林业科学

作者：沈琛琛1,肖文发1,2,朱建华1,2,曾立雄1,2,陈吉臻1,黄志霖1,2,*

单位：1. 中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所　国家林业和草原局森林生态环境重点实验室　北京 1000912. 南京林业大学南方现代林业协同创新中心　南京 210037

关键词：森林土壤有机碳,空间分布,天然林,机器学习,华中地区

基金：中国科技部科技基础资源调查专项（2021FY100800）。

目的: 比较4种机器学习算法在模拟华中地区3种典型天然林土壤有机碳含量上的表现，筛选最优模型算法，明确影响该地区天然混交林土壤有机碳富集与空间分布的关键气候环境因子，为森林土壤有机碳分布格局研究提供技术参考。方法: 以华中地区3种典型天然林（常绿针叶混交林、落叶阔叶混交林和常绿阔叶混交林）为研究对象，引入4种机器学习算法（支持向量机、人工神经网络中的多层感知器、随机森林和分位数回归森林），模拟0~60 cm土层土壤有机碳含量，比较模型解释量及表现稳定性，筛选最优模型算法。结果: 4种机器学习算法均能成功模拟天然林0~60 cm土层土壤有机碳含量，多层感知器、随机森林、分位数回归森林模拟结果明显优于支持向量机，其中随机森林模型表现最稳定，决定系数最高达0.620。母质、土壤密度、孔隙度、地理位置、海拔、植被和水分亏损情况等共同影响华中地区天然林0~60 cm土层土壤有机碳含量，但显著影响表层（0~20 cm）、中层（20~40 cm）与深层（40~60 cm）土壤有机碳含量的因子并不一致且影响机制不同。在0~20 cm土层，显著影响因子最复杂，除土壤密度以外，土壤孔隙度、地形、植被和气候均产生显著影响（P<0.05）；在20~40 cm土层，土壤密度和地理位置依然有显著影响（P<0.05），各因子影响呈现复杂性和过渡性；在40~60 cm土层，成土母质是最重要的影响因子，其次为土壤密度和水分亏损指数，植被的影响下降（P<0.05）。从地理分布上看，0~20 cm表层土壤有机碳含量东南高、西北低，中层和深层土壤有机碳含量表现为西部较高、东部稍低；海拔较高的南部山区土壤有机碳含量更高。蒸发强烈或供给森林的水分不足会限制各层土壤有机碳富集。森林土壤有机碳含量随土层加深显著下降，常绿针叶混交林土壤有机碳含量在各土层均最高，落叶阔叶混交林居中，常绿阔叶混交林最低。结论: 华中地区天然林土壤有机碳含量分布呈现明显差异，常绿针叶混交林土壤有机碳贡献最大，成土母质和土壤物理属性对土壤有机碳富集与分布起决定性作用；适宜天然林生长的地理立地条件和气候环境，共同造就该地区天然林土壤有机碳富集。在营林和管理时可加大本地树种混交比重，提升森林土壤碳汇功能。

来源：2024年第3期

《林业科学》期刊编辑部

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