魯勝晗,朱成立,周建新,田世超,王炎如,常 軍

(1.河海大學 農業(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)結構與景觀功能，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地保護及直接環(huán)境效益的環(huán)境影響為主。目前國內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合BP神經網絡使評價過程模式化，以彌補主觀因素的不足，使評價結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、結構進行改造，進而體現整體的生態(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合原則[7]。根據以上思路和原則，借鑒已有的研究成果并參考專家意見，運用層次分析法，結合土地整治的特點及工程實踐來構建基于生態(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，可以體現土地整治從提升耕地能力、土壤質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體現生態(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性，著重體現了生態(tài)與景觀功能對生態(tài)效益的影響。

1.2 AHP和BP神經網絡

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重，為決策提供了依據[11]。層次分析法屬于一種定性判斷與定量分析相結合的分析方法，但會使評價結果存在一定程度上的主觀性。

反向傳播(BP)神經網絡是一種單向傳播的前饋神經網絡，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隱含層逐層處理，直至輸出層。每一層的神經元狀態(tài)只影響下一層神經元狀態(tài)。如果輸出層得不到期望輸出，則轉入反向傳播，根據預測誤差調整網絡權值和閾值，從而使BP神經網絡預測輸出不斷逼近期望輸出[12]。BP神經網絡具有很強的自學習、自適應能力還有很高的容錯性，其層與層神經元之間通過權系數連接的全互聯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，得出各層次的權重并進行主觀意識上粗略的評價與優(yōu)選，而通過BP神經網絡的構建，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，但會使評價結果存在主觀性與局限性。故筆者嘗試結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、準則的權重系數ωi和對評價體系中定性的指標進行評分。邀請業(yè)內和當地的水利、國土、生態(tài)等方面的專家進行問卷調查，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、指標與分指標的權重系數[13]。同時采用專家評分法，對農業(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，數據預處理。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，但由于存在不同量綱和不同數量級的指標值，評價會變得復雜。因此在進行評價前，需對指標數據進行預處理，使數據處于[0～100]范圍之內(表2)。

表2 評價體系中各指標數據預處理方法

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重系數為基礎，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據乘以相應的權重系數，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，構建BP神經網絡模型并進行評價。

(1) 網絡拓撲結構:由于在理論上已經證明一個任意3層BP神經網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神經網絡，輸入層與隱含層的傳遞函數選用tansig，隱含層與輸出層的傳遞函數選用purelin。其中輸入層節(jié)點對應評價指標個數，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，故筆者嘗試采用經驗公式法的改進方法來確定隱含層節(jié)點[15]。

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

(3) 網絡檢驗與評價: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神經網絡評價模型中，輸出結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) 網絡保存;將訓練好且檢驗達標的網絡進行保存，如需對土地整治的生態(tài)效益評價，即可迅速重啟網絡，輸入待評價區(qū)域的指標值，即可獲得相應的評價結果。

步驟五，根據評價模型輸出結果進行評價。得出各準則、目標的評價值后，比較研究區(qū)域內“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，打造農業(yè)景觀;(2) 籌措高質量耕園地，解決配套基礎設施，提高土地產出;(3) 開發(fā)具有潛力的未利用地，形成生產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)農業(yè)綜合改革試驗區(qū)也是全國農業(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)質土地資源，調整農業(yè)結構，保護農業(yè)生態(tài)，提升農業(yè)景觀，和諧三農三生，融合一二三產業(yè)等作用，為促進智慧農業(yè)發(fā)展和加快農村綜合改革打下基礎。其中又主要以土地開發(fā)整理和高標準農田項目為主。區(qū)域內主要為丘陵地貌，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、粘質土為主;內部水系豐富，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、農旅景觀和農業(yè)現代化要求促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展;(2) 打造“土地整治+”模式，形成高端綠色農業(yè)和“智慧農業(yè)”;(3) 平衡高質量土地資源，解決土地矛盾。(4) 以土地整治項目為依托，融合一二三產業(yè)。

2.2 指標值與權重系數的確定

根據表1中的指標量化方法，結合研究區(qū)情況，對評價體系內的定量指標進行量化處理，得到相應指標數據。邀請了浙江省、江蘇省及當地的十一名國土、水利、生態(tài)專家進行問卷調查，結合研究區(qū)情況，根據表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據和各指標、準則的權重系數。根據表2中的處理方法對評價體系中的指標數據進行預處理，得到規(guī)范化的數據(表3)。

表3 評價指標權重系數及數據

2.3 AHP和BP神經網絡評價

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

根據評價步驟四中的網絡設計思路，應用Matlab軟件建立4個BP神經網絡，評價對象為基本功能，景觀功能，生態(tài)功能和生態(tài)效益，其對應的網絡拓撲結果分別是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)土地整治項目的數據樣本作為檢驗樣本，再選取34個土地整治項目的數據樣本為訓練樣本，并以初步評價值為期望輸出。經訓練使網絡達到較好的訓練精度后，輸入檢驗樣本得相對誤差(表4)，可見該網絡的最大誤差在1%以內，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、指標的權重系數可看出:生態(tài)功能和景觀功能2個準則相對更重要，其中農業(yè)小氣候改善度、土壤侵蝕指數、水資源平衡尺度、生物豐富指數、香農多樣性、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。評價結果與實際項目情況相符。

從評價結果分析結合研究區(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)質土地資源，能有效支持生態(tài)環(huán)境保護和農業(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)根據還要根據規(guī)劃的目標融合美麗鄉(xiāng)村建設，“智慧農業(yè)”，農耕文化傳承，生態(tài)環(huán)境提升和農旅融合等打造“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)和籌措生產用地、提高土地產出的任務基本完成，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。

結合評價分析可知，本文所構建的評價體系不僅能體現土地整治區(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 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重系數，可以合理、有效地體現土地整治生態(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，強調生態(tài)環(huán)境保護與農業(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“智慧農業(yè)”，改善農業(yè)環(huán)境，提升農業(yè)景觀，建設美麗鄉(xiāng)村，加強農旅融合的角度提出的。

(3) 本文采用層次分析法和BP神經網絡模型相結合的方法進行土地整治的生態(tài)效益評價:確定各準則、指標的權重系數，對指標數據進行預處理，初步評價并選取訓練樣本及檢驗樣本，構建BP神經網絡并訓練使其達標，檢驗網絡符合評價要求后在該模型中輸入評價樣本進行評價。從權重系數分析可得，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:以衢江萬畝農田為代表的發(fā)達地區(qū)的土地整治在追求土地數量與質量的雙平衡的同時，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，加強保護農業(yè)生態(tài)環(huán)境，提升農業(yè)景觀建設，加強美麗鄉(xiāng)村建設和農旅融合，努力打造“土地整治+”和“智慧農業(yè)”相結合的模式。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。