基于認知行為模型的踩踏對土壤質量的影響

鄧雪倩，王洪橋

1.吉林農業大學 中藥材學院，吉林 長春 130118

2.吉林農業大學 經濟管理學院，吉林 長春 130118

土地資源的過度開發導致了土壤資源退化，影響了資源的可循環利用[1]。研究顯示大量踩踏極易導致自然土壤板結和植物死亡，導致水土流失、樹木根系裸露、土壤質量下降[2]。基于此，研究土壤質量，探索踩踏對土壤質量的影響，為保證土壤質量和土壤的定向培育提供理論依據，從而采取合理的土地利用范式，提高資源的可循環利用[3，4]。文章設計了基于認知行為模型，研究了踩踏對土壤質量影響研究方法，利用認知行為模型具有的定性分析和定量計算的特點，提高踩踏對土壤質量影響變量之間的擬合指數，解決傳統的研究方法中存在的問題。

1 方法設計

1.1 踩踏等級劃分

研究踩踏行為對土壤質量的影響需要研究踩踏的程度，利用認知行為模型根據踩踏程度的不同分為不同的踩踏等級，研究不同等級的踩踏對土壤質量的影響情況。使用的認知行為模型為常規認知模型，其結構如下圖1 所示。

圖1 認知行為模型結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cognitive behavior model structure

踩踏行為認知過程表現存在多種階段，在每一個階段的功能在于行為信息的傳遞，在認知行為模型的基礎上，感覺將注意力轉移到行為對象上，構建評價指標集，將踩踏等級評價指標進一步細化，則指標集為Q=[q1，q2，…，qn}，在指標集Q中，qn表示的是各項評價指標，n表示常數，具體的指標包括記憶、反應、注意集中和注意分配等[6]。針對以上評價指標，對指標數據進行歸一化處理，

公式如下：

式中a表示指標數據數目，qnm表示第n個評價指標的第m個指標數據值，歸一化處理后的指標數據值為wn∈[0，1]。獲得指標數據值后，計算指標權重并構建指標權重集，采用層次分析法通過比較兩者之間的重要程度來構建[7]。假設指標集Q對應的權重集為：E={e1，e2，…，en}，其中en∈[0，1]。根據以上過程，獲得綜合踩踏行為綜合評價得分，則最終的得分為：

根據最終的得分將踩踏行為劃分為3 個等級，分別為I 級無踩踏、II 級踩踏輕微、III 級踩踏嚴重。利用不同等級的踩踏行為分析其對土壤質量產生的影響。

1.2 土壤理化因子測定

在所調查的樣地中采用5 點采樣法采集土壤樣品，將5 點處的土壤樣品均勻混合，待自然風干后，測定其理化性質[8]。根據植物的生長過程分析土壤理化性質。選擇PB-10 型酸度計測定土壤pH值，使用烘干法測定土壤含水量，土壤有機質用重鉻酸鉀容量法測定，土壤全氮用半微量開氏法測定，土壤全磷用鉬銻抗-分光光伏法額定[9]。通過上述過程獲得土壤理化因子，其中包括土壤容重、含水率、有機質、pH 值、全氮、全鉀和全磷。其中土壤含水率與植物生長相關，土壤中的土壤酶和微生物也只有在一定濕度環境下才能維持較高活性，土壤含水率的高低直接影響植物生長狀況；土壤容重表明土壤礦物質和有機質的數量和組成，其大小不僅與土壤固體物質成分相關，還與土壤結構及含水率相關；土壤pH 值反應了土壤的酸堿程度，通過pH 值可獲得游離在土壤中的H+和OH-離子濃度比例，是土壤許多化學性質的綜合反映。以上物質為土壤的物理性質。其化學性質主要與其養分相關。土壤養分特征是植物能直接吸收利用的養分，其含量的高低對植物生長發育起著至關重要的作用，主要包括有效氮、有效磷和有效鉀。以上這些土壤理化因子在影響土壤質量的同時也在相互影響，其土壤理化因子之間的相關系數如表1 所示。

表1 土壤理化因子之間的相關系數Table 1 Correlation coefficient between soil physical and chemical factors

1.3 計算土壤質量指數

將土壤理化因子作為計算土壤質量的指標，選擇土壤質量指標的隸屬函數，確定其極限值，得到隸屬度集合。其中的土壤指標值與土壤質量相關，兩者之間呈正相關關系，其隸屬度低于下限值或高于上限值對土壤質量的影響均較小，則土壤指標隸屬函數可看做成升半梯形分布。其隸屬函數模式如下：

公式中ω表示土壤質量指標值，ω0表示指標隸屬度上臨界值，k(ω)表示指標ω的隸屬函數。根據公式3 計算各個指標的隸屬度，利用主成分分析法確定各項指標的權重，通過公式計算指標載荷矩陣。用獲得的矩陣除以主成分相對應的指標值開平方根得到每個指標對應的系數，得到的系數就是每個指標的權重。計算指標載荷矩陣公式如下。

式中g表示土壤質量指標，a表示載荷因子。指標系數計算：

公式中ξ表示土壤質量指標對應的系數，也就是指標權重。得到權重后，結合踩踏行為等級得分，利用加權和法計算土壤質量指數，公式如下：

式中SI表示土壤質量指數，ξi表示土壤質量指標對應的權重，ki表示指標對應的隸屬度值，Y表示踩踏等級得分。最終得到的SI取值范圍在[0，1]之間，計算得到的SI值越接近1，說明踩踏對土壤質量影響越大，反之，SI值越接近0，說明印象較小。至此基于認知行為模型的踩踏對土壤質量影響研究方法設計完成。

2 仿真實驗及分析

2.1 實驗樣品準備

為滿足實驗多樣性的需求，選擇擁有不同的土壤養分的實驗樣品，其具體養分含量如表2 所示。

表2 不同實驗樣品的養分含量數據Table 2 Nutrient content data of different experimental samples

選擇c1，c2，c3，c4，c5 五種不同養分的土壤樣品用于后續對影響研究方法中的潛變量之間擬合指數的實驗。

2.2 模型擬合

借助第三方軟件AMOS 對基于認知行為模型的踩踏對土地質量影響進行實證分析。對采集的數據進行初次擬合檢驗擬合指標及路徑回歸權重系數，得到最終的土壤質量最優模型（圖2）。

圖2 最優模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the optimal model

得到最優模型后，檢驗模型的各項數據是否滿足后續測試需求。

2.3 結果及分析

對準備好的5 組實驗樣品，使用設計的基于認知行為模型的踩踏對土壤質量影響研究方法進行分析，同時引用以文獻[4]為代表的傳統的踩踏對土壤質量影響研究方法，對相同的實驗樣品進行分析，利用第三方軟件統計其潛變量之間的擬合指數，對比并分析獲得的不同結果。實驗結果如下：

圖3 不同研究方法實驗結果比較Fig.3 Comparison between experimental results from different methods

圖中標準線為最大擬合指數，實驗結果中的曲線越接近標準線表示擬合指數越大。對比觀察圖a 和圖b，a 中顯示5 組擬合指數曲線整體與標準線相距較遠，b 中顯示的5 組擬合指數曲線整體與標準線接近，綜合來看，設計的研究方法獲得的擬合指數高于傳統的研究方法的擬合指數。證明設計的基于認知行為模型的踩踏對土壤質量影響研究方法優于文獻[4]方法。

3 結語

研究踩踏行為對土壤質量的影響，解決土壤資源退化，保證土壤資源的可循環利用，具有一定現實意義。引用認知行為模型，確定踩踏的等級，分析土壤理化因子，確定土壤質量指標，計算踩踏行為下的土壤質量指數，衡量踩踏對土壤質量的影響程度。針對傳統研究方法中存在的問題，設計對比實驗，結果證明了設計的基于認知行為模型的踩踏對土壤質量影響研究方法優于傳統的研究方法，有效的解決了潛變量之間擬合指數低的問題，可為相關領域的研究提供一定程度上的參考。