减少农业产生的温室气体排放 (GHG) 和氮水污染是美国的首要环境优先事项。实现气候目标的关键是帮助生产者驾驭碳市场，同时也有助于保护环境和提高农场收入。
明尼苏达大学研究团队开发的一种新工具允许农民创建任何氮减排计划的预算资产负债表，并查看经济和环境成本、回报和利润，所有这些都针对他们管理的田地进行定制。
“考虑到这些数字，农民可以就氮减排做出更明智的决定，这不仅可以为他们节省资金，还可以显着减少对环境的污染物，”领导这项研究的金哲农说，他是农业部的助理教授。食品、农业和自然资源科学学院 (CFANS) 的生物产品和生物系统工程 (BBE)。
以前的工具不允许对美国玉米带中的每个田地进行定制预测，因为大规模运行这些作物模型的计算和存储成本将非常昂贵。
正如发表在 IOPscience 上的一篇文章所述，研究团队构建了一系列基于机器学习的元模型，这些元模型几乎可以完美地以更快的速度模拟经过良好测试的作物模型。使用元模型，他们生成了数百万个情景模拟，并研究了两个基本的可持续性问题——缓解热点在哪里，以及在不同的管理情景下可以预期的缓解程度。
“我们将农业生态系统可持续性的四个模拟指标——产量、N2O 排放、氮浸出和土壤有机碳的变化——合成为经济净社会效益，作为确定缓解热点和不可行土地的基础，”Taegon Kim 说，CFANS BBE 部门的研究助理。社会效益包括从温室气体减排中节省成本，以及改善水和空气质量。
“通过提供与上游作物生产相关的关键可持续性指标，我们的元模型可以成为食品公司量化其供应链中的排放量并区分缓解方案以设定可持续性目标的有用工具，”可持续系统管理和CFANS BBE 部门的国际商务管理。
这项在美国中西部玉米带进行的研究发现：
减少 10% 的氮肥导致 N2O 排放量减少 9.8%，氮流失减少 9.6%，代价是土壤有机碳消耗增加 4.9%，但在研究区域内仅减少 0.6% 的产量。
估计年度社会福利净总额为 3.95 亿美元(不确定性从 1.14 亿美元到近 13 亿美元不等)，其中包括通过避免温室气体排放和水污染节省的 3.34 亿美元、减少使用化肥的 1 亿美元以及由于产量损失。
超过 50% 的净社会效益来自 20% 的研究区域，因此可以被视为应优先采取行动的热点。
“我们的分析揭示了可以在不影响产量的情况下减少过量氮肥的热点，”金说。“我们在一些地方注意到，减少与氮相关的污染是以消耗土壤中的有机碳为代价的，这表明其他再生实践，如覆盖作物，需要与氮管理捆绑在一起。”
未来，该团队将扩展本研究中提出的框架，并通过基于过程的模型、人工智能和遥感的结合，开发更先进、更准确的碳鉴定模型。
这项研究由明尼苏达大学 AGREETT 计划、美国国家科学基金会和美国能源部高级研究计划署能源署 (ARPA-E) 资助。
