基于主成分分析的哈爾濱市土地生態安全評價

孫奇奇，宋 戈，齊美玲

（1.東北農業大學 資源與環境學院，哈爾濱150030；2.國家土地督察沈陽局，沈陽110136）

土地生態安全是生態安全的重要組成部分[1]，關系到人類的生存發展。可以定義為土地系統處于一種平衡穩定狀態，不受或少受外界威脅，同時對人類生存發展產生有利的影響，保障人類的物質需求。本文綜合國內文獻得出研究土地生態安全多采用綜合指數評價法[2－7]；有學者運用主成分分析法[8]，計算影響土地生態安全的各主成分的值；部分學者采取物元分析方法[9－10]，除此之外還有一些學者采取土地承載力分析法、景觀生態學方法[11]對土地生態安全開展研究 。本文 綜 合 國 內 外 文 獻 以 及 研 究 成 果[2－3，5－8，10，12－16]建立評價指標體系，運用SPSS 17.0軟件，采用主成分分析法，以2001—2008年哈爾濱市相關數據為基礎，對哈爾濱市土地生態安全進行評價。

1 研究區概況

哈爾 濱 位 于 東 經 125°42′—130°10′，北 緯 44°04′—46°40′，是中國東北北部政治、經濟、文化中心，也是中國省轄市中面積最大、人口居第二位的特大城市。全市土地面積5.31萬km2，市區面積7 086 km2，轄8區10縣（市）。2008年末，戶籍總人口989.9萬人，地區生產總值為2 868.2億元。哈爾濱市是一個以工業為主體、三次產業全面發展的綜合性城市。近些年來經濟快速發展的同時環境問題也日益彰顯，環境、水土污染加劇，土地生態安全面臨著比較嚴峻的挑戰。

2 指標體系的建立

評價指標的確定是研究土地生態安全評價的關鍵內容，指標的選取要能夠完全反映土地的生態狀況。

因此在科學性、完整性、層次性和可比性的基礎上，剔除與土地生態安全不相關的因子，結合哈爾濱市土地資源現狀，同時參照國內相關研究[2－3，5－8，10，12－16]，從 自 然、經 濟、社 會 三 個 方 面 構 建 21個評價指標（表1），對哈爾濱市域土地生態安全狀況進行研究。

表1 哈爾濱市土地生態安全評價指標體系

3 哈爾濱市土地生態安全定量評價

3.1 數據來源

本研究數據來源于《哈爾濱統計年鑒》（2002—2009年），《黑龍江統計年鑒》（2002—2009年）。本文數據除部分可直接從統計年鑒里查得[17－18]，其它都是根據查得數據計算得到。

3.2 土地生態安全值的確定

3.2.1 數據的標準化處理 采用極差標準化法將原始數據作標準化處理，得出指標的標準化矩陣（表2）。將數值標準化處理也就可以消除不同變量之間的差異性，使數值均為0～1，因而具有可比性。

3.2.2 主成分的提取 主成分分析法就是將多元變量歸結為較少的一些變量，也就是一個降維的過程[19－20]。運用SPSS 17.0軟件進行數值的處理，得出相關系數矩陣。所選取的變量中有60%以上的系數絕對值大于0.3，故認為可以進行主成分分析[8]。將標準化矩陣導入SPSS 17.0軟件中進行主成分分析，得出前五個累計方差貢獻率達到94.18%，初始方差貢獻率分別為39.62%，17.84%，14.80%，12.54%，9.38%，說明這5個變量就可以作為主成分，這5個成分基本涵蓋了變量信息。

表2 2001－2008年哈爾濱市土地生態安全標準化值

得出的正交旋轉后的各個評價因子的成分矩陣，根據其中各因子的貢獻率分別將各因子歸于5個主成分之中。分析得出的旋轉因子載荷矩陣主要反映各因子的貢獻率大小，因子貢獻率絕對值大小決定該因子歸入的主成分。其中第一主成分所包含的因子較多，多為人均耕地面積、耕地面積比重、人口密度、水土協調度等一些土地資源數量方面的因子。第二主成分包括了農業機械化水平、化肥施用量等土地資源質量方面因子。第三主成分包括工業廢水排放達標率、工業固體廢物利用率等土地資源治理方面因子。第四主成分包括森林覆蓋率、第三產業比重等土地資源社會指標方面因子。第五主成分包括單位面積土地廢氣排放量、環保投資率等土地資源的生態指標方面因子（表3）。3.2.3 主成分的計算 由SPSS軟件分析得出的因子得分矩陣，可將其作為計算各年份主成分值的權重，如公式（1）所示。

式中：Fij——第j年第i個主成分；pij——第j年第i個評價因子的標準化值；mi——第i個評價因子的得分矩陣系數。

得出各年份的主成分值后，根據SPSS軟件分析結果得出旋轉后的主成分方差貢獻率（表4）。可選取各主成分的方差貢獻率作為計算各年份生態安全值的權重，如公式（2）所示。

式中：Fj——第j年的生態安全值；Fij——第j年第i個主成分；ki——各主成分的方差貢獻率；i——1—5的整數；j——1—8的整數；由以上公式（1）—（2）計算可得出結果（表5）。

表3 旋轉因子載荷矩陣

表4 各主成分的方差貢獻率

3.3 評價標準的確定

國內目前還沒有一個統一的確定土地生態安全的標準。標準值的確定不僅是個比較復雜的過程，而且要因地制宜，各個地方生態環境差異性較大，因而不能一概而論。本文參考國內相關研究，同時結合哈爾濱市土地資源現狀，建立了哈爾濱市土地生態安全的評價標準（表6）。

土地生態安全采用的評價標準主要包括以下幾個方面[20]：（1）國家、行業和地方規定的標準。國家已發布的環境質量標準如農田灌溉水質標準（GB5804－92）、保護農作物大氣污染物最高允許濃度（GB9137－88）、農藥安全使用標準（GB4285－89）、污水綜合排放標準（GB8978－96）、黑龍江省省級生態示范區建設標準等；（2）將區域生態環境的背景值或本底值作為評價的標準。如從哈爾濱的實際情況出發，選擇植被覆蓋率、水土流失治理率、人均耕地面積、生物物種豐度和生物多樣性等指標；（3）科學研究已判定的生態效應。通過當地或相似條件下，科學研究已判定的保障生態安全的各項指標的要求等作為評價的參考標準。

表5 2001－2008年哈爾濱市土地生態安全值

表6 哈爾濱市土地生態安全評判標準值

3.4 結果與分析

由以上可得出2001—2008年哈爾濱市土地生態安全水平，2001—2002年為Ⅱ級，處于較安全水平；2003年為Ⅰ級，處于安全水平；2004—2005年為Ⅱ級，處于較安全水平；2006—2007年為Ⅲ級，處于臨界安全水平；2008年為Ⅱ級，處于較安全水平。

由圖1可得，哈爾濱市土地生態安全變化趨勢可分為：2001—2003年為上升期；2003—2004年為下降期；2004—2005年為上升期；2005—2007年為下降期；2007—2008年為上升期，土地生態安全水平為波動發展的變化趨勢。2001—2003年生態安全值不斷增加，由2001年的較安全水平增長到2003年的安全水平，并在2003年達到一個高峰值。這一階段工業廢水排放達標率和工業固體廢物使用率不斷增加，并且維持在一個較高的水平上，得益于政府加強環境治理，提高環境質量。

圖1 2001－2008年哈爾濱市土地生態安全變化趨勢

第三產業比重、糧食單產、耕地面積比重等正向指標也不斷增加，并且維持在一個較高的水平上；2003—2004年土地生態安全水平處于下降期，由于人口密度，人口自然增長率的增加，農藥施用量逐年增長，導致土地壓力負荷加重，土壤生態污染加劇。人類活動對環境的影響往往有滯后性，因而前幾年的一些危害土地生態安全行為集中于某段時間發生；2004—2005年土地生態安全水平處于上升期，是由于人均GDP、森林覆蓋率等正向指標值不斷增加，土地生態環境有所好轉；2005—2007年土地生態安全水平再次處于下降期，并于2006年、2007年達到了負值，為這一階段的最低點。由于工業發展，工業廢水廢氣固體廢物排放量增加，環境治理程度有減弱，加上之前環境污染治理程度不夠積累了一些問題，導致這一階段生態問題再次凸顯；2007—2008年土地生態安全水平再次處于上升期，之前所累積的生態環境問題得到一定程度的改善，同時政府對環境重視程度的加強，加大了環保投資力度。總的來說，2001—2008年哈爾濱市土地生態安全水平總體呈現波動變化的遞減發展趨勢，但總體處于較安全水平。

4 結語

本文通過建立評價指標體系對2001—2008年哈爾濱市土地生態安全水平初步開展評價，得出2001—2008年哈爾濱市土地生態安全水平總體呈現波動變化的遞減發展趨勢，土地生態安全水平波動較大，處于較不穩定發展階段，但總體處于較安全水平。

土地生態安全評價是一個系統性工程，建立評價指標體系不能完全反映出土地生態安全現狀，需綜合各方面因素加以分析。而且標準值的確定在全國范圍內沒有一個統一的規范，仍需在實踐中不斷完善。整合土地資源生態安全影響機理及土地資源生態安全評價研究成果，量化土地資源生態安全指標標準，對于提高土地利用結構優化模型的科學性和合理性有著重要的意義，這也將是未來可持續土地利用研究的前沿[11]。本文結合哈爾濱土地生態現狀，在科學性、適用性原則的基礎上，參考確定土地生態安全的各項標準，得出適用于哈爾濱及其周邊地區土地生態安全的評判標準值。但評判標準值并不是唯一確定的值，各地區有所差異，需綜合各地區情況加以實際分析，不能一概而論。

土地生態安全關系到一個地區整體生態環境的可持續性，應當加以足夠的重視。從以上分析的結果來看，哈爾濱市土地生態安全狀況并不樂觀，在以后的土地利用過程中，政府應引起足夠重視，加大環境保護力度。

[1]許月卿，崔麗.小城鎮土地生態安全評價研究：以貴州省貓跳河流域為例[J].水土保持研究，2007，14（5）：345－348.

[2]張虹波，劉黎明，張軍連，等.黃土丘陵區土地資源生態安全及其動態評價[J].資源科學，2007，29（4）：193－199.

[3]劉欣，葛京鳳，馮現輝.河北太行山區土地資源生態安全研究[J].干旱區資源與環境，2007，21（5）：68－74.

[4]左太安，蘇維詞，馬景娜，等.三峽重慶庫區針對水土流失的土地資源生態安全評價[J].水土保持學報，2010，24（2）：74－78.

[5]楊賽明，徐躍通，張邦花.區域土地資源可持續利用的生態安全評價[J].中國人口·資源與環境，2010，20（3）：325－328.

[6]高桂芹，韓美.區域土地資源生態安全評價：以山東省棗莊市中區為例[J].水土保持研究，2005，12（5）：271－273.

[7]劉勇，劉友兆，徐萍.區域土地資源生態安全評價：以浙江嘉興市為例[J].資源科學，2004，26（3）：69－75.

[8]杜忠潮，韓申山.基于主成分分析的土地生態安全評價實證研究：以陜西省10個省轄市為例[J].水土保持通報，2009，29（6）：198－207.

[9]張小虎，雷國平，袁磊，等.黑龍江省土地生態安全評價[J].中國人口·資源與環境，2009，19（1）：88－93.

[10]李玉平，蔡運龍.河北省土地生態安全評價[J].北京大學學報：自然科學版，2007，43（6）：784－789.

[11]張虹波，劉黎明.土地資源生態安全研究進展與展望[J].地理科學進展，2006，25（5）：77－85.

[12]林彰平，劉湘南.東北農牧交錯帶土地利用生態安全模式案例研究[J].生態學雜志，2002，21（6）：16－19.

[13]湯潔，朱云峰，李昭陽，等.東北農牧交錯帶土地生態環境安全指標體系的建立與綜合評價：以鎮賚縣為例[J].干旱區資源與環境，2006，20（1）：121－124.

[14]杜巧玲，許學工，劉文政.黑河中下游綠洲生態安全評價[J].生態學報，2004，24（9）：1918－1920.

[15]張文梅，任志遠，王麗霞，等.城市水土資源生態安全評價：以西安市為例[J].資源科學，2008，30（12）：1916－1921.

[16]周飛，郭良珍，陳士銀，等.湛江市土地資源生態安全評價與限制因素[J].水土保持研究，2010，17（5）：202－211.

[17]哈爾濱統計年鑒（2002－2009）[M].北京：中國統計出版社，2009.

[18]黑龍江統計年鑒（2002－2009）[M].北京：中國統計出版社，2009.

[19]徐建華.計量地理學[M].北京：高等教育出版社，2006：95－98.

[20]毛文永.生態環境影響評價概論[M].北京：中國環境科學出版社，2003：172－177.