基于主成分分析的长春市土地生态安全评价

2017-07-13孙艺宁许嘉巍

安徽农业科学 2017年34期

孙艺宁许嘉巍

摘要结合长春市土地资源现状和社会经济发展的实际情况，从自然、经济、社会3个方面共选取了15个因素作为评价指标，采用主成分分析法，运用SPSS 22.0软件，对2008—2014年长春市的土地生态安全状况进行评价。结果表明，2008—2014年长春市的土地生态安全变化趋势分为3个时期：2008—2009年为下降期；2009—2012年为迅速增长期；2012—2014年为平稳上升期；总体呈现波动递增的趋势，土地生态环境安全状况改善显著，土地生态安全等级由极不安全的Ⅴ级转变至理想安全的 Ⅰ 级，处于良好发展阶段。

关键词土地生态安全；评价；主成分分析；长春市

中图分类号 F301.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）34-0207-04

Abstract Based on the present situation of land resources and the actual situation of social and economic development in Changchun City，this paper selected 15 factors as the evaluation indexes which are from the three aspects ： nature，economy and society.Land ecological security situation of Changchun City from 2008 to 2014 was analyzed by using the principal component analysis method.The results showed that the trend of land ecological security in Changchun City from 2008 to 2014 could be divided into three periods： 2008-2009 was the decline period； 2009 - 2012 was the rapid growth period； 2012-2014 was the steady rise period； overall the land ecological security situation of Changchun City was at the trend of increasing fluctuation from 2008 to 2014，and the land ecological security level changed from extremely unsafe gradeⅤ to ideal for safety grade I in a good stage of development.

Key words Land ecological security；Evaluation；Principal component analysis ； Changchun City

土地是社会经济-生态复合系统，具有生产和生态双重功能，是人类赖以生存和发展的基础[1]，其良好的生态安全状态也是实现社会可持续发展的先决条件。然而近年来随着社会经济的发展和工业化进程的加快，人地矛盾问题日益突出，出现了土壤污染、土地荒漠化、水土流失等一系列问题，致使土地生态安全受到威胁，人类社会的可持续发展受到制约。有关土地生态安全问题的研究迫在眉睫，引起了学者们的广泛关注。当前，土地生态安全评价尚处于起步探索阶段，评价尺度主要集中在由短期静态到长期动态的时间尺度以及从地方到区域的空间尺度[2]；现有的评价方法多样，主要为综合指数评价法、物元分析方法、主成分分析法、生态足迹法以及基于PSR框架构建土地生态安全评价模型等[3-7]。笔者结合国内相关文献及研究成果，采用主成分分析法，运用SPSS 22.0统计分析软件，对2008—2014年长春市的土地生态安全状况进行评价，以期弥补长春市区域内土地生态安全评价研究的不足，并为其土地资源的生态安全状况建设和可持续发展提供科学依据。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究区概况

长春市是吉林省的省会，地理坐标为124°18～127°05E、43°05～45°15N，居北半球中纬度北温带，位于欧亚大陆东岸中国东北平原腹地的松辽平原。地处东北经济区的中心地带，交通发达，南北贯穿，与东北各大城市紧密连接，是全国重要的农产品加工业基地和汽车工业城市。全市面积20 565 km2，中心建成区506.33 km2，市辖7区、3县（市）。2014年末全市户籍总人口754.5万，地区生产总值为5 342.4亿元。总体地势东高西低、南高北低。地貌由台地和平原组成，其中台地占70%、平原占30%。气候属温带大陆性亚湿润季风气候，四季分明，雨热同季，干湿适中。年平均气温为4.9 ℃ ，降水主要集中在5—9月，年降水量为 567.0 mm，平均无霜期为157 d。年主导风向为西南风，冬季则西北风较多。

1.2 研究方法

1.2.1 主成分分析原理。

主成分分析（PCA）也称主分量分析或矩阵数据分析[8]，是一种重要的多元统计分析方法，常用于多指标的综合评价。通过对变量进行正交变换处理，把相关的变量转换为若干个不相关的综合指标变量，从而对多维变量系统进行降维处理，使得问题得以简化[9]。主成分分析提取出的较少的综合指标之间互不相关，却能提供原有指标的绝大部分信息，在保证研究精确度的前提下提高了研究效率。

1.2.2 指标体系的建立。

评价指标的确定是进行土地生态安全评价的关键性内容，也是一项探索性很强的工作，它涉及到自然、經济和社会等诸多方面。因此，在遵循科学性、完整性、层次性、可比性等评价指标选取原则的基础上[5]，参照国内相关研究[2-14]，并结合长春市资源环境、土地利用质量、利用结构以及社会经济发展等实际情况，共选取了15个因素作为评价指标（表1），对长春市土地生态安全状况进行研究。同时，根据各指标对土地生态安全产生的影响，即土地的生态安全趋势，将指标划分为2类：正向指标和负向指标[2]。正向指标值越大，表示土地的生态安全状况越好，利于对土地生态的改善；负向指标值越大，表示土地生态安全状况越差，不利于对土地生态的维护。

1.3 数据来源与处理

研究数据主要来源于《长春统计年鉴》（2009—2015）和《吉林统计年鉴》（2009—2015）[15-16]。该研究数据一部分可以直接从统计年鉴查得，另一部分由所查取的原始数据进行计算得出。在用SPSS 22.0对数据进行主成分分析之前，采用极差法对原始数据进行标准化处理（表2），以此消除不同量纲之间的差异性。

2 结果与分析

2.1 主成分因子的提取

运用SPSS 22.0软件对标准化后的数据进行运算处理，得出相关系数矩阵，即计算原始指标之间的相关性，以此判断原始变量是否适合进行因子分析。所得出的相关系数矩阵中绝对值大于0.3的系数占60%以上，故认为适合进行主成分分析[5]。利用软件对数据进行主成分分析，提取出4个主成分因子，各主成分Fi的特征值与贡献率见表3。前4个主成分的初始方差贡献率分别为48.826%、21.026%、16.050%、8.217%，累积方差贡献率达94.119%，说明这4个因子已经涵盖了绝大部分的变量信息，剩余其他因子的信息载荷可以忽略不计[13]。

由软件的输出结果得到主成分的旋转因子载荷矩阵，即主要反映各个评价因子对每个主成分的贡献率，其绝对值大小决定因子归入的主成分[5]。从表4可以看出，F1所包含的因子较多，其中人均耕地面积、耕地面积比重、农用化肥施用量、农药施用量等在F1中作用明显，这些变量多为土地资源数量指标与土地生态压力指标；水土协调度、粮食单产、森林覆盖率等土地资源质量指标在F2中影响较大；城市化率、人均GDP、第三产业比重等土地资源社会指标在F3中载荷较大；人口自然增长率、人口密度等人口影响指标在F4中作用明显。

2.2 综合主成分的计算

由软件分析输出的旋转因子载荷矩阵，得出主成分的特征向量，作为计算各个年份主成分值的权重，再结合表2中标准化数据，由公式（1）计算出各年份的主成分值；根据表3中各主成分的方差贡献率，将其作为计算各年份综合主成分值的权重，再由公式（2）计算出各个年份的综合主成分值，即2008—2014年长春市土地生态安全评价的综合得分（表5）。

2.3 土地生态安全等级标准的确定

在土地生态系统安全综合评价中，对土地生态系统安全等级标准的确定是一个较为复杂的过程。国内目前还没有统一的确定标准，不同地区的土地生态环境差异较大，不能一概而论。该研究在参考国内相关研究和所得综合评价结果的基础上，结合长春市土地资源的实际情况，划定了长春市土地生态安全的等级标准（表6）。

综合表5、6可以得出长春市2008—2014年土地生态安全水平等级（表7）：2008—2009年安全等級为Ⅴ级，处于极不安全水平；2010年安全等级为Ⅳ级，处于较不安全水平；2011年安全等级为 Ⅲ 级，处于临界安全水平；2012—2013年安全等级为 Ⅱ 级，处于较安全水平；2014年安全等级为 Ⅰ 级，处于理想安全水平。

由表7可知，长春市的土地生态安全变化趋势可分为3个时期：2008—2009年为下降期；2009—2012年为迅速增长期；2012—2014年为平稳上升期。不同年份长春市的土地生态安全综合值有所不同，跨度较大，表明评价期内长春市的土地生态安全状况发生了显著变化。其中，2008和2009年土地生态安全综合值较低，均为负值，处于极不安全的Ⅴ级；2008—2009年土地生态安全值有所下降，为这一阶段的最低点，其主要原因在于人均水资源、水土协调度和森林覆盖率等反映土地质量状态的正向指标偏低，不利于土地资源的可持续利用，表明此期间长春市的土地生态状况较差。2009—2012年土地生态安全值增长迅速，上升幅度较大，土地生态安全等级逐年提升，表明在此期间长春市的土地生态安全状况改善显著，其原因主要在于人均耕地、耕地面积比重等土地资源数量的正向指标的增加，农业发展良好，耕地保有量攀升；同时人口增长率和人口密度的下降对土地生态系统的承载和供给压力有所缓解。2012—2014年土地生态安全值平稳上升，随着社会经济的发展、人们对生态环境问题的日渐重视和政府对于环境治理的投入，人均GDP、环保投资占GDP比重等正向指标不断增加，土地生态环境问题得到逐步改善，2014年土地生态安全综合值已涨至0.9169，达到理想安全的 Ⅰ 级，表明土地生态状况较为良好。总的来说，2008—2014年长春市的土地生态安全状况总体上处于波动性上升、2009年后持续好转的趋势。

3 结论与讨论

（1）对2008—2014年长春市土地生态安全评价的实证分析表明，运用主成分分析法能够很好地消除重复信息，对多维指标变量系统进行降维处理，得出能够反映土地生态安全水平的综合指标，同时以不同主成分因子的特征向量和贡献率来确定指标权重，避免了人为赋值法的主观臆断性，在一定程度上提高了综合评价的质量，在保证研究精确度的前提下提高了研究效率。基于主成分分析法能够实现对土地生态安全水平的综合评价。

（2）研究结果表明，2008—2014年长春市的土地生态安全变化趋势分为3个时期：2008—2009年为下降期；2009—2012年为迅速增长期；2012—2014年为平稳上升期；总体呈现波动递增的趋势，土地生态环境安全状况改善显著，土地生态安全等级由极不安全的Ⅴ级转变至理想安全的 Ⅰ 级，处于良好发展阶段。人均耕地面积的富足，社会经济发展水平的提高，环保投资力度的增强是长春市土地生态安全状况改善的主要因素；同时，化肥和农药施用量的增加造成了土地污染的加重，对长春市土地生态安全的健康发展有所制约。

（3）在今后长春市土地资源可持续利用的进程中，土地利用结构的优化和土地利用质量的提高是土地资源健康发展的重要方向。政府应不断优化区域产业结构，加大农业技术发展的投资，引进新型科技和技术型人才，鼓励发展绿色农业，引导规范土地利用活动。与此同时，政府还需制定并实行有效的人口政策，以防人口增长过快带来的土地承载压力；加大环境保护宣传和投资力度，提高人们的生态环境保护意识。

参考文献

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