MétaCan
Menu
Retour à la cohorte
Enregistrement W4407881764 · doi:10.1016/j.ecolind.2025.113233

Machine learning-based prediction of nitrous oxide emissions from arable farming: Exploring management practices as predictor variables

2025· article· en· W4407881764 sur OpenAlexaff
Gregor Gnisia, Jan Weik, Reiner Ruser, Lisa Essich, Iris Lewandowski, Anthony Stein

Notice bibliographique

RevueEcological Indicators · 2025
Typearticle
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueAir Quality Monitoring and Forecasting
Établissements canadiensArtificial Intelligence in Medicine (Canada)
Organismes subventionnairesBundesministerium für Bildung und Forschung
Mots-clésArable landNitrous oxideAgricultureEnvironmental sciencePredictive modellingEnvironmental resource managementEcologyMachine learningComputer scienceBiology

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

• 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.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,002
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,002
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,015
Score d'incertitude au seuil0,030

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0020,002
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0010,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,001
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0010,000
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

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.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,044
Tête enseignante GPT0,275
Écart entre enseignants0,231 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_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

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations13
Publié2025
Routes d'admission1
Résumé présentoui

Explorer davantage

Même revueEcological IndicatorsMême sujetAir Quality Monitoring and ForecastingTravaux en français237 207