智慧农业 | 农业碳减排技术与全球变暖

虽然新冠肺炎疫情使全球二氧化碳排放量减少了5.4%，但环境污染依然在2021年恢复到疫情前的水平。为什么会发生这种情况？各国政府一结束封锁，出行人数的增加再次导致空气污染加剧。

大气中二氧化碳、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）的积累仍然是气候变化的主要原因。农业部门可能受到全球变暖的影响最大。气候条件的变化、干旱和严重的高温会影响农业产量与品质。但事实上，农业生产本身也导致了全球变暖。最新的数据表明，农业排放了全球温室气体的四分之一。

农场上的风力涡轮机有助于作物生长

在接下来的30年里，全球人口预计还会增加。到2050年，人口可能会增长到97亿，而现在只有80亿。这意味着对农业生产的需求不断增加。这也意味着温室气体排放量也将持续增长。到2050年，农业排放量预计将比2020年增加15%至20%。

农业排放了全球四分之一的温室气体

农业温室气体排放有多种不同的来源。它们通常分为两种类型：室内和室外。

农业占全球甲烷排放量的45%和一氧化二氮排放量的80%。这两种气体在推动全球变暖方面都比二氧化碳更强。

室外温室气体排放来源：

1. 闪电（降雨）固定的氮和豆类中的固氮细菌

2. 向牧草、作物施肥

3. 牧草、作物和树木吸收的氮

4. 尿素肥料挥发释放的一氧化二氮

5. 反硝化作用释放的一氧化二氮

6. 化肥径流和渗漏造成的氮损失以及土壤中的硝化过程

7. 通过植物腐烂以及土壤中的昆虫和微生物活动释放的二氧化碳

8. 燃烧化石燃料生产电力和燃料释放的二氧化碳

9. 动植物通过呼吸释放的二氧化碳

10. 树木、牧草和作物通过光合作用吸收的碳

11. 动物通过吃植物来消耗碳

12. 有机残留物（如枯叶、根、粪肥和尿液）吸收到土壤中的碳

13. 牲畜在消化过程中通过碳和氢之间的化学反应在瘤胃（前胃）内产生甲烷（CH4）

14. 反刍动物消化后牛和羊打嗝释放的甲烷

15. 厌氧（无氧）条件下动物粪便和尿液发酵释放的少量甲烷

农业的室内排放量是多少？

事实上户外气体排放并不是农业中唯一的空气污染源。一些室内活动也会产生温室气体排放，例如：

1、作物室内种植

2、产品加工、包装

3、电气设备操作

室内种植同样消耗大量能源

从大气中捕获温室气体已被证明是解决温室气体排放问题的可靠方法。碳固存是捕获和储存碳的过程。对于农业来说，将碳封存在土壤中还有额外的好处，因为碳可以促进植物生长，减少对肥料的需求，并提高土壤保水性。以下是提升农业碳汇的方法：

1、免耕或保护性耕作

2、提升农场植被覆盖

3、农业废弃物发酵堆肥

4、牲畜分区轮牧

5、种植高效固碳作物和覆盖作物

免耕播种可提升农业碳汇

种植者可以获得碳汇的信贷，并在特殊的碳市场上出售。这些信贷的购买者通常是需要实现可持续发展目标的公司。

一个碳市场由许多不同的参与者组成，不单单是种植者。首先有最终买家，即那些旨在实现特定排放目标的公司，他们的目标最好是实现净零排放。然后是负责标准化的组织。他们证明某个项目是否符合规定的排放量。碳市场还涉及温室气体量化和碳监测、报告和认证（MVR）公司。交易的另一方是银行、基金、经纪人和碳信用交换平台。交易的更多应用是银行、对冲基金、经纪人和碳信用交换平台。

农业低碳机制

减少温室气体排放的另一种方法是遵循可持续农业的原则。将它们应用于农业实践可以节省资源并将对环境的影响降至最低。

根据联合国粮食及农业组织（粮农组织）的说法，有五项可持续性原则。首先强调了农业系统效率和生产力的重要性。

1、提高粮食系统的生产力、就业和增值

2、改善收入，促进经济包容性增长

3、加强自然资源利用与保护

4、增强人民、社区和生态系统的复原力

5、调整管理适应新的挑战

提高粮食系统的生产力、就业和增值：农业企业必须改变目前的做法以提高生产力。然而，这种转变应该在限制农业用地扩张的同时进行。效率和生产力不仅与产量有关，还与资源的高效使用有关。

加强自然资源利用与保护：粮食生产的可持续性取决于资源的可持续性。为了减少对环境的负面影响，农民应该保护他们的自然资源并保持生物多样性。

改善收入，促进经济包容性增长：农业应提供完善的就业条件。任何从事农业的人都必须能够在经济和身体安全和健康的环境。

增强人民、社区和生态系统的复原力：复原力原则涉及自然和人的两个方面。面对全球变暖，农业生产者应该做好克服气候变化相关风险的准备。农民本身应该对可能发生的冲击具有抵御能力，以便有效应对。

调整管理适应新的挑战：公共部门的举措必须支持私营部门向可持续农业过渡。需要向小农户提供适当的激励措施，以支持采取必要的做法。

数字化转型似乎是有效解决温室气体排放问题的一种方式，技术是智能生产系统的关键推动者。然而，当前主要的挑战是农业部门缺乏数字合作。农业生产在很大程度上是分散的。除了大公司，这里还有很多小农户。事实上，全球75%的农场比三个足球场还小。小型市场参与者往往不支持彼此沟通，也无法获得投资，导致缺乏技术支持和合作。

在气候变化方面，应该建立沟通渠道，而不仅仅是在农业部门。跨行业的伙伴关系是非常必要的。金融、科学、经济、技术和农业公司必须合作分享知识，创造可持续的解决方案。

减少农业排放对农业的分散性以及农业在数十亿人的生活中的关键作用提出了挑战。减少农业排放需要20多亿农业从业人员，即全球人口的四分之一采取行动。

技术可以通过获得更多的农业过程数据来帮助农民提高效率和生产力。从分析的数据中得出的见解有助于更好的资源管理，从而减少温室气体排放。

有助于减少农业碳足迹的解决方案包括：

垂直或室内种植是一种现代方法，可以控制植物生长的环境。在垂直农场中，主人可以管理光照、大气条件、温度、水和营养物质。这允许以有效的方式种植植物。

例如，垂直农场比传统的户外农场用水量更少。它们还减少了各种废物的产生，因为所有的资源都得到了精确的利用，包括土壤、杀虫剂和化肥。这意味着垂直农场产生的温室气体排放量也更少。

农业中的物联网技术负责收集数据。传感器和其他物联网设备从现场收集有价值的信息。通过连接，他们将这些数据传输到应用程序以进行进一步处理和存储。

这使农民能够远程实时监控农业周期的所有过程。智能物联网传感器可以收集温度、土壤湿度、肥料消耗和气压等参数。

通过物联网和其他设备收集的数据必须以全面的方式进行可视化和呈现。这就是数据分析派上用场的地方。它以数字界面和分析报告的形式为农民提供了对农业周期不同阶段的分析报告。

数据分析是提高性能的关键因素。它可以揭示农业周期中需要改变的部分。例如，抓住机会减少浪费或优化流程。这些东西有助于种植者有效地管理他们的资源。这些见解对评估土地生产力和控制资源使用特别有用。

预测分析允许通过分析收集的数据来计算未来的结果。它通常包括几种统计方法，如建模、数据挖掘和机器学习（ML）。该技术以分析和建议的形式显示其对未来条件的预测。在它的帮助下，种植者为可能的挑战做好准备，更好地规划他们的农业活动。

人工智能和机器学习技术在农业中有许多应用。例如，它们可以支持预测分析。但人工智能本身也是一种强大的监控工具，它可以快速实时分析大量数据，是现场监测的完美解决方案。

基于机器学习的系统可以被训练来识别各种植物和生长条件的问题。人工智能驱动的解决方案可以分析设备捕获的数据，并在出现问题时发出警报。例如，人工智能可以发现杂草，消除了农民在整个田地里喷洒化学物质的需要。此外，人工智能系统可以根据收集的数据提供如何优化农业流程的建议。最重要的是，它可以为如何减少能源消耗提供帮助。所有这些都有助于减少农业中的温室气体排放。

收集和存储大量数据需要适当的基础设施。如果所有这些数据都存储在私人硬件上，那么其他减少温室气体排放的努力就毫无意义了。因为存储数据的硬件消耗大量能源，增加碳排放。另一种环保的解决方案是将您的数据处理和存储转移到云端。这意味着服务提供商将负责云基础设施。

农业技术解决方案相辅相成，结合使用以最大限度地提高环境效益和其他效益。以农业综合企业的智能温室技术生态系统为例。普通温室是植物在特殊条件下生长的空间，它通常是一个用于保持温暖的棚屋。智能温室不同，这是一个植物在完美气候条件下生长的空间。预计到2025年，全球智能温室市场将达到21亿美元，在预测期内以9.2%的年增长率增长。

智慧温室是一个自我调节的技术生态系统。物联网传感器实时跟踪温度、湿度、光照和碳足迹等参数。通过大范围的无线连接，他们将所有捕获的数据传输到云端，在那里，经过训练的人工智能模型分析输入数据。如果任何参数与最佳植物生长条件不符，智能温室会自动触发所需的操作。由于自动化，它可以调节照明、灌溉和喷洒系统。此外，智能温室可以预测产量并评估作物可能面临的风险。

智能温室是可持续农业的一个例子。它利用有限的空间高效地种植植物。在智能温室中，所有资源都得到了精确利用，包括能源和化学品。此外，持续的监控和数据处理使人工智能系统能够提供高级分析，揭示瓶颈，并提出优化的可能性。

在74个国家和欧盟签署的《巴黎协定》中，各方承诺将全球变暖控制在2°C以下。然而，这一目标需要采取许多特殊措施。对农业来说，这意味着要付出更多的努力，比如利用自然碳汇，改善土地利用，投资先进技术。

森林和植物在吸收二氧化碳、减少碳足迹方面具有巨大潜力。事实上，天然碳汇的二氧化碳固存量高达19 GB。因此，重新造林和植树造林是必要的。不幸的是，在过去几年里，原始森林的丧失速度加快了。造成这种情况的主要原因是土地利用的变化。如果目前的趋势继续下去，到2050年，世界将失去2.89亿公顷热带森林。

减少农业温室气体排放是一个复杂的问题，而且它不仅仅局限于农业。食物浪费、包装和运输都会导致温室气体的增加。幸运的是，先进的技术给了我们未来碳中和的希望。投资于有前景的技术解决方案可以加快减少农业温室气体排放的努力。机器人、人工智能、机器学习、物联网和区块链，以及其他解决方案，将推动该行业的未来。

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