有效的方式獲取數據。