热力胁迫调控下新疆土壤有机碳空间格局与碳储量分配机制研究

《CATENA》：Hydrothermal stress influences the spatial distribution pattern of soil organic carbon and its stock in Xinjiang

本研究针对干旱区土壤有机碳（SOC）空间分布机制不清的问题，以新疆为研究区，结合2757个实测样本与多源环境变量，构建了随机森林（RF）模型（R2=0.67）实现SOC空间预测，并创新性融合SHAP与pSEM方法解析驱动机制。结果揭示SOC呈“山地高-绿洲中-沙漠低”的地貌梯度格局，总碳储量为3.19 Pg C；蒸发散（ET）与土壤湿度（SM）为主要正驱动因子，而土壤温度（ST）与蒸汽压亏缺（VPD）呈负效应；人类活动通过灌溉调节局部热力胁迫，但SOC稳定性高度依赖管理措施。该研究为干旱区碳储量评估与精准管理提供了理论依据。

　　

在全球气候变化与土地退化加剧的背景下，土壤有机碳（SOC）作为陆地生态系统碳循环的核心组成部分，其空间分布与形成机制对理解碳汇功能、制定干旱区管理策略具有重要意义。然而，现有研究多集中于局部区域，缺乏对干旱区大尺度SOC空间分布及其驱动机制的系统性分析，尤其是热力胁迫与其他环境因子交互作用的认识尚不清晰。新疆作为中国典型的干旱区，其复杂的地貌结构（“三山夹两盆”）、显著的气候梯度与强烈的人类活动，共同塑造了SOC分布的空间格局，但传统土壤采样方法难以满足大范围高精度制图的需求。

为填补这一空白，李运浩等研究人员在《CATENA》上发表论文，以新疆为研究区，基于2757个实测土壤样本，融合遥感影像与多源环境协变量，构建了随机森林（RF）模型进行SOC空间预测，并创新性结合SHAP（SHapley Additive exPlanations）解释性分析与分段结构方程模型（pSEM），系统揭示了干旱区SOC的主导因子与响应机制。

研究主要关键技术方法包括：（1）基于2757个野外采样点（2008–2014年）的SOC实验室测定；（2）整合植被指数、地形特征、土壤属性、气候指标、干旱指数、环境指数及人类活动等7类40个环境变量；（3）采用随机森林（RF）、XGBoost、支持向量回归（SVR）和人工神经网络（ANN）四种机器学习模型进行SOC空间预测，并通过R²、RMSE、MAE和RPD等指标评估模型精度；（4）利用SHAP方法量化变量贡献度，并结合pSEM解析因子间的直接与间接效应路径。

3.1. 新疆SOC统计分析

SOC含量在不同土壤类型间差异显著，呈现明显的地带性分异。黑钙土（Chernozems）和栗钙土（Castanozems）平均SOC含量最高（分别为15.81 g·kg^?1和11.83 g·kg^?1），而风沙土（Aeolian soils）和灰棕漠土（Gray-brown desert soils）含量最低（均低于6.6 g·kg^?1）。高SOC土壤主要分布在高纬度、高海拔的冷湿山区，低SOC土壤则集中于植被稀疏、降水稀少的盆地中心，反映出干旱区SOC积累受复杂成土环境与植被覆盖的强烈控制。

3.2. SOC反演模型优化与空间分布分析

通过SHAP分析筛选出蒸发散（ET）、降水（PRE）、地形起伏度（TR）、土壤湿度（SM）、SAVI、砂粒含量（Sand）、土壤温度（ST）、GDVI、DEM和全氮（TN）等10个核心变量用于建模。RF模型表现最优（R²=0.6705，RMSE=2.1853 g·kg^?1），被选为最终制图模型。SOC空间分布图显示，阿尔泰山与天山山区为高值区（>15 g·kg^?1），绿洲农业区为中等水平，塔里木盆地与古尔班通古特沙漠为低值区（<5 g·kg^?1），整体呈现与“山-绿洲-荒漠”景观结构高度耦合的梯度格局。基于SOC密度计算得出新疆0–30 cm土层总碳储量约为3.19 Pg C，其中南疆碳储量略高于北疆。

3.3. 新疆SOC驱动因子分析

SHAP分析表明，ET、PRE和TR是影响SOC空间分异的最重要变量，其中ET和PRE呈显著正效应，ST和VPD为负效应。pSEM结果进一步量化了各因子的直接与间接效应：ET对SOC具有最强的直接正效应，并通过增加SM间接增强其影响；ST为主要负驱动因子；VPD和TR则通过间接路径起次要调控作用。SM作为连接多个变量的关键中介，决定了SOC的形成潜力与空间稳定性。

研究结论与讨论部分强调，干旱区SOC形成机制具有显著的热力控制性、地貌依赖性和人为调控性。山地生态系统因冷湿气候和良好植被覆盖成为天然碳汇，绿洲农业区通过灌溉施肥实现碳增汇但稳定性受管理措施影响，沙漠区则因极端干旱和强烈风蚀维持低碳状态。人类活动（如灌溉）可缓解局部热力胁迫，但管理差异可能导致SOC稳定性波动。该研究不仅阐明了热力胁迫机制与人为调控在SOC形成中的耦合路径，还为干旱区碳储量评估、土地利用优化及气候变化应对提供了科学依据与方法支撑，对推动区域碳中性战略具有重要实践意义。