基于主成分—聚類分析的土地生態(tài)安全評價

汪磊 曹幸琪

[摘要]采用SPSS21.0中的主成分分析法和聚類分析法，基于經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)三個維度提取9個指標(biāo)構(gòu)建江蘇省土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，對江蘇省2016年土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行分析評價，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行風(fēng)險高低程度劃區(qū)。結(jié)果表明：評價結(jié)果與實際情況高度吻合；土地生態(tài)安全低度風(fēng)險區(qū)1個（南京）、中度風(fēng)險區(qū)7個、高度風(fēng)險區(qū)5個。因此，江蘇省應(yīng)確保低度風(fēng)險區(qū)城市的土地生態(tài)安全，謹(jǐn)防其余城市的土地生態(tài)安全持續(xù)惡化，同時要重視高度風(fēng)險區(qū)城市生態(tài)文明的建設(shè)，制定科學(xué)合理的政策并投入相應(yīng)的人力、物力和財力以提高土地生態(tài)安全水平。

[關(guān)鍵詞]土地生態(tài)安全；江蘇??；主成分分析；聚類分析

[中圖分類號]F321.1 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

土地是社會經(jīng)濟(jì)-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)，土地的生態(tài)安全狀況不僅關(guān)乎土地的可持續(xù)利用，也影響著人類社會的可持續(xù)發(fā)展。土地生態(tài)安全主要指土地資源所面臨的生態(tài)環(huán)境處于一種不受或少受威脅與破壞的平衡、健康的狀態(tài)。土地生態(tài)安全的內(nèi)涵既包括土地生態(tài)系統(tǒng)本身的安全性，也包括土地生態(tài)系統(tǒng)是否能保證人類生產(chǎn)和生活的安全問題。土地生態(tài)安全評價是當(dāng)前研究土地生態(tài)安全的重要方向之一。近年來隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，我國的人地矛盾日益突出。多年來，我國政府對于環(huán)境保護(hù)和生態(tài)重建給予高度重視。黨的十九大報告指出，建設(shè)生態(tài)文明是中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計，要像對待生命一樣對待生態(tài)環(huán)境。但時至今日，我國的土地資源惡化的趨勢并沒有得到有效遏制，土地保護(hù)任重而道遠(yuǎn)。土地生態(tài)安全問題迫在眉睫，引起了諸多學(xué)者的關(guān)注與思考。目前，國內(nèi)研究土地生態(tài)安全評價的常用方法有層次分析法、主成分分析法、生態(tài)足跡法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等?；谀壳坝嘘P(guān)土地生態(tài)安全的文獻(xiàn)所使用的研究方法較為單一，本研究運(yùn)用SPSS21.0將主成分分析法和聚類分析法相結(jié)合，對江蘇省2016年的土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價，以期彌補(bǔ)江蘇省土地生態(tài)安全評價研究的不足，并為江蘇省土地資源的利用與保護(hù)提供一定的借鑒價值。

1 研究區(qū)域與評價指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 研究區(qū)域概況

江蘇省地處中國大陸東部沿海地區(qū)中部，長江、淮河下游，東瀕黃海，北接山東，西連安徽，東南與上海、浙江接壤，是長江三角洲地區(qū)的重要組成部分。地跨東經(jīng)116°18′～121°57′，北緯30°45′～35°20′。截至2016年年末，江蘇地區(qū)生產(chǎn)總值76086.20億元，人均生產(chǎn)總值95259.00元，江蘇常住人口7998.6萬人。江蘇屬于長江經(jīng)濟(jì)帶北翼，與安徽、浙江、上海共同構(gòu)成的長江三角洲城市群已成為國際6大世界級城市群之一。據(jù)國家統(tǒng)計局收集的資料顯示，截至2016年年末，在省份的城鎮(zhèn)化率排名中，江蘇省以67.7%位于第二位，意味著其已邁入城市化的成熟階段。但與之而來的資源不足、空氣污染、耕地減少、土地生態(tài)功能退化等問題給社會可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的良性運(yùn)行帶來巨大威脅。

1.2 樣本數(shù)據(jù)來源

本研究所構(gòu)建的江蘇省土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系所需的截面數(shù)據(jù)來源于江蘇省統(tǒng)計局公布的《2017年江蘇省統(tǒng)計年鑒》和江蘇省13個地級市的統(tǒng)計局公布的《2016年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》等。

2 指標(biāo)體系構(gòu)建

土地生態(tài)安全評價包括指標(biāo)體系構(gòu)建和評價方法兩部分。其中，構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系是分析并評價江蘇省土地生態(tài)安全的第一步。通過對當(dāng)前相關(guān)文獻(xiàn)的收集與閱讀發(fā)現(xiàn)，一部分既有文獻(xiàn)沒有指出構(gòu)建土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系的依據(jù)，缺乏科學(xué)性；另一部分既有文獻(xiàn)主要從人類與自然的關(guān)系出發(fā)，基于“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）模型構(gòu)建相應(yīng)的指標(biāo)體系；缺乏全面性。土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系的建立必須以體現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的內(nèi)涵為前提，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會發(fā)展、土地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等各個方面，客觀真實地反映本地區(qū)土地生態(tài)安全的狀態(tài)，使評價目標(biāo)和評價指標(biāo)構(gòu)成一個完整的有機(jī)體。據(jù)此，按照系統(tǒng)性原則、科學(xué)性原則、可操作性原則、定性分析與定量分析相結(jié)合的原則、動態(tài)性和穩(wěn)定性相結(jié)合的原則，本研究從《2017年江蘇省統(tǒng)計年鑒》和江蘇省13個地級市的《2016年國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》等官方公布的權(quán)威資料中提取相應(yīng)指標(biāo)，基于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會發(fā)展和自然環(huán)境三個維度構(gòu)建江蘇省土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系（表1），繼而運(yùn)用該評價指標(biāo)體系對江蘇省13個地級市進(jìn)行實證分析。

該指標(biāo)體系包括人口密度（X1）、城鎮(zhèn)化率（X2）、第三產(chǎn)業(yè)占比（X3）、人均地區(qū)生產(chǎn)總值（X4）、農(nóng)耕機(jī)械化水平（X5）、農(nóng)用化肥施用量（X6）、實際使用外資（X7）、人均公園綠地面積（X8）和建成區(qū)綠地覆蓋率（X9）9個指標(biāo)。其中，人口密度反映一個地區(qū)人口的分布情況，人口越稠密，對土地資源造成的壓力越大，對土地生態(tài)安全具有消極影響；城鎮(zhèn)化率越高的地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平越高，農(nóng)業(yè)活動所占的比重越低；與傳統(tǒng)第一、第二產(chǎn)業(yè)相比，第三產(chǎn)業(yè)不生產(chǎn)物質(zhì)產(chǎn)品，對土地資源依賴度較低，因此第三產(chǎn)業(yè)占比越高，對土地生態(tài)安全造成的威脅越?。蝗司貐^(qū)生產(chǎn)總值是衡量一個地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的重要指標(biāo)之一，人均地區(qū)生產(chǎn)總值越高，說明該地區(qū)經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)；農(nóng)耕機(jī)械化水平越高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營水平、經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益就越高；農(nóng)用化肥施用量越多，對該地區(qū)土地生態(tài)安全帶來的危害則越大；實際使用外資的數(shù)額反映了一個地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實力，經(jīng)濟(jì)實力越強(qiáng)，土地資源優(yōu)勢越容易形成生產(chǎn)力；人均公園綠地面積和建成區(qū)綠地覆蓋率這兩項指標(biāo)直接從生態(tài)環(huán)境的角度體現(xiàn)一個地區(qū)土地生態(tài)安全的狀況。

3 江蘇省土地生態(tài)安全評價過程

3.1 主成分聚類分析

3.1.1 主成分分析過程。本研究選擇SPSS21.0作為分析工具，由于所選取的指標(biāo)從三個不同維度對江蘇省土地生態(tài)安全進(jìn)行評價，指標(biāo)彼此間的趨勢化不同且存在量綱和數(shù)量級的影響，因此，為了使指標(biāo)同趨勢化并消除量綱和數(shù)量級的影響，事先需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行正向化處理而后再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（表2）。需要說明的是若預(yù)處理后的相關(guān)指標(biāo)值變?yōu)樨?fù)數(shù)，則說明該樣本的指標(biāo)值低于全省該指標(biāo)的平均值。數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，得到兩兩指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)矩陣R（表3）。由相關(guān)系數(shù)矩陣可知，指標(biāo)之間既存在正負(fù)相關(guān)也存在強(qiáng)弱相關(guān)，且部分指標(biāo)之間的相關(guān)性很強(qiáng)。例如，ZX2與ZX3之間的相關(guān)系數(shù)為0.86，說明這兩個指標(biāo)所攜帶的信息之間有極大的重疊部分，若直接用于數(shù)據(jù)分析，會帶來嚴(yán)重的多重共線性問題。需要指出的是，ZX1表示的是原始指標(biāo)X1經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理后得到的標(biāo)量，表3中的其他各指標(biāo)的含義如此類推。

由表3可知，各指標(biāo)之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性，可采用主成分分析法進(jìn)行降維。由SPSS21.0計算可得KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗統(tǒng)計量的值為0.617。根據(jù)Kaiser給出的常用的KMO度量標(biāo)準(zhǔn)，0.7表示一般，0.693非常接近0.7，說明原有變量之間的相關(guān)性較強(qiáng)，適合做因子分析。巴特利特球度檢驗的檢驗統(tǒng)計量的觀測值為79.411，相應(yīng)的概率P值接近0，表明樣本數(shù)量充足，相關(guān)系數(shù)矩陣R為非單位陣，故可以進(jìn)行主成分分析。矩陣特征值與累計貢獻(xiàn)率如表4所示，提取前三個主成分即提取樣本85.017%的數(shù)據(jù)信息（前三個特征值的累計貢獻(xiàn)率為85.017%）。提取的三個主成分的得分系數(shù)矩陣如表5所示，其中F1、F2、F3分別表示第1、2、3個主成分，由表5可知，F(xiàn)1在ZX1（人口密度）、ZX2（城鎮(zhèn)化率）、ZX3（第三產(chǎn)業(yè)占比）、ZX4（人均地區(qū)生產(chǎn)總值）、ZX6（農(nóng)用化肥施用量）、ZX7（實際使用外資）這6個變量上的荷載量都很大，這些指標(biāo)主要從經(jīng)濟(jì)層面刻畫經(jīng)濟(jì)對土地生態(tài)安全的影響，因此將其定義為經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量因子；F2在ZX8（人均公園綠地面積）和ZX9（建成區(qū)綠地覆蓋率）這2個指標(biāo)上具有較高的載荷，這2個指標(biāo)都是從生態(tài)環(huán)境方面反映生態(tài)環(huán)境因素對土地生態(tài)安全的影響，因此可以將其定義為生態(tài)環(huán)境發(fā)展因子；F3在ZX5（農(nóng)耕機(jī)械化水平）這1個變量上荷載量較高，并從農(nóng)業(yè)機(jī)械化角度間接地反映了土地集約利用程度，因此可將其定義為土地利用結(jié)構(gòu)因子。

通過采用主成分分析法，在損失較少信息量的情況下，成功地將綜合評價中多個指標(biāo)降維成數(shù)量較少的3個綜合指標(biāo)，即主成分F1、F2、F3。進(jìn)而運(yùn)用回歸方法估算出各樣本的主成分得分，并用各主成分的方差貢獻(xiàn)率占3個主成分總方差貢獻(xiàn)率的比重作為權(quán)重進(jìn)行加權(quán)匯總，得出江蘇省各地級市土地生態(tài)安全綜合得分F，即：F=（57.913/85.017）F1+（15.272/85.017）F2+（11.833/85.017）F3。計算出綜合得分F后，按照其大小進(jìn)行排序，從而得出江蘇省13個地級市的土地生態(tài)安全綜合排名（表6）。

3.1.2 聚類分析過程。傳統(tǒng)的聚類分析方法不能有效消除評價指標(biāo)之間的相關(guān)性，從而造成聚類結(jié)果的誤差較大。為避免這一缺陷，本研究選取SPSS21.0中的聚類分析法，將上述提取的3個主成分F1、F2、F3的分析結(jié)果作為原始數(shù)據(jù)輸入并進(jìn)行聚類分析（F1、F2、F3之間線性無關(guān)），通過對江蘇省13個地級市土地生態(tài)安全情況進(jìn)行聚類分析，得出江蘇省13個地級市土地生態(tài)安全聚類分析的譜系圖（圖1）。一方面，從實證分析的結(jié)果來看，聚類分析所得出的類別結(jié)果和上述主成分分析得出的排序結(jié)果高度吻合，即在主成分分析結(jié)果中綜合得分排在第一位的是省會南京，排在最后一位的是鹽城。而在聚類分析中，若聚為三類，則第一類中包含南京這一城市，鹽城聚在最后一類，聚類分析所得的結(jié)果與主成分排序結(jié)果完全一致，這就從實證的角度反映出本研究所構(gòu)建的主成分-聚類分析模型具有較高的科學(xué)性和合理性；另一方面，從江蘇省土地生態(tài)環(huán)境的實際情況來看，主成分-聚類分析的結(jié)果與近幾年來江蘇省土地生態(tài)安全的實際發(fā)展情況高度吻合，且與已經(jīng)發(fā)表的有關(guān)江蘇省土地生態(tài)安全評價的學(xué)術(shù)論文中的結(jié)果高度一致。

因此根據(jù)上述聚類分析結(jié)果可知，將江蘇省13個地級市土地生態(tài)安全評價結(jié)果聚成3類較為合理。將上述主成分綜合得分排在第1位的南京聚為第Ⅰ類（綜合得分高于1）；鹽城的綜合得分最低（綜合得分低于-1分），且宿遷、泰州、淮安和連云港的綜合得分均為負(fù)值，因此將這幾個城市聚為第Ⅲ類；其他地級市如無錫、鎮(zhèn)江、蘇州、常州、南通、揚(yáng)州和徐州的綜合得分排在中間（綜合得分在0至1之間），聚為第Ⅱ類。此外，從聚為3類的地級市的數(shù)量分布情況而言，聚在第Ⅰ類的地級市有1個，聚在第Ⅱ類的地級市有7個，聚在第Ⅲ類的地級市有5個。3類城市的聚集數(shù)量正態(tài)分布情況大致吻合，邏輯合理性較強(qiáng)，其空間布局情況如圖2所示。

3.2 結(jié)論與討論

依據(jù)表6和圖1可將江蘇省土地生態(tài)安全劃分為低度風(fēng)險區(qū)、中度風(fēng)險區(qū)和高度風(fēng)險區(qū)三種類型。其中，土地生態(tài)安全低度風(fēng)險區(qū)（Ⅰ類）包括南京這一個省會城市；土地生態(tài)安全中度風(fēng)險區(qū)（Ⅱ類）包括無錫、鎮(zhèn)江、蘇州、常州、南通、揚(yáng)州、徐州這8個地級市；土地生態(tài)安全高度風(fēng)險區(qū)（Ⅲ類）包括宿遷、泰州、淮安、連云港、鹽城這5個城市。

在第Ⅰ類中，限于篇幅，僅圍繞南京展開分析。由表6可知，南京F1得分（1.45269）排在第1位，表明南京經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量較高，對土地資源造成的破壞較少；F3得分（1.04874）排在第4位，說明南京較為重視土地利用結(jié)構(gòu)；化工作為南京傳統(tǒng)四大支柱產(chǎn)業(yè)之一，在為全市經(jīng)濟(jì)提供巨大貢獻(xiàn)率的同時，對生態(tài)環(huán)境也造成了一定的負(fù)面影響，使得生態(tài)環(huán)境發(fā)展因子低于全省平均水平。在現(xiàn)實情況中，從經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況來看，南京雖為江蘇省省會，但經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平一直低于無錫和蘇州蘇南兩市。但是近些年來，南京市積極適應(yīng)和引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行總體呈現(xiàn)穩(wěn)中有進(jìn)、穩(wěn)中提質(zhì)的態(tài)勢。第三產(chǎn)業(yè)增加值所占的地區(qū)生產(chǎn)總值的比重比2015年提高1.1個百分點，高技術(shù)、新產(chǎn)品發(fā)展勢頭好，新業(yè)態(tài)發(fā)展強(qiáng)勁，對土地資源的依賴程度逐漸降低。從生態(tài)環(huán)境方面看，四大片區(qū)工業(yè)布局調(diào)整取得新進(jìn)展，實施100個重點節(jié)能項目；南京市共劃定104塊生態(tài)紅線區(qū)域，總面積達(dá)1630.04 km?，占全市國土面積的24.75%，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，并被授予“國家生態(tài)市”稱號。從土地利用結(jié)構(gòu)方面看，南京一直堅持遵循自然規(guī)律和科學(xué)管理相結(jié)合，優(yōu)化國土空間分布布局，提高土地利用率和綜合效益。因此，土地生態(tài)安全風(fēng)險低。

第Ⅱ類中共有7個地級市，限于篇幅，僅以徐州為例進(jìn)行分析。從主成分得分情況看，徐州F1（-0.26529）、F2（0.81759）和F3（0.28121），其中F2位列全省第4位。徐州是華東地區(qū)重要的門戶城市，是江蘇省重要的經(jīng)濟(jì)、商業(yè)和對外貿(mào)易中心，也是國家“一帶一路”建設(shè)的重要節(jié)點城市。2016年徐州的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行保持平穩(wěn)，但與蘇南相比，經(jīng)濟(jì)水平仍有差距，對土地資源的依賴程度比蘇南城市高。生態(tài)環(huán)境方面，2016年年末全市林木覆蓋率和市區(qū)建成區(qū)綠化覆蓋率分別為30.3%和43.3%，成功創(chuàng)建省級生態(tài)市，并以綜合得分第一名的成績榮膺中國人居環(huán)境獎。在全省范圍內(nèi)，徐州的土地利用結(jié)構(gòu)水平不突出，位于中等水平。綜合上述因素，徐州的土地生態(tài)安全存在一定的風(fēng)險。

第Ⅲ類包含5個城市，選取排在最后一位的鹽城展開分析。由主成分得分情況看，鹽城F1的得分為負(fù)值且低于全省平均水平。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)面，鹽城嚴(yán)重依賴韓資為主的汽車工業(yè)以及汽車零部件產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理。鹽城占有全省16%的土地面積和10.7%的人口，然而僅創(chuàng)造出全省6%的地區(qū)生產(chǎn)總值。從生態(tài)環(huán)境方面看，由于鹽城在全省屬于經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對滯后，因此人均公園綠地面積和建成區(qū)綠化覆蓋率都落后于全省。如今鹽城已開始重視綠色發(fā)展，2016年全市空氣質(zhì)量持續(xù)保持全省第一、全國前列。

對土地生態(tài)安全類別進(jìn)行劃分有著重要的現(xiàn)實意義，能為江蘇省土地資源的開發(fā)和利用提供借鑒和決策參考。由上述分析可知，江蘇省的土地生態(tài)安全類別分布狀況和江蘇省的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平分布狀況非?，F(xiàn)實，處于低度風(fēng)險區(qū)的是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省會城市，土地生態(tài)安全面臨威脅的都是蘇中和蘇北地區(qū)。根據(jù)分析結(jié)果，江蘇省今后應(yīng)重點保護(hù)蘇中和蘇北地區(qū)的土地生態(tài)安全狀況，加大環(huán)保資金的扶持力度，制定科學(xué)有效的政策，避免為了發(fā)展經(jīng)濟(jì)而對土地生態(tài)造成更大的破壞。

4 結(jié)論

目前研究土地生態(tài)安全的文獻(xiàn)存在著數(shù)據(jù)收集困難、指標(biāo)數(shù)量過多等不足，而本研究采取具有代表性的少量指標(biāo)進(jìn)行分析，所得結(jié)果與江蘇省土地生態(tài)安全的實際情況高度吻合，反映本研究具有科學(xué)合理性。同時，針對目前學(xué)界關(guān)于土地生態(tài)安全研究的文獻(xiàn)多采用單一方法，無法避免單一評價方法帶來的缺錢這一問題，本研究基于主成分分析和聚類分析的組合模型，將采用主成分提取出的線性無關(guān)的數(shù)據(jù)作為聚類分析的原始數(shù)據(jù)輸入，不僅避免了指標(biāo)過多的弊端，也提高了數(shù)據(jù)分析的精度。當(dāng)然，土地生態(tài)安全水平是一個不斷隨著時間變化而變化著的動態(tài)過程，因此，引入時間序列進(jìn)行土地生態(tài)安全研究是必要的。

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