北京城市生态安全的主成分投影评价研究

赵正

摘要 本文通过构建城市生态安全评价指标体系，使用综合指标评价法计算了北京2005～2014年的城市生态安全综合指数，并采用主成分投影方法对这一时期城市生态安全的真实发展趋势进行了进一步估计。研究结论显示：①北京城市生态安全综合评价指数值呈现波动下降的发展趋势，并在2010年后由临界安全状态转变为不安全状态；②北京城市生态安全主成分投影值呈现低水平波动和小幅上升的趋势，并一直处于不安全状态。本文据此提出政策建议：①重视选择合理的产业发展和布局形式、控制环境污染、提高能源利用效率以及加强城市园林绿化建设，使城市发展与城市生态安全的需求相协调；②加强政策调控和技术支持措施，注重夯实基础设施建设、控制城市人口规模，促进城市生态安全总体水平的稳步提升。

关键词 城市生态安全 压力-状态-响应 综合指标评价 主成分投影评价

一 引言

随着世界经济的高速发展和城市化程度的不断加深，环境污染与生态破坏问题已经逐步上升到了国家安全和社会稳定的高度（曲格平，2002；刘鹏飞，2010）。国际应用系统分析研究所（IIASA）于1989年首次提出“生态安全”（Ecological Security）的概念，指出城市生态安全是在自然环境的承载能力的限度下，满足人类多方面需求。对我国而言，生态安全不仅是生态文明建设的重要内容，而且是我国国家安全战略的重要保障。2000年，国务院在《全国生态环境保护纲要》中明确提出了“维护国家生态环境安全”的总目标（国家环保总局，2000）; 2014年，中央国家安全委员会又将生态安全正式纳入我国国家总体安全体系。可以说，生态安全在我国得到了前所未有的重视，而作为国家和地区生态安全的基础和核心，城市生态安全无疑是生态安全的重中之重。事实上，近年来我国城市的数量和规模都得到了极大拓展，与此同时也不可避免地产生了诸如生态系统退化、土地退化、资源危机、自然灾害以及污染等生态环境问题，我国的城市生态安全正面临严重的威胁（万本太等，2004）。因此，从保护城市生态环境、维持城市生态安全的角度出发，全面、科学、准确地对城市生态安全状况及其变化趋势进行测度和研究，对我国而言具有重要的现实意义。

在城市生态安全的研究方面，首先，我国城市生态安全的已有研究多集中于概念、内涵以及模型指标体系等方面（郭中伟，2001；彭少麟等，2004；鲍文沁等，2015）。然而，由于当前对于城市发展评价的研究重点仍然是城市公共产品和服务的经济性、效率性和效用性等，有关城市生态安全评价指标体系的研究仍然存在不完善甚至缺失的问题（王素侠，2012），这使得人们对城市生态安全问题的理解不够准确，对其受威胁的现状也无法及时、有效的应对。其次，我国对于城市生态安全实践的研究较多，已有研究分别对我国东、中、西部的典型城市进行案例分析，并就中国区域生态安全的未来发展特点和趋势进行了探讨（杨姗姗等，2015；史静珮等，2015；南宁等，2016）；除城市之外，已有研究还分别从河流流域（张松等，2012）、湿地（崔保山等，2003；刘艳艳等，2011）、荒漠化区域（陈浩等，2003）以及旅游地（曹新向等，2006）等不同的研究区域出发，对生态安全情况进行了较为全面的评价分析。可见，已有研究多从国家和宏观区域的角度出发（吴开亚，2003；周金星等，2003），研究内容也多为对城市生态安全情况的横向对比分析，对城市生态安全持续性、动态性的研究较少（曹伟，2003）。针对这种情况，相关研究指出：城市生态安全具有动态性和相对性的特征，评价的指标体系和标准需要因时因地而异（周文华等，2005）。

综上，本文通过构建生态安全评价指标体系，对北京2005～2014年生态安全综合评价指数进行了测算，并在此基础上采用主成分投影的方法对其生态安全的动态发展趋势进行了进一步的估计。研究的目的在于：通过对北京城市生态安全多年计算结果和增减趋势的比较分析，总结提炼出北京城市生态安全在不同时期发展变化的特点和规律，并在此基础上提出相应的政策建议，以促进北京城市生态环境的良性循环，为城市生态的有效保护和管理提供重要参考，保证我国城市经济、社会和生态环境的协调发展。

二 研究方法

本文将综合指标评价法与主成分投影评价法相结合，对2005～2014年北京城市生态安全状况进行动态评价研究。首先，对原始数据进行标准化和赋权处理，计算得到各年份的综合评价指数；其次，通过正交转换的方式过滤各指标间的重叠和冗余信息；再次，建立理想决策向量并进行单位化调整，计算得到各年份相对应的决策向量在理想决策向量上的投影值；最后，以主成分投影值作为评价城市生态安全状况的标准进行判断，并与综合评价指数值进行比较分析。该方法的具体实施步骤如下。

首先，对指标进行预处理。假设X=（xij）n × m为包含n个年份和m个评价指标的城市生态安全评价矩阵，且xij（i =1, 2, …, n; j=1, 2, …, m）为第i个年份的第j个评价指标值。本文首先采用离差标准化方法对xij进行标准化处理，从而消除不同量纲的影响。其中，对于正效应指标的处理方式为yij= [xij-min（xij）] / [max（xij）-min（xij）]，对于负效应指标的处理方式为yij= [max（xij）-xij] / [max（xij）-min（xij）]，由此得到标准化后的矩阵Y=（yij）n × m。

其次，各指标的重要性以及对生态安全所产生的影响都是不同的，因此本文采用客观赋权法中的变异系数法对进行赋权。定义sj、xj、vj分别为X矩阵中第j个指标值的标准差、均值和变异系数，则可以依次求得各指标的变异系数值vj=sj/xj及其权重；在此基础上，按照zij=wj× yij的方式对矩阵yij进行赋权，得到样本矩阵为Z=（zij）n × m，进而计算得出综合评价指数。

再次，考虑到城市生态安全评价指标之间可能存在的相关联系对评价结果准确性的影响，本文拟对城市生态安全综合评价指数Zi进行正交变换，目的在于过滤指标间相互干扰的重叠信息，从而对其相对重要性程度进行客观分析。本文使用MATLAB R2012a软件计算出Z矩阵的m × m方阵（Z′Z）n × m，随后求得该矩阵的特征向量矩阵A，进而通过U = ZA的方式计算得到正交转换后的决策矩阵U=（uij）n × m。

最后，本文将各年份看作m维向量，按照dj=max（uij）的方式计算得到决策矩阵的理想决策向量d∗=（d1, d2, …, dm），并进一步计算出其单位化值。基于此，本文最终计算得出各年份的主成分投影值。

三 数据来源和指标体系建立

本文的研究数据主要源于北京统计信息网（http://www.bjstats.gov.cn/）、北京市宏观经济与社会发展基础数据库（http://www.bjhgk.gov.cn/ww/）等电子资料以及《北京统计年鉴》（2006～2015年）、《中国城市统计年鉴》（2006～2015年）等纸质资料。基于经济合作与发展组织（OECD）的“压力-状态-响应”（Pressure-State-Response, PSR）概念框架，结合国内外已有相关成果（吴开亚等，2004），本文确定了北京城市生态安全评价指标体系（见表1）。

压力指标（A1）主要体现社会经济活动对生态环境所造成的影响和所施加的压力。本文主要从土地压力（B1）、环境压力（B2）、人口压力（B3）和经济压力（B4）四个方面来体现这种扰动和破坏的影响。其中，各个类型的生产性用地无疑会对城市生态产生一定影响（C1～C4），各种形式的污染物排放也会对城市生态造成直接的破坏（C5～C8），同时，城市人口数量的增长和密度的增加，也会对城市生态产生压力（C9～C11），城市化程度的提升，城市工、农业的发展和运作过程都会挤压城市生态空间，进而给城市生态安全造成一定的压力（C12～C15）。

状态指标（A2）主要体现当前或特定时间段内的生态安全状况。本文认为，城市生态安全状态主要包括资源状态（B5）和环境状态（B6）两个方面的内容。其中，资源状态主要包括了城市绿化程度的若干指标（C16～C18），体现出了市民的城市生活质量，而环境状态则可以从城市降水、气温和风速等方面予以表征（C19～C21），进而体现城市的自然环境状况。

响应指标（A3）是指人们为了缓解和恢复已经造成的生态环境破坏的事实而采取的一系列应对、补救措施，主要从压力响应（B7）和状态响应（B8）两方面来体现。其中，压力响应多是针对已有的环境污染、生态破坏而进行的补救措施（C22～C26），而状态响应则是基于城市的现实情况，在改善生态状态的同时，用于提高市民生活环境、健康状况等方面福祉的措施（C27～C32）。

基于以上指标体系设置，本文遵循主成分投影方法的分析框架，对北京2005～2014年的城市生态安全状况和发展趋势进行了计算分析。

四 研究结论

1．权重分配计算结果

基于构建的城市生态安全评价指标体系，本文对样本矩阵进行标准化处理后得到标准化样本矩阵；在此基础上，本文利用变异系数法对指标进行赋权，计算得到的各项评价指标的权重如表2所示。

由表2可知，各个指标（C1～C32）权重间的差异不大，且多数分布于0～0.08（见图1）；此外，根据评价指标权重向上求平均值计算出的压力指标（A1）、状态指标（A2）、响应指标（A3）的权重分别为0.033、0.023和0.035，可见响应指标对于城市生态安全的重要性最高，压力指标次之，状态指标最低。

首先，在压力指标（A1）中，“二氧化硫（SO2）排放量”（C5）和“化学需氧量（COD）排放量”（C6）等直接污染指标的权重较大，表明城市污染物的排放对城市生态安全施加了较大压力，同时，“人口自然增长率”（C11）、“人均地区生产总值”（C13）、“第一产业总产值”（C14）以及“第二产业总产值”（C15）的权重也很大，说明城市人口规模的扩张、城市产业的发展同样会对城市生态安全产生压力；其次，在状态指标（A2）中，“年末园林绿地面积”（C16）和“年平均降水量”（C19）的权重比较大；最后，在响应指标（A3）中，“再生水利用量”（C24）、“造林面积”（C26）以及“每千人拥有护士数”（C31）的权重较大，表明城市资源利用率的提升、植树造林等绿化活动以及市民健康程度的提升，对于维护城市生态安全非常关键。北京城市生态安全评价指标权重分布如图1所示。

2．综合指数评价结果

根据确定的指标权重，本文算得赋权后的矩阵Z，即北京城市生态安全综合评价指数（见图2）。由图2可知，就综合评价指数而言，北京城市生态安全情况呈现长期波动的发展趋势，并在2010年出现明显下降，在2011达到最低值（0.3817）。由周文华等（2005）对北京生态安全的相关研究结论可知，1996～2002年北京城市生态安全的综合评价指数为0.40～0.59，与本文计算结果在时序上比较对应，表明本文计算结果具备一定的合理性。

参考谢花林等（2004）和覃玲玲等（2007）的研究，本文对生态安全的综合评价指数做了安全级别划分（见表3）: 2005～2010年，北京城市生态安全处于“临界安全”级别，但在2010年后，其安全级别下降到“不安全”级别。

3．主成分投影评价结果

考虑到综合评价指数的波动趋势较为明显，本文认为可能存在指标之间重叠信息的影响，因此需要利用主成分投影评价做进一步研究。本文通过正交变换，得到决策矩阵，进而计算得出理想决策方案d∗、其单位化计算结果d0∗以及各个年份的主成分投影值Di（见表4）。

为了体现主成分投影评价法的作用，本文将利用该方法计算出的北京各年份的生态安全状况的发展变化趋势进行整理，如图3所示。

由图3可知，北京2005～2014年的城市生态安全主成分投影值为0.03～0.13，评价值较综合指标评价法的结论有了明显的下降；同时，其发展趋势的波动也进一步缓和，在这一时段内仅呈现小幅度的波动上升态势；最后，依据表3的生态安全级别判断标准可知，经主成分投影法计算后，北京多年的城市生态安全均处于“不安全”的级别，这是需要我们特别关注的。

五 政策建议

（1）从城市生态安全指标评价权重的计算结果可知：城市生态安全压力指标、状态指标和响应指标的权重从大到小依次为响应指标＞压力指标＞状态指标，这表明对于北京城市生态安全而言，响应指标的重要性较大，压力指标次之，状态指标的重要性最不明显。本文认为，在当前城市化快速发展的背景下，维护北京城市生态安全必须做到以下几点：首先，注重选择合理的产业发展形式、优化产业组织形式，同时对城市功能分区进行合理布局；其次，全面治理环境污染，将北京的污染企业外迁，控制汽车数量，同时从宏观上改变以煤炭为主的能源结构，提升能源利用效率；最后，加强城市园林绿化和城市林业建设，走人与自然和谐相处的城市发展模式，使城市化进程与城市生态安全的需求相协调。

（2）2005～2014年北京城市生态安全综合指标评价结果显示，北京城市生态安全状态呈现显著波动和下降的发展趋势；与之不同的是，主成分投影评价结果表明北京城市生态安全多年来除了总体水平较低之外，其发展还呈现出持续多年的小幅度波动上升趋势。本文认为，北京在未来还需要加强生态安全的政策调控和技术支持，一方面维护和提高城市生态安全的总体水平，另一方面重视城市生态安全的平稳发展；同时，近年来北京的城市化进程不断加快、城市人口大量增长，城市配套系统的不完善也是导致城市生态系统失衡的重要原因。因此，北京还需要不断夯实基础设施建设、控制城市人口规模，将解决城市的经济、社会问题和提升城市生态安全水平结合起来。

（3）就研究方法而言，本文所采用的主成分投影方法可以通过指标权重的科学、合理配置，在一定程度上消除生态安全评价指标间的重叠信息，使研究结论更加准确、客观；同时，研究结果也显示主成分投影法的可操作性强、结论明确可靠，可以作为生态环境管理与保护的决策参考；最后，该方法还可以用于不同区域间生态安全情况的对比分析，从而得出区域间生态安全差异性的有关结论。

参考文献

[1] 鲍文沁、徐正春、刘萍：《中国生态安全评价研究进展》, 《广东农业科学》2015年第11期，第135～139页。

[2] 曹新向、陈太政、王伟红：《旅游地生态安全评价研究——以开封市为例》,《水土保持研究》2006年第13期，第209～212页。

[3] 曹伟：《生态足迹分析方法与城市生态安全》, 《规划师》2003年第19期，第20～24页。

[4] 陈浩、周金星、陆中臣：《荒漠化地区生态安全评价——以首都圈怀来县为例》, 《水土保持学报》2003年第17期，第58～62页。

[5] 陈东景、徐中民：《西北内陆河流域生态安全评价研究》, 《干旱区地理》2002年第25期，第219～224页。

[6] 崔保山、杨志峰：《湿地生态系统健康的时空尺度特征》, 《应用生态学报》2003年第14期，第121～125页。

[7] 郭中伟：《建设国家生态安全预警系统与维护体系——面对严重的生态危机的对策》, 《科技导报》2001年第1期，第54～56页。

[8] 国家环保总局：《全国生态环境保护纲要》, 《人民日报》2000年12月22日。

[9] 刘鹏飞：《生态安全研究进展》，环境污染与大众健康学术会议论文，武汉，2010。

[10] 刘艳艳、吴大放、王朝晖：《湿地生态安全评价研究进展》, 《地理与地理信息科学》2011年第27期，第69～75页。

[11] 南宁、梅凡民、周昊峰：《榆林市压力-状态-响应模型的生态安全评价》,《西安工程大学学报》2016年第30期，第47～56页。

[12] 彭少麟、郝艳茹、陆宏芳：《生态安全的含义与尺度》, 《中山大学学报》（自然科学版）2004年第43期，第28～31页。

[13] 覃玲玲、卓凌源：《南宁1996～2005年生态安全评价研究》, 《广西师范学院学报》（自然科学版）2007年第24期，第61～66页。

[14] 曲格平：《生态安全问题已成为国家安全的热门话题》, 《环境保护》2002年第5期，第3～5页。

[15] 史静珮、苏志珠：《晋西北地区土地生态安全评价指标体系的构建》, 《农学学报》2015年第5期，第58～62页。

[16] 万本太、张建辉等：《中国生态环境质量评价研究》，中国环境科学出版社，2004。

[17] 王素侠：《快速城市化下的城市生态系统失衡及其对策》, 《城市问题》2012年第6期，第51～55页。

[18] 吴开亚：《主成分投影法在区域生态安全评价中的应用》, 《中国软科学》2003年第9期，第123～126页。

[19] 吴开亚、何琼、孙世群：《区域生态安全的主成分投影评价模型及应用》,《中国管理科学》2004年第1期，第106～109页。

[20] 谢花林、李波：《城市生态安全评价指标体系与评价方法研究》, 《北京师范大学学报》（自然科学版）2004年第40期，第705～710页。

[21] 杨姗姗、邹长新、沈渭寿、沈润平、左慧婷、李忠良：《基于RS和GIS的江西省区域生态安全动态评价》, 《林业资源管理》2015年第2期，第100～108页。

[22] 张松、郭怀成、盛虎：《河流流域生态安全综合评估方法》, 《环境科学研究》2012年第25期，第826～832页。

[23] 周文华、王如松：《城市生态安全评价方法研究——以北京市为例》, 《生态学杂志》2005年第24期，第848～852页。

[24] 周金星、陈浩、张怀清：《首都圈多伦地区荒漠化生态安全评价》, 《中国水土保持科学》2003年第11期，第80～84页。

[25] 左伟、周慧珍、王桥：《区域生态安全评价指标体系选取的概念框架研究》,《土壤》2003年第1期，第2～7页。