Prediction heavy metals accumulation risk in rice using machine learning and mapping pollution risk

生物累积 环境科学 随机森林 水田 土壤污染 环境化学 土壤水分 土壤科学 农学 化学 机器学习 生物 计算机科学
作者
Bing Zhao,Wenxuan Zhu,Shefeng Hao,Hua Ming,Qiling Liao,Jing Yang,Ling Liu,Xueyuan Gu
出处
期刊:Journal of Hazardous Materials [Elsevier BV]
卷期号:448: 130879-130879 被引量:110
标识
DOI:10.1016/j.jhazmat.2023.130879
摘要

Rapid and accurate prediction of metal bioaccumulation in crops are important for assessing metal environmental risks. We aimed to incorporate machine learning modeling methods to predict heavy metal contents in rice crops and identify influencing factors. We conducted a field study in Jiangsu province, China, collecting 2123 pairs of soil-rice samples in a uniform measurement and using 10 machine learning algorithms to predict the uptake of Cd, Hg, As, and Pb in rice grain. The Extremely Randomized Tree model exhibited the best performance for rice-Cd and rice-Hg (Cd: R2 = 0.824; Hg: R2 = 0.626), while the Random Forest model performed best for As and Pb (As: R2 = 0.389; Pb: R2 = 0.325). The feature importance analysis showed that soil-Cd and pH had the highest impact on rice-Cd risk, which is in line with previous studies; while temperature and soil organic carbon were more important to rice-Hg than soil-Hg. Then, based on another set of 1867 uniformly distributed paddy soil samples in Jiangsu province, the Cd and Hg risks of soil and rice were visualized using the established models. Mapping result revealed an inconsistent pattern of hotspot distribution between soil-Hg and rice-Hg, i.e., a higher rice-Hg risk in the northern area, while higher soil-Hg in south. Our findings highlight the importance of temperature on Hg bioaccumulation risk to crops, which has often been overlooked in previous risk assessment processes.
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