基于主成分分析的安陽市土地生態(tài)安全評價(jià)

張志高 袁征 丁浩

摘要 為了探求安陽市土地生態(tài)安全狀況，運(yùn)用主成分分析方法，選取12個指標(biāo)建立安陽市土地生態(tài)安全綜合評價(jià)體系，對安陽市土地生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明，社會發(fā)展因素、能源消耗與工業(yè)廢物排放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展是影響安陽市土地生態(tài)安全的3個主要因素。2014年安陽市龍安區(qū)、林州市和安陽縣的土地狀況為良好，湯陰縣土地安全處于預(yù)警狀態(tài)，文峰區(qū)處于中度警戒狀態(tài)，而內(nèi)黃縣、殷都區(qū)和北關(guān)區(qū)處于重度警戒狀態(tài)。安陽市土地生態(tài)安全形勢嚴(yán)峻，必須采取措施，確保土地生態(tài)安全。

關(guān)鍵詞 土地資源；土地生態(tài)安全；評價(jià)；主成分分析；安陽市

中圖分類號 F301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）13-0201-03

Assessment of Land Ecological Security of Anyang City Based on the Principal Component Analysis

ZHANG Zhi-gao1，YUAN Zheng2，DING Hao1

（1.School of Resource Environment and Tourism，Anyang Normal University，Anyang，Henan 455000；2.School of Civil and Architectural Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang，Henan 455000）

Abstract In order to explore the land ecological security situation of Anyang City in Henan Provence， 12 indexes were selected to establish the comprehensive assessment index system of land ecological security.Using the method of principal component analysis，the level of land ecological security in Anyang City was compared and evaluated.The results showed that the social development，energy consumption and industrial waste emissions，and the economic development were the main factors that affected the land ecological security in Anyang City.Long'an District of Anyang City，Linzhou and Anyang County were good condition of the land ecological security；Tangyin County was warning state of land ecological security；Wenfeng District was the medium warning state of land ecological security；Neihuang County，Yindu District and Beiguan District were serious warning state of land ecological security.Overall，the land ecological security of Anyang City was facing the serious threat，countermeasures should be taken to ensure the ecological security of land.

Key words Land resources；The ecological security of land；Evaluation；Principal component analysis；Anyang City

隨著人口的快速增長和社會、經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類正以前所未有的速度和強(qiáng)度改變著土地利用格局，對生態(tài)環(huán)境的壓力也日益增大，生態(tài)環(huán)境的破壞反過來制約人類活動，造成嚴(yán)重的人地矛盾[1-2]。隨著環(huán)境生態(tài)問題的日益凸顯，1970年提出了生態(tài)安全這一新的研究領(lǐng)域，引起廣泛關(guān)注，生態(tài)安全不僅關(guān)系到人類社會的可持續(xù)發(fā)展，也關(guān)系到一個國家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)安全、國家安全和社會穩(wěn)定[3]，因此，生態(tài)安全提出后迅速成為地理學(xué)、生態(tài)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的研究熱點(diǎn)[4-5]。土地是基礎(chǔ)性的自然資源，是人類生存和發(fā)展的基本條件和衣食來源，土地生態(tài)安全是國家糧食安全、生態(tài)安全的基礎(chǔ)，同時也是生態(tài)安全評價(jià)中的重要因素[6-8]。對一個國家或地區(qū)的土地資源進(jìn)行生態(tài)安全評價(jià)，可以衡量評估區(qū)域的土地資源特點(diǎn)和狀況，針對存在的土地資源生態(tài)安全問題采取措施，進(jìn)而保障區(qū)域土地資源生態(tài)安全，實(shí)現(xiàn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[9]。

作為河南省的老工業(yè)基地和豫北區(qū)域中心城市的安陽市，近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的迅速發(fā)展、人口的快速增長和城鎮(zhèn)化水平的不斷提高，安陽市土地生態(tài)安全壓力也越來越大。目前，對安陽市生態(tài)安全的研究局限于生態(tài)環(huán)境建設(shè)的現(xiàn)狀分析、宜居城市評價(jià)與實(shí)現(xiàn)途徑研究等方面[10-12]。筆者采用主成分分析法，運(yùn)用SPSS 21.0軟件對2014年安陽市各區(qū)縣的土地生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)與分析，建立影響土地生態(tài)安全承載力的綜合指標(biāo)體系，對安陽市各地區(qū)土地生態(tài)安全進(jìn)行綜合評價(jià)，旨在為安陽社會、經(jīng)濟(jì)的健康、持續(xù)發(fā)展提出合理性建議。

1 研究區(qū)概況

安陽地處晉、冀、豫三省交匯處，河南省最北部，西依太行山東麓，東接黃淮海平原，面積7 413 km2，人口542萬，中國八大古都之一。安陽市北鄰邯鄲，南接鶴壁、新鄉(xiāng)。全市轄4個縣即安陽縣、滑縣、湯陰縣、內(nèi)黃縣，4個區(qū)即北關(guān)區(qū)、文峰區(qū)、殷都區(qū)、龍安區(qū)及1個市即林州市。安陽市氣候?yàn)榈湫偷呐瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候，氣候溫和，四季分明，雨量適中，多年平均降水量為606 mm，降水年內(nèi)分配極為不均，旱澇災(zāi)害頻發(fā)。安陽地勢西高東低，地形復(fù)雜多樣，以平原為主，約占總面積的53.8%，山地占29.7%，丘陵占10.8%。

安陽市是河南省的重要工業(yè)基地，輕、重工業(yè)兼有，冶金建材、裝備制造、煤化工和食品醫(yī)藥為安陽市主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，形成了以冶金、紡織、電子、化工、電力、機(jī)械等行業(yè)為主的工業(yè)結(jié)構(gòu)，落后的生產(chǎn)工藝和粗放的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式給安陽市水土資源帶來巨大壓力。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)均來自《安陽市統(tǒng)計(jì)年鑒》和《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》中2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用主成分分析法，結(jié)合SPSS 21.0和Excel軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2.2 主成分分析法

主成分分析法屬于多因素綜合評價(jià)方法的一種，其實(shí)質(zhì)是利用降維的思想，通過研究指標(biāo)體系間的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系，把原來多個變量轉(zhuǎn)化成用少數(shù)幾個主成分所表示的綜合指標(biāo)。優(yōu)點(diǎn)是在數(shù)據(jù)信息丟失最小的原則下，經(jīng)線性變換而以少數(shù)的綜合變量代替原始的多維變量，達(dá)到綜合與簡化的目的[13]。主成分分析法的計(jì)算步驟：①對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除數(shù)量級和量綱的差異；②計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化后的樣本相關(guān)矩陣R；③計(jì)算R的特征值和特征向量；④計(jì)算方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)方差貢獻(xiàn)率，一般取累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)85%以上的作為主成分；⑤計(jì)算主成分載荷；⑥根據(jù)各個主成分的貢獻(xiàn)率進(jìn)行綜合評價(jià)。

2.3 指標(biāo)選取

影響土地生態(tài)安全的因素主要有社會因素、經(jīng)濟(jì)因素、環(huán)境因素和生態(tài)因素等，通過對區(qū)域土地生態(tài)安全影響因素的綜合分析，參照國內(nèi)外土地生態(tài)安全分析評價(jià)指標(biāo)體系相關(guān)研究成果[6-7，13]，在考慮區(qū)域差異及特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，選取相對性評價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建土地生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系。具體指標(biāo)：X1人口密度（人/km2）；X2人口自然增長率（%）；X3城鎮(zhèn)化水平（%）；X4人均GDP（元）；X5人均播種面積（hm2）；X6第一產(chǎn)業(yè)比重（%）；X7第二產(chǎn)業(yè)比重（%）；X8第三產(chǎn)業(yè)比重（%）；X9廢水排放量（萬t）；X10工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量（萬t）；X11全年工業(yè)耗煤量（萬t）；X12規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)增加值（萬元）。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析

運(yùn)用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理以消除數(shù)量級和量綱造成的誤差，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣（表1），通過指標(biāo)間關(guān)系的分析獲得指標(biāo)特征值及主成分的貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率（表2）。

從表2可以看出，前3個主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)89.181%，基本上代表了絕大部分因子對安陽土地安全的影響，可以選取第一、二、三主成分對安陽市土地安全進(jìn)行分析，進(jìn)而計(jì)算各變量載荷（表3）。

從表3可以看出，X1（人口密度）、X2（人口自然增長率）、X3（城鎮(zhèn)化水平）、X5（人均播種面積）、X6（第一產(chǎn)業(yè)比重）、X8（第三產(chǎn)業(yè)比重）在第一主成分上載荷較高，主要反映了社會發(fā)展因素。X9（廢水排放量）、X10（工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量）、X12（全年工業(yè)耗煤量）在第二主成分有較高載荷量，主要反映了工業(yè)廢物排放和能源消耗因素；X4（人均GDP）、X7（第二產(chǎn)業(yè)比重）、X12（規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)增加值）在第三主成分也有較高的載荷量，主要反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)展對土地安全影響的因素。因此，安陽資源承載力的主要影響因子可以歸納為社會因素、工業(yè)廢物排放與能源消耗因素和經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素3個主成分。

第一主成分包含了47.032%的變化率，社會發(fā)展因素是影響安陽市土地安全的最主要因素。構(gòu)成第一主成分的6個因子：人口密度、人口自然增長率、城鎮(zhèn)化水平、人均播種面積、第一產(chǎn)業(yè)比重、第三產(chǎn)業(yè)比重，可以看出人口的增長、城鎮(zhèn)化的動態(tài)變化對土地安全的影響尤為顯著。2014年安陽市人口密度為792人/km2，遠(yuǎn)超過全國平均水平的143人/km2，人口密度連續(xù)10年保持增長，相比2004年增加了9.6%。人口的增長會減少人均耕地面積，增加資源和能源的消耗，給土地安全造成了巨大壓力。同時，作為正向指標(biāo)的城鎮(zhèn)化水平，第一、二產(chǎn)業(yè)比重在第一主成分的載荷也較大，政府部門應(yīng)在推進(jìn)城鎮(zhèn)化的過程中，構(gòu)建現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，因地制宜地發(fā)展高科技產(chǎn)業(yè)、綠色農(nóng)業(yè)，加快產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級，大力促進(jìn)第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

第二主成分包含了33.554%的變化率，主要反映能源消耗和廢棄物排放因素。在12個指標(biāo)中，X9（廢水排放量）、X10（工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量）、X11（全年工業(yè)耗煤量）在第二主成分有較高載荷量。安陽市是河南省的重要工業(yè)基地，2014年工業(yè)產(chǎn)值占安陽市GDP比重達(dá)58.1%[14]，產(chǎn)業(yè)構(gòu)成中又以鋼鐵、冶金、建材等高耗能產(chǎn)業(yè)為主，落后的生產(chǎn)工藝和粗放的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，必然帶來巨大的能源消耗和廢物排放，2014年安陽市工業(yè)耗煤量為1.465億t，2014年全市廢水排放量和工業(yè)固體廢物產(chǎn)量分別為1.723億m3、1035.2萬t，再加上環(huán)境治理措施不完善，必將給土地資源生態(tài)安全帶來巨大壓力。

第三主成分包含了8.595%的變化率，主要反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素。X4（人均GDP）、X7（第二產(chǎn)業(yè)比重）、X12（規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)增加值）在第三主成分占有較高的載荷量，對土地生態(tài)安全造成很大的影響。2005—2014年，安陽市人均收入從10 744元增長到40 048元，增長了73.17%，第二產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值從319.62億元增長到862.79億元，增長了62.96%，可以看出安陽市在過去10年經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，但由于技術(shù)工藝落后，產(chǎn)業(yè)以資源型、原料型和粗加工型居多，粗放的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式對環(huán)境造成了巨大傷害，給土地生態(tài)安全帶來威脅。

3.2 綜合評價(jià)

3.2.1 計(jì)算模型。

通過因子載荷矩陣計(jì)算出主成分所對應(yīng)的特征向量矩陣（表4）。將得到的特征向量與標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)相乘，得到3個主成分的表達(dá)式：以3個主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，構(gòu)造綜合評價(jià)函數(shù)，以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總特征值之和的比例作為權(quán)重，計(jì)算主成分綜合模型：

3.2.2 綜合得分。

由安陽市各區(qū)縣的12個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值可算出3個主成分得分和土地生態(tài)安全值綜合得分F，F(xiàn)值得分越高，說明該地區(qū)的土地生態(tài)越安全。土地生態(tài)綜合評判結(jié)果及排序見表5。

從表5可以看出，土地生態(tài)安全綜合得分由高到低依次為龍安區(qū)、林州市、安陽縣、湯陰縣、文峰區(qū)、內(nèi)黃縣、殷都區(qū)、北關(guān)區(qū)。表明從土地生態(tài)安全綜合狀況看，北關(guān)區(qū)的土地生態(tài)安全性最低，龍安區(qū)生態(tài)壓力最高，其次是林州市、安陽縣、湯陰縣，文峰區(qū)、內(nèi)黃縣、殷都區(qū)的土地生態(tài)安全性較低。安陽4個市轄區(qū)除龍安區(qū)外其他3個區(qū)和內(nèi)黃縣的土地生態(tài)安全指數(shù)均小于零，表明其土地利用處于生態(tài)不安全狀態(tài)。林州市、安陽縣和湯陰縣其值均大于零，其土地生態(tài)安全性較高。

參考國內(nèi)通用的生態(tài)安全設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)[14]，根據(jù)安陽市各區(qū)縣土地生態(tài)安全綜合評價(jià)值，設(shè)置4個土地生態(tài)安全狀態(tài)等級（表6），對安陽市各區(qū)縣土地生態(tài)安全級別進(jìn)行劃分。土地生態(tài)安全級別越高，其土地資源生態(tài)安全狀況越好，反之越差。龍安區(qū)、林州市和安陽縣的土地生態(tài)安全綜合得分大于0.30，其土地生態(tài)安全處于良好狀態(tài)，為 Ⅰ 級；湯陰縣土地生態(tài)安全得分為0.20，處于預(yù)警狀態(tài)，為Ⅱ級；文峰區(qū)生態(tài)安全得分為-0.10，位于中警狀態(tài)，為Ⅲ級；內(nèi)黃縣、殷都區(qū)和北關(guān)區(qū)的土地生態(tài)安全綜合得分均小于-0.40，處于重警狀態(tài)，為Ⅳ級?？傮w而言，安陽市土地生態(tài)安全面臨著嚴(yán)重的威脅。

4 結(jié)論與討論

該研究通過主成分分析得出影響安陽市土地生態(tài)安全的三大主成分，即社會發(fā)展因素、能源消耗與工業(yè)廢物排放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展因素。安陽市各區(qū)縣生態(tài)安全穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)依次為北關(guān)區(qū)、殷都區(qū)、內(nèi)黃縣、文峰區(qū)、湯陰縣、安陽縣、林州市和龍安區(qū)。安陽市4個轄區(qū)中3個轄區(qū)土地生態(tài)安全得分較低，處于中警、重警狀態(tài)，這與市區(qū)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)更為發(fā)達(dá)、人口密度高有關(guān)。安陽市縣級市林州市、安陽縣、湯陰縣生態(tài)安全整體較好，這與縣級地區(qū)城市化水平較低、人口密度相對較小有關(guān)。但內(nèi)黃縣土地生態(tài)安全得分-0.54，處于重警狀態(tài)，這與該縣第一產(chǎn)業(yè)比重30.9%和第二產(chǎn)業(yè)比重41.0%過高有關(guān)，第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平又相對較低，無力轉(zhuǎn)變發(fā)展方式，往往又忽略了對生態(tài)環(huán)境的關(guān)注，給生態(tài)環(huán)境帶來較大破壞。

綜上，安陽市土地生態(tài)安全面臨著較嚴(yán)重的威脅，如何緩解人地矛盾，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展與生態(tài)保護(hù)雙贏，安陽市應(yīng)做好區(qū)域環(huán)境承載力研究和估算，將發(fā)展控制在生態(tài)環(huán)境承受范圍之內(nèi)；調(diào)整部分地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加快升級轉(zhuǎn)型，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)合理布局，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，提高第三產(chǎn)業(yè)比重；推廣先進(jìn)技術(shù)，重視科技的作用，提高產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)能耗；提高人口素質(zhì)，增強(qiáng)環(huán)保觀念，減輕人類活動對環(huán)境的壓力；走集約型發(fā)展道路，完善相關(guān)管理制度，合理規(guī)劃建設(shè)用地，減少資源浪費(fèi)；最后積極治理環(huán)境污染，加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)宣傳和教育。

參考文獻(xiàn)

[1] 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.

[2] 陳國階.論生態(tài)安全[J].重慶環(huán)境科學(xué)，2002，24（3）：1-3.

[3] 曲格平.關(guān)注生態(tài)安全之一： 生態(tài)環(huán)境問題已經(jīng)成為國家安全的熱門話題[J].環(huán)境保護(hù)，2002（5）：3-5.

[4] 陳星，周成虎.生態(tài)安全： 國內(nèi)外研究綜述[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2005，24（6）：8-20.

[5] SCHREURS M A，PIRAGES D.Ecological security in northeast Asia[M]//Ecological security in Northeast Asia.Seoul：Yonsei University Press，1998.

[6] 張虹波，劉黎明，張軍連，等.黃土丘陵區(qū)土地資源生態(tài)安全及其動態(tài)評價(jià)[J].資源科學(xué)，2007，29（4）：193-200.

[7] 楊樂，丁偉，于龍，等.基于主成分分析的云南玉溪市生態(tài)安全評價(jià)研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，40（6）：190-192.

[8] 張小虎，雷國平，袁磊，等.黑龍江省土地生態(tài)安全評價(jià)[J].中國人口·資源與環(huán)境，2009，19（1）：88-93.

[9] 張虹波，劉黎明.土地資源生態(tài)安全研究進(jìn)展與展望[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2006，25（5）：77-85.

[10] 李勇，李俊民.安陽市生態(tài)安全評價(jià)[J].安陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2011（2）：59-61.

[11] 李雷.安陽市生態(tài)環(huán)境建設(shè)存在的問題及對策[J].信陽農(nóng)業(yè)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2008，18（2）：55-57.

[12] 張吉獻(xiàn)，張啟珍.基于城市功能的安陽市宜居城市評價(jià)與實(shí)現(xiàn)途徑研究[J].國土與自然資源研究，2013（3）：52-54.

[13] 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)安全評價(jià)[J].經(jīng)濟(jì)地理，2015，35（1）：168-172.

[14] 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)安全評價(jià)[J].水土保持研究，2012，19（1）：234-238.