生態(tài)環(huán)境因子分析原理及實例

劉紀(jì)昕+韓樂濰

（1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺研究院 山東省煙臺市 264670 2青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院 266000 山東省青島市）

摘要：本文選取了山東省1981—2015年環(huán)境污染數(shù)據(jù)，通過KMO檢驗和Bartlett球形檢驗，確認(rèn)數(shù)據(jù)可以做因子分析之后，本文運用因子分析的方法構(gòu)建因子—“綜合環(huán)境指標(biāo)”，求出每一年的綜合環(huán)境指標(biāo)并進(jìn)一步分析綜合環(huán)境指標(biāo)。

1引言

1.1研究背景

人類社會的發(fā)展進(jìn)入后工業(yè)時代，在不斷尋找新的經(jīng)濟(jì)增長點的同時，不斷經(jīng)受著環(huán)境、資源約束的考驗。如何這種情況下走一條可持續(xù)發(fā)展道路，是現(xiàn)如今國內(nèi)外學(xué)者積極探尋的熱點問題。當(dāng)前，不論是國內(nèi)還是國外的相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者，關(guān)于可持續(xù)發(fā)展評價指標(biāo)體系與評價方法、戰(zhàn)略環(huán)境評價、環(huán)境影響評價機(jī)制和方法、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價指標(biāo)及評價方法以及資源環(huán)境價值的確定等方面都有一定程度的研究。其中，生態(tài)環(huán)境如何評價的問題是當(dāng)前比較迫切也比較棘手的問題，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究和探討。

1.2國內(nèi)外研究綜述

在生態(tài)環(huán)境定量評價方面有一個方向比較受到學(xué)者關(guān)注，那就是通過計算環(huán)境脆弱度對生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量進(jìn)行評價。史德明（2002）等在分析自然和人為影響因素的基礎(chǔ)上，制定了脆弱生態(tài)環(huán)境評級指標(biāo)，并建立了確定脆弱生態(tài)環(huán)境等級總分值的計算公式，并對不同脆弱生態(tài)環(huán)境提出針對性的保護(hù)措施和利用意見，特別強調(diào)了西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的特點，在開發(fā)中必須注意生態(tài)安全問題。劉文泉（2002）等在分析了中國黃土高原地區(qū)的基本情況和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對氣候變化的響應(yīng)后，確定了黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣候脆弱性評估方案，并通過多種方法確定了各個因子的權(quán)重系數(shù)，最后計算了1990年、1997年和未來50年氣候變化情景下的氣候脆弱度。郝永紅等（2002）將灰色系統(tǒng)的評價方法引入?yún)^(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價中，將評價指標(biāo)值分為高、中、低3類，首先計算出評價對象隸屬于各指標(biāo)類別的權(quán)系數(shù)，再將各評價指標(biāo)同類別的權(quán)系數(shù)加權(quán)疊加，得到評價對象的綜合權(quán)系數(shù)矩陣，在此基礎(chǔ)上運用三角坐標(biāo)圖對評價對象進(jìn)行綜合評價和分類，提高了評價的準(zhǔn)確性，并應(yīng)用該方法對中國區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評價，取得了良好的效果。王金葉等（2006）采用模糊綜合評價方法對廣西生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評價，結(jié)果表明廣西生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為中等，處在好與差的臨界狀態(tài)；工業(yè)企業(yè)的廢水、廢氣排放和森林植被減少是影響環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因子。

通過將評價指標(biāo)項目的實際檢測結(jié)果與確定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而開展生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量評價是另一種簡單易行的方法。李鋒（1997）在對荒漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)評價分析的基礎(chǔ)上，提出了荒漠化監(jiān)測中生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟(jì)綜合評價指標(biāo)體系及評價標(biāo)準(zhǔn)，利用計算評價指標(biāo)與評價標(biāo)準(zhǔn)之間歐氏距離的方法建立了評價模型，并以寧夏自治區(qū)作為試點區(qū)域，對評價指標(biāo)體系和評價方法進(jìn)行了驗證。生態(tài)環(huán)境的綜合評價是區(qū)域資源合理開發(fā)利用、制定區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)對策的重要依據(jù)。吳開亞等（2003）建立了3層23個指標(biāo)，確定了標(biāo)準(zhǔn)值。提出灰色關(guān)聯(lián)投影模型法，只需將樣本投影值與評價標(biāo)準(zhǔn)投影值比較，即可確定出樣本所屬環(huán)境質(zhì)量級別。同時，依據(jù)樣本間投影值大小，可以很方便地對樣本進(jìn)行優(yōu)劣排序。秦子晗等（2006）對四川省生態(tài)環(huán)境做了基于AHP和GIS的評價，運用AHP法對各縣市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了評價和等級劃分，把劃分結(jié)果輸出到GIS系統(tǒng)中。鄭樂平等（2009）在對國外水生態(tài)環(huán)境評價發(fā)展進(jìn)行回顧的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國水生態(tài)環(huán)境評價中存在的不足，提出我國水生態(tài)環(huán)境評價中應(yīng)注意的相關(guān)問題：首先，只有先確定各水生態(tài)區(qū)域類型及其性征之后，才能從不同的起點出發(fā)進(jìn)行評價；其次，評價標(biāo)準(zhǔn)是對各類型水體進(jìn)行評價的參考條件，在原則上，應(yīng)堅持原生態(tài)思想；最后，評價指標(biāo)是評價工作的核心。

2相關(guān)理論基礎(chǔ)

2.1相關(guān)定義

整體研究是利用因子分析的方法得出的，這里對因子分析有一定的解釋：

因子分析是由Charles Spearman于1904年首次提出的，是通過對變量之間關(guān)系的研究，找出能綜合原始變量的少數(shù)幾個因子，使得少數(shù)因子能夠反映原始變量的絕大部分信息，然后根據(jù)相關(guān)性的大小將原始變量分組，使得組內(nèi)的變量之間相關(guān)性較高，而不同組的變量之間相關(guān)性較低。因此，因子分析屬于多元統(tǒng)計中處理降維的一種統(tǒng)計方法，其目的就是要減少變量的個數(shù)，用少數(shù)因子代表多個原始變量。

根據(jù)山東統(tǒng)計年鑒讀取的數(shù)據(jù)，在分析時使用到了山東省的環(huán)境污染相關(guān)數(shù)據(jù)，對此有如下定義：

二氧化硫排放量 指報告期內(nèi)企業(yè)在燃料燃燒和生產(chǎn)工藝過程中排入大氣的二氧化硫總質(zhì)量。工業(yè)中二氧化硫主要來源于化石燃料（煤、石油等）的燃燒，還包括含硫礦石的冶煉或含硫酸、磷肥等生產(chǎn)的工業(yè)廢氣排放。

氮氧化物排放量 指報告期內(nèi)企業(yè)在燃料燃燒和生產(chǎn)工藝過程中排入大氣的氮氧化物總質(zhì)量。

煙（粉）塵排放量 指報告期內(nèi)企業(yè)在燃料燃燒和生產(chǎn)工藝過程中排入大氣的煙塵及工業(yè)粉塵的總質(zhì)量之和。煙塵或工業(yè)粉塵排放量可以通過除塵系統(tǒng)的排風(fēng)量和除塵設(shè)備出口煙塵濃度相乘求得。

一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量 指未被列入《國家危險廢物名錄》或者根據(jù)國家規(guī)定的危險廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)（GB5085）、固體廢物浸出毒性浸出方法（GB5086）及固體廢物浸出毒性測定方法（GB/T 15555）鑒別方法判定不具有危險特性的工業(yè)固體廢物。

一般工業(yè)固體廢物綜合利用量 指報告期內(nèi)企業(yè)通過回收、加工、循環(huán)、交換等方式，從固體廢物中提取或者使其轉(zhuǎn)化為可以利用的資源、能源和其他原材料的固體廢物量（包括當(dāng)年利用的往年工業(yè)固體廢物累計貯存量）。如用作農(nóng)業(yè)肥料、生產(chǎn)建筑材料、筑路等。綜合利用量由原產(chǎn)生固體廢物的單位統(tǒng)計。

2.2研究路線

由于因子分析要求樣本的個數(shù)足夠多，且用于因子分析的變量必須是相關(guān)的，為了計算各變量之間的相關(guān)矩陣，觀察各相關(guān)系數(shù)，首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin檢驗（簡稱KMO檢驗）和Bartlett球度檢驗。

KMO檢驗量用于檢驗變量間的偏相關(guān)性是否足夠小，是簡單相關(guān)量和偏相關(guān)量的一個相對指標(biāo)，由下式求得：

式中，為兩變量間的簡單相關(guān)系數(shù)，為兩變量間的偏相關(guān)系數(shù)。KMO統(tǒng)計量的取值在0—1之間，統(tǒng)計量越接近1，變量間的偏相關(guān)性越強，因子分析的效果越好。KMO統(tǒng)計量在0.7以上時，因子分析效果較好，在0.5以下時，因子分析效果很差。

Bartlett球形檢驗以變量的相關(guān)系數(shù)矩陣為基礎(chǔ)，假設(shè)相關(guān)系數(shù)矩陣是單位陣（對角線元素不為0，非對角線元素均為0）。如果相關(guān)矩陣是單位陣，則各變量是獨立的，無法進(jìn)行因子分析。

3構(gòu)建模型與結(jié)論分析

由于選取的環(huán)境指標(biāo)可能會存在相關(guān)性，也為了能用一個綜合的指標(biāo)反映山東省的環(huán)境污染情況，我選擇運用因子分析的方法處理所選擇的環(huán)境指標(biāo)，期望獲得一個綜合的指標(biāo)，并將其命名為“綜合環(huán)境指標(biāo)”。

首先對環(huán)境各項指標(biāo)進(jìn)行了KMO檢驗和Bartlett球形檢驗。

由表一可觀察到，KMO統(tǒng)計量為0.682，接近于0.7，可以做因子分析。Bartlett球形檢驗的卡方值為381.860，P值小于0.05，達(dá)到顯著性水平，表明相關(guān)系數(shù)矩陣不是單位陣，各環(huán)境污染變量間有共同因素存在，適合做因子分析。

“提取和載入”部分是提取的兩個公因子對原始變量方差的解釋情況，兩個因子共解釋了89.402%，通常情況下，累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到80%就可以了，由此可知，選取的兩個公因子效果理想。

由表二觀察可得，第一個因子與“廢水排放量”、 “煙粉塵排放量”、 “氮氧化物排放量”、“工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量”的載荷系數(shù)較大，第二個因子與“工業(yè)固體廢物綜合利用量”、 “工業(yè)廢水排放量”、 “二氧化硫排放量”的載荷系數(shù)較大。

由表三可以將公因子表示為各變量的線性組合。得到因子得分函數(shù)：

F1=-0.269X1 + 0.001X2 - 0.174X3 + 0.208X4 + 0.284X5 + 0.243X6 + 0.025X7

F2=-0.055X1 + 0.358X2 + 0.150X3 + 0.322X4+0.089X5- 0.020X6+ 0.393X7

上式中的Xi為標(biāo)準(zhǔn)化變量。根據(jù)這一表達(dá)式便可以計算1981—2015年每年對應(yīng)的第一個因子和第二個因子的得分，從而算出之前命名的“綜合環(huán)境指數(shù)”，利用以下公式：

即F=

=0.654F1 + 0.346F2

結(jié)果如圖

1981～1995年間，環(huán)境污染持續(xù)上升，到2000年有突然好轉(zhuǎn)，達(dá)到0以下，但是自2000至今又持續(xù)上升。

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