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JIA | 基于多元线性回归和随机森林的东北地区氮素利用率统计分析

养分专家 农业科学微平台 2022-12-26
近期，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所植物营养团队在Journal of Integrative Agriculture (《农业科学学报》(英文)，JIA) 2022年12期正式发表了题为“Statistical analysis of nitrogen use efficiency in Northeast China using multiple linear regression and Random Forest”的研究论文。



了解作物氮素利用率的时空变化以及与解释性环境变量的关系可以为土地利用管理和决策提供支持。然而，统计模型在评估作物氮素利用率时空变化的解释变量方面仍有待研究。本文采用逐步多元线性回归和随机森林评价了1990-2015年东北地区县域水平氮素利用率指标（即氮素偏生产力和偏因子养分平衡）的时空变化。其中解释变量包括农业管理措施、地形、气候、经济、土壤和作物类型等。



研究结果表明：（1）1990-2015年东北地区氮素偏生产力北部高，中部低（图1），而偏因子养分平衡呈从南向北逐渐增加的趋势（图2）；（2）多数县的氮素利用率指标随时间呈降低趋势（图3）；（3）逐步多元线性回归和随机森林模型的效率系数分别为偏生产力0.44和0.84、偏因子养分平衡0.67和0.89（图4），且交叉验证结果表明模型未过度拟合（表1）；（4）与逐步多元线性回归模型相比，随机森林模型中土壤和气候因子的相对重要性较高，作物因子较低（图5）；（5）蔬菜和豆类的播种面积指数、土壤粘粒含量、饱和水含量、11-12月份增强植被指数、土壤容重、年均最小温度是主要的解释变量（图5）。


图1 1990-2015年东北地区县域氮素偏生产力的空间分布。（A）1990-2015，（B）1990-1995，（C）1996-2000；（D）2001-2006；（E）2006-2010和（F）2011-2015。HLJ，黑龙江；JL，吉林；LN，辽宁。


图2 1990-2015年东北地区县域氮素偏因子养分平衡的空间分布。（A）1990-2015，（B）1990-1995，（C）1996-2000；（D）2001-2006；（E）2006-2010和（F）2011-2015。HLJ，黑龙江；JL，吉林；LN，辽宁。


图3 1990-2015年东北地区15县氮素偏生产力（A）和偏因子平衡（B）的时间变化。红绿蓝分别代表黑龙江（HLJ）、吉林（JL）和辽宁（LN）。每个省份选出播种面积最大的五个县。


图4 氮素偏生产力（A和B是逐步多元线性回归模型；C和D是随机森林模型）和偏因子养分平衡（E和F是逐步多元线性回归模型；G和H是随机森林模型）观测和预测值的散点图和内核密度图。虚线为内核密度图的均值，观测和预测变量的均值相同。


图5 氮素偏生产力（A为多元线性回归模型的relweights方法；B和C分别为随机森林模型的均方差和节点纯净度方法）和偏因子养分平衡（D为多元线性回归模型的relweights方法；E和F分别为随机森林模型的均方差和节点纯净度方法）的解释变量相对重要性。


表1 逐步多元线性回归和随机森林的模型性能和交叉验证



文章第一作者为博士生刘迎夏，何萍研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（31972515）、现代农业产业技术体系（CARS–09-P31）的资金支持，同时该生在读期间获得国家留学基金委的资助（201903250115）。


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‍https://doi.org/‍10.‍1‍016/j.jia.2‍022‍.‍0‍8‍‍.054

Cite the article:

LIU Ying-xia, Gerard B. M. HEUVELINK, Zhanguo BAI, HE Ping, JIANG Rong, HUANG Shao-hui, XU Xin-peng. 2022. Statistical analysis of nitrogen use efficiency in Northeast China using multiple linear regression and Random Forest. Journal of Integrative Agriculture, 21(12): 3637-3657.



Journal of Integrative Agriculture (《农业科学学报》(英文), JIA) 由中华人民共和国农业农村部主管，中国农业科学院与中国农学会主办，中国农业科学院农业信息研究所承办。综合性英文学术期刊，月刊。创刊于2002年，现任主编为中国工程院院士、中国农业科学院副院长王汉中。JIA主要栏目有作物科学、园艺、植物保护、动物科学、动物医学、农业生态环境、食品科学、农业经济与管理等。刊稿类型有综述、研究论文、简报以及评述等。全部论文在Elsevier-ScienceDirect (SD) 平台OA出版。最新SCI影响因子4.384，位于SCI-JCR农业综合学科Q1区。2022中科院分区农林科学Q1区。2016年以来先后获得中国科协等部委 “提升计划”“登峰计划”“卓越计划”项目支持。

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