基于主成分分析的哈爾濱市土地生態(tài)安全評價

孫奇奇，宋 戈，齊美玲

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150030；2.國家土地督察沈陽局，沈陽110136）

土地生態(tài)安全是生態(tài)安全的重要組成部分[1]，關(guān)系到人類的生存發(fā)展。可以定義為土地系統(tǒng)處于一種平衡穩(wěn)定狀態(tài)，不受或少受外界威脅，同時對人類生存發(fā)展產(chǎn)生有利的影響，保障人類的物質(zhì)需求。本文綜合國內(nèi)文獻(xiàn)得出研究土地生態(tài)安全多采用綜合指數(shù)評價法[2－7]；有學(xué)者運(yùn)用主成分分析法[8]，計(jì)算影響土地生態(tài)安全的各主成分的值；部分學(xué)者采取物元分析方法[9－10]，除此之外還有一些學(xué)者采取土地承載力分析法、景觀生態(tài)學(xué)方法[11]對土地生態(tài)安全開展研究 。本文 綜 合 國 內(nèi) 外 文 獻(xiàn) 以 及 研 究 成 果[2－3，5－8，10，12－16]建立評價指標(biāo)體系，運(yùn)用SPSS 17.0軟件，采用主成分分析法，以2001—2008年哈爾濱市相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對哈爾濱市土地生態(tài)安全進(jìn)行評價。

1 研究區(qū)概況

哈爾 濱 位 于 東 經(jīng) 125°42′—130°10′，北 緯 44°04′—46°40′，是中國東北北部政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，也是中國省轄市中面積最大、人口居第二位的特大城市。全市土地面積5.31萬km2，市區(qū)面積7 086 km2，轄8區(qū)10縣（市）。2008年末，戶籍總?cè)丝?89.9萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值為2 868.2億元。哈爾濱市是一個以工業(yè)為主體、三次產(chǎn)業(yè)全面發(fā)展的綜合性城市。近些年來經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時環(huán)境問題也日益彰顯，環(huán)境、水土污染加劇，土地生態(tài)安全面臨著比較嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 指標(biāo)體系的建立

評價指標(biāo)的確定是研究土地生態(tài)安全評價的關(guān)鍵內(nèi)容，指標(biāo)的選取要能夠完全反映土地的生態(tài)狀況。

因此在科學(xué)性、完整性、層次性和可比性的基礎(chǔ)上，剔除與土地生態(tài)安全不相關(guān)的因子，結(jié)合哈爾濱市土地資源現(xiàn)狀，同時參照國內(nèi)相關(guān)研究[2－3，5－8，10，12－16]，從 自 然、經(jīng) 濟(jì)、社 會 三 個 方 面 構(gòu) 建 21個評價指標(biāo)（表1），對哈爾濱市域土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行研究。

表1 哈爾濱市土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系

3 哈爾濱市土地生態(tài)安全定量評價

3.1 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)來源于《哈爾濱統(tǒng)計(jì)年鑒》（2002—2009年），《黑龍江統(tǒng)計(jì)年鑒》（2002—2009年）。本文數(shù)據(jù)除部分可直接從統(tǒng)計(jì)年鑒里查得[17－18]，其它都是根據(jù)查得數(shù)據(jù)計(jì)算得到。

3.2 土地生態(tài)安全值的確定

3.2.1 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法將原始數(shù)據(jù)作標(biāo)準(zhǔn)化處理，得出指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣（表2）。將數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化處理也就可以消除不同變量之間的差異性，使數(shù)值均為0～1，因而具有可比性。

3.2.2 主成分的提取 主成分分析法就是將多元變量歸結(jié)為較少的一些變量，也就是一個降維的過程[19－20]。運(yùn)用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)值的處理，得出相關(guān)系數(shù)矩陣。所選取的變量中有60%以上的系數(shù)絕對值大于0.3，故認(rèn)為可以進(jìn)行主成分分析[8]。將標(biāo)準(zhǔn)化矩陣導(dǎo)入SPSS 17.0軟件中進(jìn)行主成分分析，得出前五個累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到94.18%，初始方差貢獻(xiàn)率分別為39.62%，17.84%，14.80%，12.54%，9.38%，說明這5個變量就可以作為主成分，這5個成分基本涵蓋了變量信息。

表2 2001－2008年哈爾濱市土地生態(tài)安全標(biāo)準(zhǔn)化值

得出的正交旋轉(zhuǎn)后的各個評價因子的成分矩陣，根據(jù)其中各因子的貢獻(xiàn)率分別將各因子歸于5個主成分之中。分析得出的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣主要反映各因子的貢獻(xiàn)率大小，因子貢獻(xiàn)率絕對值大小決定該因子歸入的主成分。其中第一主成分所包含的因子較多，多為人均耕地面積、耕地面積比重、人口密度、水土協(xié)調(diào)度等一些土地資源數(shù)量方面的因子。第二主成分包括了農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平、化肥施用量等土地資源質(zhì)量方面因子。第三主成分包括工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率、工業(yè)固體廢物利用率等土地資源治理方面因子。第四主成分包括森林覆蓋率、第三產(chǎn)業(yè)比重等土地資源社會指標(biāo)方面因子。第五主成分包括單位面積土地廢氣排放量、環(huán)保投資率等土地資源的生態(tài)指標(biāo)方面因子（表3）。3.2.3 主成分的計(jì)算 由SPSS軟件分析得出的因子得分矩陣，可將其作為計(jì)算各年份主成分值的權(quán)重，如公式（1）所示。

式中：Fij——第j年第i個主成分；pij——第j年第i個評價因子的標(biāo)準(zhǔn)化值；mi——第i個評價因子的得分矩陣系數(shù)。

得出各年份的主成分值后，根據(jù)SPSS軟件分析結(jié)果得出旋轉(zhuǎn)后的主成分方差貢獻(xiàn)率（表4）?？蛇x取各主成分的方差貢獻(xiàn)率作為計(jì)算各年份生態(tài)安全值的權(quán)重，如公式（2）所示。

式中：Fj——第j年的生態(tài)安全值；Fij——第j年第i個主成分；ki——各主成分的方差貢獻(xiàn)率；i——1—5的整數(shù)；j——1—8的整數(shù)；由以上公式（1）—（2）計(jì)算可得出結(jié)果（表5）。

表3 旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣

表4 各主成分的方差貢獻(xiàn)率

3.3 評價標(biāo)準(zhǔn)的確定

國內(nèi)目前還沒有一個統(tǒng)一的確定土地生態(tài)安全的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)值的確定不僅是個比較復(fù)雜的過程，而且要因地制宜，各個地方生態(tài)環(huán)境差異性較大，因而不能一概而論。本文參考國內(nèi)相關(guān)研究，同時結(jié)合哈爾濱市土地資源現(xiàn)狀，建立了哈爾濱市土地生態(tài)安全的評價標(biāo)準(zhǔn)（表6）。

土地生態(tài)安全采用的評價標(biāo)準(zhǔn)主要包括以下幾個方面[20]：（1）國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。國家已發(fā)布的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB5804－92）、保護(hù)農(nóng)作物大氣污染物最高允許濃度（GB9137－88）、農(nóng)藥安全使用標(biāo)準(zhǔn)（GB4285－89）、污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)（GB8978－96）、黑龍江省省級生態(tài)示范區(qū)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)等；（2）將區(qū)域生態(tài)環(huán)境的背景值或本底值作為評價的標(biāo)準(zhǔn)。如從哈爾濱的實(shí)際情況出發(fā)，選擇植被覆蓋率、水土流失治理率、人均耕地面積、生物物種豐度和生物多樣性等指標(biāo)；（3）科學(xué)研究已判定的生態(tài)效應(yīng)。通過當(dāng)?shù)鼗蛳嗨茥l件下，科學(xué)研究已判定的保障生態(tài)安全的各項(xiàng)指標(biāo)的要求等作為評價的參考標(biāo)準(zhǔn)。

表5 2001－2008年哈爾濱市土地生態(tài)安全值

表6 哈爾濱市土地生態(tài)安全評判標(biāo)準(zhǔn)值

3.4 結(jié)果與分析

由以上可得出2001—2008年哈爾濱市土地生態(tài)安全水平，2001—2002年為Ⅱ級，處于較安全水平；2003年為Ⅰ級，處于安全水平；2004—2005年為Ⅱ級，處于較安全水平；2006—2007年為Ⅲ級，處于臨界安全水平；2008年為Ⅱ級，處于較安全水平。

由圖1可得，哈爾濱市土地生態(tài)安全變化趨勢可分為：2001—2003年為上升期；2003—2004年為下降期；2004—2005年為上升期；2005—2007年為下降期；2007—2008年為上升期，土地生態(tài)安全水平為波動發(fā)展的變化趨勢。2001—2003年生態(tài)安全值不斷增加，由2001年的較安全水平增長到2003年的安全水平，并在2003年達(dá)到一個高峰值。這一階段工業(yè)廢水排放達(dá)標(biāo)率和工業(yè)固體廢物使用率不斷增加，并且維持在一個較高的水平上，得益于政府加強(qiáng)環(huán)境治理，提高環(huán)境質(zhì)量。

圖1 2001－2008年哈爾濱市土地生態(tài)安全變化趨勢

第三產(chǎn)業(yè)比重、糧食單產(chǎn)、耕地面積比重等正向指標(biāo)也不斷增加，并且維持在一個較高的水平上；2003—2004年土地生態(tài)安全水平處于下降期，由于人口密度，人口自然增長率的增加，農(nóng)藥施用量逐年增長，導(dǎo)致土地壓力負(fù)荷加重，土壤生態(tài)污染加劇。人類活動對環(huán)境的影響往往有滯后性，因而前幾年的一些危害土地生態(tài)安全行為集中于某段時間發(fā)生；2004—2005年土地生態(tài)安全水平處于上升期，是由于人均GDP、森林覆蓋率等正向指標(biāo)值不斷增加，土地生態(tài)環(huán)境有所好轉(zhuǎn)；2005—2007年土地生態(tài)安全水平再次處于下降期，并于2006年、2007年達(dá)到了負(fù)值，為這一階段的最低點(diǎn)。由于工業(yè)發(fā)展，工業(yè)廢水廢氣固體廢物排放量增加，環(huán)境治理程度有減弱，加上之前環(huán)境污染治理程度不夠積累了一些問題，導(dǎo)致這一階段生態(tài)問題再次凸顯；2007—2008年土地生態(tài)安全水平再次處于上升期，之前所累積的生態(tài)環(huán)境問題得到一定程度的改善，同時政府對環(huán)境重視程度的加強(qiáng)，加大了環(huán)保投資力度?？偟膩碚f，2001—2008年哈爾濱市土地生態(tài)安全水平總體呈現(xiàn)波動變化的遞減發(fā)展趨勢，但總體處于較安全水平。

4 結(jié)語

本文通過建立評價指標(biāo)體系對2001—2008年哈爾濱市土地生態(tài)安全水平初步開展評價，得出2001—2008年哈爾濱市土地生態(tài)安全水平總體呈現(xiàn)波動變化的遞減發(fā)展趨勢，土地生態(tài)安全水平波動較大，處于較不穩(wěn)定發(fā)展階段，但總體處于較安全水平。

土地生態(tài)安全評價是一個系統(tǒng)性工程，建立評價指標(biāo)體系不能完全反映出土地生態(tài)安全現(xiàn)狀，需綜合各方面因素加以分析。而且標(biāo)準(zhǔn)值的確定在全國范圍內(nèi)沒有一個統(tǒng)一的規(guī)范，仍需在實(shí)踐中不斷完善。整合土地資源生態(tài)安全影響機(jī)理及土地資源生態(tài)安全評價研究成果，量化土地資源生態(tài)安全指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，對于提高土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的科學(xué)性和合理性有著重要的意義，這也將是未來可持續(xù)土地利用研究的前沿[11]。本文結(jié)合哈爾濱土地生態(tài)現(xiàn)狀，在科學(xué)性、適用性原則的基礎(chǔ)上，參考確定土地生態(tài)安全的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，得出適用于哈爾濱及其周邊地區(qū)土地生態(tài)安全的評判標(biāo)準(zhǔn)值。但評判標(biāo)準(zhǔn)值并不是唯一確定的值，各地區(qū)有所差異，需綜合各地區(qū)情況加以實(shí)際分析，不能一概而論。

土地生態(tài)安全關(guān)系到一個地區(qū)整體生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)性，應(yīng)當(dāng)加以足夠的重視。從以上分析的結(jié)果來看，哈爾濱市土地生態(tài)安全狀況并不樂觀，在以后的土地利用過程中，政府應(yīng)引起足夠重視，加大環(huán)境保護(hù)力度。

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