基于随机森林法的山核桃林地土壤速效养分含量空间分布特征研究

作者：凌晓丹; 王罗其; 赵科理^*; 傅伟军; 叶正钱; 丁立忠

来源：生态学报, 2024, (02): 1-14.

DOI：10.20103/j.stxb.202301130090

• 山核桃林地
• 随机森林
• Shapley加性解释
• 速效养分

土壤氮磷钾是土壤肥力管理的重要元素,是植物生长的必要养分元素。对土壤氮磷钾的空间分布进行特征解译,可为精准管理临安山核桃产区林地土壤肥力,促进山核桃林产业可持续发展提供理论依据。本研究以临安山核桃主产区为研究区域,利用随机森林(RF)、普通克里格(OK)和Shapley加性解释(SHAP)方法,结合地形因子、气候因子、土壤因子、遥感因子等环境变量,对山核桃林地土壤碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)的空间分布特征进行分析。研究结果表明:相比于OK模型,基于环境协变量所构建的RF模型对AN、AP和AK含量空间分布预测表现最佳,R2分别为0.68、0.60和0.64,均方根误差(RMSE)分别为20.005、10.287和22.426,平均绝对误差(MAE)分别为15.425、7.709和7.653。RF模型SHAP分析显示,AN和AK含量分布主要受土壤有机质(SOM)的影响,并且SOM与AN和AK存在正相关性;AP主要受pH的影响,其次为色调指数,AP与pH和色调指数均具有负相关性;AK和AP同时受到海拔和坡向的影响。两种模型预测的氮磷钾空间分布趋势总体相似,不同速效养分存在明显的空间异质性。碱解氮高值区域主要分布于研究区东部;有效磷高值区域主要分布于研究区西部,但分散度高;速效钾高值区域则主要分布于研究区中部。总体而言,基于随机森林模型可以高精度模拟山核桃林地土壤氮磷钾含量空间分布特征,并依据主要环境协变量对土壤氮磷钾的影响关系,提出相应改良措施。在有效磷含量低值区域可以施用石灰来缓解土壤酸化,同时补追磷肥;碱解氮含量高值区域可以合理减少氮肥施用;速效钾含量低值区域合理施加钾肥;对于海拔较高及迎风坡多降雨的区域,可以构建林下高效水土保持植被,减轻水土流失;在林地施用有机肥料,改善土壤理化性质,增加土壤养分含量。

• 单位
  浙江农林大学