基于熵权-主成分分析的区域生态承载能力评价分析

岳斯玮

（重庆商务职业学院 公共管理系，重庆 沙坪坝401331）

一、引言

生态文明建设是“五位一体”建设的重要组成部分，而生态文明的实现离不开城市生态健康发展。随着科学技术的发展，社会生产力得到极大提高，区域经济得到快速发展，人民生活水平得到极大提高，然而由于城市布局不合理、功能区分不明显，土地利用不恰当等问题也随之而来，人口增加、资源消耗、环境污染、生态破坏等问题也日益突出，生态系统与经济发展的不协调性越来越明显，威胁人的生存发展。人类已意识到生态系统是一个有机体，有自我维持和调节能力，即生态承载力，生态承载力是区域生态健康发展的保障和基础［1-3］。目前，对生态承载力的定义学术界也存在争议，但是学术界普遍认为：不同级别的区域生态系统所提供的资源对区域经济、社会发展的支持是有限的，并且生态系统对环境变化的承受力也是有限的［4-6］。因此，生态承载力是衡量区域可持续发展的重要指标。

二、生态承载力评价指标体系的构建

（一）生态承载力内涵与特性

生态承载力突出的是生态系统的承载力，是一个综合性概念，主要包含两个方面的含义［6］：第一个方面为生态系统的承压情况，主要反映生态系统自我调节水平和维持生态系统稳定的能力，即生态系统的弹性，还反映了资源利用与环境改善之间的协调性，即生态系统中资源和环境的承压能力。第二个方面是指生态系统的压力情况，主要反映了生态系统所提供资源，能维持的经济规模和人口数量的大小，即生态系统的压力。

根据上述生态承载力的含义可知，生态承载力的特性为客观性和相对性。客观性是生态承载力为生态系统的最重要的固有功能之一，这个固有功能一方面为生态系统抵抗外力的干扰破坏提供了基础，另一方面为生态系统向更高层次的发展奠定了基础。相对性是指生态系统的稳定性是相对的，是随着外力影响而改变的，所以区域生态承载力情况是区域经济、社会发展与环境之间协调性体系，是区域可持续发展情况的反映。

（二）生态承载力评价指标体系

为了衡量区域生态承载力的水平，根据生态承载力内涵和特性，将区域生态承载力从生态压力、生态承压和生态弹性三个方面来量化。其中，生态承压类指标主要反映生态系统的状态与潜力，如区域内主要自然资源的拥有量、经济发展水平、环境治理情况以及生活质量等；生态压力类指标主要反映人类为了谋求自身发展和获得更多社会财富而对生态系统施加的压力，如区域人口数量，消费方式，以及伴随着区域人类经济社会活动增加而带来的经济增长、资源消耗和环境污染等；生态弹性类指标主要反映区域承载力和承载状况的改变情况，如区域的人流、物流的流通情况，科技创新程度以及信息交流等都影响和改变着区域的生态承载力水平［7-10］。根据上述三个方面，构建了区域生态承载力评价指标体系，如表1所示。

三、评价模型构建

（一）熵权法原理与步骤

系统无序程度度量称为熵，熵与信息量之间存在反向关系，信息量越大，不确定性就越小，熵也就越小；信息量越小，不确定性越大，熵也越大。而熵权法就是根据熵的特性，计算系统中各指标的信息熵，然后根据指标的相对变化程度对系统整体的影响来确定指标的权重的方法［11-13］。熵权法确定指标权重的步骤如下：

假设评价系统的评价对象有m个，每个评价对象的评价指标有n个，从而构成一个原始评价矩阵Am×n，其中元素aij表示第i个评价对象在第j个指标上的指标值。则

表1 区域生态承载力评价指标体系

1．对各指标进行标准化处理，记准化值为a*ij，标准化的公式如下：

对于正向指标：

对于负向指标：

另外，在熵权的计算时由于要取对数，因此指标值必须大于0，因而如果标准化后的值为0，则对该指标值进行变换，其公式为：

2．计算第j个指标下第i个评价对象指标值的比重，得到矩阵Pm×n，其中元素为：

3．计算第j项指标的熵权：

4．计算第j项指标的差异系数：

式中gj的值越大，该指标的作用越大，其权重也越大。

5．计算第j项指标的熵权系数：

（二）熵权-主成分分析评价模型

根据主成分分成法原理和熵值法原理，构建熵权-主成分分析评价模型［13-16］，具体步骤如下：

1．将各指标原始数据标准化；

2．建立变量的相关系数矩阵 Rn×n；

3．求 Rn×n的特征根 λ1≥λ2≥…≥λn＞0 及相应的单位特征向量 Ei(i=1,2,…,n)；

4．得出累计贡献率。根据得到的特征根，计算出累计贡献率：

5．得出主成分。根据计算得出的累计贡献率，选取特征值大于1或累计贡献率大于85%的前p个主成分，然后写出主成分:

6．构造综合评价函数。根据熵权法确定权重步骤，计算出各主成分的权重，构造一个综合评价函数：

表2 方差分解矩阵

四、实证分析

（一）研究样本和数据选择

选择北京、上海、天津、重庆四个直辖市作为研究对象。直辖市的发展在我国城市发展中具有重要地位，其经济发展模式对我国城市发展来说具有示范性作用，直接关系到我国城市发展的好坏，从而影响到全国经济的发展水平。另外，为了了解四个直辖市的生态承载力在全国的地位，从而将全国的生态承载力水平也作为一个评价对象。

根据我国现行的统计制度，年度数据更具规范性和准确性，因此选择年度数据进行区域生态承载力的评价更具精确性和操作性，由于统计数据的公布具有延迟性，因此文中生态承载力评价指标体系中各指标的数据来源于2016年北京、上海、天津、重庆统计年鉴和中国统计年鉴。

（二）基于熵权-主成分分析的区域生态承载力综合评价

根据区域生态承载力的评价指标体系以及各评价指标的具体数据，利用SPSS 22.0进行主成分分析，得出方差分解矩阵，如表2所示。

根据表2可知，前3个主成分特征值都大于1，而且累计贡献率达91.273%＞85%，因此根据主成分选取原则，选取3个主成分F1，F2，F3利用SPSS 22.0进行主成分分析，得出各主成分的相关系数矩阵，如表3所示。

根据表3以及评价指标体系中各指标标准化数据，利用主成分计算公式（9）得出各主成分得分，再根据熵权法计算步骤，利用MATLAB对各主成分计算权重，得3个主成分F1，F2，F3的权重为：0.564 028 16、0.178 812 425、0.257 159 415。计算得出北京、上海、天津、重庆及全国生态承载力综合得分，如表4所示。

类似地，根据生态承载力评价指标体系中生态压力、生态承压和生态弹性三个方面的指标数据，利用熵权-主成分分析评价模型，对全国及四个直辖市的生态压力、生态承压和生态弹性三个方面的承载力进行量化，得到三个方面对应的得分，如表5所示。

（三）全国及直辖市的区域生态承载力水平分析

根据表5中全国及直辖市的生态压力、生态承压和生态弹性得分及生态承载力得分，得出全国及直辖市生态承载力水平综合对比情况，如图1所示。

根据图1可知，从生态压力来看，四个直辖市生态压力得分都高于全国水平。在直辖市中，北京和重庆生态压力相对较高，北京近年来雾霾等空气污染给生态环境带来较大压力，重庆近年来经济增长速度持续领跑全国，同时也为生态环境带来较大压力；从生态承压来看，四个直辖市得分都低于全国水平，其中重庆生态承压得分最高，北京、上海相对较低，说明我国四个直辖市当前城市生态系统的状态和潜力都低于全国水平，表明在今后发展中，四个直辖市不能只注重经济总量增加，而要更加注重经济增长质量。从生态弹性来看，重庆生态弹性得分在四个直辖市中相对较高，表明在直辖市中重庆生态系统承载力改善情况相对较好。

表3 主成分相关系数矩阵

表4 全国及直辖市区域生态承载力水平综合得分

从区域综合生态承载力来看，在直辖市中，重庆生态承载力是最好的，相对较差的是北京和上海，但是四个直辖市的生态综合承载力都低于全国水平，这主要是由于四个直辖市经济发展水平在全国来说都相对较高，而经济发展的同时必然会对生态带来压力，这从全国及四个直辖市的生态压力、生态承压和生态弹性得分可以证明。同时，从四个直辖市生态承载力与全国比较可以看出，城市化进程中，城市生态系统也面临较大压力，在一定程度上城市经济发展水平与生态承载力呈反比。在四个直辖市中，重庆是最年轻的，从而重庆生态系统破坏弱于其他三个直辖市，因此其生态承载力也相对较好。所以，在今后城市发展中，应该转变经济增长方式，降低城市发展所带来的生态压力，提高城市生态承载力，建设经济、社会、环境、文化协调发展的生态文明城市。

表5 全国及直辖市区域生态压力、生态承压、生态弹性综合得分

图1全国及直辖市生态承载力水平对比图

五、结论与建议

根据分析可知，重庆生态承载力高于其他三个直辖市，但是四个直辖市生态承载力水平都低于全国水平。城市化进程中城市生态系统面临较大压力，表明在一定程度上我国城市经济发展水平与生态承载力呈反比，在四个直辖市中重庆是最年轻的，重庆生态系统破坏弱于其他三个直辖市，因此其生态承载力也相对较好。在今后城市发展中，应吸收当前城市发展的经验，转变经济增长方式，降低城市发展所带来的生态压力，提高城市生态承载力，建设经济、社会、环境、文化协调发展的生态文明城市。首先，优化城市布局，深化经济改革，降低经济发展带来的生态压力，提高生态系统的承压力，从而提高生态承载力；其次，转变经济增长方式，减少污染物排放量，加强空气污染治理，提高生态系统的承压力；第三，加大环保经费的投入，加强环境污染治理，提高环境改善力，使环境自身的维护弹性力进一步提高，对生态压力抗干扰性更强，从而使生态系统的生态承载力提高。