基于PCA的土地生态安全评价研究

茅张圆　李湛　薛继斌

摘要 依据区域土地生态安全评价一般性指标体系和现有的评价实例，结合义乌市实际情况，建立了由25项指标组成的具有义乌特色的土地生态安全评价指标体系，运用基于SPSS软件的主成分分析（PCA）方法，对义乌市土地生态安全情况进行评价，并运用聚类分析方法对其土地生态安全水平进行分极。结果表明，2008～2012年义乌市土地生态综合安全得分分别为0.697 、0.289 、-0.869 、0.151和-0.140；义乌市土地生态综合安全水平，共分为3级，2008年为安全级，2009和2011年是良好级，2010和2012年是预警级。义乌市土地生态安全水平总体呈下降趋势，2010和2012年有较高的风险等级。对义乌市土地生态安全状况进行评价，可为义乌市土地资源的可持续利用提供管理经验。

关键词 土地评价；生态安全； PCA；义乌市

中图分类号 S27；F301.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）20-197-04

Abstract On the basis of regional land ecological security evaluation index system of general and existing instances of land ecological security evaluation， combining with the actual situation of Yiwu City， the index system was established by 25 indexes of land ecological security evaluation.Using principal component analysis based on SPSS software， land ecological safety situation of Yiwu City was evaluated， the cluster analysis method was used to grade land ecological safety level.The results showed that land ecological comprehensive safety score of Yiwu City during 2008-2012 are 0.697， 0.289，-0.869， 0.151 and -0.140.The classification of comprehensive land ecological security level of Yiwu can be divided into three levels， the level of security is the year of 2008， the level of good are the years of 2009 and 2011， and the level of warning are the years of 2010 and 2012.The land ecological security level of Yiwu City is generally on the decline.Through the research on evaluation of land ecological security in Yiwu City， it can provide management experience of sustainable using land resources.

Key words Land evaluation； Ecological security； PAC； Yiwu City

當前我国已进入工业化、城镇化的快速推进阶段，土地资源需求量大幅度提高，充分体现和发挥了土地的经济价值和功能。但是在土地资源开发和利用过程中存在着诸多问题，例如生态环境受到大规模的破坏、生物多样性锐减等，人类对土地资源的开发利用程度在某些地区已经达到甚至超过区域土地所能承受的极限，因此对土地生态安全的研究和评价具有极其重要的意义。

土地生态安全是指陆地表层由各种有机物和无机物构成的土地生态系统的结构不受破坏，同时土地生态系统为人类提供服务的质量和数量能够持续满足人类生存和发展的需要[1]。国内许多学者在省级层面上对土地生态安全评价做了研究，通过构建由自然因素、经济因素和社会因素3个层面指标组成的土地生态安全评价指标体系，并运用层次分析法和土地生态安全模型对评价区域进行空间尺度或者时间尺度的土地生态安全评价研究[2-4]。同时，一些方法和模型也被引入到土地生态安全评价研究中，如优势度评价方法[5]、聚类分析法[6-8]和PSR（状态-压力-响应）模型[9]、物元模型[10-11]等。此外，基于地理信息系统（GIS）和全球变化的研究方法也被引入到土地生态安全评价中[12-14]。总的来说，学术界对土地生态安全模型及计算方法的研究呈现出强化和密集的态势。

笔者在前人研究的基础上，从自然、经济和社会3个维度构建土地生态安全指标体系，运用主成分分析法，进一步揭示土地生态安全在时间上的分异特征与规律。

1 指标体系、数据来源与研究方法

1.1 评价指标体系的构建

该研究指标体系是在重庆市和江苏省土地生态安全评价指标体系的基础上，结合义乌市土地生态安全特点而构建起来的，所构建的义乌市土地生态安全评价指标体系见表1。评价指标作为影响土地生态安全的因素，可分为正安全趋向性指标和负安全趋向性指标。正安全趋向指标值越大，表明维护和改善土地生态安全的能力越强；负安全趋向性指标值越大，对土地的压力越大，土地生态安全状况越差。

1.2 评价年份与数据来源

根据数据可获取性的原则，选取的评价时段是2008～2012年。主要统计数据来源于2009～2013年《义乌统计年鉴》，其中部分土地数据来源于2009～2013年义乌市地籍调查数据，还有一些数据来源于《义乌市域总体规划（2013-2030年）》。原始数据见表2。

1.3 研究方法

主成分分析法主要是使变量数能够有效降低，与此同时还能够确保原有的信息最少的丢失，并且仍然还能被广泛应用的一种方法[15]。其主要步骤是： 首先，对原始数据进行有效的标准化； 其次，在得到标准化数据之后计算相关系数矩阵，得到特征值特征向量并得出方差和累计方差贡献率，当累计方差贡献率大于或等于85%后确定需要的主成分的个数； 再次，以之前计算得出的每一个主成分的方差贡献率为权重，计算提取的n个主成分所对应的得分； 最后，对所提取的每一个主成分分别进行加权并求和，得到它们的总评分，再对它们进行排序。

2 结果与分析

2.1 主成分分析 根据主成分分析法的具体步骤， 将表1中原始监测数据进行标准化后求出相关系数矩阵， 用SPSS软件分别对25个评价指标的相关系数矩阵和特征值进行计算，根据特征值方差累计贡献率确定选取主成分的个数。但必须对原始的数据进行标准化来保证已经消除量纲的影响， 因为主成分分析过程中各个成分的大小、量纲和评价指标有很大差别， 可比性非常差， 所以必须先进行标准化， 使各个数据之间具有较好的可比性。使用ZScore变换方法来对原始数据变量矩阵X进行标准化处理， 求得变换后的新矩阵为Zn×p， 即：

此外，因为指标有正向指标与逆向指标的分别，因此还要将负向指标正向化，这里采用的方法是用负向指标标准化数值乘以-1来正向化，得到标准化数据（表3）。

根据表4，提取累积方差贡献率大于85%的公因子，所以取 3个主成分。

用SPSS软件可得到初始因子载荷矩阵（表5）， 各个载荷量表示主成分与对应变量之间的相关系数。但是主成分载荷矩阵是需要用初始因子载荷矩阵中的数据除以主成分所对应的特征值来求平方根， 得到2个主成分中每个指标所对应的系数， 才能得到相应的主成分载荷值（表6）。

根据原始变量的标准化值（表3）与表6中的主成分载荷值，运用SPSS 软件可以计算出2008～2012年义乌市土地安全评价各项主因子（F1、F2、F3）的得分，从而计算得到土地生态综合安全得分（表7）。

2.2 聚类分析

为更清晰地了解各年份土地安全水平及其影响因素，运用聚类分析法对2008～2012年义乌市土地生态安全水平进行分级。采用SPSS19.0统计软件对义乌市土地安全评价水平进行聚类分析，得到聚类结果：

（1）安全级是2008年，该年的土地安全评价综合因子（F）得分最高，主要是第一个因子（F1）和第三个因子（F3）的得分较高。说明2008年义乌市土地生态系统的综合服务功能比较完善，土地生态环境基本没有受到大规模的干扰和破坏，土地生态系统的结构较为完整，功能性比较强，土壤较肥沃，基本无农业污染，有比较高的植被覆盖率，基本没有严重的生态问题和生态灾害现象的发生。

（2）良好级是2009和2011年，这2年的土地安全评价综合因子（F）得分仅次于2008年，主要是第二个因子（F2）和第三个因子（F3）的得分较高。说明2009和2011年义乌市的土地生态系统服务功能比较完善，土地生态环境基本没有受到破坏，生态系统的结构较为完整，功能比较良好，在受干扰后经过治理基本可以得到恢复，没有显著的生态问题，生态灾害不严重。

（3）预警级是2010和2012年，这2年的土地安全评价综合因子 （F）得分最低，主要是3个因子的得分均较低。说明2010和2012年义乌市的土地生态的系统服务功能已经开始有明显的退化，土地生态环境已经受到较为严重的破坏，生态系统的结构已经发生很大变化，已经到达不可恢复的临界点，只能勉强维持基本功能，在受到外界干扰后容易发生恶化，已经有生态问题出现，不间断有生态灾害发生。

3 结论

运用主成分分析法，借助SPSS软件计算得出2008～2012年义乌市土地生态安全综合得分由0.697降至-0.140，其中最严重的2010年的得分是-0.869，是5年中的最低水平。2010～2012年，由于义乌市开始建设生态城市，出台了许多环境保护相关的政策法规，再加上义乌市人民的环保意识有所增强，所以土地生态安全水平有所上升。但对这一过程进行指数曲线拟合，不难发现义乌市土地生态安全状况总体上是呈下降趋势的。结合主成分分析结果和义乌各年份土地安全评价水平排名可得出结论：经济快速发展对土地生态安全水平产生负向影响，而政府出台环保相关政策法规和人民环保意识的增强对土地生态水平产生正向影响，但正向影响远不及负向影响对土地生态安全水平的作用大，所以义乌市土地生态安全水平虽然在2010年后有好转的趋势，但远远还未达到2008年的水平。

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