农业清洁技术的发展趋势

根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，到2050年，要养活全球91亿人口，需要将粮食总产量提高约70%。因此，在未来大约25年内，全球粮食产量需要增加近一倍，才能养活近100亿人口，然而全球目前仍有约7.33亿人面临饥饿问题。随着全球粮食需求持续增长，农业生产效率必须在尽可能提升的同时，尽量减少对环境的影响。对环境的负面影响终将导致可耕地减少、脆弱且必要的生态系统遭到破坏，并使当地居民暴露于危险污染物中，加剧疾病的发生。

农业技术（agritech）是全球清洁技术倡议中的一小部分，但却是非常关键的组成部分之一。本文将在减少污染和环境影响的技术（即清洁技术）框架内，探讨农业技术的新进展。

全球农业现状与趋势

根据FAO的数，全球用于农业的土地面积约为50亿公顷，占全球可利用土地面积约38%。其中，约三分之一的土地用作耕地，另外三分之二则是草场和牧场。虽然粮食需求持续增长，但人均耕地面积却在下降：从1961年到2016年，全球人均耕地面积减少了超过一半。在全球人口增长的背景下，这种下降趋势不是一个好现象，它让全球粮食安全问题更加不容乐观。此外，落后的农业实践也可能损害环境，并减少全球可用于粮食生产的资源。

要满足未来的粮食需求，我们迫切需要积极改变农业实践的效率与可持续性。这项由全球各国政府支持的新倡议，将使全球农业实现清洁化，并顺应其他众多清洁技术倡议。实现农业清洁化的一大关键点在于提升效率，这直接影响到技术生产对环境的影响，而农业恰恰又是一项高度依赖人类的技术领域。通过多管齐下的努力来提升效率与清洁度，将使农业以及全球粮食供应的未来充满光明。

农业清洁技术的发展趋势

农业技术的许多方面都沿袭了传统的趋势和观念，过分强调产量而忽视了其他因素，致使传统农业技术和实践耗尽了耕地的养分，迫使农民采取人工添加养分的措施。此外，这些传统实践还涉及使用化学农药和其他病害防治方法，尽管这些方法在减少病虫害方面确实有效，但其影响远不止于提高产量。这些农药和病害防治方法在生产、分销和清理的过程中还带来了环境影响问题，并且贯穿从原材料生产到农田应用的整个过程。

农用设备是另一个可以通过清洁技术大幅改进的领域。传统农用设备主要依赖内燃机和化石燃料来实现运转、运输、加热和加工。这些功能通常都是高能耗活动，因而致使这些环节成为了传统农业污染和碳足迹的主要来源。

可持续农业方法与精准农业

近年来，农业领域的新方法开始更加注重土壤的健康与质量，而非仅仅将其视为植物生长的物理基质。许多可持续农业方法都应运而生，如再生农业、生物密集型农业以及减少耕作。还有一些可持续农业做法则完全避免占用耕地，例如室内垂直农场、饲料加工厂、气雾栽培、鱼菜共生和传统温室。

再生农业与生物密集型农业

再生农业涵盖了多种旨在恢复和改善土壤健康、水质和空气质量的耕作和放牧方法。许多此类方法都与当前普遍采用的工业化农业方法有显著差异，例如尽量减少耕作，乃至完全避免耕作。虽然耕作可能带来一些有益效果，但它也可能对土壤结构、水分渗透/保持、抗侵蚀能力和根系发育产生负面影响。种植覆盖作物的做法也日益普及，人们正努力提升其效率和经济效益。

通过合理搭配植物种类、覆盖作物与轮作技术，可以改良土壤，并打破病虫害的循环。虽然覆盖作物种植和轮作并非新方法，但优化植物种类选择正是现代农业方法的组成部分之一，这不仅是为了提高主要经济作物的产量，更是为了达到特定的土壤健康指标，甚至防治特定虫害。一些覆盖作物或轮作方法不再需要在播种前翻耕或清理土地，而是采用了将轮作作物或覆盖作物推倒作为原地堆肥的方法。

生物密集型农业是另一种可持续农业模式，通过采用多种再生农业方法，并同时协调利用所有可用土地来提高作物产量、土壤肥力和生物多样性。将传统农业方法与温室、种植床等技术相结合，可有效防治虫害，同时尽可能减小环境影响，甚至可能产生净正向环境效益。

其中一种方法是利用特定植物种类来预防病虫害，就是在易感作物周围种植能够驱赶特定虫害的植物。这些方法不仅可以消除对农药的需求，还有助于改良土壤并实现其他目标，如提升当地蜜蜂等传粉昆虫的种群数量。

室内垂直农场、气雾栽培和鱼菜共生

优化可用土地的产量（甚至利用不适合种植作物的土地）的一种方法是采用温室或室内种植技术。传统温室本质上就是模拟户外种植方法，而新型的温室或室内种植技术则可以实现比户外种植方法更高的产量和作物质量。此外，温室和室内种植方法〔如垂直农业、气雾栽培和鱼菜共生〕能有效保护作物免受病虫害侵袭，从而无需再采取可能影响产量和效率的病虫害防治方法。

垂直农场可显著提高单位面积产量，并在特定区域内种植更多样化的作物。气雾栽培和鱼菜共生则是利用工程化基质（如气雾栽培中的简单支撑结构）来种植作物，并将营养物质直接输送到植物根系，而非喷洒在土壤表面，这些做法都是对传统地栽的改进。这些方法都需要为植物制备丰富的营养来源，而鱼菜共生自身就可以实现这一点。该技术采用循环流动的水，在水生动物环境中喂养动物，随后提取动物排泄物中的营养物质，再输送给植物。

物联网解决方案在农业、农场自动化和电气化领域的应用

与工业制造、加工和物流领域中探索的工厂自动化及其他数据驱动方法类似，农业和农场应用也正在通过大量互联传感器、信息技术、机器人技术和其他自动化系统得到增强。物联网（IoT）技术的应用范围广泛，涵盖导航与追踪传感器，以及更先进的传感器套件。这些套件可通过视觉或红外摄像头、热传感器、电磁传感器、雷达、分布式土壤健康监测系统或其他方法，对作物或牲畜的健康状况进行监测。

机器人技术和自动化系统〔如自主移动机器人（AMR）〕已用于更高效地监测农作物和牲畜的健康状况和活动。例如，使用自主无人机定期飞越农作物，并将摄像头拍摄的图像传输到实时边缘处理系统或云机器学习（ML）和人工智能（AI）服务，就可以监测农作物的生命体征并检测杂草和害虫。另一个例子是开发可安装在农用拖拉机上的自动化除草系统。这些系统通过激光阵列蒸发杂草幼苗，在杂草生长的早期阶段即可将其消灭。其他类似的虫害防治系统也正在开发的过程中。

这些自主分布式传感器必须与先进的软件套件和数据驱动的管理系统相结合，才能在农业应用中发挥作用。通过自动化控制，农民可以摆脱大量繁琐的手工操作，专注于质量优化和创新。

例如，部分奶牛养殖户已采用训练奶牛的方法，让它们与自动化清洁和挤奶系统互动，这样奶牛就可以自主选择挤奶时间，而不必被迫遵循挤奶工的时间表。这些系统已经展现出提高产量、提升奶质以及全面改善奶牛健康状况的能力。针对动物的自动化喂食系统可根据自动化监测系统揭示的动物当前状态，为特定动物或动物群体提供优化配制的饲料。

这些概念也可用于作物或牲畜的早期疾病检测。若借助先进的ML/AI，甚至还能够可靠地预测某些疾病，从而采取预防措施。在某些情况下，预测和预防疾病比治疗或承受作物或牲畜生产力的损失更有效，对环境的影响也更小。疾病治疗领域的创新，例如使用声脉冲技术（APT）治疗牛乳腺炎，甚至可以减少或避免使用抗生素。减少抗生素使用有助于遏制耐药性病原体日益严峻的威胁。

部分此类方法可以归类为精准农业，这主要是一种以数据为驱动的资源管理策略。例如，借助实时运动传感器系统进行导航，可以将农机行驶轨迹限制在预设的行进通道内，防止因农机随意行驶而导致土壤出现压实、排水不畅和结构破坏等损害。这些数据驱动的方法可以优化用水效率，从而显著节约用水，并防止漫灌等传统方法中常见的过度灌溉现象。其他新的灌溉方法包括微滴灌和使用处理过的废水输送养分，以减少对淡水资源的需求。

大多数传统农用设备都采用内燃机技术来驱动运输和作业机械。此外，天然气和煤油长期以来也一直用于供热。即使是电气化机械，历史上大多数电能也来自化石燃料，并通过庞大的电网基础设施高效传输。现代农业设施和农场正越来越多地采用风能和太阳能，以减少对化石燃料和可靠性及稳定性不足的电网系统的依赖。

采用可持续且本地化的能源发电，并结合电池储能、飞轮储能和盐电池储能等技术，可大幅降低电力传输过程中的能量损耗，甚至使部分农业设施实现能源自给自足。利用可再生能源，结合电气化农用设备和系统，可以大幅减少运行过程中产生的碳足迹和污染，并显著提高设备效率和响应速度。有些农民甚至在农田中安装太阳能设施，为喜阴作物提供遮荫的同时还能产生可再生能源。

结语

农业领域对可持续且环境影响较小的创新需求正在激增。采用更高效、污染更少的农业方法是减少生态和环境损害、满足全球人口增长带来的日益提升的粮食需求的良好实践。