用AI促进农田氨减排，专访《自然》文章背后的中国团队

用AI促进农田氨减排，专访《自然》文章背后的中国团队

AI技术的应用，有望改变第一产业。

1月31日，《自然》学术期刊在其最新更新中刊登了一项中国团队的研究。由香港科技大学领导的一支国际研究团队的AI模型发现，如果世界各国用AI来优化施肥的管理——例如调整施肥时间、使用特定的肥料以及实施适当的种植和耕作方法等——那么可以将水稻、小麦和玉米释放的氨气减少38%。

虽然氨并非温室气体，但进入土壤或大气后，它会形成一氧化二氮等化合物，成为强效温室气体，引致气候变化。各类农业及工业活动释放的氨会污染空气和水质，也会影响生态环境及人类健康。公开资料显示，水稻、小麦和玉米释放的氨气，已占全球农田氨排放总量的一半。

降低农作物的氨排放量（ammonia），势在必行。

自然网站截图

不过，目前全球缺乏准确的数据统计，世界各国也很难实施适合本国国情的有效减排策略。

这项刊登在《自然》上的研究，或许将给人们带来一些启发。

据港科大网站报道，项目团队利用AI和有关数据研发了一个能预测农田氨排放率的机器学习模型，分析气候、土壤特征、农作物种类，灌溉、施肥及耕作等因素对氨排放的影响。该模型能按不同地区的情况，提供最合适的施肥管理方针。

例如，研究发现，由于温度最影响亚洲地区小麦种植产生的氨排放量，面对全球变暖带来的影响，76%位于亚洲的小麦田，可通过施用高效肥（enhanced-efficiency fertilizers）去降低氨排放量。

研究发现，减低氨排放在中国等亚洲地区大有可为。数据显示，亚洲地区有最高的缓减潜力，其次则为北美及欧洲。据研究预测，全球农田氨排放总量于2030-2060年的30年间将增长约4%至5.5%，这意味即使只发挥少部分优化施肥管理的缓减潜力，就能有效缓解氨排放的增长。

该研究是国内外多家高校团结合作的结果。

据港科大网站，香港科技大学理学院数学系兼跨学科学院环境及可持续发展学部讲座教授冯志雄，联同南方科技大学教授郑一，领导团队收集并分析全球不同地区横跨1985年至2022年的田间观测数据，制成了支持该研究的数据库。此外，团队成员还包括天津大学、北京大学、康奈尔大学等单位的学者。

农业氨排放问题长期存在的根源在哪？AI技术是如何和农业结合，逐步引入降低氨排放应用实践的？和国外相比，中国农业“氨减排”的挑战和机遇在哪里……对于这一系列问题，香港科技大学冯志雄教授向观察者网进行了进一步解答。

观察者网：冯教授好！在传统农业生产模式中，氨排放问题棘手的根源在哪？

冯志雄：在氮素投入不断增加的趋势下实现农田氨减排，是全球可持续发展亟待解决的难题之一。由于人口及其食物需求的持续增长，2050年全球农田施肥的总氮投入预计将比2010年增加46%。农田氨排放长期以来存在的问题包括排放基数难以准确估算，各地减排路径不明确以及部分减排措施成本较高等。

我们认为造成这些问题的主要原因之一是氨排放率与作物类型，人为管理因素，土壤和气候条件存在着复杂的非线性关系。就是说在同一个地方，不同的作物种植和管理方式可能带来不同的氨排放；同一种作物和管理方式在不同的地方也可能带来不同的氨排放。

解决这一问题需要各地区因地制宜地开展减排实践，寻找在不影响作物产量的同时，减少农业污染物排放的有效办法。

观察者网：AI技术的引入解决了哪些环节的难题？能否结合例子谈谈，未来有哪些应用空间？

冯志雄：正如刚才所说，对氨排放率与各种人为和自然因素存在的非线性关系的处理是目前的一大难题。AI技术的引入可以较好地处理这一问题。为此，我们研究团队收集整理了来自全球超过2700条点的氨排放率田间观测数据，并用这一数据集建立了一个估算模型。

结果表明，输入气候条件、土壤属性、作物类型、施肥特征、耕作方式等信息，可在全球范围准确估算农田氨气的排放率。也就是说如果你可以告诉这个模型当地的一些特征，比如说当地的温度和土壤类型，再结合你使用的肥料种类等信息，模型就可以给你估算出一个本地化的氨排放率，这为各个地区实现精细化的农田管理提供了可能性。

观察者网：在大多数场景下，中国农业有着完全不同于欧美大农场的生产模式。这种“非大农场型农业”，是否存在相关技术的落地空间？后续我们如何用低成本的途径，来实现这些技术的普惠化？能否结合中国乃至东亚的实际情况来谈一谈。

冯志雄：我们研究中考虑到的管理手段，多数是被现有研究广泛证实有效的。比如有机农业和保护性农业措施，这些措施在东亚被广泛提及。东亚的这种农业特征优势在于其减排潜力巨大，我们的研究也表明亚洲拥有最大的农田氨减排潜力。但其劣势在于机械化和规模化程度不及欧美，相关技术落地成本较高。

关于这些措施是否能够低成本落地目前来看还是需要各地政府针对当地的情况，提供适当补贴，制定相关助推政策，提升农业规模化程度。实际上，东亚地区也一直都有推行相关政策以实现农田规模化管理。比如我国2017年颁布的《关于加快发展农业生产性服务业的指导意见》，就指出“通过土地流转扩大土地经营规模，是提高农业劳动生产率，实现农业规模经营的一条重要途径。”

此类政策也体现出东亚在推进可持续农业方面做出的努力。

观察者网：与国外相比，我们在技术路径和减排前景上有哪些不同之处？

冯志雄：我们的模型能按不同地区的情况，据“最合适的施肥管理方针”给出建议。比如针对小麦田的氨减排，全世界约61%的麦田，施用高效肥有机会达到最优的减排效果——而这一比例在中国是75%。模型输出的国内外最优减排方针的差异，可以为不同地区因地制宜制定相关减排实践提供有效的参考依据。

同时也应该注意到，国外部分地区如北美洲和欧洲，农业现代化程度已较高，减排潜力较为有限。而国内部分地区目前仍存在较高的减排潜力，相关技术的应用潜力巨大。

资料来源：《自然》网站、港科大网站、采访（未经本人审订）等

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