基于因子-聚類分析的河北省土地生態(tài)安全時(shí)空變化

吳子龍,辛軍彩,王 磊,張 浩,苗俊玲,張 睿

（邯鄲學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056005）

土地生態(tài)安全是土地資源利用的基礎(chǔ)，辨別土地生態(tài)系統(tǒng)的安全狀態(tài)，預(yù)先獲知可能面臨的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于促進(jìn)土地資源的優(yōu)化配置和土地利用方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)國(guó)家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要[1]。因此，需要對(duì)土地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行綜合的評(píng)價(jià)分析，協(xié)調(diào)土地資源利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，從而持續(xù)滿足人類生存和發(fā)展的需求。

近年來(lái)，河北省工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平顯著提高，人口迅速增長(zhǎng)，農(nóng)地非農(nóng)業(yè)化過(guò)程增強(qiáng)，人地矛盾突出，已嚴(yán)重影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人民生活水平[2]。在不同的時(shí)間和空間上分析土地生態(tài)安全狀況，對(duì)于維系土地生態(tài)系統(tǒng)安全，以及區(qū)域生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。研究選取跨度10年的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，利用因子-聚類分析方法對(duì)2007年和2017年河北省11 個(gè)城市的土地生態(tài)安全狀況進(jìn)行對(duì)比分析，以期為河北省土地資源利用的現(xiàn)狀及發(fā)展以及土地保護(hù)規(guī)劃制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2007年和2017年河北省11 個(gè)行政市的數(shù)據(jù)來(lái)源于《河北經(jīng)濟(jì)年鑒》[3]。

1.2 構(gòu)建指標(biāo)體系

在選取指標(biāo)時(shí)，綜合國(guó)內(nèi)外研究成果，結(jié)合河北省自然條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境的實(shí)際情況，采用系統(tǒng)分析法，從自然因素、經(jīng)濟(jì)因素、社會(huì)因素3 個(gè)方面選取13 個(gè)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

表1 河北省土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理

采用因子分析、K-均值聚類的統(tǒng)計(jì)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

采用極值法對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，轉(zhuǎn)化到[0，1]，再進(jìn)行因子分析。

具體公式如下：

Zij=[Xij-minj（Xij）]/[maxj（Xij）-minj（Xij）]

（Xij為正向指標(biāo)）

Zij=[maxj（Xij）-Xij]/[maxj（Xij）-minj（Xij）]

（Xij為負(fù)向指標(biāo)）

式中，Zij表示歸一化值，即標(biāo)準(zhǔn)值；Xij為第i個(gè)地區(qū)在第j個(gè)指標(biāo)上的實(shí)際值。

1.4 因子分析

首先，利用SPSS 20.0 軟件對(duì)各指標(biāo)的提取值進(jìn)行方差分析。2007年的13 個(gè)指標(biāo)提取值均在0.723 以上，2017年的指標(biāo)提取值最小為0.837，二者均大于0.7，說(shuō)明提取的公因子能合理表達(dá)變量[4]，可以很好地被用于因子模型的構(gòu)建。

其次，從主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率提取得到公因子。2007年輸出的全部解釋的總方差中，有4 個(gè)因子的主累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為85.298，特征根值＞1；2017年5 個(gè)因子的主累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為92.373%，特征根值＞1，說(shuō)明2007年的4 個(gè)因子、2017年的5 個(gè)因子作為主成分建模是可行的。

再利用正交旋轉(zhuǎn)法得到旋轉(zhuǎn)成分矩陣，以及成份得分系數(shù)矩陣，可使提取的主因子變量更具代表性。

通過(guò)因子分析，2007年的13 個(gè)指標(biāo)壓縮成4 個(gè)綜合指標(biāo)，即F1、F2、F3、F4，2017年壓縮成5 個(gè)綜合指標(biāo)，即F1′、F2′、F3′、F4′、F5′，以各因子占全部因子的權(quán)重進(jìn)行賦權(quán)整合，再運(yùn)用回歸方法估算出各城市的綜合得分。

F2007=0.405 6F1+0.247 3F2+0.182 8F3+0.164 3F4

F2017=0.289 1F1′+0.232 5F2′+0.134 3F3′+0.146 4F4′+0.197 7F5′

1.5 K-均值聚類分析

依照2007年和2017年因子分析的綜合得分，將河北省11 個(gè)城市的土地生態(tài)安全利用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行K-均值聚類，得到分析結(jié)果。

2 結(jié)果與分析

2.1 因子歸類

運(yùn)用因子分析，將2007年土地生態(tài)安全的13 個(gè)指標(biāo)綜合成4 類因子、2017年的13 個(gè)指標(biāo)綜合成5 類因子。第一大類因子在城區(qū)面積、園林綠地面積指標(biāo)上的系數(shù)較大，命名為資源利用因子；第二大類因子在單位耕地面積化肥施用量、城市化水平的系數(shù)較大，命名為環(huán)境壓力因子；第三大類因子的總產(chǎn)值系數(shù)較大，命名為經(jīng)濟(jì)狀態(tài)因子；第四大類的人口自然增長(zhǎng)率系數(shù)較大，命名為社會(huì)壓力因子；第五大類，人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比系數(shù)較大，命名為經(jīng)濟(jì)響應(yīng)因子。第一至第四大類因子，不論是2007年還是2017年，歸類結(jié)果相同。第五大類因子，僅為2017年歸類分析的結(jié)果，相比2007年來(lái)看，經(jīng)濟(jì)因子的比重加大，對(duì)土地生態(tài)安全的影響增強(qiáng)。

2.2 各城市土地生態(tài)安全綜合得分

從圖1 可看出，2007年土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合得分最高的為唐山市，達(dá)0.96分，最低為邢臺(tái)市，為-0.83 分，綜合評(píng)分在0 以上的有5 個(gè)城市，評(píng)分從高到低依次為唐山市、秦皇島市、石家莊市、廊坊市和承德市。2017年土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合得分最高的仍為唐山市，達(dá)0.80 分，最低為張家口市，為-0.79分，綜合評(píng)分在0以上的增加1個(gè)，達(dá)到6個(gè)城市，評(píng)分從高到低依次為唐山市、秦皇島市、邯鄲市、廊坊市、石家莊市和滄州市。張家口市是唯一在2007年和2017年的評(píng)價(jià)綜合得分中沒有變化的城市。

圖1 河北省各市土地生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合得分

2.3 各城市土地生態(tài)安全的聚類

河北省的11 個(gè)城市中，10年間生態(tài)安全評(píng)價(jià)綜合得分變化較大的有承德市、保定市、邯鄲市和邢臺(tái)市，其中得分下降幅度最大的是承德市，從0.10 分降到-0.54 分，其次是保定市，從-0.04 分降到-0.33 分；得分上升的有邯鄲市和邢臺(tái)市，邯鄲市的評(píng)分從-0.04 分上升到0.29 分，上升幅度最大，說(shuō)明同一城市的土地生態(tài)安全狀態(tài)隨時(shí)間進(jìn)程變化有不同程度的變化。

將河北省11個(gè)城市的土地生態(tài)安全進(jìn)行K-均值聚類分析，2007年和2017年均被分成5 類，分別是很安全、安全、臨界安全、不安全、很不安全。從表2 可知，2007年，處于很安全狀態(tài)的城市只有唐山市，處于安全狀態(tài)的城市有石家莊市和秦皇島市，廊坊市和承德市均處于臨界安全狀態(tài)，保定市、滄州市、衡水市和邯鄲市則處于不安全狀態(tài)，張家口市和邢臺(tái)市均處于很不安全狀態(tài)。2017年，廊坊市、邯鄲市、滄州市和邢臺(tái)市的土地生態(tài)安全狀態(tài)有所好轉(zhuǎn)，廊坊市和邯鄲市從不安全狀態(tài)轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)，滄州市轉(zhuǎn)為臨界安全狀態(tài)，邢臺(tái)市轉(zhuǎn)為不安全狀態(tài)。而承德市的土地生態(tài)安全狀態(tài)在2017年有所惡化，由處于臨界安全狀態(tài)轉(zhuǎn)為處于很不安全狀態(tài)，這是由于聚類分析是以因子分析的綜合得分為依據(jù)，而因子分析中，總產(chǎn)值、人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比等經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的系數(shù)較大，因此，土地生態(tài)安全的評(píng)價(jià)結(jié)果往往更傾向于經(jīng)濟(jì)因子的影響，劉鵬等[4]的研究中也出現(xiàn)類似結(jié)果。而張家口市在2007年和2017年的綜合得分均很低，一直處于很不安全狀態(tài)，則需要進(jìn)一步強(qiáng)化退耕還林還草，從耕地管護(hù)、建設(shè)用地治控、未利用土地適度開發(fā)等方面著手，確定土地整治的重點(diǎn)與方向，構(gòu)建良好的土地生態(tài)格局，轉(zhuǎn)變土地生態(tài)的安全狀態(tài)。

表2 河北省11 城市土地生態(tài)安全的聚類

3 結(jié)論

研究表明，河北省的土地生態(tài)安全狀態(tài)在不同的時(shí)間和空間維度上有不同程度的變化。因子分析表明，總產(chǎn)值、人均GDP、第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值占比等經(jīng)濟(jì)因素的相關(guān)影響成都隨時(shí)間推移加大，土地利用的經(jīng)濟(jì)狀況和社會(huì)發(fā)展、自然環(huán)境聯(lián)系緊密，因此，在土地資源保護(hù)和利用規(guī)劃中，將土地自然資源特性與經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)合在一起，統(tǒng)籌構(gòu)建用地布局，維系好耕地、林地、草地、水系和居住建設(shè)用地之間的有機(jī)聯(lián)系，有助于提高土地資源利用的價(jià)值。

聚類分析表明，2017年河北省的城市土地生態(tài)安全狀態(tài)明顯好于2007年，廊坊市和邯鄲市從不安全狀態(tài)轉(zhuǎn)為安全狀態(tài)，滄州市從不安全狀態(tài)轉(zhuǎn)為臨界安全狀態(tài)，邢臺(tái)市從很不安全狀態(tài)轉(zhuǎn)為不安全狀態(tài)，這與嚴(yán)格管理和把控土地、合理利用土地資源有關(guān)。不過(guò)，承德市的土地生態(tài)安全狀態(tài)變差，與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值等經(jīng)濟(jì)因素有關(guān)，在土地資源的利用與經(jīng)濟(jì)輸出上不對(duì)等，還需要進(jìn)一步改善承德市的土地生態(tài)安全狀態(tài)。