利用改進(jìn)XGBoost 模型預(yù)測(cè)和分析濕地潛流帶地下水中硝態(tài)氮含量

摘 要：濕地潛流帶是地下水中氮循環(huán)的重要場(chǎng)所，以洞庭湖濕地潛流帶為研究對(duì)象，探討地下水中氮素遷移轉(zhuǎn)化影響因素與作用機(jī)制。在湘江入湖口濕地設(shè)置了4 個(gè)剖面共16 口監(jiān)測(cè)孔，進(jìn)行了為期一個(gè)水文年的地下水取樣與測(cè)試分析。研究選定的特征參數(shù)包括氧化還原電位（Eh）、溶解氧（DO）、水溫（T）、地下水位（H）及埋深、酸堿度（pH）以及溶解有機(jī)碳（DOC）等。利用XGBoost 方法建立機(jī)器學(xué)習(xí)模型，用于預(yù)測(cè)硝態(tài)氮的相對(duì)濃度，并通過貝葉斯優(yōu)化（BO）、麻雀搜索算法（SSA）、粒子群算法（PSO）分別對(duì)XGBoost 預(yù)測(cè)模型進(jìn)行超參數(shù)優(yōu)化，得到最佳XGBoost 預(yù)測(cè)模型（BO-XGBoost）。在此基礎(chǔ)上，采用SHAP（SHapley Additive exPlanations）方法對(duì)BO-XGBoost 模型進(jìn)行可解釋性分析。研究結(jié)果表明，BO-XGBoost 模型的性能最好，在訓(xùn)練集與測(cè)試集的決定系數(shù)均超過0.90；可解釋性分析結(jié)果和相關(guān)分析都揭示了Eh、DO、T、H、pH 和DOC等影響因子對(duì)濕地潛流帶地下水中硝態(tài)氮含量的影響是逐漸降低的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：濕地潛流帶；硝態(tài)氮；機(jī)器學(xué)習(xí)；XGBoost；SHAP

中圖分類號(hào)：P641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-1329（2024）02-0041-07

國土資源是自然資源、社會(huì)資源和經(jīng)濟(jì)資源的總稱。對(duì)自然資源而言，主要包括土地資源、礦藏資源、水利資源、生物資源、海洋資源等，其中濕地就是一種重要的自然資源，與水資源密切相關(guān)[1]。在濕地生態(tài)系統(tǒng)中，氮（N）扮演著非常重要的角色，它主要以無機(jī)和有機(jī)2種形態(tài)存在。氮在不同的環(huán)境中呈現(xiàn)出多種價(jià)態(tài)，是常量元素組分中最為復(fù)雜的一種。同時(shí)，氮也是生命體必需的營養(yǎng)元素，在細(xì)胞結(jié)構(gòu)體內(nèi)對(duì)核酸和蛋白質(zhì)的生物合成起著重要的作用[2]。不同形態(tài)的氮受多種環(huán)境因素的影響，彼此之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。無機(jī)氮和可溶性有機(jī)氮一旦進(jìn)入水體后就會(huì)隨水流發(fā)生遷移[3]，在此過程中，由于受到物理、化學(xué)特別是生物因素等作用機(jī)制的影響[4]，使得氮在物質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部的轉(zhuǎn)化變得更加復(fù)雜。

濕地被認(rèn)為是價(jià)值最高的生態(tài)系統(tǒng)，具有重要的生態(tài)服務(wù)功能[5]。與河流和湖泊相比，濕地有更強(qiáng)大的截留輸入氮的能力，并在濕地系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行復(fù)雜的生物地球化學(xué)作用，包括硝化、反硝化以及植物吸收等[6]。地表水、地下水與濕地生態(tài)系統(tǒng)不斷發(fā)生交互作用，促進(jìn)了濕地系統(tǒng)內(nèi)部的物質(zhì)交換與能量傳輸，驅(qū)動(dòng)著營養(yǎng)組分和污染物的循環(huán)[7]。濕地潛流帶是地下水與濕地生態(tài)系統(tǒng)交互作用的主要地帶，也是氮發(fā)生硝化、反硝化、厭氧氨氧化、硝態(tài)氮異化成銨等的重要場(chǎng)所。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，濕地潛流帶因反硝化反應(yīng)所產(chǎn)生的N2 約占流域生態(tài)系統(tǒng)N2 總排放量的35%～50%，對(duì)自然界氮循環(huán)過程有著重要的影響[8]。

濕地潛流帶地下水中氮的存在形態(tài)受多種環(huán)境因素的控制，包括溫度（T）、土壤和水體的酸堿度（pH）、氧化還原電位（Eh）、地下水位（H）及埋深、溶解氧（DO）和可溶性有機(jī)碳（DOC）的含量等。其中，氧化還原環(huán)境的變化直接影響濕地生態(tài)系統(tǒng)中生物地球化學(xué)過程的進(jìn)程[9]。與此同時(shí)，濕地潛流帶地下水位頻繁的波動(dòng)，Eh 值也隨地下水位埋深在不斷發(fā)生變化，致使好氧與厭氧環(huán)境產(chǎn)生交替性的作用[10]，這也為好氧、厭氧或與二者兼容性的微生物提供了生存環(huán)境[11]。開展?jié)竦貪摿鲙У叵滤械剡w移轉(zhuǎn)化研究，對(duì)于濕地生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。