基于主成分分析的呼和浩特市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)

侯林春++王瑛璇

摘要：根據(jù)呼和浩特市土地生態(tài)資源現(xiàn)狀，從自然、資源環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)三個(gè)方面選取了20個(gè)指標(biāo)，構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。采用主成分分析法對(duì)2009～2015年呼和浩特市土地生態(tài)安全進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，2009～2015年呼和浩特市土地生態(tài)安全狀況是逐年走低的。人均GDP、人均公共綠化面積、工業(yè)產(chǎn)業(yè)比重及農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)資料價(jià)格指數(shù)等因子是影響呼和浩特土地生態(tài)安全的關(guān)鍵因素，保護(hù)農(nóng)牧區(qū)土地質(zhì)量、防治土地退化是保護(hù)土地生態(tài)安全的根本。

關(guān)鍵詞：土地生態(tài)安全；主成分分析；因子；呼和浩特市

中圖分類號(hào)：K903 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）09-1796-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.09.049

Evaluation on Land Ecological Security in Hohhot

Based on Principal Component Analysis

HOU Lin-chun， WANG Ying-xuan

（School of Public Administration， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

Abstract： Based on the status of land ecological resources in Hohhot，20 indexes covering nature，resource environment，economy and society were selected and the evaluation index system was established. With the principal component analysis，the land ecological security of Hohhot from 2009 to 2015 was analyzed. The results showed that the land ecological security of Hohhot was declining year by year in 2009-2015. Besides，per capital GDP and public green area，the proportion of industry and the price index of agricultural and animal husbandry production materials were the key factors influencing the land ecological security of Hohhot. The key for protection of the land ecological security may lie in the protection of land quality and prevention of land degradation in farming and stock-breeding areas.

Key words： land ecological security； principal component； factor； countermeasures； Hohhot

土地生態(tài)安全是一個(gè)國家或地區(qū)土地生態(tài)環(huán)境資源在當(dāng)下資源和生態(tài)環(huán)境下能夠保持良好的狀態(tài)，是生態(tài)安全的重要組成部分，關(guān)系到一個(gè)區(qū)域整體生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[1]。近年來，水土流失、土地沙化、鹽漬化、草場退化、沙塵暴肆虐等土地生態(tài)問題日益嚴(yán)重，直接對(duì)中國土地生態(tài)安全產(chǎn)生了較大的威脅[2]。

中國土地生態(tài)安全的研究，作為生態(tài)安全研究的重要組成部分，始于20世紀(jì)90年代，目前仍處于起步階段。對(duì)于土地生態(tài)安全的研究有多種方法，如孫奇奇等[1]運(yùn)用主成分分析法對(duì)哈爾濱市土地生態(tài)安全進(jìn)行過細(xì)致的研究；黃輝玲等[3]采取物元分析法對(duì)河北省的土地生態(tài)安全狀況做了全面的研究評(píng)價(jià)。除此之外還有學(xué)者采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[4]、生態(tài)足跡[5]等研究方法對(duì)土地生態(tài)安全開展過研究。

呼和浩特市地處中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶，此前，有學(xué)者對(duì)農(nóng)牧交錯(cuò)帶區(qū)域的土地利用變化及景觀生態(tài)功能等做過相關(guān)研究[2，7-9]。本研究運(yùn)用SPSS19.0軟件，采用主成分分析法對(duì)呼和浩特市土地生態(tài)安全進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)研究，找出影響呼和浩特市土地生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的因子，并提出意見與建議。

1 研究區(qū)域概況

呼和浩特市是內(nèi)蒙古自治區(qū)省會(huì)，地處內(nèi)蒙古自治區(qū)中部大青山南側(cè)，西與包頭市、鄂爾多斯市接壤，東鄰烏蘭察布市，南抵山西省。全市總面積17 224 km2。位于東經(jīng)110°46′-112°10′，北緯40°51′-41°8′，是聯(lián)接黃河經(jīng)濟(jì)帶、亞歐大陸橋、環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)域的重要橋梁，是中國向蒙古國、俄羅斯開放的重要沿邊開放中心城市，也是東部地區(qū)連接西北、華北的橋頭堡。是內(nèi)蒙古政治、經(jīng)濟(jì)、文化、科教和金融中心，國家歷史文化名城、國家森林城市、國家創(chuàng)新型試點(diǎn)城市等，被稱為中國乳都，同時(shí)也是“呼包銀”城市群中的核心城市，“呼包鄂”城市群中的中心城市。

近年來，由于“重農(nóng)輕牧”政策導(dǎo)向、獨(dú)特的農(nóng)業(yè)文化影響以及重生產(chǎn)輕生態(tài)實(shí)踐觀的三重影響，草場退化、沙塵暴日益嚴(yán)重，呼和浩特市土地生態(tài)安全面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)[2]。

2 指標(biāo)體系的建立與數(shù)據(jù)處理

2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定是研究土地生態(tài)安全的關(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。根據(jù)土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)選取科學(xué)性與完整性的要求，采用delphi法對(duì)因子進(jìn)行篩選，剔除對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果無效的因子，立足于可持續(xù)性和生態(tài)性的發(fā)展思維并結(jié)合呼和浩特市土地生態(tài)安全現(xiàn)狀，參考國內(nèi)外研究成果，從自然、資源與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)3個(gè)層面構(gòu)建了20個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)（表1）。

2.2 數(shù)據(jù)處理

1）求出各變量的算術(shù)平均值xi和標(biāo)準(zhǔn)差si。

2）根據(jù)以下公式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，

zij=xij-xi（式中，zij為標(biāo)準(zhǔn)化后的變量值，xij為實(shí)際變量）。 （1）

3）將逆指標(biāo)前的正負(fù)號(hào)對(duì)調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)化后的變量值圍繞0上下波動(dòng)，大于0說明高于平均指標(biāo)水平。

4）標(biāo)準(zhǔn)化后將正負(fù)指標(biāo)的正負(fù)號(hào)對(duì)調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)化矩陣見表2。

3 主成分分析

將標(biāo)準(zhǔn)化矩陣（表2）導(dǎo)入SPSS 19.0，進(jìn)行主成分分析，得出主成分的公因子方差、解釋的總方差以及成分矩陣，從而得出主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和方差累積貢獻(xiàn)率。

統(tǒng)計(jì)學(xué)認(rèn)為，一般主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到85%以上就可保留有效信息。方差貢獻(xiàn)率的大小代表各個(gè)主成分的依次重要程度，是衡量各因子重要程度的評(píng)價(jià)因子。此評(píng)價(jià)中，前3個(gè)主成分F1、F2、F3分別對(duì)應(yīng)的原始信息的能力為74.787%，12.652%和7.250%，3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到94.689%（表3）。說明這3個(gè)主成分對(duì)20組數(shù)據(jù)的覆蓋率基本都在90%以上，具有很大的可信度。

主成分確定后，按照各個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率的權(quán)重，構(gòu)造出綜合評(píng)價(jià)函數(shù)。在降維分析中，各因子的貢獻(xiàn)率分別將各個(gè)因子歸于3個(gè)主成分中，分析后得到的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣（表4）則反映了各因子的貢獻(xiàn)率大小，因子的貢獻(xiàn)率絕對(duì)值（可看到負(fù)數(shù)情況）則決定了因子歸入的主成分?？梢钥吹?，第一個(gè)主成分方差的貢獻(xiàn)率高達(dá)74.787%，所包含的因子較多，包括人均GDP、人均公共綠化（林、草、牧）面積、環(huán)境保護(hù)投資比重等因子，第二主成分中包括農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)資料價(jià)格指數(shù)、工業(yè)廢物排放總量等，第三主成分包括工業(yè)產(chǎn)業(yè)比重、農(nóng)牧經(jīng)濟(jì)效益比重等因子等。

由表4可知，3個(gè)主成分及其各指標(biāo)變量在主成分中所占權(quán)重。

Fij=pij×mi （2）

式（2）中，F(xiàn)ij是第j年第i個(gè)主成分，pij是第j年第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的標(biāo)準(zhǔn)化值，mi是第i個(gè)評(píng)價(jià)因子所得出的矩陣系數(shù)。

采用式（2）得出各年份的主成分值后，根據(jù)分析得出旋轉(zhuǎn)后主要成分方差貢獻(xiàn)率，選取各主成分的方差貢獻(xiàn)率作為各年份生態(tài)安全的權(quán)重。

Fj=■Fij·ki （3）

式（3）中，F(xiàn)j為第j年的生態(tài)安全值，F(xiàn)ij為第j年的第i個(gè)主成分，k表示各個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率。其中，在本研究中，i為1～3的整數(shù)，j為1～7的整數(shù)。

根據(jù)式（3），計(jì)算得出各年份生態(tài)安全指數(shù)，見表5及圖1。

4 結(jié)果與分析

人均GDP、人均公共綠化（林、草、牧）面積作為主成分F1的高比例因子，呈現(xiàn)出來的是一個(gè)積極的走勢(shì)，可以看出此類因子是推動(dòng)土地生態(tài)安全正向發(fā)展的。但耕地人均持有量是一個(gè)負(fù)相關(guān)的走勢(shì)，人多地少，耕地環(huán)境質(zhì)量下降是一個(gè)嚴(yán)重的問題。近6年來，該指標(biāo)因子表現(xiàn)出來的負(fù)相關(guān)指數(shù)并不是很大，因此在一定期限內(nèi)做出一個(gè)恢復(fù)性調(diào)整是可以實(shí)現(xiàn)的。由于第一個(gè)主成分可以涵蓋絕大部分的指標(biāo)因子，所以安全指數(shù)遞減的總體效應(yīng)形成。

主成分F2中，農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)資料價(jià)格指數(shù)占有最大的比重，由表1可知它的安全趨向是平，正如F2各年份的計(jì)算數(shù)值偏離程度不大，基本都在0左右波動(dòng)。另外，工業(yè)廢物排放總量也是F2的主成分之一，這項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值是逐年升高的，對(duì)呼和浩特市的土地生態(tài)安全起到了負(fù)向拉動(dòng)的不良效應(yīng)。

主成分F3中，工業(yè)產(chǎn)業(yè)比重、農(nóng)藥施用量等因子占有較大比重。呼和浩特是位于中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶上一個(gè)重要的城市，由農(nóng)業(yè)和牧業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)收益近年來所占比重逐年下降，而由工業(yè)增長帶來的環(huán)境污染的治理情況卻并不理想，因此結(jié)合呼和浩特市自身特點(diǎn)，這是對(duì)土地生態(tài)安全較為不利的一面。如何把握住北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶中心城市的牧業(yè)特色并盡可能減少由工業(yè)污染帶來的損害是呼和浩特市可持續(xù)發(fā)展面臨的重要內(nèi)容。綜合各相關(guān)因子，F(xiàn)3的計(jì)算數(shù)值也在0上下波動(dòng)。

5 結(jié)論與討論

2009～2015年七年呼和浩特市土地生態(tài)安全呈現(xiàn)走低的趨勢(shì)，這與全球范圍內(nèi)的氣候環(huán)境與生態(tài)安全的走勢(shì)是一致的。在土地生態(tài)安全的各項(xiàng)指標(biāo)中，自然因素的正向和負(fù)向與安全趨勢(shì)的走向基本一致；資源與環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)因素內(nèi)包含的指標(biāo)因子對(duì)研究區(qū)域的土地生態(tài)安全所構(gòu)成的影響較大。對(duì)比計(jì)算出的數(shù)據(jù)，分析其重要程度，以此來更好地評(píng)價(jià)呼和浩特市2009～2015年土地生態(tài)安全趨勢(shì)。

1）七年間呼和浩特市市區(qū)面積是不斷增大的，但由于人口增長的速度略大于市區(qū)面積的擴(kuò)張，導(dǎo)致市區(qū)人口密度增長率略大于市區(qū)面積增長率，對(duì)市區(qū)的生存環(huán)境和就業(yè)都產(chǎn)生了一定的壓力。然而呼和浩特市位于中國中西部地區(qū)，相對(duì)東部沿海和中部中心城市的人口數(shù)量和人口壓力還是小很多的，因此在未來的一段時(shí)間內(nèi)，由人口帶來的壓力問題不會(huì)成為主要問題。

2）人均GDP常作為發(fā)展經(jīng)濟(jì)學(xué)中衡量經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的指標(biāo)，是重要的宏觀經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，是人們了解和把握一個(gè)國家或地區(qū)的宏觀經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況的有效工具。單位GDP能耗又叫萬元GDP能耗，是反映能源消費(fèi)水平和節(jié)能降耗狀況的主要指標(biāo)。

呼和浩特市國民生產(chǎn)總值不斷上升，而第一產(chǎn)業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)效益的比率遞減，第三產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益遞增。隨著國民生活質(zhì)量的不斷提高，結(jié)合呼和浩特市獨(dú)特的區(qū)位特點(diǎn)，牧業(yè)生產(chǎn)所帶來的經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)該是正相關(guān)走勢(shì)，但計(jì)算結(jié)果顯示出負(fù)相關(guān)，這在一定程度上反映了牧區(qū)草場退化、牧區(qū)土地沙化鹽堿化等土地問題。在解決產(chǎn)量及收益的問題上，保護(hù)牧區(qū)土地質(zhì)量，防治土地退化是關(guān)鍵。

3）合理施用化肥是保證農(nóng)業(yè)增收的關(guān)鍵。呼和浩特市2009～2015年化肥施用量依次為76 879 t、83 244 t、82 328 t、86 149 t、91 840 t。這七年來，化肥施用量年均增長2.8%，在呼和浩特市部分地區(qū)的作物種植上出現(xiàn)了超量施用的現(xiàn)象。如何將數(shù)量更少、種類更多的化肥更有效地施用在農(nóng)田耕地上，在保護(hù)耕地質(zhì)量的前提下促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)增產(chǎn)增收是可持續(xù)發(fā)展應(yīng)該選擇的路徑之一。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫奇奇，宋 戈，齊美玲.基于主成分分析的哈爾濱市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)[J].水土保持研究，2012，19（1）：235-238.

[2] 何立環(huán)，董貴華，王偉民，等.中國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶2000-2010年生態(tài)環(huán)境狀況分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2014，30（5）：63-68.

[3] 黃輝玲，羅文斌，吳次芳，等.基于物元分析的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（3）：316-322.

[4] 李明月，賴笑娟.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的城市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)——以廣州市為例[J].經(jīng)濟(jì)地理，2011，31（2）：289-293.

[5] 黃 海，劉長城，陳 春.基于生態(tài)足跡的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)研究[J].水土保持研究，2013，20（1）：193-201.

[6] 王 鵬，況福民，鄧育武，等.基于主成分分析的衡陽市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)[J].經(jīng)濟(jì)地理，2015，35（1）：168-172.

[7] 馬 瑛.北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用生態(tài)安全評(píng)價(jià)[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2007，21（7）：53-58.

[8] 楊 結(jié)，朱云峰，李昭陽，等.東北農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地生態(tài)環(huán)境安全指標(biāo)體系的建立與綜合評(píng)價(jià)——以鎮(zhèn)賚縣為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20（1）：119-124.

[9] 楊述河，閆海利，郭麗英.北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶土地利用變化及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)——以陜北榆林市為例[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2004，23（6）：49-55.

[10] 楊彩云，趙艷麗，蘇利軍.近40年呼和浩特沙塵天氣氣候特征研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2014，28（1）：121-125.

[11] 余 健，房 莉，倉定幫，等.熵權(quán)模糊物元模型在土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（5）：260-266.

[12] 馮紅燕，譚永忠，王慶日，等.中國土地利用分區(qū)研究綜述[J].中國土地科學(xué)，2010，24（8）：71-76.

[13] 崔勝輝，洪華生，黃云鳳，等.生態(tài)安全研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，25（4）：861-868.

[14] 杜忠潮，韓申山.基于主成分分析的土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)實(shí)證研究：以陜西省10個(gè)省轄市為例[J].水土保持通報(bào)，2009，29（6）：198-207.

[15] 董貴華，何立環(huán)，劉海江，等.生態(tài)系統(tǒng)管理中生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的關(guān)鍵問題[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2013，29（2）：41-45.