《npj Sustainable Agriculture》：Reviewing the evidence on precision agriculture and environmental sustainability
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本文针对精准农业(PA)环境效益缺乏系统实证证据的问题，研究人员通过对444篇文献的系统综述，发现54篇田间试验研究中45篇证实了PA在减少化肥、农药使用等方面的环境效益，但研究存在地理局限性和短期性。该研究为科学评估农业技术创新环境效益提供了重要方法论参考。
在全球粮食安全与资源保护的双重压力下，农业领域正迫切寻求能够同时提高产量和减少环境影响的解决方案。精准农业(Precision Agriculture, PA)作为农业技术创新的代表，被广泛宣传为应对这一挑战的关键途径。通过利用传感器、全球定位系统(GPS)和数据分析等技术，PA旨在实现农业投入品的精准管理，从而提高资源利用效率。然而，尽管PA的环境效益在学术文献和商业宣传中被普遍断言，但支持这些主张的实证证据却鲜有系统总结。
在这项发表于《npj Sustainable Agriculture》的研究中，Sarah-Louise Ruder等研究人员对2000-2022年间发表的444篇英文文献进行了系统综述，特别关注了54篇提供田间试验或模型证据的研究，以实证评估PA与环境可持续性之间的关联。
研究人员采用系统综述方法，遵循ROSES(RepOrting standards for Systematic Evidence Syntheses)标准，检索了Scopus、Web of Science和Green File三个数据库。搜索策略聚焦于PA与环境指标的关系，包括化肥、农药、水资源使用减少，以及土壤质量改善和温室气体(GHG)排放降低等。最终82篇文献符合纳入标准，其中54篇提供了田间试验证据。
研究结果显示，在54项田间试验中，45项(83%)证实了PA的环境效益。变量施肥技术(Variable Rate Technology)在谷物种植中证据最为充分，14项研究中有12项显示化肥使用量减少。智能喷洒系统在果园环境中表现出色，农药使用量平均减少28%-72%。遥感技术和传感器应用也在提高肥料利用效率方面展现潜力。然而，9项研究(17%)未发现PA环境效益的证据，甚至在某些情况下PA可能导致负面环境影响。
值得注意的是，研究揭示了学术圈存在“PA与环境可持续性存在必然联系”的未经证实的假设。许多论文在缺乏实证支持的情况下断言PA的环境效益，这种现象在引言部分尤为常见。此外，现有研究存在明显局限性：地理分布不均(超过三分之一集中在美国)、试验周期短(平均2.5年)、对小规模农场和特定农业系统(如果蔬、有机农业)关注不足。
这项研究的意义在于首次系统评估了PA环境效益的实证证据基础，为政策制定者和投资者提供了科学依据。研究人员呼吁未来研究采用更全面的可持续性定义和评估框架，扩大研究地理范围和时间尺度，并纳入农民参与的实地试验方法，以更全面理解PA在不同农业系统中的实际环境影响。
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PA技术 |
农场类型 |
减少化肥使用 |
减少农药使用 |
减少除草剂使用 |
减少水资源使用 |
改善土壤质量 |
减少温室气体排放 |
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变量施肥技术(14项研究) |
谷物(5) |
5 |
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2 |
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1 |
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果园(3) |
3 |
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其他(6) |
4 |
1 |
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3 |
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环境效益的实证证据显示，不同PA技术在不同农业环境中效果各异。变量施肥技术主要应用于谷物农场，通过基于土壤和作物传感数据的精准施肥，实现了化肥使用量4%-37.4%的减少。智能喷洒系统则特别适用于果园和葡萄园，通过实时调整喷洒量，显著降低了农药使用。遥感技术和传感器应用通过监测作物生长状况，为精准管理提供了数据支持。
研究发现，农场规模和作物类型是影响PA环境效益的重要因素。大规模谷物农场(大于75公顷)更容易从PA投资中获益，而小规模农场的应用潜力尚未充分探索。果园环境中的PA应用显示出最高的农药减少比例，这与树木作物的特定生长模式和管理需求密切相关。
在讨论部分，作者强调了明确可持续性定义和评估框架的重要性。当前研究多侧重于资源使用效率的单一维度，而未能涵盖可持续农业的社会、经济和生态多重要素。美国农业部(USDA)将可持续农业定义为“满足人类食物需求、增强环境质量、有效利用资源、维持农场经济活力并提高生活质量的综合系统”，这一广义定义为未来研究提供了更全面的评估框架。
研究的局限性包括英语文献偏好可能造成的地理偏差，以及搜索策略可能遗漏未使用“精准农业”术语的相关研究。此外，田间试验的短期性限制了对PA长期环境影响的评估能力，而农业系统的复杂性要求更长期的观测周期。
这项研究的意义不仅在于总结了PA环境效益的现有证据，更在于揭示了学术讨论中存在的假设链条和证据缺口。随着数字农业技术的快速发展，科学评估其环境影响对于制定合理的农业创新政策至关重要。未来研究需要更加注重不同农业系统和规模农场的差异化需求，建立多维度的可持续性评估体系，并为农业技术推广提供更具针对性的实证依据。
