基于主成分分析的呼和浩特市土地生态安全评价

侯林春++王瑛璇

摘要：根据呼和浩特市土地生态资源现状，从自然、资源环境、经济与社会三个方面选取了20个指标，构建了评价指标体系。采用主成分分析法对2009～2015年呼和浩特市土地生态安全进行分析，分析结果表明，2009～2015年呼和浩特市土地生态安全状况是逐年走低的。人均GDP、人均公共绿化面积、工业产业比重及农牧业生产资料价格指数等因子是影响呼和浩特土地生态安全的关键因素，保护农牧区土地质量、防治土地退化是保护土地生态安全的根本。

关键词：土地生态安全；主成分分析；因子；呼和浩特市

中图分类号：K903 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）09-1796-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.09.049

Evaluation on Land Ecological Security in Hohhot

Based on Principal Component Analysis

HOU Lin-chun， WANG Ying-xuan

（School of Public Administration， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

Abstract： Based on the status of land ecological resources in Hohhot，20 indexes covering nature，resource environment，economy and society were selected and the evaluation index system was established. With the principal component analysis，the land ecological security of Hohhot from 2009 to 2015 was analyzed. The results showed that the land ecological security of Hohhot was declining year by year in 2009-2015. Besides，per capital GDP and public green area，the proportion of industry and the price index of agricultural and animal husbandry production materials were the key factors influencing the land ecological security of Hohhot. The key for protection of the land ecological security may lie in the protection of land quality and prevention of land degradation in farming and stock-breeding areas.

Key words： land ecological security； principal component； factor； countermeasures； Hohhot

土地生态安全是一个国家或地区土地生态环境资源在当下资源和生态环境下能够保持良好的状态，是生态安全的重要组成部分，关系到一个区域整体生态环境的可持续发展[1]。近年来，水土流失、土地沙化、盐渍化、草场退化、沙尘暴肆虐等土地生态问题日益严重，直接对中国土地生态安全产生了较大的威胁[2]。

中国土地生态安全的研究，作为生态安全研究的重要组成部分，始于20世纪90年代，目前仍处于起步阶段。对于土地生态安全的研究有多种方法，如孙奇奇等[1]运用主成分分析法对哈尔滨市土地生态安全进行过细致的研究；黄辉玲等[3]采取物元分析法对河北省的土地生态安全状况做了全面的研究评价。除此之外还有学者采用BP神经网络[4]、生态足迹[5]等研究方法对土地生态安全开展过研究。

呼和浩特市地处中国北方农牧交错带，此前，有學者对农牧交错带区域的土地利用变化及景观生态功能等做过相关研究[2，7-9]。本研究运用SPSS19.0软件，采用主成分分析法对呼和浩特市土地生态安全进行了定量评价研究，找出影响呼和浩特市土地生态可持续发展的因子，并提出意见与建议。

1 研究区域概况

呼和浩特市是内蒙古自治区省会，地处内蒙古自治区中部大青山南侧，西与包头市、鄂尔多斯市接壤，东邻乌兰察布市，南抵山西省。全市总面积17 224 km2。位于东经110°46′-112°10′，北纬40°51′-41°8′，是联接黄河经济带、亚欧大陆桥、环渤海经济区域的重要桥梁，是中国向蒙古国、俄罗斯开放的重要沿边开放中心城市，也是东部地区连接西北、华北的桥头堡。是内蒙古政治、经济、文化、科教和金融中心，国家历史文化名城、国家森林城市、国家创新型试点城市等，被称为中国乳都，同时也是“呼包银”城市群中的核心城市，“呼包鄂”城市群中的中心城市。

近年来，由于“重农轻牧”政策导向、独特的农业文化影响以及重生产轻生态实践观的三重影响，草场退化、沙尘暴日益严重，呼和浩特市土地生态安全面临着严峻的考验[2]。

2 指标体系的建立与数据处理

2.1 指标体系的构建

评价指标的确定是研究土地生态安全的关键内容，指标的选取要能够完全反映土地的生态状况。根据土地生态安全评价指标选取科学性与完整性的要求，采用delphi法对因子进行筛选，剔除对评价结果无效的因子，立足于可持续性和生态性的发展思维并结合呼和浩特市土地生态安全现状，参考国内外研究成果，从自然、资源与环境、经济与社会3个层面构建了20个评价指标（表1）。

2.2 数据处理

1）求出各变量的算术平均值xi和标准差si。

2）根据以下公式进行标准化处理，

zij=xij-xi（式中，zij为标准化后的变量值，xij为实际变量）。 （1）

3）将逆指标前的正负号对调。标准化后的变量值围绕0上下波动，大于0说明高于平均指标水平。

4）标准化后将正负指标的正负号对调，标准化矩阵见表2。

3 主成分分析

将标准化矩阵（表2）导入SPSS 19.0，进行主成分分析，得出主成分的公因子方差、解释的总方差以及成分矩阵，从而得出主成分的特征值、方差贡献率和方差累积贡献率。

统计学认为，一般主成分的累积贡献率达到85%以上就可保留有效信息。方差贡献率的大小代表各个主成分的依次重要程度，是衡量各因子重要程度的评价因子。此评价中，前3个主成分F1、F2、F3分别对应的原始信息的能力为74.787%，12.652%和7.250%，3个主成分的累积贡献率达到94.689%（表3）。说明这3个主成分对20组数据的覆盖率基本都在90%以上，具有很大的可信度。

主成分确定后，按照各个主成分的方差贡献率的权重，构造出综合评价函数。在降维分析中，各因子的贡献率分别将各个因子归于3个主成分中，分析后得到的旋转因子载荷矩阵（表4）则反映了各因子的贡献率大小，因子的贡献率绝对值（可看到负数情况）则决定了因子归入的主成分。可以看到，第一个主成分方差的贡献率高达74.787%，所包含的因子较多，包括人均GDP、人均公共绿化（林、草、牧）面积、环境保护投资比重等因子，第二主成分中包括农牧业生产资料价格指数、工业废物排放总量等，第三主成分包括工业产业比重、农牧经济效益比重等因子等。

由表4可知，3个主成分及其各指标变量在主成分中所占权重。

Fij=pij×mi （2）

式（2）中，Fij是第j年第i个主成分，pij是第j年第i个评价因子的标准化值，mi是第i个评价因子所得出的矩阵系数。

采用式（2）得出各年份的主成分值后，根据分析得出旋转后主要成分方差贡献率，选取各主成分的方差贡献率作为各年份生态安全的权重。

Fj=■Fij·ki （3）

式（3）中，Fj为第j年的生态安全值，Fij为第j年的第i个主成分，k表示各个主成分的方差贡献率。其中，在本研究中，i为1～3的整数，j为1～7的整数。

根据式（3），计算得出各年份生态安全指数，见表5及图1。

4 结果与分析

人均GDP、人均公共绿化（林、草、牧）面积作为主成分F1的高比例因子，呈现出来的是一个积极的走势，可以看出此类因子是推动土地生态安全正向发展的。但耕地人均持有量是一个负相关的走势，人多地少，耕地环境质量下降是一个严重的问题。近6年来，该指标因子表现出来的负相关指数并不是很大，因此在一定期限内做出一个恢复性调整是可以实现的。由于第一个主成分可以涵盖绝大部分的指标因子，所以安全指数递减的总体效应形成。

主成分F2中，农牧业生产资料价格指数占有最大的比重，由表1可知它的安全趋向是平，正如F2各年份的计算数值偏离程度不大，基本都在0左右波动。另外，工业废物排放总量也是F2的主成分之一，这项指标的数值是逐年升高的，对呼和浩特市的土地生态安全起到了负向拉动的不良效应。

主成分F3中，工业产业比重、农药施用量等因子占有较大比重。呼和浩特是位于中国北方农牧交错带上一个重要的城市，由农业和牧业带来的经济收益近年来所占比重逐年下降，而由工业增长带来的环境污染的治理情况却并不理想，因此结合呼和浩特市自身特点，这是对土地生态安全较为不利的一面。如何把握住北方农牧交错带中心城市的牧业特色并尽可能减少由工业污染带来的损害是呼和浩特市可持续发展面临的重要内容。综合各相关因子，F3的计算数值也在0上下波动。

5 结论与讨论

2009～2015年七年呼和浩特市土地生态安全呈现走低的趋势，这与全球范围内的气候环境与生态安全的走势是一致的。在土地生态安全的各项指标中，自然因素的正向和负向与安全趋势的走向基本一致；资源与环境、经济与社会因素内包含的指标因子对研究区域的土地生态安全所构成的影响较大。对比计算出的数据，分析其重要程度，以此来更好地评价呼和浩特市2009～2015年土地生态安全趋势。

1）七年间呼和浩特市市区面积是不断增大的，但由于人口增长的速度略大于市区面积的扩张，导致市区人口密度增长率略大于市区面积增长率，对市区的生存环境和就业都产生了一定的压力。然而呼和浩特市位于中国中西部地区，相对东部沿海和中部中心城市的人口数量和人口压力还是小很多的，因此在未来的一段时间内，由人口带来的压力问题不会成为主要问题。

2）人均GDP常作为发展经济学中衡量经济发展状况的指标，是重要的宏观经济指标之一，是人们了解和把握一个国家或地区的宏观经济运行状况的有效工具。单位GDP能耗又叫万元GDP能耗，是反映能源消费水平和节能降耗状况的主要指标。

呼和浩特市国民生产总值不断上升，而第一产业带来的经济效益的比率递减，第三产业经济效益递增。随着国民生活质量的不断提高，结合呼和浩特市独特的区位特点，牧业生产所帶来的经济效益应该是正相关走势，但计算结果显示出负相关，这在一定程度上反映了牧区草场退化、牧区土地沙化盐碱化等土地问题。在解决产量及收益的问题上，保护牧区土地质量，防治土地退化是关键。

3）合理施用化肥是保证农业增收的关键。呼和浩特市2009～2015年化肥施用量依次为76 879 t、83 244 t、82 328 t、86 149 t、91 840 t。这七年来，化肥施用量年均增长2.8%，在呼和浩特市部分地区的作物种植上出现了超量施用的现象。如何将数量更少、种类更多的化肥更有效地施用在农田耕地上，在保护耕地质量的前提下促进农牧业增产增收是可持续发展应该选择的路径之一。

参考文献：

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