基于PCA的土地生態安全評價研究

茅張圓　李湛　薛繼斌

摘要 依據區域土地生態安全評價一般性指標體系和現有的評價實例，結合義烏市實際情況，建立了由25項指標組成的具有義烏特色的土地生態安全評價指標體系，運用基于SPSS軟件的主成分分析（PCA）方法，對義烏市土地生態安全情況進行評價，并運用聚類分析方法對其土地生態安全水平進行分極。結果表明，2008～2012年義烏市土地生態綜合安全得分分別為0.697 、0.289 、-0.869 、0.151和-0.140；義烏市土地生態綜合安全水平，共分為3級，2008年為安全級，2009和2011年是良好級，2010和2012年是預警級。義烏市土地生態安全水平總體呈下降趨勢，2010和2012年有較高的風險等級。對義烏市土地生態安全狀況進行評價，可為義烏市土地資源的可持續利用提供管理經驗。

關鍵詞 土地評價；生態安全； PCA；義烏市

中圖分類號 S27；F301.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-197-04

Abstract On the basis of regional land ecological security evaluation index system of general and existing instances of land ecological security evaluation， combining with the actual situation of Yiwu City， the index system was established by 25 indexes of land ecological security evaluation.Using principal component analysis based on SPSS software， land ecological safety situation of Yiwu City was evaluated， the cluster analysis method was used to grade land ecological safety level.The results showed that land ecological comprehensive safety score of Yiwu City during 2008-2012 are 0.697， 0.289，-0.869， 0.151 and -0.140.The classification of comprehensive land ecological security level of Yiwu can be divided into three levels， the level of security is the year of 2008， the level of good are the years of 2009 and 2011， and the level of warning are the years of 2010 and 2012.The land ecological security level of Yiwu City is generally on the decline.Through the research on evaluation of land ecological security in Yiwu City， it can provide management experience of sustainable using land resources.

Key words Land evaluation； Ecological security； PAC； Yiwu City

當前我國已進入工業化、城鎮化的快速推進階段，土地資源需求量大幅度提高，充分體現和發揮了土地的經濟價值和功能。但是在土地資源開發和利用過程中存在著諸多問題，例如生態環境受到大規模的破壞、生物多樣性銳減等，人類對土地資源的開發利用程度在某些地區已經達到甚至超過區域土地所能承受的極限，因此對土地生態安全的研究和評價具有極其重要的意義。

土地生態安全是指陸地表層由各種有機物和無機物構成的土地生態系統的結構不受破壞，同時土地生態系統為人類提供服務的質量和數量能夠持續滿足人類生存和發展的需要[1]。國內許多學者在省級層面上對土地生態安全評價做了研究，通過構建由自然因素、經濟因素和社會因素3個層面指標組成的土地生態安全評價指標體系，并運用層次分析法和土地生態安全模型對評價區域進行空間尺度或者時間尺度的土地生態安全評價研究[2-4]。同時，一些方法和模型也被引入到土地生態安全評價研究中，如優勢度評價方法[5]、聚類分析法[6-8]和PSR（狀態-壓力-響應）模型[9]、物元模型[10-11]等。此外，基于地理信息系統（GIS）和全球變化的研究方法也被引入到土地生態安全評價中[12-14]。總的來說，學術界對土地生態安全模型及計算方法的研究呈現出強化和密集的態勢。

筆者在前人研究的基礎上，從自然、經濟和社會3個維度構建土地生態安全指標體系，運用主成分分析法，進一步揭示土地生態安全在時間上的分異特征與規律。

1 指標體系、數據來源與研究方法

1.1 評價指標體系的構建

該研究指標體系是在重慶市和江蘇省土地生態安全評價指標體系的基礎上，結合義烏市土地生態安全特點而構建起來的，所構建的義烏市土地生態安全評價指標體系見表1。評價指標作為影響土地生態安全的因素，可分為正安全趨向性指標和負安全趨向性指標。正安全趨向指標值越大，表明維護和改善土地生態安全的能力越強；負安全趨向性指標值越大，對土地的壓力越大，土地生態安全狀況越差。

1.2 評價年份與數據來源

根據數據可獲取性的原則，選取的評價時段是2008～2012年。主要統計數據來源于2009～2013年《義烏統計年鑒》，其中部分土地數據來源于2009～2013年義烏市地籍調查數據，還有一些數據來源于《義烏市域總體規劃（2013-2030年）》。原始數據見表2。

1.3 研究方法

主成分分析法主要是使變量數能夠有效降低，與此同時還能夠確保原有的信息最少的丟失，并且仍然還能被廣泛應用的一種方法[15]。其主要步驟是： 首先，對原始數據進行有效的標準化； 其次，在得到標準化數據之后計算相關系數矩陣，得到特征值特征向量并得出方差和累計方差貢獻率，當累計方差貢獻率大于或等于85%后確定需要的主成分的個數； 再次，以之前計算得出的每一個主成分的方差貢獻率為權重，計算提取的n個主成分所對應的得分； 最后，對所提取的每一個主成分分別進行加權并求和，得到它們的總評分，再對它們進行排序。

2 結果與分析

2.1 主成分分析 根據主成分分析法的具體步驟， 將表1中原始監測數據進行標準化后求出相關系數矩陣， 用SPSS軟件分別對25個評價指標的相關系數矩陣和特征值進行計算，根據特征值方差累計貢獻率確定選取主成分的個數。但必須對原始的數據進行標準化來保證已經消除量綱的影響， 因為主成分分析過程中各個成分的大小、量綱和評價指標有很大差別， 可比性非常差， 所以必須先進行標準化， 使各個數據之間具有較好的可比性。使用ZScore變換方法來對原始數據變量矩陣X進行標準化處理， 求得變換后的新矩陣為Zn×p， 即：

此外，因為指標有正向指標與逆向指標的分別，因此還要將負向指標正向化，這里采用的方法是用負向指標標準化數值乘以-1來正向化，得到標準化數據（表3）。

根據表4，提取累積方差貢獻率大于85%的公因子，所以取 3個主成分。

用SPSS軟件可得到初始因子載荷矩陣（表5）， 各個載荷量表示主成分與對應變量之間的相關系數。但是主成分載荷矩陣是需要用初始因子載荷矩陣中的數據除以主成分所對應的特征值來求平方根， 得到2個主成分中每個指標所對應的系數， 才能得到相應的主成分載荷值（表6）。

根據原始變量的標準化值（表3）與表6中的主成分載荷值，運用SPSS 軟件可以計算出2008～2012年義烏市土地安全評價各項主因子（F1、F2、F3）的得分，從而計算得到土地生態綜合安全得分（表7）。

2.2 聚類分析

為更清晰地了解各年份土地安全水平及其影響因素，運用聚類分析法對2008～2012年義烏市土地生態安全水平進行分級。采用SPSS19.0統計軟件對義烏市土地安全評價水平進行聚類分析，得到聚類結果：

（1）安全級是2008年，該年的土地安全評價綜合因子（F）得分最高，主要是第一個因子（F1）和第三個因子（F3）的得分較高。說明2008年義烏市土地生態系統的綜合服務功能比較完善，土地生態環境基本沒有受到大規模的干擾和破壞，土地生態系統的結構較為完整，功能性比較強，土壤較肥沃，基本無農業污染，有比較高的植被覆蓋率，基本沒有嚴重的生態問題和生態災害現象的發生。

（2）良好級是2009和2011年，這2年的土地安全評價綜合因子（F）得分僅次于2008年，主要是第二個因子（F2）和第三個因子（F3）的得分較高。說明2009和2011年義烏市的土地生態系統服務功能比較完善，土地生態環境基本沒有受到破壞，生態系統的結構較為完整，功能比較良好，在受干擾后經過治理基本可以得到恢復，沒有顯著的生態問題，生態災害不嚴重。

（3）預警級是2010和2012年，這2年的土地安全評價綜合因子 （F）得分最低，主要是3個因子的得分均較低。說明2010和2012年義烏市的土地生態的系統服務功能已經開始有明顯的退化，土地生態環境已經受到較為嚴重的破壞，生態系統的結構已經發生很大變化，已經到達不可恢復的臨界點，只能勉強維持基本功能，在受到外界干擾后容易發生惡化，已經有生態問題出現，不間斷有生態災害發生。

3 結論

運用主成分分析法，借助SPSS軟件計算得出2008～2012年義烏市土地生態安全綜合得分由0.697降至-0.140，其中最嚴重的2010年的得分是-0.869，是5年中的最低水平。2010～2012年，由于義烏市開始建設生態城市，出臺了許多環境保護相關的政策法規，再加上義烏市人民的環保意識有所增強，所以土地生態安全水平有所上升。但對這一過程進行指數曲線擬合，不難發現義烏市土地生態安全狀況總體上是呈下降趨勢的。結合主成分分析結果和義烏各年份土地安全評價水平排名可得出結論：經濟快速發展對土地生態安全水平產生負向影響，而政府出臺環保相關政策法規和人民環保意識的增強對土地生態水平產生正向影響，但正向影響遠不及負向影響對土地生態安全水平的作用大，所以義烏市土地生態安全水平雖然在2010年后有好轉的趨勢，但遠遠還未達到2008年的水平。

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