生态环境因子分析原理及实例

刘纪昕+韩乐潍

（1中国农业大学烟台研究院 山东省烟台市 264670 2青岛理工大学汽车与交通学院 266000 山东省青岛市）

摘要：本文选取了山东省1981—2015年环境污染数据，通过KMO检验和Bartlett球形检验，确认数据可以做因子分析之后，本文运用因子分析的方法构建因子—“综合环境指标”，求出每一年的综合环境指标并进一步分析综合环境指标。

1引言

1.1研究背景

人类社会的发展进入后工业时代，在不断寻找新的经济增长点的同时，不断经受着环境、资源约束的考验。如何这种情况下走一条可持续发展道路，是现如今国内外学者积极探寻的热点问题。当前，不论是国内还是国外的相关领域专家学者，关于可持续发展评价指标体系与评价方法、战略环境评价、环境影响评价机制和方法、生态环境质量评价指标及评价方法以及资源环境价值的确定等方面都有一定程度的研究。其中，生态环境如何评价的问题是当前比较迫切也比较棘手的问题，国内外学者从不同角度进行了研究和探讨。

1.2国内外研究综述

在生态环境定量评价方面有一个方向比较受到学者关注，那就是通过计算环境脆弱度对生态环境的质量进行评价。史德明（2002）等在分析自然和人为影响因素的基础上，制定了脆弱生态环境评级指标，并建立了确定脆弱生态环境等级总分值的计算公式，并对不同脆弱生态环境提出针对性的保护措施和利用意见，特别强调了西部地区生态环境脆弱性的特点，在开发中必须注意生态安全问题。刘文泉（2002）等在分析了中国黄土高原地区的基本情况和农业生产对气候变化的响应后，确定了黄土高原地区农业生产的气候脆弱性评估方案，并通过多种方法确定了各个因子的权重系数，最后计算了1990年、1997年和未来50年气候变化情景下的气候脆弱度。郝永红等（2002）将灰色系统的评价方法引入区域生态环境质量评价中，将评价指标值分为高、中、低3类，首先计算出评价对象隶属于各指标类别的权系数，再将各评价指标同类别的权系数加权叠加，得到评价对象的综合权系数矩阵，在此基础上运用三角坐标图对评价对象进行综合评价和分类，提高了评价的准确性，并应用该方法对中国区域生态环境质量进行评价，取得了良好的效果。王金叶等（2006）采用模糊综合评价方法对广西生态环境质量进行了综合评价，结果表明广西生态环境质量为中等，处在好与差的临界状态；工业企业的废水、废气排放和森林植被减少是影响环境质量的关键因子。

通过将评价指标项目的实际检测结果与确定的标准进行比较，从而开展生态环境的质量评价是另一种简单易行的方法。李锋（1997）在对荒漠化地区生态环境与社会经济评价分析的基础上，提出了荒漠化监测中生态环境与社会经济综合评价指标体系及评价标准，利用计算评价指标与评价标准之间欧氏距离的方法建立了评价模型，并以宁夏自治区作为试点区域，对评价指标体系和评价方法进行了验证。生态环境的综合评价是区域资源合理开发利用、制定区域社会经济可持续发展和生态环境保护对策的重要依据。吴开亚等（2003）建立了3层23个指标，确定了标准值。提出灰色关联投影模型法，只需将样本投影值与评价标准投影值比较，即可确定出样本所属环境质量级别。同时，依据样本间投影值大小，可以很方便地对样本进行优劣排序。秦子晗等（2006）对四川省生态环境做了基于AHP和GIS的评价，运用AHP法对各县市生态环境进行了评价和等级划分，把划分结果输出到GIS系统中。郑乐平等（2009）在对国外水生态环境评价发展进行回顾的基础上，结合我国水生态环境评价中存在的不足，提出我国水生态环境评价中应注意的相关问题：首先，只有先确定各水生态区域类型及其性征之后，才能从不同的起点出发进行评价；其次，评价标准是对各类型水体进行评价的参考条件，在原则上，应坚持原生态思想；最后，评价指标是评价工作的核心。

2相关理论基础

2.1相关定义

整体研究是利用因子分析的方法得出的，这里对因子分析有一定的解释：

因子分析是由Charles Spearman于1904年首次提出的，是通过对变量之间关系的研究，找出能综合原始变量的少数几个因子，使得少数因子能够反映原始变量的绝大部分信息，然后根据相关性的大小将原始变量分组，使得组内的变量之间相关性较高，而不同组的变量之间相关性较低。因此，因子分析属于多元统计中处理降维的一种统计方法，其目的就是要减少变量的个数，用少数因子代表多个原始变量。

根据山东统计年鉴读取的数据，在分析时使用到了山东省的环境污染相关数据，对此有如下定义：

二氧化硫排放量 指报告期内企业在燃料燃烧和生产工艺过程中排入大气的二氧化硫总质量。工业中二氧化硫主要来源于化石燃料（煤、石油等）的燃烧，还包括含硫矿石的冶炼或含硫酸、磷肥等生产的工业废气排放。

氮氧化物排放量 指报告期内企业在燃料燃烧和生产工艺过程中排入大气的氮氧化物总质量。

烟（粉）尘排放量 指报告期内企业在燃料燃烧和生产工艺过程中排入大气的烟尘及工业粉尘的总质量之和。烟尘或工业粉尘排放量可以通过除尘系统的排风量和除尘设备出口烟尘浓度相乘求得。

一般工业固体废物产生量 指未被列入《国家危险废物名录》或者根据国家规定的危险废物鉴别标准（GB5085）、固体废物浸出毒性浸出方法（GB5086）及固体废物浸出毒性测定方法（GB/T 15555）鉴别方法判定不具有危险特性的工业固体废物。

一般工业固体废物综合利用量 指报告期内企业通过回收、加工、循环、交换等方式，从固体废物中提取或者使其转化为可以利用的资源、能源和其他原材料的固体废物量（包括当年利用的往年工业固体废物累计贮存量）。如用作农业肥料、生产建筑材料、筑路等。综合利用量由原产生固体废物的单位统计。

2.2研究路线

由于因子分析要求样本的个数足够多，且用于因子分析的变量必须是相关的，为了计算各變量之间的相关矩阵，观察各相关系数，首先要对数据进行Kaiser-Meyer-Olkin检验（简称KMO检验）和Bartlett球度检验。

KMO检验量用于检验变量间的偏相关性是否足够小，是简单相关量和偏相关量的一个相对指标，由下式求得：

式中，为两变量间的简单相关系数，为两变量间的偏相关系数。KMO统计量的取值在0—1之间，统计量越接近1，变量间的偏相关性越强，因子分析的效果越好。KMO统计量在0.7以上时，因子分析效果较好，在0.5以下时，因子分析效果很差。

Bartlett球形检验以变量的相关系数矩阵为基础，假设相关系数矩阵是单位阵（对角线元素不为0，非对角线元素均为0）。如果相关矩阵是单位阵，则各变量是独立的，无法进行因子分析。

3构建模型与结论分析

由于选取的环境指标可能会存在相关性，也为了能用一个综合的指标反映山东省的环境污染情况，我选择运用因子分析的方法处理所选择的环境指标，期望获得一个综合的指标，并将其命名为“综合环境指标”。

首先对环境各项指标进行了KMO检验和Bartlett球形检验。

由表一可观察到，KMO统计量为0.682，接近于0.7，可以做因子分析。Bartlett球形检验的卡方值为381.860，P值小于0.05，达到显著性水平，表明相关系数矩阵不是单位阵，各环境污染变量间有共同因素存在，适合做因子分析。

“提取和载入”部分是提取的两个公因子对原始变量方差的解释情况，两个因子共解释了89.402%，通常情况下，累计方差贡献率达到80%就可以了，由此可知，选取的两个公因子效果理想。

由表二观察可得，第一个因子与“废水排放量”、 “烟粉尘排放量”、 “氮氧化物排放量”、“工业固体废物产生量”的载荷系数较大，第二个因子与“工业固体废物综合利用量”、 “工业废水排放量”、 “二氧化硫排放量”的载荷系数较大。

由表三可以将公因子表示为各变量的线性组合。得到因子得分函数：

F1=-0.269X1 + 0.001X2 - 0.174X3 + 0.208X4 + 0.284X5 + 0.243X6 + 0.025X7

F2=-0.055X1 + 0.358X2 + 0.150X3 + 0.322X4+0.089X5- 0.020X6+ 0.393X7

上式中的Xi为标准化变量。根据这一表达式便可以计算1981—2015年每年对应的第一个因子和第二個因子的得分，从而算出之前命名的“综合环境指数”，利用以下公式：

即F=

=0.654F1 + 0.346F2

结果如图

1981～1995年间，环境污染持续上升，到2000年有突然好转，达到0以下，但是自2000至今又持续上升。

参考文献

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