崔艷琳

（甘肅省國土資源規(guī)劃研究院，甘肅 蘭州730000）

基于主成分分析法的兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價研究

崔艷琳

（甘肅省國土資源規(guī)劃研究院，甘肅 蘭州730000）

文章選擇了人口密度、人口自然增長率、城鎮(zhèn)化率、人均GDP、人均耕地面積、森林覆蓋率、工業(yè)三廢綜合處理率、農(nóng)民人均純收入、經(jīng)濟(jì)密度、有效灌溉面積、人均糧食產(chǎn)量、工業(yè)廢水COD排放量、生活污水COD排放量這十三個指標(biāo)，利用SPSS軟件中的主成分分析方法，對兩當(dāng)縣的土地生態(tài)安全進(jìn)行評價。結(jié)果表明：兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全得分由大到小的順序是：城關(guān)鎮(zhèn)、魚池鄉(xiāng)、顯龍鄉(xiāng)、興化鄉(xiāng)、站兒巷鎮(zhèn)、楊店鄉(xiāng)、金洞鄉(xiāng)、西坡鎮(zhèn)、泰山鄉(xiāng)、云屏鄉(xiāng)、左家鄉(xiāng)、張家鄉(xiāng)。

主成分分析；土地；生態(tài)安全；兩當(dāng)縣；SPSS

土地是地球表面特定地段，由氣候、土壤、水文、地貌、地質(zhì)、動物、植物、微生物及人類活動和結(jié)果等要素所組成的，內(nèi)部存在大量物質(zhì)、能量、信息交換流通，空間連續(xù)，性質(zhì)隨時間不斷變化的一個自然和社會經(jīng)濟(jì)綜合體。土地是非常寶貴的自然資源，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。

生態(tài)安全是區(qū)域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)能夠維持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，發(fā)揮正常功能，并滿足人類生存與社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)［2-4］。生態(tài)安全主要指生態(tài)系統(tǒng)兩個方面的穩(wěn)定：一方面是生物種類的組成和數(shù)量比例相對穩(wěn)定；另一方面是土地系統(tǒng)，即非生物環(huán)境保持相對穩(wěn)定。土地生態(tài)安全是指陸地表層由各種有機(jī)物和無機(jī)物構(gòu)成的土地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不受破壞，同時土地生態(tài)系統(tǒng)為人類提供服務(wù)的質(zhì)量和數(shù)量能夠持續(xù)滿足人類生存和發(fā)展的需要。

隨著工業(yè)化和城市化的飛速發(fā)展，人地矛盾日益突出，土地利用強(qiáng)度不斷增加，導(dǎo)致土地生態(tài)問題日益突出，給我國的土地生態(tài)系統(tǒng)帶來了巨大壓力，土地生態(tài)問題和土地生態(tài)安全也引起了人們的關(guān)注個和重視［5］。本文利用SPSS軟件中的主成分分析方法，構(gòu)建了兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價指標(biāo)體系，對兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全進(jìn)行評價，以期為兩當(dāng)縣土地資源的可持續(xù)利用提供理論基礎(chǔ)。

1　研究區(qū)概況

兩當(dāng)縣位于甘肅省東南部，隴南市東北部，屬長江上游嘉陵江水系。地處東經(jīng)106°12′-106°34′，北緯33°30′-34°15′之間，北靠天水，西鄰徽縣，東面與陜西寶雞鳳縣相連，南面與漢中留壩縣相連。為陜、甘、川三省交通要道，素有“秦隴門戶”、“巴蜀噤喉”之稱，是甘肅省打通四川、陜西經(jīng)濟(jì)通道的重要戰(zhàn)略節(jié)點(diǎn)。兩當(dāng)縣屬半旱落葉闊葉林褐色土地帶，主要土類有褐色土、山地棕壤、淀土、新積土、暗色草甸土、潮土、紅粘土7大類，地勢南北高，中部低，呈馬蹄形，平均海拔約1400m，最高海拔2738m，最低海拔773m。

兩當(dāng)縣轄3鎮(zhèn)9鄉(xiāng)（城關(guān)鎮(zhèn)、站兒巷鎮(zhèn)、西坡鎮(zhèn)、楊店鄉(xiāng)、左家鄉(xiāng)、顯龍鄉(xiāng)、魚池鄉(xiāng)、興化鄉(xiāng)、張家鄉(xiāng)、云屏鄉(xiāng)、泰山鄉(xiāng)、金洞鄉(xiāng)），118個行政村，4個社區(qū)。2013年總?cè)丝?9587人（其中農(nóng)村人口36817人），有漢、回、蒙、藏、苗、彝、壯、滿、侗、朝鮮、維吾爾族等11個民族。旅游景點(diǎn)主要有“兩當(dāng)兵變紀(jì)念館”、“云屏三峽自然風(fēng)景區(qū)”、“靈官峽張果老登真洞”等。

2　評價方法

2.1主成分分析法的定義［6-7］

主成分分析法 （簡稱PCA法），是霍特林于1933年首先提出來的，是利用降維的思想，以損失最少信息為前提，把原來眾多具有一定相關(guān)性的指標(biāo)，重新組合成為一組新的互不相關(guān)的綜合指標(biāo)（稱為主成分，是每個原始變量的線性組合），來代替原來指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計(jì)方法。主成分分析法的優(yōu)勢在于研究復(fù)雜問題時只需考慮少數(shù)幾個主成分而不至于損失太多的信息，且更容易抓住問題的主要矛盾，揭示事物內(nèi)部變量間規(guī)律，使問題簡單化，提高分析問題的效率。

2.2主成分分析法的數(shù)學(xué)模型［8-9］

其中，a1i，a2i，……，api（i=1……，m）為X的協(xié)方差陣Σ的特征值多對應(yīng)的特征向量，ZX1，ZX2，……，ZXP是原始變量經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理的值。

2.3主成分分析法步驟［10-19］

1）選取指標(biāo)與數(shù)據(jù)。

2）進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)行指標(biāo)無量綱化處理。

3）判斷指標(biāo)之間的相關(guān)性，確定原始變量是否適合進(jìn)行因子分析。

4）依據(jù)以下原則：第一，特征根△＞1；第二，累積百分比達(dá)到80%-85%以上的△值對應(yīng)的主成分；第三，根據(jù)特征根變化的突變點(diǎn)決定主成分的數(shù)量，確定主成分?jǐn)?shù)量。

5）對主成分Fi進(jìn)行命名。

6）計(jì)算綜合主成分分值。

綜合主成分分指計(jì)算公式見公式（1）。

式中：X表示特征值的特征向量；a、b等是原始指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

3　兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價

3.1選取指標(biāo)與數(shù)據(jù)

根據(jù)生態(tài)安全評價指標(biāo)選取原則：科學(xué)性、可操作性、可比性、簡潔性等［20］，選擇了人口密度、人口自然增長率、城鎮(zhèn)化率、人均GDP、人均耕地面積、森林覆蓋率、工業(yè)三廢綜合處理率、農(nóng)民人均純收入、經(jīng)濟(jì)密度、有效灌溉面積、人均糧食產(chǎn)量、工業(yè)廢水COD排放量、生活污水COD排放量這十三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價。

3.2指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理

本文數(shù)據(jù)主要來源于 《2013年兩當(dāng)縣統(tǒng)計(jì)年鑒》，因各個指標(biāo)的單位不同，所以對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，也稱無量綱化。

在主成分分析時，SPSS19.0軟件會對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，所以得到的變量都是經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的變量。但SPSS19.0并不直接給出標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，如需要得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，則需要調(diào)用SPSS19.0軟件的“描述統(tǒng)計(jì)”工具進(jìn)行計(jì)算。兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值見表1。

表1　兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

（續(xù)表1）

3.3相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算

計(jì)算原始指標(biāo)之間的相關(guān)性，確定原始變量是否適合進(jìn)行因子分析。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

表2表示的是各指標(biāo)之間的相關(guān)性，兩指標(biāo)之間聯(lián)系系數(shù)的絕對值越大，則這兩指標(biāo)之間的聯(lián)系越緊密［21］。

3.4確定指標(biāo)特征值與貢獻(xiàn)率

確定指標(biāo)特征值與貢獻(xiàn)率，確定主成分因子，并對主成分Fi進(jìn)行命名。利用SPSS19.0軟件，對已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，通過分析指標(biāo)之間的關(guān)系，去除那些沒有明顯分異作用的或互相間存在明顯線性關(guān)系的指標(biāo)，得到主成分因子，見表3。

表3　兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價指標(biāo)初始特征值與貢獻(xiàn)率

由表3可以看出，前四項(xiàng)的累計(jì)值為90.865%，超過了80%，所以將前四項(xiàng)作為兩當(dāng)縣基于主成分分析的土地生態(tài)安全評價的主成分因子。由SPSS軟件直接計(jì)算得到這四個因子對于原始指標(biāo)的載荷狀況，結(jié)果見表4。

表4　兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價初始因子對原始指標(biāo)的載荷狀況

由表4可以看出，生活污水COD排放量、人口密度、經(jīng)濟(jì)密度、有效灌溉面積、農(nóng)民人均純收入、人口自然增長率、工業(yè)廢水COD排放量、工業(yè)三廢綜合處理率在主成分1中的作用明顯，而人均糧食產(chǎn)量、人均耕地面積、人均GDP、森林覆蓋率、城鎮(zhèn)化率等影響相對較弱，這說明人口的變化和工業(yè)的發(fā)展對土地資源的威脅是比較突出的；生活污水COD排放量、人均耕地面積、人口自然增長率、森林覆蓋率、工業(yè)廢水COD排放量、工業(yè)三廢綜合處理率、城鎮(zhèn)化率對主成分2的影響較大，而人口密度、經(jīng)濟(jì)密度、有效灌溉面積、農(nóng)民人均純收入、人均糧食產(chǎn)量、人均GDP對主成分2的影響較小，說明城市化水平的提高對兩當(dāng)縣的環(huán)境壓力比較大；生活污水COD排放量、人口密度、經(jīng)濟(jì)密度、有效灌溉面積、人均糧食產(chǎn)量、人均耕地面積、人均GDP、工業(yè)廢水COD排放量、工業(yè)三廢綜合處理率對主成分的影響大，農(nóng)民人均純收入、森林覆蓋率、城鎮(zhèn)化率對主成分3的影響較小，說明減少生活污水COD排放量對提高土地生態(tài)安全有作用；人均GDP、人口自然增長率、森林覆蓋率、工業(yè)廢水COD排放量對主成分4的影響較大。得到主成分對原始指標(biāo)的載荷狀況，見表5。

表5　兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價主成分對原始指標(biāo)的載荷狀況

3.4計(jì)算綜合主成分分值

根據(jù)計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)和表4-5，結(jié)合公式（1），計(jì)算得到兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價四個主成分對應(yīng)的分值，見表6。

表6　兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價四個主成分分別對應(yīng)的分值

根據(jù)四個主成分分別對應(yīng)的分值，以每個主成分所占四個主成分綜合的比重作為權(quán)重，計(jì)算得到兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價主成分分析綜合得分值及排名，見表7。

表7　兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全評價主成分分析綜合得分及排名

4　結(jié)果分析

如果綜合得分為正，表明該主成分在平均發(fā)展水平之上，且得分較高，說明生態(tài)安全越好；反之，綜合得分為負(fù)，表明該主成分在平均發(fā)展水平之下，得分越低，說明生態(tài)安全越差［22］。

由表7可以看出，兩當(dāng)縣土地生態(tài)安全得分由大到小的順序是：城關(guān)鎮(zhèn)、魚池鄉(xiāng)、顯龍鄉(xiāng)、興化鄉(xiāng)、站兒巷鎮(zhèn)、楊店鄉(xiāng)、金洞鄉(xiāng)、西坡鎮(zhèn)、泰山鄉(xiāng)、云屏鄉(xiāng)、左家鄉(xiāng)、張家鄉(xiāng)。其中，城關(guān)鎮(zhèn)、顯龍鄉(xiāng)、魚池鄉(xiāng)和興化鄉(xiāng)的土地生態(tài)安全評價得分為正值，說明這四個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地生態(tài)安全評價在兩當(dāng)縣平均發(fā)展水平之上，且城關(guān)鎮(zhèn)的得分最高，分值為1.9259，相比其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)其土地生態(tài)安全狀況較好；楊店鄉(xiāng)、左家鄉(xiāng)、站兒巷鎮(zhèn)、西坡鎮(zhèn)、張家鄉(xiāng)、云屏鄉(xiāng)、泰山鄉(xiāng)和金洞鄉(xiāng)的土地生態(tài)安全評價得分為負(fù)值，表明這八個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地生態(tài)安全評價得分在平均發(fā)展水平之下，且張家鄉(xiāng)的得分最低，分值為-0.5781，其土地生態(tài)安全狀況較差。

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