Upscaling Soil Organic Carbon Measurements at the Continental Scale Using Multivariate Clustering Analysis and Machine Learning

表土 土壤碳 随机森林 聚类分析 多元统计 环境科学 土壤有机质 协变量 代表性启发 计算机科学 土壤科学 机器学习 统计 数学 土壤水分
作者
Zhuonan Wang,Jitendra Kumar,Samantha R. Weintraub,Katherine EO Todd-Brown,Umakant Mishra,Debjani Sihi
出处
期刊:Journal Of Geophysical Research: Biogeosciences [Wiley]
卷期号:129 (2) 被引量:1
标识
DOI:10.1029/2023jg007702
摘要

Abstract Estimates of soil organic carbon (SOC) stocks are essential for many environmental applications. However, significant inconsistencies exist in SOC stock estimates for the U.S. across current SOC maps. We propose a framework that combines unsupervised multivariate geographic clustering (MGC) and supervised Random Forests regression, improving SOC maps by capturing heterogeneous relationships with SOC drivers. We first used MGC to divide the U.S. into 20 SOC regions based on the similarity of covariates (soil biogeochemical, bioclimatic, biological, and physiographic variables). Subsequently, separate Random Forests models were trained for each SOC region, utilizing environmental covariates and SOC observations. Our estimated SOC stocks for the U.S. (52.6 ± 3.2 Pg for 0–30 cm and 108.3 ± 8.2 Pg for 0–100 cm depth) were within the range estimated by existing products like Harmonized World Soil Database, HWSD (46.7 Pg for 0–30 cm and 90.7 Pg for 0–100 cm depth) and SoilGrids 2.0 (45.7 Pg for 0–30 cm and 133.0 Pg for 0–100 cm depth). However, independent validation with soil profile data from the National Ecological Observatory Network showed that our approach ( R 2 = 0.51) outperformed the estimates obtained from Harmonized World Soil Database ( R 2 = 0.23) and SoilGrids 2.0 ( R 2 = 0.39) for the topsoil (0–30 cm). Uncertainty analysis (e.g., low representativeness and high coefficients of variation) identified regions requiring more measurements, such as Alaska and the deserts of the U.S. Southwest. Our approach effectively captures the heterogeneous relationships between widely available predictors and the current SOC baseline across regions, offering reliable SOC estimates at 1 km resolution for benchmarking Earth system models.
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