基于主成分分析法的白山市土地生态安全评价

冷春霞 李国柱

(吉林师范大学旅游与地理科学学院，吉林 四平 136000)

引言

作为人类赖以生存的自然资源,土地是国家社会经济发展的重要基础,也是国家安全的重要保障[1]，而对于小地区而言，也是同样重要的。关于土地，生态的维护和治理是促进土地永续利用的重中之重。生态文明既是人类在处理人与自然关系中获得积极成果的总和，也是一种更加高级的社会意识形态[2]。所以一个地区长久可持续的发展，土地生态评价和建设是不可或缺的过程方法。东北林区地域生态环境本底质量良好，但是随着人类活动的加剧，工业的建设发展，致使出现生态用地规模减少、生物多样性下降、景观格局破碎化等威胁生态安全的问题[3]。为了保证经济高质量发展与粮食安全，需要实现新型城镇化与耕地集约利用的协调发展[4]，由此对土地资源进行生态安全评价，具体分析土地的未来与用途。无论是保障国家的土地资源可持续利用、粮食生态安全、土地集约化的发展等，还是丰富土地管理学科的理论依据，对于土地生态安全评价的研究都是十分重要的。吉林省白山市分布大量的原始森林，近几年大力发展产业经济，在发展建设时应合理进行土地生态安全评价，保证绿水青山就是金山银山。

1 文献综述

李强等就燃煤工业区土壤汞含量污染惊醒土地生态评价，为探明黄土高原燃煤工业区不同土地利用方式下土壤中Hg污染特征及空间变异程度，采用地累积指数、潜在生态风险指数等对该区域不同土地利用类型中的Hg含量进行污染和健康风险评价，发现Hg含量空间分布格局整体上表现为中部向南北两侧递增趋势，污染严重区域主要因为煤炭开采及工业生产等人类扰动因素[5]。胡思汉等对东北矿区进行生态评价，基于Landsat遥感影像，采用遥感生态指数(RSEI)对弓长岭地区土地生态环境质量进行评价，结果表明1999—2020年总体的生态质量以优为主，所占面积比例均达到80%以上；RSEI均值整体呈先略微上升，然后持续下降，最后上升的变化趋势；生态质量变化明显的主要区域为矿区以及城镇[6]。杨林等以喀斯特地貌为研究对象，从土地生态安全角度出发，基于环境—经济—社会(EES)模型建立评价指标体系，采用主成分聚类综合评价方法，对遵义市土地生态安全水平进行评价和比较分析[7]。袁领兄等利用GIS分析技术和层次分析法对太原市规划区土地生态敏感性进行评价，明确不同土地生态环境敏感区的空间分布格局[8]。吕添贵等基于PSR构建区域生态安全评价指标体系，运用熵权法对江西省生态文明先行示范区2009—2018年生态安全状况进行评价，结合障碍模型分析了其生态安全障碍因素[9]。程伟等认为土地生态评价是在了解土地数量与质量的基础上，对土地生态安全状况进行的研究与评价，以及对土地的生态价值进行的预测和分析的过程[10]，并结合刘卫东和一些外国学者研究报告，提出土地生态评价是由土地生态本底、生态服务、生态适宜性和生态干扰等各个小方面组成[11]。各界学者对土地生态安全评价的研究分析各有不同，但其最终的目标都是保证其研究区域的土地可以持续利用，稳定发展，创造出更大的土地价值，打造更好的生态环境。

2 研究区域

白山市位于N41°21′～42°48′,E126°7′～128°18′，是吉林省东南部、长白山腹地的一个地级市,是吉林省松嫩平原、东北、华北乃至东北亚的自然生态屏障,森林覆盖率达83.2%，北温带大陆性的季风气候,长白山东北至西南的山脉走向,与东亚季风风向刚好呈现垂直相交,导致该区水热交换十分强烈,其与朝鲜民主主义人民共和国隔江相望,边境线长约458.1km,域内有矿产、旅游、林业、特产、水能5大自然资源，辖3县2区1市,辖区面积17485km2,截至2019年人口达116.5万人，冠有“长白林海”“雪域王国”“人参之乡”“立体资源宝库”和清朝“龙兴之地”等美誉[12,13]。对于此类生态环境极好的城市，在进行城市建设时更应充分利用土地生态评价。

3 数据处理

本文所使用的统计数据来源于吉林省环境厅《环境年度公报》，白山市统计局《国民经济和社会发展统计公报》，包含压力层(居民消费价格指数(CPI)、基础设施建设投资、万元GDP耗能、人均道路面积、人口自然增长率)、状态层(二氧化硫排放量浓度、环境噪声等效声级、耕地面积占总土地面积比重、环境空气质量Ⅱ级以上天数、地区生产总值亿元)、响应层(农、林、牧、渔业增加值、农民人均纯收入、人均GDP、卫生机构床位数、高中在校生人数)，其中部分数据数据可由原始数据经数学运算后得出，会有一定的误差。结合PSR模型选取评价指标，建立评价体系，采用主成分分析法，对白山市2011—2020年土地生态安全状况差异进行评价。

表1 白山市土地生态安全评价指标体系

3.1 标准化处理

在数据进行主成分分析之前，要尽力消除不同类型指标数据之间的不同量纲影响，即对数据进行标准化的处理。本文选用极差法对原始指标数据进行标准化处理。根据各项指标对土地生态安全的影响方向不同，将评价指标分为积极指标(正向)和消极指标(负向)。2种利用不同的标准化公式，可以得出各项原始数据的标准化指标值，见表2。

积极指标采用上限测度公式：

(1)

消极指标采用下限测度公式：

(2)

式中，Xij表示第i年j项指标的初始值和标准化值；Xmax和Xmin分别为指标历年最大值和最小值[14]。最终计算的可能出现0和1，为其加上0.01，方便计算权重。

3.2 求权重

熵值法是一种客观赋权的方法，其通过计算指标的信息熵来决定指标的权重。信息熵越小，系统越有序，携带的信息越多，其指标权重越大；反之亦然。所以本文根据各指标值是在10个年份中的差异程度，利用信息熵，计算出各指标的权重，从而实现土地生态安全评价，进行评分。

表2 2011—2020年白山市土地生态安全指标标准化值

计算各项指标的权数：

(3)

(4)

式中，i=1,2,3,…，m；j=1,2,3,…，n，对各子系统指标的权重，Pij为第j个评价指标下第i个评价者所占的比重，ej为第j个评价指标的熵值；m为评价者个数，Sj为第j个评价指标的熵权[15]。所得数值保留了4位小数。

表3 各项指标权重

3.3 主成分分析

主成分分析法是将多个相关联的指标转换成少数独立综合的指标。具体而言，即在确保信息丢失最少的情况下，对可能包含重复信息的多个相关指标进行降维分析处理，将多个指标转变为保留大部分信息的几个互不相关的综合指标，从而使复杂的研究变简单，并且在保证研究精确度的同时提高研究工作效率[16]。其处理过程如下。

M个年份，N个选择指标的原始样本矩阵X：

X=(Xij)×M×N(i=1,2,…,M;j=1,2,…,N)

计算各个指标之间的相关系数矩阵Rb×b,其特征值的取值范围为[0,1],Ej为正规化特征向量，由此得到主成分Ti：

Ti=XEj

当第j个主成分的方差贡献率介于85%～95%时，取前q个主成分T1,T2,…,Tq,那么这个主成分q就可以用来反映原来N个指标的信息。贡献率公式：

(5)

求研究区各年的生态安全综合得分W:

W=λ1X1+λ2X2+…+λχXχ

式中，X表示特征值的特征向量(对指标的载荷数)；λ1,λ2,…,λχ表示原始指标的标准化数据[16]。

4 分析与结果

4.1 主成分提取与分析

利用SPSS统计软件，对标准化后的表2数据进行提取和主成分分析，得出5个主成分因子。如表4所示，Fi的特征值分别为7.124、2.645、1.725、1.393和1.128，初始方差贡献率为47.495%、17.633%、11.502%、9.29%和7.521%，累计方差贡献率已经达到93.441%，由此说明这3个主成分已经包容了绝大多数的指标数据信息，可以作为主成分。通过对提取的主成分进行深入分析，可以得到主成分对各项数据指标的载荷矩阵，见表5。旋转因子载荷矩阵主要是表达各个因子的贡献率，贡献率绝对值用于决定该因子主成分。

表4 各主成分的特征值和方差贡献率

表5 主成分对原始指标数据的载荷情况

由表5分析可知，a1～a15各项指标在主成分F1中的占比例较大，对主成分F1的作用明显，其中a14卫生机构床位数对主成分F1的作用最高，在载荷数为0.962，a12农民人均纯收入的作用较小，载荷数为0.201；在主成分F2中，a1居民消费价格指数(CPI)、a6二氧化硫排放量浓度、a8耕地面积占总土地面积比重、a9环境空气质量Ⅱ级以上天数和a10地区生产总值的占比较大，载荷数皆在0.5以上；主成分F3中，a5人口自然增长率、a7环境噪声等效声级、a10地区生产总值和a13人均GDP的占比较大，载荷数皆在0.5以上，而a15固定投资的载荷数为0，说明主成分F3不能表达这项指标；a11农、林、牧、渔业增加值和a12农民人均纯收入在主成分F4中的占比加大，载荷数分别为-0.529和-0.511；在主成分F5中，a7环境噪声等效声级和a12农民人均纯收入的占比加大啊，a12的载荷数达到0.71。通过以上数据分析，在白山市城市化的进程中，实现土地生态评价以及经济可持续发展，土地的合理规划、各项经济平衡投资、污染物的减排、人才的引进等都是重要的环节过程。

4.2 土地生态安全等级评价

计算各主成分的综合得分，需要运用SPSS计算各项指标特征值向量(对指标的载荷数)，利用标准化后的数据代入主成分表达式中计算各项指标的主成分得分，再结合主成分方差贡献率就可以得出各年份的综合得分，见表6。

表6 2011—2020年白山市土地生态安全评价综合得分与排名

由表6可知，2011—2020年白山市土地生态安全综合得分整体是上升状态，中间由小幅波动。起重工只有2011年的综合得分为负值-0.8403，土地生态安全最低，2016—2017年综合得分跨度最大，由1.5242增至5.6740，说明2017年土地生态治理较好，安全得分提高较快。2020年增至最大6.5207，并且有逐年上升的趋势。说明近10a，白山市的土地生态治理越来越好，人民的生态安全意识越来越高。

5 小结与建议

本文对白山市2011—2020年土地生态安全状况的变化进行评价，通过主成分分析法，结合PSR模型，对原始数据指标进行标准化处理，消除不同量纲的影响，提取主成分因子，确定指标权重信息，计算主成分的综合得分。通过以上研究分析可知，在白山市城市化的进程中，为实现土地生态评价以及经济可持续发展，土地的合理规划、各项经济平衡投资、污染物的减排、人才的引进等都是重要的环节过程，总体来看，基础设施建设投资、万元GDP耗能、耕地面积占总土地面积比重、二氧化硫排放量浓度、人均GDP是影响白山市土地生态安全状况的主要因素。2011—2020年白山市土地生态安全综合得分整体看是上升状态，中间由小幅波动，说明近10a，白山市的土地生态治理越来越好，人民的生态安全意识越来越高。

通过分析评价结果，为维护土地生态安全，提出以下建议。合理规划各类建设用地，保障各类土地的集约利用。控制工业废弃的产生，减少二氧化硫排放。保护良好的生态本底，加强环保产业发展。在土地生态治理的进程中，要谨慎发展，以可持续发展为宗旨，不断提高环境综合治理水平，探索绿色创新的新经济体系，促进区域社会经济和自然生态环境协调发展。