Vorhersage der SOC-Bestände auf der Grundlage räumlicher und zeitlicher Variationen der Bodeneigenschaften unter Verwendung der partiellen Regression der kleinsten Quadrate

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7949 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die globale Erwärmung ist ein weitreichendes Problem und die Speicherung von Kohlenstoff im Boden ist die natürliche Lösung auf lokaler Ebene. Die Rolle des Bodens als Kohlenstoffsenke wurde ausführlich erforscht, aber das Wissen über die Rolle von Bodenvariablen bei der Vorhersage der Kohlenstoffaufnahme und -speicherung im Boden ist rar. Die aktuelle Studie prognostiziert SOC-Bestände im Mutterboden der Region Islamabad-Rawalpindi, wobei die Bodeneigenschaften als erklärende Variablen berücksichtigt werden und das partielle Regressionsmodell der kleinsten Quadrate auf Datensätze zweier unterschiedlicher Jahreszeiten angewendet wird. Proben aus den Partnerstädten Islamabad und Rawalpindi wurden auf Bodenfarbe, Textur, Feuchtigkeitsgehalt, SOM, Schüttdichte, Boden-pH, EC, SOC, Sulfate, Nitrate, Phosphate, Fluoride, Kalzium, Magnesium, Natrium, Kalium, und Schwermetalle (Nickel, Chrom, Cadmium, Kupfer und Mangan) durch Anwendung von Standardprotokollen. Anschließend wurde PLSR zur Vorhersage der SOC-Bestände angewendet. Die aktuellen SOC-Bestände lagen zwar zwischen 2,4 und 42,5 Mg/Hektar, doch die Ergebnisse von PLSR prognostizierten, dass sich die SOC-Bestände in der Region wahrscheinlich auf etwa 10 Mg/Hektar konzentrieren würden, wenn die Bodenvariablen unverändert blieben. Die Studie identifizierte auch die Bedeutung der Variablen für die Datensätze beider Jahreszeiten, sodass verrauschte Variablen in den Datensätzen in zukünftigen Untersuchungen ausgeschlossen werden konnten und präzise und genaue Schätzungen vorgenommen werden konnten.

Auf globaler Ebene besteht ein spürbar wachsendes Interesse an einer besseren Bewirtschaftung des organischen Kohlenstoffs im Boden, nicht nur zur Bewältigung der Probleme der Ernährungssicherheit, sondern auch zur Bewältigung des Klimawandels. Zu den wichtigsten Initiativen, die sich mit diesem Problem befassen, gehören die 4p1000-Initiative, REDD+ und das Global Assessment of SOC Sequestration Potential Program (GSOCseq)1,2,3.

Der Boden gilt als die größte aller Senken zur Bindung des atmosphärischen Kohlenstoffs. Sie enthalten doppelt so viel Kohlenstoff wie die Landvegetation4,5. Der Boden enthält Kohlenstoffgehalt in Form von organischem Bodenkohlenstoff (mit Ausnahme von kalkhaltigen Böden)6,7. Die Aufnahme von Kohlenstoff im Boden, allgemein als Kohlenstoffsequestrierung bezeichnet, erfolgt entweder direkt, wenn CO2 durch bestimmte anorganische chemische Reaktionen in anorganische Verbindungen wie Calcium- und Magnesiumcarbonate umgewandelt wird8; Oder es tritt indirekt auf, wenn die Biomasse abgebaut wird und in Form organischer Verbindungen Teil des Bodensystems wird, was allgemein als organische Bodensubstanz bezeichnet wird, die aus organischem Bodenkohlenstoff zusammen mit anderen organischen Substanzen wie Humus besteht9. Die meisten strukturellen und funktionellen Aspekte des Bodensystems wie Feuchtigkeitsspeicherung, Komplexbildung mit den Metallionen und die Kationenaustauschkapazität der Böden hängen vom organischen Kohlenstoff des Bodens ab10,11. Die Auswirkungen von SOC auf den Boden sind jedoch nicht unidirektional. Die Bodeneigenschaften beeinflussen auch die Aufnahme, Qualität, Verteilung und Verweildauer von SOC, abhängig von verschiedenen externen und internen Faktoren wie der Landnutzungskategorie und saisonalen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen12,13.

Die Aufnahme und Speicherung von atmosphärischem Kohlenstoff im Boden ist ein komplexes Phänomen. An diesem komplizierten Prozess sind mehrere Variablen beteiligt, die zu allen Bereichen (Atmosphäre, Biosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre) des Ökosystems gehören14,15.

Innerhalb des Bodenregimes hängen die räumlichen und zeitlichen Veränderungen der organischen Kohlenstoffvorräte im Boden stark von den inhärenten Eigenschaften des Bodens ab. Allerdings sind die Statistiken zur Verteilung der Vorräte an organischem Kohlenstoff (SOC) im Boden in den Bodenprofilen im Verhältnis zu den Bodenvariablen kaum ausreichend.

Die folgenden Untersuchungen liefern ein ganzheitliches Bild verschiedener Variablen, die die SOC-Bestände in den obersten Böden der Region Islamabad-Rawalpindi beeinflussen.

Für die vorliegende Forschung wurden 204 Proben (einschließlich Feldreplikate) aus dem Oberboden (0–30 cm) der Region Islamabad und Rawalpindi entnommen. Die atmosphärische Temperatur und Höhe wurden vor Ort zusammen mit den GPS-Messungen aufgezeichnet und die Bodeneigenschaften im Labor der Fatima Jinnah Women-Universität bewertet. Um die räumliche Variation zu untersuchen, wurden die Proben aus drei verschiedenen Landnutzungstypen entnommen, nämlich landwirtschaftlichen Feldern, städtischen Flächen (öffentliche Parks) und Waldgebieten in der Region Islamabad und Rawalpindi. Um die zeitliche Veränderung zu beurteilen, wurden die Proben in zwei Jahreszeiten, nämlich Sommer und Winter, gesammelt. Die Proben wurden auf physikalische Bodenvariablen wie Bodenfarbe analysiert, die anhand der Munsell-Bodenfarbkarte16,17 beurteilt wurde; Bodenbeschaffenheit, die mit der Hydrometermethode17 beurteilt wurde; Bodenfeuchtigkeitsgehalt, der mithilfe der Trocknungsverlustmethode17 berechnet wurde; organische Substanz, die durch den Verlust bei der Zündtechnik18,19 bewertet wurde, und die Schüttdichte des Bodens, die mithilfe der konformen Hohlraummethode20 bewertet wurde. Auch chemische Parameter wurden mithilfe von Standardprotokollen analysiert. pH- und EC-Wert wurden mit dem tragbaren Multimeter-Kit Crison MM4017 gemessen. Der organische Kohlenstoff im Boden wurde mit der modifizierten Walky- und Black-Methode21 bewertet; Bodensulfate, Nitrate und Phosphate wurden mittels UV/VIS-Spektrophotometrie analysiert17; Fluoride wurden mit einer ionenselektiven Elektrode22 bestimmt. Natrium- und Kaliumionen wurden mittels Flammenphotometrie analysiert und der Calciumgehalt, Magnesiumgehalt und Schwermetalle wie Nickel, Chrom, Cadmium, Kupfer und Mangan wurden mittels Atomabsorptionsspektrophotometrie beurteilt17.

Anschließend wurden die Proben einer statistischen Analyse unterzogen. Das partielle statistische Modell der kleinsten Quadratregression wurde auf die Datensätze beider Jahreszeiten (Sommer und Winter) angewendet. Diese prädiktiven Statistiken wurden über XLStat erstellt. Genauer gesagt wurde in den beiden Datensätzen ein partielles Regressionsmodell der kleinsten Quadrate angewendet, um die SOC-Bestände der Böden der Region auf der Grundlage der oben genannten unabhängigen Variablen sowie der aktuellen SOC-Bestände in der obersten Bodenschicht vorherzusagen. PLSR wurde separat auf die Datensätze der beiden Saisons angewendet, um die einzigartigen Variablen zu identifizieren, die sich auf die Daten der jeweiligen Saisons auswirken.

Es wurden mehrere Untersuchungen zur Schätzung des Niveaus, der Qualität und des Verteilungsmusters der SOC-Bestände auf der ganzen Welt durchgeführt23,24,25. Es liegen jedoch nur wenige Daten zu den Faktoren vor, die diese Bestände verändern. In jüngster Zeit gilt die Bewirtschaftung des organischen Kohlenstoffs im Boden als eines der wichtigsten und effizient nutzbaren Instrumente zur Bekämpfung der steigenden Treibhausgasemissionen (insbesondere der Kohlenstoffemissionen). Es gibt eine Reihe von Faktoren, die die Aufnahme, Speicherung und Variabilität des Verhaltens von organischem Kohlenstoff im Boden bestimmen14. Neben anderen Kontrollfaktoren wie klimatischen Bedingungen, hydrologischem Regime, Biomasseeintrag und Landnutzungsvariationen ist das Bodenregime die einzige wichtige Einheit/System, die die SOC-Aufnahme und -Speicherung nachhaltig beeinflusst. Bodenvariablen als Einheit können als einer der bedeutendsten und entscheidendsten Faktoren für die Verbesserung oder Rückläufigkeit des gesamten Prozesses der Kohlenstoffaufnahme und -erhaltung angesehen werden.

Die Verfügbarkeit umfassender Kenntnisse über die Auswirkungen von Bodenvariablen auf die SOC-Bestände ist zweifellos eine entscheidende Voraussetzung für die Erhöhung der Kohlenstoffsequestrierungsrate in einem bestimmten Gebiet.

Die partielle Regression der kleinsten Quadrate ist ein prädiktives statistisches Modell, das die abhängige Variable auf der Grundlage einer oder mehrerer unabhängiger Variablen projiziert. In der vorliegenden Forschung wurden die aktuellen Bodeneigenschaften als unabhängige Variablen und die SOC-Bestände als abhängige Variable berücksichtigt. Auf der Grundlage der gesamten Sommerdatenverteilung wurde das eine Datum, nämlich S23, als Validierungsdatensatz ausgewählt. Die zusammenfassenden Statistiken des Sommer- und Winterdatensatzes sowie der jeweiligen Validierungsdatensätze sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt. Während der Sommersaison lag der SOC-Bestand im Oberboden des Untersuchungsgebiets zwischen 2,352 Mg/Hektar und 42,453 Mg/Hektar mit einem Mittelwert von 11,131 und einer Standardabweichung von 7,391.

Auf der Grundlage der erklärenden Datensätze jeder Saison wurden die SOC-Bestandsprognosen erstellt. Die detaillierten Datensätze zusammen mit den standardisierten Residuen für jede Jahreszeit, dh Sommer und Winter, sind in den Tabellen 3 bzw. 4 aufgeführt. Bei den meisten Beobachtungen wurde festgestellt, dass die vorhergesagten SOC-Bestandswerte niedriger waren als die aktuellen SOC-Bestandswerte.

Die Dynamik der SOM-Akkumulation und -Stabilisierung unterscheidet sich je nach Bodentyp27. Neben anderen bestimmenden Faktoren wie Klima, Mikrobiota und Vegetationstypen; Die pedogenen Prozesse regulieren nicht nur die Speicherung von SOM, sondern sagen auch das Verhalten von SOM langfristig voraus. Die inhärenten Struktureigenschaften des Bodens wie seine Textur und Schüttdichte bestimmen, wie SOM in verschiedenen Bodenhorizonten erhalten bleibt. In ähnlicher Weise bestimmen andere Bodenbildungsprozesse, d. h. die Ablagerung und Entfernung von Nährstoffen (Einflutung und Eluviation), wie SOM sowohl kurz- als auch langfristig auf mineralischen Oberflächen adsorbiert wird28. Darüber hinaus bestimmen auch die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Bodens die Beständigkeit und Stabilität von OBS.

Die aktuelle Forschung diskutiert diese Bodenbildungsprozesse wie die angeborenen physikalisch-chemischen Eigenschaften und die Nährstoffdefizite (Nitrat- und Sulfatdefizite) in den alkalischen Böden von Islamabad und Rawalpindi im Hinblick auf wichtige Variablen.

Den Ergebnissen des Sommerdatensatzes PLSR zufolge waren die wichtigsten Variablen, die sich auf den gesamten Sommerdatensatz auswirken, die Schüttdichte, der organische Kohlenstoff im Boden, Kalziumionen, der EC-Wert des Bodens und die Nitratwerte im Boden, wie in Abb. 1a dargestellt. Während die wichtigsten Variablen, die in der Wintersaison eine Schlüsselrolle spielten, organischer Kohlenstoff im Boden, Nickelkonzentrationen, Feuchtigkeitsgehalt des Bodens, Phosphatgehalt, Kaliumionen, Boden-EC und Bodennitrate waren, wie in Abb. 1b dargestellt. Die standardisierten Koeffizienten unabhängiger Variablen gegenüber dem SOC-Bestand als abhängige Variable für die Sommersaison und die Wintersaison sind in Abb. 1c, d dargestellt.

(a) Variable Bedeutung bei der Projektion des Sommerdatensatzes. (b) Variable Bedeutung bei der Projektion des Winterdatensatzes. (c) SOC-Bestand/standardisierte Koeffizienten für den Sommerdatensatz. (d) SOC-Bestand/standardisierte Koeffizienten für den Winterdatensatz.

Unter den in der Sommersaison gesammelten Proben hatte eine große Anzahl von Proben, nämlich 77 %, einen Schüttdichtewert von weniger als 2 g/cm3. Und im Winterdatensatz lag ein großer Prozentsatz, nämlich 82 %, der gesamten Daten im Bereich von 1 g/cm3 bis 2 g/cm3. Diese Werte stimmen auch mit der verfügbaren Literatur der Region, dh Islamabad und Rawalpindi, überein29,30,31. Sie können daher als die vorherrschenden Schüttdichtewerte in der Region angesehen werden.

Der Bereich der Schüttdichte im Untersuchungsgebiet weist auf ein Potenzial für eine erhöhte SOC-Retention hin. Die Schüttdichte besteht naturgemäß aus Lufträumen und der OBS. In den Böden mit sandiger Struktur, wie z. B. sandigem Lehm des Untersuchungsgebiets, behindern Schüttdichtewerte über 1,7 g/cm3 das natürliche Wurzelwachstum, wohingegen dieser Wert in Böden mit feiner Struktur weiter auf 1,5 g/cm332,33 absinkt. Im Hinblick auf die Kohlenstoffspeicherung gelten Schüttdichtewerte unter 1,3 g/cm3 als gut, Werte über 1,8 g/cm3 hingegen als sehr schlecht32. Neben der Bodenbeschaffenheit führt auch die Nährstoffkonzentration zu höheren Werten der Schüttdichte. Chaudhari et al. berichteten über negative Beziehungen der Bodenschüttdichte mit Bodensilikaten, Bodencalciumkarbonat und dem gesamten Mikro- und Makronährstoffgehalt34. Daher sollten die Böden von Islamabad und Rawalpindi bewirtschaftet werden, um die Schüttdichte zu senken.

In den Böden von Islamabad und Rawalpindi lag der organische Kohlenstoffgehalt im Boden in beiden Jahreszeiten überwiegend zwischen 0,16 und 0,25 %. Die meisten Bodenproben hatten einen SOC-Prozentsatz von weniger als 0,25 %. Rund 47 % der Proben im Sommerdatensatz und 45 % im Winterdatensatz wiesen einen SOC-Wert zwischen 0,16 % und 0,25 % auf.

SOC-Werte unter 2 % deuten darauf hin, dass der Boden hinsichtlich seiner Strukturstabilität von schlechter Qualität ist35. Auch im landwirtschaftlichen Kriterium gelten Böden mit einem SOC-Wert von weniger als 2 % allgemein als diejenigen, bei denen die Wahrscheinlichkeit größer ist, dass sie sich in Bezug auf Produktivität und Ertrag verschlechtern36. Im Trockenlandanbausystem führt nicht einmal die Direktsaat allein zu einem Anstieg des SOC-Prozentsatzes37,38,39. Der mit den Trockenaggregaten verbundene Kohlenstoff ist der wichtigste SOC-Vorrat, der in den semiariden Böden Pakistans gespeichert ist40. Um diese zu erhöhen, sollte der Schwerpunkt daher auf umfassendere Bodenbewirtschaftungsstrategien wie integriertes Nährstoffmanagement und geplante Bepflanzung verlagert werden.

Die meisten Proben (57 % im Sommer und 35 % im Winter) lagen in beiden Jahreszeiten im Bereich von 1000 ppm bis 1500 ppm Kalziumgehalt. Die verfügbaren Forschungsergebnisse unterstützen auch die Datenbereiche41. Im Vergleich zum Calciumcarbonatgehalt spielt das austauschbare Calcium eine wichtige Rolle beim Schutz des SOC. Bei Vorhandensein ausreichender Nährstoffe, insbesondere organischer Zusatzstoffe in Form von Kompost, wird das Calciumcarbonat jedoch leicht in austauschbares Calcium umgewandelt. Diese Veränderung innerhalb der Böden einer Region kann den Prozess der Bildung von Organo-Kalzium-Komplexen weiter verstärken und somit eine Schlüsselrolle bei der langfristigen Erhaltung des organischen Kohlenstoffs im Boden spielen42,43,44.

In beiden Jahreszeiten wiesen die meisten Proben eine Nitratkonzentration von weniger als 3 ppm auf. Im Sommersaison-Datensatz lag ein Großteil der Proben, nämlich 71 %, zwischen 0 und 3 ppm. Während der Wintersaison wiesen 88 % der Proben einen Nitratgehalt von weniger als 1 ppm auf. Im Winterdatensatz nahm die Anzahl der Proben mit steigendem Nitratgehalt kontinuierlich ab. Shaheen, 2016, beschrieb auch, dass die Böden der Region Rawalpindi einen Nitratmangel aufwiesen. Die möglichen Gründe für diesen Mangel könnten Auswaschung aufgrund der grobstrukturierten Böden45 der Region und Verflüchtigung46 aufgrund des alkalischen pH-Werts der Böden sowie der steigenden Temperaturen47,48,49 sein.

Die für die Pflanzen verfügbare Mindestnitratkonzentration im Boden beträgt 10 ppm (Vorpflanzungssaison) bis 30 ppm (Wachstumssaison)50. Während die Böden Pakistans einen Nitratmangel aufweisen51,52.

Aufgrund seiner hohen Mobilität wird das Nitration nicht an der Kationenaustauschstelle im Boden adsorbiert. Daher geht es leicht verloren, insbesondere auf kalkhaltigen Böden wie denen Pakistans53,54. Dieser Verlust wirkt sich nicht nur auf die Qualität des Bodens aus, sondern führt auch zu wirtschaftlichen Verlusten in Bezug auf die jährliche Ernteproduktion55,56,57. Die Stickstoffnutzungseffizienz im pakistanischen Landwirtschaftssystem liegt selten über 40 %. Der größte Teil (etwa 22–53 %) des zugesetzten Stickstoffgehalts geht in Form von Ammoniak verloren, da der Boden alkalisch ist und die Temperatur steigt. Weitere Faktoren, die zu dieser Verflüchtigung beitragen, sind niedriger Feuchtigkeitsgehalt und Salzgehalt. Diese Verflüchtigung kann durch gute Bodenbewirtschaftungspraktiken um bis zu 80 % kontrolliert werden52.

Der Phosphatgehalt lag für beide Jahreszeiten überwiegend zwischen 5 und 100 ppm. Der Sommerdatensatz konzentrierte sich hauptsächlich auf Werte zwischen 5,1 ppm und 10 ppm, wobei 61 % der Proben aus den gesamten Daten stammten. Und in der Wintersaison lag ein Großteil der Proben, nämlich 61 %, zwischen 0,1 ppm und 15 ppm. Die Phosphatkonzentrationsbereiche stimmten auch mit den verfügbaren Studien der Region überein58,59.

Gemäß den MSLN-Richtlinien (Minimum Levels for Sustainable Nutrition) liegt der Phosphatbereich in gesünderen Böden zwischen 7 ppm und 50 ppm. Daher sind die Phosphatwerte in den Böden von Islamabad und Rawalpindi zufriedenstellend60,61.

Der Nickelgehalt in den Datensätzen beider Saisons lag unter 6 ppm. Im Sommerdatensatz lagen etwa 80 % der Proben im Bereich von 3,1 ppm bis 6 ppm. In der Wintersaison lag der höchste Prozentsatz der Proben, nämlich 35 %, im Bereich von 5,1 ppm bis 6 ppm. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie lagen nahe an den von Ashraf et al. berichteten Nickelkonzentrationen. 2019 für die Studienregion62.

Das Vorhandensein von Nickelionen ist für die organische Substanz des Bodens von entscheidender Bedeutung. In alkalischen Böden mit pH-Werten über 8 führt die Bildung des Ni-Calcit-Komplexes zum Schutz der organischen Substanz63,64. In einer kürzlich durchgeführten In-situ-Untersuchung wurden Nickel-Nanopartikel verwendet, um den Mineralisierungsprozess von CO2 zu verbessern, indem Solen verwendet wurden, um das unreine Kohlendioxid dauerhaft in Carbonate zu binden65. Allerdings wurde die Rolle von Ni bei der Sequestrierung in Ex-situ-Umgebungen in letzter Zeit nicht eingehend untersucht. Im Jahr 1979 wurden Untersuchungen durchgeführt, um die Rolle von Nickel als Oxid in Sandböden verschiedener pH-Bereiche bei der Kohlenstoffmineralisierung zu bewerten. Diese Untersuchung kam zu dem Schluss, dass die Mineralisierung mit zunehmender Nickelkonzentration abnahm, jedoch war das Ausmaß dieser Mineralisierung bei ihrem höchsten pH-Wert des Bodens, d. h. 7,6, nicht das gleiche wie das der Böden mit niedrigerem pH-Wert66. Daher besteht möglicherweise eine Forschungslücke, die hinsichtlich der Rolle von Nickel bei der Kohlenstoffbindung geschlossen werden muss.

Der Kaliumgehalt lag bei der Mehrzahl der Proben (d. h. 67 %) in der Sommersaison im Bereich von 1 ppm bis 55 ppm. Rund 22 % der Proben lagen im Konzentrationsbereich von 56 ppm bis 110 ppm. Im Winterdatensatz lagen 75 % der Proben im Bereich von 1 ppm bis 40 ppm. Die Anzahl der Proben nahm mit zunehmender Kaliumkonzentration in beiden Jahreszeiten ab. Der Datenbereich stimmt auch mit der verfügbaren Literatur überein41,67,68,69. Der Kaliumgehalt ist in den Böden der meisten pakistanischen Regionen überwiegend hoch, einschließlich der Region Pothwar, deren Muttergestein Glimmer enthält70. Die alkalischen Böden mit hohen Natrium- und Kaliumwerten sollten mit salzarmem Wasser bewässert werden71. Die anderen Bodenfaktoren, die mit der Regulierung von Kaliumionen verbunden sind, sind der Ladungsausgleich und die Regulierung der enzymatischen Aktivität innerhalb der mikrobiellen Population des Bodens sowie der höheren Pflanzen72,73. Es beeinflusst auch den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens, indem es die osmotische Aufnahme in Pflanzen reguliert, und spielt somit indirekt eine wichtige Rolle bei der Kohlenstoffspeicherung im Boden74,75.

Die aktuellen SOC-Bestandswerte und die vorhergesagten SOC-Bestandswerte für beide Jahreszeiten sind in Abb. 2 dargestellt. Im ersten Schritt von PLSR wurden die SOC-Bestände gegen die standardisierten Residuen aufgetragen. Obwohl der obere Bereich des SOC-Bestands im Sommer bei etwa 40 Mg/Hektar lag, was mit der für die Region verfügbaren Literatur übereinstimmt76, lagen die meisten Werte des aktuellen SOC-Bestands im Sommerdatensatz unter 20 Mg/Hektar und im Winterdatensatz unter 10 Mg/Hektar wie in Abb. 2a,d gezeigt. Anschließend wurden auf der Grundlage der standardisierten Restwerte die SOC-Vorhersagen erstellt, die in Abb. 2b, e für die Sommer- und Wintersaison dargestellt sind. Dem PLSR-Ergebnis zufolge lag die Konzentration der meisten vorhergesagten SOC-Bestandswerte bei etwa 10 Mg/Hektar, wie in Abb. 2c,f für die Sommer- bzw. Wintersaison-Datensätze dargestellt.

(a) SOC-Bestand/standardisierte Restmengen Sommersaison. (b) Prognostizierter SOC-Bestand/standardisierte Residuen der Sommersaison. (c) Prognostizierter SOC-Bestand – Aktueller SOC-Bestand in der Sommersaison. (d) SOC-Bestand/standardisierte Reststoffe Wintersaison. (e) Vorhergesagter SOC-Bestand/standardisierte Restmengen für die Wintersaison. (f) Prognostizierter SOC-Bestand – Aktueller SOC-Bestand in der Wintersaison.

Die wahrscheinlichsten Hauptgründe (in Bezug auf die Bodeneigenschaften) für solch niedrige SOC-Bestandswerte könnten die höheren Schüttdichtewerte und niedrigen Nitratkonzentrationen sein, wie in der variablen Bedeutung dargestellt (Abb. 1a, b).

Die Ergebnisse der Ausreißeranalyse sind in Abb. 3 dargestellt. Die Distanz-zu-Modell-Werte (DMoD) für den Sommer- und Winterdatensatz betrugen 1,368 für die erklärende Variable, wie in Abb. 3a, c dargestellt. Und der DMoD für die abhängige Variable, dh den SOC-Bestand, betrug 1,510 für den Sommerdatensatz (Abb. 3b) und 1,518 für den Winterdatensatz (Abb. 3d).

(a) Ausreißeranalyse der Beobachtungen auf der Grundlage einer erklärenden Variablen, z. B. Bodeneigenschaften in der Sommersaison. (b) Ausreißeranalyse der Beobachtungen auf der Grundlage abhängiger Variablen, z. B. SOC-Bestände in der Sommersaison. (c) Ausreißeranalyse der Beobachtungen auf der Grundlage einer erklärenden Variablen, z. B. Bodeneigenschaften im Winter. (d) Ausreißeranalyse der Beobachtungen auf der Grundlage abhängiger Variablen, z. B. SOC-Bestände in der Wintersaison.

Aus den Ergebnissen der partiellen Regression der kleinsten Quadrate lässt sich schließen, dass sich die SOC-Bestände des Mutterbodens in der Region Islamabad und Rawalpindi wahrscheinlich weiter verschlechtern werden, wenn der aktuelle Zustand der Bodenvariablen unverändert anhält. Wenn jedoch die Variablen, die in den Datensätzen beider Saisons als am wichtigsten identifiziert wurden (z. B. Schüttdichte, Nitratgehalt im Boden und Feuchtigkeitsgehalt), auf regionaler Ebene verwaltet werden, würde sich der SOC-Bestand wahrscheinlich verbessern und könnte somit eine wichtige Rolle bei der Abschwächung der Auswirkungen spielen des Klimawandels, insbesondere der Erwärmung dieser Region.

Einige der Empfehlungen zur Verbesserung der Kohlenstoffvorräte in alkalischen Böden von Islamabad und Rawalpindi lauten wie folgt.

Um die Kohlenstoffvorräte im Boden zu erhöhen, können integrierte Nährstoffmanagementansätze angewendet werden.

Die alkalischen Böden der Region sollten mit salzarmem Wasser bewässert werden, um ihre Alkalität auf natürliche Weise zu optimieren.

Die grobstrukturierten, alkalischen Böden von Islamabad und Rawalpindi weisen einen Mangel an Nitrat auf. Dieser Mangel kann direkt auf die abnehmenden Kohlenstoffvorräte im Boden zurückgeführt werden. Daher muss der Nitratgehalt des Bodens gesteuert werden, um die aktuellen Kohlenstoffvorräte im Boden zu verbessern.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Autoren danken der Fatima Jinnah Women University, Rawalpindi. Pakistan für die Bereitstellung der Laboreinrichtungen.

Abteilung für Umweltwissenschaften, Fatima Jinnah Women University, Rawalpindi, 46000, Pakistan

Jawaria Usman & Shaheen Begum

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JU konzipierte die aktuelle Forschung, führte die erforderlichen Feldarbeiten, Laboranalysen und statistischen Analysen durch, verfasste den Haupttext des Manuskripts und bereitete alle Zahlen und Grafiken für das vorliegende Manuskript vor. Und SB überwachte die gesamte Recherche in allen Phasen von der Ideenfindung bis zur Manuskripterstellung.

Korrespondenz mit Shaheen Begum.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Usman, J., Begum, S. Vorhersage der SOC-Bestände auf der Grundlage räumlicher und zeitlicher Variationen der Bodeneigenschaften unter Verwendung der partiellen Regression der kleinsten Quadrate. Sci Rep 13, 7949 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34607-9

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Eingegangen: 16. Februar 2023

Angenommen: 04. Mai 2023

Veröffentlicht: 16. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34607-9

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