生態文明時代農業工程學科內涵探討

張全國，楊雪梅，王應寬，李文哲,，夏晨曦，徐廣印，茹光明，孫 勇，王艷錦，王振鋒，李 哲

生態文明時代農業工程學科內涵探討

張全國1,2，楊雪梅2，王應寬3，李文哲4,2，夏晨曦2，徐廣印1，茹光明2，孫 勇4，王艷錦2，王振鋒1，李 哲2

（1. 河南農業大學機電工程學院，鄭州 450002；2. 黃河科技學院現代農業工程研究院，鄭州 450006；3. 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；4. 東北農業大學工程學院，哈爾濱 150000）

生態文明時代農業工程學科面臨新的機遇與挑戰。該研究依據生態文明時代的新思想與新要求，提出了生態文明時代農業工程學科新的內涵，探討了農業工程學科研究對象、理論體系和研究方法等學科要素的演變。生態文明時代農業工程學科的研究對象從農業生物系統向農業生態系統拓展、理論體系融入生態文明理念、研究方法應具備系統工程思維，并對國內外農業工程學科探索實踐的事例進行了分析，為社會持續繁榮的農業文化倫理形態提供技術支撐，使農業工程學科成為推進人、自然、社會和諧共生、良性循環、全面發展的科學力量。

農業工程；生態；文明；學科內涵；學科發展

0 引 言

中國的農業工程技術有著悠久的歷史。公元前256年修建的都江堰水利工程，世界最早的有關農業工程技術的著作如《耒耜經》、《齊民要術》等，均見證了中國農業工程在農業文明時代的發展[1]。進入工業文明時代后，現代農業工程學科最早起源于美國，1907年美國農業工程師學會的成立標志著農業工程作為一門獨立工程學科地位的確立，同時也首次提出并使用了“農業工程”一詞。中國的農業工程學科是自1979年中國農業工程學會成立后才得以明確[2]。作為工業文明時代發展的產物，農業工程學科解決了一系列中國工業文明社會中現代農業發展所面臨的工程學難題，并得到不斷發展成熟，在科技創新、人才培養、研究隊伍、平臺建設、交流合作、學術成果等方面取得了巨大的成就，為中國現代農業的發展做出了杰出的貢獻[3-7]。

文明是人類社會進步的標志。人類的發展進程先后經歷了原始文明、農業文明和工業文明，生態文明是人類發展的一個新的文明境界，是工業文明之后的文明形態[8-9]。中國共產黨第十八次全國代表大會提出了走向社會主義生態文明新時代[10-11]。在十九大中也強調了生態文明建設在中國未來的發展中的重要性[12]，這些都標志著中國社會正在從工業文明進入生態文明時代。工業文明開啟了人類現代化生產和生活，但在技術發展的同時也造成了全球性的資源與環境問題，化石能源的過度使用出現了日益嚴重的人類生存危機[13-14]。工業文明時代的高生產率發展觀顯然存在一定不足和問題，人類開始考慮各種生產生活行為對環境的影響[15]，開始考慮在向自然索取的同時如何回報自然、保護自然，這種觀念的改變充分反映了人類文明的進步，也是開啟生態文明建設的必然要求[16-18]。在生態文明時代開啟之時，作為與農業生態環境直接相關的農業工程學科必須在理論上提升認識高度，所有的研究都應該強調人與水、土、綠等資源利用和諧共生的科學倫理觀，把保護自然環境、維護生態平衡上升為倫理道德來認識[19-21]。要在學科建設和人才培養的過程中，以這樣的思想為指導，充分體現社會文明的進步[22-24]。科研方向選擇是否合理，學科建設方向是否正確，學科發展是否有生命力，主要的衡量標準應該是：是否充分地考慮了人與自然的協調關系、是否充分地考慮了生態的正常循環[25-27]。本文根據生態文明時代的新思想與新要求，提出了適應生態文明時代農業工程學科新的內涵，探討了學科新的研究對象、理論體系和研究方法，并分析了國內外農業工程學科探索實踐的事例，幫助農業工程學科在生態文明建設中發揮應有的作用，適應新時代的需求，為構建和諧社會做出貢獻。

1 生態文明時代的農業工程學科內涵

生態文明要求人類按照地球生態系統平衡規律，規范各種生產活動和生活方式，所以農業工程學科的內涵將會發生變化（見表1）。工業文明時代，由于中國農業生產相對落后，農業工程學科以農業機械化、電氣化、水利化等技術為主要研究方向，目的是幫助提高農業生產效率、增加農業經濟收入，經濟與技術是這個時期農業工程學科關注的主要因素。進入生態文明時代，農業工程學科發展的主要目的已轉變為促進人與自然和諧共生，在尊重和維護自然環境的前提下，發展農業的生產和經濟，在關注人與農業發展的同時，更加注重人與自然的關系。農業工程學科不再僅僅關注農業的經濟與技術，農業生態和農業文化等因素也將受到學科發展的重視，并且占據著重要地位。生態文明時代認為改善生態環境和降低資源消耗本身就可以充分發展農業生產力，改善農業生態環境和降低資源消耗就能高質量發展現代農業生產，增加農業經濟收入。中國自古以來的農業文化推崇自然和諧，傳統文化中理想的家庭模式是“耕讀傳家”，既要有“耕”來維持農業生產，又要有“讀”來提高農業科技水平，農業工程學科正是實現“讀”的有力保障，因此農業文化因素正是農業工程學科發展不可或缺的部分。在人類文明的發展過程中，農業工程學科的關注重點將從單一的生存要素向兼顧生產、生活、生態三要素的方向拓展，完成“一生”到“三生”的轉變。學科研究對象要從生物系統向生態系統拓展、理論體系要融入生態文明理念、研究方法要具備系統工程思維，為生態文明時代農業工程學科賦予新的發展內涵。

表1 不同時代農業工程學科內涵演變

1.1 生態文明時代農業工程學科研究對象

農業工程學科在生態文明建設中發展的主要目的產生了變化，學科的研究對象也將隨之改變（見表2）。

表2 農業工程學科研究對象變化

生態文明時代，農業工程學科發展是以人與農業資源、生產、消費構成的生態系統為研究對象，將人、生態、生產等效益的協調統一作為目標，融合現代農業科學技術與優秀農業文化于一體，從生態平衡角度、以系統工程原理分析解決農業工程問題，為社會持續繁榮的農業文化倫理形態提供技術支撐，使農業工程學科成為推進人、自然、社會和諧共生、良性循環、全面發展的科學力量。

工業文明時代，農業工程學科下設農業機械化與裝備工程、農業水土工程、農業生物環境與能源工程、農業電氣化與信息化工程和農業生物系統工程五個學科方向，不同學科方向間關聯性較小，其研究對象和發展特點也各不相同[1]。生態文明時代，農業工程學科的發展需要綜合考慮人、生態、生產等多種因素，所以研究對象也不再局限于某種單一的物質，而是將涉及人、生態、生產等因素的農業資源和農業文化等系統作為一個整體進行研究，不僅要提高勞動生產率，還要追求生態環境的保護、農耕文化的傳承以及人與自然的和諧發展。從單一性向系統性的轉變是生態文明時代農業工程學科研究對象最顯著的變化。

1.2 生態文明時代農業工程學科理論體系

學科的理論體系會隨著研究對象的變化而改變。工業文明下，作為一門交叉性學科，農業工程學科的發展與工程科學、生物科學和管理科學的發展密切相關，支撐其學科的基礎知識體系如圖1所示。

在生態文明時代，有必要重新思考和完善農業工程學科的知識體系。按照生態文明建設賦予的歷史使命，農業工程學科發展需要的理論基礎知識也有了不同程度的改變（如圖2），其中包括：工程科學基礎知識（機械工程、資源與環境工程、計算機與控制工程、大數據工程、信息技術等），農業科學基礎知識（作物學、生態學、農業系統學等）和人文社會科學基礎知識（農林技術經濟學、農商管理、農耕文化學、農業生態文明學等）。

不論在工業文明還是生態文明時代，農業工程學科都是一門以數學、化學、物理、生物等自然學科為基礎的交叉性學科，機械工程、環境科學與工程、計算機科學與技術、作物學、管理科學與工程等基礎知識始終都是其需要主要學習掌握的內容。在工業文明時代，提高農作物產量和農業生產效率，解決人民的溫飽是當時面臨的主要問題，農業工程學科的知識體系主要以機械類工程技術為基礎，大力發展農業機械化、水利化和電氣化，勞動、生產、技術是學科的主要發展要素。進入生態文明時代后，中國農業工程化水平已經取得了巨大的進步，人民的生活水平逐步得到提高，如何保障農業與自然的和諧發展成為農業工程學科面臨的新問題，因此學科知識體系中需要加入農業生態文明工程、農業生產系統規劃、農業文化傳承與發展等相關學科基礎知識。隨著農業工程學科體系的成熟，運用系統工程的方法解決農業工程問題會大大減少農業發展中的人工成本。因此，生態文明時代農業工程學科的知識體系新加入了農業生態工程和農業文化等基礎知識。此外，隨著物聯網技術、人工智能技術以及航天航空技術等科學技術的進步，農業工程也逐漸向人與自然高度和諧的智慧農業方向發展，這些先進的科學技術都對中國農業科技進步和農業工程學科完善起到了十分重要的作用，因此生態文明時代農業工程學科知識體系也需增加大數據工程、航空航天工程等基礎知識[28-30]。

通過知識體系的完善，進一步拓寬農業工程學科視野，從生產系統拓展到生態系統，從單一裝備研發向系統模式構建發展，使農業工程學科在生態保護與改善方面起到宏觀指導作用。在人才培養方面要進行生態倫理教育，培養用生態眼光審視農業科研行為的能力、用生態眼光規劃農業裝備企業研發方向的指導能力、用生態眼光規范水、土、綠資源科學合理利用的指導能力，成為推進人、自然、社會和諧共生、良性循環、全面發展的重要力量，為弘揚農業文化做出貢獻。

1.3 生態文明時代農業工程學科研究方法

學科的發展離不開研究方法的支撐，農業工程學科的研究方法會隨著進入生態文明時代而改變（見圖3）。工業文明時代，農業工程學科以試驗科學為主導，多采用試驗、定量分析等研究方法，由于受到當時的科學技術的限制，經常需要進行大量重復性試驗，或到條件艱苦的野外進行實地測試，研究對象的單一也會使各研究方向的最新成果無法實時共享。生態文明時代，先前的研究方法仍會繼續沿用，隨著“互聯網+”現代農業概念的提出[31-32]，農業工程學科的主導將轉變為“互聯網+”科學，借助移動互聯網、物聯網、智能制造等新一代信息技術的發展[33-34]，大大提高以往研究方法的效率。生態文明時代農業工程學科需要綜合考慮人、生態、生產等多種因素，同時加入了農業文化要素，以整個生態系統為研究對象，運用系統工程的思維進行科學研究，因此研究方法多采用系統科學、數值模擬、大數據、云計算等方法。生態文明時代，農業工程學科的主導從試驗科學轉變為“互聯網+”科學，研究方法得到了補充和完善，推進了學科的可持續發展。

生態文明時代，農業工程學科提出新的研究對象，應用新的研究方法，形成新的理論體系，解決在生態文明時代農業生產發展中遇到的新問題。農業工程學科研究重點從傳統農業工程技術向整個農業生態環境系統和農業文化系統發展，農業工程學科也不再是傳統農業機械化及其自動化、農業電氣化、農業建筑環境與能源工程、農業水利工程、農業智能裝備工程、土地整治工程等二級學科的簡單疊加，而是將這些學科互相協調配合，在確保文化傳承和綠色發展的前提下，研究與現代農業產業發展相關的工程理論、技術、裝備和設施，統籌規劃農業工程的研究發展，從而轉變為一門具有農業領域鮮明特色的工程類學科。生態文明時代的農業工程人不再單純的是一名農業機械裝備的設計生產者或農業能源的開發者或農業水土的治理者，而是將農業的裝備、環境、資源、文化等生產因素進行整合，成為一名農場的規劃者，對農業生產中遇到的不同問題進行經營與管理。

2 農業工程學科發展與建設

2.1 農業工程學科發展趨勢

農業工程學科的發展順應社會的需求。當歐美各國相繼實現農業現代化后，傳統農業工程學科理論體系已經不能滿足其社會發展需求，在第三次科技革命的推動下，借助電子計算機、生物工程、新能源新材料等先進技術為學科發展帶來了新機遇[35-37]。20世紀90年代國際上農業工程學科開始從原來基于應用的工程類學科向基于生物科學的工程類學科轉變。美國農業工程師學會更名為美國農業與生物工程師學會、加拿大農業工程學會更名為加拿大生物工程學會、歐洲農業工程大學研究聯盟更名為歐洲農業與生物工程教育和研究聯盟，美國多所高校也將農業工程系改為生物系統工程系、生物資源工程系、農業與生物工程系等名稱[38-39]。從農業工程學科在發達國家的發展實踐中不難看出，“生物系統”、“資源環境”等詞與農業工程學科聯系越來越緊密，生態環境因素已經在農業發展中占據著重要地位[40]。

中國農業工程學科的發展也在不斷進行著探索[41-43]。隨著社會的發展和科學技術的進步，中國農業工程學科的地位、服務范圍和對象發生了很大的變化，多所高校也在不斷嘗試農業工程學科的新理念，如浙江大學在繼續加強建設農業工程傳統學科的前提下，進行了二級學科的探索，率先在全國設立了生物系統工程本科新專業[44-45]。中國的農業工程學科也逐漸向生態平衡、環境保護以及社會經濟的可持續方向發展。學科融合資源環境、生物科學和信息技術，為生物的生產、加工與資源的合理利用服務，關注改善生物生產手段和生物生長環境；設計提高人們生活質量的生物系統；為生物資源的合理利用提供先進的工程技術支持[46-47]。

2.2 農業工程學科應用探討

在生態文明時代，農業工程學科擁有了新的內涵，工業文明時代的農業工程學科已經無法滿足當今農業生產的需求。為了推進生態文明時代農業工程學科的發展，2017年河南農業大學與黃河科技學院深度合作，以農業工程學科新的內涵思想為指導，共建了現代農業工程研究院。現代農業工程研究院是以生態文明建設中的農業工程學科理論與工程技術為主要研究方向的共建科研機構，充分發揮公辦和民辦高校各自的優勢，形成了特色鮮明的不同辦學層次相結合的現代農業工程協同教育模式，推動農業工程學科從工業文明向生態文明的轉變。現代農業工程研究院通過資源整合共享，按照生態文明建設理念，圍繞現代農業發展中的工程技術以及生態文明建設問題開展可持續研究，以社會經濟持續繁榮為基本宗旨研究構建生態平衡系統模式并實踐示范，同時探索農業文化倫理形態形成途徑，推動生態文明時代農業工程學科的科學研究和人才培養。

自然界生態平衡是指植物生長、動物利用、微生物還原過程中物質與能量的平衡，植物生長消耗土壤養分及水和二氧化碳，將無機質轉化為有機質，動物利用植物從有機質到有機質，物質性質沒有發生變化，地球表面有機質之所以沒有堆積如山就是因為微生物的還原作用，將有機質轉變為無機質，從而達到平衡[48-49]。在工業文明以前這個過程是平衡的，由于工業文明時代化肥和石化能源的使用，植物生長和動物利用過程中的一部分有機質沒有通過微生物及時還原回到土壤，造成環境污染土壤退化，這個平衡遭到了破壞[50-51]。因此生態文明時代農業工程學科需要研究開發農業廢棄物的資源化循環利用技術，利用現代生物技術和工程技術強化微生物還原，并及時回歸土壤補充植物生產過程所消耗的營養，減少化肥和石化能源的使用，從綠色環保的角度出發，按照圖4表示的物質與能量循環規律，建立農業生產、農產品流通和消費的廢棄物回收儲運體系，為循環利用提供資源保障，恢復生態平衡。此外，還需要開展人與自然和諧共生的工廠化農業，通過工廠化農業進行不依賴于外部能量的資源化循環利用試驗，構建局部生態平衡系統，建立資源化技術集成開發的科研實踐基地、農業工程本科生及研究生的實驗實習基地、農業文化倫理形態物化說明的教育基地。探索一條農業資源高效利用與生態文明建設協調發展的新途徑，推出一批現代農業工程技術標志性成果，推動現代農業向綠色、環保、可循環方向發展。

3 結 論

生態文明時代農業工程學科擁有了新的內涵，學科的研究對象、理論體系、研究方法都發生了相應的改變。農業工程學科以人與農業資源、生產、消費構成的生態系統為研究對象，在關注農業生產的同時，更注重人與自然的和諧共生關系；理論體系融入生態文明理念，為弘揚農業文化做出貢獻；將研究方法進行了補充和完善，新加入了系統科學、數值模擬、大數據、云計算等研究方法。通過對國內外農業工程學科發展趨勢分析，表明了生態文明時代農業工程學科新內涵的發展理念符合社會進步的需求，可為進一步豐富和完善農業工程學科理論體系提供科學參考，使生態文明時代農業工程學科成為推進人、自然、社會和諧共生、良性循環、全面發展的重要力量。

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Discussion on the connotation of agricultural engineering discipline in the eco-civilization era

Zhang Quanguo1,2, Yang Xuemei2, Wang Yingkuan3, Li Wenzhe4,2, Xia Chenxi2, Xu Guangyin1, Ru Guangming2, Sun Yong4, Wang Yanjin2, Wang Zhenfeng1, Li Zhe2

(1.,,450002,;2.,,450006,;3.,100125,;4.,,150000,)

Various production and living activities have posed a great impact on the natural environment in the era of ecological civilization. It is necessary to consider how to implement nature restoration and protect while taking from it. Most studies and state-of-art technologies have been developed for resourceful recycling of agricultural wastes, with emphasis on the modern biotechnology and engineering to enhance microbial reduction. This recycling allows for the timely replenishment of nutrients that consumed by the plant production, while reducing the use of chemical fertilizers and fossil fuels. We need to bring ecological balance back. This change of concept fully reflects the evolution of human civilization, where the construction of ecological civilization is highly demanding. Correspondingly, the agricultural engineering discipline is directly related to agricultural ecology and environment, thereby also needs to raise the height of understanding in theory. The scientific ethical concept of harmonious coexistence can be emphasized between human and water, soil, green and resources utilization. A discipline standard can also be recognized as the protection of natural environment and the maintenance of ecological balance. Therefore, the main purpose of agricultural engineering discipline has been changed to promote the harmonious coexistence between human and nature. Chinese cultural factors are also precisely integrating to one of the most important part of agricultural engineering. Consequently, the discipline of agricultural engineering should develop the agricultural production and economy under the premise of respecting and maintaining the natural environment. At the same time, the agricultural development needs to focus on some factors between human and nature, such as agroecology and agricultural culture. The research focus of agricultural development can be extended from a single element of survival to three elements of production, life and ecology. As such, the agricultural engineering discipline in the era of ecological civilization is facing new opportunities and challenges. In this study, a new connotation of agricultural engineering discipline was proposed according to the new ideas and requirements of ecological civilization, including the research objects, theoretical systems, and research of agricultural engineering disciplines. Specifically, the object of study in the discipline of agricultural engineering can be taken the ecosystem, consisting of human and agricultural resources, production and consumption in the era of ecological civilization. It has expanded from agricultural biological systems to agricultural ecosystems. The theoretical system has incorporated the concepts of ecological civilization and agricultural culture. The scientific research has been supplemented to strengthen the cutting-edge fields, such as system science, numerical simulation, big data, and cloud computing. The agricultural engineer in the era of ecological civilization is no longer simply a designer or producer of agricultural machinery and equipment, or a developer of agricultural energy, or a manager of agricultural water and soil. In essence, a modern agricultural engineer has become a farm planner to manage the various risks encountered in agricultural production, particularly integrating agricultural equipment, environment, resources, culture, and production factors. In addition, a future direction was addressed for the construction of agricultural engineering discipline using some examples from the international exploration and application. The results demonstrated that the needs of social progress was met in the development concept of the new connotation of agricultural engineering discipline in the era of ecological civilization. The finding can provide a promising scientific reference to further enrich the theoretical system of agricultural engineering disciplines, while a potential technical support to the ethical form of agricultural culture for sustained social prosperity. Consequently, the agricultural engineering discipline can be expected to become a scientific driving force for the advance of harmonious coexistence, virtuous cycle, and comprehensive development of human, nature and society.

agricultural engineering; ecology; civilization; discipline connotation; discipline development

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.035

S2

A

1002-6819(2021)-10-0293-06

張全國，楊雪梅，王應寬，等. 生態文明時代農業工程學科內涵探討[J]. 農業工程學報，2021，37(10)：293-298.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.035 http://www.tcsae.org

Zhang Quanguo, Yang Xuemei, Wang Yingkuan, et al. Discussion on the connotation of agricultural engineering discipline in the eco-civilization era[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 293-298. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.035 http://www.tcsae.org

2020-09-14

2021-03-10

河南省高等學校新農科研究與改革實踐項目“農業工程專業協同育人改革與實踐”（2020JGLX151）

張全國，博士，教授，博士生導師，農業農村部可再生能源新材料與裝備重點實驗室主任，中國農業工程學會副理事長，研究方向為農業工程專業。Email：zquanguo@163.com