基于SPSS软件的生态安全水平演变趋势分析----以河南省水环境为例

郭 仓，樊万选，张满满

(1.郑州工商学院,郑州 451400；2.河南省地学生态科学研究院, 郑州 450002；3.郑州大学环境政策规划评价研究中心, 郑州 450002)

0 引 言

生态安全概念的提出虽然已有十多年，查阅大量相关文献资料，其总体有广义和狭义两种概念[1]。生态安全格局的广义概念以美国国际应用系统分析研究所(IASA)1989年提出的为代表，它认为生态安全格局是复合的人工生态安全格局，包括自然经济生态安全格局、生态安全格局和社会生态安全格局；狭义的生态安全格局定义主体为人类生态系统安全，以人类赖以生存的自然环境为对象[2]，包括饮用水、地表水、空气质量和绿色环境等基本要素。一般我们所说的生态安全格局是狭义的生态安全格局，即人与自然生态安全格局。

2000年国务院发布了《全国生态环境保护纲要》，首次明确提出“维护国家生态环境安全”的目标，但是目前国内对生态安全的单因素水环境的评价则不多[3-5]，其评价指标体系、评价模型、评价标准及评价方法的研究尚处于探索研究阶段。

本文运用由经济合作发展组织(OECD)与联合国环境规划署(UNEP)于1990年提出的环境P-S-R概念模型，即压力-状态-响应模型[6-11]，在查阅大量国内外文献资料借鉴其研究成果的基础上[12]，结合河南省水资源缺乏且区域分布不均的现状，构建水环境生态安全评价指标体系，并采用主成分分析法对河南省2010-2016年间的水环境生态安全水平发展趋势进行分析，为河南省水环境生态安全管理和可持续发展提供科学依据和指导。

1 研究区域概况

河南省地处中原，跨海河、黄河、淮河、长江四大流域，总面积16.7 万km2。其中海河流域1.53 万km2，占全省总面积的9.1%；黄河流域3.62 万km2，占全省总面积的21.7%；淮河流域8.83 万km2，占全省总面积的52.9%；长江流域2.72 万km2，占全省总面积的16.3%。河南省水系图见图1所示。

图1 河南省水系图Fig.1 The water map of Henan Province

河南省是中国农产品和食品工业的重要生产基地，小麦产量占全国的1/4。2013末，全省常住人口9 413 万人，居全国第三，全省水资源总量215.2 亿m3，人均水资源量228.69 m3/人，远低于全国人均水资源量(2 059.70 m3/人)。河南省是我国的农业大省、经济大省，2008年以来年GDP总量均位居全国第五[13]，但是随着经济的快速发展，环境问题日益彰显，水环境生态安全面临着较为严峻的挑战。

近年来省委、省政府高度重视环境保护和生态建设，不断加快城镇污水处理设施和节能减排重点工程建设，推进城市河流综合治理，取得了明显成效，城市水环境质量有所改善。但是仍有一些城区河流水质类别为劣V类，黑臭水体数量较多，且部分河流由于缺乏天然径流，河流自净能力弱，沿途接纳城镇生活污水、工业废水、养殖废水等，加重河流污染负荷，水源型缺水和水质性缺水问题并存，导致部分河流河水颜色发黑、垃圾漂浮、气味刺鼻发臭，与人民群众的环境需求还有较大差距。

2 研究方法

2.1 数据来源

本文原始数据来源于《河南省水资源公报》(2010-2016年)、《河南省环境统计公报》(2010-2016年)和《河南省统计年鉴》(2011-2017年)。

2.2 指标体系构建

评价指标的选定是研究河南省水环境生态安全的关键内容，所选用的指标应能够完全反映水生态安全水平现状。本文在遵循科学性、代表性、可操作性、系统性、尽可能定量性、可发展性、相关性等原则的基础上[14]，结合河南省水环境现状及目前较为突出的水环境问题，对河南省水环境生态安全评价指标体系框架拟构建为三个层次，分别为目标层、准则层和指标层，分别选用16、6和7个指标，共计29个指标，具体指标体系构建框架见表1。

表1 河南省水环境生态安全评价指标体系Tab.1 The index systen of water environmentecological safety evaluation in Henan

表1中指标性质一列中标出的正向和负向指标是根据所选评价指标对水环境生态安全的影响作用不同做出的推断[3]。正向指标含义：状态系统中的正向指标值越大，表明水环境生态安全状况越好，如水资源总量、年降水量等；响应系统中指标值越大，表明维护和改善水环境生态安全的能力越强，水环境生态安全状况越好，如供水总量、水功能区水质达标率、环保投资占GDP比例等。负向指标含义：负向指标值越大，表明水环境生态安全状况越差，如年末人口、有效灌溉面积、废水排放量等。

2.3 主成分分析

主成分分析法是把多项指标转化成少数几个综合指标，且能够克服人为主观因素对评价结果产生影响的缺陷，提高了评价体系的客观性和数据质量，经处理后的数据可信度大大提高[15-18]。

水环境生态安全包含的内容是多方面的，选用的指标也是多方面的，本文选用了29个指标，这些指标分别从不同方面反映河南省水环境生态安全评价的状况，但是这些指标间还存在有内在联系，而主成分分析法是在保证信息最少丢失的原则下，对原来指标进行降维处理，能够简化复杂的研究，故本文选用主成分分析法进行分析。

主成分分析的各步骤可通过社会科学统计软件SPSS (Statistical Program for Social Sciences)高效率完成，该软件是世界上最早的统计分析软件，目前已经广泛应用于众多领域和行业[19-23]。运用SPSS16.0软件对各指标相关性的进行统计分析。

2.3.1 主成分因子提取结果

运用SPSS16.0软件，提取主成分的特征值、方差贡献率、累积方差贡献率和各因子的载荷信息见表2。

表2 指标特征值与贡献率Tab.2 The index characteristic value and contribution rate

按照特征值大于1的原则，提取前4个公因子，其累计方差贡献率达98.12%，各主成分载荷见表5，而前三个主成分的累积方差贡献率为90.92%，已超出主成分选取时对累积贡献率的要求(≥85%)，能够反映原始29个变量的绝大部分信息，具有显著的代表性，可以满足分析问题的需要。

从主成分载荷大小来看，与第一主成分密切相关的是人口，生产总值，化肥、农药、薄膜的使用量，工业废水中COD、氨氮排放量，人均和单位GDP用水量等，这些指标与第一主成分的相关系数的绝对值都超过了0.9，此外第一主成分中供水总量、参与评价的水功能区个数、城市排水基础设施投资和环境污染治理投资的载荷系数也超过也0.75，说明第一主成分反映了人类活动消耗的水量及外排污染物对水质的影响。与第二主成分密切相关的是有效灌溉面积、工业废水排放量、城市水功能区水质达标率和环境污染治理投资占GDP比重等指标，说明第二主成分反映了人类利用水资源的方式和对水体污染治理的重视程度。与第三主成分密切相关的是城镇生活污水COD、氨氮的排放量及酸雨的平均发生率，城镇生活污水中COD和氨氮的增多会导致水体中溶解氧的减少；酸雨的发生是空气中SO2和NOX所致，酸雨的发生率能够间接反映大气中酸性污染物对水体环境的影响，总之，第三主成分是在第一主成分的基础上进一步反映了水体受到生活污水污染和工业废水、废气的污染。

表3 主成分因子载荷Tab.3 The index load factor of principle components

从方差贡献率可以看出，第一主成分的方差贡献率为65.15%，远大于第二和第三主成分的方差贡献率17.16%和8.61%，所以第一主成分是最重要的，包含的信息最多，对河南省水环境生态安全的变化影响最大，即河南省水环境生态安全程度主要是由第一主成分决定的，即由人口，生产总值，化肥、农药、薄膜的使用量，工业废水中COD、氨氮排放量，人均和单位GDP用水量等控制，其次受控于河南省政府对水体污染治理投资情况和重视程度。

2.3.2 主成分各指标系数的确定

主成分各指标系数的确定是利用表5中的各指标载荷除以表4中主成分相对应的特征值开平方根所得到，例如，对F1所包含的各级指标相应系数计算结果分别为：X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8等的系数为0.208、0.228、0.227、0.220、0.125、0.222、0.221、0.221等，即：

F1=0.208X1+0.228X2+0.227X3+0.220X4+

0.125X5+0.222X6+0.221X7+0.221X8+…

同理可得出：

F2=0.106X1+0.006X2+0.034X3+0.065X4+

0.297X5+0.092X6+0.062X7-0.004X8+…

F3=0.081X1+0.018X2+0.027X3-0.022X4+

0.209X5-0.039X6+0.081X7-0.063X8+…

主成分综合评价值F：

F=A1F1+A2F2+A3F3

2.3.3 主成分评价结果

按照以上计算方法，并结合标准化数据，最终得出2010-2016年河南省水生态安全水平的各指标层综合得分变化趋势(图2)。

图2 2010-2016年河南省水环境生态安全水平变化趋势图Fig.2 The Trend of water environment ecological security in Henan from 2010 to 2016

压力、状态、响应及综合得分越大表示水环境生态安全状况越好，由图1可知，2010-2016年，压力指数整体呈逐年上升趋势且变化幅度较大，由2010年的-2.900上升到2015年的2.418，5年内上升了219.93%，表明人类生产活动对水环境造成的压力相对逐年减弱。但是2015-2016年，压力指数又稍有降低，这主要是因为载荷较大的COD和氨氮排放量分别由2015年的30.45、3.09万t逐年下降到2016年的17.07、1.27万t，分别减小了43.94%和58.90%。此外，人均年用水量和单位GDP用水量这两项指标是近年来国内较多用来反映用水效率和水资源压力的指标，而河南省在2010-2016年期间这两项用水指标值分别介于207～256 L/d和64～116 t/万元，均远远小于全国平均水平441.5～455.5 L/d和122～130 t/万元，很大程度上减小了河南省水资源短缺的压力。

状态指数呈波动性上升趋势，2010-2016年间整体上升了1.359，但是2013年下降幅度较为显著，状态指数较2012年下降了0.289，可能是因为酸雨平均发生率较2012年上升了33.33%。状态指数的整体上升间接反映了水资源自然状态面临的人类对水环境生态安全的威胁取得逐步好转。

响应安全指数整体呈上升趋势，但上升幅度不显著。响应指标层中第一主成分载荷较高的环境污染治理投资该项指标逐年增加，尤其最近两年呈现更大的增幅，2014～2016年的环境污染治理投资分别为1 401 124 万元、1 782 135 万元和2 880 995 万元，2015年和2016年该项指标分别增长27.19%和61.66%。以上数据说明近年来河南省政府已加大力度投入水环境保护与改善措施，虽然已采取的措施有效促进了河南省水环境生态安全的逐渐改善，但是从响应指数上升幅度有限来看河南省的水环境生态环保的投入力度还需加大。

从河南省水环境生态安全综合评价指数来看，综合指数的变化趋势同压力、响应指数变化趋势一致，均是整体呈逐年上升趋势，但是2016年较2015年有所下降，表明河南省水环境综合得分值在很大程度上是压力和响应系统的贡献，尤其来自响应系统的贡献。河南省水环境安全综合指数整体上升说明近年来河南省水环境健康状况逐渐有所好转，但近两年稍有下降趋势，仍需加大对水环境的治理，以改善水环境质量为核心，提高水环境生态系统自身应对外界压力胁迫的水平。

3 结 语

本文通过建立评价指标体系，运用SPSS软件对2010-2016年河南省水环境生态安全水平进行主成分分析评价，并通过对所选取指标进行主成分归类分析，最终得出以下结论。

(1)对本文选用的29个指标进行主成分分析最终归纳为三个主成分，第一主成分反映了人类活动消耗的水量及外排污染物对水质的影响；第二主成分反映了人类利用水资源的方式和对水体污染治理的重视程度，第三主成分在第一主成分的基础上进一步反映了水体受到生活污水污染和工业废水、废气的污染。其中第一主成分的方差贡献率为65.15%，远大于第二和第三主成分，因此，第一主成分是最重要的，包含的信息最多，对河南省水环境生态安全的变化影响最大，即河南省水环境生态安全程度主要是由第一主成分决定的，即由人口，生产总值，化肥、农药、薄膜的使用量，工业废水中COD、氨氮排放量，人均和单位GDP用水量等控制，其次受控于河南省政府对水体污染治理投资情况和重视程度。

(2)从河南省水环境生态安全综合评价指数来看，综合指数的变化趋势同压力、响应指数变化趋势一致，均是整体呈逐年上升趋势，说明近年来河南省水环境健康状况逐渐有所好转，但近两年稍有下降趋势，仍需加大对水环境的治理，以改善水环境质量为核心，提高水环境生态系统自身应对外界压力胁迫的水平。

(3)2010-2016年，压力指数整体呈逐年上升趋势且变化幅度较大，表明人类生产活动对水环境造成的压力相对减弱，主要原因为河南省的人均年用水量和单位GDP用水量这两项指标均远远小于全国平均水平441.5～455.5 L/d和122～130 t/万元，很大程度上缓解了全省的水资源压力。状态指数呈波动性上升趋势，间接反映了水资源自然状态面临的人类对其压力需求对水环境生态安全的威胁得到逐步缓解。响应安全指数整体呈上升趋势，但上升幅度不显著，说明河南省政府虽已采取措施有效促进了河南省水环境生态安全的逐渐改善，但是从响应指数上升幅度的有限性来看河南省水环境生态环保的投入力度还需加大。