基于認(rèn)知行為模型的踩踏對土壤質(zhì)量的影響

鄧雪倩，王洪橋

1.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 中藥材學(xué)院，吉林 長春 130118

2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，吉林 長春 130118

土地資源的過度開發(fā)導(dǎo)致了土壤資源退化，影響了資源的可循環(huán)利用[1]。研究顯示大量踩踏極易導(dǎo)致自然土壤板結(jié)和植物死亡，導(dǎo)致水土流失、樹木根系裸露、土壤質(zhì)量下降[2]?；诖耍芯客寥蕾|(zhì)量，探索踩踏對土壤質(zhì)量的影響，為保證土壤質(zhì)量和土壤的定向培育提供理論依據(jù)，從而采取合理的土地利用范式，提高資源的可循環(huán)利用[3，4]。文章設(shè)計了基于認(rèn)知行為模型，研究了踩踏對土壤質(zhì)量影響研究方法，利用認(rèn)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(zhì)量影響變量之間的擬合指數(shù)，解決傳統(tǒng)的研究方法中存在的問題。

1 方法設(shè)計

1.1 踩踏等級劃分

研究踩踏行為對土壤質(zhì)量的影響需要研究踩踏的程度，利用認(rèn)知行為模型根據(jù)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(zhì)量的影響情況。使用的認(rèn)知行為模型為常規(guī)認(rèn)知模型，其結(jié)構(gòu)如下圖1 所示。

圖1 認(rèn)知行為模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cognitive behavior model structure

踩踏行為認(rèn)知過程表現(xiàn)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(rèn)知行為模型的基礎(chǔ)上，感覺將注意力轉(zhuǎn)移到行為對象上，構(gòu)建評價指標(biāo)集，將踩踏等級評價指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)化，則指標(biāo)集為Q=[q1，q2，…，qn}，在指標(biāo)集Q中，qn表示的是各項評價指標(biāo)，n表示常數(shù)，具體的指標(biāo)包括記憶、反應(yīng)、注意集中和注意分配等[6]。針對以上評價指標(biāo)，對指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，

公式如下：

式中a表示指標(biāo)數(shù)據(jù)數(shù)目，qnm表示第n個評價指標(biāo)的第m個指標(biāo)數(shù)據(jù)值，歸一化處理后的指標(biāo)數(shù)據(jù)值為wn∈[0，1]。獲得指標(biāo)數(shù)據(jù)值后，計算指標(biāo)權(quán)重并構(gòu)建指標(biāo)權(quán)重集，采用層次分析法通過比較兩者之間的重要程度來構(gòu)建[7]。假設(shè)指標(biāo)集Q對應(yīng)的權(quán)重集為：E={e1，e2，…，en}，其中en∈[0，1]。根據(jù)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(jù)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(yán)重。利用不同等級的踩踏行為分析其對土壤質(zhì)量產(chǎn)生的影響。

1.2 土壤理化因子測定

在所調(diào)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(fēng)干后，測定其理化性質(zhì)[8]。根據(jù)植物的生長過程分析土壤理化性質(zhì)。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(zhì)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(zhì)、pH 值、全氮、全鉀和全磷。其中土壤含水率與植物生長相關(guān)，土壤中的土壤酶和微生物也只有在一定濕度環(huán)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(zhì)和有機質(zhì)的數(shù)量和組成，其大小不僅與土壤固體物質(zhì)成分相關(guān)，還與土壤結(jié)構(gòu)及含水率相關(guān)；土壤pH 值反應(yīng)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(xué)性質(zhì)的綜合反映。以上物質(zhì)為土壤的物理性質(zhì)。其化學(xué)性質(zhì)主要與其養(yǎng)分相關(guān)。土壤養(yǎng)分特征是植物能直接吸收利用的養(yǎng)分，其含量的高低對植物生長發(fā)育起著至關(guān)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(zhì)量的同時也在相互影響，其土壤理化因子之間的相關(guān)系數(shù)如表1 所示。

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

1.3 計算土壤質(zhì)量指數(shù)

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

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

式中g(shù)表示土壤質(zhì)量指標(biāo)，a表示載荷因子。指標(biāo)系數(shù)計算：

公式中ξ表示土壤質(zhì)量指標(biāo)對應(yīng)的系數(shù)，也就是指標(biāo)權(quán)重。得到權(quán)重后，結(jié)合踩踏行為等級得分，利用加權(quán)和法計算土壤質(zhì)量指數(shù)，公式如下：

式中SI表示土壤質(zhì)量指數(shù)，ξi表示土壤質(zhì)量指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重，ki表示指標(biāo)對應(yīng)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(zhì)量影響越大，反之，SI值越接近0，說明印象較小。至此基于認(rèn)知行為模型的踩踏對土壤質(zhì)量影響研究方法設(shè)計完成。

2 仿真實驗及分析

2.1 實驗樣品準(zhǔn)備

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

表2 不同實驗樣品的養(yǎng)分含量數(shù)據(jù)Table 2 Nutrient content data of different experimental samples

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

2.2 模型擬合

借助第三方軟件AMOS 對基于認(rèn)知行為模型的踩踏對土地質(zhì)量影響進(jìn)行實證分析。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行初次擬合檢驗擬合指標(biāo)及路徑回歸權(quán)重系數(shù)，得到最終的土壤質(zhì)量最優(yōu)模型（圖2）。

圖2 最優(yōu)模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the optimal model

得到最優(yōu)模型后，檢驗?zāi)Ｐ偷母黜棓?shù)據(jù)是否滿足后續(xù)測試需求。

2.3 結(jié)果及分析

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

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

圖中標(biāo)準(zhǔn)線為最大擬合指數(shù)，實驗結(jié)果中的曲線越接近標(biāo)準(zhǔn)線表示擬合指數(shù)越大。對比觀察圖a 和圖b，a 中顯示5 組擬合指數(shù)曲線整體與標(biāo)準(zhǔn)線相距較遠(yuǎn)，b 中顯示的5 組擬合指數(shù)曲線整體與標(biāo)準(zhǔn)線接近，綜合來看，設(shè)計的研究方法獲得的擬合指數(shù)高于傳統(tǒng)的研究方法的擬合指數(shù)。證明設(shè)計的基于認(rèn)知行為模型的踩踏對土壤質(zhì)量影響研究方法優(yōu)于文獻(xiàn)[4]方法。

3 結(jié)語

研究踩踏行為對土壤質(zhì)量的影響，解決土壤資源退化，保證土壤資源的可循環(huán)利用，具有一定現(xiàn)實意義。引用認(rèn)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(zhì)量指標(biāo)，計算踩踏行為下的土壤質(zhì)量指數(shù)，衡量踩踏對土壤質(zhì)量的影響程度。針對傳統(tǒng)研究方法中存在的問題，設(shè)計對比實驗，結(jié)果證明了設(shè)計的基于認(rèn)知行為模型的踩踏對土壤質(zhì)量影響研究方法優(yōu)于傳統(tǒng)的研究方法，有效的解決了潛變量之間擬合指數(shù)低的問題，可為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定程度上的參考。