區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用展望

李喬宇，阮懷軍，尚明華，王富軍，劉淑云

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，濟(jì)南250100）

0 引言

2008年，國(guó)際金融危機(jī)爆發(fā)。同年11月1日，中本聰（筆名）發(fā)表了《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的現(xiàn)金支付系統(tǒng)》[1]的論文，基于P2P技術(shù)和加密技術(shù)，提出了一種不需要金融機(jī)構(gòu)的交易系統(tǒng)。論文中首次提出了區(qū)塊鏈技術(shù)，近年在以比特幣為代表的虛擬幣備受關(guān)注的同時(shí)，作為比特幣底層技術(shù)的區(qū)塊鏈技術(shù)也獲得了爆發(fā)式的發(fā)展。區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展涉及社會(huì)生活各個(gè)領(lǐng)域，有望對(duì)社會(huì)變革產(chǎn)生深入影響。筆者通過(guò)對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的分析，探索其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)景，展望區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈概述

在傳統(tǒng)的交易中通常需要一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)記賬，一方面，中心節(jié)點(diǎn)提供信用體系讓各方可以信任，另一方面中心節(jié)點(diǎn)記賬可以防止多次結(jié)算。但這樣的缺點(diǎn)也是明顯的，如果中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，那么整個(gè)經(jīng)濟(jì)體系就會(huì)崩潰，比特幣的起源就是無(wú)政府主義者（主要是IT從業(yè)者）對(duì)華爾街作惡引發(fā)了2008年金融危機(jī)的不滿。因此，中本聰在設(shè)計(jì)比特幣時(shí)遵循去中心化的思想，為了解決無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的記賬問(wèn)題，通過(guò)分布式技術(shù)，全網(wǎng)共同維護(hù)唯一一條交易鏈，鏈的每個(gè)節(jié)點(diǎn)即為一個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊記錄當(dāng)前交易的信息和前面、后面交易的地址，每發(fā)生一筆交易就在交易鏈上延伸一個(gè)區(qū)塊，全網(wǎng)更新該交易鏈，這條交易鏈也叫做區(qū)塊鏈，以此延伸的技術(shù)就是區(qū)塊鏈技術(shù)。基于這樣的設(shè)計(jì)思路，區(qū)塊鏈具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）去中心化。區(qū)塊鏈通過(guò)密碼學(xué)和共識(shí)機(jī)制提供信任機(jī)制，不需要中心化的管理機(jī)構(gòu)。

（2）自治性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)內(nèi)部采取統(tǒng)一協(xié)商管理，整個(gè)操作規(guī)范和協(xié)議操作能夠在安全的環(huán)境中進(jìn)行交換[2]。

（3）開(kāi)放性。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)對(duì)所有人公開(kāi)，任何人都可以通過(guò)公開(kāi)的接口查詢區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用。

（4）信息不可篡改。全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)備份區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，除非能夠同時(shí)控制住系統(tǒng)中超過(guò)51%的節(jié)點(diǎn)，否則單個(gè)節(jié)點(diǎn)上對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的修改是無(wú)效的。

1.2 區(qū)塊鏈發(fā)展歷程

1.2.1 區(qū)塊鏈1.0《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的現(xiàn)金支付系統(tǒng)》中闡述的初代區(qū)塊鏈概念，被認(rèn)為是區(qū)塊鏈1.0（圖1）。區(qū)塊鏈1.0實(shí)現(xiàn)了電子貨幣的功能，比特幣是其首個(gè)應(yīng)用，比特幣通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和加密技術(shù)提供保護(hù)和支持，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需信任中介的信任機(jī)制，顛覆了傳統(tǒng)的交易模式。更重要的是，區(qū)塊鏈技術(shù)提供了一種機(jī)制，通過(guò)程序和協(xié)議使交易自發(fā)運(yùn)行，避免和防止人為參與。在這種帶著哲學(xué)思想的機(jī)制下，區(qū)塊鏈技術(shù)有可能動(dòng)搖人類社會(huì)的共識(shí)模式，因此，區(qū)塊鏈技術(shù)被認(rèn)為是繼大型機(jī)、個(gè)人電腦、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)/社交網(wǎng)絡(luò)之后計(jì)算范式的第五次顛覆式創(chuàng)新，是人類信用進(jìn)化史上繼血親信用、貴金屬信用、央行紙幣信用之后的第4個(gè)里程碑[2]。

區(qū)塊鏈1.0奠定了區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)，包括：

（1）分布式技術(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈中各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立、完整的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。從使用的角度講，區(qū)塊鏈通過(guò)在互聯(lián)網(wǎng)上建立一本公共賬簿，允許所有的參與者在賬簿上記錄與核查，保障多方參與、節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立。

（2）鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)加密信息保障可靠讀入。搭建區(qū)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)區(qū)塊間的相互聯(lián)系機(jī)制，哈希算法(Hash Algorithm)、數(shù)字簽名、非對(duì)稱數(shù)字加密技術(shù)確保數(shù)據(jù)安全可靠并達(dá)成交易雙方初步的相互信任。

（3）共識(shí)機(jī)制下實(shí)現(xiàn)信息的有效流轉(zhuǎn)。共識(shí)機(jī)制指的是區(qū)塊鏈中所有個(gè)體對(duì)區(qū)塊鏈中的數(shù)字、行為或流程達(dá)成一致。區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制具備“少數(shù)服從多數(shù)”及“人人平等”的特點(diǎn)[3]。

1.2.2 區(qū)塊鏈2.0 2013年，以太坊創(chuàng)初版白皮書《以太坊：下一代智能合約和去中心化應(yīng)用平臺(tái)》[4]發(fā)布，描繪了區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬貨幣之外應(yīng)用的方式，由此拉開(kāi)了區(qū)塊鏈2.0時(shí)代的序幕（圖2）。以太坊搭建了一個(gè)平臺(tái)，將數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和共識(shí)3個(gè)層次封裝為區(qū)塊鏈底層的“虛擬機(jī)”，在此之上提供一套圖靈完備的腳本語(yǔ)言（EthereumVirtual Machinecode，簡(jiǎn)稱EVM語(yǔ)言），使用者可以編寫智能合約實(shí)現(xiàn)各種去中心化的應(yīng)用。智能合約嵌入在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)、交易、有形或無(wú)形資產(chǎn)上，形成可編程控制的軟件定義的系統(tǒng)、市場(chǎng)和資產(chǎn)。智能合約不僅為傳統(tǒng)金融資產(chǎn)的發(fā)行、交易、創(chuàng)造和管理提供了創(chuàng)新性的解決方案，同時(shí)能夠在社會(huì)系統(tǒng)中的資產(chǎn)管理、合同管理、監(jiān)管執(zhí)法等事務(wù)中發(fā)揮重要作用[5]。

圖1 區(qū)塊鏈1.0技術(shù)架構(gòu)[3]

圖2 區(qū)塊鏈2.0技術(shù)架構(gòu)[3]

1.2.3 區(qū)塊鏈3.0作為新興并快速發(fā)展的技術(shù)，區(qū)塊鏈存在許多技術(shù)上的問(wèn)題，包括安全問(wèn)題、效率問(wèn)題、資源問(wèn)題和博弈問(wèn)題[5]，制約了區(qū)塊鏈在行業(yè)中應(yīng)用。為此，誕生了EOS、Cardano、IOTA、NEO等大批區(qū)塊鏈技術(shù)，針對(duì)行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，優(yōu)化區(qū)塊鏈底層協(xié)議使得在保證去中心化、去信任中介的同時(shí)，達(dá)到商用級(jí)別的高性能，從而以社會(huì)應(yīng)用為切入點(diǎn)，讓區(qū)塊鏈應(yīng)用到各個(gè)垂直行業(yè)中去。可以說(shuō)，區(qū)塊鏈1.0實(shí)現(xiàn)貨幣互聯(lián)，區(qū)塊鏈2.0實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)互聯(lián)，而區(qū)塊鏈3.0將實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)[6]。

1.3 通證經(jīng)濟(jì)

任何有價(jià)值的資產(chǎn)都可以被認(rèn)為是通證(Token)，如貨幣、股票、債券乃至積分、Q幣、電子券。區(qū)塊鏈技術(shù)為通證的使用創(chuàng)造了完美環(huán)境，首先，在區(qū)塊鏈上發(fā)行的通證不需要中心節(jié)點(diǎn)為信用背書，其權(quán)益受密碼學(xué)的機(jī)制保護(hù)，任何人不能偽造、刪除和篡改；其次，任何人和組織都可以發(fā)行通證，任何資產(chǎn)，從鑰匙、門票到積分、卡券，也都可以用通證標(biāo)識(shí)；此外，區(qū)塊鏈上的通證具有可流通性，這使得其具有交易價(jià)值。

于是，區(qū)塊鏈和通證結(jié)合，創(chuàng)造了一個(gè)新的概念——通證經(jīng)濟(jì)(Token Economy)。在通證經(jīng)濟(jì)下，區(qū)塊鏈項(xiàng)目的參與者為項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)貢獻(xiàn)力量，而運(yùn)營(yíng)方則向參與者發(fā)送代表項(xiàng)目權(quán)益的通證作為獎(jiǎng)勵(lì)，這形成了正向激勵(lì)，使運(yùn)營(yíng)方和參與者都能從項(xiàng)目的發(fā)展中獲益。事實(shí)上，比特幣就是初代的通證，為了鼓勵(lì)參與者更新區(qū)塊鏈，最快更新區(qū)塊鏈的人會(huì)獲得比特幣獎(jiǎng)勵(lì)。在區(qū)塊鏈2.0時(shí)代，以太坊設(shè)計(jì)了ERC20標(biāo)準(zhǔn)，使得任何人在以太坊上可以發(fā)行通證，這帶來(lái)了ICO(Initial Coin Offering)的繁榮，促進(jìn)了區(qū)塊鏈的大發(fā)展。到了區(qū)塊鏈3.0，通證不再限于虛擬幣，而是以更多樣的方式介入傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)生活中。比如基于區(qū)塊鏈技術(shù)的內(nèi)容社區(qū)“幣乎”(https://bihu.com/)會(huì)向社區(qū)參與者發(fā)送KEY作為獎(jiǎng)勵(lì)，KEY代表幣乎平臺(tái)及其周邊生態(tài)的功能的使用權(quán)，那么所有者就不僅僅是用戶，還有了部分股東的角色，這就激勵(lì)了用戶為社區(qū)的發(fā)展做貢獻(xiàn)。

2 區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈3.0時(shí)代，區(qū)塊鏈技術(shù)在游戲娛樂(lè)、支付、物聯(lián)網(wǎng)、社交通訊、去中心化交易所、數(shù)據(jù)交換等多個(gè)行業(yè)進(jìn)行了有效的探索，但是距離大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日。區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，一方面需要解決技術(shù)上的瓶頸，另一方面也要行業(yè)從業(yè)者探索區(qū)塊鏈在行業(yè)中的應(yīng)用模式，從而使技術(shù)能夠落地。

近些年，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及3S技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相融合，提升了中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平[7]，另一方面，總體上中國(guó)仍以小規(guī)模和低水平的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)為主，基于信息技術(shù)的新技術(shù)難以在農(nóng)業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。在中國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀下，區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)中主要的應(yīng)用場(chǎng)景在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)產(chǎn)品溯源[8-12]。

2.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)并不是獨(dú)立存在的一種新行業(yè)，而是與不同領(lǐng)域的傳統(tǒng)行業(yè)深度結(jié)合，由物聯(lián)網(wǎng)給傳統(tǒng)行業(yè)賦能，在此基礎(chǔ)上形成的一種新生態(tài)模式。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化過(guò)程中的起到重要技術(shù)支撐作用的同時(shí)，也受限于農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，其中最主要的問(wèn)題在于中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍以小規(guī)模模式為主，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成本、穩(wěn)定性、使用門檻限制了其在農(nóng)戶中的推廣[13]。

區(qū)塊鏈的去中心化機(jī)制可以解決當(dāng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中接入設(shè)備過(guò)多導(dǎo)致的成本和效率問(wèn)題[11]，但是就中國(guó)目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀而言并不迫切。中國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸在于，占主體地位的小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者缺乏購(gòu)買物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的意愿。除了在技術(shù)上對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提升，區(qū)塊鏈的另一個(gè)用途是對(duì)經(jīng)濟(jì)方式的改造[14-15]。采用區(qū)塊鏈技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)在于，能夠提供去信任中介的直接交易，通過(guò)智能合約的方式制定執(zhí)行條款，當(dāng)條件達(dá)到時(shí)，自動(dòng)交易并執(zhí)行。這種方式可以產(chǎn)生很多應(yīng)用場(chǎng)景，比如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備除了監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還有一個(gè)重要產(chǎn)出——監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，這是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析、農(nóng)業(yè)模型構(gòu)建、農(nóng)業(yè)智能控制的重要基礎(chǔ)。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)在通證經(jīng)濟(jì)中被認(rèn)為是有價(jià)值的資產(chǎn)，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)，可以設(shè)計(jì)智能合約，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)生成一條監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，就自動(dòng)給予對(duì)農(nóng)戶一定的代幣獎(jiǎng)勵(lì)，這將有效提升農(nóng)戶使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的意愿。

2.2 農(nóng)產(chǎn)品溯源

農(nóng)產(chǎn)品溯源是對(duì)涉及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、銷售的產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息認(rèn)證，通過(guò)溯源碼可以查出農(nóng)產(chǎn)品在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息，明確責(zé)任，保證食品安全。追溯目前使用的RFID和二維碼（或條形碼）技術(shù)已經(jīng)比較成熟，區(qū)塊鏈可以切入的方向有2個(gè)。

（1）數(shù)據(jù)安全。當(dāng)前，溯源信息保存在溯源平臺(tái)的系統(tǒng)中，這種中心化的存儲(chǔ)方式存在安全性問(wèn)題，黑客攻擊、數(shù)據(jù)損壞、人為篡改，都有可能造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以將農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)、加工、物流、銷售各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上鏈，記錄到區(qū)塊鏈分布式網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)一旦上鏈便不可篡改，解決了數(shù)據(jù)安全的問(wèn)題。

（2）新商業(yè)模式。溯源在機(jī)制上存在幾個(gè)缺陷。首先，溯源機(jī)制依賴于記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中的溯源信息，但是卻無(wú)法保證人工錄入溯源信息時(shí)不出現(xiàn)差錯(cuò)。其次，農(nóng)產(chǎn)品溯源產(chǎn)業(yè)鏈中的農(nóng)戶（或生產(chǎn)企業(yè)）、加工企業(yè)、物流方、銷售公司、消費(fèi)者等是彼此隔離的，缺乏信任機(jī)制。基于區(qū)塊鏈的通證經(jīng)濟(jì)可以通過(guò)智能合約的方式，構(gòu)建溯源節(jié)點(diǎn)間的信任機(jī)制，并隨著追溯信息在節(jié)點(diǎn)中前進(jìn)，向節(jié)點(diǎn)發(fā)送代幣作為獎(jiǎng)勵(lì)，使其從溯源系統(tǒng)的參與者變成所有者，可以有效激勵(lì)其保證錄入信息的質(zhì)量。通過(guò)區(qū)塊鏈，可以實(shí)現(xiàn)各方效益的最大化，構(gòu)筑新型合作共贏的生態(tài)場(chǎng)景。

2.3 其他方向

區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)和電子商務(wù)[16-17]、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)[18]、農(nóng)村金融和保險(xiǎn)[19]、農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈[20]等方向具有應(yīng)用潛力，但是受限于中國(guó)農(nóng)業(yè)信息化程度和區(qū)塊鏈本身的技術(shù)特點(diǎn)，恐怕難以在短時(shí)間落地。

3 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈技術(shù)在有著去中心化、信息不可篡改、開(kāi)放、自治等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在性能和效率的問(wèn)題。限于國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)信息化和現(xiàn)代化水平，區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)并非面向農(nóng)業(yè)中的痛點(diǎn)，因而從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈與現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)結(jié)合的切入點(diǎn)比較少。另一方面，隨著通證經(jīng)濟(jì)的提出，區(qū)塊鏈已經(jīng)超越了技術(shù)本身，更像一種對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)方式的改造。以區(qū)塊鏈和通證經(jīng)濟(jì)的思路構(gòu)建共贏的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)場(chǎng)景，讓各方都能從中受益，或許是提升國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的突破口。