基于主成分分析法的两当县土地生态安全评价研究

崔艳琳

（甘肃省国土资源规划研究院，甘肃 兰州730000）

基于主成分分析法的两当县土地生态安全评价研究

崔艳琳

（甘肃省国土资源规划研究院，甘肃 兰州730000）

文章选择了人口密度、人口自然增长率、城镇化率、人均GDP、人均耕地面积、森林覆盖率、工业三废综合处理率、农民人均纯收入、经济密度、有效灌溉面积、人均粮食产量、工业废水COD排放量、生活污水COD排放量这十三个指标，利用SPSS软件中的主成分分析方法，对两当县的土地生态安全进行评价。结果表明：两当县土地生态安全得分由大到小的顺序是：城关镇、鱼池乡、显龙乡、兴化乡、站儿巷镇、杨店乡、金洞乡、西坡镇、泰山乡、云屏乡、左家乡、张家乡。

主成分分析；土地；生态安全；两当县；SPSS

土地是地球表面特定地段，由气候、土壤、水文、地貌、地质、动物、植物、微生物及人类活动和结果等要素所组成的，内部存在大量物质、能量、信息交换流通，空间连续，性质随时间不断变化的一个自然和社会经济综合体。土地是非常宝贵的自然资源，是人类赖以生存和发展的物质基础［1］。

生态安全是区域内生态系统能够维持自身结构稳定，发挥正常功能，并满足人类生存与社会经济可持续发展的状态［2-4］。生态安全主要指生态系统两个方面的稳定：一方面是生物种类的组成和数量比例相对稳定；另一方面是土地系统，即非生物环境保持相对稳定。土地生态安全是指陆地表层由各种有机物和无机物构成的土地生态系统的结构不受破坏，同时土地生态系统为人类提供服务的质量和数量能够持续满足人类生存和发展的需要。

随着工业化和城市化的飞速发展，人地矛盾日益突出，土地利用强度不断增加，导致土地生态问题日益突出，给我国的土地生态系统带来了巨大压力，土地生态问题和土地生态安全也引起了人们的关注个和重视［5］。本文利用SPSS软件中的主成分分析方法，构建了两当县土地生态安全评价指标体系，对两当县土地生态安全进行评价，以期为两当县土地资源的可持续利用提供理论基础。

1　研究区概况

两当县位于甘肃省东南部，陇南市东北部，属长江上游嘉陵江水系。地处东经106°12′-106°34′，北纬33°30′-34°15′之间，北靠天水，西邻徽县，东面与陕西宝鸡凤县相连，南面与汉中留坝县相连。为陕、甘、川三省交通要道，素有“秦陇门户”、“巴蜀噤喉”之称，是甘肃省打通四川、陕西经济通道的重要战略节点。两当县属半旱落叶阔叶林褐色土地带，主要土类有褐色土、山地棕壤、淀土、新积土、暗色草甸土、潮土、红粘土7大类，地势南北高，中部低，呈马蹄形，平均海拔约1400m，最高海拔2738m，最低海拔773m。

两当县辖3镇9乡（城关镇、站儿巷镇、西坡镇、杨店乡、左家乡、显龙乡、鱼池乡、兴化乡、张家乡、云屏乡、泰山乡、金洞乡），118个行政村，4个社区。2013年总人口49587人（其中农村人口36817人），有汉、回、蒙、藏、苗、彝、壮、满、侗、朝鲜、维吾尔族等11个民族。旅游景点主要有“两当兵变纪念馆”、“云屏三峡自然风景区”、“灵官峡张果老登真洞”等。

2　评价方法

2.1主成分分析法的定义［6-7］

主成分分析法 （简称PCA法），是霍特林于1933年首先提出来的，是利用降维的思想，以损失最少信息为前提，把原来众多具有一定相关性的指标，重新组合成为一组新的互不相关的综合指标（称为主成分，是每个原始变量的线性组合），来代替原来指标的一种多元统计方法。主成分分析法的优势在于研究复杂问题时只需考虑少数几个主成分而不至于损失太多的信息，且更容易抓住问题的主要矛盾，揭示事物内部变量间规律，使问题简单化，提高分析问题的效率。

2.2主成分分析法的数学模型［8-9］

其中，a1i，a2i，……，api（i=1……，m）为X的协方差阵Σ的特征值多对应的特征向量，ZX1，ZX2，……，ZXP是原始变量经过标准化处理的值。

2.3主成分分析法步骤［10-19］

1）选取指标与数据。

2）进行指标数据标准化，进行指标无量纲化处理。

3）判断指标之间的相关性，确定原始变量是否适合进行因子分析。

4）依据以下原则：第一，特征根△＞1；第二，累积百分比达到80%-85%以上的△值对应的主成分；第三，根据特征根变化的突变点决定主成分的数量，确定主成分数量。

5）对主成分Fi进行命名。

6）计算综合主成分分值。

综合主成分分指计算公式见公式（1）。

式中：X表示特征值的特征向量；a、b等是原始指标标准化数据。

3　两当县土地生态安全评价

3.1选取指标与数据

根据生态安全评价指标选取原则：科学性、可操作性、可比性、简洁性等［20］，选择了人口密度、人口自然增长率、城镇化率、人均GDP、人均耕地面积、森林覆盖率、工业三废综合处理率、农民人均纯收入、经济密度、有效灌溉面积、人均粮食产量、工业废水COD排放量、生活污水COD排放量这十三项指标进行两当县土地生态安全评价。

3.2指标标准化处理

本文数据主要来源于 《2013年两当县统计年鉴》，因各个指标的单位不同，所以对其进行标准化处理，也称无量纲化。

在主成分分析时，SPSS19.0软件会对原始数据进行标准化处理，所以得到的变量都是经过标准化处理后的变量。但SPSS19.0并不直接给出标准化后的数据，如需要得到标准化数据，则需要调用SPSS19.0软件的“描述统计”工具进行计算。两当县土地生态安全评价指标标准化值见表1。

表1　两当县土地生态安全评价指标标准化值

（续表1）

3.3相关系数矩阵计算

计算原始指标之间的相关性，确定原始变量是否适合进行因子分析。计算结果见表2。

表2　两当县土地生态安全评价指标相关系数矩阵

表2表示的是各指标之间的相关性，两指标之间联系系数的绝对值越大，则这两指标之间的联系越紧密［21］。

3.4确定指标特征值与贡献率

确定指标特征值与贡献率，确定主成分因子，并对主成分Fi进行命名。利用SPSS19.0软件，对已经标准化的指标数据进行主成分分析，通过分析指标之间的关系，去除那些没有明显分异作用的或互相间存在明显线性关系的指标，得到主成分因子，见表3。

表3　两当县土地生态安全评价指标初始特征值与贡献率

由表3可以看出，前四项的累计值为90.865%，超过了80%，所以将前四项作为两当县基于主成分分析的土地生态安全评价的主成分因子。由SPSS软件直接计算得到这四个因子对于原始指标的载荷状况，结果见表4。

表4　两当县土地生态安全评价初始因子对原始指标的载荷状况

由表4可以看出，生活污水COD排放量、人口密度、经济密度、有效灌溉面积、农民人均纯收入、人口自然增长率、工业废水COD排放量、工业三废综合处理率在主成分1中的作用明显，而人均粮食产量、人均耕地面积、人均GDP、森林覆盖率、城镇化率等影响相对较弱，这说明人口的变化和工业的发展对土地资源的威胁是比较突出的；生活污水COD排放量、人均耕地面积、人口自然增长率、森林覆盖率、工业废水COD排放量、工业三废综合处理率、城镇化率对主成分2的影响较大，而人口密度、经济密度、有效灌溉面积、农民人均纯收入、人均粮食产量、人均GDP对主成分2的影响较小，说明城市化水平的提高对两当县的环境压力比较大；生活污水COD排放量、人口密度、经济密度、有效灌溉面积、人均粮食产量、人均耕地面积、人均GDP、工业废水COD排放量、工业三废综合处理率对主成分的影响大，农民人均纯收入、森林覆盖率、城镇化率对主成分3的影响较小，说明减少生活污水COD排放量对提高土地生态安全有作用；人均GDP、人口自然增长率、森林覆盖率、工业废水COD排放量对主成分4的影响较大。得到主成分对原始指标的载荷状况，见表5。

表5　两当县土地生态安全评价主成分对原始指标的载荷状况

3.4计算综合主成分分值

根据计算得到的标准化数据和表4-5，结合公式（1），计算得到两当县土地生态安全评价四个主成分对应的分值，见表6。

表6　两当县土地生态安全评价四个主成分分别对应的分值

根据四个主成分分别对应的分值，以每个主成分所占四个主成分综合的比重作为权重，计算得到两当县土地生态安全评价主成分分析综合得分值及排名，见表7。

表7　两当县土地生态安全评价主成分分析综合得分及排名

4　结果分析

如果综合得分为正，表明该主成分在平均发展水平之上，且得分较高，说明生态安全越好；反之，综合得分为负，表明该主成分在平均发展水平之下，得分越低，说明生态安全越差［22］。

由表7可以看出，两当县土地生态安全得分由大到小的顺序是：城关镇、鱼池乡、显龙乡、兴化乡、站儿巷镇、杨店乡、金洞乡、西坡镇、泰山乡、云屏乡、左家乡、张家乡。其中，城关镇、显龙乡、鱼池乡和兴化乡的土地生态安全评价得分为正值，说明这四个乡镇的土地生态安全评价在两当县平均发展水平之上，且城关镇的得分最高，分值为1.9259，相比其他乡镇其土地生态安全状况较好；杨店乡、左家乡、站儿巷镇、西坡镇、张家乡、云屏乡、泰山乡和金洞乡的土地生态安全评价得分为负值，表明这八个乡镇的土地生态安全评价得分在平均发展水平之下，且张家乡的得分最低，分值为-0.5781，其土地生态安全状况较差。

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