基于主成分聚類分析的山東省土地生態安全評價及其影響因素分析

汪磊+張覺文

摘要：土地生態安全關系著區域生態環境可持續發展及社會經濟系統的良性運行，科學評價土地生態安全是生態文明建設的重要內容。本研究基于經濟、社會、生態3個維度，構建土地生態安全評價指標體系，借助主成分聚類組合評價模型，對2015年山東省土地生態安全狀況進行綜合評價，并結合評價結果進行區域等級劃分。結果表明，主成分聚類分析結果與實際情況高度吻合；山東省土地生態安全空間分布極不均衡，風險區劃之間差異性大，其中土地生態安全低度風險區（第Ⅰ類區域）2個（濟南市、青島市）、中度風險區（第Ⅱ類區域）14個、高度風險區（第Ⅲ類區域）1個（東營市）。今后，山東省除確保Ⅰ類區域2座城市的生態安全水平外，應將土地生態保護工作的重心放在第Ⅱ類區域，謹防其滑入第Ⅲ類區域，同時也要積極投入相應的人力、物力、財力，制定科學有效的政策措施以提高東營市的土地生態安全水平。

關鍵詞：土地生態安全；綜合評價；主成分聚類分析；山東省；生態文明；可持續發展

中圖分類號： F301.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）17-0246-04

收稿日期：2017-05-17

基金項目：國家社會科學基金（編號：17BJY011）。

作者簡介：汪磊（1974—），男，湖北黃岡人，博士，教授，主要從事土地資源管理及生態治理研究。E-mail：80290257@qq.com。

通信作者：張覺文，碩士研究生，研究方向為土地資源管理。E-mail：1040461115@qq.com。土地資源是人類賴以生存和發展的重要物質基礎。土地生態安全關系著土地資源的可持續利用，維系著經濟安全以及社會穩定，是生態文明建設的重要內容。隨著我國城市化、工業化進程的不斷加快，土地資源的粗放式開發引發了諸如水土流失加劇、耕地質量下降、草地退化嚴重、生物多樣性減少等系列問題。近年來，山東省經濟發展勢頭強勁，城鎮化速度迅猛，2015年常住人口城鎮化率已達57.0%，生態用地逐漸減少，人地矛盾越發突出，土地生態功能逐步衰退。統計數據表明，截至2015年年底，山東省水土流失面積高達 22 160 km2；國家林業局抽查結果表明，山東省經濟林土壤中均不同程度檢測出重金屬。土地生態安全問題已成為制約山東省經濟社會可持續發展的重要因素。

當前，土地生態安全問題日趨嚴峻，對土地生態安全的研究具有很強的重要性和緊迫性，引起了眾多學者的關注。國內對土地生態安全的研究自2006年后不斷升溫，雖起步較晚但發展迅速。其中，學術界對土地生態安全的研究熱點集中于土地生態安全評價。從評價指標體系看，目前國內對土地生態安全的研究，大多基于壓力-狀態-響應（pressure-state-response，簡稱PSR）和環境-經濟-社會（environment-economy-society，簡稱EES）及其修正模型2種基本體系構建。如王磊等基于PSR框架選取了30項指標因子構建土地生態安全評價指標體系，系統評價了寧夏回族自治區的土地生態安全狀況[1]；莊偉等以EES為三維度選取了16項相關指標構建了三峽庫區土地生態安全評估指標體系并對其進行評價[2]。從評價方法來看，基于數學模型法的綜合指數分析法在土地生態安全研究中應用范圍最為廣泛。該方法的關鍵在于確定各評價指標的權重。比較成熟的賦權方法有熵值法[3]、層次分析法[4]、主成分分析法[5]、逼近于理想解的排序技術（technique for order preference by similarity to an ideal solution，簡稱TOPSIS法）[1]、德爾菲法[6]等，經文獻梳理可知，關于土地生態安全評價大多采用單一的評價方法，忽略了單一評價方法存在的自身缺陷。如層次分析法、德爾菲法等賦權方法主觀性強；主成分分析法給定的權重與數據自身的質量高度相關；TOPSIS法則將各個評價指標的權重均等化。為克服單一評價方法存在的不足，本研究通過將主成分分析與聚類分析2種方法進行有效組合，實現二者之間的優勢互補、取長補短，極大地提高了土地生態安全評價的精確性和有效性，即將主成分分析的結果（提煉出的主成分）作為聚類分析的輸入，一方面通過主成分分析實現有效降維、消除提煉出主成分之間的線性相關；另一方面，借助聚類分析可以從更大的空間尺度分析不同類別之間的差異性，有助于提高制定政策的針對性和有效性。從應用的角度來看，根據實證分析得出的主成分聚類分析結果，一方面可以從宏觀層面分析不同類別之間的空間差異；另一方面，可以從微觀層面分析每個地市在不同主成分得分上的不足，可以為提升山東省土地生態安全水平，科學制定相關政策措施提供決策參考。

1樣本數據來源

本研究所構建的山東省土地生態安全評價指標體系所需的截面數據來源于山東省各政府職能部門公布的官方公報或年鑒：《2016山東省統計年鑒》《2015年度山東省林業資源概況與發展目標》《2015年山東省環境狀況公報》等。

2指標體系構建

土地生態安全評價包括指標體系構建和評價方法這2個方面的內容。其中，構建山東省土地生態安全評價指標體系是實施評價過程的第一步。當前，既有文獻大多從人類與環境之間的關系出發，基于壓力、狀態、響應3個維度（PSR）構建相應的指標體系。實際上，影響土地生態安全的因素多、機制復雜。土地生態系統是以土地為載體，受自然環境、經濟發展、社會發展3大因素影響而形成的有機整體，較少的學者從環境、經濟、社會3個方面來構建土地生態安全的評價指標體系。根據指標的可比性、數據的易獲取性、指標的合理性、體系的簡潔性等原則，從《2016山東省統計年鑒》《2015年度山東省林業資源概況與發展目標》《2015年山東省環境狀況公報》等官方權威資料中提取相應的指標，構建山東省土地生態安全水平的指標體系（表1），并運用該指標體系對山東省17個市進行實證分析。endprint

該指標體系包括的指標有地均GDP（X1）、第三產業增加值（X2）、第三產業占比（X3）、外商直接投資（X4）、單位GDP能耗（X5）、森林覆蓋率（X6）、濕地面積占行政面積比重（X7）、建設用地占比（X8）。其中，地均GDP是一個復合指標，能反映土地的使用效率，該指標值越高，意味著經濟發展空間上更為集中，理論上用于生態層面的土地則相對較多，生態安全水平會更高；第三產業是指不生產物質產品的行業，與第一、第二產業相比，第三產業對土地資源依賴程度較低。因此，第三產業增加值越大、占比越高可以對土地生態安全帶來積極影響。實踐中，近年來山東省在引入外資項目中逐步實現了由以工業為主的第二產業向以金融、投資、教育為主的第三產業轉變；單位GDP能耗表征一個國家經濟活動中對能源的利用程度，經濟結構足夠合理、能源利用效率高有利于提高土地集約利用程度；森林覆蓋率和濕地面積占行政面積比重2項指標則從生態的角度直接體現土地生態安全的狀況；建設用地占比能更直觀地反映區域范圍內土地利用結構是否合理。表1山東省土地生態安全評價指標體系

目標層指標層指標含義指標單位指標性質指標代碼土地生態安全地均GDP指每km2土地創造的GDP億元/km2+X1第三產業增加值指在一定時期內第三產業單位產值的增加值億元+X2第三產業占比指第三產業占總產業產值的比重%+X3外商直接投資指外國企業和經濟組織或個人在我國境內開辦外商獨資企業、與我國境內的企業或經濟組織共同舉辦中外合資經營企業、合作經營企業或合作開發資源的投資，以及經政府有關部門批準的項目投資總額內企業從境外借入的資金萬美元+X4單位GDP能耗指一定時期內一個國家（地區）每生產一個單位的國內（地區）生產總值所消耗的能源t標準煤/萬元-X5森林覆蓋率指一個國家或地區森林面積占土地面積的百分比%+X6濕地面積占行政面積比重指一個國家或地區濕地面積占行政面積的百分比%+X7建設用地占比指一個國家或地區建設用地占土地面積的百分比%-X8注：“+”表示效益型指標；“-”表示成本型指標。

3山東省土地生態安全評價過程

3.1主成分聚類分析

3.1.1主成分分析過程本研究使用SPSS 20.0軟件作為分析工具，考慮不同指標是從不同維度對山東省土地生態安全進行刻畫，彼此間存在著量綱和數量級影響，因此事先需要對原始數據進行正向化處理后再實施標準化處理（表2），以消除量綱差異和數量級影響，需要說明的是標準化處理后相關指標值變為負數，表明該樣本的指標值低于全省該指標的平均水平。同時得到了兩兩指標之間的相關系數矩陣R（表3）。由相關系數矩陣可知，指標之間既存在正負相關也存在強弱相關，且部分指標之間相關性很強，如ZX2與ZX4之間的相關系數為0.88，說明指標之間所攜帶的信息有很大重疊，若直接用于分析，會帶來嚴重的多重共線性問題。需要說明的是，ZX1表示的是原始指標X1經過標準化處理后對應的變量，表3中其他各指標的含義如此類推。

由表4可知，指標間存在較強的相關性，可用主成分分析進行降維。由軟件計算可得KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）統計值為0.713，表明指標體系的整體相關程度很高，Bartlett球形檢驗顯著性P<0.000 1，表明樣本數量充足，相關系數矩陣R為非單位陣，故可以實施主成分分析。矩陣特征值與累計貢獻率如表4所示，提取前3個主成分即提取了樣本84062%的數據信息（前3個特征值的累計貢獻率為84062%）。提取的3個主成分的載荷矩陣如表5所示，其中F1、F2、F3分別表示表示第1、2、3個主成分。由表5可知，F1在ZX1（地均GDP）、ZX2（第三產業增加值）、ZX3（第三產業占比）、ZX4（外商直接投資）4個變量上的荷載值都很大，這些指標都是從經濟層面刻畫經濟發展對土地生態安全的影響，將其定義為經濟發展質量因子；F2在ZX6（森林覆蓋率（%）、ZX7（濕地面積占行政面積比重）2個指標上有較高的載荷，這些指標都是從生態環境層面反映生態環境因素對土地生態安全的影響，可以將其定義為生態環境發展因子；F3在ZX5（單位GDP能耗）、ZX8（建設用地占比）2個變量上的荷載值較高，由于當前山東省各地級市的經濟發展主要依賴于土地財政驅動，從而導致占用耕地現象比較普遍，一定程度上會惡化土地生態安全，而ZX5（單位GDP能耗）從能耗角度間接地反映了土地集約利用程度，這些指標都反映了土地利用結構對土地生態安全的影響，定義為土地利用結構因子。

3.1.2聚類分析過程傳統的聚類分析由于無法消除評價指標之間的相關性而導致聚類結果誤差較大。為消除這一缺陷，本研究運用SPSS 20.0中的聚類分析程序模塊，以上述提煉的3個主成分F1、F2、F3的分析結果作為聚類分析的輸入（F1、F2、F3之間線性無關），對山東省17個市的土地生態安全情況進行聚類分析，得到山東省17個市土地生態安全聚類分析的譜系圖（圖1）。一方面，從實證分析的結果來看，聚類分析的類別結果與主成分分析的排序結果高度吻合，即在主成分分析結果中綜合得分排在前兩位的是青島和濟南，排在最后面一位的是東營，而在聚類分析中，如果按照3類來進行劃分，則聚在第一類的也是青島和濟南，聚在最后一類的是東營，聚類結果與主成分排序結果完全一致，從實證的角度表明本研究所構建的主成分聚類分析模型具有較高的科學合理性；另一方面，從山東省土地生態的實際情況來看，主成分聚類分析的結果與近年來山東省土地生態安全發展實際高度相符，且與已經發表的關于山東省土地生態安全評價學術論文中的結果高度一致。

由上述分析可知，將山東省17個城市土地生態安全評價結果聚成3類比較合適。主成分綜合得分排在第1、第2位的青島和濟南聚為第Ⅰ類（綜合得分接近或高于1分）；東營的綜合得分最低（綜合得分低于-1分），且遠低于其他城市的土地生態安全綜合得分，劃為第Ⅲ類；其他城市如淄博、濰坊、棗莊、泰安、萊蕪、煙臺、威海、臨沂、德州、聊城、濱州、日照、濟寧、菏澤的綜合得分排在中間，聚為第Ⅱ類（綜合得分在-1～1分之間）。此外，從3個類別的城市數量分布來看，聚在Ⅰ類的有2個城市，聚在Ⅱ類的有14個城市，聚在Ⅲ類的有1個城市。3類城市聚類數量基本服從正態分布，具有較強的邏輯合理性，空間分布如圖2所示。endprint

3.2內涵分析

由表6、圖1的對比分析可知，將山東省土地生態安全劃分為低度風險區、中度風險區、高度風險區3種類型。聚類分析的結果與綜合排序完全一致。其中，土地生態安全低度風險區（Ⅰ類）包括青島、濟南2個城市；土地生態安全中度風險區（Ⅱ類）包括淄博、濰坊、棗莊、泰安、萊蕪、煙臺、威海、臨沂、德州、聊城、濱州、日照、濟寧、菏澤14個城市；土地生態安全高度風險區（Ⅲ類）包括東營1個城市。

第Ⅰ類中，限于篇幅，僅以青島為例展開分析。從主成分得分來看，青島市F1得分（3.029）排在第1位，表明青島經濟發展質量很高，對土地生態環境的破壞程度低；F2得分大于0，表明青島生態環境發展因子在全省平均水平之上；土地利用結構因子F3得分略低于全省平均水平。實踐中，從經濟發展狀況來看，青島經濟總量大，GDP總量連年位列全省第一。獨特的自然環境、氣候條件和優越的港口交通基礎設施使青島旅游觀光業和海洋產業對經濟增長貢獻大，對土地的依賴程度小；從生態環境因素看，目前青島經濟發展模式已經實現了由投資驅動向創新驅動轉型。統計數據顯示，近年來發明專利申請量和授權量增長明顯，2015年達44 962件。經濟發展過程中土地資源利用的效率明顯提高。此外，2016年青島設立59處省級生態紅線區，以改善和提高生態系統服務功能，減少水土流失；土地利用結構方面，青島市始終著力優化空間布局，切實節約集約利用土地，嚴格保護耕地和基本農田，有效保護海洋生態環境。因此，土地生態安全風險低。

第Ⅱ類中，城市數量較多，限于篇幅，這里僅以臨沂為例展開分析。由表6可知，臨沂市土地生態安全主成分F1（-0.444）和F3（-0.571）得分均低于平均分，且綜合得分（-0.17）也略低于全省平均值。目前臨沂市已成為省內經濟增長速度快、發展質量高的城市。2016年綜合實力躍居全國百強城市榜第61位。其中，僅服務業對GDP的貢獻率已達到57.3%，經濟增長對土地的依賴程度低。在發展經濟的同時，臨沂市重視保護土地資源及生態平衡，造林面積和耕地面積均全省第一。但臨沂人口眾多，人口數位列山東省首位，2015年末總人口已達1 031.16萬人，導致人均GDP、人均森林面積、人均耕地面積等與土地生態安全有著直接關系的指標值不高，同時臨沂還是山東省水土流失最為嚴重的地區。綜合這些因素，臨沂未能進入Ⅰ類區。

第Ⅲ類屬于土地生態安全高度風險區，僅包括東營1個城市。由表6可知，F1、F2、F3的得分均為負值，遠低于全省平均水平。綜合得分F（-1.04）也是全省最低得分。作為新興的油氣工業城市，東營油田是中國的第二大油田，石化工業在區域經濟中起主導作用，2015年東營第二產業生產總值占比達64.7%，增加值達2 230.61億元。然而東營經濟快速增長的同時也污染了生態環境，大量而頻繁的油氣開采和化工產業生產也使得水資源、土壤、植被被污染，土壤的自凈化恢復能力也得不到恢復，土地生態安全面臨著極大威脅。因此，東營屬于土地生態安全高度風險區。

土地生態安全類別劃分有著重要的現實意義，可以為制定山東省土地資源的開發和利用提供決策參考。由圖2可知，山東省土地生態安全空間分布極不均衡，風險區劃之間差異性大，客觀上需要制定具有針對性的對策建議。結合表6中的聚類結果，山東省政府今后應該將土地生態保護工作的重心放在第Ⅱ類區域，積極提升第Ⅱ類城市生態安全水平，降低土地生態安全風險，謹防其滑入第Ⅲ類區域。同時要積極投入相應的人力、物力和財力，制定科學有效的政策措施，不

斷提高東營市的土地生態安全水平。

4結論

已有同類文獻的土地生態安全評價存在著選取指標數量多、數據收集困難、指標權重易被稀釋等諸多問題，而本研究僅采用少量具有典型性和代表性的指標（8項）進行分析，所得分析結果不僅與同類文獻中所得的結論高度一致，同時還與山東省土地生態安全的具體實際高度相符，表明本研究構建的指標體系具有科學合理性。此外，傳統土地生態評價大多使用單一評價方法展開，無法規避由單一評價方法帶來的自身缺陷。本研究通過構建基于主成分分析和聚類分析的組合模型，充分利用提煉出的主成分之間線性無關的優良特性，將該主成分分析結果作為聚類分析的數據輸入，在使用較少指標的前提下極大地提高了對土地生態安全評價的精度。結果表明，本研究使用聚類分析與主成分分析二者結合所得結果高度一致，同時還與其他文獻關于山東省土地生態安全水平的結論基本相符[7]，客觀上證實了該組合評價方法的科學合理性，可為其他省份開展土地生態安全評價提供方法上的借鑒。當然，土地生態安全水平是一個動態的發展過程，如何結合時間序列數據動態分析山東省土地生態安全的演化過程是今后的一個研究方向。

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