□徐菀葶,巫凡昕,丁 松,王藝璇,李 丹
(南京林業大學經濟管理學院,江蘇 南京 210000)
2021 年,習近平總書記在全國脫貧攻堅總結表彰大會上著重強調,要加快農業農村現代化步伐,促進農業發展質量、鄉村就業環境、農民生活水平等全面提升。此外,相關政策文件也為數字農業轉型提供了強有力的支持。
農業數字化作為推進農業現代化的重要路徑,在優化農業資源配置、提高農業生產力等方面發揮著積極作用,是我國踐行鄉村振興戰略的重要發力點。基本實現農業現代化是我國2035 年的遠景目標之一,數字農業進步對我國實現社會主義現代化具有深遠意義。當前,我國數字農業仍處于起步階段,機遇與挑戰共存,農業數字化進程仍需不斷推進。
數字農業整體發展迅猛,主要集中在大數據滲透農業全產業鏈條、智能化、無人化裝備應用等領域。我國數字農業起步較晚,尚處于探索階段,缺乏經驗且技術尚不成熟,發展速度緩慢[1]。當前,我國數字農業生產技術與裝備、智慧養殖生產、智慧物流、基于大數據的信息服務等技術在農業生產各環節已經得到初步應用。
在數字農業發展中,仍存在科研體系不健全、科技轉化率低、基礎設施建設薄弱、區域發展不均衡及成本收益不平衡等短板。因此,有必要探討數字農業發展面臨的問題及相應對策。區塊鏈技術作為我國七大數字經濟重點產業之一,其能否解決數字農業發展中存在的問題,通過什么方式解決數字農業發展困境是本研究的重點。
數字農業(Digital Agriculture)是指基于地理信息化、集約化的現代農業生產和管理技術,具有彌補傳統農業分散性高、規范性差、破壞性大等特點[2]。隨著農業信息技術的蓬勃發展,全球廣泛掀起農業信息化推動農業現代化的“技術改革”熱潮[3]。國外部分學者對數字農業的研究聚焦于信息化技術,即利用遙感(RS)、模擬模型等現代科學技術對農作物的產前或產中環節實施精準監測和控制,使農作物高質高產[4]。但更多學者探究數字農業在現實應用中的機遇和挑戰,對以農業為主要產業的發展中國家展開相關案例分析[5-7]。
以習近平同志為核心的黨中央始終高度重視我國“三農”問題。自2018 年我國實施數字鄉村戰略以來,國內學者圍繞“數字農業”展開了深入研究。我國基本國情決定了國內小農眾多且長期存在的現狀,傳統農業的經營格局呈現規模小、分布散的特點[8]。數字農業有利于推動農業從粗放經營轉向精細生產,具體表現在農業生產活動中各環節、各要素的數字化和集約化,適應我國現代農業的轉型升級[9]。農業科技不斷進步,同時國外數字化農業已有實踐先例,表明我國以鄉村振興戰略為抓手,大力發展數字農業是必然趨勢。
我國在創新技術領域的投入和成果仍處于較低水平,約有80%的技術跟跑國際水平[10]。此外,在我國數字農業發展過程中,城鄉二元發展導致的“數字鴻溝”[11]、土地細碎化經營、農村勞動力結構老齡化[12]等問題仍然存在。為進一步突破數字農業發展瓶頸,政府部門需要夯實基礎設施建設,加大對涉農要素供給的支持力度[13],總結推廣農業建設試點的模式和經驗。基于前人的研究,在農業信息化水平、鄉村數字經濟等方面構建出的評價指標體系對各地數字農業發展水平的考核與評價具有一定的指導意義[14-15]。
區塊鏈技術起初是為比特幣等加密貨幣開發的分布式記賬系統[16],早期僅應用于金融領域。近年來,區塊鏈嵌入數字農業的發展模式嶄露頭角。區塊鏈技術具有開放透明、去中心化、防篡改等特征[17],能夠精準打擊農業領域中產品信息溯源難、金融服務不充分、農業保險評估難等痛點[18]。農產品從農田到餐桌的過程經歷巨大的時間和空間跨度,然而其中各環節消息閉塞,監管困難,容易發生產品質量和消費者信任危機問題[19]。
區塊鏈技術能夠確保數據的真實性、可靠性,有效提升農產品的生產效率、質量安全及經濟效益[20]。數字農業在基礎設施、技術研發、服務平臺搭建等方面都存在資金需求,傳統的信貸服務程序煩瑣,效率低下,導致農業經營主體融資困難[21]。根據區塊鏈技術在金融領域不同場景的應用可以得知,區塊鏈技術在降低成本的同時,具有提高效率和增加信息安全性的作用[22]。由于災害具有不可預知性,農業保險在農業生產活動中十分重要。保險欺詐、證據失真等問題限制了農業保險的高質量發展[23]。制訂區塊鏈技術協議,重塑農業保險管理體系,能為保險公司節省人力資本,提升服務效率,確保客戶的信息安全[24]。
現階段,國內外學者對數字農業領域的研究仍存在不足。一是對區塊鏈嵌入數字農業的探討大多聚焦于產前環節,針對產業鏈上其他環節尤其是產中環節的研究較為薄弱。二是現有研究以理論層面的定性分析為主,缺乏對實踐效果的案例探討,數字農業試點地區的運作機制尚未形成系統理論,導致其他地區難以獲取經驗,發展受限。文章通過構建信息可視化理論框架,結合具體案例,深入分析區塊鏈嵌入數字農業產業鏈全過程的實際應用表現,希望能為我國農業現代化的穩步發展提供參考。
科學技術的高速進步推動社會日益向信息化發展,同時帶來大量抽象復雜的信息。為提高工作效率,人們需要將紛繁復雜的信息轉化為貼合人類行為、能夠又快又準地被終端接收的信息,以達到獲得優質結果的目的[25],可視化技術由此誕生。信息可視化的發展經歷科學計算可視化、數據可視化、信息可視化、知識可視化四個階段[26]。1989 年,Robertson 等人首次介紹信息可視化(Information Visualization)理論內涵。信息可視化是對多維非空間信息的圖像表示,通過繪制具體直觀的圖像,加深用戶對信息含義的理解[27]。隨著計算機科學技術以及統計、圖形、視覺傳達設計等學科的迅速發展,信息可視化設計應運而生,因此信息可視化是交叉性、綜合性的。目前,信息可視化在經濟、金融、管理等領域廣為應用,例如利用決策樹、數據挖掘、企業流程再造等信息可視化技術滿足管理活動過程中科學決策與風險控制需要,大大提高管理的運行效率。
信息可視化過程可分為三個階段[28]。一是數據預處理。獲取數據后將源數據整理加工成簡潔、清晰的信息,以便分塊制圖。二是幾何圖像繪制。根據位置、色彩、方向、尺寸等項目區分可視化變量,建立邏輯關系,豐富可視化圖像對基礎信息的表達。三是顯示與交互。輸出顯示已按照模塊繪制好的圖像,將信息反饋至軟件層,實現人機交互。
信息可視化理論在管理學領域采用數據挖掘、知識創新的技術手段,輔助科學決策、梳理工作流程。區塊鏈技術的主要特點是去中心化,適用于各環節分散、信息閉塞的農業生產活動,可以解決阻礙數字農業高質量發展的瓶頸問題。基于信息可視化理論框架,梳理區塊鏈嵌入數字農業的運作流程,形成信息準確、邏輯清晰、條理化強的圖像,深入分析區塊鏈在數字農業實際應用中表現出的驅動作用。
采用信息可視化技術有利于提高區塊鏈數字農業產業鏈上各環節的效率,包括產前信息、產中監管、產后銷售等(見圖1)。產前階段,向各級農業農村局及網絡平臺等組織收集土地、農戶、農資、金融機構等資源信息,對其進行預處理,隨后建立數據庫,將相應信息進行匹配,賦予每一塊土地專屬“身份證”;對農戶的投保信息、土地流轉情況等進行整合,提高金融信貸、土地利用、農業保險等方面的管理效率。產中階段,充分利用無人機、遙感衛星等技術,配合使用物聯網、云計算、人工智能等手段,采集農作物生產過程中自然氣候、生長狀況等數據,利用看板管理、目視管理等方式記錄農作物在不同環境下的指標差異以及不同環節中的生長狀況,借助數據分析建立農作物生長數字化模型,為農戶提供先進的栽培技術與管理措施。產后階段,為產品打造專屬二維碼,供消費者追溯產品源頭,有效保障食品安全質量;通過直播電商、新媒體宣傳等方式促進農產品銷售,帶動農民探索新型發展路徑。

圖1 區塊鏈數字農業信息可視化框架
我國傳統農業的生產模式具有分散、脆弱等特點,每家每戶經營著自己的“一畝三分地”,受到科技以及耕地面積的限制,機械化程度較低,耕作以及管理存在一些問題,并且由于無法準確預測自然氣候,耕地十分脆弱。德陽市旌陽區通過打造旌陽鏈,用一套數字農業系統推進了信息技術與農業生產的深度融合,通過精準種植改造傳統農業生產模式,以“一圖、一網、一鏈”的方式實現農作物生長特征及種植效果可視化,有效降低生產成本,增加農業收入,提高管理效率(見圖2)。
“一圖”是指全區域資源管理圖,將德陽市旌陽區2.86 萬hm2、超過27 萬個地塊的耕地信息全部上傳至數字底圖。此全景數字看板通過無人傳感器、飛機、衛星等收集土地信息,包括農田的形狀、面積、種植情況、地理坐標等自然屬性,并結合旌陽區農業農村局的登記信息,匹配每一塊農田的土地性質、承包權屬、流轉情況等信息,為每一塊農田建立專屬“數字身份證”。在此數字底圖的基礎上,圍繞農業生產、農村管理、農民服務三個板塊,建立全區域資源管理圖。在農業生產方面,建立病蟲害監測、農業機械管理、土地安全利用、農產品質量安全監管四個管理系統,全程實時監測農田整體狀況。在農村管理方面,建立農村產權管理、農村集體土地管理兩個管理系統,精準計算耕地、宅基地等用地指標,合理規劃農村各類用地分布。在農民服務板塊,建立農村金融及農業保險服務、新型經營主體“一站式”服務兩個管理系統,通過精準分析投保農戶的數據,結合其農業保險、補貼、土地流轉等信息,構建數字體系,提供智能化授信,將各類信息數字化、可視化,提高管理效率。
“一網”是指全過程服務物聯網,利用信息技術將數字底座、管理系統和數字化傳感設備進行連接。與此同時,利用農田中的鐵柱牽出八條黑色線束末端帶有的白色的傳感器,全天候、全維度地監測農場用水中的銨離子、pH 值、營養液等指標以及農場中的溫度、濕度、降水量等氣象數據,將這些數據上傳至平臺,構建農作物生長的數字化模型。通過數據分析,得出最適合農作物生長的各項外部環境指標,合理適時地調節農田內的灌溉水量、營養液施用量等,將農作物生長狀況可視化,使農業生產更加精細化。
“一鏈”是指農業全周期產業區塊鏈,將農業生產、農村管理、產品銷售相結合,實現源頭種植、農作物加工、產品銷售到終端互動的全鏈可視化追溯。源頭種植指產品有一對一的二維碼,可進行溯源,農產品生產周期中的數據全部錄入到區塊鏈,上鏈前的真實性問題由旌陽區相關部門通過認證、普查、抽查、投訴舉報等環節保障,保證能夠追溯產品源頭,降低質量問題發生概率,盡可能消除消費者信用危機。在銷售階段,通過線上直播加大推廣力度、建設品牌,以增加銷售量。
在育種、灌溉、疾病防治等環節由傳統的人工轉為數據判斷,以數據為核心進行決策與管理的農業生產模式更加科學合理,能夠提高生產效率、降低生產波動性、保障農產品質量。除此之外,更加精細化的數字農業能夠有效控制化肥與農藥的施用量,有利于節約農業資源,同時減少農業對環境的污染,提高生態效益。
“善糧味道”是以北大荒規模化和集約化農業為基礎,以農業物聯網、農業大數據、區塊鏈技術為輔助,以土地資源轉換與更高的組織化為依據,由中南、北大荒集團共同成立的農業企業技術平臺,進行“平臺+基地+農戶”建設,完成從原產地到餐桌的優質大米等產品閉環的生產—營銷生態鏈,在農產品領域建立一個高附加價值商品的電子商務平臺。
3.2.1 產前環節的平臺搭建
北大荒農業服務平臺通過整合先進的種植技術和現代農業數字化技術,為農業經營主體提供資源管理、財政貸款、農業機械經營、農業托管、農業保險、農業信息推送、咨詢等服務,促進平臺經濟發展。截至2022 年7 月31 日,平臺注冊用戶達55.2 萬人,線上共完成農貸1.66 萬筆,貸款金額43.42 億元,農機具上線15 000 套,安排任務233.33 萬hm2,讓種植戶切實享受到農業科技紅利[29]。
廣大農民通過加入農業服務平臺,在平臺上按照個人需求自行選擇經濟組織,實時申請貸款,在最短的時間內獲得貸款,有效緩解了農民在農業生產中的資金壓力,減輕了農民的經濟負擔,提高了生產效率,解決了貸款難的問題。
3.2.2 產中環節的數字監管
“善糧味道”企業建立了農業資源底圖,制定了一套統一的技術標準,實行一圖一碼,對293.33 hm2地塊的數據進行采集、制圖,包括地理空間、土壤環境、遙感、權屬等多個源資料,為農業生產和經營提供數字化依據。
搭建農業數據庫,建設北大荒云計算大數據中心,形成了覆蓋墾區的高安全性、高性能、全兼容的服務器集群系統,已建成線下數據庫,非結構化數據存儲總量32.2 TB,形成覆蓋農業全產業鏈的綜合數據資源數據庫,實現一次采集、自動生成、多方共享、匯聚整合功能,計算價值賦能產業。
建立“善糧味道”平臺,開發供應鏈、物聯網、電子信息系統軟件等,既可用于日常農業經營,又可提高經濟效益,從而使相關鏈接盈利,提升產品附加值。
3.2.3 產后環節的終身追溯
當前,我國主要糧食問題集中于產后的流通加工環節,與更加優越的平臺、高現代化米廠、倉儲、物流公司展開合作是徹底解決相關問題的有效措施。可采用區塊鏈技術對流通加工鏈條中的高風險環節進行改造,將可追溯、可監控進一步嵌入認證管理體系,開展單獨的封閉管道管理模式。
在產品加工過程中,北大荒集團旗下品牌農業企業基本建立了質量安全溯源體系,完善品質監督系統,在這一行為促使下,消費者可通過手機掃碼全面了解農產品信息,如商品名稱、規格、生產者、產品標準碼、生產許可證號以及生產地等,提高農產品附加值,以此對數字化農作物適當提價,切實促進農業生產增收。
北大荒集團以5G、云計算、大數據、人工智能、物聯網等技術為基礎,打造5G 數字農場管理平臺及農業大數據、農業物聯網、農場管家等系統,做到“種、管、收、儲、用”等農業生產的全過程數字化、可視化、智能化、自動化管理,推動農業數字化發展。
我國是人口大國,有著上千年農耕歷史,但一直以來受到地理情況制約,導致具有良好種植條件的農田面積并不充裕。我國現有耕地面積1.2 億hm2,耕種條件較差的鹽堿地面積高達1 億hm2。基于土地現狀,為拓展農田面積,提升農作物產出率及良品率,耐鹽堿水稻(俗稱海水稻)應運而生。據相關人員測量計算,0.067 億hm2鹽堿地栽種“海水稻”,每年我國稻米產量可提高300 億kg,滿足8 000 萬人口的日常糧食需求。
基于不同地區鹽堿地的情況,需根據不同地區栽種“海水稻”的種植方法及相關參數制訂相應的整合策略,包括植物生長調節素、土壤定向調節劑等。為突破行業瓶頸,華為推出集物聯網、云計算、傳感器、大數據等技術為一體、初步實現智能化的“農業沃土云平臺”。平臺利用GIS 信息管理系統、大數據人工智能分析決策支持系統、病蟲害預警診斷管理系統、智慧農業視頻云管理平臺、農業云計算中心等內容完成搭建,為農業生產中種植精準化、管理透明化、決策智能化帶來可能,完成“從農田到餐桌”的全過程質量追溯。當前,“海水稻”已借助華為云平臺在青島市城陽區試種成功,推動創新技術賦能取得階段性突破。
農業專家依托云計算及人工智能等先進技術的快速發展,精準收集田地數據,并對這些數據進行深入分析,以此制訂可行策略,為現代農業逐步發展成“精準農業”模式提供有力支持。在“海水稻”案例中,技術人員將田間攝像頭拍攝的照片,傳給華為農業沃土云平臺,后者通過分析照片準確識別出農作物生長情況,及時給出專業的指導建議。除此之外,平臺可以通過圖片估算水稻生長周期及產量,并把數據反饋給農業專家,便于及時優化種植策略。基地中心可借助該平臺全方位監控各個分基地,確保基地的光照、溫度及pH 值符合農作物生長需求。充分發揮農業沃土云平臺作用,及時采集、監控和分析蟲情信息,在此基礎上構建病蟲害診斷預警系統,使實時監測和精準控制落實到位,為快速響應及處理農作物生長問題提供有力支持。
4.1.1 解決產中病蟲害及生產效率等問題,打造高品質農產品
現代農業基于人工智能等多項技術開始向“精準農業”大步邁進,田地的相關數據得到精準收集,策略制訂更加完備,對每一小塊土地精耕細作。在“海水稻”的案例分析中,沃土云平臺精準識別農作物生長狀態,通過照片進行深度學習和訓練,為病蟲害防治和除草等農作物培植問題提供有力支撐。為更好地幫助農業專家整合和改進種植策略,平臺可同時從圖片中計算出水稻的生長周期與產量。
當前,我國存在農業競爭力不強、農民收入低、農民積極性不高等問題,主要原因在于農業生產效率較低。智慧農業的發展使農民得到解放,成為主導農業的人,利用當代技術將刀耕火種的模式改革換代、使農業產出比得以提高。從全局觀之,智慧農業使勞動力得到解放、對技術賦能使之成為生產工具替代了傳統的工作方式,推動農業產出能力穩步提高。技術優勢使農產品生產、施肥、灌溉、日照、采摘時間等得到詳細、標準的操作指南,進一步保障農產品標準化,有效提升了農產品品質,實現品效合一。
4.1.2 解決產后產品流通問題,吸納客戶群體
過去,我國戰略轉型面臨機遇也面臨挑戰,當前我國發展環境錯綜復雜。“十四五”規劃明確指出,“三農”問題是全黨的工作重心,應充分重視鄉村振興,提升農業經濟發展動力,進一步加強農產品抵抗風險能力。農產品流通及安全問題作為限制農村經濟發展的主要原因,找尋解決方案迫在眉睫。為實現信息采集存儲,使區塊鏈系統安全存放各項數據,需將物聯網與區塊鏈技術有效融合,提高數據信息的安全、可靠性,實時觀測農產品的生長及流通情況。結合人工智能,有效改善劣幣驅逐良幣的市場現狀,進一步保障農產品質量。
4.1.3 解決產后溯源問題,保障食品安全
為解決農產品溯源問題,進一步提升農產品食品安全指數,區塊鏈被廣泛應用于農產品電子商務二代營銷體系構建中,將傳統農產品發展與新時代科技發展相結合拓寬營銷路徑。在保證物流時效性的同時,使參與主體實時跟進各項信息,包括農產品基本信息、銷售情況等。
同時,基于區塊鏈的產品溯源技術具有傳統溯源技術無法比擬的優勢,主要涵蓋三個架構。一是數據接入層,主要用于存儲。二是數據服務層,主要用于上傳。三是用戶應用層,主要用于輸出。在日常生產過程中,生產細節、產品源頭和物流運輸等數據接入層和服務層能夠將系統內溯源二維碼運用于數據的記錄和存儲中。待數據完成采集后,利用傳感器技術將數據信息上傳。同時生產APP 與區塊鏈后臺建立溝通,進一步確保區塊鏈準確接收數據,降低食品安全問題的風險系數,確保農產品流通中各方主體的根本利益,為推進農業經濟更好更快發展保駕護航。
4.2.1 數字農業基礎設施落后且區域發展不平衡,機械設備現代化程度低
當前,我國大多農田道路、灌溉設備、通信等基礎設施落后且區域發展不平衡。西部地區通信基礎設施建設整體遠低于東部地區,農村寬帶、物聯網、區塊鏈覆蓋率和普及率相對較低,制約了傳統特色農業和數字農業發展。由于農產品種類繁多、需求多樣,沒有建立相關體系標準,各地農機設備廠商大多針對成本較低、機械化程度低的產品進行開發,且質量、標準參差不齊,導致農機產品機械化水平低、后期維護成本高等問題。
4.2.2 數字農業科研體系不健全,農業科技推廣能力不足
數字農業基礎研究薄弱,目前我國數字農業原創能力及科學理論較少,這是制約數字農業發展的關鍵因素。數字農業核心技術研發落后,作為數字農業最為核心的技術,我國傳感器技術較為落后,主要體現在信息傳輸存在偏差與時間差、壽命較短、維護費用偏高,導致傳感器性價比偏低,影響了國產傳感器在農業生產中的應用。
雖然我國研發投入強度在2018 年達到2.19%,高于2017 年歐盟十五國平均水平(2.13%),僅排在美國以后,但是我國技術成果轉化率不足30%,真正產業化未達到5%,導致農業技術推廣不到位。
4.2.3 傳統農業制約數字農業發展,現代化農機成本偏高
基于我國“大國小農”的現狀,目前仍以傳統農業生產為主,機械化程度偏低、生產效率低、生產成本高。傳統農業生產經營方式難以節約勞動力成本,隨著自然、市場以及技術等風險疊加,傳統農業生產經營方式面臨高成本、高風險、低效益的窘境,制約我國農業高質量發展。同時,傳統的農業經營方式導致土地分散,部分地區土地流轉費用過高,變相增加了發展數字農業的成本,制約了數字農業發展。
我國農機設備市場投入少、價格高,補貼農機具少,導致以分散耕種耕地為主。農民買不到大型農業機械,大量現代化農機無法進入農田耕種,無法提高農業生產率,導致農業生產成本偏高。
4.3.1 加強數字農業基礎設施建設,實現區域協調發展
提高對農村地區5G 網絡、物聯網技術、遙感技術的覆蓋率和應用程度,加大對區塊鏈技術的應用力度,將零散的土地通過區塊鏈技術連成片,從而提高數字農業的整體化程度。堅持區域協調發展,加大對西部地區發展數字農業的支持力度,推進西部地區基礎設施建設,比如5G 網絡、物聯網、區塊鏈等技術的向西延伸,以此提高數字化、智能化程度,為數字化農業提供保障。同時,因地制宜地應用現代化農機,堅持“兩適應”的基本原則。“兩適應”方式是堅持與農業適度規模經營相適應的農機服務模式,與農田建設的機械化生產相結合,提高農業機械應變能力。
4.3.2 完善數字農業研究體系,加大科研成果轉化力度
強化頂層設計,制定利于數字農業發展的政策,加大對理論、原創能力等方面的支持力度,建立統一協調的農業科學研究體系,構建數字農業知識產權保護體系。加快對區塊鏈技術的攻關,加大專項資金、技術扶持的投入力度。
加大數字農產品的研發力度,保證數字農業科技成果的轉化渠道暢通。建立健全科技創新的獎勵和保護機制,出臺關于科技成果轉化的政策,在全國先進的農場優先試點,因地制宜地應用于全國。此外,實時關注國外數字農業的發展。
4.3.3 降低數字農業生產單位成本,擴大生產規模,提高種植收益
政府針對農戶購置農機產品應加大補貼力度。為了加快現代化農機進入農田,政府要加大研發力度,降低農機產品的生產成本,加大對農機產品的補貼力度,鼓勵農民利用現代化農業機械,降低農業機械的生產成本。
目前,市面上數字農作物的價格與傳統農作物價格相近,不能體現數字農產品的科技含量,不能激發普通農民發展數字農業的熱情。應健全質監制度,讓消費者通過手機了解商品名稱、規格、生產日期、生產者、保質期、產品標準碼,提供證號、生產地等所有可增加農產品附加價值的產品信息,并對其進行適當改進,以此提高農產品價格,增加農業生產帶來的收益。
當前是持續推進農業現代化建設的重要時期,相關人員要積極結合德陽市旌陽區、“善糧味道”技術平臺、農業沃土云平臺等案例,加強數字農業基礎設施建設,實現區域協調發展,完善數字農業研究體系,加大科研成果轉化力度,降低數字農業生產成本,提高生產規模種植收益,將區塊鏈嵌入數字農業產業鏈全過程,解決數字農業發展困境。