基于主成分分析的長春市土地生態(tài)安全評價

孫藝寧 許嘉巍

摘要 結(jié)合長春市土地資源現(xiàn)狀和社會經(jīng)濟發(fā)展的實際情況，從自然、經(jīng)濟、社會3個方面共選取了15個因素作為評價指標(biāo)，采用主成分分析法，運用SPSS 22.0軟件，對2008—2014年長春市的土地生態(tài)安全狀況進行評價。結(jié)果表明，2008—2014年長春市的土地生態(tài)安全變化趨勢分為3個時期：2008—2009年為下降期；2009—2012年為迅速增長期；2012—2014年為平穩(wěn)上升期；總體呈現(xiàn)波動遞增的趨勢，土地生態(tài)環(huán)境安全狀況改善顯著，土地生態(tài)安全等級由極不安全的Ⅴ級轉(zhuǎn)變至理想安全的 Ⅰ 級，處于良好發(fā)展階段。

關(guān)鍵詞 土地生態(tài)安全；評價；主成分分析；長春市

中圖分類號 F301.2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）34-0207-04

Abstract Based on the present situation of land resources and the actual situation of social and economic development in Changchun City，this paper selected 15 factors as the evaluation indexes which are from the three aspects ： nature，economy and society.Land ecological security situation of Changchun City from 2008 to 2014 was analyzed by using the principal component analysis method.The results showed that the trend of land ecological security in Changchun City from 2008 to 2014 could be divided into three periods： 2008-2009 was the decline period； 2009 - 2012 was the rapid growth period； 2012-2014 was the steady rise period； overall the land ecological security situation of Changchun City was at the trend of increasing fluctuation from 2008 to 2014，and the land ecological security level changed from extremely unsafe gradeⅤ to ideal for safety grade I in a good stage of development.

Key words Land ecological security；Evaluation；Principal component analysis ； Changchun City

土地是社會經(jīng)濟-生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)，具有生產(chǎn)和生態(tài)雙重功能，是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]，其良好的生態(tài)安全狀態(tài)也是實現(xiàn)社會可持續(xù)發(fā)展的先決條件。然而近年來隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和工業(yè)化進程的加快，人地矛盾問題日益突出，出現(xiàn)了土壤污染、土地荒漠化、水土流失等一系列問題，致使土地生態(tài)安全受到威脅，人類社會的可持續(xù)發(fā)展受到制約。有關(guān)土地生態(tài)安全問題的研究迫在眉睫，引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。當(dāng)前，土地生態(tài)安全評價尚處于起步探索階段，評價尺度主要集中在由短期靜態(tài)到長期動態(tài)的時間尺度以及從地方到區(qū)域的空間尺度[2]；現(xiàn)有的評價方法多樣，主要為綜合指數(shù)評價法、物元分析方法、主成分分析法、生態(tài)足跡法以及基于PSR框架構(gòu)建土地生態(tài)安全評價模型等[3-7]。筆者結(jié)合國內(nèi)相關(guān)文獻及研究成果，采用主成分分析法，運用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件，對2008—2014年長春市的土地生態(tài)安全狀況進行評價，以期彌補長春市區(qū)域內(nèi)土地生態(tài)安全評價研究的不足，并為其土地資源的生態(tài)安全狀況建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

長春市是吉林省的省會，地理坐標(biāo)為124°18～127°05E、43°05～45°15N，居北半球中緯度北溫帶，位于歐亞大陸東岸中國東北平原腹地的松遼平原。地處東北經(jīng)濟區(qū)的中心地帶，交通發(fā)達，南北貫穿，與東北各大城市緊密連接，是全國重要的農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)基地和汽車工業(yè)城市。全市面積20 565 km2，中心建成區(qū)506.33 km2，市轄7區(qū)、3縣（市）。2014年末全市戶籍總?cè)丝?54.5萬，地區(qū)生產(chǎn)總值為5 342.4億元 。總體地勢東高西低、南高北低。地貌由臺地和平原組成，其中臺地占70%、平原占30%。氣候?qū)贉貛Т箨懶詠啙駶櫦撅L(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，干濕適中。年平均氣溫為4.9 ℃ ，降水主要集中在5—9月，年降水量為 567.0 mm，平均無霜期為157 d。年主導(dǎo)風(fēng)向為西南風(fēng)，冬季則西北風(fēng)較多。

1.2 研究方法

1.2.1 主成分分析原理。

主成分分析（PCA）也稱主分量分析或矩陣數(shù)據(jù)分析[8]，是一種重要的多元統(tǒng)計分析方法，常用于多指標(biāo)的綜合評價。通過對變量進行正交變換處理，把相關(guān)的變量轉(zhuǎn)換為若干個不相關(guān)的綜合指標(biāo)變量，從而對多維變量系統(tǒng)進行降維處理，使得問題得以簡化[9]。主成分分析提取出的較少的綜合指標(biāo)之間互不相關(guān)，卻能提供原有指標(biāo)的絕大部分信息，在保證研究精確度的前提下提高了研究效率。

1.2.2 指標(biāo)體系的建立。

評價指標(biāo)的確定是進行土地生態(tài)安全評價的關(guān)鍵性內(nèi)容，也是一項探索性很強的工作，它涉及到自然、經(jīng)濟和社會等諸多方面。因此，在遵循科學(xué)性、完整性、層次性、可比性等評價指標(biāo)選取原則的基礎(chǔ)上[5]，參照國內(nèi)相關(guān)研究[2-14]，并結(jié)合長春市資源環(huán)境、土地利用質(zhì)量、利用結(jié)構(gòu)以及社會經(jīng)濟發(fā)展等實際情況，共選取了15個因素作為評價指標(biāo)（表1），對長春市土地生態(tài)安全狀況進行研究。同時，根據(jù)各指標(biāo)對土地生態(tài)安全產(chǎn)生的影響，即土地的生態(tài)安全趨勢，將指標(biāo)劃分為2類：正向指標(biāo)和負向指標(biāo)[2]。正向指標(biāo)值越大，表示土地的生態(tài)安全狀況越好，利于對土地生態(tài)的改善；負向指標(biāo)值越大，表示土地生態(tài)安全狀況越差，不利于對土地生態(tài)的維護。

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

研究數(shù)據(jù)主要來源于《長春統(tǒng)計年鑒》（2009—2015）和《吉林統(tǒng)計年鑒》（2009—2015）[15-16]。該研究數(shù)據(jù)一部分可以直接從統(tǒng)計年鑒查得，另一部分由所查取的原始數(shù)據(jù)進行計算得出。在用SPSS 22.0對數(shù)據(jù)進行主成分分析之前，采用極差法對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理（表2），以此消除不同量綱之間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分因子的提取

運用SPSS 22.0軟件對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進行運算處理，得出相關(guān)系數(shù)矩陣，即計算原始指標(biāo)之間的相關(guān)性，以此判斷原始變量是否適合進行因子分析。所得出的相關(guān)系數(shù)矩陣中絕對值大于0.3的系數(shù)占60%以上，故認為適合進行主成分分析[5]。利用軟件對數(shù)據(jù)進行主成分分析，提取出4個主成分因子，各主成分Fi的特征值與貢獻率見表3。前4個主成分的初始方差貢獻率分別為48.826%、21.026%、16.050%、8.217%，累積方差貢獻率達94.119%，說明這4個因子已經(jīng)涵蓋了絕大部分的變量信息，剩余其他因子的信息載荷可以忽略不計[13]。

由軟件的輸出結(jié)果得到主成分的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣，即主要反映各個評價因子對每個主成分的貢獻率，其絕對值大小決定因子歸入的主成分[5]。從表4可以看出，F(xiàn)1所包含的因子較多，其中人均耕地面積、耕地面積比重、農(nóng)用化肥施用量、農(nóng)藥施用量等在F1中作用明顯，這些變量多為土地資源數(shù)量指標(biāo)與土地生態(tài)壓力指標(biāo)；水土協(xié)調(diào)度、糧食單產(chǎn)、森林覆蓋率等土地資源質(zhì)量指標(biāo)在F2中影響較大；城市化率、人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)比重等土地資源社會指標(biāo)在F3中載荷較大；人口自然增長率、人口密度等人口影響指標(biāo)在F4中作用明顯。

2.2 綜合主成分的計算

由軟件分析輸出的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣，得出主成分的特征向量，作為計算各個年份主成分值的權(quán)重，再結(jié)合表2中標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，由公式（1）計算出各年份的主成分值；根據(jù)表3中各主成分的方差貢獻率，將其作為計算各年份綜合主成分值的權(quán)重，再由公式（2）計算出各個年份的綜合主成分值，即2008—2014年長春市土地生態(tài)安全評價的綜合得分（表5）。

2.3 土地生態(tài)安全等級標(biāo)準(zhǔn)的確定

在土地生態(tài)系統(tǒng)安全綜合評價中，對土地生態(tài)系統(tǒng)安全等級標(biāo)準(zhǔn)的確定是一個較為復(fù)雜的過程。國內(nèi)目前還沒有統(tǒng)一的確定標(biāo)準(zhǔn)，不同地區(qū)的土地生態(tài)環(huán)境差異較大，不能一概而論。該研究在參考國內(nèi)相關(guān)研究和所得綜合評價結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合長春市土地資源的實際情況，劃定了長春市土地生態(tài)安全的等級標(biāo)準(zhǔn)（表6）。

綜合表5、6可以得出長春市2008—2014年土地生態(tài)安全水平等級（表7）：2008—2009年安全等級為Ⅴ級，處于極不安全水平；2010年安全等級為Ⅳ級，處于較不安全水平；2011年安全等級為 Ⅲ 級，處于臨界安全水平；2012—2013年安全等級為 Ⅱ 級，處于較安全水平；2014年安全等級為 Ⅰ 級，處于理想安全水平。

由表7可知，長春市的土地生態(tài)安全變化趨勢可分為3個時期：2008—2009年為下降期；2009—2012年為迅速增長期；2012—2014年為平穩(wěn)上升期。不同年份長春市的土地生態(tài)安全綜合值有所不同，跨度較大，表明評價期內(nèi)長春市的土地生態(tài)安全狀況發(fā)生了顯著變化。其中，2008和2009年土地生態(tài)安全綜合值較低，均為負值，處于極不安全的Ⅴ級；2008—2009年土地生態(tài)安全值有所下降，為這一階段的最低點，其主要原因在于人均水資源、水土協(xié)調(diào)度和森林覆蓋率等反映土地質(zhì)量狀態(tài)的正向指標(biāo)偏低，不利于土地資源的可持續(xù)利用，表明此期間長春市的土地生態(tài)狀況較差。2009—2012年土地生態(tài)安全值增長迅速，上升幅度較大，土地生態(tài)安全等級逐年提升，表明在此期間長春市的土地生態(tài)安全狀況改善顯著，其原因主要在于人均耕地、耕地面積比重等土地資源數(shù)量的正向指標(biāo)的增加，農(nóng)業(yè)發(fā)展良好，耕地保有量攀升；同時人口增長率和人口密度的下降對土地生態(tài)系統(tǒng)的承載和供給壓力有所緩解。2012—2014年土地生態(tài)安全值平穩(wěn)上升，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展、人們對生態(tài)環(huán)境問題的日漸重視和政府對于環(huán)境治理的投入，人均GDP、環(huán)保投資占GDP比重等正向指標(biāo)不斷增加，土地生態(tài)環(huán)境問題得到逐步改善，2014年土地生態(tài)安全綜合值已漲至0.9169，達到理想安全的 Ⅰ 級，表明土地生態(tài)狀況較為良好?？偟膩碚f，2008—2014年長春市的土地生態(tài)安全狀況總體上處于波動性上升、2009年后持續(xù)好轉(zhuǎn)的趨勢。

3 結(jié)論與討論

（1）對2008—2014年長春市土地生態(tài)安全評價的實證分析表明，運用主成分分析法能夠很好地消除重復(fù)信息，對多維指標(biāo)變量系統(tǒng)進行降維處理，得出能夠反映土地生態(tài)安全水平的綜合指標(biāo)，同時以不同主成分因子的特征向量和貢獻率來確定指標(biāo)權(quán)重，避免了人為賦值法的主觀臆斷性，在一定程度上提高了綜合評價的質(zhì)量，在保證研究精確度的前提下提高了研究效率?；谥鞒煞址治龇軌?qū)崿F(xiàn)對土地生態(tài)安全水平的綜合評價。

（2）研究結(jié)果表明，2008—2014年長春市的土地生態(tài)安全變化趨勢分為3個時期：2008—2009年為下降期；2009—2012年為迅速增長期；2012—2014年為平穩(wěn)上升期；總體呈現(xiàn)波動遞增的趨勢，土地生態(tài)環(huán)境安全狀況改善顯著，土地生態(tài)安全等級由極不安全的Ⅴ級轉(zhuǎn)變至理想安全的 Ⅰ 級，處于良好發(fā)展階段。人均耕地面積的富足，社會經(jīng)濟發(fā)展水平的提高，環(huán)保投資力度的增強是長春市土地生態(tài)安全狀況改善的主要因素；同時，化肥和農(nóng)藥施用量的增加造成了土地污染的加重，對長春市土地生態(tài)安全的健康發(fā)展有所制約。

（3）在今后長春市土地資源可持續(xù)利用的進程中，土地利用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和土地利用質(zhì)量的提高是土地資源健康發(fā)展的重要方向。政府應(yīng)不斷優(yōu)化區(qū)域產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加大農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的投資，引進新型科技和技術(shù)型人才，鼓勵發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，引導(dǎo)規(guī)范土地利用活動。與此同時，政府還需制定并實行有效的人口政策，以防人口增長過快帶來的土地承載壓力；加大環(huán)境保護宣傳和投資力度，提高人們的生態(tài)環(huán)境保護意識。

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