Improved mapping of heavy metals in agricultural soils using machine learning augmented with spatial regionalization indices

土壤水分 随机森林 农业 支持向量机 多元插值 粮食安全 环境科学 空间生态学 空间变异性 农用地 预测建模 土壤科学 机器学习 计算机科学 地理 统计 数学 生态学 考古 生物 双线性插值
作者
Xudong Ma,Dong‐Xing Guan,ChaoSheng Zhang,Tao Yu,Cheng Li,Zhiliang Wu,Bo Li,Wenda Geng,Tiansheng Wu,Zhongfang Yang
出处
期刊:Journal of Hazardous Materials [Elsevier BV]
卷期号:478: 135407-135407 被引量:4
标识
DOI:10.1016/j.jhazmat.2024.135407
摘要

The accurate spatial mapping of heavy metal levels in agricultural soils is crucial for environmental management and food security. However, the inherent limitations of traditional interpolation methods and emerging machine-learning techniques restrict their spatial prediction accuracy. This study aimed to refine the spatial prediction of heavy metal distributions in Guangxi, China, by integrating machine learning models and spatial regionalization indices (SRIs). The results demonstrated that random forest (RF) models incorporating SRIs outperformed artificial neural network and support vector regression models, achieving R2 values exceeding 0.96 for eight heavy metals on the test data. Hierarchical clustering for feature selection further improved the model performance. The optimized RF models accurately predicted the heavy metal distributions in agricultural soils across the province, revealing higher levels in the central-western regions and lower levels in the north and south. Notably, the models identified that 25.78% of agricultural soils constitute hotspots with multiple co-occurring heavy metals, and over 6.41 million people are exposed to excessive soil heavy metal levels. Our findings provide valuable insights for the development of targeted strategies for soil pollution control and agricultural soil management to safeguard food security and public health.
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