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通往农业碳中和之路

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2022/07/21 01:29发布
王凯
T. Rowe Price
从业人员
最新发布文章——通往农业碳中和之路

导语

作为温室气体的主要排放来源之一,农业减排对于达成《巴黎协定》提出的将全球气温上升控制在1.5℃以内的目标至关重要。同时,面对不断增长的人口压力和日趋频繁的极端气候灾害,如何保证世界粮食安全、实现农业的可持续发展也是全球面临的共同挑战。

 

BCG携手极飞科技对科技如何助力农业实现净零转型进行了深度研究,发布题为《通往农业碳中和之路》的报告,基于从极飞科技在国内率先建立的超级棉田中采集的数据,对不同科技应用在实际农业生产中的减排潜力进行初步测算。

 

相比于能源、工业和建筑等行业,目前对农业减排的关注度相对不高,主要因为生产方式差异性大、排放原理机制复杂以及缺乏来自实际生产中的案例实证。但随着科技的发展,农业减排也将迎来新的突破。

 

 

解密农业碳排放

 

作为全球温室气体的主要排放源之一,当前农业和林业活动以及土地利用的变化而产生的温室气体已占全球温室气体排放总量的17%。如果考虑到食品生产价值链中的储存、运输、包装、加工、销售和消费等环节中产生的温室气体排放,则该比例会进一步上升至21%—37%。此外,农业生产活动也会对生态环境造成破坏,如可能导致森林砍伐、土壤侵蚀与退化等,进一步加剧全球温室效应。

 

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简单来说,农场内发生的任何一项活动都有可能产生温室气体排放,以二氧化碳(CO2)、氧化亚氮(N2O)以及甲烷(CH4)等三种温室气体为主。另外,与其他行业不同的是,农业生态系统中的各项活动不仅可能增加温室气体的排放,也有可能导致温室气体的“消除”。例如,当荒地与沙地被开发为耕地并种植了作物后,其土壤吸收和存储碳的能力将得到提升,这些土地将作为一个“池子”存储更多碳,防止其被释放到空气中。

 

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对不同的农场而言,主要的排放源和排放量将会因为农场具体情况、管理模式以及种植养殖的生物类型而存在很大差异。但根据联合国粮农组织(FAO)的统计,整体来看农业活动产生的温室气体主要来自七大排放源,其中动物肠道发酵及生产中的化肥施用是最大的两大排放源,占比超过40%。

 

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值得注意的是,在当前科技条件下,不同排放源的温室气体减排潜力差异很大。比如,尽管动物肠道发酵是农业温室气体的最大排放源,但要减轻其影响并非易事。虽然可以通过向牧场动物的饲料中加入添加剂,如红海藻素以及3-硝基氧丙醇(3-NOP),来大大减少动物肠道发酵产生的甲烷排放,但科学家仍在寻找降低红海藻的种植、收获以及处理成本的方法,让其能够被大规模应用。动物对这些添加剂的长期耐受性和副作用也仍待科学验证。而另一方面,针对其他农业温室气体排放源的减排举措可能取得更加直接且高效的成果。例如用电动农业机械替换掉燃油机器,可以在维持当前生产水平的同时快速减少温室气体的排放。本报告后续章节将着重于介绍相对更加成熟且更易实现的科技减排方式。

 

 

四大科技举措助力农业减排

 

基于BCG在碳中和领域的洞察,同时结合极飞科技融合了数字农业基础设施、智能农业设备和AI平台技术的规模化农田作业实践经验,以及与本地农户的访谈,我们发现科技目前主要可以从四大方面帮助降低温室气体排放,包括减少化石燃料消耗、减少农业化学品投入、推动秸秆科学还田、最优化农事决策。

 

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减少化石燃料消耗

 

减少化石燃料的消耗主要有两种方法,一是将传统燃油农机替换为使用电力等清洁能源的机器,二是提高燃油农机的能源使用效率。

 

  • 使用电动设备替换传统农业机械:在农场中使用通过电池供电的无人机和农业机器人被认为是通过替代化石燃料机械实现可持续农业的有效方法。使用电力的农业无人机或机器人能够全自主精准作业且操作简单易用,可同时实现节省燃油和人工成本。目前,无人机在农药与化肥喷洒环节已有较为成熟的运用,未来可应用于更多生产环节。

 

  • 提升机械作业精准度,提高能源使用效率:农户可通过在传统柴油农机上装备自动导航及转向系统装置,将传统农机变为具有厘米级精度导航系统的自动驾驶机械。系统通过规划最佳路线,帮助农机在各使用场景(如犁地和收割)中最大限度地避免重复路线,减少能源消耗。

     

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减少农业化学品投入

 

  • 借助AI技术精准施肥打药:相比于传统打药“雨露均沾”的模式,农民可借助人工智能技术分析无人机采集的农田作物高清地图,精准定位作物异常区域(如苗株稀疏),并判断异常情况发生的原因(如受害虫侵扰或土壤肥力低下)。然后向该区域派出农业无人机,无人机可按照预设路线及用量精准喷洒,避免漏喷或重喷。

 

  • 使用智能灌溉系统,提升农业化肥施用效率:使用水肥一体化的智能灌溉系统可让液体肥料直接被作物根部吸收,达到更好的肥料利用效率。同时,先进的智能灌溉系统可借助土壤监测设备,实时分析土壤的各种数据,包括土壤水分、空气含量以及土壤酸碱度信息。当土壤状态达到预设参数时,自动开启或关闭灌溉,避免水肥漫灌,减少肥料用量同时,提升土壤健康程度。

     

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推动秸秆科学还田

 

过去由于缺乏相关技术和认知,农民通常在作物丰收后焚烧掉秸秆,造成大量温室气体排放和大气污染。虽然随着国内外秸秆禁燃令的逐步实施,秸秆粉碎抛撒还田的方式已逐步被大多数农户接受,但未经科学处理的秸秆,容易成为大量害虫虫卵或细菌滋生的温床,埋入地下后来年可能引发新一轮病虫灾害。

 

当前科技能够帮助农民在早期就识别可能的病虫灾害并尽早采取控制措施。由无人机、田间高清相机组成的监测系统可帮助农户实时监控作物生长情况,一旦发现病虫害,系统将主动提示农户采取措施,比如派遣无人机进行针对性的农药喷洒。一些监测系统还可以基于算法,通过对周边农场的病虫害发生及扩散情况进行分析,做出灾害预警,提醒农户及早采取措施。另外,通过减少病虫害及使用科学的管理模式,农民可以实现每株植物生产力的提升,比如在棉花种植中实现更高的草谷比,在相同的产量下实现较少的秸秆残余,减轻农民的处理压力。

 

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最优化农事决策

 

过去,基本上所有的农事决策,例如种植什么作物、作物的密度、何时播种、灌溉、施肥和打药以及犁多少次地等,都由农民基于个人经验做出判断。这种过于依赖人工经验、缺乏数据支撑的方式,除了造成能源浪费和过度施肥外,还可能导致土地利用效率低下、重复耕作甚至农田退化的情况。

 

如今,农民可在智慧农业平台的帮助下做出更明智的决策。智慧农业平台采取端到端的方式,整合了整个农业生产中使用的所有硬件设备和应用软件,在农业生产的整个生命周期中指导并服务农户。比如通过相互连接的土壤传感器、无人机和卫星等硬件设备,监控、跟踪和收集农田作物数据,并随后将数据传输到平台,借助图像识别和深度学习在内的AI技术进行分析,为农民提供行动建议及数字化解决方案,辅助他们做出最优农事业决策。借助智慧农业平台,农民可把握播种、施肥和灌溉的最佳时机和用量,可发现种植密度不达目标的区域,能掌握土壤退化情况并及时采取措施等。通过采取最科学的种植方法,提升生产效率,保护环境,助力减少农业的碳足迹。

 

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探秘智慧农场的低碳生态

 

为了验证农业科技应用于大规模种植场景并助力减排的可行性,BCG探访了极飞科技于2021年启动的“超级棉田”项目。作为国内首个大规模智慧种植试验,由两个“90后”年轻人借助农业科技管理原本需要30人的200公顷棉田(约280个足球场)。

 

极飞科技将一整套智慧农业生态系统引入“超级棉田”,结合农业硬件生产设备与软件应用,让两位零种植经验的年轻管理者在棉花“耕种管收”全生命周期中实时了解棉花生长的情况,做出科学决策,并借助无人设备开展自动化、高精度的作业。经过半年多的管理,该棉田用丰收证明,科技在大规模种植场景上的应用,能够成功帮助农业生产者实现降本提效和减排的目标。

 

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相比于以传统方式耕作的同等面积的农田,“超级棉田”借助科技从三大排放源入手,实现一年减少22%温室气体排放的效果。同时,科学管理和耕作还能帮助提升土壤健康度与固碳能力,从而间接助力棉田减排。

 

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使用智能农机减少化石能源消耗

 

在“超级棉田”,农田管理者选择用电力驱动的农业无人机代替燃油农机,执行作物植保、田间除草以及脱叶剂喷洒等任务。此外,通过安装农机自动驾驶仪,管理者可以让精准导航系统辅助传统农机进行全自主作业,实现更科学的农机调度。在犁地、播种和采收等农事活动中自动规划最高效的作业路径,能够减少因行驶误差导致的额外油耗。基于这两项举措,“超级棉田”能比普通农场减少近30%的燃油消耗。

 

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智能灌溉系统精准控制化肥投入,

提高农药及水资源利用率,节约用电

 

通过对农田的灌溉系统进行了智能化改造,为全部出水桩换上可远程控制开闭的智能电动阀,并将灌溉系统接入极飞物联网,使用工业级电子水表精准监控用水量。农田管理员可在移动设备上实时监测水肥浇灌情况,实现远程管理,还可以通过极飞智慧农业系统实时了解不同地块的肥料投入情况,配合更新后的肥料储存装置与自动施肥设备,定时定量地将氮、磷、钾肥施放到棉田中。相比传统农场,“超级棉田”减少了约90万吨用水,降低23%的化肥用量,同时有效节省用电。

 

基于遥感无人机拍摄的棉田高清数字地图,结合AI图像识别与分析技术,系统可根据不同地区内的作物密度以及生长情况生成“处方图”,精准计算不同农田区域内需要的农药用量,并指导农业无人机对相应区域进行精确喷洒,节省36%的农药用量,节约成本超过13万元。

 

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加强病虫害防治,

推动秸秆科学还田

 

由于当地已经实行了秸秆焚烧禁令,因此农户在丰收后都采用了粉碎还田的方式处理棉花秸秆。但“超级棉田”管理员通过科技手段进行病虫害管理,防止秸秆成为病虫害越冬的温床,从而推动秸秆科学还田。

 

为准确识别棉秆覆盖区域的病虫害分布情况,“超级棉田”管理员采用配备多光谱相机的无人机,对不同区域地块进行全面考察。同时,安装在田间的物联网系统通过高清摄像头拍摄作物图像,让农场管理人员能够实时通过移动设备获取信息,及早诊断、发现病虫害情况并采取行动。另外,管理者可使用无人机在害虫更活跃的夜晚时间进行作业,精确喷洒农药直击害虫,取得更好的效果。

 

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智慧农业系统助力精准农事决策

 

在完成播种后的一个月之内,“超级棉田”遭受到了三次大风灾害,滴灌带、地膜等基础设施和刚破土的幼苗都遭到了严重破坏,若不及时采取干预措施,农场将面临巨大的减产损失。借助农场的智慧农业平台,管理员根据不同区域的受灾程度,分别实施了针对性的灾后复产方案。

 

对于受灾程度较轻的区域,农场管理人员派出遥感无人机拍摄高清棉田图像,随后将数据传输到极飞智慧农业系统进行分析。AI技术能够识别出不同区域的作物受损程度,并指出哪些地块需要补苗,以保证棉花的最佳种植密度和土地的高效使用。对于受灾严重且无法补苗的区域,智慧农业系统让管理人员无需亲自下地,就能准确了解灾后尚存的幼苗数量和分布情况,并完成棉花长势、病虫害等农情分析,最终通过后期精准高效的水肥管理弥补产量的先天缺陷。

 

除灾后管理外,智慧农业平台实际上可在棉花“耕种管收”的不同阶段全方位助力管理员精准决策、科学管理,比如进行精细化的农事生产规划和农资管理、全生命周期监控田地和农作物关键指标、指导智能农业设备按预设路线精准执行农事任务等。通过科学的耕种模式,能够实现在提升产量的同时保护环境,避免对土壤肥力的过度破坏,减少土壤侵蚀,保护土壤固碳能力,从而间接抑制农业温室气体的排放。

 

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结语

作为世界上最古老的产业之一,农业已经来到一个历史的关键转折点。面对不断上升的全球气温和快速增长的粮食需求,农业必须迅速进行科技转型。无人机、传感器和大数据分析等科技的应用将极大地改变未来农业的生产方式,帮助其变得更有效率,同时对环境更加友好。

 

 

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