基于SHAP值方法的乌拉特梭梭（ Haloxylon ammodendron ）林保护区土壤表层碳氮储量及其影响因素研究

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2022.00086

摘要/Abstract

摘要：

土壤碳氮储量对陆地生态系统碳氮循环及全球变化研究具有重要意义。为了阐明乌拉特梭梭（Haloxylon ammodendron）林国家级自然保护区土壤碳氮储量分布与变化规律，利用相关性分析、随机森林与SHAP解释方法确定影响土壤碳氮储量的关键因子。本研究采用可通行路线网格布点法，在保护区内布设61个调查点，采集表层土壤（0~20 cm），测定土壤碳氮储量，分析其主要影响因素。结果表明：乌拉特梭梭林保护区内土壤全碳和全氮储量在空间上均呈现西高东低、北高南低的特点，其中核心区的全碳储量（1 429.91 g·m^-2）显著高于缓冲区（1 194.09 g·m^-2）和试验区（986.36 g·m^-2）；不同区域的全氮储量差异不显著（P>0.05），核心区、缓冲区、试验区分别为76.79、62.39、51.28 g·m^-2；pH、电导率、梭梭树高度、物种丰富度、植被盖度和草本生物量在3个区域差异显著（P<0.05）。影响梭梭林保护区表层土壤全碳储量的关键因子为土壤全碳、土壤全氮、土壤含水率、电导率、容重、梭梭树高度、植物密度和pH，SHAP分析表明土壤容重、pH与土壤全碳储量呈负相关，其余因子与土壤全碳储量均呈显著性正相关；影响土壤全氮储量的关键因子为土壤全氮、土壤全碳、电导率、容重、土壤含水率、梭梭树高度、植被盖度、碳氮比和植物密度，SHAP分析表明土壤容重、碳氮比与土壤全氮储量呈负相关，其余因子与土壤全氮储量均呈显著性正相关；基于SHAP值计算的平均因子贡献率表明，保护区内较低的植物密度是限制土壤碳氮储量的关键因素。本研究同时发现，当梭梭树的平均高度高于2 m时对土壤碳氮储量的贡献有显著提升，因此加强对保护区内梭梭林的管理对提升土壤质量具有积极作用。

关键词: 梭梭（Haloxylon ammodendron）, 土壤全碳储量, 土壤全氮储量, SHAP

Abstract:

Soil carbon and nitrogen storage are of great significance to carbon and nitrogen cycles and global change researches. We use correlation analysis， random forest and SHAP interpretation methods to elucidate the distribution and variation patterns of soil surface carbon and nitrogen storages and determine the key influencing factors in the Urat National Nature Reserve of Haloxylon ammodendron. In this study， 61 plots were set up in the protection zone using the grid layout method， and the surface soil （0-20 cm） was collected to determine the soil carbon and nitrogen storage and analyze their main influencing factors. The carbon storage in the core area （1 429.91 g·m^-2） was significantly higher than those in the buffer area （1 194.09 g·m^-2） and the experimental area （986.36 g·m^-2）. The soil nitrogen storage in different areas did not differ significantly （P>0.05）， with 76.79 g·m^-2， 62.39 g·m^-2 and 51.28 g·m^-2 in the core， buffer and experimental area， respectively. Soil pH， electrical conductivity， the height of H. ammodendron， species richness， vegetation cover and herbaceous biomass differed significantly （P<0.05） among the three areas based on ANOVA. The key factors affecting soil carbon storage were soil carbon content， soil nitrogen content， soil water content， electrical conductivity， soil bulk density， the height of H. ammodendron， plant density and pH. SHAP analysis showed that soil bulk density and pH were negatively correlated with soil carbon storage， while the other significant factors were positively correlated with soil carbon storage. The key factors affecting soil nitrogen storage were soil nitrogen content， soil carbon content， electrical conductivity， soil bulk density， soil water content， the height of H. ammodendron， vegetation cover， C/N and plant density， and SHAP analysis showed that soil bulk density and C/N were negatively correlated with soil nitrogen storage， while the other significant factors were positively correlated with soil nitrogen storage. It was also found that the contribution to soil carbon and nitrogen storage was significantly increased for the average plant height of H. ammodendron higher than 2 m. Therefore， the sustainable management of H. ammodendron is beneficial on soil quality improvement in the Urat National Nature Reserve of H. ammodendron forest.

Key words: Haloxylon ammodendron, soil carbon storage, soil nitrogen storage, SHAP

中图分类号:

X825

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图/表 10

图1 乌拉特梭梭林保护区地理位置、区域划分及调查点位置

Fig.1 Geographical location， study site and investigation plots of Urad National Natural Reserve of Haloxylon ammodendron

表1 乌拉特梭梭林保护区土壤和植被特征（平均值±标准误）

Table 1 Features of soil and vegetation in the protection zone （mean±SD）

土壤和植被参数	核心区	缓冲区	试验区	平均值
粗砂含量/%	77.44±5.44^a	74.95±7.56^a	73.65±6.96^a	75.38±6.77
细砂含量/%	21.11±5.28^a	23.3±7.09^a	24.58±6.28^a	22.97±6.31
黏粉粒含量/%	1.45±0.57^a	1.75±0.82^a	1.77±0.78^a	1.65±0.73
容重/（g·cm^-3）	1.38±0.19^a	1.42±0.20^a	1.51±0.11^a	1.44±0.18
土壤含水率/%	1.85±1.21^a	1.56±1.28^a	1.14±0.57^a	1.52±1.09
pH	9.02±0.63^b	9.36±0.35^a	9.41±0.24^a	9.26±0.47
电导率/（μS·cm^-1）	348.21±434.82^a	147.16±217.84^b	103.3±137.48^b	201.99±309.46
土壤全碳含量/（g·kg^-1）	5.5±3.24^a	4.79±4.89^a	3.33±1.17^a	4.56±3.51
土壤全氮含量/（g·kg^-1）	0.3±0.25^a	0.25±0.27^a	0.17±0.05^a	0.24±0.22
碳氮比	20.81±6.39^a	19.9±3.13^a	19.28±3.42^a	20.01±4.56
物种丰富度	5±2.52^b	4.32±2.03^b	6.45±1.72^a	5.25±2.27
植物密度/（株·m^-2）	51.35±36.84^a	33.58±28.35^a	37.43±29.94^a	40.96±32.42
植被盖度/%	18.43±11.92^a	10.35±5.91^b	18.12±12.64^a	15.68±11.1
草本生物量/（g·m^-2）	1.01±1.13^ab	0.73±0.73^b	1.88±2.01^a	1.2±1.46
梭梭树高度/cm	136.81±91.93^a	82.29±43.64^b	72.71±63.98^b	97.92±74.43
梭梭树密度/（株·hm^-2）	387.3±330.74^a	458.33±326.04^a	416.67±409.04^a	420.22±352.1

图2 保护区不同区域植被和土壤因子PCoA降维图

Fig.2 PCoA of environmental factors in different regions

图3 保护区碳氮储量

Fig.3 The carbon and nitrogen storage in the protection zone

图4 乌拉特梭梭林保护区碳氮储量空间分布

Fig.4 Spatial distribution of carbon and nitrogen storage

图5 环境因子与样本SHAP值

Fig.5 The SHAP value of environmental factors and samples

图6 各环境因子对全碳储量的贡献

Fig.6 Contribution of environmental factors to carbon storage

图7 土壤全碳储量与显著性环境因子的SHAP值关系

Fig.7 Relationship between soil carbon storage and significant environmental factors

图8 各环境因子对全氮储量的贡献

Fig.8 Contribution of environmental factors to nitrogen storage

图9 土壤全氮储量与显著性环境因子的SHAP值关系

Fig.9 Relationship between soil nitrogen storage and significant environmental factors

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