面向水氮管理的数字孪生枣树作物模型系统设计与仿真

来源：江苏农业科学杂志2025年第第5期北京时间：

作者：邹军;冯建中;王剑;白林燕;谢能付;陶鑫;薛原

单位：1.中国农业科学院农业信息研究所，北京100081； 2.中国科学院空天信息创新研究院，北京100094

摘要：为有效改善灌溉模式、节约水氮肥资源、降低或减弱不合理的水氮灌溉施用对环境的负面影响，针对我国西北干旱绿洲滴灌区的集约规模化红枣种植区，面向枣园水氮精细化管理的需要和作物生长与水氮灌溉施肥控制过程，运用数字孪生技术，开展田间水氮一体化按需灌溉施氮作业高效协同管控模式、数字孪生枣树作物生长模型系统关键技术及其应用研究，构建面向枣园水氮管理的数字孪生枣树作物模型系统框架体系和枣树生长数字孪生体模型，并利用改进优化的水氮需求模型、融合枣树DNDC模型的深度森林(gcForest)土壤水氮增强预测模型及基于响应式的PID(比例、积分和微分)控制模式，构建田间枣树生长水氮有效的调控方式。研发了具有包括实时监测、作物生长模拟、水氮控制与仿真等功能的枣树生长水氮管理数字孪生原型系统平台，并对孪生系统进行有效性验证和仿真示例及应用性分析与评价。结果表明，枣树生长数字孪生系统模拟的日均茎流速与实测值具有显著的一致性(rRMSE=028，R2=0.80)，能够较好地模拟土壤湿度(rRMSE=0.10，R2=0.92)、土壤含氮量(rRMSE=0.21，R2=0.95)的变化情况，孪生系统模拟综合精准度为80.33%。在满足枣树生长过程中对水氮需求的同时，高频次按需响应式灌溉施氮方案可节约19.21%用水量、23.95%用氮量。在开放式枣园生产环境中，该系统初步具备仿真模拟关键生育期田间枣树生长物理空间单元的水氮含量及其复杂变化的能力，可为枣树栽培过程中田间水氮的智慧精细化管理提供有效的决策性支持。

关键词：作物生长;水氮管理;数字孪生;作物模型;系统仿真;枣树