基于因子-聚類分析的河北省土地生態安全時空變化

吳子龍,辛軍彩,王 磊,張 浩,苗俊玲,張 睿

（邯鄲學院 生命科學與工程學院，河北 邯鄲 056005）

土地生態安全是土地資源利用的基礎，辨別土地生態系統的安全狀態，預先獲知可能面臨的環境污染風險，對于促進土地資源的優化配置和土地利用方式的轉變，實現國家和地區的經濟可持續發展以及生態環境保護至關重要[1]。因此，需要對土地生態系統進行綜合的評價分析，協調土地資源利用與社會經濟、環境保護的關系，從而持續滿足人類生存和發展的需求。

近年來，河北省工業化、城鎮化、農業現代化水平顯著提高，人口迅速增長，農地非農業化過程增強，人地矛盾突出，已嚴重影響社會經濟發展與人民生活水平[2]。在不同的時間和空間上分析土地生態安全狀況，對于維系土地生態系統安全，以及區域生態文明建設具有重要意義。研究選取跨度10年的時間節點，利用因子-聚類分析方法對2007年和2017年河北省11 個城市的土地生態安全狀況進行對比分析，以期為河北省土地資源利用的現狀及發展以及土地保護規劃制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 數據來源

2007年和2017年河北省11 個行政市的數據來源于《河北經濟年鑒》[3]。

1.2 構建指標體系

在選取指標時，綜合國內外研究成果，結合河北省自然條件和社會經濟環境的實際情況，采用系統分析法，從自然因素、經濟因素、社會因素3 個方面選取13 個指標建立評價指標體系，如表1所示。

表1 河北省土地生態安全評價指標體系

1.3 數據標準化處理

采用因子分析、K-均值聚類的統計方法對數據進行處理分析。

采用極值法對各指標數據進行標準化處理，轉化到[0，1]，再進行因子分析。

具體公式如下：

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

（Xij為正向指標）

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

（Xij為負向指標）

式中，Zij表示歸一化值，即標準值；Xij為第i個地區在第j個指標上的實際值。

1.4 因子分析

首先，利用SPSS 20.0 軟件對各指標的提取值進行方差分析。2007年的13 個指標提取值均在0.723 以上，2017年的指標提取值最小為0.837，二者均大于0.7，說明提取的公因子能合理表達變量[4]，可以很好地被用于因子模型的構建。

其次，從主成分的累計方差貢獻率提取得到公因子。2007年輸出的全部解釋的總方差中，有4 個因子的主累計方差貢獻率為85.298，特征根值＞1；2017年5 個因子的主累計方差貢獻率為92.373%，特征根值＞1，說明2007年的4 個因子、2017年的5 個因子作為主成分建模是可行的。

再利用正交旋轉法得到旋轉成分矩陣，以及成份得分系數矩陣，可使提取的主因子變量更具代表性。

通過因子分析，2007年的13 個指標壓縮成4 個綜合指標，即F1、F2、F3、F4，2017年壓縮成5 個綜合指標，即F1′、F2′、F3′、F4′、F5′，以各因子占全部因子的權重進行賦權整合，再運用回歸方法估算出各城市的綜合得分。

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-均值聚類分析

依照2007年和2017年因子分析的綜合得分，將河北省11 個城市的土地生態安全利用SPSS 20.0 軟件進行K-均值聚類，得到分析結果。

2 結果與分析

2.1 因子歸類

運用因子分析，將2007年土地生態安全的13 個指標綜合成4 類因子、2017年的13 個指標綜合成5 類因子。第一大類因子在城區面積、園林綠地面積指標上的系數較大，命名為資源利用因子；第二大類因子在單位耕地面積化肥施用量、城市化水平的系數較大，命名為環境壓力因子；第三大類因子的總產值系數較大，命名為經濟狀態因子；第四大類的人口自然增長率系數較大，命名為社會壓力因子；第五大類，人均GDP、第三產業產值占比系數較大，命名為經濟響應因子。第一至第四大類因子，不論是2007年還是2017年，歸類結果相同。第五大類因子，僅為2017年歸類分析的結果，相比2007年來看，經濟因子的比重加大，對土地生態安全的影響增強。

2.2 各城市土地生態安全綜合得分

從圖1 可看出，2007年土地生態安全評價綜合得分最高的為唐山市，達0.96分，最低為邢臺市，為-0.83 分，綜合評分在0 以上的有5 個城市，評分從高到低依次為唐山市、秦皇島市、石家莊市、廊坊市和承德市。2017年土地生態安全評價綜合得分最高的仍為唐山市，達0.80 分，最低為張家口市，為-0.79分，綜合評分在0以上的增加1個，達到6個城市，評分從高到低依次為唐山市、秦皇島市、邯鄲市、廊坊市、石家莊市和滄州市。張家口市是唯一在2007年和2017年的評價綜合得分中沒有變化的城市。

圖1 河北省各市土地生態安全評價綜合得分

2.3 各城市土地生態安全的聚類

河北省的11 個城市中，10年間生態安全評價綜合得分變化較大的有承德市、保定市、邯鄲市和邢臺市，其中得分下降幅度最大的是承德市，從0.10 分降到-0.54 分，其次是保定市，從-0.04 分降到-0.33 分；得分上升的有邯鄲市和邢臺市，邯鄲市的評分從-0.04 分上升到0.29 分，上升幅度最大，說明同一城市的土地生態安全狀態隨時間進程變化有不同程度的變化。

將河北省11個城市的土地生態安全進行K-均值聚類分析，2007年和2017年均被分成5 類，分別是很安全、安全、臨界安全、不安全、很不安全。從表2 可知，2007年，處于很安全狀態的城市只有唐山市，處于安全狀態的城市有石家莊市和秦皇島市，廊坊市和承德市均處于臨界安全狀態，保定市、滄州市、衡水市和邯鄲市則處于不安全狀態，張家口市和邢臺市均處于很不安全狀態。2017年，廊坊市、邯鄲市、滄州市和邢臺市的土地生態安全狀態有所好轉，廊坊市和邯鄲市從不安全狀態轉為安全狀態，滄州市轉為臨界安全狀態，邢臺市轉為不安全狀態。而承德市的土地生態安全狀態在2017年有所惡化，由處于臨界安全狀態轉為處于很不安全狀態，這是由于聚類分析是以因子分析的綜合得分為依據，而因子分析中，總產值、人均GDP、第三產業產值占比等經濟指標的系數較大，因此，土地生態安全的評價結果往往更傾向于經濟因子的影響，劉鵬等[4]的研究中也出現類似結果。而張家口市在2007年和2017年的綜合得分均很低，一直處于很不安全狀態，則需要進一步強化退耕還林還草，從耕地管護、建設用地治控、未利用土地適度開發等方面著手，確定土地整治的重點與方向，構建良好的土地生態格局，轉變土地生態的安全狀態。

表2 河北省11 城市土地生態安全的聚類

3 結論

研究表明，河北省的土地生態安全狀態在不同的時間和空間維度上有不同程度的變化。因子分析表明，總產值、人均GDP、第三產業產值占比等經濟因素的相關影響成都隨時間推移加大，土地利用的經濟狀況和社會發展、自然環境聯系緊密，因此，在土地資源保護和利用規劃中，將土地自然資源特性與經濟發展結合在一起，統籌構建用地布局，維系好耕地、林地、草地、水系和居住建設用地之間的有機聯系，有助于提高土地資源利用的價值。

聚類分析表明，2017年河北省的城市土地生態安全狀態明顯好于2007年，廊坊市和邯鄲市從不安全狀態轉為安全狀態，滄州市從不安全狀態轉為臨界安全狀態，邢臺市從很不安全狀態轉為不安全狀態，這與嚴格管理和把控土地、合理利用土地資源有關。不過，承德市的土地生態安全狀態變差，與經濟產值等經濟因素有關，在土地資源的利用與經濟輸出上不對等，還需要進一步改善承德市的土地生態安全狀態。