【文献分享学习】基于贝叶斯网络的土壤功能空间评价与权衡分析
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原名：Spatial evaluation and trade-off analysis of soil functions through Bayesian networks
译名：基于贝叶斯网络的土壤功能空间评价与权衡分析
原文地址：https://doi.org/10.1111/ejss.13039
发表期刊：European Journal of Soil Science
发表年份：2021年
通讯作者：Dirk Vrebos
通讯作者单位：Department of Biology, University of Antwerp
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亮点
①当增加土壤功能时，在不同的条件下，权衡是如何影响其他功能的？
②贝叶斯网络评估土壤功能之间的权衡，并估计它们的最大传递。
③最大限度地发挥土壤功能对其他功能有不同的影响，这取决于土壤、气候和管理。
④不同的权衡使得一些地点更适合于增加土壤功能。
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文章简介
人们日益认识到土壤对社会具有许多功能。每种土壤都能提供一系列的功能，但由于其固有的特性，有些土壤在某些功能上比其他的土壤更有效。在这项研究中，我们在整个欧盟的农田上绘制了四种不同的土壤功能图。针对每种土壤功能，制定了评价其性能的指标。为了计算指标和评价土壤功能之间的相互依赖关系，利用DayCent模型的大陆长期模拟数据建立了作物专用贝叶斯网络。然后利用这些贝叶斯网络计算土壤功能在当前条件下的性能和土壤功能之间的权衡。对于每个土壤功能，整个欧洲联盟估计了最大潜力，并评估了权衡中的变化。通过从贝叶斯网络中推导出土壤功能传递的现状和潜力，可以更好地理解不同土壤功能及其相互依赖在土壤、气候和管理上的差异。
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研究方法
① DayCent数据集
DayCent是世纪生物地球化学模型的每日时间步长版本，它模拟了大气、植被和土壤中碳(C)和氮(N)的通量。它包含了广泛的子模型，包括按层划分的土壤含水量和温度、植物生产和净初级生产力(NPP)的分配等。总共从DayCent模拟结果中得出了14项指标，以描述四种土壤功能的不同方面。
②贝叶斯网络开发
贝叶斯网络是一种概率图形模型，它通过有向无环图表示多个变量及其条件依赖关系。为了开发BNS，从DayCent数据集导出的数据表中的每个解释变量和土壤功能指标都被离散为五个类，使用Jenks自然断裂分类方法。定义类间隔的方法是设法最小化每个类与类均值的平均偏差，同时最大化每个类与其他组的均值的偏差，从而减少类内方差，增加多幅地图的可比性。
③空间分析
虽然DayCent数据集包含大量样本点和相关的解释变量组合，但Lucas数据点并不涵盖土壤、环境和管理类的所有可能组合。对于这些组合，作物BNS不能给出土壤功能的直接估计。对于这些不存在的组合的位置，丢失的具有最小预测能力的输入参数被迭代删除，直到在BN中找到一个现有的组合。对于每个土壤功能指标，每个状态的概率都是从更新的BN中推导出来的。然后，通过将这些概率与各自状态的平均值相乘，将这些信息转换为单个映射，并将它们相加到每个像素的一个整体值。通过应用相同的作物BN和当前土壤功能制图中的大部分空间信息，实现了每个像素的土壤功能最大化。关于管理实践的信息并没有应用于英国国民，而是留给英国国民去寻找最佳做法。对于每个土壤功能指标，采用迭代的方法，在BN中寻找最大的土壤功能性能。为此，创建了一个包含可能的概率组合的列表，其中编译了具有0.1步的五种状态的所有组合：(1，0，0，0，0，0)，(0.9，0.1，0，0，0)，(0.8，0.1，0.1，0，0，0)，…对每种组合，计算平均土壤功能值=∑(状态概率×状态均值)，然后从土壤功能值最高到最低。每个组合都按照连续顺序在BN中进行测试，直到概率组合满足以下条件。
④统计
为了更好地理解不同尺度(与欧盟相比较小的环境区)不同土壤功能之间的关系，随机抽取了土壤功能分布图和平均值(n=200,000)。该数据集在Shapiro-Wilk测试之后进行了正常测试，并在必要时按照公式对参数进行了转换。
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研究结果
对于这15种作物中的每一种，都建立了一个独特的贝叶斯网络。现有数据点的数量因作物之间的差异而不同，因为某些数据点发生的频率更高，或分布在更大的在一个BN中选择的解释变量数在11到18个变量之间。数据表中的所有21个解释变量都是在至少一个贝叶斯网络中选择的。虽然解释变量之间不允许连接，但每个BN都包含了土壤功能变量之间的几个联系。
提供的土壤功能在农田和草原之间的大小不同。农田具有较高的初级生产力，养分循环和水净化。由于它们吸收了更多的营养，在适当的管理下，它们会更有效地循环和去除氮。草原具有较高的气候调节能力和较强的抗旱能力。土壤功能之间的Pearson相关性差异很大。没有一项土壤功能指标与所有其他土壤功能呈正相关或负相关。初级生产力仅与养分循环呈正相关。水净化与其他5种土壤功能中的4种有显著的正相关关系。尽管这些相关性的强度不同，但它们都给出了一个总体统计意义显著的结果。
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研究结论
土壤功能的供给因土壤、环境和管理的不同而各不相同，单个土壤功能的最大化突出了对其他土壤功能的不同影响模式。总的来说，改变有利于一种土壤功能通常会在许多情况下产生负面影响。在这项研究中，文章开发了一种机制，可以支持更综合的政策设计，以减少出现权衡的可能性。