應用區塊鏈技術構建林草種苗溯源系統

近年來，我國植物新品種權申請數量持續增長，但品種侵權案件頻發。究其原因，種苗知識產權保護機制不健全、產業鏈信息記錄模糊導致侵權行為難以追溯，加之監管部門缺乏高效監管工具、維權成本高等問題尤為突出[1]。構建完善的林草種苗溯源系統，可快速定位質量問題源頭，明確責任主體，有效減少種植戶損失，是推動種業健康發展的重要保證[2]。

目前，我國尚未建立覆蓋全產業鏈的成熟林草種苗溯源體系。現有傳統林草溯源系統均使用中心化數據庫進行信息管理，且多布置于企業內。受限于企業化的應用范圍，各溯源系統在信息采集環節缺乏統一規范，系統間信息交互渠道不暢。這種狀況致使監管部門在種苗交易監管、侵權取證等工作中效率低下，這種彼此獨立、信息流通受阻的現象被稱為信息孤島現象[3-4]。區塊鏈作為一種獨特的數據存儲與管理架構，通過去中心化系統實現節點間數據的共享與驗證。區塊鏈技術具有分布式存儲、數據不可篡改、安全性高等優勢[5-8]。這些優勢與種苗溯源的需求高度契合，其不僅能夠精準記錄種苗全流程流通信息，助力構建完善的品種權數據庫，還能有效彌補監管部門技術短板，為解決種苗溯源監管難題提供可靠支撐，在該領域展現出極高的應用可行性與實踐價值[9-10]

工業、醫藥方面多利用區塊鏈技術進行產品、醫藥、信息記錄等方面的溯源[1l-12]。農業領域的區塊鏈技術多運用于對品種權保護、農產品供應鏈溯源、農產品的質量安全等[13-17]。全球區塊鏈在林業中的運用較少，但國外對區塊鏈的運用相較于國內更多，這些研究大多集中于森林經營管理、林產品瀕源與火災檢測等。林產品溯源的對象大多是對森林木材的溯源。Sun等[1利用圖像分析技術結合區塊鏈驗證木材產品真實性。Munoz等[19]利用區塊鏈技術記錄木材體積，保證木材質量。而在森林火災方面，區塊鏈主要用于保證數據傳輸與數據真實性驗證，涉及品種權保護及交易全程溯源內容較少[20-22]。

本研究通過區塊鏈技術的不可篡改性和可溯源性特征，開創性探索林草種苗全產業鏈溯源系統的構建路徑，可有效強化林草種苗品種權保護力度，提升監管效能，達成全鏈條可追溯的目標，同時為產權糾紛提供可參考依據，使消費者和育種者在交易時有保證，確保種苗真實可靠。

1產業環節分析與信息模板構建

1.1環節分析種苗溯源系統的核心目標是實現對生產及產品流通全過程的信息收集、存儲、查詢。構建林草種苗溯源系統時，首要任務是全面、精準梳理種苗供應鏈各關鍵生產環節、參與主體及流通路徑。通過對這些關鍵環節的系統梳理，確定溯源系統數據庫所需的關鍵信息，收集并記錄供應鏈上所產生的數據，形成完整的溯源信息鏈，這樣溯源系統的后續工作才能正常且順利進行。

種苗供應鏈參與主體主要包含4類：品種權人、種苗生產經營商、消費者以及監管者。種苗供應鏈主要包含以下4個環節。

1.1.1育種環節種苗身份信息作為林草溯源體系的信息起點，是串聯起種苗全程溯源的關鍵信息，也是維護品種權人利益的重要依據。這一環節的主要參與者是品種權人，將雜交種子或通過其他繁殖方式獲得的材料進行播種或培育，待種苗新品種通過區域試驗，并經全面系統鑒定后成功申請新品種權，相應的種苗身份信息方能最終確定。

1.1.2生產經營環節該環節以種苗生產經營商為核心參與主體，主要圍繞種苗生產活動展開。涵蓋生產地址選取、澆水、施肥、病蟲害防治、起球、質量檢驗、檢疫等過程以及母株的田間管理、種子的收獲、清洗干燥、種子質量檢驗等與生產有關的所有工作。此環節直接影響到種苗品質優劣，在生產過程中企業應及時做好各項工作記錄，保證生產環節可控可查。

1.1.3運輸環節種苗運輸環節對其健康與品質有著重要影響。為確保種苗無病蟲害傳播風險，需嚴格開展檢疫檢驗工作，并做好運輸環節的環境控制措施，隨后對每批種苗數量、運輸時間、目的地、規格信息進行記錄。

1.1.4消費環節種苗被用于造林工程后，需建立定期抽檢機制，對其生長態勢進行動態監測，以保障種苗長期質量穩定。在此過程中，種苗的實際流向、使用場景及后續生長情況等信息，均是產業發展需重點關注的內容，這不僅關乎造林工程成效，也對優化種苗培育、生產、流通等環節具有重要指導意義。

1.2溯源信息庫構建溯源的實質是將供應鏈中的實物流轉變成信息流，以便后續基于信息流的查詢，獲取特定產品的生產關鍵信息及其生產過程。因此，溯源信息庫構建所需的具體信息內容，直接決定了林草種苗溯源體系能否有效運轉。

危險分析和關鍵控制點（HACCP，Hazardanalysisandcriticalcontrolpoint）是一種預防性方法，旨在保障商品質量并進行風險評估[23-24]。HACCP方法是通過分析生產過程中的潛在危害，篩選出可能導致危害發生的關鍵控制點，設定安全閾值，隨后監控這些操作環節，并針對可能出現的危害情況制定糾偏措施，驗證措施實施效果并做好完整記錄。如圖1所示，本研究利用HACCP方法確定林草種苗溯源所需要收集的信息，并通過以下流程確定關鍵控制點以及需要進行監控的信息。

圖1溯源信息庫構建流程

通過HACCP分析，確定了9個關鍵控制點，種苗供應鏈4個環節均有分布，本系統在設置數據庫信息采集字段時，秉持精準化原則，僅保留種苗溯源所需要的關鍵字段，減少非關鍵控制點的冗余信息錄入；同時避免采集企業涉密信息，保障用戶隱私，這樣也可以提高企業使用溯源系統的意愿。具體如表1所示。

表1種苗供應鏈各環節HACCP危害分析

經過分析，信息的種類主要為種苗身份信息、種苗生產信息、種苗交易信息與用戶信息4類，各類需收集的溯源信息如圖2所示。

種苗身份信息種苗身份信息是精準識別植物類別、特征與屬性的重要依據，涵蓋分類學信息、種苗類別及權證信息、形態特征、生態習性、經濟價值與部分育種信息等內容。種苗身份信息包括科、屬、種、品種權人、品種權號、是否轉基因等53個字段。

圖2數據庫信息結構簡圖

種苗生產信息種苗生產信息涵蓋種苗種植全過程產生的各類數據與資料，聚焦于種苗質量、規格參數以及生產操作技術等核心內容。種苗生產信息包括生產數量、生產時間、種苗等級等38個字段。

種苗交易信息種苗交易信息是對種苗買賣活動中各類數據的系統性整合，主要涵蓋交易主體身份、權限授權狀況、交易時空坐標及訂單詳情等核心內容。種苗交易信息包括來源單位名稱、去向單位名稱、購買數量等18個字段。

用戶信息用戶信息作為精準識別自然人、單位及組織身份的關鍵數據，主要包括基本身份信息、聯系方式、資質信息、企業基礎信息等。用戶信息包括姓名、單位名稱、社會信用代碼等18個字段。

2林草種苗溯源系統設計

2.1系統總體架構林草種苗溯源系統采用分層架構設計，主要包含用戶層、應用層、數據層、智能合約層、區塊鏈層，如圖3所示。用戶層涵蓋使用林草種苗溯源系統的4種用戶主體。應用層為用戶提供了與數據庫區塊鏈交互的平臺，將區塊鏈底層的復雜技術和實際的業務需求連接起來，同時也是各用

圖3林草種苗溯源系統總體架構

戶之間交流的平臺。

智能合約的執行是由預先定義好的事件或條件觸發的。智能合約通過實時校驗條件是否達成，完成相應操作，并將操作記錄上鏈，保證了交易過程的可溯源性。例如，當用戶沒有填寫有關公司的資質證明時，用戶是無法完成種苗售賣的。

數據層是整個系統的數據基礎，所有數據的新增、修改、刪除、查詢都需要它的參與，只有當數據存儲真實可靠時，溯源的結果與反饋才有意義。

區塊鏈層是系統的核心技術層，通過加密算法、分布式存儲、共識機制等多項技術，保證了數據層的數據安全，賦予數據不可篡改、去中心化存儲與全程可追溯的特性，從而達到林草種苗溯源的目的。

2.2溯源系統業務流程設計基于前述信息及區塊鏈技術特性，設計林草種苗溯源系統的業務流程，具體如圖4所示。無論從供應鏈組成的客觀事實還是從溯源系統的需求來看，供應鏈的源頭都是至關重要且不可或缺的，供應鏈的源頭也是整個溯源信

圖4林草種苗瀕源系統業務流程

息鏈記錄的起始點。

業務流程起始于品種權人或良種證持有人在系統內上傳權證信息，完成確權認證。隨后在系統上錄入欲售賣的種苗信息，將相應種苗信息發布至平臺。消費者在種苗信息界面可以根據自身需求選擇種苗進行購買，在發送購買申請并被同意后等待收貨。消費者確認收貨無誤，交易即告完成，系統將自動整合該交易全流程信息，通過統一的系統操作實現數據上鏈，保證數據安全。如果消費者擁有種苗生產經營的資質，這時可以通過錄人種苗信息完成消費者向種苗商的角色切換。種苗交易信息里包含有該批種苗的來源和去向信息，通過將種苗的來源與去向信息連接起來就形成一個溯源信息鏈。

3 系統實現

3.1系統開發環境系統開發采用客戶端／服務器（C/S）架構來實現系統的核心功能，例如種苗信息的錄入、編輯、審核等。在開發環境方面，使用了JDK8作為Java開發工具包，MySQL8.0作為關系型數據庫管理系統，用于存儲和管理數據。構建工具選用Maven3.8.x，方便項目的依賴管理和構建。緩存技術采用Redis6.x，提升系統的數據讀取性能。部分軟件開發代碼（訂單搜索部分代碼）如圖5所示。

圖5訂單搜索部分代碼

3.2區塊鏈的具體應用本文利用聯盟鏈超級賬本架構（HyperledgerFabric）及通道技術建立林草種苗溯源系統，保證溯源數據隔離存儲，由鏈上證書管理機構審計節點身份、節點交易授權，通過隨機化容錯協議共識機制實現數據共識備份，利用鏈外狀態數據庫文檔數據庫（CouchDB，Couchdatabase）存儲鏈上溯源記錄。HyperledgerFabric是一個開源的企業級區塊鏈平臺，和比特幣、以太坊這些公有鏈不同，主要用于聯盟鏈或私有鏈的場景。

3.2.1智能合約實現根據林草種苗溯源系統的業務邏輯，設計智能合約的功能，包括編寫函數用于記錄種苗的生產信息、更新交易狀態、查詢種苗在各個環節的詳細信息等。確定智能合約的輸入和輸出參數格式，確保不同參與方能夠方便地調用合約并獲取所需信息。Java語言具有強大的生態系統和豐富的類庫，對于有大量Java開發人員儲備的團隊較為友好。通過Java編寫智能合約，可方便地與現有系統進行數據交互和共享，降低系統集成成本，提高開發效率。

3.2.2共識機制實現共識機制選擇隨機訪問文件傳輸技術（RAFT，Randomaccessfile transmission），RAFT是一種分布式一致性算法，旨在解決分布式系統中多節點數據同步與故障容錯問題。其核心思想是通過選舉領導者并強制日志同步，確保集群中所有節點最終達成狀態一致。適用于企業內部私有鏈或小型聯盟鏈，與PBFT共識算法和Kafka-ZK共識算法比較，優點包括：算法簡潔，易于實現和維護；支持快速恢復；提供強一致性保證；適合中小規模集群，具體如表2。

表2RAFT與其他共識算法的對比

3.3 功能展示

3.3.1 錄入種苗信息在林草種苗溯源系統中，種苗信息錄入以品種權、良種確權為前置步驟。該確權功能主要面向品種權人開放，支持其將自主研發的新品種或良種信息錄人系統，通過提交相關資料完成確權認證。

種苗商生產好種苗后，可以通過點擊錄入種苗信息完成種苗的掛售。進入錄入種苗界面后，企業需要先選擇種苗來源，來源主要分為自研、線上購買和線下購買3種。在選擇自研或線上購買時系統會自動跳轉界面，調取對應的自研品種信息或者線上購買的訂單信息，完成種苗信息的快速填充，錄入種苗信息界面如圖6所示。這樣可以提高種苗錄人效率和準確度，同時可以將種苗的流轉路徑完整記錄下來，有利于提高溯源工作的精度與深度。

圖6錄入種苗信息界面展示

3.3.2訂單信息查詢用戶可以通過“我的”界面內的“我的種苗”“我的訂單”界面查看自己擁有的、正在掛售的種苗及其詳細信息。“我的訂單”界面內包含了關于用戶自己的所有訂單，包括購人與賣出的，以及處于不同階段的訂單分類，可以通過查看對應的種苗信息了解需要的信息（圖7）。

3.3.3二維碼下載與查詢用戶可以在“我的溯源碼”界面進行種苗溯源碼下載操作，系統支持對自有種苗、售出種苗及購入種苗的溯源碼進行篩選下載，所生成的二維碼將以文件包形式保存，并于本地文件夾內直接調用打印。所有用戶可以通過掃描二維碼查詢對應的種苗信息。

3.4功能測試種苗溯源系統是面向眾多林草種苗使用者的，服務范圍廣泛，服務對象多樣，對溯源平臺功能的完整性要求非常高。功能測試是對平臺在實際運行過程中能否滿足功能需求的一種測試，可以幫助開發人員檢查軟件漏洞。在經過多輪測試與修復后軟件功能完備，能很好地實現所有功能操作，可以實現數據上鏈防篡改功能。具體測試結果如表3所示。

圖7“我的種苗”“我的訂單”展示界面

表3平臺功能測試結果

4結論與討論

本研究通過梳理供應鏈環節，梳理關鍵控制點，找到需要進行監管與記錄的信息，并設計溯源信息收集模板；基于區塊鏈技術設計溯源系統總體架構，進行功能設計、業務流程設計，實現多方共同參與，集合確權、交易、溯源、品種權保護等多功能融合的林草種苗溯源平臺。該系統能夠極大程度地提高全產業鏈的種苗數據安全性，可以為品種權保護提供技術支撐，有效解決普通溯源系統的數據孤島問題，可實現種苗從產業源頭開始的全程溯源。本研究成功構建了基于區塊鏈技術的林草種苗溯源支撐系統，在一定程度上填補了國內基于區塊鏈技術的林草種苗品種權保護領域的空白。

目前，國內林草溯源體系與國際先進水平相比仍有較大差距。在未來的研究中，應借鑒國外先進的技術和經驗，不斷完善我國的林草種苗溯源體系。未來計劃從林草種苗瀕源標準化、溯源數據庫政務聯動、林草數據采集硬件研發等方向繼續研究，進一步強化林草種苗品種權保護力度。

參考文獻

[1]劉海洋，曹永生，方為，陳彥清.區塊鏈技術在種業大數據中的應用.中國種業，2019（5）：22-27

[2]楊信廷，李瑞，李金輝，閔濤，孫傳恒.基于區塊鏈技術的農業食品溯源研究進展.食品科學，2024，45（20）：20299-20310

[3]劉津.基于區塊鏈的產品質量追溯服務平臺的研究與實現.西安：西北大學，2019

[4]于戈，聶鐵錚，李曉華，李曉華，張巖峰，申德榮，鮑玉斌.區塊鏈系統中的分布式數據管理技術：挑戰與展望.計算機學報，2021，44（1）：28-54

[5]高陽陽，呂相文，袁柳，李勐.基于區塊鏈的農產品安全可信溯源應用研究.計算機應用與軟件，2020，37（7）：324-328

[6]曾詩欽，霍如，黃韜，劉江，汪碩，馮偉.區塊鏈技術研究綜述：原理、進展與應用.通信學報，2020，41（1）：134-151

[7]沈鑫，裴慶祺，劉雪峰.區塊鏈技術綜述.網絡與信息安全學報，2016，2 （11）：11-20

[8]顧欣，徐淑珍.區塊鏈技術的安全問題研究綜述.信息安全研究，2018，4（11）：997-1001

[9]龍晨，龐燕，王擎天，王忠偉.區塊鏈技術在木材供應鏈中的應用.世界林業研究，2023，36（5）：15-20

[10]劉江，趙榮，陳紹志.區塊鏈技術在林業中的應用.世界林業研究，2023，36 （3）：16-21

[11]Cao Y，JiaF，Manogaran G.Efficient traceabilitysystemsofsteelproducts using blockchain-based industrial internet of things. IEEETransactionsonIndustrial Informatics，2020，16（9）：6004-6012

[12]ChenY，DingS，XuZ，ZhengHD，YangSL.Blockchain-basednedical records secure storage and nedical service framework.Journal of medical systems，2018，43（1）：5

[13]劉雙印，雷墨鷺兮，徐龍琴，李景彬，孫傳恒，楊信廷.基于區塊鏈的農產品質量安全可信溯源系統研究.農業機械學報，2022，53（6）：327-337

[14]崔金銀.基于區塊鏈的有機蔬菜認證與溯源研究.廣州：華南理工大學，2020

[15]徐特，王德成，邵長勇，惠云婷，唐欣，顧揚.區塊鏈技術在黃芪產業上的應用展望.中國種業，2019（2）：46-50

[16]賀吉，范曉飛，姚竟發，孫磊，李旭東，索雪松.基于區塊鏈的種子供應鏈信息溯源及信用度提升的方案設計與研究.中國農機化學報，2022，43（7）：145-151

[17]秦煥榮，南軍，張愛瑛.探索區塊鏈技術在種業的應用.中國種業，2020 （2）：7-10

[18] SunYK，Du GB，CaoY，Lin QZ，ZhongL H，Qiu J.Wood producttrackingusingan improved AKAZE method inwood traceabilitysystem.IEEE Access，2021，9：88552-88563

[19]Munoz MF，Zhang KW，Shahzad A，Ouhimmou M.LogLog：ablockchain solution for tracking and certifying wood volumes/2021IEEE International Conference on Blockchain and Cryptocurrency（ICBC）.Sydney，Australia，2021：1-9

[20]Datta S，Kumar S，Sinha D，DasAK.BSSFFS：blockchain-basedsybil-secured smartforest firesurveillance.JournalofAmbient