國際經驗對上海都市現代農業科技發展的啟示

■ 馬 佳 董家田 倪 卉 原 源 楊 娟 趙京音

新一輪科技革命將引發科技創新范式的變革和全球創新格局的重構，同時都市現代農業的高質量發展對自主創新能力提出了更高要求。這既為農業科技發展帶來新的戰略機遇，也提出了新的嚴峻挑戰。“十四五”期間上海都市現代農業科技的發展應在遵循都市現代農業科技發展規律的前提下，在客觀準確地把握上海都市現代農業的基礎上，對標借鑒國際相關經驗，為選擇正確的發展方向奠定基礎。

一、都市農業科技發展的國際經驗

（一）日本都市農業科技發展的背景及主要趨勢

日本是國際上較早發展都市農業的國家，且取得了較高成就，由于其農業生態區域、生產模式、膳食消費結構、農業發展歷程與上海有著高度的相似，因此，常被作為上海都市農業發展對標的重要目標。日本的都市農業指的是包含在都市內的農業區及都市近郊的農業，始于上個世紀70年代的千葉縣松戶市常盤平地區。當時有部分農民想要繼續從事農業經營，反對將其農地變為建設用地。于是，政府將15.27 公頃農地保留下來繼續經營農業。同時，還有橫濱市大寺町、熊本市臨近的合專用主菊陽町、愛知縣的常盤市等地。隨后逐漸推廣，主要在東京圈、大阪圈、中京圈內進行。

隨著日本人口減少和老齡化問題的日漸凸顯，2015年4月，日本農林水產省及國土管理局出臺了《都市農業振興基本法》，旨在發揮都市農業的多功能性，即不僅提供新鮮的農產品，而且是防災空間的確保，形成良好的景觀，保障國土環境，并提供農事體驗場所等功能，以緩解都市農業面臨的老齡化、勞動力不足等壓力，實現循環型社會的構筑和環境共生都市的形成。近年，日本學界也對都市農業的多功能達成了共識，主要體現為以下幾個方面：

1.豐富多彩的都市生活的實現需要都市農業。具體表現為以下三點：一是為都市居民提供綠色的功能。都市農業被認為是綠色的供應者，有助于改善都市環境，改善居民的生活，向城市提供綠色基礎設施，保護生物多樣性，創造可以感受到四季變化的環境，有效緩解都市的熱島效應、空氣污染、城市洪流、噪音等問題。二是培育和收割作物的農事體驗功能。都市農業通過娛樂農莊、相關企業等福利機構，特別是以老年人為對象的福利農園等，充分發揮農事體驗功能，為市民的身心健康帶來幫助。三是維持和提升生命質量功能。都市農業的農產品提供應時應季的生鮮農產品，有助于實現食物慢生活的生活方式，維持和提升生命質量。

2.發展都市農業可以作為資源及能源的振興政策。大都市中，人們活動中產生的廢棄物和排熱現象凸顯，包括食物垃圾、有機肥料、人工廢熱能等。都市農業吸收人們活動排出的二氧化碳，促進作物生長，將廢棄物堆肥化并利用起來，促進資源的循環和能源的優化利用。同時，利用廢廠、廢舊設施等閑置空間和設施作為農業生產基地，不僅有利于都市的食品安全，而且還能有效利用資源，推動實現可持續的環境共生城市。同時，在設施園藝、植物工廠等需要消耗電力的設施農業生產中，可利用很多如太陽能等再生能源，結合地下熱交換等節能技術，促進能源高效利用。

3.教育功能。都市農業為市民提供接觸農業的機會，提供了解農業和溝通的平臺。讓孩子們在學校教育中體驗農業，可以更好地進行食物教育和環境教育。

4.防災功能。都市農地不僅可以作為暫時避難所，而且還可以作為火災時防止延燒的空間。農地有涵養水源的功能以及對因雨水涵養而發揮的都市型水災的抑制功能。同時，農業水利設備也可以作為消防水利。此外，災害發生時的食物供應功能是非常重要的，有可能成為提供新鮮農產品和儲存食物的場所。近年來，溫室栽培等農業設施的防災功能也備受關注。由各種材料構成的管道屋抗震能力強，地震時可以成為有屋頂的避難設施。設施園藝中使用的電力設施和大型熱泵可能作為應急電源和熱源。

日本實現可持續發展都市農業的戰略構想主要包括三個方面：一是實現農業經營持續發展和循環型社會構建，推進設施農業發展。二是推進農業經營形態多樣化的研究開發和人才培養。三是建立有效發揮都市農業多功能的參與型信息系統。

農業科技是支撐日本都市農業可持續發展的關鍵。早在上個世紀90年代，日本農業技術進步貢獻率就已達到70%。日本都市農業科技主要有以下發展趨勢：一是保障都市農業獲得一定經濟效益與生態效益的科技。都市農業勞動力減少，地價又較高，很難達到高收益率。為滿足都市居民對多品種農產品的需求，設施農業也很難做到周年持續生產。此外，農藥污染等問題使得都市農業發展遇到很多困難，這些問題通過引入先進技術環節，引入資源循環利用技術，如利用太陽能等再生資源來緩解資源環境約束。同時，與水田、露地蔬菜等相配合，多種要素技術的開發和多種技術的組合應用。引入使用自動化技術的營養液栽培技術，包括人工智能（AI）、物聯網（IOT）等。引入節水節肥技術、6 次產業化、植物工廠等。二是促進都市農業多功能性的科技。利用GIS技術對土地進行管理和規劃。利用GIS 系統確定土壤改良、獲得水土情報等，在網絡上提供GIS 信息，讓所在地區的農民都可以參與。例如，日本水土綜合研究所向農業有關主體提供農地GIS 情報，包括土地分化、水利設施、地形圖等。“產學官”聯合計劃（指產業、高校科研院所、政府聯手發展農業）等通過網上提供的參與型GIS 系統（WebGIS）達到資源和信息共享效果。

日本的植物工廠發展。植物工廠作為設施農業的最高級發展階段，集中融合了現代工業、生物工程以及信息技術等高新技術手段，是技術的高度密集和現代科技成果的綜合應用，發展植物工廠已經是日本的國家戰略。2009年，日本農林水產省把植物工廠定義為“設施內具有可調節植物生育環境（如光、濕度溫度、二氧化碳濃度、養分水分等）的設備，控制生育環境進行栽培，并在對生長情況進行監控的基礎上，全年有計劃的栽培蔬菜等植物的設施”。目前日本主要有自然（太陽）光源和人工光源兩種植物工廠。

從園藝設施栽培蔬菜的品種上看，日本植物工廠主要集中在生菜類及葉菜類，其中生菜占46.8%，葉菜類占20.8%，根菜類占1.3%，豆苗類占1.3%，果菜類占31.2，香草類占3.9%，花卉占6.5%，菜果苗占 5.2%，其他 3.9%。

然而，從收支情況來看，2016年仍有42.1%的植物工廠處于虧損狀況。但是相比之下，同時利用兩種光源的植物工廠的收益效果較好，只有10%處于虧損，35%處于盈利狀態。

利用IOT+AI 結合進行智能栽培。日本的plantio 公司（總部在東京澀谷）和日本人工智能公司（總部在京東）共同開發了SmartPlanter[PLANTIO HOME]。前者開展智能栽培，主要是利用IT 技術進行蔬菜栽培，后者主要是播種、育苗，也開展對農業從業者的培訓等，兩個公司合作開展智能栽培項目。利用AI 技術和大數據結合，分析栽培所需的澆水施肥的有效時機，通過APP 等對參與者進行提醒，幫助不會栽培的人。到收獲期間，也可通過系統聯絡附近的餐館等，自動幫助尋找消費者。通過IT 技術不僅使蔬菜栽培實現可視化，而且還可以通過APP等使同樣進行栽培活動的人互相聯系，形成一個小型的社會團體。

（二）美國農業科技發展趨勢

美國是農業大國和科技強國，歷來是世界各國發展農業重點對標的國家。美國以高產良種培育、農機裝備、農業信息化等為切入點，通過高新技術應用推動了美國農業的進步，實現了對國際農業產業鏈的有效掌控。然而，由于世界人口的急劇增長，全球對農產品的需求越來越大，再加上耕地、水等資源的短缺，生態環境的退化，以及氣候變化等，使得農業發展面臨巨大挑戰。為應對這些挑戰，美國開展相關科技突破的研究，該研究結論對于“十四五”期間上海都市農業科技發展具有重要的借鑒和參考價值。

2019年初，美國國家科學院、工程院和醫學院聯合發布了題為Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030的研究報告，指出未來10年，美國將圍繞系統認知分析、精準動態感知、數據科學、基因編輯、微生物組五大關鍵技術尋求農業領域的技術突破。

1.整體思維和系統認知分析技術是實現農業科技突破的首要前提

農業是復雜巨系統，已經很難再依靠“點”上的技術突破實現整體提升。應將跨學科研究和系統方法作為解決重大關鍵問題的首選項。系統認知就是要從系統的要素構成、互作機理和耦合作用來探索問題解決的途徑。

2.新一代傳感器技術將成為推動農業領域進步的底層驅動技術

量值定義世界，精準決定未來。美國將高精度、精準、可現場部署的傳感器以及生物傳感器的開發、應用作為農業技術突破的關鍵。當前傳感器技術已廣泛應用在農業領域，但主要還集中在對單個特征如溫度、濕度等的測量上，如果要全面解析整個系統運行機理，連續監測多個特征的聯動能力才是關鍵。新一代傳感器技術不僅包括對物理環境、生物性狀的監測和整合，還包括運用材料科學及微電子、納米技術創造的新型納米和生物傳感器，對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動植物、環境時的循環運動過程進行監控。新一代傳感器所具備的快速檢測、連續監測、實時反饋能力，將為系統認知提供數據基礎，在出現病癥前就能發現問題、解決問題。

3.數據科學和信息技術是農業領域的戰略性關鍵技術

數據科學和分析工具的進步為提升農業領域研究和知識應用提供了重要的突破機遇。盡管收集了大量糧食、農業、資源等各類數據，但由于實驗室研究和生產實踐中的數據一直處于彼此脫節的狀態，缺乏有效的工具分析已有的數據、知識和模型。大數據、人工智能、機器學習、區塊鏈等技術的發展，提供了更快速收集、分析、存儲、共享和集成異構數據的能力和高級分析方法。數據科學和信息技術能將農業、資源等相關領域的大量研究成果應用在生產實踐中，在動態變化條件下自動整合數據并進行實時建模，促進形成數據驅動的智慧管控。

4.突破性的基因組學和精準育種技術應當鼓勵并采用

隨著基因編輯技術的出現，有針對性的遺傳改良可以以傳統方法無法實現的方式對植物和動物進行改良。通過將基因組信息、先進育種技術和精準育種方法納入常規育種和選擇計劃，可以精確、快速地改善對農業生產力和農產品質量有重要影響的生物性狀。這種能力為培育新作物和土壤微生物、開發抗病動植物、控制生物對壓力的反應，以及挖掘有用基因的生物多樣性等打開了技術大門。

5.微生物組技術對認知和理解農業系統運行至關重要

隨著利用越來越復雜的工具探測農業微生物組，建立農業微生物數據庫，更好地理解分子水平土壤、植物和動物微生物組之間的相互作用，并通過改善土壤結構、提高飼料效率和養分利用率以及提高對環境和疾病抵抗力等增強農業生產力和彈性，甚至徹底改變農業。

二、國際經驗對上海農業科技發展的啟示

從日本都市農業發展的經驗看，今后上海都市農業的發展也應以成為實現豐富多彩的國際大都市生活的有效保障，以及振興資源能源的重要支撐為導向。上海都市農業科技發展必須立足本市現狀，遵循國際科技發展規律，借鑒國際經驗，面向市場，重點發展能提升都市農業經濟效益與生態效益，以及促進都市農業多功能發揮的科技。具體來講，包括有意識發展系統認知分析技術，集中力量發展促進都市農業高質量發展的關鍵技術，如土地資源安全與管控現代工程技術、新一代傳感器技術等，深度發展數據科學和信息技術，加快突破基因組學和精準育種的前沿技術，大力提升微生物組技術。

（一）系統認知分析技術是上海都市農業科技發展的核心

都市農業作為一個復雜的巨系統，涉及跨學科研究和多個系統。上海都市農業科技的發展必須突破點上思維，要從資源利用、運作效率、系統彈性和可持續性的整體維度進行思考。

（二）土地資源安全與管控現代工程技術是上海都市農業科技發展的重要支撐

提升上海都市農業的生態功能，破解農業生態效率不高、競爭力不強、生態不可持續的問題主要在土地資源的利用方式上，因此，上海都市農業科技的突破要從土地資源的治理、修復、提升入手。聚焦精準調查、精細感知、精明治理的科學技術體系，在一些關鍵核心技術上取得突破進展，如耕地質量大數據、耕地健康診斷技術、生態良田構建技術、土壤生物多樣性保護、耕地養護技術、耕地系統演化模擬仿真技術、鹽堿地綜合治理技術、低碳耕作制度研究、耕地資源智慧監測等。

（三）新一代傳感器技術將是上海都市農業發展的重要驅動

進一步加強對高精度、精準、可現場部署的傳感器以及生物傳感器的開發、應用，使其具備連續監測多個特征的聯動能力，不僅包括監測、整合物理環境和生物性狀，還包括對水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動植物、環境時的循環運動過程的監控，為系統認知提供數據基礎。在資源要素的利用環節即可精準發現和定量識別可能出現的風險問題，并能夠實時優化調整。

（四）數據科學和信息技術是上海都市農業科技的戰略關鍵

盡管，農業相關數據已經有一定程度的收集，但由于實驗室研究和生產實踐中的數據一直處于彼此脫節的狀態，缺乏有效的工具分析已有的數據、知識。大數據、人工智能、機器學習、區塊鏈等技術的發展，提供了更快速收集、分析、存儲、共享和集成異構數據的能力和高級分析方法。上海都市農業科技發展的關鍵是加快應用數據科學和信息技術，將農業、資源等相關領域的大量研究成果應用在生產實踐中，在動態變化條件下自動整合數據并進行實時建模，促進形成數據驅動的智慧管控。

（五）突破性的基因組學和精準育種技術是上海都市農業科技的重要前沿

采用基因編輯技術，通過將基因組信息、先進育種技術和精確育種方法納入常規育種和選育，有針對性的遺傳改良，改善對農業生產力和農產品質量有重要影響的生物性狀，加快突破相關前沿技術，以提高農業生產力、抗病抗旱能力，提升農產品營養價值。

（六）微生物組技術是上海都市農業科技的重要組成

加大提升微生物組技術，建立農業微生物數據庫，解析分子水平土壤、植物和動物微生物組之間的相互作用，并通過改善土壤結構、提高飼料效率和養分利用率以及提高對環境和疾病抵抗力等增強農業生產力和彈性。

為解決人口、資源、環境等突出問題，大幅度提高農業資源效率，可借鑒日本經驗，將植物工廠作為“十四五”期間上海都市農業重點發展的方向之一。植物工廠可以通過設施內高精度環境控制實現農作物周年連續生產的高效農業方式，由計算機對植物發育過程的溫度、濕度、光照、CO2 濃度以及營養液等環境條件進行自動控制，不受或很少受自然條件制約的省力型生產。隨著節能與新能源利用、農產品品質調控、新型傳感器與智能控制以及物聯網等新技術在植物工廠的深度應用，今后應在LED 節能光源及其調控技術、太陽能、風能、生物質能等新能源的開發與應用技術、全程智能化調節與控制技術、物聯網技術的應用等方面加大力度。