面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法及系统

本发明涉及机器学习，具体涉及面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法及系统。

背景技术：

1、旱地冬小麦是我国北方地区，尤其是黄土高原地区的重要粮食作物。氮肥施用是保障旱地冬小麦产量形成的核心农业措施。然而，由于旱地降水年际波动大、土壤供氮能力不稳定，农户为追求高产并降低干旱年份减产风险，通常采用较高的氮肥施用量，部分地区农户氮肥施用量明显超过冬小麦当季实际养分需求。长期过量施氮不仅难以持续提高产量，还会导致氮肥利用率降低、生产成本增加和土壤氮素盈余，造成收获后土壤硝态氮大量残留，增加硝态氮向深层土壤迁移及淋失的风险，不利于农业绿色可持续发展。

2、现有旱地冬小麦氮肥推荐方法主要包括经验施肥、测土配方施肥、目标产量法、养分平衡法以及专家系统或智能模型推荐等。经验施肥主要依赖农户习惯，缺乏对土壤供氮能力和作物实际需氮量的准确判断；测土配方施肥需要进行深层土壤采样和养分测定，操作复杂、检测成本较高；目标产量法和养分平衡法涉及目标产量、土壤供氮量、肥料利用率、残留氮量等多个参数，受降水和地力影响较大；专家系统和智能模型对长期定位数据和模型参数依赖较强，基层农户应用门槛较高。

3、上述方法均存在测定频次高、参数获取难、计算过程复杂、推广适应性不足等问题。此外，现有方法缺乏对土壤无机氮动态变化的持续监测与预测偏差的自适应校正机制，难以根据实际监测数据与模型预测之间的偏差动态调整预测策略，导致追肥建议的准确性和时效性不足。因此，亟需一种能够以稳定期氮素基准值为基础，结合动态监测与模型自适应校正的旱地冬小麦施氮管理方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中深层测土操作复杂成本高、推荐参数多计算繁琐、缺乏基于稳定期氮素基准值的简化推荐机制，以及缺乏对土壤无机氮动态变化与预测偏差的自适应校正能力的技术问题，提供面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法及系统。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，包括：

4、在目标麦田连续实施优化施肥管理，直至冬小麦产量和收获后土壤硝态氮残留量趋于稳定，判定旱地冬小麦-土壤系统进入稳定期，并将进入稳定期后的首个收获季测得的土壤硝态氮残留量作为氮素基准值；

5、获取当前监测节点的土壤无机氮含量实测值，并获取通过水氮耦合预测模型计算的当前监测节点的土壤无机氮含量预测值，计算所述土壤无机氮含量实测值与所述土壤无机氮含量预测值的差值，作为氮素偏差量；

6、根据所述氮素偏差量的偏差幅度、所述氮素偏差量相对于上一监测节点的偏差变化趋势，以及所述氮素偏差量与相邻田块平均偏差的偏差差异度，确定氮素偏差模式；

7、根据所述氮素偏差模式计算偏差活跃度，根据所述偏差活跃度调整所述水氮耦合预测模型的历史数据滑窗宽度，其中，所述偏差活跃度与滑窗宽度呈负相关；

8、根据调整后的滑窗宽度更新所述水氮耦合预测模型，预测下一水氮管理阶段结束时的土壤无机氮含量，并根据预测结果生成追肥补偿指令。

9、第二方面，本发明提供了面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理系统，包括：

10、基准建立模块，用于在目标麦田连续实施优化施肥管理，直至冬小麦产量和收获后土壤硝态氮残留量趋于稳定，判定旱地冬小麦-土壤系统进入稳定期，并将进入稳定期后的首个收获季测得的土壤硝态氮残留量作为氮素基准值；

11、偏差计算模块，用于获取当前监测节点的土壤无机氮含量实测值，并获取通过水氮耦合预测模型计算的当前监测节点的土壤无机氮含量预测值，计算所述土壤无机氮含量实测值与所述土壤无机氮含量预测值的差值，作为氮素偏差量；

12、模式确定模块，用于根据所述氮素偏差量的偏差幅度、所述氮素偏差量相对于上一监测节点的偏差变化趋势，以及所述氮素偏差量与相邻田块平均偏差的偏差差异度，确定氮素偏差模式；

13、滑窗调整模块，用于根据所述氮素偏差模式计算偏差活跃度，根据所述偏差活跃度调整所述水氮耦合预测模型的历史数据滑窗宽度，其中，所述偏差活跃度与滑窗宽度呈负相关；

14、补偿生成模块，用于根据调整后的滑窗宽度更新所述水氮耦合预测模型，预测下一水氮管理阶段结束时的土壤无机氮含量，并根据预测结果生成追肥补偿指令。

15、本发明的有益效果是：

16、相较于现有技术，本发明首先通过在目标麦田连续实施优化施肥管理，使冬小麦产量和收获后土壤硝态氮残留量趋于稳定，将进入稳定期后的首个收获季测得的土壤硝态氮残留量作为氮素基准值，为后续动态监测与追肥决策建立了稳定的土壤供氮基准，避免了每年重复进行深层测土和复杂养分平衡计算。

17、其次，通过获取当前监测节点的土壤无机氮含量实测值与水氮耦合预测模型输出的预测值，计算两者的差值作为氮素偏差量，实现了对土壤无机氮动态变化的实时感知，为偏差模式的识别提供了量化依据。再次，根据氮素偏差量的偏差幅度、偏差变化趋势以及与相邻田块平均偏差的偏差差异度三个维度确定氮素偏差模式，从多角度综合刻画当前田块氮素状况的偏离特征，使偏差模式的判定更加准确和全面。然后，根据氮素偏差模式计算偏差活跃度，依据偏差活跃度自适应调整水氮耦合预测模型的历史数据滑窗宽度，偏差活跃度与滑窗宽度呈负相关，使模型在氮素波动剧烈时采用较短的滑窗以快速响应变化，在氮素平稳时采用较长的滑窗以充分利用历史数据，实现了模型预测策略的自适应优化。

18、最后，根据调整后的滑窗宽度更新水氮耦合预测模型并预测下一阶段的土壤无机氮含量，根据预测结果生成追肥补偿指令，实现了从偏差感知到模型自适应再到追肥决策的闭环管理。本发明解决了现有技术中深层测土操作复杂成本高、缺乏稳定期简化推荐机制，以及缺乏对土壤无机氮动态变化与预测偏差自适应校正能力的技术问题。

1.面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，其特征在于，在目标麦田连续实施优化施肥管理，直至冬小麦产量和收获后土壤硝态氮残留量趋于稳定，并将进入稳定期后的首个收获季测得的土壤硝态氮残留量作为氮素基准值，包括：

3.根据权利要求1所述的面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，其特征在于，获取当前监测节点的土壤无机氮含量实测值，包括：

4.根据权利要求1所述的面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，其特征在于，获取通过水氮耦合预测模型计算的当前监测节点的土壤无机氮含量预测值，包括：

5.根据权利要求1所述的面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，其特征在于，根据所述氮素偏差量的偏差幅度、所述氮素偏差量相对于上一监测节点的偏差变化趋势，以及所述氮素偏差量与相邻田块平均偏差的偏差差异度，确定氮素偏差模式，包括：

6.根据权利要求1所述的面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，其特征在于，还包括：

7.根据权利要求6所述的面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，其特征在于，还包括：

8.根据权利要求7所述的面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，其特征在于，根据所述偏差活跃度调整所述水氮耦合预测模型的历史数据滑窗宽度，包括：

9.根据权利要求1所述的面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，其特征在于，根据调整后的滑窗宽度更新所述水氮耦合预测模型，预测下一水氮管理阶段结束时的土壤无机氮含量，并根据预测结果生成追肥补偿指令，包括：

10.面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理系统，其特征在于，用于执行权利要求1至9任一项所述的面向旱地冬小麦氮肥利用率提升的施氮管理方法，包括：