區塊鏈技術在農產品流通中應用模式探究

江 雪

一、引言

區塊鏈技術是基于時間戳、Merkle樹形結構、不對稱密碼學、共識機制和智能合約等技術的一種去中心化的分布式賬本數據庫，其核心原理是一種無須第三方參與就能實現多方協作、集體維護的安全加密分布式賬本。2019年10月24日中共中央政治局集體學習時，就區塊鏈技術發展現狀和趨勢進行討論，強調要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展，將區塊鏈技術上升到國家戰略高度，由此，區塊鏈技術應用和產業生態發展進入新階段。

農產品流通是農產品從生產到消費的價值實現過程，它對農業再生產、調節產銷矛盾、維持農業和國民經濟其他部門的產品供需關系等方面，具有重要意義。區塊鏈技術具有去中心化、信息不可篡改、可追溯性、匿名性與開放性等特點，可以解決農產品流通中存在的信息追溯難、運營成本高、交易不透明等問題。隨著區塊鏈技術向農業領域的不斷滲透，其對于推動農業全面改造升級，提高農業信息化水平，轉變農業發展方式將發揮重要作用。

二、區塊鏈研究現狀及在農業領域的應用

（一）區塊鏈研究現狀

區塊鏈技術起初由中本聰在2008年的一篇名為《比特幣：一種點對點的電子現金系統》的文章中提出，基于區塊鏈技術的貨幣體系——比特幣正式落地。比特幣的推行使得區塊鏈去中心化、不可篡改等特點逐漸被接受。2013年，俄羅斯人Vitalik Buterin發布了以太坊白皮書，標志著區塊鏈2.0時代的到來。以太坊是一個公共區塊鏈平臺，其創新是引入智能合約，將條款、規則等轉換成程序代碼，利用程序算法替代人執行合同，無須第三方介入，從而使得區塊鏈從最初的金融支付領域向跨境支付、證券交易等其他金融領域拓展。隨著區塊鏈技術進一步發展，區塊鏈的應用價值也被逐漸挖掘出來，區塊鏈不再局限于金融領域，而是擴大到了社會其他領域，如供應鏈、物聯網、電子政務、醫療和教育等各個領域，區塊鏈進入了3.0時代。如今區塊鏈已經初步形成比較完善的產業分工和生態，截至2020年8月底，全國區塊鏈相關企業達到4.7萬余家，主要分布在金融、供應鏈及溯源等領域，2020年底中國公開的區塊鏈專利數量突破10 000項。據賽迪區塊鏈研究所統計，2020年1-6月的區塊鏈案例數共計164項，并呈現出向多領域拓展的態勢，區塊鏈進入了高速發展階段。

（二）區塊鏈在農產品流通領域的應用

相比區塊鏈在金融領域的深度應用，區塊鏈在農業領域的應用尚處于初級階段。目前，國內外農業領域的應用項目主要集中在農產品供應鏈、農產品溯源、農業金融和農產品交易等方面。其中中南建設與北大荒攜手共推的全球首個“區塊鏈大農場”，利用區塊鏈技術建立了“交易平臺+生產基地+農戶”管理模式的封閉自治農業組織，解決了傳統農產品供應鏈在產品流轉過程中出現的假冒偽劣問題；鏈節時代建立鏈溯源管理系統，整合了與農產品流通相關的種植、生產加工、包裝、物流、銷售過程中的各類關鍵數據，且均勻地存儲于鏈節區塊鏈平臺上；中國農業銀行推出國內首個基于區塊鏈的電商供應鏈融資系統，為“三農”客戶提供線上供應鏈融資服務。區塊鏈技術在農產品流通領域的市場很大，應用很廣，但是前期需要投入大量的技術和資本。而我國的農業基礎薄弱、信息化水平低、資金分散，現階段廣泛應用推廣會有一定困難，況且相關的研究和應用場景也十分匱乏。2020年中央一號文件指出，依托現有資源建設農業農村大數據中心，加快物聯網、大數據、區塊鏈、人工智能、第五代移動通信網絡、智慧氣象等現代信息技術在農業領域的應用，足以說明國家對區塊鏈賦能農村和農業的重視程度，在未來，區塊鏈應用項目必然會逐漸增多。

三、區塊鏈與農產品流通的耦合性分析

（一）傳統農產品流通

傳統的農產品流通環節包括生產、批發、包裝、加工、運輸、倉儲和零售。首先，由農戶進行農產品的種植和養殖；然后經過農產品批發商的篩選，選出符合品質要求的初級農產品；接著由包裝商將初級農產品批量包裝送到加工商處進行二次加工；加工完畢，由運輸商將農產品運到倉庫進行儲存；經過零售商下單后，再由配送中心組織將農產品配送給零售商；最終由終端消費者進行購買并且支付價款，如圖1所示。

圖1 農產品流通環節

農產品的流通鏈條冗長，流通環節多，其中涉及供應商、批發商、零售商、終端消費者等多個主體，在農產品流通中涉及到生產信息、需求信息、流通信息和價格信息等各種信息。由于各個環節的信息沒有公開，信息需求者不能及時掌握，造成了信息不對稱。

由于我國目前很多地區還是以農戶自產自銷為主，農產品規模化、組織化程度低，造成流通渠道進一步拉長，農產品的生產、供應和銷售主體缺乏有效的溝通渠道，農產品生產、交易、物流等環節的效率低下，運營成本高。

農戶對農產品安全質量意識淡薄，農產品質量信息存在大面積“壁壘”，難以追溯和共享，如果有不法商人為牟取私利篡改信息，將對農產品質量安全形成很大危脅。

（二）區塊鏈技術與農產品流通的耦合性分析

區塊鏈技術作為比特幣的底層技術，其本質是一種去中心化的分布式賬本數據庫，所有的參與者將信息以區塊的形式儲存在鏈上，所有的數據由全部參與者共同記錄和維護，具有去中心化、信息透明、數據不可篡改等特點，將區塊鏈技術應用到農產品流通領域，能夠緩解農產品流通過程中的眾多痛點，最大化保障農產品流通的安全與效率。

1.共識機制保障交易公開透明。共識機制是保證區塊鏈系統運行的核心技術，包括工作量證明機制（Pow）、權益證明機制（Pos）和拜占庭容錯機制（PFT）。在P2P網絡中，相互節點通過一個預設機制，使得所有節點最終實現數據的一致性，由不同地理位置或站點組成的網絡，共同治理和分享數據資源，記錄多方交易的往來記錄。參與農產品流通環節的眾多參與者組成一個聯盟鏈，在共識機制的作用下，各節點遵守底層協議框架的內容，將生產、批發、包裝、加工、運輸、倉儲和零售的每一個環節數據存儲于區塊鏈上，有助于打破交易雙方存在的信息不對稱問題，實現信息的公開和共享。在去中心化的網絡中，各種信息和交易不需要中介機構的認證和處理，能夠改變傳統農產品流通環節的效率低下問題，大大降低流通運營成本。

2.加密算法和數字簽名保障數據安全可信。區塊鏈技術采用的是非對稱加密算法，也就是存在著公鑰和私鑰兩種秘鑰，公鑰是對外公開的，任意節點都可以獲得，私鑰由用戶自己保存。在信息加密過程中，發送者利用公鑰對數據進行加密，接收方只有用對應的私鑰才能解密，同時，為了驗證發送者的身份，發送方可以利用哈希算法給私鑰加密，生成一個簽名，接收方使用公鑰對數字簽名進行驗證，建立起節點之間的信任。在農產品的交易環節，信用記錄和協議缺乏透明度是面臨的最大問題，買家和賣家因為信任缺失，導致付款變得具有挑戰性，破壞了交易的正常秩序。加密算法和數字簽名可以保證交易雙方身份信息得到驗證，保障交易數據可以高效地進入目標賬戶，解決了支付環節的可信問題，有了區塊鏈，農產品交易過程就能更加透明和公平，為消費者提供更強的信任感支撐，同時還實現了各個環節的隱私保護。

3.時間戳保障信息可追溯。在區塊鏈上，每個區塊都由區塊頭和區塊體構成，并標記上時間戳。區塊頭記錄上一個區塊的哈希值，包括上一個交易的交易信息和時間戳。時間戳是按時間序列排序的數據結構，賦予時間序列的不可逆性，使得農產品流通過程中常見的篡改、涂抹、虛構交易等造假行為變得困難。農產品生產、包裝、加工、運輸等各個環節的信息被記錄下來，并且蓋上時間戳，可以直觀反映農產品流通中的時間、參與主體、金額及性質，能夠實現農產品流通的全程可溯源，保障農產品的質量安全。

4.智能合約可以實現供應商的選擇與自主交易。智能合約是區塊鏈的一組編碼規則，一旦滿足代碼的要求就會自動執行。在區塊鏈中，參與者在滿足執行條件的情況下，對收到的信息可以進行自動回應，同時進行智能資產的轉移和儲存，沒有第三方干預。在農產品流通環節，將農產品供應商的選擇條件以協議的形式部署在區塊鏈上，一旦有供應商滿足了條件，系統就能發起交易，并進行自動支付，完成清算和交割，從而解決了多次申請、多人審批的問題，達到提高合同簽訂效率、降低運營成本的目的。

四、基于區塊鏈技術的農產品流通應用模型構建

區塊鏈的基礎架構大致可劃分為數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層六大層次（見圖2所示），各個層次封裝了不同的數據結構、驗證機制、共識算法、智能合約和編程接口。結合農產品流通環節，利用區塊鏈技術的核心特點，搭建了基于區塊鏈技術的農產品流通應用模型，實現了多方主體共同參與，集信息共享、智能交易、全程溯源、監督管理為一體的聯盟區塊鏈系統。

圖2 基于區塊鏈技術的農產品流通應用模型基礎架構

（一）數據層

數據層是區塊鏈的底層架構，封裝區塊鏈的數據區塊和鏈式結構，以及非對稱加密算法、時間戳等技術，是所有區塊鏈數據的集合地。在農產品流通領域中，各個環節的數據可以分為以下幾類：農產品生產和加工數據，包括生產加工的環境數據、產量數據、質檢報告、原產地證書等；參與主體數據，包括農戶、批發商、加工商、運輸商、倉儲商的基本信息、組織機構代碼、信用評級等；農產品交易數據，包括產品規格、交易數量、交易價格、交易時間等；物流數據，包括運輸商品信息、運輸車輛及司機信息、運輸時間數據等；出入庫數據，包括出入庫商品、出入庫時間和倉庫信息等；財務數據，包括資金支付方式、支付日期、支付金額等。在區塊鏈系統中，為每件農產品賦予專屬的溯源碼，自動收集各個環節的數據，并實時上傳到區塊鏈上，保證農產品從種植養殖到最終消費所產生的數據都被真實記錄，實現農產品的全程溯源。

（二）接入層

接入層封裝區塊鏈的網絡連接和信息傳播機制，使得系統各個節點之間可以實現不經過中心服務器的信息交互，它是保證區塊鏈系統信息透明的基礎。農戶、加工商、農產品經銷商、運輸商、倉儲商、終端消費者和監管部門，可以通過P2P網絡組成一個聯盟鏈，將具有數字簽名的信息區塊傳到鏈上，通過公鑰和私鑰進行驗證，實現信息的共享。聯盟鏈對農產品的交易信息進行實時廣播，提高公眾的知曉度。

（三）共識層

共識層封裝了各個網絡節點的共識算法，能夠讓各個節點在一個去中心化的環境中對區塊數據達成共識，實現合作。共識層決定了在農產品流通環節哪個節點可以將新的區塊添加到主鏈中。在共識機制的作用下，農戶和加工商將種養業和加工數據打包上傳到農產品溯源平臺，保障農產品質量安全追溯；農產品經銷商將采購清單發布到農產品交易平臺上，進行農產品交易匹配；物流商將農產品運輸數據上傳到農產品配送平臺上，一旦貨物丟失，可以快速追責；金融機構將支付數據上傳到資金支付平臺上，為農產品的流通主體征信提供保障。在基于區塊鏈技術的農產品流通應用模型中，共識層將保障流通過程中信息的安全性和可靠性，從而提高交易處理的質量。

（四）激勵層

激勵層封裝區塊鏈技術的發行機制和分配機制，是為提高區塊鏈中各節點的積極性而提供的一種激勵措施。只要聯盟鏈中各個參與者積極參與區塊鏈的安全驗證，就有機會獲取相應的獎勵，如果某個節點存在違規操作，同樣會受到相應處罰。這樣可以督促各個參與主體遵守交易規則，保障整個系統正常有效運轉。

（五）合約層

合約層封裝了智能合約、腳本代碼和算法機制，是農產品交易平臺判斷執行的標準，用戶可以結合農產品交易規則，在供應商選擇階段，將供應商的評價指標和選擇條件編寫成腳本代碼，通過編程語言生成智能合約，從而選出最合適的供應商。在農產品交易階段，將農產品質量標準和農產品合約條款寫入智能合約，當農產品滿足交易條件時，能夠自動簽訂交易合同，完成農產品交割；在資金支付階段，把交易資金支付條件和支付方式寫入智能合約，當付款申請滿足條件時，系統就能自動完成支付任務，免去了第三方繁瑣的手工審批流程。

（六）應用層

應用層為區塊鏈各參與主體提供實際的應用場景，在農產品流通模型中，由農產品流通主體信用平臺、農產品交易平臺、資金支付平臺和農產品溯源平臺構成。農產品流通主體信用平臺負責農產品流通聯盟鏈參與方的申請和交易雙方信用評價；農產品交易平臺包括供應商的選擇、交易產品的選擇和農產品交易合約的簽訂等；資金支付平臺包括交易雙方資金的管控和交易資金的支付；農產品溯源平臺存儲涉及農產品流通各個環節的數據和信息，供各參與主體進行查詢和監管。五大平臺之間可以通過數據接口實現信息的傳遞和共享，形成多方參與共同管理和維護的區塊鏈聯盟鏈系統（見圖3所示）。

圖3 基于區塊鏈技術的農產品流通聯盟區塊鏈系統

五、結語

區塊鏈的本質是一種無須第三方參與就能實現多方協作、集體維護的安全加密分布式賬本。區塊鏈的技術特征與農產品流通環節存在多重耦合性，能夠緩解農產品流通過程中的眾多痛點，最大化保障農產品流通的安全與效率。文章以區塊鏈技術為理論基礎，結合農產品的流通環節，構建了基于區塊鏈技術的農產品流通應用模型，從數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層分別分析了農產品流通的系統應用。在信息化與農業發展深度融合的背景下，將區塊鏈技術應用到農產品流通領域，能夠實現農產品流通的全程可溯源，保障農產品質量安全，提高流通效率，降低運營成本，創造更大的經濟和社會價值。

基金項目：2020年度河南省重點研發與推廣專項（軟科學研究）一般項目“鄉村振興戰略下河南省農村人居環境治理多元主體協同機制及實現路徑研究”（202400410098）；2021年度許昌學院科研項目：“區塊鏈技術在農產品流通中的應用模式研究”（2021YB035）；2022年度河南省高校人文社會科學研究一般項目 “基于區塊鏈技術的河南省農產品流通創新模式及實現路徑研究”（2022-ZZJH-089）階段性成果。