基于因子-聚类分析的河北省土地生态安全时空变化

吴子龙,辛军彩,王 磊,张 浩,苗俊玲,张 睿

（邯郸学院 生命科学与工程学院，河北 邯郸 056005）

土地生态安全是土地资源利用的基础，辨别土地生态系统的安全状态，预先获知可能面临的环境污染风险，对于促进土地资源的优化配置和土地利用方式的转变，实现国家和地区的经济可持续发展以及生态环境保护至关重要[1]。因此，需要对土地生态系统进行综合的评价分析，协调土地资源利用与社会经济、环境保护的关系，从而持续满足人类生存和发展的需求。

近年来，河北省工业化、城镇化、农业现代化水平显著提高，人口迅速增长，农地非农业化过程增强，人地矛盾突出，已严重影响社会经济发展与人民生活水平[2]。在不同的时间和空间上分析土地生态安全状况，对于维系土地生态系统安全，以及区域生态文明建设具有重要意义。研究选取跨度10年的时间节点，利用因子-聚类分析方法对2007年和2017年河北省11 个城市的土地生态安全状况进行对比分析，以期为河北省土地资源利用的现状及发展以及土地保护规划制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

2007年和2017年河北省11 个行政市的数据来源于《河北经济年鉴》[3]。

1.2 构建指标体系

在选取指标时，综合国内外研究成果，结合河北省自然条件和社会经济环境的实际情况，采用系统分析法，从自然因素、经济因素、社会因素3 个方面选取13 个指标建立评价指标体系，如表1所示。

表1 河北省土地生态安全评价指标体系

1.3 数据标准化处理

采用因子分析、K-均值聚类的统计方法对数据进行处理分析。

采用极值法对各指标数据进行标准化处理，转化到[0，1]，再进行因子分析。

具体公式如下：

Zij=[Xij-minj（Xij）]/[maxj（Xij）-minj（Xij）]

（Xij为正向指标）

Zij=[maxj（Xij）-Xij]/[maxj（Xij）-minj（Xij）]

（Xij为负向指标）

式中，Zij表示归一化值，即标准值；Xij为第i个地区在第j个指标上的实际值。

1.4 因子分析

首先，利用SPSS 20.0 软件对各指标的提取值进行方差分析。2007年的13 个指标提取值均在0.723 以上，2017年的指标提取值最小为0.837，二者均大于0.7，说明提取的公因子能合理表达变量[4]，可以很好地被用于因子模型的构建。

其次，从主成分的累计方差贡献率提取得到公因子。2007年输出的全部解释的总方差中，有4 个因子的主累计方差贡献率为85.298，特征根值＞1；2017年5 个因子的主累计方差贡献率为92.373%，特征根值＞1，说明2007年的4 个因子、2017年的5 个因子作为主成分建模是可行的。

再利用正交旋转法得到旋转成分矩阵，以及成份得分系数矩阵，可使提取的主因子变量更具代表性。

通过因子分析，2007年的13 个指标压缩成4 个综合指标，即F1、F2、F3、F4，2017年压缩成5 个综合指标，即F1′、F2′、F3′、F4′、F5′，以各因子占全部因子的权重进行赋权整合，再运用回归方法估算出各城市的综合得分。

F2007=0.405 6F1+0.247 3F2+0.182 8F3+0.164 3F4

F2017=0.289 1F1′+0.232 5F2′+0.134 3F3′+0.146 4F4′+0.197 7F5′

1.5 K-均值聚类分析

依照2007年和2017年因子分析的综合得分，将河北省11 个城市的土地生态安全利用SPSS 20.0 软件进行K-均值聚类，得到分析结果。

2 结果与分析

2.1 因子归类

运用因子分析，将2007年土地生态安全的13 个指标综合成4 类因子、2017年的13 个指标综合成5 类因子。第一大类因子在城区面积、园林绿地面积指标上的系数较大，命名为资源利用因子；第二大类因子在单位耕地面积化肥施用量、城市化水平的系数较大，命名为环境压力因子；第三大类因子的总产值系数较大，命名为经济状态因子；第四大类的人口自然增长率系数较大，命名为社会压力因子；第五大类，人均GDP、第三产业产值占比系数较大，命名为经济响应因子。第一至第四大类因子，不论是2007年还是2017年，归类结果相同。第五大类因子，仅为2017年归类分析的结果，相比2007年来看，经济因子的比重加大，对土地生态安全的影响增强。

2.2 各城市土地生态安全综合得分

从图1 可看出，2007年土地生态安全评价综合得分最高的为唐山市，达0.96分，最低为邢台市，为-0.83 分，综合评分在0 以上的有5 个城市，评分从高到低依次为唐山市、秦皇岛市、石家庄市、廊坊市和承德市。2017年土地生态安全评价综合得分最高的仍为唐山市，达0.80 分，最低为张家口市，为-0.79分，综合评分在0以上的增加1个，达到6个城市，评分从高到低依次为唐山市、秦皇岛市、邯郸市、廊坊市、石家庄市和沧州市。张家口市是唯一在2007年和2017年的评价综合得分中没有变化的城市。

图1 河北省各市土地生态安全评价综合得分

2.3 各城市土地生态安全的聚类

河北省的11 个城市中，10年间生态安全评价综合得分变化较大的有承德市、保定市、邯郸市和邢台市，其中得分下降幅度最大的是承德市，从0.10 分降到-0.54 分，其次是保定市，从-0.04 分降到-0.33 分；得分上升的有邯郸市和邢台市，邯郸市的评分从-0.04 分上升到0.29 分，上升幅度最大，说明同一城市的土地生态安全状态随时间进程变化有不同程度的变化。

将河北省11个城市的土地生态安全进行K-均值聚类分析，2007年和2017年均被分成5 类，分别是很安全、安全、临界安全、不安全、很不安全。从表2 可知，2007年，处于很安全状态的城市只有唐山市，处于安全状态的城市有石家庄市和秦皇岛市，廊坊市和承德市均处于临界安全状态，保定市、沧州市、衡水市和邯郸市则处于不安全状态，张家口市和邢台市均处于很不安全状态。2017年，廊坊市、邯郸市、沧州市和邢台市的土地生态安全状态有所好转，廊坊市和邯郸市从不安全状态转为安全状态，沧州市转为临界安全状态，邢台市转为不安全状态。而承德市的土地生态安全状态在2017年有所恶化，由处于临界安全状态转为处于很不安全状态，这是由于聚类分析是以因子分析的综合得分为依据，而因子分析中，总产值、人均GDP、第三产业产值占比等经济指标的系数较大，因此，土地生态安全的评价结果往往更倾向于经济因子的影响，刘鹏等[4]的研究中也出现类似结果。而张家口市在2007年和2017年的综合得分均很低，一直处于很不安全状态，则需要进一步强化退耕还林还草，从耕地管护、建设用地治控、未利用土地适度开发等方面着手，确定土地整治的重点与方向，构建良好的土地生态格局，转变土地生态的安全状态。

表2 河北省11 城市土地生态安全的聚类

3 结论

研究表明，河北省的土地生态安全状态在不同的时间和空间维度上有不同程度的变化。因子分析表明，总产值、人均GDP、第三产业产值占比等经济因素的相关影响成都随时间推移加大，土地利用的经济状况和社会发展、自然环境联系紧密，因此，在土地资源保护和利用规划中，将土地自然资源特性与经济发展结合在一起，统筹构建用地布局，维系好耕地、林地、草地、水系和居住建设用地之间的有机联系，有助于提高土地资源利用的价值。

聚类分析表明，2017年河北省的城市土地生态安全状态明显好于2007年，廊坊市和邯郸市从不安全状态转为安全状态，沧州市从不安全状态转为临界安全状态，邢台市从很不安全状态转为不安全状态，这与严格管理和把控土地、合理利用土地资源有关。不过，承德市的土地生态安全状态变差，与经济产值等经济因素有关，在土地资源的利用与经济输出上不对等，还需要进一步改善承德市的土地生态安全状态。