一、都安喀斯特土地可持续利用评价目标和意义

前文的研究结果表明，都安脆弱喀斯特生态环境与先天脆弱的地质—生态背景因素有关，与人类活动引起的土地利用变化关系更加密切。都安属于典型的喀斯特少数民族山区农业县，人地矛盾突出。由于不合理的土地利用方式已经严重改变了都安喀斯特山区地表土地覆被状况并影响许多生态过程，直接威胁岩溶次生植物及其种子库，致使植被覆盖率迅速下降，水土流失严重，岩石裸露，导致土地退化不可逆转——石漠化；生态环境的恶化使民族地方经济的发展受到极大阻碍，严重地制约了当地群众脱贫致富和社会的持续发展。因此，开展都安喀斯特土地可持续利用评价研究，提高土地可持续利用水平，缓和人地矛盾，已成为一个重要问题，具有重要的现实意义。

都安喀斯特土地可持续利用评价的目标主要是根据喀斯特土可持续评价的基本理论与方法与前面的研究成果，构建都安喀斯特土地可持续利用指标体系，运用网格法和人工神经网络法相结合对其可持续程度进行定量评价，将评价结果表示到专题地图上，为都安喀斯特土地利用系统优化调控模式设计做准备。

二、都安喀斯特土地可持续利用评价指标体系和评价单元

2.1指标体系构建

喀斯特土地可持续利用评价指标用来反映喀斯特土地资源可持续性的若干属性，建立评价指标体系是喀斯特土地可持续利用评价的核心。由于土地可持续利用评价具有系统的复杂性、多因素关联性、实现机制的多元性，以及区域的差异性与特殊性，土地可持续利用指标体系和评价方法的理论结构应以土地利用的目标——土地利用的方式——影响土地利用的要素——可持续利用的指标——评价标准(范围和阈值)为主线，突出土地利用对生态经济社会过程的影响^［201］。借鉴前人的研究成果，按照AHP的基本原理、土地可持续利用的概念、目标以及评价的原则和内容，并根据都安喀斯特区域人口、资源环境、经济和社会的实际情况，建立都安喀斯特土地可持续利用评价指标体系如下：目标层—准则层—指标层，目标层为土地可持续利用，准则层包括土地利用资源环境评价、经济效益评价、社会效益评价，每条准则又包括7～10项影响指标，各指标代码及其反映的特征见表9-1。

2.2评价单元划分——网格法

（1）评价单元划分简述

土地可持续利用评价单元是评定和划分土地的基本空间单位，是土地可持续利用评价的最小单位，具有明显的界线，是由影响土地质量的诸因素所组成的一个空间实体。同一个评价单元的土地属性具有一致性，不同的评价单元都应具有各自独特的自然属性。土地可持续利用评价的结果最终由评价单元反映出来。一般而言，土地单元既是一个能反映自身特性的最基本单位，同时也是工作中取样和获得数据的工作单位，评价单元的划分受精度的制约。

三、都安喀斯特土地可持续利用评价指标标准化与评价方法

3.1评价指标标准化

都安喀斯特土地可持续利用评价指标涉及自然、经济、社会等多方面因素，这些指标性质各异，其取值的范围也相差很大，不具有直接可比性，不便于参加评价。因此在评价比较前有必要找出一种方法，使得所有指标都转换成可以统一评价的数值，即进行无量纲化处理，将绝对的有量纲的指标转为无量纲的指标。本研究参照戴文战^［205］的研究成果使用效用函数对具有不同量纲的评价指标进行处理，将其归一化到某一区间而又最大程度地反映被评估对象的真实水平。

效益型指标其值愈大愈好；成本型指标其值愈小愈好；区间型指标以其值落在某一特定区域为最佳。由于各分指标具有不同的量纲，且类型不同，故指标间具有不可共度性，难以进行直接比较，因此,在综合评价前必须把这些分指标按某种效用函数归一化到某一无量纲区间。显然，构造不同的效用函数将直接影响最终的评估结果。因此效用函数的构造是十分重要的。目前功效函数大多采用［0，1］区间方法。这种转换方法存在三个问题：一是有效转换区间缩短为 ，且1 > b > a > 0；二是当 中出现次最小值远大于最小值时，实际有效转换区间将进一步大大缩短，严重影响转换精度；三是[0，1]方法在评价中不能体现“奖优罚劣”原则，为此，采用如下基于平均水平上的效用函数。

3.2基于人工神经网的喀斯特土地可持续利用评价原理

前已述及喀斯特土地可持续利用评价指标涉及自然、经济、社会等多方面因素，要建立简单又能反映喀斯特土地可持续利用的普遍规律的评价方法并非易事。目前，土地可持续利用评价的方法较多，如多目标线性加权函数方法、层次分析评价法、综合指数法、模糊评价法及灰色系统评价法等，这些方法受到人为主观因素的干扰较大，因此本研究拟根据前人的研究成果采用人工神经网络法进行都安喀斯特土地可持续利用评价，以期弥补以往研究的不足。

（1）人工神经网络模型简介

人工神经网络模型是依据人脑基本功能特征，试图模仿生物神经系统的功能或结构而发展起来的一种新型信息处理或计算体系；是由大量简单神经元联接而成的非线性复杂网络系统，以其并行分布处理、自组织、自适应、自学习和健全性与容错性等独特性能引起广泛关注，尤其在信息不完备情况下，在模式识别、方案决策、知识处理等方面具有很强的能力。人工神经网络模型由处理单元、激活状态、单元输出、连接模式、激活规则、学习规则六部分组成。在每一时刻，各个 都有一个激活值 。该激活值通过函数 而产生一个输出值 。通过单元之间的连接,该输出值被传递到其它单元。每个连接都有一个叫做连接强度的实数 与之对应,它表示第 个单元对第 个单元影响的大小和性质。采用某种运算，把所有输入结合起来，就得到一单元的净输入。单元的净输入和当前激活值通过函数 的作用，就产生一个新的激活值。连接强度作为经验函数，随着学习过程而发生变化。因此系统逐渐演化，最后达到稳定状态^［206］。

模型的研究是人工神经网络研究的主要方面之一。20世纪80年代至今，人工神经网络发展很快，人们设计出了近百种网络类型，代表性的网络有多层反向传播网络(Back-Propagation Network，BP)、自组织特征映射网络(Self-Organizing Feature Map，SOFM)、径向基函数网络(Radial Basis Function，RBFN)、自适应共振网络(Adaptive Resonance Theory Neural Network，ARTNN)等。网络的算法也更加丰富。其中，BP网络(Back-Propagation Network，BP)是在1985年由Rumelthart等人提出的反向传播算法的基础上发起来的，是一种多层次反馈网络，目前应用最广泛的一种模型。本研究拟以BP模型为基础进行都安喀斯特土地可持续利用评价。

（2）基于人工神经网的喀斯特土地可持续利用评价基本思路与框架

喀斯特土地可持续利用过程是一个集非线型、开放性和动态性于一体的过程，影响喀斯特土地可持续利用的因素涉及资源环境、经济、社会等。喀斯特土地可持续利用与影响因素之间存在非线性关系。基于人工神经网络模型自身的特点，可形成输入层—隐含层—输出层系统，很容易满足喀斯特土地可持续利用评价的要求。基于人工神经网络的喀斯特土地可持续利用评价的基本思想是：选取具有代表性网格单元指标数据作为神经网络的学习样本，经网络学习记忆后，利用其相似输入产生相似输出的联想推理功能，以及“内插”的联想推理功能，将样本数据输入训练好的BP模型，再与规定的喀斯特土地可持续利用评价标准数据相比较，即可确定喀斯特土地可持续利用等级。

都安喀斯特土地可持续利用评价人工神经网络模型采用具有一个输入层、一个隐层和一个输出层的三层网络结构（图6-1）。图6-1所示的三层BP网络是都安喀斯特土地可持续利用评价多指标综合评价网络框架。第一层为输入层，共有 个节点（本研究为25个节点），分别输入经效用函数转化（标准化）后的第 个被评价网格单元的各分指标效用函数值；第二层为隐节点层，隐节点数没有统一的规则，根据具体对象而定；第三层为输出层，只有一个节点，即为都安喀斯特土地可持续利用评价结果。

（3）学习样本的训练

BP神经网络是一种有导师的误差逆传播的学习过程。信息从输入层经隐层处理后传向输出层，如果在输出层得不到期望的输出，则输出层的希望输出与实际输出之间的误差信号反向传播，由输出层经隐层逐层修正连接权，使得误差信号最小。

（4）喀斯特土地可持续利用评价

已经训练好的的网络即可用来对喀斯特土地可持续利用进行评价。将各网格指标数据输入训练好的神经网络模型，即可得到都安喀斯特土地可持续利用评价结果数值，再将其与评价规定的喀斯特土地可持续利用标准相比较，即可确定都安喀斯特土地可持续利用等级。为下一步都安喀斯特土地可持续利用优化调控模式做准备。

四、都安喀斯特土地可持续利用评价过程

4.1各指标数据的获取

根据已经建立的都安喀斯特土地可持续利用评价指标体系，搜集了都安喀斯特区域各评价指标的原始数据（表9-2）。各指标数据来源有所差别，资源环境类指标数据主要来源于统计数据、实地调查和遥感影像提取；经济类指标数据主要来源于统计数据和实地调查；社会类指标数据主要来源于统计数据、实地调查和问卷调查。以上数据均使用2005年乡镇撤并后的相关数据。

4.2评价网格单元划分

按照网格法的基本原理，根据都安喀斯特县域面积分布状况及地形、地貌、岩性、土壤等自然特征，经采样分析研究，采用比例尺1：10万为工作底图，按4×4km²划分评价单元网格比较合适，达到评价要求。在GIS支持下生成253个独立的网格评价单元，并按从上到下，从左到右顺序对网格评价单元进行编码，结果见图9-2。

4.3评价网格单元数据的提取

根据网格单元指标数据获取原理，通过计算可获取253个评价网格单元各评价指标的基础数据（表9-3）。

4.4指标数据的标准化处理

都安喀斯特土地可持续利用各评价指标数据来源各异，不同评价指标的性质和量纲迥异，必须进行标准化处理，将其统一标准到一个区间上去。评价指标中，主要是效益型指标、成本型指标和中间型指标等三种类型指标，分别按评价指标标准化计算公式进行标准化处理，结果如表9-4。

4.5评价等级划分与学习样本训练

（1）评价等级划分

土地可持续利用评价等级通常分为五级。以都安喀斯特土地利用系统资源环境、经济、社会等指标数据为基础，辅以大量的调查资料，选取50个典型的网格单元作为标准样本，综合当地科技人员的意见，参照我国现有的土地资源可持续发展阶段划分标准，用土地利用可持续度来表示都安喀斯特土地利用可持续性，将其取值在［0，1］范围内。据此划分都安县土地可持续利用评价等级（表9-5）。各评价等级的基本特征如表9-6。

表9-5 都安喀斯特土地可持续利用评价等级

Tab.9-5 The evaluation grades on the land sustainable use in Du’an Karst

表9-6都安喀斯特土地可持续利用评价等级标准

Tab.9-6 The evaluation grades standard on the land sustainable use in Du’an Karst

（2）学习样本训练

有足够多典型性好和精度高的样本是采用人工神经网络的首要前提条件。本研究采用上述样本中的50个典型样本作为训练样本，其土地利用可持续度即为期望值（表9-7）。利用神经网络将训练样本反复进行学习，直至网络趋于稳定为止。

4.6评价结果分析

将经过标准化处理过的都安喀斯特各网格单元指标数据输入到上述已经训练好的网络模型中。最后得到都安喀斯特土地可持续利用的评价结果（表6-9），并将评价结果表示到专题地图上（图9-3）。

五、都安喀斯特土地可持续利用优化调控模式

5.1都安喀斯特土地可持续利用优化调控的重要性

5.1.1都安喀斯特土地资源特点

都安喀斯特土地资源的特点主要体现在以下几个方面：

（1）山脊和山坡地多，平地少，耕地比重小。全县地表崎岖不平，整个土地资源是以石山地为主。全县土地总面积4091.90km²，折合613.78万亩，境内石山面积占全自治县总面积的84.29%，土山、丘陵占总面积的8.6%，而峰丛洼地、谷地和山间小平原（大型谷地）、台地占总面积的6.15%，河流水面占总面积的0.89%。耕地总面积为60.06万亩，仅占总面积的9.79%，且耕地中近一半分布在山坡和山脊上。

（2）土地绝对数量大，人均相对数量小，土地资源压力大。全县土地总面积613.78万亩，人均9.90亩。其中人均10亩以上的有三只羊、隆福、下坳、九渡、龙湾、永安、加贵、古山、菁盛、拉烈、板岭、拉仁、五竹、保安、百旺等15个乡镇，人均5亩至9.99亩的有三弄、东庙、大兴、地苏、高岭等5个乡镇，人均不足5亩的有澄江、安阳2个乡镇。人均土地面积最少的是安阳镇，仅为0.90亩。

（3）石头等非土质多，宜农、林、牧用地少。全县土地总面积中，石山面积占总面积的84.29%。这些石山地，山体基座相连，山峰矗立，岩石裸露，土壤仅存于少量岩缝中，所占比例极小。光秃石山不仅不能农用，就是作林、牧也是非常困难。土地质量差，土层薄，土层厚度一般为20～40cm，稍厚的也仅为50～100cm；那些半土石山，其下部虽然泥土稍多，但土壤上酸下碱，养分贫乏，不长深根植物，也难以作林业用地。

（4）宜农荒地匮乏，缺乏农用后备土地资源。根据2005年土地利用资料，全县农业用地为259.20万亩，占全县总面积的42.23%。其中，耕地面积为60.06万亩，占农业用地面积的23.17%；园地面积为3.17万亩，占农业用地面积的1.23%；林地面积为154.20万亩，占农业用地面积的59.50%；其他农业用地面积为41.77万亩，占农业用地面积的16.10%。全县建设用地为11.29万亩，占全县总面积的1.84%。全县未利用地为343.30万亩，占全县总面积的55.93%。其中，裸岩石砾地面积为307.40万亩，占未利用地面积的89.54%，占全县总面积的50.08%；荒草地面积为30.87万亩，占未利用地面积的8.99%，占全县总面积的5.03%。全县未利用地中绝大部分为难以开发利用石山地。再从全县耕地的分布情况看，近一半的耕地是山峰、山岗的脊地和坡地，坡度一般都在20°～30°，难以找到坡度低于25°的宜农荒地，在现有耕地中有一部分耕地由于坡度太大需退耕还林。全县的宜农荒地非常匮乏。

（5）水面面积少，易受干旱威胁。全县境内地表河溪偏少，河流水面仅占总面积的0.89%，且分布不匀，河床大部分下切较深不易提取；土壤渗透性大，地下水埋藏深；致使水利工程措施困难，投资大、造价高、效益低。谷地和丘陵水利条件较好，岩溶石山地区，尤其是大片峰丛洼地水利较差，水资源缺乏，常受干旱威胁，人畜饮水也发生困难。

从上分析可知，都安喀斯特土地利用系统中，人地矛盾十分尖锐。

5.1.2都安喀斯特土地利用存在的主要问题

长期以来，人类不合理的土地利用已造成都安喀斯特土地利用系统严重失调，严重影响土地资源可持续利用。突出问题主要表现在以下几个方面：

（1）结构不合理，经济效益低下。突出表现在两方面：一是农、林、牧用地结构不合理，根据2005年土地利用资料，全县有林地面积仅为9.15万亩，占总面积的1.5%，起不到保护环境和涵养水源的作用。从农业产值构成比例看，农作物种植业占38.2%，林业占4.00%，牧业占42.40%，农、林、牧互补的体系尚未形成，商品经济不发达。二是耕地中种植业内部结构不合理，粮食播种面积占整个播种面积的92.25%以上，经济作物的播种面积仅占整个播种面积的7.75%，极大地限制了生产，经济效益低下。

（2）土地利用效率低，中、低产田面积大。根据全县“四低、四荒”资源调查资料和土地适宜性评价结果，全县中、低产田面积占水田面积的67.23%，中、低产地占旱地面积的66.60%，中、低产园地占园地面积的76.89%，中、低产林地占林地面积的68.21%，而水产养殖几乎都是中、低产。根据2005年统计，全县耕地单产水平普遍偏低，特别是经济作物更低，粮食作物平均单产为2024千克/公顷，稻谷单产4264千克/公顷，玉米单产2575千克/公顷，大豆单产563千克/公顷，甘蔗单产61434千克/公顷，均低于全区水平。

（3）经营规模过小，布局分散，利用率较低。全县的农、林、牧用地，尚未形成商品生产基地。土地利用率只有44.17%，尚有55.93%的未利用土地资源待于进一步开发利用，在已开发利用的土地资源中，耕地面积少，土地垦殖率只有10.61%，且质量较差，农作物的复种指数偏低，平均只达185%。季节性闲置也减少了耕地的有效供给量。

（4）利用水平较低。由于多种因素限制，机械化水平低，人力、畜力仍是本地主要的耕作方式，土地利用的方式较粗放，缺少多种经营；耕地利用集约程度低，多数农产处于广种薄收的局面，致使土地的生产潜力未得到充分发挥。

（5）水土流失严重、生态环境恶化。全县近一半的耕地是山峰、山岗的脊地和坡地，坡度一般都在30°以上，容易导致严重水土流失。全县土地瘠薄，地表水渗漏，旱涝灾害频繁，生态环境极为脆弱。由水土流失日益加剧导致的以“石漠化”为特征的土地退化日益蔓延，农业经济发展水平低下，自我发展能力较弱，多为以粗放型传统种养业自然经济。

（6）土地利用方式不合理，用养失调、地力下降，乱占、滥用土地现象严重。长期以来，对稀疏灌丛地和零星林木，过度樵采，铲草垦殖，植被覆盖度不断下降；坡耕地顺坡直耕，更加剧了水土流失。对耕地盲目重用轻养，甚至不养，种植结构不合理，农家肥、有机肥严重不足，致使土壤板结，肥力下降。对灌丛牧坡缺乏管理，特别是靠近村寨的牧坡，放牧过度，加剧土壤侵蚀。建房造屋乱占滥用耕地现象较为严重。

综上所述，脆弱的喀斯特土地生态系统及人类对土地资源的不合理利用，导致都安喀斯特土地利用系统失调，土地生产力严重衰退，生态环境恶化，影响了都安喀斯特大石山区经济和社会发展。因此，必须对都安喀斯特土地利用系统进行优化调控，建立合理的土地可持续利用模式，才能确保大石山区经济和社会的持续发展。

5.2都安喀斯特土地可持续利用优化调控模式的设计

土地利用模式可以定义为土地资源利用的空间格局，属于土地资源优化配置的理论研究部分，它反映了人类、社会与自然的相互关系及其对土地的利用程度^[213]。土地利用模式设计是根据自然、社会、经济条件，在分析其土地利用的特点和问题的基础上，提出一整套适合该区域的土地生态改良措施与土地利用优化方案。它相当于区域的土地利用规划，根据区域的范围大小和设计的内容，可以是专项土地利用规划，也可以是土地利用内部规划^[214]。基于上述观点，根据第二章喀斯特土地利用系统优化调控原理，结合都安喀斯特区域自然、社会经济特征以及土地可持续利用评价结果。提出都安喀斯特土地可持续利用优化调控模式设计的一般程序（图9-4）。