部分最小二乗回帰を使用した土壌特性の空間的および時間的変動に基づくSOCストック予測

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7949 (2023) この記事を引用

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地球温暖化は広範な問題であり、土壌炭素隔離は局地的規模の自然な解決策です。 炭素吸収源としての土壌の役割は広く研究されていますが、土壌炭素の吸収とその保持を予測する際の土壌変数の役割に関する知識はほとんどありません。 現在の研究では、土壌特性を説明変数として維持し、2 つの異なる季節のデータセットに部分最小二乗回帰モデルを適用して、イスラマバード - ラワルピンディ地域の表土における SOC 蓄積量を予測しています。 イスラマバードとラーワルピンディの双子の都市から収集されたサンプルは、土壌の色、質感、含水量、SOM、嵩密度、土壌pH、EC、SOC、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩、フッ化物、カルシウム、マグネシウム、ナトリウム、カリウム、標準プロトコルを適用することで、重金属 (ニッケル、クロム、カドミウム、銅、マンガン) を除去します。 その後、PLSR を適用して SOC ストックを予測しました。 現在の SOC 蓄積量は 2.4 ～ 42.5 Mg/ヘクタールの範囲ですが、PLSR の結果では、土壌変数が変更されない場合、この地域の SOC 蓄積量は 10 Mg/ヘクタール付近に集中する可能性が高いと予測されました。 この研究では、両季節のデータセットの変数の重要性も特定したため、今後の研究でデータセット内のノイズの多い変数を除外し、正確で正確な推定を行うことができます。

地球規模で、食糧安全保障問題に対処するためだけでなく、気候変動に取り組むためにも、土壌の有機炭素のより適切な管理に対する関心が顕著に高まっています。 この問題に対処する主な取り組みには、4p1000 イニシアチブ、REDD +、および SOC 隔離可能性プログラムの世界的評価 (GSOCseq)1、2、3 が含まれます。

土壌は、大気中の炭素を固定するための最大の吸収源であると考えられています。 これらは陸生植物と比較して 2 倍の量の炭素を保持しています4,5。 土壌は炭素含有量を土壌有機炭素の形で保持しています（石灰質土壌は別として）6,7。 一般に炭素隔離と呼ばれる土壌への炭素の取り込みは、特定の無機化学反応によって CO2 が炭酸カルシウムや炭酸マグネシウムなどの無機化合物に変換されるときに直接発生します8。 あるいは、バイオマスが分解され、土壌有機炭素と腐植土などの他の有機物質からなる土壌有機物と広く呼ばれる有機化合物の形で土壌系の一部となるときに間接的に発生します9。 水分保持、金属イオンとの錯体形成、土壌のカチオン交換能力など、土壌システムの構造的および機能的側面のほとんどは、土壌有機炭素に依存しています10,11。 しかし、土壌に対するSOCの影響は一方向ではありません。 土壌の特性は、土地利用カテゴリーや温度と湿度の季節変動などのさまざまな外部および内部要因に応じて、SOC の捕捉、品質、分布、および保持時間にも影響します12,13。

大気中の炭素の土壌への取り込みと保持は複雑な現象です。 この複雑なプロセスには、生態系のすべての領域 (大気圏、生物圏、水圏、岩石圏) に属する複数の変数が関与します 14,15。

土壌環境内で、土壌有機炭素貯蔵量の空間的および時間的変化は、土壌の固有の特性に大きく依存します。 しかし、土壌変数に関連した土壌プロファイル中の土壌有機炭素 (SOC) ストックの分布に関する統計はほとんど適切ではありません。

以下の研究は、イスラマバード - ラワルピンディ地域の表土における SOC 資源を形成するさまざまな変数の全体像を提供します。

現在の研究では、イスラマバードとラーワルピンディ地域の表土（0 ～ 30 cm）から 204 個のサンプル（野外複製を含む）が収集されました。 気温と標高は GPS 測定値とともに現場で記録され、ファティマ ジンナー女子大学の研究室で土壌の特性が評価されました。 空間的変動を研究する目的で、サンプルは 3 つの異なる土地利用タイプ、すなわちイスラマバードとラーワルピンディ地域の農地、都市土地 (公共公園)、および森林地帯から収集されました。 時間的変化を評価するために、夏と冬の 2 つの季節にサンプルを収集しました。 サンプルは、マンセル土壌色表 16,17 を使用して評価された土壌の色などの物理的な土壌変数について分析されました。 比重計法17によって評価された土壌の質感。 乾燥減量法17を使用して計算された土壌水分含量。 有機物は強熱減量法 18,19 によって評価され、土壌嵩密度は準拠したキャビティ法 20 によって評価されました。 化学パラメータも標準プロトコルを使用して分析されました。 pH と EC は、Crison MM40 ポータブル マルチメーター キット 17 を使用して測定されました。 土壌有機炭素は修正ウォーキーアンドブラック法によって評価されました21。 土壌の硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩は、UV/VIS 分光測光法を使用して分析されました17。 フッ化物はイオン選択電極によって評価されました22。 ナトリウムイオンとカリウムイオンは炎光光度法で分析され、カルシウム含有量、マグネシウム含有量、ニッケル、クロム、カドミウム、銅、マンガンなどの重金属は原子吸光分光光度法で評価されました17。

その後、サンプルを統計分析に供しました。 部分最小二乗回帰統計モデルは、両方の季節 (夏と冬) のデータセットに適用されました。 これらの予測統計は XLStat を通じて実行されました。 正確には、2 つのデータセットでは、前述の独立変数と表層土壌の現在の SOC 蓄積量に基づいて、地域の土壌の SOC 蓄積量を予測するために、部分最小二乗回帰モデルが適用されました。 PLSR は、それぞれの季節のデータに影響を与える固有の変数を特定するために、2 つの季節のデータセットに個別に適用されました。

世界中の SOC 資源のレベル、品質、分布パターンの推定に関して複数の研究が実施されています23、24、25。 しかし、これらの銘柄を再形成する要因に関するデータは不足している。 最近では、土壌有機炭素の管理が、温室効果ガス排出量 (特に炭素排出量) の増加に対処するための主要かつ効率的に利用可能なツールの 1 つであると考えられています。 土壌有機炭素の取り込み、保持、挙動の変動を支配する要因は数多くあります14。 気候条件、水文学的状況、バイオマス投入量、土地利用の変動などの他の制御要因の中でも、SOC の吸収とその貯蔵に一貫して影響を与える 1 つの主要なエンティティ/システムは土壌状況です。 土壌変数は、単位として、炭素の吸収とその保全のプロセス全体を強化または後退させる最も重要かつ決定的な要因の 1 つと見なすことができます。

土壌変数が SOC 蓄積に与える影響に関する包括的な知識を入手できることは、間違いなく、特定の地域での炭素隔離率を高めるための重要な前提条件です。

部分最小二乗回帰は、単一または複数の独立変数に基づいて従属変数を投影する予測統計モデルです。 本研究では、現在の土壌特性を独立変数として扱い、SOC ストックを従属変数として扱いました。 夏のデータ分布全体に基づいて、1 つのデータ、つまり S23 が検証データセットとして選択されました。 夏と冬のデータセットの概要統計とそれぞれの検証データセットをそれぞれ表 1 と表 2 に示します。 夏期、調査地域の表土の SOC ストックは 2.352 Mg/ヘクタールから 42.453 Mg/ヘクタールの範囲で、平均値は 11.131、標準偏差は 7.391 でした。

各季節の説明データセットに基づいて、SOC 資源予測が行われました。 夏と冬といった各季節の標準化された残差とともに詳細なデータセットをそれぞれ表 3 と表 4 に示します。 観測の大部分では、予測された SOC ストック値が現在の SOC ストック値よりも低いことが判明しました。

SOM の蓄積と安定化のダイナミクスは、土壌の種類によって異なります 27。 気候、微生物叢、植生の種類などのその他の支配要因。 ペドジェニックプロセスは、SOM の保存を調節するだけでなく、SOM の挙動を長期的に予測します。 土壌の質感や嵩密度などの土壌の固有の構造特性により、SOM がさまざまな土壌層内でどのように保持されるかが決まります。 同様に、他の土壌形成プロセス、つまり栄養素の沈着と除去（照射と溶出）は、SOM が短期的および長期的にどのように鉱物表面に吸着されるかを定義します28。 さらに、土壌の物理化学的特性も SOM の永続性と安定性を左右します。

現在の研究では、重要な変数の観点から、イスラマバードとラーワルピンディのアルカリ性土壌内の固有の物理化学的特性や栄養素欠乏（硝酸塩および硫酸塩欠乏）などの土壌形成プロセスについて議論しています。

夏のデータセットPLSRの結果によると、図1aに示すように、夏のデータセット全体に影響を与える最も重要な変数は、かさ密度、土壌有機炭素、カルシウムイオン、土壌EC、土壌硝酸塩であることがわかりました。 冬季に重要な役割を果たす最も重要な変数は、図1bに示すように、土壌有機炭素、ニッケル濃度、土壌水分含有量、リン酸塩含有量、カリウムイオン、土壌ECおよび土壌硝酸塩でした。 夏期と冬期の従属変数としてのSOCストックに対する独立変数の標準化係数を図1c、dに示します。

(a) 夏のデータセットの予測における変数の重要性。 (b) 冬季データセットの予測における変数の重要性。 (c) 夏期データセットの SOC ストック/標準化係数。 (d) 冬季データセットの SOC ストック/標準化係数。

夏期に採取されたサンプルのうち、かさ密度値が 2 g/cm3 未満のサンプルが 77% と非常に多くありました。 また、冬のデータセットでは、大部分、つまりデータ全体の 82% が 1 g/cm3 ～ 2 g/cm3 の範囲内にありました。 これらの値は、この地域、つまりイスラマバードとラワルピンディの入手可能な文献とも一致しています 29,30,31。 したがって、これらは、その地域で主に普及しているかさ密度値と考えることができます。

調査地域のかさ密度の範囲は、SOC 保持が増加する可能性を示しています。 当然のことながら、かさ密度は空気層と SOM で構成されます。 調査地域の砂質ロームなどの砂質の土壌では、かさ密度値が 1.7 g/cm3 を超えると自然な根の成長が妨げられますが、きめの細かい土壌ではこの値はさらに 1.5 g/cm3 まで低下します 32,33。 炭素貯蔵に関しては、かさ密度値が 1.3 g/cm3 未満であれば良好とみなされますが、1.8 g/cm3 を超えると非常に不良とみなされます 32。 土壌の質感に加えて、栄養素の濃度も嵩密度の値を高くします。 チャウダリら。 らは、土壌のかさ密度と土壌ケイ酸塩、土壌炭酸カルシウム、および微量および多量栄養素の総含有量との負の関係を報告しました34。 したがって、イスラマバードとラーワルピンディの土壌は、かさ密度を下げるために管理される必要があります。

イスラマバードとラーワルピンディの土壌では、両方の季節の土壌有機炭素は主に 0.16 ～ 0.25% でした。 大部分の土壌サンプルの SOC パーセンテージは 0.25% 未満でした。 夏のデータセットのサンプルの約 47%、冬データセットのサンプルの 45% の SOC は 0.16% から 0.25% の範囲でした。

SOC 値が 2% 未満の場合は、土壌の構造安定性の点で品質が低いことを示します 35。 農業基準においても、SOC 値が 2% 未満の土壌は、生産性と収量の点で劣化する可能性が高い土壌であると広く考えられています 36。 乾燥地作付システムでは、不耕起であっても単独では SOC パーセンテージの増加を引き起こすことはできません 37,38,39。 乾燥骨材に付随する炭素は、パキスタンの半乾燥土壌に貯蔵されている主要な SOC ストックである40。 したがって、それを増加させるためには、統合された栄養塩管理や計画的なプランテーションなど、より広範な土壌管理戦略に焦点を移す必要があります。

大部分のサンプル (夏 57%、冬 35%) のカルシウム含有量は、どちらの季節で​​も 1000 ppm から 1500 ppm の範囲内にありました。 利用可能な調査では、データ範囲もサポートされています41。 炭酸カルシウムの含有量と比較して、交換可能なカルシウムは SOC の保護に重要な役割を果たします。 しかし、適切な栄養素、特に堆肥の形の有機改良剤が存在すると、炭酸カルシウムは交換可能なカルシウムに容易に変換されます。 地域の土壌内のこの変化は、有機カルシウム複合体の形成プロセスをさらに促進する可能性があるため、土壌有機炭素の長期保存に重要な役割を果たす可能性があります42,43,44。

どちらの季節で​​も、ほとんどのサンプルの硝酸塩濃度は 3 ppm 未満でした。 夏期のデータセットでは、サンプルの大部分、つまり 71% が 0 ～ 3 ppm の範囲にありました。 冬季には、サンプルの 88% の硝酸塩レベルが 1 ppm 未満でした。 冬のデータセット内では、硝酸塩含有量の増加に伴ってサンプル数が継続的に減少しました。 Shaheen, 2016 はまた、ラーワルピンディ地域の土壌は硝酸塩欠乏であると述べています。 この欠乏の考えられる理由は、この地域の肌理の粗い土壌45による浸出と、土壌のアルカリ性pHおよび温度の上昇による揮発46である可能性があります47、48、49。

植物に利用可能な土壌硝酸塩濃度の最低必要条件は、10 ppm (植栽前の季節) ～ 30 ppm (成長期) です50。 一方、パキスタンの土壌には硝酸塩が欠乏しています51,52。

硝酸イオンは移動性が高いため、土壌内の陽イオン交換部位に吸着されません。 したがって、特にパキスタンのような石灰質土壌からは容易に失われます53,54。 この損失は土壌の品質に影響を与えるだけでなく、年間作物生産量という点で経済的損失にもつながります55,56,57。 パキスタンの農業システム内の窒素利用効率が 40% を超えることはほとんどありません。 土壌のアルカリ性の性質により温度が上昇するため、添加された窒素含有量の大部分（約 22 ～ 53%）がアンモニアの形で失われます。 この揮発に寄与するその他の要因は、水分含量の低下と塩分濃度の低下です。 この揮発は、適切な土壌管理手法を採用することで最大 80% まで制御できます52。

両方の季節のリン酸塩含有量は主に 5 ～ 100 ppm でした。 夏のデータセットは主に 5.1 ppm から 10 ppm に集中しており、データ全体のサンプルの 61% を占めていました。 冬季には、サンプルの大部分、つまり 61% が 0.1 ppm から 15 ppm の範囲にありました。 リン酸塩濃度の範囲は、この地域に関する入手可能な研究結果とも一致しました 58,59。

持続可能な栄養の最低レベル (MSLN) ガイドラインによれば、より健康な土壌におけるリン酸塩の範囲は 7 ppm ～ 50 ppm です。 したがって、イスラマバードとラーワルピンディの土壌内のリン酸塩のレベルは満足のいくものです60,61。

両シーズンのデータセットのニッケルは 6 ppm 未満でした。 夏のデータセットでは、約 80% のサンプルが 3.1 ppm から 6 ppm の範囲にありました。 冬季には、サンプルの最も高い割合、つまり 35% が 5.1 ppm から 6 ppm の範囲内にありました。 本研究の結果は、Ashraf et al. が報告したニッケル濃度に近いものでした。 研究地域の 2019 年 62.

ニッケルイオンの存在は土壌有機物にとって非常に重要です。 pH 値が 8 を超えるアルカリ性土壌では、Ni 方解石複合体の形成により有機物の保護が行われます 63,64。 最近の現場研究では、不純な二酸化炭素を炭酸塩に永久的に隔離するために塩水を使用することにより、ニッケルナノ粒子が CO2 の鉱化プロセスを強化するために使用されました 65。 しかし、生息域外環境では、隔離に対する Ni の役割は最近詳しく研究されていません。 1979 年に、炭素の無機化におけるさまざまな pH 範囲の砂質土壌における酸化物としてのニッケルの役割を評価する研究が実施されました。 この研究は、ニッケル濃度の増加とともに鉱化は減少するが、土壌の最も高い pH、つまり 7.6 では、この鉱化の程度はより低い pH の土壌と同じではないと結論付けました 66。 したがって、炭素隔離におけるニッケルの役割に関しては、対処する必要のある研究上のギャップが存在する可能性があります。

夏期のサンプルの大部分 (つまり 67%) のカリウム含有量は、1 ppm から 55 ppm の範囲にありました。 サンプルの約 22% が 56 ppm ～ 110 ppm の濃度範囲にありました。 冬のデータセットでは、サンプルの 75% が 1 ppm から 40 ppm の範囲にありました。 両季節を通じてカリウム濃度の増加に伴ってサンプル数が減少した。 データ範囲は入手可能な文献 41、67、68、69 とも一致します。 母岩材料に雲母を含むポスワール地域を含むパキスタンのほとんどの地域の土壌では、カリウム含有量が圧倒的に高い70。 ナトリウム値とカリウム値が高いアルカリ性土壌には、低塩水で灌漑する必要があります71。 カリウムイオンの調節に関連する他の土壌要因は、土壌微生物集団および高等植物内の電荷平衡および酵素活性調節である72,73。 また、植物の浸透圧の取り込みを調節することで土壌の水分含有量に影響を与え、間接的に土壌内の炭素保持に重要な役割を果たします74,75。

両方の季節の現在の SOC ストック値と予測 SOC ストック値を図 2 に示します。PLSR の最初のステップで、SOC ストック値が標準化された残差に対してプロットされました。 夏の SOC 資源量の上限は 40 Mg/ヘクタール付近であることが確認されており、これはこの地域で入手可能な文献と一致しています 76 が、現在の SOC 資源量のほとんどの値は、夏のデータセットでは 20 Mg/ヘクタール未満、冬のデータセットでは 10 Mg/ヘクタール未満に集中していました。図2a、dに示すように。 次に、標準化された残存値に基づいて、夏期と冬期のSOC予測がそれぞれ図2b、eに示されています。 PLSRの結果によると、夏期と冬期のデータセットについてそれぞれ図2c、fに示すように、予測されたSOC資源値の大部分は10 Mg/ヘクタール付近に集中していることがわかりました。

(a) SOC ストック/標準化残差夏期。 (b) 夏期の予測 SOC ストック/標準化残差。 (c) 予測される SOC ストック - 現在の SOC ストックの夏期。 (d) 冬季の SOC ストック/標準化残留物。 (e) 冬季の予測 SOC ストック/標準化残存量。 (f) 予測される SOC ストック - 現在の SOC ストックの冬期。

このような低レベルの SOC ストック値の背後にある考えられる主な理由（土壌特性の観点から）は、変数重要度に示されているように、かさ密度値が高く、硝酸塩濃度が低いことが考えられます（図 1a、b）。

外れ値の分析結果を図 3 に示します。図 3a、c に示すように、夏と冬の両方のデータセットのモデルまでの距離 (DMoD) 値は、説明変数に対して 1.368 であることがわかりました。 そして、従属変数、つまりSOCストックのDMoDは、夏のデータセット（図3b）では1.510、冬のデータセット（図3d）では1.518であることがわかりました。

(a) 説明変数、つまり夏季の土壌特性に基づいた観測値の外れ値分析。 (b) 従属変数、つまり夏期の SOC ストックに基づいた観測値の外れ値分析。 (c) 説明変数、つまり冬季の土壌特性に基づいた観測値の外れ値分析。 (d) 従属変数、つまり冬の季節の SOC ストックに基づいた観測値の外れ値分析。

部分最小二乗回帰の結果によると、土壌変数の現状が変化せずに長期化した場合、イスラマバードとラーワルピンディ地域の表土の SOC 蓄積量はさらに悪化する可能性が高いと結論付けることができます。 しかし、両方の季節のデータセットで最も重要であると特定された変数（かさ密度、土壌硝酸塩、水分含有量など）が地域レベルで管理されれば、SOCストックは改善する可能性が高く、影響を緩和する上で大きな役割を果たす可能性があります。気候変動、特にこの地域の温暖化。

イスラマバードとラーワルピンディのアルカリ性土壌の炭素貯蔵量を高めるための推奨事項の一部は次のとおりです。

土壌炭素貯蔵量を増加させるために、統合された栄養分管理アプローチを適用できます。

この地域のアルカリ性土壌は、自然にアルカリ度を最適化するために低塩水で灌漑する必要があります。

イスラマバードとラーワルピンディの粗いアルカリ性土壌は硝酸塩含有量が不足しています。 この欠乏は、土壌炭素蓄積量の減少に直接起因している可能性があります。 したがって、現在の土壌炭素貯蔵量を改善するには、土壌の硝酸塩含有量を管理する必要があります。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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著者らは、ラーワルピンディのファティマ ジンナー女子大学に感謝します。 パキスタンは実験施設を提供してくれた。

ファティマ・ジンナー女子大学環境科学部、ラーワルピンディ、46000、パキスタン

ジャワリア・ウスマン & シャヒーン・ベガム

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JU は現在の研究を概念化し、必要なフィールドワーク、実験室分析、統計分析を実施し、主要な原稿テキストを書き、現在の原稿のためのすべての図とグラフを準備しました。 そしてSBは、アイデア出しから原稿の準備に至るまでのすべての段階で研究全体を監督しました。

シャヒーン・ベガムへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Usman, J.、Begum, S. は、部分最小二乗回帰を使用して、土壌特性の空間的および時間的変動に基づいて SOC 資源を予測します。 Sci Rep 13、7949 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34607-9

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受信日: 2023 年 2 月 16 日

受理日: 2023 年 5 月 4 日

公開日: 2023 年 5 月 16 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34607-9

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