基于改進(jìn)投影尋蹤模型黑龍江省土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)

裴巍，付強(qiáng)，劉東，李天霄，成琨

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱　150030）

基于改進(jìn)投影尋蹤模型黑龍江省土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)

裴巍，付強(qiáng)*，劉東，李天霄，成琨

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與建筑學(xué)院，哈爾濱150030）

針對(duì)Friedman-Tukey投影指標(biāo)中窗口半徑不易確定，分析目前窗口半徑確定方法不足，提出基于聚類思想窗口半徑確定方法，改進(jìn)投影尋蹤模型，將其應(yīng)用于黑龍江省各地級(jí)市土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)，實(shí)例分析表明，改進(jìn)模型優(yōu)于原模型，所得投影點(diǎn)分布與正態(tài)分布差異更大?？臻g差異分析表明，哈爾濱、齊齊哈爾、七臺(tái)河、綏化土地資源生態(tài)安全狀況較差，屬于Ⅳ級(jí)，雙鴨山、佳木斯、黑河、雞西、鶴崗和牡丹江屬于Ⅲ級(jí)或Ⅱ級(jí)，生態(tài)安全狀況適中，土地資源生態(tài)安全狀況較好地區(qū)是大慶、伊春和大興安嶺，屬于Ⅰ級(jí)。從自然因素上看，大多數(shù)區(qū)域?qū)儆冖窦?jí)或Ⅱ級(jí)，表明黑龍江總體自然狀況較好；從經(jīng)濟(jì)因素上看，經(jīng)濟(jì)狀況差，改善土地資源生態(tài)安全能力有限；從社會(huì)因素上看，區(qū)域等級(jí)分布均衡，表明社會(huì)因素對(duì)土地壓力適中，有待改善。

投影尋蹤；窗口半徑；聚類；土地資源；生態(tài)安全；黑龍江

網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間2016-7-21 14:12:07［URL］http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20160721.1412.010.html

裴巍,付強(qiáng),劉東,等.基于改進(jìn)投影尋蹤模型黑龍江省土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2016,47(7):92-100.

Pei Wei,Fu Qiang,Liu Dong,et al.Assessing land resource ecological security in the Heilongjiang Province based on improved projection pursuit model[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(7):92-100.(in Chinese with English abstract)

土地資源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)性自然資源，其生態(tài)安全問(wèn)題是土地規(guī)劃、管理和保護(hù)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，關(guān)系到糧食、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)安全等方面［1］。近年來(lái)，水土流失嚴(yán)重，區(qū)域內(nèi)生態(tài)環(huán)境惡化。土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)可評(píng)估區(qū)域土地安全狀態(tài)，為土地生態(tài)安全預(yù)警及調(diào)控，土地規(guī)劃、管理及資源優(yōu)化配置提供理論依據(jù)，保護(hù)土地資源生態(tài)安全，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系選取方面，Hua等基于PSR模型從土地生態(tài)壓力、土地生態(tài)狀態(tài)和人文社會(huì)響應(yīng)三個(gè)方面構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［2-5］；劉勇等從自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)系統(tǒng)安全三個(gè)方面選取典型指標(biāo)構(gòu)建土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系［6-7］。在評(píng)價(jià)方法選擇方面，有綜合指數(shù)法［2，8］，層次分析法［7，9-10］，熵權(quán)法［2，11］，物元分析法［12-13］，主成分分析法［3，14］，主成分聚類分析［15］，模糊綜合評(píng)價(jià)法［16］，灰色綜合評(píng)價(jià)法［17］，投影尋蹤評(píng)價(jià)法［18］等。在模型構(gòu)建方面，宋戈等運(yùn)用生態(tài)足跡模型研究土地資源生態(tài)安全［19-20］，Zhang等開(kāi)展景觀生態(tài)學(xué)模型方面研究［21-22］；此外，將新方法和模型應(yīng)用于土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)之中，如正態(tài)云模型［23］，Double Land Ecological Security（DLES）方法［24］，突變模型［25］等。同時(shí)，隨“3S”技術(shù)發(fā)展，基于“3S”技術(shù)生態(tài)安全評(píng)價(jià)逐步發(fā)展［26-27］。土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)已成為土地生態(tài)安全研究重要內(nèi)容。

投影尋蹤是處理高維非線性、非正態(tài)數(shù)據(jù)有效統(tǒng)計(jì)方法，通過(guò)極大化或極小化反映數(shù)據(jù)聚類程度投影指標(biāo)，把高維數(shù)據(jù)投影到低維空間，投影后數(shù)據(jù)可以進(jìn)行分類或預(yù)測(cè)，找到高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征［28］。投影尋蹤方法中，投影指標(biāo)選擇是核心問(wèn)題。Friedman和Tukey提出以樣本投影值標(biāo)準(zhǔn)差和局部密度乘積作為投影指標(biāo)應(yīng)用，基本思想是投影點(diǎn)總體分散，局部聚集［29-31］。Friedman-Tukey投影指標(biāo)中，局部密度窗口半徑選擇是核心問(wèn)題。Friedman等采用R=0.1Sz，Sz為投影值標(biāo)準(zhǔn)差［31］；陳曜等規(guī)定R范圍R∈［rmax，2p］，rmax=max｛r（i，j）｝，p為待分類樣本維數(shù)［32］；張欣莉等提出R取常數(shù)方案［33］；樓文高等給出R范圍R∈［rmax/5，rmax/3］［34］。上述方案對(duì)于不同數(shù)據(jù)，確定半徑R會(huì)過(guò)大或過(guò)小，造成分類效果較差。

本文基于Friedman-Tukey投影指標(biāo)，針對(duì)投影數(shù)據(jù)，提出基于聚類思想窗口半徑確定方法，改進(jìn)投影尋蹤模型，將其應(yīng)用于黑龍江省13個(gè)地市土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)，確定各地市相對(duì)土地資源生態(tài)安全等級(jí)，以期為區(qū)域土地資源生態(tài)安全預(yù)警、調(diào)控、土地規(guī)劃管理及資源配置提供理論指導(dǎo)。

1　研究區(qū)域與研究方法

1.1區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

黑龍江省位于中國(guó)東北部，是我國(guó)緯度最高省份。北部和東部以黑龍江及烏蘇里江為界，與俄羅斯相望，西部與內(nèi)蒙古自治區(qū)毗鄰，南部與吉林省接壤；南北相距1 120 km，東西寬930 km。黑龍江省地勢(shì)大致西北部、北部和東南部較高，東北部、南部較低。氣候?qū)僦袦貛А⒑疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。區(qū)域總面積463 730 km2，其中耕地面積158 660 km2，林地面積218 370 km2，濕地面積86 700 km2，其中天然濕地面積55 600 km2，草地面積20 630 km2。區(qū)域內(nèi)有黑龍江、烏蘇里江、松花江、綏芬河四大水系，有興凱湖、鏡泊湖、連環(huán)湖和五大連池四處較大湖泊。區(qū)域概況見(jiàn)圖1。

黑龍江是農(nóng)業(yè)大省，耕地資源豐富，近年來(lái)，區(qū)域內(nèi)過(guò)度開(kāi)墾、采伐、放牧，農(nóng)藥化肥過(guò)量施用，耕地長(zhǎng)期重用輕養(yǎng)，土壤污染問(wèn)題嚴(yán)重，有機(jī)質(zhì)含量下降，地力減退；林地、濕地、草原面積逐漸減少，水土涵養(yǎng)能力下降，土地沙化鹽漬化現(xiàn)象嚴(yán)重，水土流失面積逐年增加；土地后備資源減少，土地生態(tài)功能減弱。

本文研究對(duì)象是黑龍江省13個(gè)地市，具體包括：哈爾濱市、齊齊哈爾市、雞西市、鶴崗市、雙鴨山市、大慶市、伊春市、佳木斯市、七臺(tái)河市、牡丹江市、黑河市、綏化市和大興安嶺地區(qū)。所涉及數(shù)據(jù)主要來(lái)自于黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒（2014）和黑龍江省農(nóng)墾年鑒（2014）；黑龍江省水利建設(shè)資料（2012）；相關(guān)部門官方網(wǎng)站。

圖1　黑龍江省區(qū)域概況Fig.1Regional map of the Heilongjiang Province

1.2Friedman-Tukey投影尋蹤模型及局部密度窗口半徑確定

1.2.1Friedman-Tukey投影尋蹤模型簡(jiǎn)介

Friedman與Tukey提出Friedman-Tukey投影指標(biāo)［31］，投影指標(biāo)函數(shù)為：

1.2.2已有局部密度窗口半徑確定方法不足

投影指標(biāo)中標(biāo)準(zhǔn)差Sz反映投影點(diǎn)數(shù)據(jù)分散程度，Sz越大則數(shù)據(jù)整體分散程度越大。局部窗口密度Dz反映投影點(diǎn)聚集程度，Dz中u（R-r（i，j））主要作用是篩選數(shù)據(jù)，投影尋蹤模型對(duì)窗口半徑要求：對(duì)于點(diǎn)團(tuán)內(nèi)投影點(diǎn)，應(yīng)R≥r（i，j），此時(shí)u（R-r（i，j））＝1，保留R-（ri，j），即保留點(diǎn)團(tuán)內(nèi)投影點(diǎn)信息；對(duì)于點(diǎn)團(tuán)與點(diǎn)團(tuán)之間，應(yīng)有R＜r（i，j），此時(shí)u（R-r（i，j））=0，即舍棄R-r（i，j），舍棄點(diǎn)團(tuán)間投影點(diǎn)信息?？梢?jiàn)R過(guò)大，過(guò)多投影點(diǎn)在一個(gè)點(diǎn)團(tuán)內(nèi)，分類效果不明顯；R過(guò)小，點(diǎn)團(tuán)內(nèi)投影點(diǎn)過(guò)少，點(diǎn)團(tuán)過(guò)多。

假定在某一方向下投影數(shù)據(jù)為z=｛0.8、0.9、1.0、1.1、1.2；1.8、1.9、2.0、2.1、2.2；2.8、2.9、3.0、3.1、3.2｝，顯然這組數(shù)據(jù)被分成3個(gè)點(diǎn)團(tuán)，z1=｛0.8、0.9、1.0、1.1、1.2｝，z2=｛1.8、1.9、2.0、2.1、2.2｝，z3=｛2.8、2.9、3.0、3.1、3.2｝，滿足點(diǎn)團(tuán)內(nèi)投影點(diǎn)距離小于點(diǎn)團(tuán)之間投影點(diǎn)距離，即點(diǎn)團(tuán)內(nèi)差異均小于點(diǎn)團(tuán)間差異。把上述數(shù)據(jù)作為測(cè)試數(shù)據(jù)。按照投影尋蹤模型對(duì)窗口半徑要求，R取值范圍R∈［0.4，0.6），此時(shí)對(duì)于點(diǎn)團(tuán)內(nèi)投影點(diǎn)滿足R≥r（i，j），對(duì)于點(diǎn)團(tuán)之間投影點(diǎn)滿足R＜r（i，j）。

①R=0.1Sz，Sz為投影值標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)，樣本間最小距離rmin（i，j）=0.1。計(jì)算得到樣本方差Sz=0.8577，R=0.1Sz=0.8577?［0.4，0.6）且R＜rmin（i，j），即對(duì)于任意r（i，j），有u（R-r（i，j））=0，此時(shí)，每個(gè)點(diǎn)團(tuán)內(nèi)僅一個(gè)樣本點(diǎn)，數(shù)據(jù)被分成15個(gè)點(diǎn)團(tuán)，并不合適。以上分析表明，對(duì)于某些特定數(shù)據(jù)，R=0.1Sz不能正確分類。

②R∈［rmax，2p］，rmax=max｛r（i，j）｝，p為待分類樣本維數(shù)。對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)，rmax=2.4，R＞rmax=2.4，則R?［0.4，0.6），可見(jiàn)窗口半徑過(guò)大，導(dǎo)致窗口過(guò)寬，所有樣本點(diǎn)集中在一個(gè)點(diǎn)團(tuán)內(nèi)。對(duì)于特定數(shù)據(jù)，R∈［rmax，2p］分類效果較差。

③R取常數(shù)方案不合適，由以上分析，可知R作用即篩選數(shù)據(jù)，對(duì)于不同數(shù)據(jù)R取值不同。對(duì)于一組特定數(shù)據(jù)，理論上應(yīng)存在最優(yōu)值，但該值無(wú)法預(yù)知。

④R∈［rmax/5，rmax/3］，R∈［rmax/5，rmax/3］=［0.48，0.8］，與最優(yōu)區(qū)間有交叉部分，未完全包含在最優(yōu)區(qū)間［0.4，0.6）。對(duì)于特定數(shù)據(jù)而言，區(qū)間過(guò)寬，分類結(jié)果未達(dá)到最優(yōu)。這種確定R方法不穩(wěn)定，易受個(gè)別極端值影響，當(dāng)個(gè)別極端值出現(xiàn)時(shí)，rmax會(huì)被無(wú)限擴(kuò)大，窗口半徑會(huì)無(wú)限變大，窗口過(guò)寬，分類效果不明顯。

1.2.3局部密度窗口半徑確定方法

分析發(fā)現(xiàn)，R應(yīng)大于或等于點(diǎn)團(tuán)內(nèi)部所有點(diǎn)與點(diǎn)間距離，另一方面R應(yīng)小于點(diǎn)團(tuán)與點(diǎn)團(tuán)之間所有點(diǎn)與點(diǎn)間距離，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選。在數(shù)據(jù)整體分散而局部聚集下，Sz和Dz同時(shí)達(dá)到極大。整體分散可以使Sz達(dá)到極大；整體分散、局部聚集可保證每一個(gè)點(diǎn)團(tuán)內(nèi)點(diǎn)盡可能聚集，點(diǎn)團(tuán)與點(diǎn)團(tuán)間盡量分散，因?yàn)辄c(diǎn)團(tuán)與點(diǎn)團(tuán)間點(diǎn)距離被舍棄，不影響Dz，Dz達(dá)到極大。為此，本文提出一種基于聚類思想局部密度窗口半徑確定方法，改進(jìn)投影尋蹤評(píng)價(jià)模型。

投影尋蹤模型把p維數(shù)據(jù)｛xij|j=1，2，…，p｝綜合成以a=｛a1，a2，a3，…，ap｝為投影方向一維投影值z(mì)i，即：

式中a-單位長(zhǎng)度向量。

在綜合投影指標(biāo)值時(shí)，要求投影值z(mì)i散布特征應(yīng)為：局部投影點(diǎn)盡可能密集，最好凝聚成若干個(gè)點(diǎn)團(tuán)，整體上點(diǎn)團(tuán)與點(diǎn)團(tuán)間盡可能散開(kāi)。定義投影指標(biāo)：

Q（a）=SzDz

各項(xiàng)符號(hào)意義同前。要求指標(biāo)值Q（a）越大越好，這是一個(gè)以a（jj=1，2，…，p）為優(yōu)化變量復(fù)雜非線性優(yōu)化問(wèn)題?？梢圆捎没趯?shí)數(shù)編碼遺傳算法RGA求解。

將n個(gè)樣本做K均值聚類，假定將n分成k類（點(diǎn)團(tuán)），每個(gè)點(diǎn)團(tuán)中含有樣本數(shù)為x1，x2，…，xk，且x1+x2+…+xk=n，r（i，j）表示投影點(diǎn)之間距離，即r（i，j）=|z（i）-z（j）|。降序排序，記為r（i，j）（k），k=1，2，…，n2，r（i，j）（k）為排序后序號(hào)為k個(gè)（ri，j）值，則

R=r（i，j）（p）

其中，p=∑xixj（1≤i，j≤k）。投影尋蹤模型對(duì)投影值局部密度要求是保留點(diǎn)團(tuán)內(nèi)距離r（i，j），去除點(diǎn)團(tuán)之間距離r（i，j）。即對(duì)于窗口半徑而言，要求點(diǎn)團(tuán)與點(diǎn)團(tuán)之間點(diǎn)保證R-r（i，j）＜0，即這些R-r（i，j）值不計(jì)入Dz中，具體個(gè)數(shù)為p=∑xixj（1≤i，j≤k），而對(duì)于點(diǎn)團(tuán)內(nèi)部點(diǎn)要保證R-r（i，j）≥0。點(diǎn)團(tuán)之間距離r（i，j）必定大于點(diǎn)團(tuán)內(nèi)距離r（i，j），將r（i，j）降序排序后，第p個(gè)值r（i，j）（p）即滿足要求。

1.3評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)體系構(gòu)建

土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇是區(qū)域土地資源生態(tài)安全重要內(nèi)容之一，評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇恰當(dāng)與否關(guān)系評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)劣。土地資源生態(tài)安全受到自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)等相關(guān)因素影響，在遵循可操作性、系統(tǒng)性、區(qū)域性等原則基礎(chǔ)上，結(jié)合文獻(xiàn)［1-2，4-5，20］，重點(diǎn)結(jié)合黑龍江省區(qū)域特色，從自然子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)三個(gè)方面選取16個(gè)指標(biāo)，見(jiàn)表1。結(jié)合國(guó)際、國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和黑龍江省區(qū)域特性，將所有指標(biāo)分成4個(gè)相對(duì)等級(jí)，等級(jí)越高，土地資源生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)越高，安全性越低。

本文將土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)分為正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)，正向指標(biāo)包括：森林覆蓋率（X1）、草地面積比例（X2）、濕地面積比例（X3）、水土協(xié)調(diào)度（X5），這些指標(biāo)越大表明區(qū)域涵養(yǎng)水源、保持水土能力越強(qiáng)，土地資源生態(tài)安全狀況越好；人均GDP（X6）、農(nóng)民人均純收入（X7）、環(huán)境投資比例（X10）、農(nóng)電集約度（X16），這些指標(biāo)值越大，表明區(qū)域抵御外來(lái)沖擊和壓力能力越強(qiáng)。負(fù)向指標(biāo)包括：水土流失面積比例（X4）、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重（X8）、單位耕地化肥負(fù)荷（X9）、人口密度（X11）、人口自然增長(zhǎng)率（X12）、農(nóng)業(yè)人口比重（X13）、城鎮(zhèn)化水平（X14）、單位土地廢水負(fù)荷（X15），這些值越大，表明區(qū)域土地受損情況越嚴(yán)重，承載壓力或沖擊力能力越差，生態(tài)安全狀況越差。

為解決量綱及數(shù)量級(jí)不同，將上述正向、逆向指標(biāo)作極差標(biāo)準(zhǔn)化［32-33］，標(biāo)準(zhǔn)化后從單個(gè)指標(biāo)上看，指標(biāo)越大，安全性越高。

表1　黑龍江省土地資源生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Table 1Evaluation indices and relative grades of land resource ecological security in the Heilongjiang Province

2　評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

2.1最佳投影方向及土地資源生態(tài)安全等級(jí)確定

2.2評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析

本文在Friedman-Tukey模型基礎(chǔ)上改進(jìn)窗口半徑確定方法，為從實(shí)例上說(shuō)明本方法有效性，將其與最常用窗口半徑R=0.1Sz對(duì)比，R=0.1Sz時(shí)Friedman-Tukey模型評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。

由評(píng)價(jià)結(jié)果可知，兩種窗口半徑確定方式得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果大致相同，說(shuō)明本文窗口半徑確定方法有效性。為定量分析兩組數(shù)據(jù)差異，采用W檢驗(yàn)分析兩組數(shù)據(jù)。

W檢驗(yàn)由夏皮羅和威爾克1965年提出［35］，主要用于小樣本（n≤50）時(shí)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)分布與正態(tài)分布差異，W值越小，與正態(tài)分布差異越大。投影尋蹤模型中較為成熟方法是利用數(shù)據(jù)分布與高斯分布差異定義投影指標(biāo)［31，36］，可用W值判斷最終結(jié)果。

W值具體計(jì)算過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)［35］，得到R=0.1Sz時(shí)W值為0.9419，采用本文窗口半徑確定方法W值為0.9317，可見(jiàn)本文得到結(jié)果與正態(tài)分布差異較大，結(jié)果相對(duì)優(yōu)良。

表2　黑龍江省土地資源生態(tài)安全性評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2Assessment results of land resource ecological security in the Heilongjiang Province

表3　 Friedman-Tukey 模型評(píng)價(jià)結(jié)果Table 3 Assessment results of Friedman-Tukey model

2.3黑龍江省土地資源生態(tài)安全空間差異分析

為了解不同指標(biāo)系統(tǒng)對(duì)土地資源生態(tài)安全影響，結(jié)合最佳投影方向，從自然子系統(tǒng)、經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)、社會(huì)子系統(tǒng)三個(gè)方面分別計(jì)算投影值。以自然子系統(tǒng)為例，將指標(biāo)X1，X2，X3，X4，X5歸一化后結(jié)合投影方向前五個(gè)分量（0.4847，0.2869，0.5807，0.1797，0.1681），計(jì)算自然子系統(tǒng)角度投影值，再根據(jù)相應(yīng)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，得到分界界點(diǎn)0.4012，0.6503，0.9042，從自然子系統(tǒng)角度評(píng)價(jià)結(jié)果，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)和社會(huì)子系統(tǒng)計(jì)算過(guò)程類似，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

為分析黑龍江省土地資源生態(tài)安全區(qū)域差異，利用ArcGis可視化功能，繪制黑龍江省土地資源生態(tài)安全空間差異分布圖，繪制自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)子系統(tǒng)下黑龍江省土地資源生態(tài)安全空間差異分布圖，見(jiàn)圖2?？傮w來(lái)看，黑龍江省土地資源生態(tài)安全等級(jí)為Ⅲ級(jí)。從各個(gè)子系統(tǒng)來(lái)看，自然子系統(tǒng)和社會(huì)子系統(tǒng)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。從自然因素來(lái)看，黑龍江省森林覆蓋率為45.70%，濕地面積比例為12.29%，高于全國(guó)平均水平24.83%，5.58%，表明黑龍江省自然狀況相對(duì)良好，土地資源生態(tài)安全基礎(chǔ)較好。從社會(huì)因素上看，黑龍江省人口密度、城鎮(zhèn)化水平較低，分別為81.08人·km-2，48.39%，低于全國(guó)平均水平141.74人·km-2，53.73%，對(duì)土地壓力較小。從經(jīng)濟(jì)因素上看，黑龍江省總體經(jīng)濟(jì)水平較低，人均GDP為38 058元，低于全國(guó)均值41 980元，經(jīng)濟(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)依賴較大，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重為17.50%，高于全國(guó)均值10%，對(duì)土地壓力較大。

從自然子系統(tǒng)角度來(lái)看，Ⅰ級(jí)地區(qū)包括大慶、大興安嶺、雙鴨山和伊春4個(gè)地區(qū)，Ⅳ級(jí)地區(qū)有哈爾濱、齊齊哈爾和七臺(tái)河，其余地區(qū)分別為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)。大興安嶺、伊春、雙鴨山森林覆蓋率均超過(guò)60%，伊春和大興安嶺更高達(dá)88.34%和81.23%，森林資源豐富，涵養(yǎng)水源和水土保持能較強(qiáng)。大興安嶺、大慶和雙鴨山濕地面積比例均超過(guò)20%，濕地具有抵御洪水、蓄洪防旱、控制污染、抵御土壤侵蝕等作用，對(duì)土地資源生態(tài)安全起到積極作用。但哈爾濱、齊齊哈爾、七臺(tái)河等地土地資源生態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)較高，這些地區(qū)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)同時(shí)，開(kāi)發(fā)耕地資源，對(duì)森林、草地等資源有不同程度破壞，影響區(qū)域土地資源生態(tài)安全。

由經(jīng)濟(jì)子系統(tǒng)可知，黑龍江經(jīng)濟(jì)總體欠發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)依賴程度較強(qiáng)，其中綏化、黑河、大興安嶺農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比重超過(guò)40%，土地過(guò)度開(kāi)墾和不合理利用導(dǎo)致水土流失問(wèn)題嚴(yán)重，土壤荒漠化現(xiàn)象日愈嚴(yán)重，威脅區(qū)域土地資源生態(tài)安全。此外，在追求經(jīng)濟(jì)發(fā)展同時(shí)，忽略區(qū)域生態(tài)建設(shè)，資源約束趨緊，土地資源生態(tài)系統(tǒng)遭到不同程度破壞。

由社會(huì)子系統(tǒng)可知，分布比較均衡，其中Ⅰ級(jí)城市有3個(gè)，Ⅱ級(jí)城市有4個(gè)，Ⅲ級(jí)城市有2個(gè)，Ⅳ城市有5個(gè)。除哈爾濱、齊齊哈爾、大慶和綏化外，其余地區(qū)人口密度均低于80人·km-2，對(duì)土地壓力較小，一定程度上起到保護(hù)耕地、森林等作用。在污染程度上，哈爾濱、大慶、齊齊哈爾單位土地廢水負(fù)荷較高，這些城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)較好，工業(yè)“三廢”排放量較大，對(duì)土地安全造成壓力。

表4　自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)子系統(tǒng)下評(píng)價(jià)結(jié)果Table 4Assessment results of Natural，Economic，Social subsystem

圖2　黑龍江省土地資源生態(tài)安全等級(jí)Fig.2Grades of land resources ecological security Heilongjiang Province

綜合所有因素，哈爾濱、齊齊哈爾、七臺(tái)河、綏化屬于Ⅳ級(jí)，土地資源安全狀況較差，主要原因是這些地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)，人口稠密，森林、草地、濕地面積比例較低、城鎮(zhèn)化水平較高。雞西、鶴崗、牡丹江屬于Ⅲ級(jí)，雙鴨山、黑河、佳木斯屬于Ⅱ級(jí)，這些地區(qū)總體上土地資源生態(tài)安全狀況適中，雖然一些指標(biāo)不佳，但是其他指標(biāo)表現(xiàn)較好恢復(fù)性。土地資源生態(tài)安全狀況良好的是大興安嶺、大慶和伊春，屬于第Ⅰ級(jí)。大慶草地面積、濕地面積比例明顯高于其他地區(qū)。大興安嶺和伊春森林覆蓋率較高，自然狀況較好，涵養(yǎng)水源、保持水土能力較高，且區(qū)域人口密度較低，地廣人稀，對(duì)土地壓力較小。黑龍江作為國(guó)家糧食基地，耕地面積和糧食產(chǎn)量均位于全國(guó)首位。然而，過(guò)度開(kāi)墾土地嚴(yán)重破壞區(qū)域土地生態(tài)，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)附加值不高，在經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)中處于弱勢(shì)地位，但作用不可或缺，所以在國(guó)家層面上應(yīng)考慮如何平衡和補(bǔ)償農(nóng)業(yè)，降低土地壓力，保護(hù)地方土地資源生態(tài)安全。從地方角度看，應(yīng)關(guān)注并解決環(huán)境投資較低、重耕輕養(yǎng)、土地質(zhì)量下降，破壞區(qū)域土地資源生態(tài)安全問(wèn)題。

3　結(jié)論

a.改進(jìn)模型中基于聚類思想窗口半徑確定方法，滿足投影尋蹤模型對(duì)窗口半徑要求。

b.本文窗口半徑確定方法和R=0.1Sz比較，W檢驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)模型優(yōu)于原模型。

c.從自然、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)子系統(tǒng)角度分別分析黑龍江省各地市土地資源生態(tài)安全狀況，結(jié)果表明黑龍江總體自然狀況良好，自然基礎(chǔ)較好，但黑龍江地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平較低，經(jīng)濟(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)依賴程度較高，土地壓力較大。個(gè)別地區(qū)如哈爾濱、齊齊哈爾、綏化等地土地資源生態(tài)安全狀況較差。

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AssessinglandresourceecologicalsecurityintheHeilongjiang Province based on improved projection pursuit model

PEI Wei,FU Qiang,LIU Dong,LI Tianxiao,CHENG Kun
(School of Water Conservancy and Architecture,Northeast Agricultural University,Harbin150030,China)

For the cutoff radius of Friedman-Tukey projection index was not easy determined,the shortcomings of the existing method for determining the cutoff radius were analyzed.For these shortcomings,the method of determining the cutoff radius based on clustering was proposed.This improved model was applied to assess land resource ecological security of 13 cities located in the Heilongjiang Province.Case analysis showed that the results of the improved model was better than the original model,the difference between the projected point distribution and normal distribution was even greater.Spatial difference analysis reveal that the ecological security of land resources in Harbin, Qigihar,Qitaihe,Suihua were poorer,belong to classⅣ.Jixi,Hegang,Mudanjiang,Heihe,Shuangyashan,Jiamusi belong to class III or II,the ecological security was moderate.The better regions of ecological security of land resources were Yichun,Daqing and Da Hinggan Mountains and belong to classⅠ.In addition,from the perspective of natural factors,most regions belonged to classⅠorⅡ,itshowed that the natural condition of Heilongjiang Province was better;From the perspective of economic factors,the economic situation of Heilongjiang Province was poor,and the ability to improve the ecological security of land resources was limited;From the perspective of social factors,the regional level distribution was more balanced,which showed that social factors were moderate and there was room for improvement.

projection pursuit;cutoff radius;clustering;land resources;ecological security; Heilongjiang

X826

A

1005-9369（2016）07-0092-09

2016-03-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（51479032，51279031，51579044）；黑龍江省自然科學(xué)基金（E201241）；黑龍江省高校長(zhǎng)江學(xué)者后備支持計(jì)劃項(xiàng)目；黑龍江省水利廳科技項(xiàng)目（201318，201503）；黑龍江省杰出青年基金（JC201402）

裴?。?985-），男，講師，博士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源風(fēng)險(xiǎn)分析。E-mail:nothing_pw@163.com

付強(qiáng)，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土資源系統(tǒng)分析、凍融土壤水熱作用機(jī)理。E-mail:fuqiang0629@126.com