美国能源部资助开展未来可持续农业项目

伯克利实验室是美国能源部通过其科学办公室支持的国家实验室系统中的一个多项目科学实验室，由加州大学管理。近期，伯克利实验室启动了三个新项目来推进可持续农业实践。这三个项目均由美国能源部（DOE）资助，利用了伯克利实验室在人工智能、传感器和生态生物学方面的优势，其目标是量化和降低农业的碳排放强度，其中包括种植生物燃料原料，如玉米、大豆和高粱，同时提高产量。

据美国能源部估计，来源于农作物原料的生物燃料有潜力供应美国约5%的能源需求。其中两个新项目是能源部高级研究计划局（ARPA-E）的从农业资源与管理到可再生运输燃料监测与分析系统（Systems for Monitoring and Analytics for RenewableTransportation Fuels from Agricultural Resources and Management，SMARTFARM）计划的一部分。该计划的目标是通过资助可在实地量化与原料相关的排放并为原料生产和碳管理效率提供新的市场激励的技术，以填补生物燃料供应链中的数据缺口。第三个项目则是由美国能源部小企业资助，并与Arva Intelligence公司合作。

1.收集大量数据

在第一个项目中，由伯克利实验室生物与系统工程（BSE）部门主任Blake Simmons领导的研究人员与项目负责人Arva Intelligence合作，将对加利福尼亚和阿肯色州的五个种植玉米和农作物的商业农场进行监控。这些农场将配备最先进的传感器来评估肥料、水、能源使用和作物产量，在DOE的AmeriFlux网络中注册的监控塔将以亚秒级分辨率测量二氧化碳、一氧化二氮和甲烷的排放量。

作为该项目的一部分，伯克利实验室的科学家将进行温室气体的大气传感，基因组分析以表征土壤微生物组以及生命周期分析以确定碳输入与输出的比例。现场实验将产生大量数据，Arva将使用这些数据建立数学模型，并改进精确农业算法，帮助农场实现碳中性甚至碳负性。

2.解析和利用数据

在同样由ARPA-E资助的第二个项目中，由Yuxin Wu领导的伯克利实验室研究人员将获取其他ARPA-E SMARTFARM项目的数据，并为碳核算制定通用标准。

但是碳核算并非易事。温室气体是由植物和根系的呼吸、土壤、肥料使用以及抽水或使用机械释放的，这是一个复杂的方程。每个农场都有自己的经营方式，如何将这些截然不同的数据集组合在一起是一项挑战。

3.面向农民的软件系统

最后，在第三个项目中，由Nicola Falco和Haruko Wainwright领导的伯克利实验室研究人员正在与Arva Intelligence合作开发机器学习软件，将DOE的环境数据库与本地规模的监视和传感相结合。

DOE数据库和设施为理解区域和国家范围的农业生态系统功能提供了重要的数据集。这些功能包括温室气体通量、蒸散量和土壤生物地球化学。在该项目中，研究人员将开发可扩展的软件系统，以将本地规模的数据集与DOE数据集相结合。例如，该软件将能够将源自Ameriflux的蒸散估算值与本地土壤传感器和无人机图像相结合，以提供有关水管理实践的信息。

编译整理|孙裕彤 生物科技战略研究中心

参考文献|Smart Farms of theFuture: Making Bioenergy Crops More Environmentally Friendly