Machine learning-based prediction of nitrous oxide emissions from arable farming: Exploring management practices as predictor variables
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Notice bibliographique
Résumé
• Machine learning models for N 2 O emission prediction in arable farming were compared. • Random forest model exceled in weekly, Feedforward neural network in annual fluxes. • Management practice “days after hoeing” was most relevant predictor variable. • Further training is needed for large-scale application. Nitrous oxide emissions from agricultural activities significantly contribute to the global greenhouse gas balance, with approximately 60 % originating from agricultural soils, primarily due to nitrogen fertilizer application. Estimating these emissions from croplands for national reporting and mitigation strategies presents a complex challenge, considering the intricate interplay of meteorological factors, soil conditions, and management practices governing microbial processes such as nitrification and denitrification. Current estimation methods, including the 1 % IPCC approach and process-based models, face limitations due to incomplete process representation, parameter uncertainties, and complex initialization procedures. This study explores the potential of machine learning to improve the prediction of nitrous oxide emissions. We evaluated three machine learning algorithms (Random forest (RF), Extreme gradient boosting (XGBoost), and Feedforward neural network (FNN)) for their ability to predict weekly fluxes, peak flux, and annual emissions using data from a field study with seven different management treatments. A comprehensive set of predictor variables, including meteorological, soil, and management factors, was utilized. Cross-validation results demonstrate the superior performance of the RF model, achieving a root mean squared error of 8.51, surpassing the XGBoost model (9.28) and FNN model (9.08). Remarkably, analysis of cumulative emissions reveals that the FNN model, in particular, exhibits better predictive capability for annual trends compared to other models, with 72.5 % of predictions falling within the standard error range. The inclusion of agricultural management variables such as “Days after Hoeing” emerged as the dominant predictor, contributing to 40 % (RF)/55 % (XGBoost) of the prediction accuracy. These results demonstrate the potential of machine learning to become a robust, and time-efficient method for predicting N 2 O fluxes at different scales. Due to its potential generalizability, the large-scale application, e.g. for national greenhouse gas reporting, is envisioned. This requires further training with data from multiple locations with different site factors and land uses.
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Prédiction distillée sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.
Scores Codex et Gemma par catégorie
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,001 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
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score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle