呼伦贝尔草原不同利用方式下表层土壤磷元素含量的高光谱反演

doi:10.11733/j.issn.1007-0435.2024.10.014

草地学报 ›› 2024, Vol. 32 ›› Issue (10): 3141-3150.DOI: 10.11733/j.issn.1007-0435.2024.10.014

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呼伦贝尔草原不同利用方式下表层土壤磷元素含量的高光谱反演

王萌韬¹, 贺晶¹, 布和², 刘禹¹, 刁兆岩³, 周雨静¹, 苏德荣¹

1. 北京林业大学草地资源与生态研究中心, 北京 100091;
2. 内蒙古呼伦贝尔市鄂温克族自治旗林业和草原局, 内蒙古呼伦贝尔 0211002;
3. 中国环境科学研究院, 北京 100012

收稿日期:2024-01-03 修回日期:2024-02-20 发布日期:2024-11-04
通讯作者: 贺晶,E-mail:hejing_606@163.com
作者简介:王萌韬(1999-)，男，汉族，陕西西安人，硕士研究生，主要从事草资源与生态研究，E-mail：w165403719@163.com
基金资助:
国家自然科学基金(32201335)资助

Hyperspectral Inversion of Phosphorus Content in Surface Soil under Different Utilization Modes in Hulunbuir Grassland

WANG Meng-tao¹, HE Jing¹, BU He², LIU Yu¹, DIAO Zhao-yan³, ZHOU Yu-jing¹, SU De-rong¹

1. Research Center of Grassland Ecology and Resources, Beijing Forestry University, Beijing 100091, China;
2. Forestry and Grassland Bureau of Ewenke Autonomous Banner, Hulunbeier City, Hulunbeier, Inner Mongolia 0211002, China;
3. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Received:2024-01-03 Revised:2024-02-20 Published:2024-11-04

摘要/Abstract

摘要： 磷是植物生长发育必需的营养元素，研究不同利用方式下草原土壤磷素的含量状况，是更好地开展草原保护修复工作的前提。本文以内蒙古辉河国家级自然保护区为研究区域，野外实地调查采集了三种不同利用方式(放牧、围封、刈割)共18个样地的表层(0~30 cm)土壤，室内测定了表层土壤的总磷和有效磷含量以及光谱数据。分析表明：围封地和刈割地总磷含量差异不显著，二者总磷含量均显著高于放牧地，而围封地有效磷含量显著高于放牧地和刈割地。通过偏最小二乘(Partial least-square method，PLSR)、随机森林(Randomforest，RF)和BP神经网络(Back propagation neural netwok，BPNN)三种模型对表层土壤磷含量进行高光谱反演表明：PLSR对三种利用方式下土壤磷素的反演稳定性最强，对总磷和有效磷反演的R²均大于0.90，RMSE值均小于16.00；RF次之，BP神经网络仅适用于刈割地的总磷和有效磷反演。研究结果以期此模型为草原区土壤磷含量动态监测提供基础支撑。

关键词: 呼伦贝尔草原, 利用方式, 高光谱, 表层土壤, 磷素含量

Abstract: Phosphorus is a necessary nutrient for the normal growth and development of plants. Studying the phosphorus content in grassland soil under different utilization methods is a prerequisite for better grassland protection and restoration. This article took the Huihe National Nature Reserve in Inner Mongolia as the research area. Field investigations were conducted to collect surface soil (0-30 cm) from 18 plots under three different utilization methods (grazing,enclosure,and cutting). The total phosphorus and available phosphorus content as well as spectral data of the surface soil were measured. The analysis showed that total phosphorus content was not significantly different between enclosure and cutting land,but was significantly higher in enclosure and cutting lands than in grazing land. Available phosphorus content was significantly higher in enclosure than in grazing and cutting lands. The hyperspectral inversion of total and available phosphorus content in surface soil using Partial least-square method(PLSR),Back propagation neural netwok (BPNN),and Randomforest (RF) models showed that the PLSR had high prediction accuracy for soil phosphorus under three different utilization methods,with R² values greater than 0.90 and RMSE values less than 16.00 for total and available phosphorus inversion;RF were in the middle of the pack in terms of predictive effectiveness. The BPNN only had a certain predictive effect for total and available phosphorus in cutting lands. The research results would provide basic support for soil monitoring in grassland areas.

Key words: Hulunbeier grassland, Utilization, Hyperspectral, Surface soil, Phosphorus content

中图分类号:

S812.8

王萌韬, 贺晶, 布和, 刘禹, 刁兆岩, 周雨静, 苏德荣. 呼伦贝尔草原不同利用方式下表层土壤磷元素含量的高光谱反演[J]. 草地学报, 2024, 32(10): 3141-3150.

WANG Meng-tao, HE Jing, BU He, LIU Yu, DIAO Zhao-yan, ZHOU Yu-jing, SU De-rong. Hyperspectral Inversion of Phosphorus Content in Surface Soil under Different Utilization Modes in Hulunbuir Grassland[J]. Acta Agrestia Sinica, 2024, 32(10): 3141-3150.

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参考文献

[1] 乌恩,夏庆梅,高娃. 内蒙古天然草地磷素营养问题及其解决途径[J]. 内蒙古草业，2006(3):4-7
[2] 卢晓霞,张卫青,王海茹,等. 放牧强度对内蒙古典型草原土壤磷素的影响[J]. 干旱区资源与环境,2022,36(5):153-159
[3] 任灵,袁子茹,陈建纲,等. 东祁连山不同利用方式下高寒草甸草原土壤养分特征[J]. 甘肃农业大学学报,2016,51(6):70-75
[4] 洪江涛,吴建波,王小丹. 放牧和围封对藏北高寒草原紫花针茅群落生物量分配及碳、氮、磷储量的影响[J]. 草业科学,2015,32(11):1878-1886
[5] 李强,宋彦涛,周道玮,等. 围封和放牧对退化盐碱草地土壤碳、氮、磷储量的影响[J]. 草业科学,2014,31(10):1811-1819
[6] 董晓玉,傅华,李旭东,等. 放牧与围封对黄土高原典型草原植物生物量及其碳氮磷贮量的影响[J]. 草业学报,2010,19(2):175-182
[7] 袁淑雅,贺晶,苏德荣. 降水格局变化和放牧对草地土壤磷转化影响的研究进展[J]. 草地学报,2024,32(1):25-36
[8] 秦丽萍,罗天旭,冯兆林,等. 不同利用方式天然草原土壤肥力研究[J]. 安徽农业科学,2023,51(10):46-49
[9] 王德平,宋倩,刘忠宽,等. 草地利用方式对呼伦贝尔草地微生物群落结构的影响[J]. 草业科学,2022,39(3):421-430
[10] WANG Z R,LI F R,LIU L L,et al. Changes in soil phosphorus fractions under different land uses in desert grasslands in northwestern China[J]. European Journal of Soil Science,2022,73(3):e13255
[11] 李港,孔亚聪,代元帅,等. 基于野外原位光谱的棉田耕层土壤全氮含量监测模型研究[J]. 干旱地区农业研究,2023,41(6):273-280
[12] 金秀,朱先志,李绍稳,等. 基于梯度提升树的土壤速效磷高光谱回归预测方法[J]. 激光与光电子学进展,2019,56(13):141-150
[13] 杨爱霞,丁建丽,李艳红,等. 基于可见-近红外光谱变量选择的荒漠土壤全磷含量估测研究[J].光谱学与光谱分析,2016,36(3):691-696
[14] 国佳欣,朱青,赵小敏,等. 不同土地利用类型下土壤有机碳含量的高光谱反演[J]. 应用生态学报,2020,31(3):863-871
[15] 刘彦姝,潘勇. 基于SVR算法的林地土壤氮含量高光谱测定[J]. 生态科学,2013,32(1):84-89
[16] 乌仁苏都,苏亚拉,包翔. 不同草场利用方式下土壤养分性状变化的对比研究[J]. 内蒙古林业科技,2012,38(2):33-35
[17] 侯广利,李雪莹,邱慧敏,等. 土壤磷形态的反射光谱特征及其光谱建模[J]. 山东科学,2021,34(1):82-88
[18] 郭志新,梁亮,何见. 一种林地土壤氮磷钾含量快速测定的新方法[J]. 中国农学通报,2011,27(2):61-65
[19] LI X F,FAN P P,LIU Y,et al. Prediction results of different modeling methods in soil nutrient concentrations based on spectral technology[J]. Journal of Applied Spectroscopy,2019,86(4):765-770
[20] TAN B H,YOU W H,TIAN S H,et al. Soil nitrogen content detection based on near-infrared spectroscopy[J]. Sensors,2022,22(20):8013
[21] NIE L C,DOU Z G,CUI L J,et al. Hyperspectral inversion of soil carbon and nutrient contents in the yellow river delta wetland[J]. Diversity-Basel,2022,14(10):862
[22] 向晓黎,马小宁,魏向利,等. 土壤全磷测定方法要点分析[J]. 农业灾害研究,2015,5(5):30-31
[23] 杨俐苹,白由路,王磊,等. 基于常规土壤有效磷(Olsen法)分析的高效测试技术研究[J]. 中国土壤与肥料,2011(3):87-91
[24] 牛芳鹏,李新国,麦麦提吐尔逊·艾则孜,等. 基于连续投影算法的博斯腾湖西岸湖滨绿洲土壤有机碳含量的高光谱估算[J]. 浙江大学学报(农业与生命科学版),2021,47(5):673-682
[25] 第五鹏瑶,卞希慧,王姿方,等. 光谱预处理方法选择研究[J]. 光谱学与光谱分析,2019,39(9):2800-2806
[26] 田丽梅,陈菲,林炎丽等. 近红外光谱检测燕麦饲草青贮营养品质研究[J]. 草地学报,2023,31(12):3841-3850
[27] ODUOR C O,KARANJA N K,ONWONGA R N,et al. Ehancing soil organic carbon,particulate organic carbon and microbial in semi-arid rangeland using pasture enclosures[J]. BMC Ecology,2018,18(45):1-9
[28] 陈建博,李秀璋,徐成体等. 青海省冬虫夏草采挖区与非采挖区土壤生态化学计量特征[J]. 草地学报,2023,31(4):1134-1142
[29] 李香真,陈佐忠. 不同放牧率对草原植物与土壤C、N、P含量的影响[J]. 草地学报,1998(2):90-98
[30] 李亚娟,曹广民,龙瑞军.青海省海北州不同草地利用方式土壤基本理化性状研究[J]. 草地学报,2012,6(20):1039-1050
[31] 李耀,卫智军,刘红梅,等. 不同放牧制度对典型草原土壤中全磷和速效磷的影响[J]. 内蒙古草业,2010,22(1):4-6
[32] MAO Z X,WANG Y C,LI Q,et al. Deep mowing rather than fire restrains grassland Miscanthus growth via affecting soil nutrient loss and microbial community redistribution[J]. Frontiers in Plant Science,2022,13:1105718
[33] CHEN L L,WANG K X,BAOYIN T,et al. Effects of grazing and mowing on vertical distribution of soil nutrients and their stoichiometry (C∶N∶P) in a semi-arid grassland of North China[J]. Catena,2021,206:105507
[34] 戎郁萍,韩建国,王培,等. 放牧强度对草地土壤理化性质的影响[J]. 中国草地,2001(4):42-48
[35] YANG X X,DONG Q M,CHU H,et al. Different responses of soil element contents and their stoichiometry (C∶N∶P) to yak grazing and Tibetan sheep grazing in an alpine grassland on the eastern Qinghai-Tibetan Plateau’[J]. Agriculture Ecosystems & Environment,2019,285:106628
[36] 陈鹏飞,刘良云,王纪华,等. 近红外光谱技术实时测定土壤中总氮及磷含量的初步研究[J]. 光谱学与光谱分析,2008,28(2):295-298
[37] 蒋烨林,王让会,李焱,等. 艾比湖流域不同土地覆盖类型土壤养分高光谱反演模型研究[J]. 中国生态农业学报,2016,24(11):1555-1564
[38] 郭鹏,赵阳,孙子皓,等. 基于CARS-PLSR算法的土壤有效磷高光谱反演研究[J]. 中国农业信息,2023,35(1):55-66
[39] 左雪燕,崔丽娟,李伟,等. 基于高光谱数据的互花米草叶片功能性状反演[J]. 生态学报,2021,41(15):6159-6169
[40] 齐海军,李绍稳,KARNIELI ARNON,等. 基于PLS-BPNN算法的土壤速效磷高光谱回归预测方法[J]. 农业机械学报,2018,49(2):166-172
[41] JIANG C L,ZHAO J Y,LI G R,et al. Integration of Vis-NIR spectroscopy and machine learning techniques to predict eight soil parameters in alpine regions[J]. Agronomy-Basel,2023,13(11):2816
[42] 王薪宇. 基于高光谱数据的土壤速氮含量反演模型比较[J]. 测绘与空间地理信息,2023,46(3):201-204(责任编辑付宸)第32卷第10期 Vol.32 No. 10草地学报 ACTAAGRESTIASINICA 2024年 10月

呼伦贝尔草原不同利用方式下表层土壤磷元素含量的高光谱反演

Hyperspectral Inversion of Phosphorus Content in Surface Soil under Different Utilization Modes in Hulunbuir Grassland

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[1]	李娟, 杨满元, 杨宁. 紫色土丘陵恢复区不同土地利用方式土壤质量综合评价[J]. 草地学报, 2024, 32(9): 2875-2883.
[2]	孙煜焱, 董建军, 王秀梅. 基于ASD地物光谱仪反演锡林郭勒典型草原地上生物量模型研究[J]. 草地学报, 2024, 32(7): 2234-2244.
[3]	亓慧敏, 陈昂, 杨秀春. 基于无人机高光谱的内蒙古天然牧草氮磷钾含量的反演[J]. 草地学报, 2024, 32(5): 1500-1512.
[4]	丁子健, 蒋师丞, 任百慧, 白龙, 秦嗣军, 李佳欢. 土地利用方式对低山丘陵区土壤理化性质及微生物群落的影响[J]. 草地学报, 2024, 32(2): 426-435.
[5]	周雨静, 贺晶, 王雪松, 靳三玲, 马普, 关伟涛, 苏德荣. 呼伦贝尔草原不同利用方式下土壤盐分分布特征[J]. 草地学报, 2024, 32(2): 470-479.
[6]	康萨如拉, 韩国栋, 赵萌莉, 张霞, 张灿浩, 刘仰乔. 放牧背景下短花针茅荒漠草原研究进展[J]. 草地学报, 2023, 31(12): 3587-3596.
[7]	张晓馥, 白雪, 张起迪, 李淑芬, 韩冰, 赵鸿彬. 禁牧对内蒙古克氏针茅草原表层土壤细菌群落结构的影响[J]. 草地学报, 2023, 31(11): 3376-3383.
[8]	童新, 杨震雷, 张亦然, 吴宇辰, 段利民. 基于不同阶微分高光谱植被指数的牧区草场地上生物量估算[J]. 草地学报, 2022, 30(9): 2438-2448.
[9]	侯林秀, 张斌, 孙浩宇, 徐智超, 王永慧, 温璐, 王立新. 围封、放牧、刈割对内蒙古典型草原土壤线虫群落的影响[J]. 草地学报, 2022, 30(7): 1738-1747.
[10]	郑佳华, 赵萌莉, 王琪, 张峰, 张彬, 张军. 不同利用方式对大针茅草原生态系统多功能性的影响[J]. 草地学报, 2022, 30(5): 1054-1062.
[11]	郭丽珠, 吕进英, 王堃, 范希峰, 黄顶, 武菊英. 不同草地利用方式对河北坝上天然草地植物群落特征的影响[J]. 草地学报, 2022, 30(1): 245-252.
[12]	曲艳, 宋倩, 杨合龙, 赵坤, 赵敏, 刘玉玲, 王德平, 戎郁萍. 呼伦贝尔草原不同利用方式对土壤微生物群落结构的影响[J]. 草地学报, 2021, 29(8): 1621-1627.
[13]	高宏元, 侯蒙京, 葛静, 包旭莹, 李元春, 刘洁, 冯琦胜, 梁天刚, 贺金生, 钱大文. 基于随机森林的高寒草地地上生物量高光谱估算[J]. 草地学报, 2021, 29(8): 1757-1768.
[14]	靳三玲, 郑志荣, 刁兆岩, 王旭, 马普, 吕世海. 呼伦贝尔草原辉河湿地表层土壤盐分分布特征[J]. 草地学报, 2021, 29(4): 749-756.
[15]	庄媛, 闫瑞瑞, 熊军波, 刘洋, 陈亚男, 杨培志, 呼天明, 辛晓平. 三种土地利用方式下南方高山土壤温室气体通量特征及其影响因子研究[J]. 草地学报, 2021, 29(10): 2294-2302.