基于SPSS软件的主成分分析法探析——榆次区土地生态系统健康评价

郭琼

（晋中师范高等专科学校，山西 榆次030600）

人口的增长和经济的发展已对某些区域的土地生态系统造成冲击与破坏，某些破坏已经达到甚至超过了土地的生态承受能力。因此，对土地生态系统健康进行科学评价，准确掌握土地生态系统健康状态成为区域可持续发展测度的一个重要内容，也是进行土地生态系统健康分析、土地利用规划与建设、土地生态健康预测和预警的重要依据。

国外将生态系统作为全球环境变化研究的重要领域，其研究内容主要集中在基因工程生态安全、化肥农药等化学物质的施用、对农业生态系统健康与生态安全的影响等方面。

我国对于生态系统健康的研究，还处于起步阶段，把生态系统健康引入具体操作还比较少，并且主要是从土地生态恢复的角度去研究和探讨生态系统健康的问题。

围绕区域环境、经济、社会特点及生态系统结构、功能、服务等问题，针对榆次区的区域特点，依据当前生态系统健康研究理论，建立了生态系统健康状况评价的压力—状态—响应模型，在SPSS软件中运用主成分分析法，对生态系统进行综合分析。

1 材料与方法

1．1 数据材料

本文数据主要来源于榆次区第二次土地调查，通过属性查询，将属于同一乡（镇、办事处）的行政村进行合并，生成乡（镇、办事处）的行政区域面文件（＊．wp）及行政界线文件（＊．wl）。根据属性修改参数，将不同的地类存放于不同图层，再分别输出，得到各主要地类分布图（林地、耕地、建设用地、未利用土地等）。从 MAPGIS中输出属性表，在EXCEL里进行统计，计算各地类的面积、比例和斑块数量，作为健康评价的基础数据。综合指标采用SPSS对标准化之后的数值进行主成分分析，计算得出状态及健康综合指标分值，再用EXCEL图表分析。

1．2 采用主成分分析法进行综合评价的原因

第一，主成分分析的降维处理技术能较好地解决多指标评价的要求。

第二，主成分分析进行多指标综合评价时的权数处理与其他方法相比有很大的区别。主成分分析在进行多指标综合评价时，权数是从信息量和系统效应角度来确定的。在数理统计中，信息量通常是用离差平方和或方差来表示的［1］。

主成分分析计算综合评价时用的是信息量权数。信息量权数是从指标所含区分样本的信息量多少来确定重要程度的。而指标估价权数是根据评价者对指标自身重要程度的估价而确定的，可以人为调整。信息量权数是伴随数学变换过程生成的，不能人为调整。

1．3 主成分分析法具体步骤

运用主成分分析法进行决策时，大体上应分为以下几个步骤进行：

Ⅰ数据标准化；

Ⅱ求相关系数矩阵；

Ⅲ一系列正交变换，使非对角线上的数置0，加到主对角上；

Ⅳ得特征根Xi（即相应那个主成分引起变异的方差），并按照从大到小的顺序把特征根排列；

Ⅴ求各个特征根对应的特征向量；

Ⅵ用下式计算每个特征根的贡献率Vi：

Ⅶ根据特征根及其特征向量解释主成分物理意义。

1．4 指标数界定

结合生态系统健康评价指标的选取原则［2～4］，在选取指标时紧紧围绕生态系统功能和人类活动进行，综合考虑榆次区区域的社会经济发展、土地利用格局状况、土地利用和土地覆被状况，并通过压力—状态—响应指标概念框架来表述［5～9］。具体指标体系见表1。

表1 指标计算实值Table 1 Index calculation real value

1．5 数据处理

在前期的分析研究中已经采样了榆次区各乡镇的多种指标数，标准化处理后各项指标值如表2所示。

表2 标准化后指标值Table 2 After standar dization to the index

2 结果与分析

健康综合指标在SPSS中采用主成分分析法，提取特征值＞1的指标数，如表3所示。

通过表3可以看出，特征值大于1的有3个成分，通过表4的载荷矩阵可以看出，人口密度、人口干扰度、区域平均碳密度、优势度指数、破碎度指数、林地覆盖率、人均收入在第1主成分上有较高的载荷，说明第1主成分基本反映了这些指标的信息；土地垦殖率、多样性指数、均匀度指数、林地覆盖率在第2主成分上有较高的载荷，说明第2主成分在反映了这些指标的信息；破碎度指数、生态弹性度在第3主成分上有较高的载荷，说明第3主成分在反映了这些指标的信息。用3个新变量代替原来的11个变量。

表3 特征值、贡献率和累积贡献率Table 3 Eigenvalue，contribution and cumulative contribution

表4 主成分载荷矩阵Table 4 Main co mponent scores

在整个计算过程中，标准化后的指标数和生态健康都成正向相关，而所引用的指标标准是指标值越小越健康，所以在综合指标归整化处理中做了反向处理，即10－所得值。所得结果如表5所示。

表5 健康综合指数Table 5 Healt hy co mprehensive index grading

通过表5可以看出，长凝镇的主成分1和3所起的作用最大，而主成分1是通过人口密度、人口干扰度、区域平均碳密度、优势度指数、破碎度指数、林地覆盖率、人均收入反映的，主成分3是通过破碎度指数、生态弹性度体现的，说明长凝镇人口密度、人口干扰度、区域平均碳密度、优势度指数、破碎度指数、林地覆盖率、人均收入比较大，由于人口密度、人口干扰度、破碎度指数、人均收入和生态健康指标存在反向影响，而区域平均碳密度、优势度指数、林地覆盖率和生态健康指标属于正向影响，所以说，长凝镇的生态状态较好；受主成分2影响大的是乌金山镇，而主成分2是通过土地垦殖率、多样性指数、均匀度指数、林地覆盖率体现的，同样土地垦殖率和生态指标存在反向影响，说明乌金山镇的生态状态相对还可以；综观健康综合指标数，长凝镇是最高的，由于存在指标负相关影响，长凝镇土地生态系统健康，但是人均收入较低，因此建议能够多发展经济；同理东阳镇的土地生态系统健康最差，而晋中经济开发区、东赵乡、郭家堡乡、张庆乡、修文镇都属于同一区，生态系统健康状态也很不好，因此建议这些乡镇在发展经济的基础上，加快调整生态结构，使经济和生态协调发展。

3 结论与讨论

以榆次区（乡镇）生态系统为评价单元，在分析已有的生态系统健康的理论基础上，根据联合国经济合作开发署提出的压力—状态—响应（P－S－R）模型，设计了榆次区生态系统健康评价的压力—状态—响应指标体系模型及综合评价方法，选取土地压力、人口压力、活力、组织、恢复力、自然系统及人类系统响应等指标进行区域生态系统健康状况评价，采用SPSS科学计算软件中主成分分析法进行生态系统健康的综合指数计算，得出压力、状态、响应及健康综合指标分值。

健康综合分析结果表明：榆次区生态系统健康状况北部和东南部相对良好、城区周围中部地区相对较差。林地和未利用地所占比例较大的地区生态系统健康状况相对良好，耕地所占比例较大的地区生态系统健康状况相对较差，建设用地所占比例较大的地区生态系统健康状况相对较差。这说明地类对生态系统健康的影响有着明显差异。

区域的土地生态系统健康状况是处于动态变化中的，以某一基本时间段为本底，进行时间序列的生态系统健康状况动态变化研究，是很有研究价值和实际意义的。由于时间及数据的限制，只进行了现状评价，但为以后进行土地生态系统健康状况动态变化研究打下了基础。

由于受研究资料数据及手段的限制，建立的指标体系不够完善，如没有采用土壤侵蚀度、坡耕地比例等相关指标。希望今后通过加大数据收集及实地调查力度，对数据及指标体系进行完善。

［1］徐建华．现代地理学中的数学方法［M］．北京：高等教育出版社，2004：205－243：

［2］肖风劲，欧阳华．生态系统健康及其评价指标和方法［J］．自然资源学报，2002（3）：203－209．

［3］Pi mm S L．The complexity and stability of ecosystems［J］．Nature，1984，307：321－326．

［4］钟学斌，喻光明，何国松，等．土地整理过程中碳量损失与生态补偿优化设计［J］．生态学杂志，2006，25（3）：303－308．

［5］Turner M G，Costanza R，Sklar F H．Met hods to compare spatial patterns for landscape modelling and analysis［J］．Ecological modelling，1989，48：1－18．

［6］Ulanowica R E．Growt h and Develop ment：Ecosystems Phenomenology［M］．New Yor k：Spring－Verlag，1986：1－15．

［7］袁兴中，刘红，陆健健．生态系统健康评价——概念构架与指标选择［J］．应用生态学报，2001（4）：627－629．

［8］陈述彭，鲁学军，周成虎．地理信息系统导论［M］．北京：科学出版社，2000：102－132．

［9］张志诚，欧阳华，肖风劲．生态系统健康研究现状及其定量化研究初探［J］．中国生态农业学报，2004，12（3）：184－187．