魯勝晗,朱成立,周建新,田世超,王炎如,常 軍

(1.河海大學 農(nóng)業(yè)工程學院,南京 210098;2.華東勘測設計研究院,杭州 311122;3.河海大學 水文水資源學院,南京 210098)

土地是人類生存和發(fā)展的重要載體，是城鄉(xiāng)建設與經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，同時也是生態(tài)環(huán)境與景觀的重要組成部分。隨著對土地生態(tài)環(huán)境與農(nóng)田景觀建設的越發(fā)重視，土地整治作為一項綜合組織土地利用的傳統(tǒng)活動，面臨著新的發(fā)展。新形勢下的土地整治意在實現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)性，通過引入生態(tài)景觀元素完善生態(tài)結(jié)構(gòu)與景觀功能，利用生態(tài)斑塊、廊道的穩(wěn)定性與生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力促進土地可持續(xù)發(fā)展。

土地整治對區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與景觀建設有積極影響，然而目前對土地整治的生態(tài)效益評價研究多以定性的描述與分析為主，很難科學、客觀地做出評估與判斷，導致一些土地整治項目的生態(tài)保護與景觀建設很難達到預期結(jié)果，因此對土地整治生態(tài)效益評價的研究具有積極的意義。目前，國內(nèi)外對土地整治生態(tài)效益評價的研究有一定探索，一些學者從不同的角度入手對其展開研究，李巖等[1]從生態(tài)學角度出發(fā)，在生態(tài)系統(tǒng)層次上建立生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)模型;丁向華等[2]，劉峻嶺等[3]分別從生態(tài)環(huán)境保護視角和宏觀的景觀格局與微觀的生態(tài)過程入手選取生態(tài)效益評價指標并構(gòu)建評價體系;而Crecent等[4]認為對土地整治生態(tài)效益的評價主要以反映對農(nóng)地保護及直接環(huán)境效益的環(huán)境影響為主。目前國內(nèi)學者對土地整治的生態(tài)效益評價多采用層次分析法[5]，特爾菲法[2]，模糊綜合評價法[6]等，然而這些方法存在主觀性與理解模糊性，受人為影響大。所以筆者嘗試從生態(tài)景觀視角入手，在層次分析法的基礎上結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡使評價過程模式化，以彌補主觀因素的不足，使評價結(jié)果更具客觀性與真實性。

1 研究方法

1.1 評價指標體系

在生態(tài)景觀視角下，土地整治是通過一系列工程、生物措施對區(qū)域生態(tài)與景觀功能、結(jié)構(gòu)進行改造，進而體現(xiàn)整體的生態(tài)效益。因此，對土地整治生態(tài)效益的評價需充分考慮土地整治工程，生態(tài)環(huán)境保護和景觀格局建設的關系，以構(gòu)建合理的，有層次的指標體系。土地整治的生態(tài)效益評價是動態(tài)的、綜合的，為充分體現(xiàn)土地整治對區(qū)域生態(tài)環(huán)境與景觀全面、持續(xù)的影響，在構(gòu)建評價指標體系時應遵循科學性、系統(tǒng)性、動態(tài)性、可操作性及定性與定量相結(jié)合原則[7]。根據(jù)以上思路和原則，借鑒已有的研究成果并參考專家意見，運用層次分析法，結(jié)合土地整治的特點及工程實踐來構(gòu)建基于生態(tài)景觀視角的評價指標體系，以“生態(tài)效益”為目標，擬定3個準則及10個指標和21個子指標(表1)。

該評價指標體系共有4層，分“基本功能”、“生態(tài)功能”、“景觀功能”3個準則。“基本功能”以生產(chǎn)能力、土壤改良、基礎設施為指標層，涵蓋6個基本指標，可以體現(xiàn)土地整治從提升耕地能力、土壤質(zhì)量和基礎設施建設水平3個方面對支持區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護與景觀建設的作用大小;“生態(tài)功能”以環(huán)境保護、水土保持、水資源保護、生物多樣性保護為指標層，涵蓋8個生態(tài)指標，考慮土地整治對區(qū)域環(huán)境、土、水、生物保護的程度;“景觀功能”以景觀多樣性、美觀性、穩(wěn)定性為指標層，涵蓋7個景觀指標，體現(xiàn)土地整治豐富、美化景觀，提升區(qū)域系統(tǒng)抗擾動能力的作用。其中包含的21個子指標既有定量的也有定性的，需根據(jù)各指標的量化方法和標準來確定(表1)。

表1 土地整治的生態(tài)效益評價指標體系

該評價指標體系能較為全面地從工程、生態(tài)保護、景觀格局角度展現(xiàn)土地整治對區(qū)域生態(tài)效益的影響。與常見綜合評價中的生態(tài)效益指標體系[8-9]比較，該體系強調(diào)了基本功能的相關指標對生態(tài)效益的影響，且更詳盡地通過生態(tài)功能的相關指標展現(xiàn)了土地整治在生態(tài)保護方面對生態(tài)效益的影響，同時引入景觀格局指數(shù)體現(xiàn)生態(tài)效益評價中景觀功能的作用。而與常見的生態(tài)效益評價指標體系[10]相比，該體系更注重生態(tài)和景觀功能指標的關聯(lián)性，著重體現(xiàn)了生態(tài)與景觀功能對生態(tài)效益的影響。

1.2 AHP和BP神經(jīng)網(wǎng)絡

層次分析法(AHP)是美國運籌學家T.L Satty于20世紀70年代提出的一種多目標決策分析方法，基本思路是將復雜問題分解成多個層次和因素，然后請領域內(nèi)的專家、學者對兩兩指標間的相對重要程度作出比較判斷，再構(gòu)造判斷矩陣，通過計算其最大特征值及對應特征向量，得出各個層次重要程度的權(quán)重，為決策提供了依據(jù)[11]。層次分析法屬于一種定性判斷與定量分析相結(jié)合的分析方法，但會使評價結(jié)果存在一定程度上的主觀性。

反向傳播(BP)神經(jīng)網(wǎng)絡是一種單向傳播的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡，其主要的特點是信號前向傳播，誤差反向傳播。在前向傳遞中，輸入信號從輸入層經(jīng)隱含層逐層處理，直至輸出層。每一層的神經(jīng)元狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元狀態(tài)。如果輸出層得不到期望輸出，則轉(zhuǎn)入反向傳播，根據(jù)預測誤差調(diào)整網(wǎng)絡權(quán)值和閾值，從而使BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測輸出不斷逼近期望輸出[12]。BP神經(jīng)網(wǎng)絡具有很強的自學習、自適應能力還有很高的容錯性，其層與層神經(jīng)元之間通過權(quán)系數(shù)連接的全互聯(lián)連接方式可以看作一種高度非線性映射，但其目前仍存在一定的局限性。

土地整治對生態(tài)環(huán)境與景觀有綜合且動態(tài)的影響，運用層次分析法可以將復雜的生態(tài)效益分解成若干層次，得出各層次的權(quán)重并進行主觀意識上粗略的評價與優(yōu)選，而通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡的構(gòu)建，訓練與預測可以得出更客觀的評價。兩者都是可單獨對土地整治的生態(tài)效益進行評價的系統(tǒng)性方法，但會使評價結(jié)果存在主觀性與局限性。故筆者嘗試結(jié)合兩種方法進行評價，發(fā)揮各自的優(yōu)勢彌補彼此的缺點，使評價體系系統(tǒng)化，提高評價的準確性與科學性。

1.3 評價步驟

步驟一，確定各指標、準則的權(quán)重系數(shù)ωi和對評價體系中定性的指標進行評分。邀請業(yè)內(nèi)和當?shù)氐乃?、國土、生態(tài)等方面的專家進行問卷調(diào)查，對評價指標體系中3個準則、10個指標和21個子指標的相對重要程度做兩兩比較判斷，構(gòu)造出各層次的判斷矩陣，求解各個專家給出并通過一致性檢驗的判斷矩陣，綜合后可得各準則、指標與分指標的權(quán)重系數(shù)[13]。同時采用專家評分法，對農(nóng)業(yè)小氣候改善度、水資源平衡尺度、景觀連通性3個難以量化的指標根據(jù)表1中相應的指標量化標準從0到10打分，功能越強，評分越高。

步驟二，數(shù)據(jù)預處理。運用相應的量化方法和標準(表1)將評價體系中的指標全部化為實數(shù)，但由于存在不同量綱和不同數(shù)量級的指標值，評價會變得復雜。因此在進行評價前，需對指標數(shù)據(jù)進行預處理，使數(shù)據(jù)處于[0～100]范圍之內(nèi)(表2)。

表2 評價體系中各指標數(shù)據(jù)預處理方法

步驟三，運用層次分析法進行初步評價。以評價指標體系和指標的權(quán)重系數(shù)為基礎，運用層次分析法對研究區(qū)域土地整治的生態(tài)效益進行評價。按照預處理后的指標數(shù)據(jù)乘以相應的權(quán)重系數(shù)，并按各層次求得研究區(qū)各指標、準則及生態(tài)效益的評價值。

步驟四，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型并進行評價。

(1) 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu):由于在理論上已經(jīng)證明一個任意3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡能完成任意的非線性連續(xù)映射[14]，因此采用含輸入層、隱含層、輸入層各1個的3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡，輸入層與隱含層的傳遞函數(shù)選用tansig，隱含層與輸出層的傳遞函數(shù)選用purelin。其中輸入層節(jié)點對應評價指標個數(shù)，輸出層節(jié)點對應目標和各準則，然而隱含層節(jié)點目前尚無成熟、完善的理論指導，故筆者嘗試采用經(jīng)驗公式法的改進方法來確定隱含層節(jié)點[15]。

(2) 網(wǎng)絡訓練:選取一定數(shù)量的訓練樣本，并以層次分析法初步評價的初步結(jié)果為期望輸出。訓練函數(shù)采用traingdx，同時設定合適的最大訓練次數(shù)，學習率及目標誤差。最后加載訓練樣本對網(wǎng)絡進行訓練，使網(wǎng)絡達到較好的精度。

(3) 網(wǎng)絡檢驗與評價:在選取訓練樣本的同時選取檢驗樣本，即為評價樣本。將其加載到訓練達標的BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價模型中，輸出結(jié)果即為得到的土地整治生態(tài)效益評價值。再將其與期望輸出對比，檢驗評價模型是否達到評價要求。

(4) 網(wǎng)絡保存;將訓練好且檢驗達標的網(wǎng)絡進行保存，如需對土地整治的生態(tài)效益評價，即可迅速重啟網(wǎng)絡，輸入待評價區(qū)域的指標值，即可獲得相應的評價結(jié)果。

步驟五，根據(jù)評價模型輸出結(jié)果進行評價。得出各準則、目標的評價值后，比較研究區(qū)域內(nèi)“基本功能”、“生態(tài)功能”、“環(huán)境功能”及生態(tài)效益的優(yōu)劣，評價值越大，其功能越強，效益越好。

2 實例應用

2.1 研究區(qū)概況

選取白鶴灘水電站(云南與四川部分)土地整治項目與衢州市衢江區(qū)萬畝水田墾造項目作為研究對象。

(1) 白鶴灘土地整治項目。白鶴灘水電站位于云南、四川兩省交界的金沙江上，土地整治作為其配套工程在金沙江兩岸起到補充耕園地，加強基礎設施建設，提高生產(chǎn)生活水平，保護生態(tài)環(huán)境，提升景觀建設等作用。其中在云南境內(nèi)覆蓋1區(qū)2市3縣，主要以土地開發(fā)為主，還有一些墊高造地工程;四川境內(nèi)覆蓋1個自治州5個縣，主要以土地整理為主，土地開發(fā)較少。其區(qū)域內(nèi)地表特征多樣，地貌類型眾多，地域組合復雜，垂直差異明顯;氣候復雜、變化大，主要以高原氣候為主，雨熱同期;土壤種類多樣，呈階梯狀分布，主要以紅壤、黃棕壤為主;水文情況較好，降雨較豐富且主要集中在夏季，水系較發(fā)達;土地利用主要以耕園地和林地為主，土地利用率較高但墾殖率處于中下水平，森林覆蓋率可達4至5成。

白鶴灘土地整治目標主要分為3個方面:(1) 保護脆弱的生態(tài)環(huán)境，治理水土流失，打造農(nóng)業(yè)景觀;(2) 籌措高質(zhì)量耕園地，解決配套基礎設施，提高土地產(chǎn)出;(3) 開發(fā)具有潛力的未利用地，形成生產(chǎn)力和一定的植被覆蓋。

(2) 衢江萬畝水田項目。衢江萬畝水田項目位于衢州市，地處浙江西部，錢塘江上游，是國家級智慧生態(tài)農(nóng)業(yè)綜合改革試驗區(qū)也是全國農(nóng)業(yè)示范園區(qū)。土地整治作為其主要的工程措施起著平衡優(yōu)質(zhì)土地資源，調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，保護農(nóng)業(yè)生態(tài)，提升農(nóng)業(yè)景觀，和諧三農(nóng)三生，融合一二三產(chǎn)業(yè)等作用，為促進智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展和加快農(nóng)村綜合改革打下基礎。其中又主要以土地開發(fā)整理和高標準農(nóng)田項目為主。區(qū)域內(nèi)主要為丘陵地貌，地勢西高東低;氣候溫暖濕潤，光熱豐富，雨量充沛，無霜期長;土壤肥沃，主要以壤、粘質(zhì)土為主;內(nèi)部水系豐富，水庫與坑塘水面分布較多，水渠橫貫東西;土地利用主要以水田、果園為主，土地利用率和土壤墾殖率都屬于中上水平，植被覆蓋率可達8成。

衢江萬畝水田項目目標主要分為4個方面:(1) 按照生態(tài)文明、農(nóng)旅景觀和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化要求促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展;(2) 打造“土地整治+”模式，形成高端綠色農(nóng)業(yè)和“智慧農(nóng)業(yè)”;(3) 平衡高質(zhì)量土地資源，解決土地矛盾。(4) 以土地整治項目為依托，融合一二三產(chǎn)業(yè)。

2.2 指標值與權(quán)重系數(shù)的確定

根據(jù)表1中的指標量化方法，結(jié)合研究區(qū)情況，對評價體系內(nèi)的定量指標進行量化處理，得到相應指標數(shù)據(jù)。邀請了浙江省、江蘇省及當?shù)氐氖幻麌?、水利、生態(tài)專家進行問卷調(diào)查，結(jié)合研究區(qū)情況，根據(jù)表1中相應的量化標準對定性的指標進行評分，同時對評價指標的兩兩相互重要性做出判斷，運用層次分析法求解這些判斷矩陣并驗證其一致性，最終得出定性指標的相應指標數(shù)據(jù)和各指標、準則的權(quán)重系數(shù)。根據(jù)表2中的處理方法對評價體系中的指標數(shù)據(jù)進行預處理，得到規(guī)范化的數(shù)據(jù)(表3)。

表3 評價指標權(quán)重系數(shù)及數(shù)據(jù)

2.3 AHP和BP神經(jīng)網(wǎng)絡評價

根據(jù)評價步驟三，運用層次分析法，以各指標、準則權(quán)重系數(shù)和評價指標數(shù)據(jù)基礎，對研究區(qū)內(nèi)各片區(qū)的土地整治生態(tài)效益進行初步評價，得初步評價值。

根據(jù)評價步驟四中的網(wǎng)絡設計思路，應用Matlab軟件建立4個BP神經(jīng)網(wǎng)絡，評價對象為基本功能，景觀功能，生態(tài)功能和生態(tài)效益，其對應的網(wǎng)絡拓撲結(jié)果分別是6×13×1,8×17×1,7×15×1,21×43×1。抽取蒙姑，大崇集鎮(zhèn)，白鶴灘鎮(zhèn)土地整治項目的數(shù)據(jù)樣本作為檢驗樣本，再選取34個土地整治項目的數(shù)據(jù)樣本為訓練樣本，并以初步評價值為期望輸出。經(jīng)訓練使網(wǎng)絡達到較好的訓練精度后，輸入檢驗樣本得相對誤差(表4)，可見該網(wǎng)絡的最大誤差在1%以內(nèi)，達到檢驗與評價要求。最后輸入白鶴灘(云南)，白鶴灘(四川)，衢江的指標值進行評價，獲得研究區(qū)相應的評價值(表5)。

表4 檢驗樣本相對誤差 %

表5 評價指標值

2.4 評價分析

由各準則、指標的權(quán)重系數(shù)可看出:生態(tài)功能和景觀功能2個準則相對更重要，其中農(nóng)業(yè)小氣候改善度、土壤侵蝕指數(shù)、水資源平衡尺度、生物豐富指數(shù)、香農(nóng)多樣性、景觀連接度在所在準則層中較為重要。

通過分析評價結(jié)果可以看出:在生態(tài)景觀視角下，衢江萬畝水田項目的生態(tài)效益要優(yōu)于白鶴灘土地整治項目，而在白鶴灘土地整治項目中四川片區(qū)的生態(tài)效益要更優(yōu)于云南片區(qū);其中衢江萬畝水田在基本功能、生態(tài)功能及景觀功能都要全面強于白鶴灘土地整治項目，而白鶴灘四川片區(qū)的基本功能及景觀功能要比云南片區(qū)更好，生態(tài)功能則稍差一些。評價結(jié)果與實際項目情況相符。

從評價結(jié)果分析結(jié)合研究區(qū)實際情況與主要目標來看:衢江萬畝水田地處自然、社會及經(jīng)濟條件較好的東部地區(qū)，其基本功能優(yōu)異，很好地平衡了優(yōu)質(zhì)土地資源，能有效支持生態(tài)環(huán)境保護和農(nóng)業(yè)景觀建設。而生態(tài)功能和景觀功能雖然要優(yōu)于白鶴灘土地整治項目，但優(yōu)勢不明顯，考慮到該項目剛建設完成，后續(xù)根據(jù)還要根據(jù)規(guī)劃的目標融合美麗鄉(xiāng)村建設，“智慧農(nóng)業(yè)”，農(nóng)耕文化傳承，生態(tài)環(huán)境提升和農(nóng)旅融合等打造“土地整治+”，其生態(tài)功能、景觀功能及生態(tài)效益會在現(xiàn)在的基礎上更上一層樓;而白鶴灘土地整治項目地處欠發(fā)達的西部地區(qū)，雖然背靠白鶴灘水電站，在政策和經(jīng)濟上有很大力度的支持，但在自然條件上仍要差一些，導致其生態(tài)效益相對較差，由于項目仍在實施完善中，基礎設施建設、生產(chǎn)能力提升和土壤改良仍是項目重心，所以其基本功能基本達標，開發(fā)和籌措生產(chǎn)用地、提高土地產(chǎn)出的任務基本完成，能給予生態(tài)環(huán)境保護與景觀建設一定支持。但其生態(tài)功能和景觀功能較差，保護生態(tài)環(huán)境、打造農(nóng)業(yè)景觀的目標尚未完全達成，待項目完善后加強改善生態(tài)環(huán)境，提升農(nóng)業(yè)景觀建設，其生態(tài)、景觀功能和生態(tài)效益會有明顯提升。

結(jié)合評價分析可知，本文所構(gòu)建的評價體系不僅能體現(xiàn)土地整治區(qū)域整體的生態(tài)效益，還可以更細致地從土地整治的基本功能，生態(tài)功能和景觀功能及各相應指標中體現(xiàn)土地整治對區(qū)域生態(tài)環(huán)境，景觀格局的影響，表明該評價體系具有合理的可行性。

3 結(jié) 論

(1) 本文提出了一套系統(tǒng)、科學的土地整治生態(tài)效益評價體系，該體系包含3個準則，10個指標和21個子指標，涵蓋了國土、水利、環(huán)境、景觀等各領域各方面，各指標內(nèi)容清晰明確，量化方法科學高效，同時引入專家評分法和層次分析法來確定各指標的權(quán)重系數(shù)，可以合理、有效地體現(xiàn)土地整治生態(tài)效益的各個方面。

(2) 本文是在生態(tài)景觀視角下對土地整治的生態(tài)效益進行系統(tǒng)性的評價，強調(diào)生態(tài)環(huán)境保護與農(nóng)業(yè)景觀建設在新形勢下土地整治中的重要性，是基于打造“土地整治”與“智慧農(nóng)業(yè)”，改善農(nóng)業(yè)環(huán)境，提升農(nóng)業(yè)景觀，建設美麗鄉(xiāng)村，加強農(nóng)旅融合的角度提出的。

(3) 本文采用層次分析法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型相結(jié)合的方法進行土地整治的生態(tài)效益評價:確定各準則、指標的權(quán)重系數(shù)，對指標數(shù)據(jù)進行預處理，初步評價并選取訓練樣本及檢驗樣本，構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡并訓練使其達標，檢驗網(wǎng)絡符合評價要求后在該模型中輸入評價樣本進行評價。從權(quán)重系數(shù)分析可得，生態(tài)功能和景觀功能2個準則及生物多樣性保護、景觀多樣性、景觀穩(wěn)定性和景觀美觀性4個指標占比較大。從實例分析可知，衢江萬畝水田項目在生態(tài)效益各方面都要優(yōu)于白鶴灘土地整治項目，客觀地體現(xiàn)了項目實際，表明該評價體系合理可行。

(4) 通過對實例評價進行分析，筆者對土地整治的生態(tài)效益提升有一些建議:以衢江萬畝農(nóng)田為代表的發(fā)達地區(qū)的土地整治在追求土地數(shù)量與質(zhì)量的雙平衡的同時，應在可持續(xù)發(fā)展、高標準建設、因地制宜、科技先導、統(tǒng)籌城鄉(xiāng)的原則下，加強保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，提升農(nóng)業(yè)景觀建設，加強美麗鄉(xiāng)村建設和農(nóng)旅融合，努力打造“土地整治+”和“智慧農(nóng)業(yè)”相結(jié)合的模式。而以白鶴灘土地整治項目為代表的欠發(fā)達地區(qū)的土地整治，應在加強基礎設施建設的同時，在西部大開發(fā)戰(zhàn)略背景下堅持以加強基本農(nóng)田建設和生態(tài)退耕為主，努力保護脆弱的生態(tài)環(huán)境。

(5) 本方法也有一些需要改善的地方，評價體系中仍有較多定性的指標，應努力探索更多具有代表性且具備科學性的定量指標，減少因此而引起的信息丟失。