基于主成分分析法的白山市土地生態安全評價

冷春霞 李國柱

(吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林 四平 136000)

引言

作為人類賴以生存的自然資源,土地是國家社會經濟發展的重要基礎,也是國家安全的重要保障[1]，而對于小地區而言，也是同樣重要的。關于土地，生態的維護和治理是促進土地永續利用的重中之重。生態文明既是人類在處理人與自然關系中獲得積極成果的總和，也是一種更加高級的社會意識形態[2]。所以一個地區長久可持續的發展，土地生態評價和建設是不可或缺的過程方法。東北林區地域生態環境本底質量良好，但是隨著人類活動的加劇，工業的建設發展，致使出現生態用地規模減少、生物多樣性下降、景觀格局破碎化等威脅生態安全的問題[3]。為了保證經濟高質量發展與糧食安全，需要實現新型城鎮化與耕地集約利用的協調發展[4]，由此對土地資源進行生態安全評價，具體分析土地的未來與用途。無論是保障國家的土地資源可持續利用、糧食生態安全、土地集約化的發展等，還是豐富土地管理學科的理論依據，對于土地生態安全評價的研究都是十分重要的。吉林省白山市分布大量的原始森林，近幾年大力發展產業經濟，在發展建設時應合理進行土地生態安全評價，保證綠水青山就是金山銀山。

1 文獻綜述

李強等就燃煤工業區土壤汞含量污染驚醒土地生態評價，為探明黃土高原燃煤工業區不同土地利用方式下土壤中Hg污染特征及空間變異程度，采用地累積指數、潛在生態風險指數等對該區域不同土地利用類型中的Hg含量進行污染和健康風險評價，發現Hg含量空間分布格局整體上表現為中部向南北兩側遞增趨勢，污染嚴重區域主要因為煤炭開采及工業生產等人類擾動因素[5]。胡思漢等對東北礦區進行生態評價，基于Landsat遙感影像，采用遙感生態指數(RSEI)對弓長嶺地區土地生態環境質量進行評價，結果表明1999—2020年總體的生態質量以優為主，所占面積比例均達到80%以上；RSEI均值整體呈先略微上升，然后持續下降，最后上升的變化趨勢；生態質量變化明顯的主要區域為礦區以及城鎮[6]。楊林等以喀斯特地貌為研究對象，從土地生態安全角度出發，基于環境—經濟—社會(EES)模型建立評價指標體系，采用主成分聚類綜合評價方法，對遵義市土地生態安全水平進行評價和比較分析[7]。袁領兄等利用GIS分析技術和層次分析法對太原市規劃區土地生態敏感性進行評價，明確不同土地生態環境敏感區的空間分布格局[8]。呂添貴等基于PSR構建區域生態安全評價指標體系，運用熵權法對江西省生態文明先行示范區2009—2018年生態安全狀況進行評價，結合障礙模型分析了其生態安全障礙因素[9]。程偉等認為土地生態評價是在了解土地數量與質量的基礎上，對土地生態安全狀況進行的研究與評價，以及對土地的生態價值進行的預測和分析的過程[10]，并結合劉衛東和一些外國學者研究報告，提出土地生態評價是由土地生態本底、生態服務、生態適宜性和生態干擾等各個小方面組成[11]。各界學者對土地生態安全評價的研究分析各有不同，但其最終的目標都是保證其研究區域的土地可以持續利用，穩定發展，創造出更大的土地價值，打造更好的生態環境。

2 研究區域

白山市位于N41°21′～42°48′,E126°7′～128°18′，是吉林省東南部、長白山腹地的一個地級市,是吉林省松嫩平原、東北、華北乃至東北亞的自然生態屏障,森林覆蓋率達83.2%，北溫帶大陸性的季風氣候,長白山東北至西南的山脈走向,與東亞季風風向剛好呈現垂直相交,導致該區水熱交換十分強烈,其與朝鮮民主主義人民共和國隔江相望,邊境線長約458.1km,域內有礦產、旅游、林業、特產、水能5大自然資源，轄3縣2區1市,轄區面積17485km2,截至2019年人口達116.5萬人，冠有“長白林海”“雪域王國”“人參之鄉”“立體資源寶庫”和清朝“龍興之地”等美譽[12,13]。對于此類生態環境極好的城市，在進行城市建設時更應充分利用土地生態評價。

3 數據處理

本文所使用的統計數據來源于吉林省環境廳《環境年度公報》，白山市統計局《國民經濟和社會發展統計公報》，包含壓力層(居民消費價格指數(CPI)、基礎設施建設投資、萬元GDP耗能、人均道路面積、人口自然增長率)、狀態層(二氧化硫排放量濃度、環境噪聲等效聲級、耕地面積占總土地面積比重、環境空氣質量Ⅱ級以上天數、地區生產總值億元)、響應層(農、林、牧、漁業增加值、農民人均純收入、人均GDP、衛生機構床位數、高中在校生人數)，其中部分數據數據可由原始數據經數學運算后得出，會有一定的誤差。結合PSR模型選取評價指標，建立評價體系，采用主成分分析法，對白山市2011—2020年土地生態安全狀況差異進行評價。

表1 白山市土地生態安全評價指標體系

3.1 標準化處理

在數據進行主成分分析之前，要盡力消除不同類型指標數據之間的不同量綱影響，即對數據進行標準化的處理。本文選用極差法對原始指標數據進行標準化處理。根據各項指標對土地生態安全的影響方向不同，將評價指標分為積極指標(正向)和消極指標(負向)。2種利用不同的標準化公式，可以得出各項原始數據的標準化指標值，見表2。

積極指標采用上限測度公式：

(1)

消極指標采用下限測度公式：

(2)

式中，Xij表示第i年j項指標的初始值和標準化值；Xmax和Xmin分別為指標歷年最大值和最小值[14]。最終計算的可能出現0和1，為其加上0.01，方便計算權重。

3.2 求權重

熵值法是一種客觀賦權的方法，其通過計算指標的信息熵來決定指標的權重。信息熵越小，系統越有序，攜帶的信息越多，其指標權重越大；反之亦然。所以本文根據各指標值是在10個年份中的差異程度，利用信息熵，計算出各指標的權重，從而實現土地生態安全評價，進行評分。

表2 2011—2020年白山市土地生態安全指標標準化值

計算各項指標的權數：

(3)

(4)

式中，i=1,2,3,…，m；j=1,2,3,…，n，對各子系統指標的權重，Pij為第j個評價指標下第i個評價者所占的比重，ej為第j個評價指標的熵值；m為評價者個數，Sj為第j個評價指標的熵權[15]。所得數值保留了4位小數。

表3 各項指標權重

3.3 主成分分析

主成分分析法是將多個相關聯的指標轉換成少數獨立綜合的指標。具體而言，即在確保信息丟失最少的情況下，對可能包含重復信息的多個相關指標進行降維分析處理，將多個指標轉變為保留大部分信息的幾個互不相關的綜合指標，從而使復雜的研究變簡單，并且在保證研究精確度的同時提高研究工作效率[16]。其處理過程如下。

M個年份，N個選擇指標的原始樣本矩陣X：

X=(Xij)×M×N(i=1,2,…,M;j=1,2,…,N)

計算各個指標之間的相關系數矩陣Rb×b,其特征值的取值范圍為[0,1],Ej為正規化特征向量，由此得到主成分Ti：

Ti=XEj

當第j個主成分的方差貢獻率介于85%～95%時，取前q個主成分T1,T2,…,Tq,那么這個主成分q就可以用來反映原來N個指標的信息。貢獻率公式：

(5)

求研究區各年的生態安全綜合得分W:

W=λ1X1+λ2X2+…+λχXχ

式中，X表示特征值的特征向量(對指標的載荷數)；λ1,λ2,…,λχ表示原始指標的標準化數據[16]。

4 分析與結果

4.1 主成分提取與分析

利用SPSS統計軟件，對標準化后的表2數據進行提取和主成分分析，得出5個主成分因子。如表4所示，Fi的特征值分別為7.124、2.645、1.725、1.393和1.128，初始方差貢獻率為47.495%、17.633%、11.502%、9.29%和7.521%，累計方差貢獻率已經達到93.441%，由此說明這3個主成分已經包容了絕大多數的指標數據信息，可以作為主成分。通過對提取的主成分進行深入分析，可以得到主成分對各項數據指標的載荷矩陣，見表5。旋轉因子載荷矩陣主要是表達各個因子的貢獻率，貢獻率絕對值用于決定該因子主成分。

表4 各主成分的特征值和方差貢獻率

表5 主成分對原始指標數據的載荷情況

由表5分析可知，a1～a15各項指標在主成分F1中的占比例較大，對主成分F1的作用明顯，其中a14衛生機構床位數對主成分F1的作用最高，在載荷數為0.962，a12農民人均純收入的作用較小，載荷數為0.201；在主成分F2中，a1居民消費價格指數(CPI)、a6二氧化硫排放量濃度、a8耕地面積占總土地面積比重、a9環境空氣質量Ⅱ級以上天數和a10地區生產總值的占比較大，載荷數皆在0.5以上；主成分F3中，a5人口自然增長率、a7環境噪聲等效聲級、a10地區生產總值和a13人均GDP的占比較大，載荷數皆在0.5以上，而a15固定投資的載荷數為0，說明主成分F3不能表達這項指標；a11農、林、牧、漁業增加值和a12農民人均純收入在主成分F4中的占比加大，載荷數分別為-0.529和-0.511；在主成分F5中，a7環境噪聲等效聲級和a12農民人均純收入的占比加大啊，a12的載荷數達到0.71。通過以上數據分析，在白山市城市化的進程中，實現土地生態評價以及經濟可持續發展，土地的合理規劃、各項經濟平衡投資、污染物的減排、人才的引進等都是重要的環節過程。

4.2 土地生態安全等級評價

計算各主成分的綜合得分，需要運用SPSS計算各項指標特征值向量(對指標的載荷數)，利用標準化后的數據代入主成分表達式中計算各項指標的主成分得分，再結合主成分方差貢獻率就可以得出各年份的綜合得分，見表6。

表6 2011—2020年白山市土地生態安全評價綜合得分與排名

由表6可知，2011—2020年白山市土地生態安全綜合得分整體是上升狀態，中間由小幅波動。起重工只有2011年的綜合得分為負值-0.8403，土地生態安全最低，2016—2017年綜合得分跨度最大，由1.5242增至5.6740，說明2017年土地生態治理較好，安全得分提高較快。2020年增至最大6.5207，并且有逐年上升的趨勢。說明近10a，白山市的土地生態治理越來越好，人民的生態安全意識越來越高。

5 小結與建議

本文對白山市2011—2020年土地生態安全狀況的變化進行評價，通過主成分分析法，結合PSR模型，對原始數據指標進行標準化處理，消除不同量綱的影響，提取主成分因子，確定指標權重信息，計算主成分的綜合得分。通過以上研究分析可知，在白山市城市化的進程中，為實現土地生態評價以及經濟可持續發展，土地的合理規劃、各項經濟平衡投資、污染物的減排、人才的引進等都是重要的環節過程，總體來看，基礎設施建設投資、萬元GDP耗能、耕地面積占總土地面積比重、二氧化硫排放量濃度、人均GDP是影響白山市土地生態安全狀況的主要因素。2011—2020年白山市土地生態安全綜合得分整體看是上升狀態，中間由小幅波動，說明近10a，白山市的土地生態治理越來越好，人民的生態安全意識越來越高。

通過分析評價結果，為維護土地生態安全，提出以下建議。合理規劃各類建設用地，保障各類土地的集約利用。控制工業廢棄的產生，減少二氧化硫排放。保護良好的生態本底，加強環保產業發展。在土地生態治理的進程中，要謹慎發展，以可持續發展為宗旨，不斷提高環境綜合治理水平，探索綠色創新的新經濟體系，促進區域社會經濟和自然生態環境協調發展。