智能技術與農藥

姚建華，徐雯麗，蔣舒仰，黃 迎，胡 靜，李 佳

?

智能技術與農藥

姚建華*，徐雯麗，蔣舒仰，黃 迎，胡 靜，李 佳

(中國科學院 上海有機化學研究所，上海 200032)

在農業生產中，農藥是用于殺死或控制有害生物、控制害蟲行為或生理狀態的一種物質或者幾種物質的混合物及其制劑。顯然，它不但與農業生產關系密切，而且與人類健康、環境、化學、生物、生態和毒理學具有密不可分的關系。智能(或人工智能)技術是為了有效地達到某種預期的目的，利用知識所采用的多種方法和手段。它已在制造業(如汽車、飛機、家電和紡織等)、數據分析、商務和建筑等領域得到實際應用，并顯示出其特有的作用。介紹了智能技術在農藥研究與創制、使用及管理中的應用及作用。

農藥；智能技術；智慧農業；環境保護

2010年11月，糧農組織和世界衛生組織將農藥定義為：在農業生產和農作物存儲過程中，以任何形式的由一個或多個成分組成的混合物及其制劑，且具有殺死或控制有害生物、控制害蟲的行為或生理狀態的功能[1]。農藥的分類方法有多種，如果根據農藥的作用對象來分類，那么農藥主要可分為以下類型：殺蟲劑、殺菌劑、除草劑、除藻劑、防污劑、抗微生物劑、殺線蟲劑、殺螨劑、昆蟲信息素、驅蟲劑和殺鼠劑等[2]。基于農藥的定義，那么，農藥與化學、環境、生態學、生物學、食品安全、人類健康、毒理學等領域的密切關系則顯而易見。

歷史記載顯示，早在公元前2000年，人類就開始使用農藥保護農作物。傳統農業是在自然經濟條件下，采用人力、畜力、手工工具、鐵器等為主的手工勞動方式，靠世代積累下來的傳統經驗發展，以自給自足的自然經濟居主導地位的農業。傳統農業具有低能耗、低污染等特征。

隨著人類社會的發展，傳統農業生產模式已不能滿足人類社會的需求，盡管它具有低能耗、低污染等優點。為了滿足人類社會發展的需求，傳統農業正在向智慧農業轉型。

智慧農業是將物聯網、計算機技術、生物、化學、機械電子、管理學、電子商務等技術應用于農業生產、服務、商業和環保等工作，以實現智能管理和控制，降低農業生產對人力和自然因素的依賴度。智慧農業的主要內容包括：精準管理、精準用藥、環保、資源再利用和農業商務(貿易)。除農業商務外，其他四個方面均與農藥有關。其中，精準管理主要指：根據采集到的信息分析結果與實踐經驗相結合，制定農業生產計劃以及相關的生產方案；精準用藥主要內容包括：實時檢測農作物生產相關的土壤、環境和病害狀況，分析檢測結果，制定用藥方案和合理施藥；環保和資源再利用的工作主要涉及：環境實時監測和分析，及時停止不合理的用藥方案；農用廢棄物的合理處理和利用：研究廢棄物對農業生產的潛在作用，建立使用和利用它們的策略、方法和技術，將它們對環境和生態的危害性降至最低。為此，人們可以認識到智慧農業涉及的生態保護、農作物的產量與安全性和降低對勞動力及自然條件的依賴度等內容，均與農藥的研究與創制、使用和管理關系密切。

可見，與傳統農業的生產模式相比，智慧農業的生產模式的實現和應用，將更有益于國家農業產業發展，對人類健康和環境產生更微弱的不良影響。

智慧農業的實現，除了需要吸取傳統農業中精華部分，還需要智能技術。本文將介紹智能技術在智慧農業中農藥研究和創制、合理使用、精準管理中的應用及作用。

1 智能技術

智能(或人工智能)技術是為了有效地達到某種預期的目的，利用知識所采用的多種方法和手段[3]：如人工智能方法、計算機技術和信息技術等。曹承志教授在其《人工智能技術》[4]一書中，比較全面地列出了智能技術所包含的主要內容，如智能控制、知識表示、知識推理、模糊邏輯、神經網絡和機器學習等方法和技術。

事實上，智能技術在化學研究領域已得到應用，并已形成了對應的學科：化學信息學，它是利用信息學方法和技術，解決化學問題的學科[5]。其中，化學問題主要涉及3個方面：分子設計、合成設計和結構確定。化學信息學的方法主要有3種：基于數據(Data-based，D)、基于邏輯(Logic-based，L)和基于原理(Principle-based，P)。基于數據：即建立多種數據庫管理系統和數據庫，在化學研究工作中利用已收錄的數據；這種方法適用于獲取已報道的信息。基于邏輯：即采用歸納、推理和分類等數據分析方法，將數據庫中的數據轉化成知識，并對知識實施有效的管理，以便于知識合理地應用于化學研究工作；這種方法適用于處理大批量的對象。基于原理：即采用量子化學的理論計算方法，計算化合物的相關性質；這種方法通常用于機理研究[6]。

Viktor Mayer-Schonberger博士等預言[7]：大數據將改變人類探索世界的方法。在小數據時代，人們會假想世界是怎么運作的，然后通過收集數據來驗證這種假想。在不久的將來，人們會在大數據的指導下探索世界，不再受限于各種假想。人們的研究對象是數據，也因為數據，發現了以前不曾發現的關系。這將是知識發現的有效途徑。

2 智能技術在智慧農業中的應用

智慧農業的內容主要包括：精準管理、精準用藥、環保、資源再利用和農業商務(貿易)等內容。其中，生態保護、農作物的產量與安全性和降低對勞動力及自然條件的依賴度等核心內容，均與農藥關系密切。在此，將介紹智能技術在農藥的研究與開發、合理使用和管理中的應用及其作用。

2.1 農藥的研究與創制

眾所周知農藥與農業生產、化學、生物學、生態學、毒理學、環境以及人類健康關系密切。隨著人們對環境、生態保護意識的增強，對人類健康的關注提高，對農藥的評價，已從單純的評價農藥的效力，擴展為既評價農藥的效力，又評價它的環境友好性，對人類和其他生物的可能危害性和毒性。

通常，一個農藥包括活性化合物和助劑兩部分，兩者的本質都是化合物。活性化合物的作用是殺蟲、殺菌、驅蟲、除草、殺螨、殺鼠等，助劑的功能是輔助活性化合物在被作用的生物上產生效力。因此，農藥的研究與創制從本質上講是分子設計工作，即研究農藥對農業生產特定作用，以及對環境產生影響的原因，設計對農作物生長有益，且對人類健康和環境無負面影響的農藥。傳統的分子設計模式，主要依靠靈感和經驗，設計工作的流程如圖1所示。現代的分子設計模式，既充分利用靈感和經驗，又將化學信息學方法和技術用于分子設計工作，其工作流程如圖2所示。

圖1與圖2顯示的2種工作流程的主要區別：后者在合成化合物之前，增加了應用智能技術預測化合物性質的內容，這些性質(如活性，a值，疏水常數和毒性等)與化合物能否成為農藥關系密切。同時，它們也體現了化合物對人類健康和環境的影響因素。從理論上講，這種工作模式的農藥創制效率將比圖1的工作模式高。

圖1 傳統分子設計模式的流程

圖2 現代分子設計模式的流程

在國家科技部基礎研究項目的資助下，建立了若干具有自主知識產權的計算機輔助化合物設計方法和軟件系統[8]，并在此基礎上建立的“農藥的虛擬設計平臺”(如圖3所示)主要由三大部分組成：數據庫、知識庫和軟件(主要功能為：預測和機理研究)。數據庫系統包括：農用化學品數據庫、化合物毒性數據庫、農藥代謝數據庫和農藥靶標數據庫等；知識庫系統包括：代謝知識庫、毒性知識庫和生物活性知識庫；軟件主要包括化合物農藥活性、毒性、代謝途徑預測系統，配體與受體相互作用計算軟件等。這個平臺將信息檢索、性質預測和機理研究3個功能集成在一起。

2.2 農藥的合理使用

不合理的使用農藥將導致對農業生產、環境和人類健康產生不良影響，如病/蟲對農藥產生抗藥性，農藥本身或其代謝物積聚到一定程度，對環境和人類健康產生不良影響。因此，在農業生產中，根據農作物生長及其儲運過程的實際情況，制定合理的使用方案尤為重要。目前，人們主要依靠經驗制定農藥使用方案，但其局限性已逐步顯示。智慧農業關注的內容：生態保護和農作物安全性，均與農藥的合理使用密切有關。因此，在制定農藥使用方案時，應該將土壤使用、施藥、土壤成分、環境和病害等諸多信息集成一體，采用“經驗+智能技術”的策略和方法，對信息進行綜合分析，制定合理的用藥方案，并采集用藥后的藥效信息、環境、土壤成分等變化信息，動態優化用藥方案。

圖3 農藥的虛擬設計平臺

2.3 農藥的精準管理

眾所周知，任何事物都有兩面性。農藥在農業生產中發揮重要作用的同時，也存在著不可忽視的危害和危險性：如因誤用而危及人的生命，存放或排放而污染環境或危害生態。這就要求管理者實時了解農藥使用、存放和排放的信息，掌握相關事故的處理方案，即判斷對環境影響。因此，智慧農業的實現需要農藥管理的精準化。

農藥的精準管理是一個以量化管理為基礎，不斷改進為循環，以農藥管理(使用、存放、排放、生態、環境等方面)為單元的管理模式。“精”主要指簡化、易操作，降低農藥管理成本，提高管理效率和結果的質量；“準”主要是指農藥管理產生問題的真正原因、解決措施、實施方案、責任歸屬等，影響管理結果的各種因素、解決措施、實施方案、責任歸屬等；即“準”就是要量化、細化、可操作化。

為此，人們可以認識到傳統的人工管理方法難以滿足農藥精準管理的要求。由于智能技術可以實現實時采集農藥的存放、排放、使用及使用效果的信息，分析和發布相關信息，及時優化管理方案，即可以滿足農藥的精準管理要求，實現農藥的精準管理。

3 結 論

本文簡要闡述了智慧農業實現中，智能技術在農藥研究與創制、使用及管理中的應用及作用。化學信息學方法和技術是化學領域的一種智能技術。其中，基于數據的方法，可提高已有試驗數據的使用效率；基于邏輯的方法既有效利用了已有的試驗數據，又從數據中獲得知識，利用知識推理，實現化合物的性質預測。預測技術是對數據庫信息的一種有效擴充。

隨著計算機科學與技術、信息科學的發展，智能技術將有效促進目前的農業生產模式轉向智慧農業的生產模式，實現農業領域的智能管理、智能設計和智能制造。

[1] FOOD AND AGRICULTURE ORGANIZATION OF THE UNITED NATIONS, WORLD HEALTH ORGANIZATION. Manual on development and use of FAO and WHO specifications for pesticides[M]. Rome: 2010.

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Pesticide.

[3] 中國科學院計算技術研究所智能信息處理重點實驗室智能科學課題組. 智能技術[EB/OL]. [2017-10-2]http://www.intsci.ac.cn/tech/.

[4] 曹承志. 人工智能技術[M]. 北京: 清華大學出版社，2010.

[5] J. GASTEIGER, T. ENGEL. Chemoinformatics, a textbook[M]. Germany: WILEY-VCH, 2003.

[6] 中國科學院上海有機化學研究所計算機化學課題組. 學科介紹[EB/OL]. [2017-10-2] http://202.127.145.116/xkjs.htm.

[7] EDS. VIKTOR MAYER-SCHONBERGER, KENNETH CUKIER, JOHN MURRAY. Big Data: a revolution, that will transform how we live, work and think[M]. UK, 2013.

[8] 中國科學院上海有機化學研究所計算機化學研究小組. [2017-10-2] http://202.127.145.116.

Intelligent Technology and Pesticide

YAO Jianhua, XU Wenli, JIANG Shuyang, HUANG Ying, LING Min, HU Jing, LI Jia

(Shanghai Institute of Organic Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Shanghai, 200032, China)

Pesticide could be used to kill or control pests (insecticides, fungicides, herbicides, etc.) but, for the present purposes, it also embraced certain materials to control the behaviour or physiology of pests (e.g. insect repellents and insect growth regulators) or of crops during production or storage. Obviously, pesticide has close relationships not only with agriculture but also with chemistry, environment, ecology, biology, food safety, public health, toxicology and etc. Intelligent technology involved various methods and means which were used to achieve some desired purpose effectively. It had been applied in several manufacturing domains (i.e automobile, aircraft, household electrical appliance and textile, etc.), data analysis, business and architecture and played a key role. Herein, the role and application of intelligent technology in study, development, application and management of pesticide would be presented.

pesticide; intelligent technology; intelligent agriculture; protection of environment

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.05.01

TQ450

A

1009-6485(2017)05-0001-03

姚建華(1963—)，女，研究員，博士，研究方向：化學信息學方法與應用研究。E-mail: yaojh@mail.sioc.ac.cn。

2017-09-30。