基于主成分聚类分析的黄河流域甘肃段生态环境基本类型.pdf

-83-黄河流域甘肃段干流全长913 km，占黄河干流河道总长度的16.7%，在甘肃省境内主要有庄浪河、大通河、大夏河、洮河、祖厉河、渭河、泾河等支流。甘肃沿黄流域总面积14.59万km2，占全省面积的34.3%，在行政区划上包括甘南、临夏、兰州、武威、白银、定西、平凉、庆阳和天水9个市（州）的大部或一部。该区域整体上属于气候干旱或阴湿、土壤相对贫瘠、自然植被覆盖度低的生态脆弱区，但经初步的调查和文献研读也发现，该区域的生态类型或亚类型具有较大的地区差异。为了使生态治理和经济发展的产业选择尤其是农业产业的定位更符合科学原理，有必要采取主成分聚类分析法对该区域的生态环境基本类型进行分析。研究方法截至目前，划定一个区域态环境类型的方法主要为聚类分析法，其基本原理是将众多的事物（事件）依据其特征数值的统计规律（相关系数、距离值等），通过对事物间各种特征值相似性程度，把性质完全和基本相似的划分为同一类，以解决事物（事件）分类或分区的问题。聚类分析法产生于20世纪30年代，最初源于统计学，经过几十年的发展，已经形成了4类较为成熟的算法。其中，第一类为最近基本的分区聚类算法。含义：对给定的一个有N个元的数据集合，将其构造为K个分组，每一个分组代表一个聚类（KN），且这K个分组须满足2个基本条件，即每一个分组至少包含1个数据纪录和每一个数据纪录属于且仅属于1个分组。属于这个基本类型的具体算法有K-Means算法、K-Medoids算法和Clarns算法等。第二类为分层聚类法，该算法有2种路径向逆的具体方法：前者称为合并法，即将所有的聚类因子看成同类向量因子，采用两两合并法，将其特征因子最接近的两类合并成一类，逐次继续下去，直到特征值满足终止条件为止；后者称为分割法，即将所有的向量因子都看基于主成分聚类分析的黄河流域甘肃段生态环境基本类型董向东，王文行，李建彬（中共甘肃省委党校/甘肃行政学院，兰州 730070）摘要：为掌握各地生态环境的基本类型，进而为各地的生态环境治理和产业选择提供科学依据，依据各地统计年鉴和调查数据，用主成分聚类分析法分析了黄河干流甘肃段及主要支流流域涉及的各县级单元的生态环境类型，发现以地级市（州）乃至以县（区）为单位划分生态环境类型具有很大的误差，而依据小流域划分则具有较大的一致性，因此各地乃至县域内制定生态环境治理措施和产业选择要符合其特有的生态环境类型。关键词：黄河流域；甘肃段；主成分聚类分析；生态环境类型中图分类号：TV213.4；X171.4文献标识码：A文章编号：1003-6997（2023）10-0083-05作者简介：董向东，教授，主要从事管理学研究。E-mail：基金项目：2022年度中共甘肃省委党校（甘肃行政学院）创新工程科研咨询项目“推动黄河流域甘肃段生态保护和高质量发展的对策研究”（2022ZCZD06）。收稿日期：2023-04-07资源环境-84-2023年第10期总第663期2.2 下垫面植被因子植被是指下垫面地表生长的各类乔木、灌木、草本乃至真菌的总称，在本研究中仅指前三者。植被与气候因子中的降水、温度及日照有密切相关性，可以说植被是气候的产物。以甘肃省14个市（州）20052020年统计资料中的相关数据计算出平均值作为各因子的均值。2.3 产业构成因子产业构成因子主要包括各地（县）的GDP、各产业增加值、农业产业内种植业和畜牧业的增加值，根据甘肃省14个市（州）统计年鉴（20052020年）中的相关数据，以15年的均值为基准，计算出前述各项之间的比重。计算步骤3.1 聚类因子的标准化为了便于比较不同单位的各项因子，需对各项数据进行标准化处理。典型的数据标准化处理方法就是归一化处理，即将数据统一映射到0,1区间上，常见的数据归一化方法有离差标准化法、log函数标准化法、arctan函数标准化法和Z-score标准化法。在本研究中采用离差标准化法进行标准化处理。3.2 建立聚类因子的相关系数矩阵利用式（1）计算出各因子之间的相关系数矩阵：（1）式（1）中，Xkj为各因子向量，向量空间k=1，.，n；i=1，.，m；j=1，.，s。3.3 主成分贡献率及累计贡献率的确定按照前面所提的原则、借鉴王德青等5-6的方法，将特征值大于1的前m个成分确定为主成分，小于1的所有都视为非成分或次要成分，以确保mn。3.4 确定综合主成分分值首先计算出各因子的特征值，再参照顾武7的方法，确定综合主成分法分值，具体按照3个步骤完成：第一，确定主成分系数权重。以主成分的特征值分别占所提取主成分总的特征值之和的比例作为权重。第二，分析各主成分的综合模型。作不同类型，依据一定条件选定出若干特征值，将数据集合分解成不同的组（类），属于这类的代表算法有Cure算法、Birch算法、Rock算法等；第三类为网格型聚类法。该算法首先将数据集合按照欧氏空间划分成若干个单元（Cell）的网格结构，然后以单个单元为对象进行特征值的处理和归类，凡特征值在一定阈值范围内归为一类，超过的归为另一类，属于该类的具体方法主要有Wave-Cluster算法和TING算法等；第四类是密度型聚类法。在数据集合中，一个区域中的点的密度大于某个阈值，就将其归为另一类，如此即可数据集合按照特征值分为不同的组实现聚类。实际聚类中往往多数情况下所得聚类数据是复杂难辨的、各样本指标的重要性相差悬殊、指标之间具有一定的相关性（非相互独立）。鉴于此，近些年许多学者开始尝试对传统聚类法进行拓展和改进。目前较为成熟的是主成分聚类分析法，即将原始的众多指标通过逐次降维形成少数主成分因子，再以等权的主成分因子代替原始指标进行聚类分析。在本研究中借鉴吕岩威等1、刘瑞元2、武洁等3和王晓龙等4的研究方法和思路，对研究区采用主成分聚类分析法进行生态环境类型的划分。聚类因子的确定生态经济系统尽管具有结构的多层次性、多功能性和影响因素的复杂性等特点，但按照生态经济系统的构成要素设定聚类因子的思路，将气候、下垫面植被、产业构成作为子系统，将各子系统的构成因子年降水、年平均气温、年日照时数、森林覆盖率、草原与耕地的比例、草原占国土面积的比例、荒漠半荒漠地表比例、三个产业的比例、第一产业占GDP比重、种植业占第一产业的比重、畜牧业占第一产业比重11个基本上能够综合反映区域内各县（区）生态、社会、经济特征的因子作为聚类因子。2.1 气候因子根据各地代表性各气象站19902010年的原始数据，剔除异常年份数据和空缺年份的记录，求其平均值，得出各区域的多年均值。=nknkjkjikinkjkjikiijxxxxxxxxr11221)()()(XXXX-X-X-X-X-85-表1黄河干流甘肃段各县的主导生态环境类型生态环境基本类型主要区域寒温带湿润森林玛曲（部分）寒温带湿润草原草甸玛曲（部分）、积石山（部分）寒温带半湿润半荒漠玛曲（部分）、积石山（部分）温带半湿润森林积石山（部分）、永靖（部分）、东乡（部分）、西固（部分）、榆中（部分）、七里河（部分）靖远（部分）、景泰（部分）温带半湿润草甸积石山（部分）、东乡（部分）、永靖（部分）、榆中（部分）、西固（部分）、靖远（部分）、景泰（部分）温带半干旱荒漠和半荒漠东乡（部分）、永靖（部分）、皋兰、榆中（部分）、西固（部分）、白银区、平川区、靖远、景泰表2庄浪河流域的主导生态环境类型及其区域生态环境基本类型主要区域寒温带湿润森林天祝（部分）寒温带湿润草原草甸天祝（部分）寒温带半湿润半荒漠天祝（部分）温带半湿润森林永登（部分）温带半湿润草甸永登（部分）、天祝（部分）温带半干旱荒漠和半荒漠永登（部分）、天祝（部分）以第一主成分中每个指标所对应的系数乘上其所对应的贡献率，再除以所提取2个主成分的贡献率之和，加上第二主成分中每个指标所对应的系数乘以第二主成分所对应的贡献率，再除以所提取2个主成分的2个贡献率之和，即可得到综合得分模型。第三，依据该3个模型分别测算出各自的主成分分值（篇幅有限，计算所用的模型、步骤及数值省略），作为聚类的临界阈值进行后续的聚类依据。3.5 判定各区域生态环境系统的类型根据各系统各主成分值的临界值，可以将黄河流域甘肃段及各支流的行政区域划分为不同的生态环境类型（各区域主成分的临界值略）。研究结论根据以上计算结果，可以将黄河流域甘肃段按照流域各区段位置聚类为不同的生态环境类型。4.1 黄河干流甘肃段各县（区）的主导生态环境类型黄河干流甘肃段主要包括甘南藏族自治州的玛曲县，临夏回族自治州的积石山保安族东乡族撒拉族自治县、永靖县、东乡县（部分），兰州市的西固区、安宁区、七里河区、城关区、皋兰县、榆中县，白银市的白银区、平川区、靖远县和景泰县等14个县（区），各地的气候、纬度、下垫面因子的差异和跨度均很大，形成了丰富多样的生态环境类型，至少有6种基本型，其对应的区域具体见表1。4.2 大通河流域各县（区）的主导生态环境类型大通河流域主要包括武威市的天祝县（部分）、兰州市的永登县和红古区，其在甘肃境内总长约200 km，其生态环境相对单一。其相关区域主要为“温带半湿润森林”“温带半湿润草甸”和“温带半湿润半荒漠”3种类型。4.3 庄浪河流域各县的主导生态环境类型庄浪河流域主要是武威市天祝藏族自治县（为庄浪河的上游金强河）与兰州市的永登县，流域长度为179 km，流域面积4 117 km2。尽管该流域面积不大，但其海拔和气候带差异很大，形成了众多的生态环境类型，其主导生态环境类型与对应的区域见表2。资源环境-86-2023年第10期总第663期4.4 大夏河流域各市（县）的主导生态环境类型大夏河流域主要包括甘南藏族自治州的夏河县、临夏回族自治州的临夏县、临夏市和东乡县，全长203 km，流域面积7 152 km2，流域内主导生态环境类型与对应区域见表3。4.5 洮河流域各市（县）的主导生态环境类型洮河流域主要包括甘南藏族自治州的碌曲县、临潭县、卓尼县、夏河县、合作市、迭部县，临夏回族自治州的临夏市、临夏县、和政县、广河县、东乡族自治县、永靖县，定西市的岷县、渭源县和临洮县共15个市（县），干流河道长673 km，流域面积25 527 km2，流域内主导生态环境类型与对应区域见表4。4.6 祖厉河流域各县的主导生态环境类型祖厉河流域主要是白银市的靖远（部分）和会宁（部分）2县，全长224 km，流域面积1.07万km2，主导生态环境类型较为单一，主要为“温带半湿润草甸”和“温带半干旱荒漠和半荒漠”2种类型。4.7 渭河流域各县（区）的主导生态环境类型渭河流域在甘肃境内主要包括定西市的渭源县和陇西县、天水市的武山县、甘谷县和麦积区，在甘肃境内的全长约320 km。流域内甘肃段主导生态环境类型与对应区域见表5。4.8 泾河流域各县的主导生态环境类型泾河流域甘肃段（含其24条主要支流）主要表3大夏河流域的主导生态环境类型及其区域生态环境基本类型主要区域寒温带湿润森林夏河县（部分）寒温带湿润草原草甸夏河县（部分）寒温带半湿润半荒漠夏河县（部分）温带半湿润森林临夏县（部分）、临夏市温带半湿润草甸临夏市（部分）、临夏县（部分）、东乡县（部分）温带半干旱荒漠和半荒漠临夏市（部分）、临夏县（部分）、东乡县（部分）表4洮河流域的主导生态环境类型及其区域生态环境基本类型主要区域寒温带湿润森林碌曲县（部分）、临潭县（部分）、卓尼县（部分）、夏河县（部分）、迭部县（部分），岷县（部分）、和政县（部分）寒温带湿润草原草甸碌曲县（部分）、临潭县（部分）、卓尼县（部分）、夏河县（部分）、合作市（部分）、迭部县（部分）、岷县（部分）、和政县（部分）寒温带半湿润半荒漠碌曲县（部分）、临潭县（部分）、卓尼县（部分）、夏河县（部分）、合作市（部分）、迭部县（部分），岷县（部分）、和政县（部分）温带半湿润森林临潭县（部分）、卓尼县（部分）、夏河县（部分）、合作市（部分）、迭部县（部分），岷县（部分）、和政县（部分）、临夏县（部分）、临夏市（部分）、渭源（部分）、临洮县（部分）、岷县（部分）温带半湿润草甸迭部县（部分）、临夏市（部分）、临夏县（部分）、和政县（部分）、广河县（部分）、永靖县（部分）、临洮县（部分）、岷县（部分）、渭源县（部分）温带半干旱荒漠和半荒漠临夏市（部分）、临夏县（部分）、广河县（部分）、东乡县（部分）、和政县（部分）、岷县（部分）、渭源县（部分）、临洮县（部分）表5渭河流域甘肃段的主导生态环境类型及其区域生态环境基本类型主要区域温带半湿润森林渭源县（部分）、陇西县（部分）、武山县（部分）、甘谷县（部分）、麦积区（部分）温带半湿润草甸渭源县（部分）、陇西县（部分）、武山县（部分）、甘谷县（部分）、麦积区（部分）温带半干旱荒漠和半荒漠渭源（部分）、通渭（大部）-87-参考文献1吕岩威,李平.一种加权主成分距离的聚类分析方法J.统计研究,2016,33(11):102-108.2刘瑞元.加权欧氏距离及其应用J.数理统计与管理,2002(5):17-193武洁,陈忠琏.我国各地区人口素质差异的主成分和聚类分析J.数理统计与管理,1998(6):42-484王晓龙,刘笑明,李同升.主成分分析法、聚类分析法在旅游观光农业空间分区中的应用:以西安市为例的研究J.数理统 计与管理,2005(4):6-135王德青,朱建平,谢邦昌.主成分聚类分析有效性的思考J.统计研究,2012,29(11):84-87.6王德青,李凯风,周娇.主成分集成评价方法的问题探析与模型拓展J.统计与决策,2015(2):4-8.7顾武.用聚类分析划分京郊农业生态系统类型J.生态学报,1989(3):253-258.（编辑 张顺全）包括平凉市的崆峒区、华亭、泾川、祟信、灵台、泾川和庆阳市的镇原、环县、合水、宁县、正宁、庆城和华池等13个县（区），泾河干流全长455.1 km，流域面积45 421 km2。整个流域的生态因子具有相对一致性的特点，故其生态环境类型相对单一，主要为“温带半湿润森林”“温带半湿润草甸”及少量的“温带半湿润半荒漠”3种基本生态环境类型。以上研究结果表明：以传统的地级市（州）为单元确定其生态环境类型有很大的差异，以县（区）为单位的行政区划并不能准确给出该区域所属生态环境类型，往往同一个县（区）的不同区域属于不同的生态环境类型，例如同一个县（区）的沿河地区与非沿河地区之间、高海拔与低海拔地区之间、山区与川区地区之间都有较大的差异。相对而言，小流域内部的生态环境类型却有较大的一致性。以上结果充分说明即使在同一个县域内也不能采取“一刀切”式的生态环境治理方法，同时在确定产业发展类型方面也要考虑县域内的差异性。（上接第77页）6商全玉.2019年黑河市不同水稻品种比较试验J.北方水稻,2021,51(1):23-25.7金明,刘旭升,逄洪波,等.水稻芽期耐寒性综合评价及耐寒指标筛选J.中国农业大学学报,2021,26(7):25-35.8李汉一,向宝玉,徐雅君.杂交稻晒田成穗率研究J.基层农技推广,2019,7(8):12-15.9商全玉,杨秀峰,吴振明,等.2016年黑河市不同水稻品种比较试验J.黑龙江农业科学,2017(4):1-410商全玉,杨秀峰,张习文,等.2017年黑河市不同水稻品种比较试验J.黑龙江农业科学,2018(1):11-1311吴振明,衣洪岩.黑龙江省北部高纬高寒地区水稻发展存在的问题及对策J.黑龙江农业科学,2012(9):130-13212杨秀峰,商全玉,吴振明,等.五大连池矿泉糯稻开发与示范成果初报J.黑龙江农业科学,2017(6):157-158.13谭卫娜,官利兰,陈健章,等.2018年恩平市晚造水稻新品种比较试验J.安徽农业科学,2020,48(11):41-43.14刘宣东,周艾莉,肖颖.涟水县水稻不同品种比较试验J.农业开发与装备,2017(12):91-92.15谷欢,杭雅文.大丰区食味水稻品种比较试验研究J.农家参谋,2021(5):71-72.16宗友良.2019年水稻不同品种比较试验总结J.南方农业,2020,14(35):193-194.17杨秀峰,商全玉,王万霞,等.高纬度寒地水稻品种的选育与创新J.中国稻米,2011,17(2):17-18.18孙建中.豫南地区优质高产水稻新品种选育可行性分析J.农业工程技术,2018,38(32):75-76.19徐富贤.优质早熟高产水稻品种选育取得突破J.植物医生,2017,30(9):21.20郭善明,刘金萍.崇义县优质高产水稻新品种选育可行性分析J.中国农业信息,2017(17):50-51.（编辑 张璐）资源环境