基于主成分模糊评价分析的干旱区土地利用生态安全评价

王艺洁，蒲春玲，刘志有，胡 赛，穆飞翔，包 睿，付万年，刘金芝

(新疆农业大学管理学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

基于主成分模糊评价分析的干旱区土地利用生态安全评价

王艺洁，蒲春玲，刘志有，胡 赛，穆飞翔，包 睿，付万年，刘金芝

(新疆农业大学管理学院，新疆 乌鲁木齐 830052)

选取新疆干旱区乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市和五家渠市4市为研究对象，结合其土地生态利用指标，构建4个城市的土地利用生态安全评价指标体系，运用主成分和模糊综合分析法，得出4市的评价等级。结果表明：乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市、五家渠市的评价等级得分为2.323 672、2.675 64、2.391 087、1.961 43，乌鲁木齐市、克拉玛依市和石河子市的评价值都大于2，说明土地利用生态为安全，而五家渠市的土地利用生态为一般。总的来说，这4个市的土地利用生态都为安全。基于评价结果分析，最后提出了提升土地利用生态安全水平的对策建议。

主成分；模糊综合评价；土地利用；生态安全

土地作为人类生产、生活的必要物质基础，健康稳定的土地生态系统对保障国家粮食安全和社会经济可持续发展至关重要。新疆作为干旱区，支撑经济发展的土地生态系统脆弱，近年来对土地资源的过度开发使得土地生态安全存在的问题日益突出。脆弱的土地生态环境已经成为制约全区经济和社会发展的瓶颈，建立保障区域经济社会可持续发展的土地生态安全保障体系已成为经济发展、社会稳定必须考虑和解决的重要问题[1-3]。

目前，国内对土地利用生态安全研究处于探索阶段。曲福田等学者对江苏省土地生态安全问题进行了全面分析，并提出有效的应对措施。刘勇等学者采用综合指数法进行评价土地生态安全综合值，对江苏省3个县市进行了空间差异分析；吴冠岑等学者从自然—经济—社会复合系统入手，依据各子系统协同演变的机理分析，构建评价指标体系，通过对淮安市土地生态安全进行了实证分析；张军以等学者采用综合指数法对重庆市10年的土地生态安全状况进行了动态评价，并进行了趋势分析[4-10]。

大多数研究侧重于某一区域的评价，对城市间对比分析尤其是对干旱区的多个城市土地利用生态安全对比研究相对较少。因此，本研究在已有基础上，以新疆北疆乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市及五家渠市为例，将主成分分析法和模糊综合评价法相结合进行4个城市的土地利用生态安全研究。

1 研究区概况

新疆是典型的内陆干旱区，地缘辽阔，全区土地总面积为166.49万km2，约占全国的1/6。全区未利用土地所占比重较大，同时全区土地质量和土地效率偏低，土地利用结构不合理。2014年全区实现地区生产总值9 273.46亿元，其中第一产业产值1 538.60亿元，占GDP的16.59%，第二产业产值3 948.96亿元，占GDP的42.58%，第三产业产值3 785.90亿元，占GDP的40.83%，新疆主要由第二、三产业带动经济发展。

2 土地生态安全评价研究

2.1 评价指标体系的构建

本研究评价指标体系选取了人均生态用地、人均耕地、人均GDP、城镇化率、人口自然增长率、建城区绿化覆盖率、人均土地面积、生活垃圾处理率、耕地面积比重及第一产业增加值共10个具体指标来综合反映土地生态利用安全，用X1、X2、…、X10表示各评价指标。

2.2 原始数据预处理

使用统计产品与服务解决方案(SPSS)软件直接对原始数据进行运算，提取主成分。利用 SPSS 进行降维处理，计算得出指标X1，X2，…，X10的相关性系数矩阵、主成分贡献率，见表1所示。

表1 主成分贡献率

提取方法：主成分分析

从表1中可以看出，降维后前3个主成分的累计贡献率达到100%，表明前3个主成分基本包含了全部指标的绝大部分信息。用Z1、Z2和Z3表示主成分，同时得出主成分得分系数矩阵，并依据指标得分，构建主成分线性方程。

Z1=0.198X1+(-0.183)X2+0.003X3+

(-0.024)X4+(-0.117)X5+(-0.027)X6+

0.207X7+0.21X8+0.127X9+(-0.073)X10

Z2=(-0.086)X1+0.119X2+0.237X3+

(-0.163)X4+(-0.116)X5+0.224X6+

0.056X7+0.039X8+0.125X9+0.221X10

Z3=(-0.084)X1+0.116X2+0.016X3+

0.655X4+0.251X5+0.272X6+0.050X7+

0.077X8+0.554X9+(-0.112)X10

将评价指标的原始数据(变化量)标准化后，得标准化后的原始数据。见表2所示。

将表1数据代入Z1、Z2和Z3的线性方程，可得出4地的主成分的指标数据，见表3所示。

2.3 综合评价

2.3.1 构建评语等级论语及隶属度

本文将生态安全评价分为3个评价级别即安全、一般、不安全。为利于计算，我们将主观评价的语义学标度进行量化，并依次赋值为 3、2 及 1，详见表4。为便于计算，本文结合主成分指标数据，选取了常见的半梯形函数作为主成分隶属函数。

表2 标准化后原始数据

表3 主成分指标数据 10-2

表4 等级表

Z 对评价等级“安全”的隶属函数为：

Z 对评价等级“一般”的隶属函数为：

Z 对评价等级“不安全”的隶属函数为：

2.3.2 建立模糊隶属矩阵及综合评价

将Z1、Z2和Z3的值分别代入上述隶属函数，计算评判对象对评语集中各元素的隶属程度，可得到模糊隶属矩阵。

用主成分贡献率表示模糊权重向量A，则

A=(0.468 47，0.422 09，0.109 43)

利用加权平均 M(·,⊕)模糊合成算子将A与R合成得到模糊综合评价结果向量B，得出结果如下所示：

B1=(0.323 692，0.676 298，0)；

B2=(0.675 660，0.324 330，0)

B3=(0.421 046，0.549 005，0.029 939)；

B4=(0.145 797，0.669 847，0.184 345)

对综合评价向量E进行等级评定:

E1=0.323 692×3+0.676 298×2+0×1=

2.323 672

E2=0.675 660×3+0.324 330×2+0×1=

2.675 64

E3=0.421 046×3+0.549 005×2+

0.029 939×1=2.391 087

E4=0.145 797×3+0.669 847×2+

0.184 345×1=1.961 43

通过基于主成分分析的模糊综合计算，得出乌鲁木齐市、克拉玛依市、石河子市和五家渠市的评价等级值为2.323 672、2.675 64、2.391 087、1.961 43，乌鲁木齐市、克拉玛依市和石河子市的评价值都大于2，说明土地利用生态安全，五家渠市土地利用生态一般。总的来说，这4个市的土地利用生态都是安全的。

3 评价结果分析

3.1 生态环境因素分析

截止到2015年，4市的人均耕地面积为乌鲁木齐市0.036 323 3 hm2，克拉玛依市0.141 739 hm2，石河子市0.343 475 hm2，五家渠市0.179 047 hm2，联合国粮农组织确定的人均耕地面积0.053 hm2的警戒线，仅有乌鲁木齐市不符合标准，克拉玛依市、石河子市、五家渠市三市皆符合国家耕地政策和新疆粮食安全的要求。但是当人口数量持续增长时，人均耕地面积也随之下降，在此基础上，必须要严格控制城市建设用地对耕地的占用。在4市的土地生态安全评价体系中，人均生态用地占有较大的比重，其人均生态用地乌鲁木齐市为0.810 065 hm2，克拉玛依市为0.528 305 hm2，石河子市为0.825 542 hm2，五家渠市为0.313 648 hm2，也达到了生态建设的要求。由此可得，近年来4市对生态建设的投入不断增加，重视程度不断提高，使绿化水平得到很大程度的提高。

3.2 经济因素分析

现阶段4市的经济持续发展，城市化率符合生态建设目标的要求，人口自然增长得到了控制，人均GDP有显著增加，第一产业增加值不断增加，二、三产业产值也呈现不断增长的态势。在第一产业发展中，影响土地生态安全的重点在于发展中农药、化肥的违规使用。为了保护城市的土地生态，应对化肥农药的使用严加控制。

3.3 社会因素分析

4市的城市化水平较高，人口增长速度开始变缓，人口自然增长率得以控制，符合国家和地方的发展规划和政策。随着城市化的不断发展，大量的农村人口开始涌入城市，城市内的人地矛盾逐渐明显，对建设用地需求不断增加，由此会出现占用耕地、森林破坏等现象，从而影响到生态系统的功能。

4 结 论

现阶段4市的土地利用生态安全水平处于安全值，而为使4市生态安全状况始终保持在安全值内，促进土地资源的可持续利用发展，应在保护生态环境的前提下开展人们的生产、生活活动。应从以下几方面进行：

1)坚持对土地生态的保护，对未遭到破坏的土地加以保护，针对已经遭到破坏的土地进行综合治理，提高土地质量，加大对生态农业的推广。

2)完善相关法律法规，坚持将法律法规落实到实处，同时也要对其实施进行监督管控，真正意义上做到有法必依、执法必严、违法必究。

3)开展土地整治活动，加大对土地生态的保护，优化土地利用结构。

4)建立生态补偿机制，推动土地生态的保护工作的落实，以行政、经济、技术等多种手段加强对土地生态的保护，推动土地资源的可持续利用。

[1] 李莹. 城市生态安全评价研究——以宁波市为例[D]. 杭州：浙江理工大学, 2013.

[2] 刘飞跃, 万哨凯. 基于主成分分析法的吉安市土地利用生态安全评价研究[J]. 安徽农业科学, 2010, 38(11): 5788-5790.

[3] 程淑杰. 宁夏中部干旱带土地利用生态安全格局研究[D]. 银川：宁夏大学, 2014.

[4] 丁新原, 周智彬, 马守臣, 等. 矿粮复合区土地生态安全评价——以焦作市为例[J]. 干旱区地理, 2013, 36(6): 1067-1075.

[5] 范瑞锭, 陈松林, 戴菲, 等. 福建省土地利用生态安全评价[J]. 福建省土地利用生态安全评价, 2010, 26(5): 97-101.

[6] 张小虎, 雷国平, 袁磊, 等. 黑龙江土地生态安全评价[J]. 中国人口·资源与环境, 2009, 19(1): 645-653.

[7] 张松男. 吉林省四平市土地生态安全评价研究[D]. 哈尔滨：东北农业大学, 2013.

[8] 魏宁宁. 山东省南四湖流域土地生态安全评价研究[D]. 曲阜：曲阜师范大学, 2014.

[9] 杨赛明, 徐跃通, 张邦花. 区域土地资源可持续利用的生态安全评价[J]. 中国人口·资源与环境, 2010, 20(3): 325-328.

[10] 冯文斌, 李升峰. 江苏省土地生态安全评价研究[J]. 水土保持通报, 2013(33): 284-285.

Ecological Security Assessment of Land Use in Arid Area on Principal Component Fuzzy

WANG YiJie, PU Chunling, LIU Zhiyou, Hu Sai, MU Feixiang, BAO Rui, FU Wannian, LIU Jinzhi

(CollegeofManagement,XinjiangAgriculturalUniversity,Urumchi,Xinjiang830052,China)

This paper selects the arid area of Xinjiang Urumqi City, including Karamay, Shihezi, Wujiaqu as the research object. It is combined with the ecological land use index in construction of land use of 4 cities of ecological security evaluation index system. We have used principal component analysis method and fuzzy comprehensive evaluation for 4 city-level. The results show that the evaluation of Urumqi, Karamay, Shihezi, Wujiaqu will rate score of 2.323 672, 2.67 564, 2.391 087, 1.96 143. Urumqi City, Karamay city and the evaluation of Shihezi city value is bigger than 2. This indicates that the ecological security of land use, land use and ecological Wujiaqu city should be in general. Overall, the 4 cities of land use and ecology are in security. Based on the analysis of the evaluation results, the paper puts forward some suggestions on how to improve the level of ecological security of land use.

Principal component analysis; Fuzzy comprehensive evaluation; Land use; Ecological security

2017-04-07

国家社会科学基金(14XGL005)

王艺洁(1994-)，女，新疆额敏人，在读硕士研究生，研究方向：资源环境与区域可持续发展，手机：18699057193，E-mail：609287048@qq.com；通讯作者：蒲春玲，E-mail：puchunling@163.com.

X820；F301

A

10.14101/j.cnki.issn.1002-4336.2017.03.045