基于主成分分析法的三亚市生态系统评价

基于主成分分析法的三亚市生态系统评价
赵正;陈艳;罗正明;荣国华;董芳辰
【摘要】以三亚市2005-2013年间生态系统为研究对象,从自然生态系统、社会生态系统、经济生态系统三大子系统出发,运用主成分分析法对三亚生态系统进行综合评分.三亚市生态系统得分在2005-2006年有小幅回落,2006-2013年不断上升,第一主成分载荷值较大的指标说明人类生活对生态系统的影响加重;第二主成分载荷值较高的指标反映了三亚市工业对生态环境的污染程度和资源的利用程度,数值的起伏说明工业对生态系统的平衡影响有所浮动.三亚市生态系统总体呈良性发展.%Taking Sanya city as the research subject during 2005-2013, from the three sub-systems of the natural ecological system, social ecological system and the ecological economic system, and by employing the principal component analysis, an overall grading is conducted to evaluate Sanya ecological system.The evaluation shows that the ecological system of Sanya undergoes a slight fall in the years of 2005-2006, and in 2006-2013 the various indices are steadily improving, the rather large load value of the first principal component indicators reveals that human activities have an increasingly severe influence on the ecosystem;the rather large load value of the second principal component indicators reflects the degree of environmental pollution and resource utilization in Sanya city, the ups and downs in numerical values show that the effect of industry on ecosystem is fluctuating.It is concluded that the urban ecosystem in Sanya is undergoing benign development on the whole.
【期刊名称】《内江师范学院学报》
【年(卷),期】2017(032)004
【总页数】6页(P83-88)
【关键词】城市生态系统;主成分分析法;三亚市
【作者】赵正;陈艳;罗正明;荣国华;董芳辰
【作者单位】东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江哈尔滨 150030;忻州师范学院地理系, 山西忻州 034000;海南师范大学, 海南海口 571158;忻州师范学院地理系, 山西忻州 034000;东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江哈尔滨 150030;东北农业大学资源与环境学院, 黑龙江哈尔滨 150030
【正文语种】中文
【中图分类】X826
随着社会经济的发展，人类活动对城市生态系统的影响日益加深，生态系统失衡引起的问题对社会经济发展的制约愈加突显，有关生态系统保护的课题已经引起了不同社会层面的关注[1].许多学者也对其做了相应的研究：韩庆利[2]以城市的可持续发展为出发点，构建了网状型生态环境评价指标体系，将评价指标系统的分为4个大类与12个次类别，同时涵盖了34个分指标，以便于对城市生态系统进行系统的评估；许丛等[3]运用主成分分析法，建立了涵盖8项生态健康指标的评价体系，对安徽省各区域生态环境进行了评价，结果表明安徽生态环境总体朝着健康的方向前进，但马鞍山、淮南地市生态环境较为落后；尚志海等[4]以梅州市梅江区为例，运用层次分析法对梅江区经济与社会相关指标进行分析，结果表明影响梅江区生态系统健康的较为有利因素是生态系统的活力和组织结构，不利因素主要在于
城市生态系统的恢复力和人群健康水平.但目前许多学者在进行评价时，指标选取单一，有些指标存在交叉现象[5]，难以体现城市生态系统健康的本质和内涵.本文以三亚市为研究区，从自然、社会、经济的角度，运用SPSS 22.0主成分分析法力求全面的对三亚生态系统进行评价.
三亚市位于海南岛最南端，规划市区面积约37 km2，东西长91.6 km，南北宽51 km，海域总面积6 000 km2.纬度18°09′34″N～18°37′27″N，经度
108°56′30″E～109°48′28″E，气候类型为热带海洋性季风气候.该市南北东三面为山岭所环抱，市区被延伸的山脉阻隔，形成山围城的空间布局，三亚市还与南海相接，有众多充满魅力的海港海湾，各种景观地貌共同构成了三亚市独特的自然景色.同时三亚市的水路交通状况良好，为三亚市旅游业以及海洋工业的发展提供了良好的地理位置[6].但旅游业的飞速发展也使得三亚城市环境压力不断增大，工业发展和海洋开发也导致海域污染以及沙滩退化加剧[7].种种生态问题已经严重影响到了经济的发展和人类的健康生活.因此，对该研究区进行生态系统评价具有重大现实意义，能为该区域的生态恢复工作及未来发展提供参考依据.
该研究选用的主成分分析法是数学方法在地理学运用的方法之一.核心方法是利用降维的思路,将原有相关变量转化为一组新的相关变量，并尽可能多地反映原变量的信息，这种方法可以客观地确定评价指标的权重，从而避免主观随意性.该方法提取主成分的原则为：当变量的累计贡献率等于或大于85%时，就可以停止提取主成分了.
2.1 指标体系的建立
生态系统是自然界中生物与环境构成的统一整体，是系统内各种要素相互联系的复杂的综合系统[8].本文遵循的构建评价指标体系原则,包括：系统性、典型性、动态性、简明性、可对比性以及综合性.三亚市生态系统评价指标体系,如表1所示.评价体系选取自然生态系统、社会生态系统、经济生态系统三部分.自然生态系统是在
一定时间和自然空间范围内相对稳定的生态系统[9]；自然生态系统为人类提供生存环境，其健康程度环境和资源对经济发展和社会进步具有重要的影响.社会生态系统是由社会人与他们之间的经济关系、政治关系和文化关系构成的系统；社会生态系统反映了社会的发展程度以及发展方向，人类与自然环境和谐相处的状况，也从侧面反映出经济发展的水平和方向[10].经济生态系统是由相互影响的若干指标所构成的系统；经济生态系统指标的高低将直接反映出城市现阶段建设情况以及发展潜力，一个结构合理的经济生态系统，是一座城市健康而高效发展的基础.以上三个部分在现实中相互制约，相互影响，相互依赖.
2.2 指标获取与处理
本文所用数据选取于《三亚市统计年鉴》，对2005-2013年间三亚市生态系统进行研究，收集19个指标在9年中的记录，原始数据如表2所示.由于文中指标的原始数据所用单位不一，为了更好地表达指标之间的关系，在分析过程中更好的运算，需要对原始数据进行标准化处理，并得到标准化后的数据.
SPSS统计软件中标准化的公式：
其中,xij代表i年第j个指标的原始数据；和σj为第j个指标的样本均值和标准差[11].
利用SPSS22.0软件分析选项中的描述统计，其中描述选项选择指标的均值、标准差和方差，计算得出指标标准化后的数据,见表3.
2.3 指标特征值与贡献率确定
选择SPSS22.0软件分析选项中的降维选项，应用其中的因子分析对指标的标准化数据进行计算，最终得出指标间的相关系数矩阵.相关系数矩阵说明了各个指标之间的相关程度p×p.指标相关系数公式：
其中n为样本量，rij(i,j=1,2,3,…,m)为变量xi和xj的相关系数，i和σi为第i个指标的样本均值和标准差，j和σj为第j个指标的样本均值和标准差,xki 和xkj为变
量xi和xj的方差.
rij的取值范围为[-11,1]，当其值为正数时是正相关，为负数时是负相关.rij的绝对值接近1，要素之间的关系就紧密；接近于0时，要素之间的关系就越不密切，这样从数据上就可以看出指标间的相关程度，同时在因子分析中也得到三亚市生态系统指标相关系数矩阵R 的特征值、特征向量、贡献率和累计贡献率[12].从表4可
看出前两个主成分的贡献率累计超过了85%，这两个主成分更好地保留了原来因
子的信息，因所以提取前两个主成分代替19个指标进行评价分析.
三亚生态系统主成分特征向量的计算结果见表5，其中第一主成分Z1中的城市绿化覆盖率、人口密度、城镇人均居住面积、大学生人数、医院床位数、全年货运量、人均GDP、第三次产业占生产总值的比例、农村居民人均纯收入、城镇居民可支
配收入、工业生产总值、城市的财政收入、城市的财政支出主成分特征向量载荷值较高；第二主成分Z2中的年降水量、年平均气温、工业固体废物的产生量、工业固体废物综合利用量主成分特征向量载荷值较高.
2.4 数据处理的结果
根据表5列出2个主成分Z1、Z2的表达式，计算 2005年至2013年的三亚市的数据，计算得出三亚生态系统两个主成分得分：
计算各个主成分的综合得分，从表4中可计算出各主成分的贡献率及其在累计贡
献率中的比例，得出综合得分的权重，最后的表达式为Z=0.87Z1+0.13Z2，结果如表6.
根据主成分的综合得分绘制成图，如图1所示.本文采用正向指标对三亚生态系统
进行评价.三亚市生态系统综合得分中2006年与2005年对比，得分从-3.76降到-4.0，说明三亚市的生态环境质量有所下降.通过数据显示，三亚市在2005-2006
年的城市工业废物排放量很高，说明发展中过度注重工业发展，对工业污染整治措施不到位，在生态方面的保护有所忽视.2006-2007年，三亚市开始申请“全球绿
色生态城市”荣誉称号，在这一年中，市政府出台多项治理政策，三亚市工业废物排放量迅速下降，工业固体废物利用量明显增加，森林覆盖率有所提高，同时产业结构有所优化，第三产业所占比重增加，随之生态系统的综合得分有一定的回升.
在2008年，因为我国要举办奥运会的原因，全国受到环保迎奥运理念的影响，政府更加注重城市生态环境的建设，从三亚市2008年的综合得分看出三亚市也受到良好的影响，得分对比往年明显上升.2008-2013年的主成分综合得在不断上升.并在13年达到了9年中的最高分：5.35分.说明三亚市政府充分认识到城市生态建
设的重要性，并将之前所实施的环保政策有效坚持了下来.总的来说，从图1中可
以得出三亚市的生态系统综合得分虽然有波动，但总体上是呈上升状态，说明三亚市生态系统是向着更加健康的方向发展的.
上述是以三亚市生态系统的综合得分变化趋势，现在从三亚市生态系统的主成分进行探究.第一主成分中特征向量载荷值较高的指数在一定程度上代表人类活动对生
态系统的影响和人类对生态系统的依赖程度，第一主成分从2005-2013年得分由负到正不断增大，说明了三亚市的生态环境质量和社会发展程度不断提高，人们的生活水平不断改善，而且在发展的过程中注意生态方面的建设，同时第一主成分在累计贡献率中占的比重较大表明了人们的生活对生态系统的影响明显加重.第二主
成分中特征向量载荷值较高的指数反映了在一定的环境背景下城市工业对生态环境的污染程度和资源的利用程度.从第二主成分得分的起伏说明工业对生态系统的平
衡影响是有所浮动的，但通过分值也看出工业在总体影响程度上的分量是很重的.
虽然三亚市生态系统的总体发展趋势是良性的，但三亚近几年的社会和经济的发展对生态系统的平衡上有很大影响，特别是工业对生态的影响.工业需要耗费能源同
时会排放出威胁生态平衡的物质，所以在工业领域需要提高技术，提高能源利用率，减少有害物质的排放，开源节流，使用清洁能源，利用地理位置的优势发展潮汐能等.三亚市的经济中旅游业所占比重很大，旅游过度开发对环境的影响也越来越明
显，三亚市应当适当的控制旅游人数，倡导文明旅游，并针对旅游带来的短期城市人口数量激增制定科学的生态城市发展规划，在规划中采用先进的空间规划模式[13].经济的健康发展需要科学技术，科学技术的更新需要人才，加大教育力度，引进高新技术人才，扶持科技项目[14]，对三亚市经济发展大有裨益.
三亚市生态系统得分在2005-2006年有小幅回落，2006-2013年不断上升，第一主成分载荷值较大的指标说明人类生活对生态系统的影响加重；第二主成分载荷值较高的指标反映了三亚市工业对生态环境的污染程度和资源的利用程度，数值的起伏说明工业对生态系统的平衡影响有所浮动.三亚市生态系统总体呈良性发展.
*通信作者：罗正明(1986-)，男，湖南娄底人，忻州师范学院讲师，硕士.研究方向：环境生态学
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