利用机器学习算法对中国干旱地区陆地生态系统中的总氮和总磷空间分布进行建模

《Frontiers in Environmental Science》：Modelling the spatial distribution of total nitrogen and phosphorus stock in dryland terrestrial ecosystems of China using machine learning algorithms

氮磷储量估算与空间分布分析：基于4,200个样本和随机森林模型，揭示中国干旱区土壤及植被氮磷储量（1,111.4 Tg、504.9 Tg、17.6 Tg、1.7 Tg）及“高东北低西北”异质性规律，解析环境驱动机制。土壤水分和黏粒含量主导土壤氮磷，年降水量驱动植被氮磷。成果为干旱区生态修复与精准农业提供数据支撑。

　　氮和磷是干旱生态系统中维持生产力的关键限制性营养元素，它们的存储及空间分布模式在区域尺度上仍缺乏系统的理解。本研究旨在量化中国干旱地区土壤和植被中的氮与磷储量，并对其空间分布进行预测，同时识别主导这些变化的主要环境驱动因素。研究基于4200个土壤与植被样本的氮和磷密度数据，结合多种环境变量，对四种机器学习模型进行了评估和应用。其中，随机森林（Random Forest, RF）模型在预测精度方面表现最佳，其在土壤总氮（STN）、土壤总磷（STP）、植被总氮（VTN）和植被总磷（VTP）的预测中分别取得了最高的R2值（0.89、0.92、0.95和0.94）以及最低的平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）（3.21、0.56、5.37和2.23，5.09、0.79、7.05和2.98）。通过这些模型，研究还发现整个干旱区0–30厘米土壤层的氮和磷储量分别为1111.4 Tg和504.9 Tg，植被中的氮和磷储量分别为17.6 Tg和1.7 Tg，所有指标均表现出显著的空间异质性。空间、气候、土壤和植被变量分别解释了STN、STP、VTN和VTP变化的42.2%、37.6%、33.9%和28.2%。土壤性质，尤其是土壤水分含量和沙含量，是STN和STP变化的主要调控因素，而气候因素，特别是年均降水量，则主导了VTN和VTP的变化。这项研究为干旱生态系统中的营养管理与生态修复提供了重要的基础数据。

在干旱生态系统中，氮和磷不仅是维持植物生长和土壤功能的关键元素，它们的分布和循环过程也受到多种环境因素的显著调控，表现出较强的空间异质性。在干旱胁迫条件下，氮作为植物蛋白质和叶绿素合成的重要组成部分，直接影响光合作用效率和植物的抗逆能力；磷则通过调节能量代谢（如ATP合成）和根系发育，缓解干旱引起的渗透胁迫。然而，土壤中氮和磷的可利用性高度依赖于局部环境条件，例如土壤的氮矿化和硝化速率随着降水量的增加而显著提高；磷的分布则与母质风化程度密切相关。在碳酸盐土壤中，磷容易被固定，导致塔里木盆地绿洲边缘的磷有效含量仅为黄土高原的三分之一。此外，风蚀、盐碱化以及人类活动（如灌溉农业）进一步加剧了氮和磷的空间分化，形成了“绿洲富集—沙漠贫瘠”的二元分布模式。尽管已有研究在局部尺度上对土壤和植被中的氮和磷进行了较为广泛探讨，但在跨区域尺度上，氮和磷在干旱生态系统中的耦合机制仍不明确，现有数据多集中于单一植被类型或土壤，缺乏对整个陆地生态系统的系统研究。这种知识空白限制了对退化干旱生态系统的精准修复。例如，在防风固沙的造林项目中，如果忽视氮和磷的空间配置，可能会导致人工植被的大规模死亡，因营养失衡而影响生态系统的稳定性。

为了弥补这一不足，本研究采用了多尺度观测与模型模拟相结合的方法，揭示了干旱地区氮和磷分布模式背后的驱动机制与生态效应。研究的主要目标包括：（1）估算干旱生态系统中土壤和植被的氮和磷储量，并绘制其空间分布图；（2）识别氮和磷变化的主要驱动因素。通过这些目标，研究构建了中国干旱地区第一个综合性的氮和磷储量数据库，为精准的营养管理政策实施与可持续的土地管理提供了支持。此外，该研究还与“双碳目标”（中国承诺于2030年实现碳排放达峰，2060年实现碳中和）密切相关，为推动区域农业可持续发展与社会经济协调发展提供了科学依据。

研究区域主要位于中国西北内陆地区和青藏高原北部，涵盖新疆、内蒙古、宁夏、甘肃和青海等省份和区域。该区域的总面积约为660万平方公里，占中国国土面积的69%，是中国中纬度地区面积最大、最复杂的干旱生态系统。根据联合国环境规划署（UNEP）的干旱指数（年均降水量与潜在蒸散发的比值）划分，中国干旱区可分为温带干旱区（如塔里木盆地和准噶尔盆地）和高原干旱区（如柴达木盆地和青藏高原北部）。年均降水量从东部半干旱区的400毫米到西部超干旱区的不足50毫米，而蒸散发量可达2000–3000毫米。该区域的主要生态系统类型包括沙漠、沙漠草原和山-绿洲复合生态系统，其中沙漠面积占干旱区总面积的45.3%，包括流动沙丘、沙漠和盐碱地。该区域是生物多样性的重要适应区，具有独特的沙漠-绿洲复合生态系统，如塔克拉玛干沙漠和河西走廊绿洲，这些地区不仅是濒危物种（如野骆驼和胡杨林）的栖息地，同时也是重要的碳汇和尘源-尘汇调控区。此外，西北干旱区贡献了中国超过60%的风能和太阳能资源，并且是关键矿产资源（如新疆的石油、天然气和锂矿）的重要来源，同时支撑着特色农业（如宁夏枸杞和新疆棉花）的发展。从文化和社会角度来看，干旱区是中国丝绸之路文化遗产的核心载体，是维吾尔族和蒙古族等少数民族的聚居地，其传统的生态智慧（如坎儿井灌溉系统）为干旱适应提供了重要启示。因此，加强干旱区的研究不仅具有重要的科学价值，也具有重要的实践意义。

本研究采用随机森林模型进行空间预测，该模型通过将植被和土壤中的氮和磷密度从样地尺度转换为区域尺度，实现了对氮和磷储量的估算和空间分布图的绘制。随机森林是一种基于多个决策树的集成学习算法，能够有效避免过拟合问题，同时保持较高的预测精度。其优势体现在多个方面：（1）通过随机选取样本子集和特征，减少单棵树之间的方差，从而提升模型的整体稳定性；（2）其强大的可扩展性使其能够处理大规模、高维度的数据集，适用于生态数据的建模；（3）通过投票或平均的方式整合多个决策树的输出结果，显著降低预测误差，增强模型的鲁棒性。此外，随机森林模型还能够捕捉环境变量之间的复杂非线性关系和交互作用，对野外观测中的异常值和噪声具有较强的抗干扰能力，并且通过特征重要性分析，为干旱生态系统中的生态过程提供有意义的解释。因此，随机森林算法在未来的土壤属性建模研究中应得到更广泛的应用和发展。

在干旱生态系统中，氮和磷的储量呈现出显著的空间异质性，特别是在东北部与西北部之间。东北部地区的氮和磷储量较高，而西北部则相对较低。这一现象可能与多种因素有关：首先，气候差异。东北部干旱区的年均降水量较高，促进了植被生产力（如地上生物量）和微生物的矿化速率，从而提高了有机氮和磷的输入。其次，土壤类型差异。东北部的土壤，如黑钙土和栗钙土，富含有机质，其腐殖质-黏土复合结构有助于通过络合作用稳定磷，而在西北部广泛分布的盐碱土（pH > 8.5）则通过钙和镁矿物促进磷的固定，同时频繁的风蚀加剧了氮的气态损失。此外，农业管理方式的差异。东北部的农业系统通常施肥量较大，这些外源性营养元素通过作物残渣返回土壤，并被土壤有机质稳定，从而持续积累氮和磷储量。相比之下，西北部的农业活动较少，氮和磷的输入和输出过程较为有限。因此，农业管理方式的差异对氮和磷储量的积累具有重要影响。

土壤性质，特别是土壤水分含量（SWC）和黏土含量，是干旱生态系统中氮和磷储量变化的主要调控因素。土壤水分含量被广泛认为是干旱生态系统中影响植物生长和微生物活动的关键因素，进而调控氮和磷的积累与循环过程。此外，土壤水分含量还影响微生物群落结构，从而调节氮的转化过程（如硝化和反硝化作用），对营养动态、气体交换和微生物生长具有重要影响。例如，土壤水分含量的增加显著提高了微生物活性，使氮矿化速率提高了30%–50%，并通过促进有机质分解和生物固氮作用，直接扩大了土壤氮储量。同时，改善的水分条件缓解了植物的水分胁迫，使地上生物量增加了20%–40%，并促进了凋落物的输入，间接提高了有机氮的积累。综上所述，土壤水分含量通过调节植被生长和凋落物分解过程，间接影响土壤氮和磷的储量。

黏土含量对干旱地区土壤总磷（STP）具有显著的正向影响。随着土壤中大于1毫米的土壤团聚体比例的增加，干旱红壤中的磷储量也显著上升，这一发现与本研究结果一致。黏土颗粒具有较高的比表面积和较强的吸附能力，能够通过特定吸附作用将土壤溶液中的磷固定，从而将可溶性磷转化为吸附态，减少植物可利用磷的含量。在黏土含量较高的土壤中，施用的磷肥容易被固定，降低其可利用性。这是由于黏土矿物（如蒙脱石和伊利石）具有较高的比表面积和阳离子交换能力，能够有效保留磷酸盐离子，减少磷的淋溶。在干旱条件下，黏土进一步通过形成2:1层状硅酸盐结构，将可溶性磷稳定在土壤团聚体中，从而减少表层土壤磷的流失。

气候因素，特别是年均降水量（MAP），是干旱生态系统中植被总氮（VTN）和植被总磷（VTP）变化的主要驱动因素。降水量是干旱地区土壤水分的重要来源，充足的降水改善了土壤条件，支持了植物和微生物的生存与繁殖。降水的增加直接缓解了植物的水分胁迫，提高了光合作用效率和生物量积累，促进了植物对土壤氮的吸收。例如，在某些草原生态系统中，降水增加30%显著提高了植物根系对氮的获取能力。此外，降水还能刺激土壤微生物活性，加快氮和磷的矿化过程，并促进有机质中氮和磷的释放，从而提高植物对氮和磷的含量。降水还影响土壤磷的形态和可利用性。在降水较少的条件下，磷容易形成不溶性的磷酸盐，降低其对植物的可利用性。降水的增加则有助于提高磷的溶解性和释放能力，从而改善其生物可利用性。总体而言，降水的增加通过提升微生物活性、增加植物可利用氮和磷的储量、促进可溶性营养物质向根系区的迁移以及减少表层土壤营养物质的蒸发损失，共同导致了植被总氮和总磷的增加。

本研究还分析了干旱生态系统中氮和磷变化的主要驱动因素。在土壤环境中，土壤水分含量（SWC）和黏土含量是控制土壤总氮（STN）和土壤总磷（STP）变化的关键因素。土壤水分含量的高低直接影响微生物的活性和植物的生长状况，进而影响氮和磷的循环过程。在干旱条件下，土壤水分的减少不仅抑制了微生物的活动，还降低了植物对水分的吸收能力，导致氮和磷的积累受到限制。此外，土壤水分含量的波动还影响了土壤中氮和磷的可利用性，从而对生态系统的稳定性产生重要影响。黏土含量则通过其高吸附能力，显著影响土壤中磷的固定和释放过程，使得磷在土壤中的存留时间更长，从而影响植物对磷的获取。黏土的高比表面积和阳离子交换能力使其能够有效保留磷，并减少其通过淋溶流失的风险。

气候因素，尤其是年均降水量，是影响植被总氮（VTN）和植被总磷（VTP）变化的主导因素。降水量的增加不仅提高了土壤水分含量，还促进了植物的生长和生物量积累，进而影响了氮和磷的输入和输出过程。降水对植物的生长和发育具有显著的促进作用，特别是在干旱条件下，降水的增加能够缓解植物的水分胁迫，提高其光合作用效率，从而增加植物对氮和磷的吸收能力。此外，降水还能促进土壤微生物的活性，加快氮和磷的矿化过程，并提高有机质中氮和磷的可利用性，进一步影响植物的氮磷含量。降水还影响了土壤中磷的形态和可利用性，使磷更容易被植物吸收。在降水较少的条件下，磷容易形成不溶性的磷酸盐，从而降低其对植物的可利用性。因此，降水的增加对植物总氮和总磷的提升具有重要意义。

然而，本研究也存在一定的不确定性和局限性。首先，现有模型无法完全解释干旱地区氮和磷储量变化的30%以上空间差异。其次，微生物活动作为调控氮和磷循环的关键因素，由于缺乏基础数据，未能纳入驱动机制的分析中。此外，人类活动（如灌溉农业的扩展）和土地利用变化对土壤氮和磷储量产生了显著影响，例如土地开垦会导致有机磷损失20%–30%，这些因素在研究中未能被量化。这些缺失的元素可能增加了研究结果的不确定性。因此，未来的研究需要进一步完善数据采集方法，加强对微生物活动和人类影响因素的分析，以提高对干旱生态系统中氮和磷变化的解释能力。