气候变化、人口增加、生产生物燃料对土地的竞争性需求以及土壤质量下降等，意味着养活世界人口变得愈加困难。

“将纳米科技、人工智能相结合，可以为精准农业提供实用的解决方案，帮助缓解日益严峻的粮食危机。例如，我们可以将现有的营养元素循环、粮食产量等计算模型与纳米信息学结合起来，从而帮助预测并改善土壤健康、提高作物产量与营养利用率 （NUE）”，张鹏博士指出。

图1. 机器学习应用于纳米农业。

由伯明翰大学领衔的国际研究团队制定了一个路线图，将智能纳米农业与人工智能、机器学习相结合，并列出了以下必须的几个步骤，以利用人工智能实现安全、可持续的纳米农用技术：

· 全面理解纳米材料在农业环境中的长期行为及与根际、叶片、土壤等相互租用；

· 全面评价纳米材料在农业生态系统中的生命周期影响，如长期低剂量使用如何影响土壤健康；

· 从系统层面出发，利用土壤质量、作物产量及NUE等已有数据，预测纳米材料在农业系统中的行为；

· 利用人工智能发掘控制纳米材料在农业系统中行为的关键性因素

农业技术创新的主要驱动力是需要以不断减少的农业用地面积养活不断增长的全球人口，同时保护土壤健康和环境质量。农业集约化导致全球 NUE 极低，并对环境质量构成严重威胁，因为大量营养物质流失到水和空气中 – 造成水污染和气候变暖，全球近 11% 的温室气体排放来自农业。

文章共同作者、伯明翰大学Iseult Lynch教授指出，纳米技术在四个关键方面提供了促进农业发展的巨大潜力——提高生产率和作物产量；促进土壤健康和植物恢复力；提高肥料等资源的使用效率，减少污染；开发可以提醒农民注意环境压力的智能传感植物。

图2. 人工智能模型用于评价纳米材料行为与效应的方法流程。

将人工智能和纳米技术整合到精准农业中，将在探索用于肥料和农药输送的纳米材料的性能参数设计方面发挥重要作用，以确保对土壤健康的影响最小，同时可食用组织部分中残留的纳米材料残留最少——有助于确保安全和可持续农业。

“包括人工智能和机器学习在内的计算方法已经开始获得监管机构对纳米材料安全性评估方面的认可，从而可以开发用于消费品和医药的安全设计纳米材料，未来也必将在推动纳米农业发展方面发挥关键作用”，张鹏博士指出。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-021-00946-6