基于SPSS軟件的生態安全水平演變趨勢分析
----以河南省水環境為例

郭 倉，樊萬選，張滿滿

(1.鄭州工商學院,鄭州 451400；2.河南省地學生態科學研究院, 鄭州 450002；3.鄭州大學環境政策規劃評價研究中心, 鄭州 450002)

0 引 言

生態安全概念的提出雖然已有十多年，查閱大量相關文獻資料，其總體有廣義和狹義兩種概念[1]。生態安全格局的廣義概念以美國國際應用系統分析研究所(IASA)1989年提出的為代表，它認為生態安全格局是復合的人工生態安全格局，包括自然經濟生態安全格局、生態安全格局和社會生態安全格局；狹義的生態安全格局定義主體為人類生態系統安全，以人類賴以生存的自然環境為對象[2]，包括飲用水、地表水、空氣質量和綠色環境等基本要素。一般我們所說的生態安全格局是狹義的生態安全格局，即人與自然生態安全格局。

2000年國務院發布了《全國生態環境保護綱要》，首次明確提出“維護國家生態環境安全”的目標，但是目前國內對生態安全的單因素水環境的評價則不多[3-5]，其評價指標體系、評價模型、評價標準及評價方法的研究尚處于探索研究階段。

本文運用由經濟合作發展組織(OECD)與聯合國環境規劃署(UNEP)于1990年提出的環境P-S-R概念模型，即壓力-狀態-響應模型[6-11]，在查閱大量國內外文獻資料借鑒其研究成果的基礎上[12]，結合河南省水資源缺乏且區域分布不均的現狀，構建水環境生態安全評價指標體系，并采用主成分分析法對河南省2010-2016年間的水環境生態安全水平發展趨勢進行分析，為河南省水環境生態安全管理和可持續發展提供科學依據和指導。

1 研究區域概況

河南省地處中原，跨海河、黃河、淮河、長江四大流域，總面積16.7 萬km2。其中海河流域1.53 萬km2，占全省總面積的9.1%；黃河流域3.62 萬km2，占全省總面積的21.7%；淮河流域8.83 萬km2，占全省總面積的52.9%；長江流域2.72 萬km2，占全省總面積的16.3%。河南省水系圖見圖1所示。

圖1 河南省水系圖Fig.1 The water map of Henan Province

河南省是中國農產品和食品工業的重要生產基地，小麥產量占全國的1/4。2013末，全省常住人口9 413 萬人，居全國第三，全省水資源總量215.2 億m3，人均水資源量228.69 m3/人，遠低于全國人均水資源量(2 059.70 m3/人)。河南省是我國的農業大省、經濟大省，2008年以來年GDP總量均位居全國第五[13]，但是隨著經濟的快速發展，環境問題日益彰顯，水環境生態安全面臨著較為嚴峻的挑戰。

近年來省委、省政府高度重視環境保護和生態建設，不斷加快城鎮污水處理設施和節能減排重點工程建設，推進城市河流綜合治理，取得了明顯成效，城市水環境質量有所改善。但是仍有一些城區河流水質類別為劣V類，黑臭水體數量較多，且部分河流由于缺乏天然徑流，河流自凈能力弱，沿途接納城鎮生活污水、工業廢水、養殖廢水等，加重河流污染負荷，水源型缺水和水質性缺水問題并存，導致部分河流河水顏色發黑、垃圾漂浮、氣味刺鼻發臭，與人民群眾的環境需求還有較大差距。

2 研究方法

2.1 數據來源

本文原始數據來源于《河南省水資源公報》(2010-2016年)、《河南省環境統計公報》(2010-2016年)和《河南省統計年鑒》(2011-2017年)。

2.2 指標體系構建

評價指標的選定是研究河南省水環境生態安全的關鍵內容，所選用的指標應能夠完全反映水生態安全水平現狀。本文在遵循科學性、代表性、可操作性、系統性、盡可能定量性、可發展性、相關性等原則的基礎上[14]，結合河南省水環境現狀及目前較為突出的水環境問題，對河南省水環境生態安全評價指標體系框架擬構建為三個層次，分別為目標層、準則層和指標層，分別選用16、6和7個指標，共計29個指標，具體指標體系構建框架見表1。

表1 河南省水環境生態安全評價指標體系Tab.1 The index systen of water environmentecological safety evaluation in Henan

表1中指標性質一列中標出的正向和負向指標是根據所選評價指標對水環境生態安全的影響作用不同做出的推斷[3]。正向指標含義：狀態系統中的正向指標值越大，表明水環境生態安全狀況越好，如水資源總量、年降水量等；響應系統中指標值越大，表明維護和改善水環境生態安全的能力越強，水環境生態安全狀況越好，如供水總量、水功能區水質達標率、環保投資占GDP比例等。負向指標含義：負向指標值越大，表明水環境生態安全狀況越差，如年末人口、有效灌溉面積、廢水排放量等。

2.3 主成分分析

主成分分析法是把多項指標轉化成少數幾個綜合指標，且能夠克服人為主觀因素對評價結果產生影響的缺陷，提高了評價體系的客觀性和數據質量，經處理后的數據可信度大大提高[15-18]。

水環境生態安全包含的內容是多方面的，選用的指標也是多方面的，本文選用了29個指標，這些指標分別從不同方面反映河南省水環境生態安全評價的狀況，但是這些指標間還存在有內在聯系，而主成分分析法是在保證信息最少丟失的原則下，對原來指標進行降維處理，能夠簡化復雜的研究，故本文選用主成分分析法進行分析。

主成分分析的各步驟可通過社會科學統計軟件SPSS (Statistical Program for Social Sciences)高效率完成，該軟件是世界上最早的統計分析軟件，目前已經廣泛應用于眾多領域和行業[19-23]。運用SPSS16.0軟件對各指標相關性的進行統計分析。

2.3.1 主成分因子提取結果

運用SPSS16.0軟件，提取主成分的特征值、方差貢獻率、累積方差貢獻率和各因子的載荷信息見表2。

表2 指標特征值與貢獻率Tab.2 The index characteristic value and contribution rate

按照特征值大于1的原則，提取前4個公因子，其累計方差貢獻率達98.12%，各主成分載荷見表5，而前三個主成分的累積方差貢獻率為90.92%，已超出主成分選取時對累積貢獻率的要求(≥85%)，能夠反映原始29個變量的絕大部分信息，具有顯著的代表性，可以滿足分析問題的需要。

從主成分載荷大小來看，與第一主成分密切相關的是人口，生產總值，化肥、農藥、薄膜的使用量，工業廢水中COD、氨氮排放量，人均和單位GDP用水量等，這些指標與第一主成分的相關系數的絕對值都超過了0.9，此外第一主成分中供水總量、參與評價的水功能區個數、城市排水基礎設施投資和環境污染治理投資的載荷系數也超過也0.75，說明第一主成分反映了人類活動消耗的水量及外排污染物對水質的影響。與第二主成分密切相關的是有效灌溉面積、工業廢水排放量、城市水功能區水質達標率和環境污染治理投資占GDP比重等指標，說明第二主成分反映了人類利用水資源的方式和對水體污染治理的重視程度。與第三主成分密切相關的是城鎮生活污水COD、氨氮的排放量及酸雨的平均發生率，城鎮生活污水中COD和氨氮的增多會導致水體中溶解氧的減少；酸雨的發生是空氣中SO2和NOX所致，酸雨的發生率能夠間接反映大氣中酸性污染物對水體環境的影響，總之，第三主成分是在第一主成分的基礎上進一步反映了水體受到生活污水污染和工業廢水、廢氣的污染。

表3 主成分因子載荷Tab.3 The index load factor of principle components

從方差貢獻率可以看出，第一主成分的方差貢獻率為65.15%，遠大于第二和第三主成分的方差貢獻率17.16%和8.61%，所以第一主成分是最重要的，包含的信息最多，對河南省水環境生態安全的變化影響最大，即河南省水環境生態安全程度主要是由第一主成分決定的，即由人口，生產總值，化肥、農藥、薄膜的使用量，工業廢水中COD、氨氮排放量，人均和單位GDP用水量等控制，其次受控于河南省政府對水體污染治理投資情況和重視程度。

2.3.2 主成分各指標系數的確定

主成分各指標系數的確定是利用表5中的各指標載荷除以表4中主成分相對應的特征值開平方根所得到，例如，對F1所包含的各級指標相應系數計算結果分別為：X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8等的系數為0.208、0.228、0.227、0.220、0.125、0.222、0.221、0.221等，即：

F1=0.208X1+0.228X2+0.227X3+0.220X4+

0.125X5+0.222X6+0.221X7+0.221X8+…

同理可得出：

F2=0.106X1+0.006X2+0.034X3+0.065X4+

0.297X5+0.092X6+0.062X7-0.004X8+…

F3=0.081X1+0.018X2+0.027X3-0.022X4+

0.209X5-0.039X6+0.081X7-0.063X8+…

主成分綜合評價值F：

F=A1F1+A2F2+A3F3

2.3.3 主成分評價結果

按照以上計算方法，并結合標準化數據，最終得出2010-2016年河南省水生態安全水平的各指標層綜合得分變化趨勢(圖2)。

圖2 2010-2016年河南省水環境生態安全水平變化趨勢圖Fig.2 The Trend of water environment ecological security in Henan from 2010 to 2016

壓力、狀態、響應及綜合得分越大表示水環境生態安全狀況越好，由圖1可知，2010-2016年，壓力指數整體呈逐年上升趨勢且變化幅度較大，由2010年的-2.900上升到2015年的2.418，5年內上升了219.93%，表明人類生產活動對水環境造成的壓力相對逐年減弱。但是2015-2016年，壓力指數又稍有降低，這主要是因為載荷較大的COD和氨氮排放量分別由2015年的30.45、3.09萬t逐年下降到2016年的17.07、1.27萬t，分別減小了43.94%和58.90%。此外，人均年用水量和單位GDP用水量這兩項指標是近年來國內較多用來反映用水效率和水資源壓力的指標，而河南省在2010-2016年期間這兩項用水指標值分別介于207～256 L/d和64～116 t/萬元，均遠遠小于全國平均水平441.5～455.5 L/d和122～130 t/萬元，很大程度上減小了河南省水資源短缺的壓力。

狀態指數呈波動性上升趨勢，2010-2016年間整體上升了1.359，但是2013年下降幅度較為顯著，狀態指數較2012年下降了0.289，可能是因為酸雨平均發生率較2012年上升了33.33%。狀態指數的整體上升間接反映了水資源自然狀態面臨的人類對水環境生態安全的威脅取得逐步好轉。

響應安全指數整體呈上升趨勢，但上升幅度不顯著。響應指標層中第一主成分載荷較高的環境污染治理投資該項指標逐年增加，尤其最近兩年呈現更大的增幅，2014～2016年的環境污染治理投資分別為1 401 124 萬元、1 782 135 萬元和2 880 995 萬元，2015年和2016年該項指標分別增長27.19%和61.66%。以上數據說明近年來河南省政府已加大力度投入水環境保護與改善措施，雖然已采取的措施有效促進了河南省水環境生態安全的逐漸改善，但是從響應指數上升幅度有限來看河南省的水環境生態環保的投入力度還需加大。

從河南省水環境生態安全綜合評價指數來看，綜合指數的變化趨勢同壓力、響應指數變化趨勢一致，均是整體呈逐年上升趨勢，但是2016年較2015年有所下降，表明河南省水環境綜合得分值在很大程度上是壓力和響應系統的貢獻，尤其來自響應系統的貢獻。河南省水環境安全綜合指數整體上升說明近年來河南省水環境健康狀況逐漸有所好轉，但近兩年稍有下降趨勢，仍需加大對水環境的治理，以改善水環境質量為核心，提高水環境生態系統自身應對外界壓力脅迫的水平。

3 結 語

本文通過建立評價指標體系，運用SPSS軟件對2010-2016年河南省水環境生態安全水平進行主成分分析評價，并通過對所選取指標進行主成分歸類分析，最終得出以下結論。

(1)對本文選用的29個指標進行主成分分析最終歸納為三個主成分，第一主成分反映了人類活動消耗的水量及外排污染物對水質的影響；第二主成分反映了人類利用水資源的方式和對水體污染治理的重視程度，第三主成分在第一主成分的基礎上進一步反映了水體受到生活污水污染和工業廢水、廢氣的污染。其中第一主成分的方差貢獻率為65.15%，遠大于第二和第三主成分，因此，第一主成分是最重要的，包含的信息最多，對河南省水環境生態安全的變化影響最大，即河南省水環境生態安全程度主要是由第一主成分決定的，即由人口，生產總值，化肥、農藥、薄膜的使用量，工業廢水中COD、氨氮排放量，人均和單位GDP用水量等控制，其次受控于河南省政府對水體污染治理投資情況和重視程度。

(2)從河南省水環境生態安全綜合評價指數來看，綜合指數的變化趨勢同壓力、響應指數變化趨勢一致，均是整體呈逐年上升趨勢，說明近年來河南省水環境健康狀況逐漸有所好轉，但近兩年稍有下降趨勢，仍需加大對水環境的治理，以改善水環境質量為核心，提高水環境生態系統自身應對外界壓力脅迫的水平。

(3)2010-2016年，壓力指數整體呈逐年上升趨勢且變化幅度較大，表明人類生產活動對水環境造成的壓力相對減弱，主要原因為河南省的人均年用水量和單位GDP用水量這兩項指標均遠遠小于全國平均水平441.5～455.5 L/d和122～130 t/萬元，很大程度上緩解了全省的水資源壓力。狀態指數呈波動性上升趨勢，間接反映了水資源自然狀態面臨的人類對其壓力需求對水環境生態安全的威脅得到逐步緩解。響應安全指數整體呈上升趨勢，但上升幅度不顯著，說明河南省政府雖已采取措施有效促進了河南省水環境生態安全的逐漸改善，但是從響應指數上升幅度的有限性來看河南省水環境生態環保的投入力度還需加大。