近日，必威優(yōu)秀校友（2011屆環(huán)境工程專業(yè)本科畢業(yè)生，2014屆環(huán)境科學(xué)與工程專業(yè)碩士畢業(yè)生），現(xiàn)南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院研究助理教授徐鵬以第一作者在 Nature 正刊發(fā)表題為“Fertilizer management for global ammonia emission reduction”的研究成果。該成果采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)農(nóng)田氨排放因子并產(chǎn)出高分辨率全球排放數(shù)據(jù)，揭示了三大糧食作物（水稻、小麥和玉米）農(nóng)田氨排放的驅(qū)動(dòng)因素和全球格局，評(píng)估了因地制宜優(yōu)化農(nóng)田肥料管理的減氨潛力。

氨（Ammonia）是主要的大氣污染物之一，是霧霾形成的重要推手。農(nóng)田排放是氨的首要污染源，約占全球人為源氨排放總量的 51-60%，而其中一半以上源自水稻、小麥和玉米種植。由于人口及其食物需求的持續(xù)增長(zhǎng)，2050 年全球農(nóng)田施肥的總氮投入預(yù)計(jì)將比 2010 年增加 46%。因此，在氮素投入不斷增加的趨勢(shì)下實(shí)現(xiàn)農(nóng)田氨減排是全球可持續(xù)發(fā)展亟待解決的難題之一。農(nóng)田氨排放取決于施氮量，也取決于氨排放因子（施用單位質(zhì)量氮肥的排氨量）。受自然與人為因素的綜合影響，氨排放因子的空間差異顯著，尚缺乏全球范圍的精準(zhǔn)刻畫，這阻礙了世界各國(guó)因地制宜地開展減排實(shí)踐。

徐鵬所在的研究團(tuán)隊(duì)收集整理了全球 2,775 個(gè)站點(diǎn)年（Site-year）的氨排放率田間觀測(cè)數(shù)據(jù)，訓(xùn)練并交叉驗(yàn)證了隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)模型。結(jié)果表明，以氣候因子、土壤屬性、作物類型、施肥特征、灌溉量、耕作方式等六大類變量為輸入，可在全球范圍準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氨排放因子（R2>0.80）。進(jìn)一步利用全球土壤（HWSD v1.2 和 ISRIC-WISE）、氣候（CRU v4.05）、灌溉（國(guó)家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心）、施肥（HaNi dataset 和 EarthStat dataset）等大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)隨機(jī)森林模型，產(chǎn)出 5 弧分（約 10 km）網(wǎng)格精度的全球農(nóng)田氨排放因子和排放強(qiáng)度數(shù)據(jù)集，重新計(jì)算了全球農(nóng)田氨排放總量：2018 年，水稻、小麥和玉米種植的氨排放總量為 4.3 Tg N，三種作物分別貢獻(xiàn) 41.1%、30.2% 和 28.7%。這一估計(jì)顯著低于以往，主要原因是之前研究在計(jì)算排放因子時(shí)未全面考慮農(nóng)田肥料管理措施的作用。

新模型、新數(shù)據(jù)為研究農(nóng)田肥料管理對(duì)氨排放的影響提供了全球視角。全球平均而言，免耕條件下單次或多次表施尿素對(duì)應(yīng)最高的氨排放因子，而傳統(tǒng)耕作條件下單次深施高效肥對(duì)應(yīng)最低的氨排放因子。由于自然條件的差異，各地通過(guò)農(nóng)田肥料管理實(shí)現(xiàn)氨減排的優(yōu)化路徑不盡相同。以肥料類型為例，模型評(píng)估結(jié)果顯示：全球 83% 的水稻種植網(wǎng)格可使用高效肥實(shí)現(xiàn)農(nóng)田氨減排的優(yōu)化，而適用有機(jī)肥和硝酸銨的水稻種植網(wǎng)格比例分別為 6% 和 3%；對(duì)于小麥，適用高效肥和硝酸銨的網(wǎng)格比例分別為 61% 和 37%；對(duì)于玉米，適用高效肥和硝酸銨的網(wǎng)格比例各為 50%。

新模型、新數(shù)據(jù)為準(zhǔn)確評(píng)估農(nóng)田肥料管理的減氨潛力提供了科學(xué)支撐。模擬結(jié)果顯示，在 2018 年基線情景下，全球優(yōu)化農(nóng)田肥料管理最高可實(shí)現(xiàn)三大作物種植氨排放總量減少 1.6 Tg N（減排 38%），小麥、玉米和水稻分別貢獻(xiàn) 26%、27% 和 47% 的減排量。由于氣候變暖，未來(lái)農(nóng)田氨排放將進(jìn)一步加劇。機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)，在 SSP1-2.6 和 SSP5-8.5 排放情景下，2030-2060 年間全球農(nóng)田氨排放總量將分別增加 4.0% 和 5.5%。因此，優(yōu)化農(nóng)田肥料管理的減氨潛力（38%）僅需兌現(xiàn) 15% 即可抵消這部分增量。不過(guò)，氣候變化對(duì)農(nóng)田氨排放的影響存在顯著區(qū)域差異，中國(guó)、印度、美國(guó)、巴西等增加最顯著的國(guó)家具有優(yōu)化農(nóng)田肥料管理的迫切性。

這項(xiàng)研究給出了全球農(nóng)田氨排放的高清圖景，為世界各地實(shí)施差異化減排措施提供了指導(dǎo)性建議，并指出目前全球?qū)嵤p排措施尚面臨經(jīng)濟(jì)成本高、農(nóng)業(yè)集約化程度不足等重要障礙。研究成果對(duì)于防治霧霾、保障糧食安全的政策制定與管理實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義，也展示了大數(shù)據(jù)與人工智能支撐可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（包括“零饑餓”、“良好健康和福祉”、“應(yīng)對(duì)氣候變化”等）達(dá)成的巨大潛能。