智能秋收｜想知道稻田“呼吸”的秘密？智能AI助手來幫你！

出品；科普中國

作者：楊陽（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為展現(xiàn)智能科技動(dòng)態(tài)，科普中國前沿科技項(xiàng)目推出“人工智能”系列文章，一窺人工智能前沿進(jìn)展，回應(yīng)種種關(guān)切與好奇。讓我們共同探究，迎接智能時(shí)代。

AI助農(nóng)小助手名片

小助手：稻田氨揮發(fā)評估系統(tǒng)

兩大法寶：“你問我答”互動(dòng)體驗(yàn)、“從點(diǎn)到面”全方位評價(jià)

三大關(guān)鍵技術(shù)：稻田氨揮發(fā)的“驅(qū)動(dòng)器”、多變量驅(qū)動(dòng)氨揮發(fā)算法、多尺度氨揮發(fā)評估模型

能量值：5顆星

證件照：

單個(gè)田塊尺度的稻田氨揮發(fā)評估

（圖片來源：作者供圖）

AI助農(nóng)小助手自我介紹

大家好，我是稻田氨揮發(fā)評估系統(tǒng)，是中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院智能機(jī)械研究所綠色智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)這個(gè)大家庭的成員之一。

我是“你問我答”互動(dòng)式稻田氨揮發(fā)評估系統(tǒng)。我不僅可以告訴你單個(gè)田塊的氨揮發(fā)，還可以告訴你全省、全國的氨揮發(fā)，你想了解不同施肥情況下的稻田氨揮發(fā)，找我就對了。

大家對氨氣應(yīng)該不陌生，有些衛(wèi)生間里散發(fā)的刺鼻氣味很大程度就來自排泄物分解釋放的氨氣。氨氣是一種含氮物質(zhì)，氨氣是生產(chǎn)氮肥的原料，是一種重要的氮素資源。

稻田氨揮發(fā)是指稻田土壤排放氨氣的現(xiàn)象。稻田氨氣主要來源于氮肥轉(zhuǎn)化和土壤含氮有機(jī)物質(zhì)分解。氨揮發(fā)不僅造成土壤氮素資源損失，還會(huì)危害生態(tài)環(huán)境，比如誘發(fā)霧霾。因此，我們要想方設(shè)法減少農(nóng)田氨揮發(fā)。

氨揮發(fā)是綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的“敵人”，為了戰(zhàn)勝它，我們需要充分了解它。首先，我們要知道哪些條件會(huì)促進(jìn)氨揮發(fā)。我通過大數(shù)據(jù)分析，查明了稻田氨揮發(fā)的“驅(qū)動(dòng)器”，為評估氨揮發(fā)打下了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。我發(fā)現(xiàn)施氮量、施氮次數(shù)、土壤溫度和粉粒含量是決定稻田氨揮發(fā)的關(guān)鍵因子，然后我計(jì)算了各因子對稻田氨揮發(fā)的貢獻(xiàn)率，形成了多變量驅(qū)動(dòng)氨揮發(fā)算法。

我構(gòu)建了全國稻田土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)庫，代入多變量驅(qū)動(dòng)氨揮發(fā)算法后，計(jì)算出了我國不同地理尺度（單個(gè)田塊、全省、全國）的稻田氨揮發(fā)量，建立了多尺度氨揮發(fā)評估模型，實(shí)現(xiàn)“從點(diǎn)到面”全方位評價(jià)。

我是一個(gè)對用戶非常友好的軟件系統(tǒng)，采用3種語言模式（簡體中文、繁體中文、英文），和國內(nèi)外朋友溝通無障礙；我的界面非常簡潔，還帶有各種操作提示，用戶很容易上手。我現(xiàn)在已經(jīng)通過計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記，馬上就要和大家正式見面了。

查明稻田氨揮發(fā)的“驅(qū)動(dòng)器”

（圖片來源：作者繪制）

稻田系統(tǒng)與稻田氨揮發(fā)問題

為了讓大家更加深入地感受我的厲害之處，我先簡單介紹一下稻田系統(tǒng)和稻田氨揮發(fā)問題。水稻是我國非常重要的糧食作物，種植面積大，覆蓋范圍廣。在濕熱的南方、涼爽的東北，以及西北和中原灌區(qū)等地方都有水稻的身影。體量巨大的稻田系統(tǒng)能否綠色減排，對我國生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有極大影響。

稻田氨揮發(fā)是指稻田排放氨氣的現(xiàn)象。施用到農(nóng)田的氮肥和土壤中的含氮有機(jī)物質(zhì)都可能轉(zhuǎn)化釋放出氨氣。很多因素可以影響氨揮發(fā)，比如較大的施肥量和較高的溫度通常會(huì)加劇氨揮發(fā)。

農(nóng)民在水稻田里工作

（圖片來源：veer圖庫）

水稻生長需要土壤氮素的支持，而氨揮發(fā)導(dǎo)致土壤有效氮素減少，可能會(huì)引起水稻“氮饑餓”和“營養(yǎng)不良”，因此，氨揮發(fā)是一種氮素資源損失現(xiàn)象，不利于水稻豐產(chǎn)。

此外，稻田氨揮發(fā)還會(huì)誘發(fā)一系列的生態(tài)環(huán)境問題。進(jìn)入大氣的氨可以與酸性物質(zhì)結(jié)合形成細(xì)顆粒物（比如我們常聽說的PM2.5），引起我們的呼吸系統(tǒng)疾??；進(jìn)入大氣的氨還可能重新降落到地面和水體中，引起土壤酸化、水體富營養(yǎng)化，還可能導(dǎo)致喜氮生物瘋長，“排擠”其他生物，導(dǎo)致生物多樣性降低。

總之，稻田氨揮發(fā)是一個(gè)損失資源、危害環(huán)境的現(xiàn)象。減少稻田氨揮發(fā)對生態(tài)環(huán)境保護(hù)、提高氮肥利用率、促進(jìn)作物綠色豐產(chǎn)等具有重要意義。我們需要采取措施減少稻田氨揮發(fā)，但前提是我們充分了解稻田氨揮發(fā)。

目前研究人員在稻田氨揮發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)有不少研究成果，為大家認(rèn)識(shí)稻田氨揮發(fā)提供了重要依據(jù)。但現(xiàn)有研究也存在一些不足，比如以單個(gè)田塊的研究居多，難以為大范圍的水稻種植提供指導(dǎo)；研究結(jié)果多為“單向呈現(xiàn)”的模式，以論文圖表的形式呈現(xiàn)，難以互動(dòng)解答用戶感興趣的問題。

在這個(gè)背景下，我應(yīng)運(yùn)而生了。為了能夠提供更準(zhǔn)確、更友好、更全面的評估服務(wù)，我采用了多種“黑科技”。

首先，我整合了全國104個(gè)稻田站點(diǎn)的研究資料，匯總形成了376組翔實(shí)的稻田試驗(yàn)數(shù)據(jù)，覆蓋了氨揮發(fā)、施氮方法、土壤性質(zhì)等13個(gè)變量，利用逐步剔除的多元數(shù)據(jù)分析方法明確了稻田氨揮發(fā)的關(guān)鍵“驅(qū)動(dòng)器”，創(chuàng)建了多變量驅(qū)動(dòng)氨揮發(fā)算法。

然后，我集成建立了我國稻土壤性質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，覆蓋了我國440327個(gè)水稻種植田塊，包含土壤質(zhì)地、土壤溫度等重要參數(shù)，為準(zhǔn)確評估稻田氨揮發(fā)奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

進(jìn)而，我將稻田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集和多變量驅(qū)動(dòng)氨揮發(fā)算法進(jìn)行融合，計(jì)算出我國稻田氨揮發(fā)損失特征，實(shí)現(xiàn)單個(gè)田塊、全省和全國3種地理尺度的氨揮發(fā)評估，建立了多尺度氨揮發(fā)評估模型。

最后，通過軟件編程方法，我將多變量驅(qū)動(dòng)氨揮發(fā)算法、多尺度氨揮發(fā)評估模型和稻田基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集等融于一身，形成了界面簡潔、操作簡易、運(yùn)算迅速的稻田氨揮發(fā)評估系統(tǒng)。值得一提的是，我所采用的“你問我答”的互動(dòng)模式、“從點(diǎn)到面”的全方位評價(jià)功能，在國內(nèi)稻田氨揮發(fā)研究中還不多見喲。

有我的幫助，大家可以方便地預(yù)測不同施氮條件下的稻田氨揮發(fā)，從而因地制宜實(shí)施更加科學(xué)的施氮策略，促進(jìn)水稻氨揮發(fā)減排和綠色豐產(chǎn)。

舉個(gè)例子，通過我的計(jì)算，大家可以知道我國東北地區(qū)稻田氨揮發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較低，需要適當(dāng)提高施氮量，保障水稻高產(chǎn)；我國廣東、海南和臺(tái)灣的稻田氨揮發(fā)風(fēng)險(xiǎn)較高，需要嚴(yán)格控制施氮量；我國湖北、安徽和江蘇的稻田氨揮發(fā)總量較大，原因是水稻種植面積大、稻田施肥量高，需要更加注意推廣稻田綠色減排生產(chǎn)技術(shù)。

小助手寄語

當(dāng)前，稻田氨揮發(fā)評估已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，為優(yōu)化稻田氮肥管理、促進(jìn)稻田綠色減排和豐產(chǎn)高效提供了重要支撐。

未來我需要開展變量施肥模式、不同肥料類型、不同施肥深度、不同灌溉制度下的稻田氨揮發(fā)評估模型升級，更加細(xì)致地反映稻田氨揮發(fā)特征；還需要在我目前功能的基礎(chǔ)上，開展不同區(qū)域稻田氨揮發(fā)的地塊級精細(xì)化阻控對策研究，融合肥料緩控釋、高效農(nóng)機(jī)農(nóng)藝等技術(shù)，集成建立稻田綠色生產(chǎn)技術(shù)模式，為我國水稻豐產(chǎn)增效和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供更有力的支撐，敬請期待！