李方方，王璦玲，劉鳳榮，張蕊

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安271018

2.諸城市國土資源局，山東諸城262200

3.山東省土地勘測規(guī)劃院，山東濟(jì)南250014

4.寧陽縣紀(jì)委，山東寧陽271400

基于主成分分析法和層次分析法的寧陽縣農(nóng)地效益評價及方法比較

李方方1，2，王璦玲1*，劉鳳榮3，張蕊4

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東泰安271018

2.諸城市國土資源局，山東諸城262200

3.山東省土地勘測規(guī)劃院，山東濟(jì)南250014

4.寧陽縣紀(jì)委，山東寧陽271400

農(nóng)地利用不僅要實(shí)現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益、生態(tài)效益和綜合效益，而且要求3個子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)。本文以寧陽縣為研究區(qū)，構(gòu)建農(nóng)地效益評價指標(biāo)體系，分別采用主成分分析法和層次分析法測算2001～2010年農(nóng)地效益，變異系數(shù)法計(jì)算農(nóng)地系統(tǒng)協(xié)調(diào)度。結(jié)果表明：①寧陽縣農(nóng)地經(jīng)濟(jì)、社會及生態(tài)效益均在2002年出現(xiàn)最低值，之后呈上升趨勢。其中，社會效益最好，生態(tài)效益波動較大，經(jīng)濟(jì)效益最低。②農(nóng)地綜合效益總體呈上升趨勢，農(nóng)地系統(tǒng)協(xié)調(diào)度波動較大，2002年出現(xiàn)最低值，2005年以后維持在相對較高水平。③兩種方法評價結(jié)果總體一致，但生態(tài)效益、農(nóng)地系統(tǒng)協(xié)調(diào)度在個別年份有較大差異。研究結(jié)果可為寧陽縣提高農(nóng)地效益和促進(jìn)土地協(xié)調(diào)利用提供依據(jù)。

農(nóng)地效益評價；時間變化；主成分分析法；層次分析法；寧陽縣

農(nóng)地是人類的生產(chǎn)生活資料和自然經(jīng)濟(jì)社會復(fù)合體，具有經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)、生態(tài)服務(wù)和社會保障功能［1］。農(nóng)地利用不僅給農(nóng)戶或生產(chǎn)者帶來直接的經(jīng)濟(jì)效益，而且作為公共物品給全體社會成員帶來生態(tài)效益或間接的社會效益［2］。我國土地資源總量大，但人均農(nóng)地資源相對稀缺［3］。相對短缺的農(nóng)地資源尤其是耕地的不足已成為我國發(fā)展的制約因素，應(yīng)努力提高農(nóng)地經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益，并且促使各效益之間相互協(xié)調(diào)。因此，加強(qiáng)農(nóng)地效益評價研究對于合理利用農(nóng)地、促進(jìn)土地資源可持續(xù)利用等具有重要意義。

隨著對農(nóng)地資源利用的重視，農(nóng)地效益評價相關(guān)研究成為熱點(diǎn)。有學(xué)者進(jìn)行了農(nóng)地效益內(nèi)涵［4，5］、評價指標(biāo)體系構(gòu)建及評價［6-8］、效益時空變化［9，10］、效益協(xié)調(diào)度等［11］研究，建立了以主成分分析、層次分析法、多因素綜合評價法等的傳統(tǒng)方法評價，并基于灰色模型、回歸模型等建立新評價模型［12，13］。農(nóng)地利用不能只注重經(jīng)濟(jì)效益，還要注重生態(tài)效益和社會效益，做到三大效益的統(tǒng)一。以往研究較偏重經(jīng)濟(jì)、社會或生態(tài)效益單方面，對農(nóng)地綜合效益、農(nóng)地系統(tǒng)協(xié)調(diào)度、時間變化的綜合研究及不同評價方法比較分析較少。因此，進(jìn)行農(nóng)地效益和協(xié)調(diào)度評價、農(nóng)地效益變化及評價方法比較研究，對完善農(nóng)地效益評價理論、提高農(nóng)地效益和協(xié)調(diào)度意義重大。

本文以山東省寧陽縣為研究區(qū)，分析農(nóng)地效益內(nèi)涵，構(gòu)建農(nóng)地效益評價指標(biāo)體系和協(xié)調(diào)度模型，采用主成分分析法及層次分析法進(jìn)行2001～2010年農(nóng)地效益評價，并進(jìn)行時間變化分析及評價方法比較，評價結(jié)果可為研究區(qū)農(nóng)地合理利用提供依據(jù)。

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)來源

寧陽縣位于山東省中部，屬暖溫帶濕潤季節(jié)性氣候，年平均氣溫13.4°C，日照時數(shù)2679.3 h，無霜期199 d，平均降水量689.6 mm。地勢東高西低，東部多為低山、丘陵，西部多為平原。轄13個鄉(xiāng)、鎮(zhèn)（街道辦事處），2010年末，全縣總?cè)丝?2.2×104人，其中農(nóng)業(yè)人口65.37×104人；土地總面積11.24×104hm2，其中農(nóng)用地面積8.34×104hm2，占全縣總面積74.3%。

數(shù)據(jù)來源為：《寧陽縣統(tǒng)計(jì)年鑒》（2001～2010）、寧陽縣土地利用現(xiàn)狀（2001～2010年）、《寧陽縣土地利用總體規(guī)劃（2006～2020年）》、《寧陽縣國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十二個總體規(guī)劃綱要》等。

2 農(nóng)地效益評價指標(biāo)體系及協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建

2.1 農(nóng)地效益評價指標(biāo)體系構(gòu)建

農(nóng)地效益指在農(nóng)地利用過程中，單位面積農(nóng)地投入與消耗在區(qū)域發(fā)展的社會、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等方面所實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)產(chǎn)出或有效成果。農(nóng)地利用不僅要獲得經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的增長，也要在全社會范圍內(nèi)獲得社會效益的提高。因此，農(nóng)地效益應(yīng)該是農(nóng)地各種效益的綜合體現(xiàn)，不僅經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)3個子系統(tǒng)高效利用，還包括綜合效益及子系統(tǒng)間的相互協(xié)調(diào)。

農(nóng)地效益是諸多因素綜合作用的結(jié)果。由于區(qū)域資源稟賦和經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及所處經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段不同，農(nóng)地效益影響因素不同。根據(jù)農(nóng)地效益內(nèi)涵，考慮研究區(qū)特點(diǎn)，本文以農(nóng)地綜合效益為目標(biāo)層，從經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益3方面選取24個指標(biāo)構(gòu)建了農(nóng)地效益評價指標(biāo)體系。為方便數(shù)據(jù)處理，對農(nóng)地效益產(chǎn)生負(fù)影響的指標(biāo)計(jì)算時直接取倒數(shù)，使所選指標(biāo)均為正指標(biāo)。指標(biāo)體系及意義見表1。

表1 農(nóng)地效益評價指標(biāo)體系及權(quán)重Table 1 Index system and its weight of agricultural land efficiency evaluation

2.2 農(nóng)地系統(tǒng)協(xié)調(diào)度模型構(gòu)建

協(xié)調(diào)度是度量系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)部要素在發(fā)展過程中彼此和諧一致的程度，體現(xiàn)了系統(tǒng)由無序走向有序的趨勢，是協(xié)調(diào)狀況好壞程度的定量指標(biāo)。系統(tǒng)協(xié)調(diào)度值高，則系統(tǒng)可持續(xù)性高。協(xié)調(diào)度值越接近1，表示系統(tǒng)越協(xié)調(diào)，可持續(xù)性越高，反之，協(xié)調(diào)度越接近于0，表明系統(tǒng)越不協(xié)調(diào)，可持續(xù)性越差。農(nóng)地是個綜合有機(jī)整體，高效的農(nóng)地利用系統(tǒng)應(yīng)該是經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益協(xié)調(diào)發(fā)展的。本研究采用變異系數(shù)法測算農(nóng)地系統(tǒng)協(xié)調(diào)度，公式如（1）。

式中：Ci為協(xié)調(diào)度值，Ei、Hi分別為第i年份各子系統(tǒng)效益的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。

3 主成分分析法和層次分析法評價農(nóng)地效益

根據(jù)寧陽縣2001～2010年統(tǒng)計(jì)年鑒及相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得各項(xiàng)指標(biāo)值，分別采用主成分分析法（PCA）和層次分析法（AHP）進(jìn)行農(nóng)地效益評價。

3.1 主成分分析法評價農(nóng)地效益

主成分分析法本質(zhì)是利用降維思想，對高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳綜合和簡化，基于數(shù)據(jù)資料，在信息損失較少的前提下把多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個綜合指標(biāo)，即主成分，同時客觀地給出各主成分權(quán)重（方差貢獻(xiàn)率），使主成分比原始變量具有更優(yōu)越性能，客觀性強(qiáng)。

3.1.1 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化采用SPSS17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

式中：Zij、Xij分別為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值和原始值，、Sj分別為第j個指標(biāo)的樣本均值和方差。

3.1.2 主成分分析將指標(biāo)值代入SPSS17.0進(jìn)行分析，提取特征根與方差貢獻(xiàn)率，按照累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于80%［14］、特征值λ≥1的原則提取主成分。各年份農(nóng)地經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益及綜合效益的主成分、特征值及方差貢獻(xiàn)率見表2。

表2 主成分特征值及貢獻(xiàn)率Table 2 Eigenvalues of principal components and the contribution rate

3.1.3 農(nóng)地效益評價由主成分表達(dá)式計(jì)算主成分得分。根據(jù)式（3）計(jì)算2001～2010年農(nóng)地利用的經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益和綜合效益（圖1）。

圖1 基于主成分分析法和層次分析法寧陽縣農(nóng)地效益評價結(jié)果Fig.1 Comparison of evaluation methods of Ningyang agricultural land efficiency

其中：Fi表示最終效益得分；F1、F2…Fp分別為第1、2…p個主成分得分；1λ、2λ…pλ分別為主成分F1、F2…Fn的貢獻(xiàn)率。

由式（3）測算的各年效益值有正有負(fù)。為比較不同年份效益的相對大小，對主成分分析結(jié)果再次標(biāo)準(zhǔn)化處理（式4），使之在0～1之間（圖2）。公式為：

式中：Ei為效益最終值；Fi、Fimax、Fimin分別為各類效益值、最大值和最小值。

3.1.4 協(xié)調(diào)度計(jì)算根據(jù)功效系數(shù)及式（1），計(jì)算協(xié)調(diào)度值。由于2002年各類效益值最低，功效系數(shù)為0，數(shù)據(jù)處理過程中該年份協(xié)調(diào)度直接賦值為0（圖2）。

圖2 兩種方法評價結(jié)果平均值Fig.2 Average value of two evaluation methods results

3.2 層次分析法評價農(nóng)地效益

層次分析法由專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷各評價指標(biāo)相對重要性，構(gòu)建判定矩陣確定權(quán)重，然后采用加權(quán)指數(shù)法計(jì)算農(nóng)地效益，特點(diǎn)是主觀性較強(qiáng)。

3.2.1 指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化采用極值法對各年指標(biāo)原始值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，公式為：

式中：Yij、Xij分別為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值和原始值，Ximax、Ximin分別為i年份j項(xiàng)指標(biāo)的最大、最小值。

3.2.2 層次分析法確定權(quán)重指標(biāo)權(quán)重反映了評價指標(biāo)對效益的相對重要程度，本研究采用采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重?；驹硎菍⑴c決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性與定量分析。其基本步驟是：建立遞階層次結(jié)構(gòu)，詢問有關(guān)專家，對指標(biāo)層兩兩比較重要性（采用Satty T·L提出的“1～9比率標(biāo)度法”），并進(jìn)行層次單排序與一致性檢驗(yàn)。在yaahp0.5.3軟件下，構(gòu)建1個目標(biāo)層和3個準(zhǔn)則層共4個判斷矩陣，當(dāng)判斷矩陣隨機(jī)一致性比率時，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則調(diào)整判斷矩陣。最終確定各準(zhǔn)則層及指標(biāo)層權(quán)重（表1）。3.2.3綜合效益及協(xié)調(diào)度值計(jì)算采用加權(quán)指數(shù)法測算農(nóng)地效益，利用各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值與相應(yīng)權(quán)重加權(quán)求和，得寧陽縣各年份農(nóng)地效益值（圖1）。公式為：

式中：Fi為第i年份效益值，Wij為指標(biāo)權(quán)重，Yij為標(biāo)準(zhǔn)化值，m為指標(biāo)個數(shù)。

根據(jù)公式（1）計(jì)算各年份協(xié)調(diào)度值。為便于和主成分分析法評價結(jié)果進(jìn)行比較，對層次分析法測算結(jié)果采用式4進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（圖1）。

寧陽縣農(nóng)地效益及協(xié)調(diào)度評價結(jié)果取層次分析法和主成分分析法平均值（圖2）。

4 結(jié)果與分析

4.1 寧陽縣經(jīng)濟(jì)、社會效益及生態(tài)效益分析

由圖1、圖2可知，2001～2010年寧陽縣農(nóng)地經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益總體呈上升趨勢，2002年同時出現(xiàn)最低值，之后基本呈上升趨勢，三類效益中社會效益和生態(tài)效益相對較好，社會效益穩(wěn)定上升、發(fā)展速度快。生態(tài)效益總體發(fā)展不穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益雖然在2007年以后增長加快，但總體發(fā)展速度及總體水平較低，較社會效益及生態(tài)效益差。

4.2 寧陽縣農(nóng)地綜合效益及協(xié)調(diào)度分析

由圖1、圖2可知，2001～2010年寧陽縣農(nóng)地綜合效益及協(xié)調(diào)度在2002年達(dá)最低值，之后上升，總體發(fā)展態(tài)勢良好。協(xié)調(diào)度波動較大，農(nóng)地利用各子系統(tǒng)效益均較高時，農(nóng)地協(xié)調(diào)度較高，當(dāng)經(jīng)濟(jì)、社會、生態(tài)效益中出現(xiàn)較大差異時，系統(tǒng)協(xié)調(diào)度較低?？傮w來看，10年來寧陽縣農(nóng)地利用逐漸合理，協(xié)調(diào)度提升，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)地可持續(xù)利用。查閱相關(guān)資料可知，2002年屬重災(zāi)年份，寧陽縣遭受干旱、低溫冷凍、風(fēng)雹和病蟲害等多種自然災(zāi)害，春季罕見的低溫冷凍災(zāi)害和夏秋期間百年不遇的特大干旱，給全縣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成很大損失。因此農(nóng)地效益與協(xié)調(diào)度在2002年均出現(xiàn)相對最低值，自然災(zāi)害對農(nóng)地利用有較大影響。

4.3 評價方法比較

主成分分析法與層次分析法評價結(jié)果總體一致。僅生態(tài)效益在2006～2009年、農(nóng)地系統(tǒng)協(xié)調(diào)度在2001年和2004年有較大差異。兩種方法基本思路不同，主成分分析法是在解釋方差貢獻(xiàn)率的基礎(chǔ)上對指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，對方差貢獻(xiàn)率大的數(shù)據(jù)賦予較大權(quán)重，客觀性強(qiáng)；層次分析法則是在專家經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上根據(jù)指標(biāo)重要性賦予權(quán)重，主觀性強(qiáng)。

5 結(jié)論與討論

1）研究以寧陽縣農(nóng)地為研究對象，探索性的建立農(nóng)地效益評價指標(biāo)體系，評價了研究區(qū)2001～2010年農(nóng)地效益動態(tài)變化及系統(tǒng)協(xié)調(diào)度狀況，得出了科學(xué)合理的評價結(jié)果，并結(jié)合寧陽縣農(nóng)地利用中存在的問題，提出建議：針對2002年農(nóng)地效益最低情況，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)田基本建設(shè)，提高農(nóng)地本身抗災(zāi)能力；部分指標(biāo)相鄰年份差異較大，應(yīng)加強(qiáng)農(nóng)地利用實(shí)時監(jiān)測，及時準(zhǔn)確把握農(nóng)地動態(tài)變化；灌溉指數(shù)呈下降趨勢，應(yīng)完善農(nóng)田水利建設(shè)，保證灌溉情況，改善農(nóng)地生態(tài)效益；經(jīng)濟(jì)效益發(fā)展速度較慢，應(yīng)加大科技投入，提高農(nóng)地利用產(chǎn)出水平。研究可為農(nóng)地合理利用與可持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。

2）主成分法與層次分析法進(jìn)行農(nóng)地效益評價時，結(jié)果總體一致。說明主觀與客觀評價方法都能反映研究區(qū)農(nóng)地效益及變化情況。相比較而言，主成分分析基于數(shù)據(jù)本身分析，客觀性強(qiáng)，因此更適合評價指標(biāo)多，主觀確定權(quán)重較難情況；當(dāng)指標(biāo)數(shù)較少，指標(biāo)相對重要性確定容易時，判斷矩陣容易構(gòu)建，適用層次分析法。在實(shí)際研究中，應(yīng)結(jié)合研究區(qū)特點(diǎn)及評價指標(biāo)數(shù)量，采取適宜的評價方法。

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Evaluation on the Efficiency of Rural Land in Ningyang County with Principal Component Analysis and Analytic Hierarchy Process and the Comparison betweenTwoMethods

LI Fang-fang1，2，WANGAi-ling1*，LIU Feng-rong3，ZHANG Rui4
1.College of Resources and Environment，Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Zhucheng Bureau of Land Resources，Zhucheng 262200，China
3.Shandong Land Surveying&Planning Institute，Jinan 250014，China
4.Ningyang Discipline Inspection Commission，Ningyang 271400，China

Process of agricultural land use not only involved achievement of higher economical，social，ecological and comprehensive efficiency，but also required coordination between three sub-systems.This paper takes Ningyang as researching object，constructs indicator system.Principal component analysis and analytic hierarchy process were respectively used to compute 2001～2010 agricultural land efficiency，the coefficient of variation method were used to compute coordination degree.The evaluation results showed：①Economical，social and ecological efficiency of Ningyang agricultural land reached lowest in 2002，and then upward.In three sub-systems，social benefits was the best，ecological benefits fluctuated，economic efficiency was the lowest.②Comprehensive efficiency went up overall.Coordination degree fluctuated，reaching lowest in 2002，and kept at a relatively high level after 2005.③Results of two evaluation methods are generally consistent，except that ecological efficiency and coordination degree differed in some particular years.The results provide reference for Ningyang to improve agricultural land efficiency and promote coordination use of land resources.

Agricultural land efficiency evaluation；temporal changes；principal component analysis；analytic hierarchy process；Ningyang County

F301.2

A

1000-2324（2015）01-0069-05

2013-01-05

2013-02-13

李方方（1989-），女，山東聊城人，碩士，研究方向?yàn)橥恋乩门c評價.E-mail：funny89@126.com

*通信作者:Author for correspondence.Email：ailingwang@sdau.edu.cn