生態(tài)環(huán)境因子分析原理及實(shí)例

劉紀(jì)昕+韓樂(lè)濰

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院 山東省煙臺(tái)市 264670 2青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院 266000 山東省青島市）

摘要：本文選取了山東省1981—2015年環(huán)境污染數(shù)據(jù)，通過(guò)KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)，確認(rèn)數(shù)據(jù)可以做因子分析之后，本文運(yùn)用因子分析的方法構(gòu)建因子—“綜合環(huán)境指標(biāo)”，求出每一年的綜合環(huán)境指標(biāo)并進(jìn)一步分析綜合環(huán)境指標(biāo)。

1引言

1.1研究背景

人類社會(huì)的發(fā)展進(jìn)入后工業(yè)時(shí)代，在不斷尋找新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)的同時(shí)，不斷經(jīng)受著環(huán)境、資源約束的考驗(yàn)。如何這種情況下走一條可持續(xù)發(fā)展道路，是現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)外學(xué)者積極探尋的熱點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)前，不論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者，關(guān)于可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法、戰(zhàn)略環(huán)境評(píng)價(jià)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)機(jī)制和方法、生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法以及資源環(huán)境價(jià)值的確定等方面都有一定程度的研究。其中，生態(tài)環(huán)境如何評(píng)價(jià)的問(wèn)題是當(dāng)前比較迫切也比較棘手的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究和探討。

1.2國(guó)內(nèi)外研究綜述

在生態(tài)環(huán)境定量評(píng)價(jià)方面有一個(gè)方向比較受到學(xué)者關(guān)注，那就是通過(guò)計(jì)算環(huán)境脆弱度對(duì)生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。史德明（2002）等在分析自然和人為影響因素的基礎(chǔ)上，制定了脆弱生態(tài)環(huán)境評(píng)級(jí)指標(biāo)，并建立了確定脆弱生態(tài)環(huán)境等級(jí)總分值的計(jì)算公式，并對(duì)不同脆弱生態(tài)環(huán)境提出針對(duì)性的保護(hù)措施和利用意見(jiàn)，特別強(qiáng)調(diào)了西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱性的特點(diǎn)，在開(kāi)發(fā)中必須注意生態(tài)安全問(wèn)題。劉文泉（2002）等在分析了中國(guó)黃土高原地區(qū)的基本情況和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣候變化的響應(yīng)后，確定了黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的氣候脆弱性評(píng)估方案，并通過(guò)多種方法確定了各個(gè)因子的權(quán)重系數(shù)，最后計(jì)算了1990年、1997年和未來(lái)50年氣候變化情景下的氣候脆弱度。郝永紅等（2002）將灰色系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法引入?yún)^(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)中，將評(píng)價(jià)指標(biāo)值分為高、中、低3類，首先計(jì)算出評(píng)價(jià)對(duì)象隸屬于各指標(biāo)類別的權(quán)系數(shù)，再將各評(píng)價(jià)指標(biāo)同類別的權(quán)系數(shù)加權(quán)疊加，得到評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合權(quán)系數(shù)矩陣，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用三角坐標(biāo)圖對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分類，提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，并應(yīng)用該方法對(duì)中國(guó)區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，取得了良好的效果。王金葉等（2006）采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)廣西生態(tài)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明廣西生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為中等，處在好與差的臨界狀態(tài)；工業(yè)企業(yè)的廢水、廢氣排放和森林植被減少是影響環(huán)境質(zhì)量的關(guān)鍵因子。

通過(guò)將評(píng)價(jià)指標(biāo)項(xiàng)目的實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與確定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，從而開(kāi)展生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量評(píng)價(jià)是另一種簡(jiǎn)單易行的方法。李鋒（1997）在對(duì)荒漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)分析的基礎(chǔ)上，提出了荒漠化監(jiān)測(cè)中生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之間歐氏距離的方法建立了評(píng)價(jià)模型，并以寧夏自治區(qū)作為試點(diǎn)區(qū)域，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。生態(tài)環(huán)境的綜合評(píng)價(jià)是區(qū)域資源合理開(kāi)發(fā)利用、制定區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)對(duì)策的重要依據(jù)。吳開(kāi)亞等（2003）建立了3層23個(gè)指標(biāo)，確定了標(biāo)準(zhǔn)值。提出灰色關(guān)聯(lián)投影模型法，只需將樣本投影值與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)投影值比較，即可確定出樣本所屬環(huán)境質(zhì)量級(jí)別。同時(shí)，依據(jù)樣本間投影值大小，可以很方便地對(duì)樣本進(jìn)行優(yōu)劣排序。秦子晗等（2006）對(duì)四川省生態(tài)環(huán)境做了基于AHP和GIS的評(píng)價(jià)，運(yùn)用AHP法對(duì)各縣市生態(tài)環(huán)境進(jìn)行了評(píng)價(jià)和等級(jí)劃分，把劃分結(jié)果輸出到GIS系統(tǒng)中。鄭樂(lè)平等（2009）在對(duì)國(guó)外水生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)發(fā)展進(jìn)行回顧的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)水生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中存在的不足，提出我國(guó)水生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)中應(yīng)注意的相關(guān)問(wèn)題：首先，只有先確定各水生態(tài)區(qū)域類型及其性征之后，才能從不同的起點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行評(píng)價(jià)；其次，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)各類型水體進(jìn)行評(píng)價(jià)的參考條件，在原則上，應(yīng)堅(jiān)持原生態(tài)思想；最后，評(píng)價(jià)指標(biāo)是評(píng)價(jià)工作的核心。

2相關(guān)理論基礎(chǔ)

2.1相關(guān)定義

整體研究是利用因子分析的方法得出的，這里對(duì)因子分析有一定的解釋：

因子分析是由Charles Spearman于1904年首次提出的，是通過(guò)對(duì)變量之間關(guān)系的研究，找出能綜合原始變量的少數(shù)幾個(gè)因子，使得少數(shù)因子能夠反映原始變量的絕大部分信息，然后根據(jù)相關(guān)性的大小將原始變量分組，使得組內(nèi)的變量之間相關(guān)性較高，而不同組的變量之間相關(guān)性較低。因此，因子分析屬于多元統(tǒng)計(jì)中處理降維的一種統(tǒng)計(jì)方法，其目的就是要減少變量的個(gè)數(shù)，用少數(shù)因子代表多個(gè)原始變量。

根據(jù)山東統(tǒng)計(jì)年鑒讀取的數(shù)據(jù)，在分析時(shí)使用到了山東省的環(huán)境污染相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)此有如下定義：

二氧化硫排放量 指報(bào)告期內(nèi)企業(yè)在燃料燃燒和生產(chǎn)工藝過(guò)程中排入大氣的二氧化硫總質(zhì)量。工業(yè)中二氧化硫主要來(lái)源于化石燃料（煤、石油等）的燃燒，還包括含硫礦石的冶煉或含硫酸、磷肥等生產(chǎn)的工業(yè)廢氣排放。

氮氧化物排放量 指報(bào)告期內(nèi)企業(yè)在燃料燃燒和生產(chǎn)工藝過(guò)程中排入大氣的氮氧化物總質(zhì)量。

煙（粉）塵排放量 指報(bào)告期內(nèi)企業(yè)在燃料燃燒和生產(chǎn)工藝過(guò)程中排入大氣的煙塵及工業(yè)粉塵的總質(zhì)量之和。煙塵或工業(yè)粉塵排放量可以通過(guò)除塵系統(tǒng)的排風(fēng)量和除塵設(shè)備出口煙塵濃度相乘求得。

一般工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量 指未被列入《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》或者根據(jù)國(guó)家規(guī)定的危險(xiǎn)廢物鑒別標(biāo)準(zhǔn)（GB5085）、固體廢物浸出毒性浸出方法（GB5086）及固體廢物浸出毒性測(cè)定方法（GB/T 15555）鑒別方法判定不具有危險(xiǎn)特性的工業(yè)固體廢物。

一般工業(yè)固體廢物綜合利用量 指報(bào)告期內(nèi)企業(yè)通過(guò)回收、加工、循環(huán)、交換等方式，從固體廢物中提取或者使其轉(zhuǎn)化為可以利用的資源、能源和其他原材料的固體廢物量（包括當(dāng)年利用的往年工業(yè)固體廢物累計(jì)貯存量）。如用作農(nóng)業(yè)肥料、生產(chǎn)建筑材料、筑路等。綜合利用量由原產(chǎn)生固體廢物的單位統(tǒng)計(jì)。

2.2研究路線

由于因子分析要求樣本的個(gè)數(shù)足夠多，且用于因子分析的變量必須是相關(guān)的，為了計(jì)算各變量之間的相關(guān)矩陣，觀察各相關(guān)系數(shù)，首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行Kaiser-Meyer-Olkin檢驗(yàn)（簡(jiǎn)稱KMO檢驗(yàn)）和Bartlett球度檢驗(yàn)。

KMO檢驗(yàn)量用于檢驗(yàn)變量間的偏相關(guān)性是否足夠小，是簡(jiǎn)單相關(guān)量和偏相關(guān)量的一個(gè)相對(duì)指標(biāo)，由下式求得：

式中，為兩變量間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)，為兩變量間的偏相關(guān)系數(shù)。KMO統(tǒng)計(jì)量的取值在0—1之間，統(tǒng)計(jì)量越接近1，變量間的偏相關(guān)性越強(qiáng)，因子分析的效果越好。KMO統(tǒng)計(jì)量在0.7以上時(shí)，因子分析效果較好，在0.5以下時(shí)，因子分析效果很差。

Bartlett球形檢驗(yàn)以變量的相關(guān)系數(shù)矩陣為基礎(chǔ)，假設(shè)相關(guān)系數(shù)矩陣是單位陣（對(duì)角線元素不為0，非對(duì)角線元素均為0）。如果相關(guān)矩陣是單位陣，則各變量是獨(dú)立的，無(wú)法進(jìn)行因子分析。

3構(gòu)建模型與結(jié)論分析

由于選取的環(huán)境指標(biāo)可能會(huì)存在相關(guān)性，也為了能用一個(gè)綜合的指標(biāo)反映山東省的環(huán)境污染情況，我選擇運(yùn)用因子分析的方法處理所選擇的環(huán)境指標(biāo)，期望獲得一個(gè)綜合的指標(biāo)，并將其命名為“綜合環(huán)境指標(biāo)”。

首先對(duì)環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了KMO檢驗(yàn)和Bartlett球形檢驗(yàn)。

由表一可觀察到，KMO統(tǒng)計(jì)量為0.682，接近于0.7，可以做因子分析。Bartlett球形檢驗(yàn)的卡方值為381.860，P值小于0.05，達(dá)到顯著性水平，表明相關(guān)系數(shù)矩陣不是單位陣，各環(huán)境污染變量間有共同因素存在，適合做因子分析。

“提取和載入”部分是提取的兩個(gè)公因子對(duì)原始變量方差的解釋情況，兩個(gè)因子共解釋了89.402%，通常情況下，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)到80%就可以了，由此可知，選取的兩個(gè)公因子效果理想。

由表二觀察可得，第一個(gè)因子與“廢水排放量”、 “煙粉塵排放量”、 “氮氧化物排放量”、“工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量”的載荷系數(shù)較大，第二個(gè)因子與“工業(yè)固體廢物綜合利用量”、 “工業(yè)廢水排放量”、 “二氧化硫排放量”的載荷系數(shù)較大。

由表三可以將公因子表示為各變量的線性組合。得到因子得分函數(shù)：

F1=-0.269X1 + 0.001X2 - 0.174X3 + 0.208X4 + 0.284X5 + 0.243X6 + 0.025X7

F2=-0.055X1 + 0.358X2 + 0.150X3 + 0.322X4+0.089X5- 0.020X6+ 0.393X7

上式中的Xi為標(biāo)準(zhǔn)化變量。根據(jù)這一表達(dá)式便可以計(jì)算1981—2015年每年對(duì)應(yīng)的第一個(gè)因子和第二個(gè)因子的得分，從而算出之前命名的“綜合環(huán)境指數(shù)”，利用以下公式：

即F=

=0.654F1 + 0.346F2

結(jié)果如圖

1981～1995年間，環(huán)境污染持續(xù)上升，到2000年有突然好轉(zhuǎn)，達(dá)到0以下，但是自2000至今又持續(xù)上升。

參考文獻(xiàn)

[1]Tong Li School of Management Tianjin University of Technology Tianjin，China，Proceedings of 2010 International Conference on Remote Sensing （ICRS 2010） Volume 3

李彤，生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)外研究綜述

[2]Hao Yonghong et al， A GREY ASSESSMENT MODEL OF REGIONAL ECO2ENVIRONMENT QUALITY AND ITS APPLICATION[J]， ENVIRONMENTAL ENGINEERING， 2002， 20（4）， P66-68（Ch）. 郝永紅，周海潮.區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的灰色評(píng)價(jià)模型及其應(yīng)用[J].環(huán)境工程，2002， 20（4）， P66-68.

[3]QIN Zihan ， TANG Bin， The Ecology Environment Evaluation Based on GIS [J]， Journal of Changchun Normal University（Natural Science）， 2003（12）， P87-90. 秦子晗，唐斌， 基于GIS 的生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)[J]，長(zhǎng)春師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科版）， 2006，25（5）：65-68.

[4]WANG Jinye， CHENG Daopin， HU Xintian， Fuzzy Evaluation and Evaluation Index System of Ecological Environment in Guangxi[J]， Journal of Northwest Forestry University， 2006， 21 （4）， P5-8（Ch）. 王金葉，程道品，胡新添等， 廣西生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及模糊評(píng)價(jià)[J]， 西北林學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，21（4）， P5-8.

[5]LIU Wen-quanm WANG Fu-tang， Analysis on Vulnerability of Agro-production to Climate Change in the Loess Plateau[J]， Journal of Nanjing Institute of Meteorology， 2002，25（5）， 620-624（Ch） 劉文泉，王馥棠，黃土高原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)氣候變化的脆弱性分析[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)， 2002，25（5）， 620-624.

[6]Wu Kaiya， Li Ruzhong， Chen Xiaojian， Grey relation projection model for the evaluation of regional eco-environmental quality[J]， Resources and environment in the Yangtze Basin， 2003， 12（5）， P473-478（Ch）. 吳開(kāi)亞， 李如忠， 陳曉劍， 區(qū)域生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)的灰色關(guān)聯(lián)投影模型[J]， 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境， 2003， 12（5）， P473-478.

[7]ZHENG Leping et al， Enlightenment from Foreign Aquatic Ecological Environment Evaluation for China[J]， Journal of Anhui Agri. Sci.， 2009， 37 （15）， 7242- 7243（Ch）. 鄭樂(lè)平， 樂(lè)嘉斌， 瞿書(shū)銳， 國(guó)外水生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)對(duì)我國(guó)的啟示[J]， 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2009， 37 （15）， 7242- 7243.

[8]SHI Deming， LIANG Yin， Evaluation and Conservation of Fragile Ecological Environment in China[J]， Journal of Soil and Water Conservation， 2002，16（1）， 6-10（Ch）. 史德明，梁音.我國(guó)脆弱生態(tài)環(huán)境的評(píng)估和保護(hù)[J].水土保持學(xué)報(bào)，2002，16（1）， 6-10.