基于主成分分析的安阳市土地生态安全评价

2017-07-13张志高袁征丁浩

安徽农业科学 2017年13期

张志高袁征丁浩

摘要为了探求安阳市土地生态安全状况，运用主成分分析方法，选取12个指标建立安阳市土地生态安全综合评价体系，对安阳市土地生态安全进行评价。结果表明，社会发展因素、能源消耗与工业废物排放和经济发展是影响安阳市土地生态安全的3个主要因素。2014年安阳市龙安区、林州市和安阳县的土地状况为良好，汤阴县土地安全处于预警状态，文峰区处于中度警戒状态，而内黄县、殷都区和北关区处于重度警戒状态。安阳市土地生态安全形势严峻，必须采取措施，确保土地生态安全。

关键词土地资源；土地生态安全；评价；主成分分析；安阳市

中图分类号 F301 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）13-0201-03

Assessment of Land Ecological Security of Anyang City Based on the Principal Component Analysis

ZHANG Zhi-gao1，YUAN Zheng2，DING Hao1

（1.School of Resource Environment and Tourism，Anyang Normal University，Anyang，Henan 455000；2.School of Civil and Architectural Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang，Henan 455000）

Abstract In order to explore the land ecological security situation of Anyang City in Henan Provence， 12 indexes were selected to establish the comprehensive assessment index system of land ecological security.Using the method of principal component analysis，the level of land ecological security in Anyang City was compared and evaluated.The results showed that the social development，energy consumption and industrial waste emissions，and the economic development were the main factors that affected the land ecological security in Anyang City.Long'an District of Anyang City，Linzhou and Anyang County were good condition of the land ecological security；Tangyin County was warning state of land ecological security；Wenfeng District was the medium warning state of land ecological security；Neihuang County，Yindu District and Beiguan District were serious warning state of land ecological security.Overall，the land ecological security of Anyang City was facing the serious threat，countermeasures should be taken to ensure the ecological security of land.

Key words Land resources；The ecological security of land；Evaluation；Principal component analysis；Anyang City

随着人口的快速增长和社会、经济的快速发展，人类正以前所未有的速度和强度改变着土地利用格局，对生态环境的压力也日益增大，生态环境的破坏反过来制约人类活动，造成严重的人地矛盾[1-2]。随着环境生态问题的日益凸显，1970年提出了生态安全这一新的研究领域，引起广泛关注，生态安全不仅关系到人类社会的可持续发展，也关系到一个国家和地区的经济安全、国家安全和社会稳定[3]，因此，生态安全提出后迅速成为地理学、生态学和环境科学等学科的研究热点[4-5]。土地是基础性的自然资源，是人类生存和发展的基本条件和衣食来源，土地生态安全是国家粮食安全、生态安全的基础，同时也是生态安全评价中的重要因素[6-8]。对一个国家或地区的土地资源进行生态安全评价，可以衡量评估区域的土地资源特点和状况，针对存在的土地资源生态安全问题采取措施，进而保障区域土地资源生态安全，实现区域可持续发展[9]。

作为河南省的老工业基地和豫北区域中心城市的安阳市，近年来，随著经济社会的迅速发展、人口的快速增长和城镇化水平的不断提高，安阳市土地生态安全压力也越来越大。目前，对安阳市生态安全的研究局限于生态环境建设的现状分析、宜居城市评价与实现途径研究等方面[10-12]。笔者采用主成分分析法，运用SPSS 21.0软件对2014年安阳市各区县的土地生态安全进行评价与分析，建立影响土地生态安全承载力的综合指标体系，对安阳市各地区土地生态安全进行综合评价，旨在为安阳社会、经济的健康、持续发展提出合理性建议。

1 研究区概况

安阳地处晋、冀、豫三省交汇处，河南省最北部，西依太行山东麓，东接黄淮海平原，面积7 413 km2，人口542万，中国八大古都之一。安阳市北邻邯郸，南接鹤壁、新乡。全市辖4个县即安阳县、滑县、汤阴县、内黄县，4个区即北关区、文峰区、殷都区、龙安区及1个市即林州市。安阳市气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，气候温和，四季分明，雨量适中，多年平均降水量为606 mm，降水年内分配极为不均，旱涝灾害频发。安阳地势西高东低，地形复杂多样，以平原为主，约占总面积的53.8%，山地占29.7%，丘陵占10.8%。

安阳市是河南省的重要工业基地，轻、重工业兼有，冶金建材、装备制造、煤化工和食品医药为安阳市主导产业，形成了以冶金、纺织、电子、化工、电力、机械等行业为主的工业结构，落后的生产工艺和粗放的经济发展模式给安阳市水土资源带来巨大压力。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

数据均来自《安阳市统计年鉴》和《河南省统计年鉴》中2014年的统计数据，运用主成分分析法，结合SPSS 21.0和Excel软件对数据进行处理和分析。

2.2 主成分分析法

主成分分析法属于多因素综合评价方法的一种，其实质是利用降维的思想，通过研究指标体系间的内在结构关系，把原来多个变量转化成用少数几个主成分所表示的综合指标。优点是在数据信息丢失最小的原则下，经线性变换而以少数的综合变量代替原始的多维变量，达到综合与简化的目的[13]。主成分分析法的计算步骤：①对原始数据进行标准化处理以消除数量级和量纲的差异；②计算标准化后的样本相关矩阵R；③计算R的特征值和特征向量；④计算方差贡献率和累计方差贡献率，一般取累计方差贡献率达85%以上的作为主成分；⑤计算主成分载荷；⑥根据各个主成分的贡献率进行综合评价。

2.3 指标选取

影响土地生态安全的因素主要有社会因素、经济因素、环境因素和生态因素等，通过对区域土地生态安全影响因素的综合分析，参照国内外土地生态安全分析评价指标体系相关研究成果[6-7，13]，在考虑区域差异及特点的基础上，选取相对性评价指标，构建土地生态安全评价指标体系。具体指标：X1人口密度（人/km2）；X2人口自然增长率（%）；X3城镇化水平（%）；X4人均GDP（元）；X5人均播种面积（hm2）；X6第一产业比重（%）；X7第二产业比重（%）；X8第三产业比重（%）；X9废水排放量（万t）；X10工业固体废物产生量（万t）；X11全年工业耗煤量（万t）；X12规模以上工业企业增加值（万元）。

3 结果与分析

3.1 主成分分析

运用SPSS 21.0统计分析软件对指标数据进行处理，对原始数据进行标准化处理以消除数量级和量纲造成的误差，得到标准化矩阵（表1），通过指标间关系的分析获得指标特征值及主成分的贡献率和累计贡献率（表2）。

从表2可以看出，前3个主成分的累计贡献率已达89.181%，基本上代表了绝大部分因子对安阳土地安全的影响，可以选取第一、二、三主成分对安阳市土地安全进行分析，进而计算各变量载荷（表3）。

从表3可以看出，X1（人口密度）、X2（人口自然增长率）、X3（城镇化水平）、X5（人均播种面積）、X6（第一产业比重）、X8（第三产业比重）在第一主成分上载荷较高，主要反映了社会发展因素。X9（废水排放量）、X10（工业固体废物产生量）、X12（全年工业耗煤量）在第二主成分有较高载荷量，主要反映了工业废物排放和能源消耗因素；X4（人均GDP）、X7（第二产业比重）、X12（规模以上工业企业增加值）在第三主成分也有较高的载荷量，主要反映了经济发展对土地安全影响的因素。因此，安阳资源承载力的主要影响因子可以归纳为社会因素、工业废物排放与能源消耗因素和经济发展因素3个主成分。

第一主成分包含了47.032%的变化率，社会发展因素是影响安阳市土地安全的最主要因素。构成第一主成分的6个因子：人口密度、人口自然增长率、城镇化水平、人均播种面积、第一产业比重、第三产业比重，可以看出人口的增长、城镇化的动态变化对土地安全的影响尤为显著。2014年安阳市人口密度为792人/km2，远超过全国平均水平的143人/km2，人口密度连续10年保持增长，相比2004年增加了9.6%。人口的增长会减少人均耕地面积，增加资源和能源的消耗，给土地安全造成了巨大压力。同时，作为正向指标的城镇化水平，第一、二产业比重在第一主成分的载荷也较大，政府部门应在推进城镇化的过程中，构建现代产业体系，因地制宜地发展高科技产业、绿色农业，加快产业结构转型升级，大力促进第三产业的发展。

第二主成分包含了33.554%的变化率，主要反映能源消耗和废弃物排放因素。在12个指标中，X9（废水排放量）、X10（工业固体废物产生量）、X11（全年工业耗煤量）在第二主成分有较高载荷量。安阳市是河南省的重要工业基地，2014年工业产值占安阳市GDP比重达58.1%[14]，产业构成中又以钢铁、冶金、建材等高耗能产业为主，落后的生产工艺和粗放的经济发展模式，必然带来巨大的能源消耗和废物排放，2014年安阳市工业耗煤量为1.465亿t，2014年全市废水排放量和工业固体废物产量分别为1.723亿m3、1035.2万t，再加上环境治理措施不完善，必将给土地资源生态安全带来巨大压力。

第三主成分包含了8.595%的变化率，主要反映经济发展因素。X4（人均GDP）、X7（第二产业比重）、X12（规模以上工业企业增加值）在第三主成分占有较高的载荷量，对土地生态安全造成很大的影响。2005—2014年，安阳市人均收入从10 744元增长到40 048元，增长了73.17%，第二产业总产值从319.62亿元增长到862.79亿元，增长了62.96%，可以看出安阳市在过去10年经济飞速发展，但由于技术工艺落后，产业以资源型、原料型和粗加工型居多，粗放的经济发展模式对环境造成了巨大伤害，给土地生态安全带来威胁。

3.2 综合评价

3.2.1 计算模型。

通过因子载荷矩阵计算出主成分所对应的特征向量矩阵（表4）。将得到的特征向量与标准化后的数据相乘，得到3个主成分的表达式：以3个主成分的贡献率为权重，构造综合评价函数，以每个主成分所对应的特征值占所提取主成分总特征值之和的比例作为权重，计算主成分综合模型：

3.2.2 综合得分。

由安阳市各区县的12个指标的标准化值可算出3个主成分得分和土地生态安全值综合得分F，F值得分越高，说明该地区的土地生态越安全。土地生态综合评判结果及排序见表5。

从表5可以看出，土地生态安全综合得分由高到低依次为龙安区、林州市、安阳县、汤阴县、文峰区、内黄县、殷都区、北关区。表明从土地生态安全综合状况看，北关区的土地生态安全性最低，龙安区生态压力最高，其次是林州市、安阳县、汤阴县，文峰区、内黄县、殷都区的土地生态安全性较低。安阳4个市辖区除龙安区外其他3个区和内黄县的土地生态安全指数均小于零，表明其土地利用处于生态不安全状态。林州市、安阳县和汤阴县其值均大于零，其土地生态安全性较高。

参考国内通用的生态安全设置标准[14]，根据安阳市各区县土地生态安全综合评价值，设置4个土地生态安全状态等级（表6），对安阳市各区县土地生态安全级别进行划分。土地生态安全级别越高，其土地资源生态安全状况越好，反之越差。龙安区、林州市和安阳县的土地生态安全综合得分大于0.30，其土地生态安全处于良好状态，为 Ⅰ 级；汤阴县土地生态安全得分为0.20，处于预警状态，为Ⅱ级；文峰区生态安全得分为-0.10，位于中警状态，为Ⅲ级；内黄县、殷都区和北关区的土地生态安全综合得分均小于-0.40，处于重警状态，为Ⅳ级。总体而言，安阳市土地生态安全面临着严重的威胁。

4 结论与讨论

该研究通过主成分分析得出影响安阳市土地生态安全的三大主成分，即社会发展因素、能源消耗与工业废物排放和经济发展因素。安阳市各区县生态安全稳定性由弱到强依次为北关区、殷都区、内黄县、文峰区、汤阴县、安阳县、林州市和龙安区。安阳市4个辖区中3个辖区土地生态安全得分较低，处于中警、重警状态，这与市区产业经济更为发达、人口密度高有关。安阳市县级市林州市、安阳县、汤阴县生态安全整体较好，这与县级地区城市化水平较低、人口密度相对较小有关。但内黄县土地生态安全得分-0.54，处于重警状态，这与该县第一产业比重30.9%和第二产业比重41.0%过高有关，第三产业发展水平又相对较低，无力转变发展方式，往往又忽略了对生态环境的关注，给生态环境带来较大破坏。

综上，安阳市土地生态安全面临着较严重的威胁，如何缓解人地矛盾，实现经济社会发展与生态保护双赢，安阳市应做好区域环境承载力研究和估算，将发展控制在生态环境承受范围之内；调整部分地区产业结构，加快升级转型，促进产业合理布局，转变经济发展模式，提高第三产业比重；推广先进技术，重视科技的作用，提高产业生产效率，降低生产能耗；提高人口素质，增强环保观念，减轻人类活动对环境的压力；走集约型发展道路，完善相关管理制度，合理规划建设用地，减少资源浪费；最后积极治理环境污染，加强环境保护宣传和教育。

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