利用改進XGBoost 模型預測和分析濕地潛流帶地下水中硝態氮含量

摘 要：濕地潛流帶是地下水中氮循環的重要場所，以洞庭湖濕地潛流帶為研究對象，探討地下水中氮素遷移轉化影響因素與作用機制。在湘江入湖口濕地設置了4 個剖面共16 口監測孔，進行了為期一個水文年的地下水取樣與測試分析。研究選定的特征參數包括氧化還原電位（Eh）、溶解氧（DO）、水溫（T）、地下水位（H）及埋深、酸堿度（pH）以及溶解有機碳（DOC）等。利用XGBoost 方法建立機器學習模型，用于預測硝態氮的相對濃度，并通過貝葉斯優化（BO）、麻雀搜索算法（SSA）、粒子群算法（PSO）分別對XGBoost 預測模型進行超參數優化，得到最佳XGBoost 預測模型（BO-XGBoost）。在此基礎上，采用SHAP（SHapley Additive exPlanations）方法對BO-XGBoost 模型進行可解釋性分析。研究結果表明，BO-XGBoost 模型的性能最好，在訓練集與測試集的決定系數均超過0.90；可解釋性分析結果和相關分析都揭示了Eh、DO、T、H、pH 和DOC等影響因子對濕地潛流帶地下水中硝態氮含量的影響是逐漸降低的規律。

關鍵詞：濕地潛流帶；硝態氮；機器學習；XGBoost；SHAP

中圖分類號：P641 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1329（2024）02-0041-07

國土資源是自然資源、社會資源和經濟資源的總稱。對自然資源而言，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[1]。在濕地生態系統中，氮（N）扮演著非常重要的角色，它主要以無機和有機2種形態存在。氮在不同的環境中呈現出多種價態，是常量元素組分中最為復雜的一種。同時，氮也是生命體必需的營養元素，在細胞結構體內對核酸和蛋白質的生物合成起著重要的作用[2]。不同形態的氮受多種環境因素的影響，彼此之間可以發生相互轉化。無機氮和可溶性有機氮一旦進入水體后就會隨水流發生遷移[3]，在此過程中，由于受到物理、化學特別是生物因素等作用機制的影響[4]，使得氮在物質循環系統內部的轉化變得更加復雜。

濕地被認為是價值最高的生態系統，具有重要的生態服務功能[5]。與河流和湖泊相比，濕地有更強大的截留輸入氮的能力，并在濕地系統內部進行復雜的生物地球化學作用，包括硝化、反硝化以及植物吸收等[6]。地表水、地下水與濕地生態系統不斷發生交互作用，促進了濕地系統內部的物質交換與能量傳輸，驅動著營養組分和污染物的循環[7]。濕地潛流帶是地下水與濕地生態系統交互作用的主要地帶，也是氮發生硝化、反硝化、厭氧氨氧化、硝態氮異化成銨等的重要場所。據不完全統計，濕地潛流帶因反硝化反應所產生的N2 約占流域生態系統N2 總排放量的35%～50%，對自然界氮循環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受多種環境因素的控制，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）和可溶性有機碳（DOC）的含量等。其中，氧化還原環境的變化直接影響濕地生態系統中生物地球化學過程的進程[9]。與此同時，濕地潛流帶地下水位頻繁的波動，Eh 值也隨地下水位埋深在不斷發生變化，致使好氧與厭氧環境產生交替性的作用[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境[11]。開展濕地潛流帶地下水中氮素遷移轉化研究，對于濕地生態環境保護具有重要的理論價值和現實意義。