楊 帥 周國民,2,3 莊 嚴*
(1.中國農業科學院科技管理局,北京 100081;2.國家農業科學數據中心,北京 100081;3.農業農村部農業大數據重點實驗室,北京 100081)
農業系統能否保持可持續發展和全球有效供給是各國政府、科學機構、民間組織等不同主體共同關注的焦點[1]。我國農業在過去30 余年取得舉世矚目成就的同時,既面臨著農業供給側結構性改革的歷史機遇,也面臨著資源環境相對短缺、全球氣候變化、生產力增長放緩、勞動力成本提高等諸多重大風險考驗,通過科技創新和政策優化孕育新的增長點已成為新時期現代農業發展的戰略性選擇[2]。
作為我國農業科技創新體系的重要組成部分,科學觀測實驗站是開展農業科學研究的基本單元,是提高農業科學與技術原始創新能力的基礎源泉,具有其他平臺不可替代的作用。科學觀測實驗站既要開展對與農業有關的自然環境、生產環境的影響因素長期、系統的定點定時觀測,積累基礎數據;同時也是進行農作物病蟲害防治或動物疫病防治技術研究、農牧業優良品種選育及綜合配套栽培技術開發、畜禽安全高效飼喂技術研究的主要陣地[3]。其功能主要包括三方面:一是系統、長期的觀測自然界有關關鍵要素,并積累相關基本數據;二是研究并闡明自然界發生發展的關聯因素及演變規律;三是構建科學拓撲建模和預測預警體系,服務科技創新與政策制定等[4]。
然而隨著科學大數據技術支撐日益突出,單一農業科學觀測實驗站“單兵作戰”模式已不能滿足第四研究范式的發展要求,長期以來存在的觀測內容、數據標準差異造成的壁壘,導致傳統科學觀測實驗站間的數據共享融合困難重重,造成了部分科學觀測的重復建設和資源浪費。因此,農業科學觀測工作網絡化發展已成為必然趨勢,亟需努力推動農業科學觀測實驗站在數據采集、數據結構等方面采取統一標準,加大時間空間尺度的對比研究和綜合研究,在此基礎上不斷提升網絡化觀測能力和水平。目前發達國家乃至國際組織已在土壤、海洋、荒漠、極地等不同環境下,構建了農業、地磁、大氣、氣象等諸多領域的觀(監)測網絡。針對農業系統的科學觀測網絡更是發揮出了網絡級協同組織管理,觀測數據標準規范一體化,對外開放共享應用等方面的建制化優勢,為突破傳統單一觀測實驗站點在學科性、區域性、融合性的探索了有效路徑,已成為人類對農業系統科學問題、產業問題、方法問題開展研究的新型綜合性平臺。
本文旨在通過梳理國際涉農領域的科學觀測工作網絡化發展進程,總結國際上影響力較大、觀測研究動態活躍的農業科學觀測網絡典型模式,凝練其網絡化發展進程的突出特征及發展趨勢,為我國農業科學觀測工作網絡化發展提供借鑒,以進一步推動農業科學觀測數據發展,發揮其對農業重要科技創新、農業重要政策制定的重要支撐作用。
科學觀測網絡已成為觀測技術手段為依托,系統性開展各類農業系統的本底信息收集、動態過程機理機制研究、多類要素互作關系與演變趨勢探索乃至全球可持續性發展策略制定等方面工作的科學網絡平臺體系[5]。從發展進程看,科學觀測工作呈現出了單一站點、觀測網絡、觀測系統三個典型發展階段。
1777 年,被譽為“近代化學奠基人”的拉瓦錫提出的“氧化說”推翻了“燃素說”,其創建的實驗技術實踐發現、定量定性方法結合為特征的新型研究范式[6]。此外,18 世紀末到19 世紀初,由于工業革命刺激歐洲國家工商業發展、人口激增,糧食需求倒逼農業生產向集約型轉變,大農場為新興增產技術的發展創造了資金支持和推廣條件,最終在1843 年催生了首個農業科學觀測為主的實驗站——洛桑實驗站,農場主Lawes為解決土壤肥力對作物增產影響問題,在科學家Gilbert 協助下在自有土地上設立了9 項針對肥料施用與作物產量關系的長期定位觀測實驗[8],實驗研究成果直接驅動了現代化肥產業的發展,深刻影響了現代農業發展進程。隨后,德國默肯農業試驗站(1851 年)、美國康涅狄格農業試驗站(1875 年)、加拿大中央實驗農場(1886 年)等觀測實驗站相繼出現,農業長期定位觀測工作在歐美各國紛紛啟動實施[7]。
第二次世界大戰以后,農業在國民經濟中的首要位置在很多國家得以確立。由于喪失了大量原本作為農業生產基地的殖民地,一批歐美國家開始高度重視本國農業科技發展,以增產增效為核心目標的集約化、機械化現代農業技術體系得以迅速發展。因此,國家尺度農業科學基礎數據在支撐農業經濟發展、綜合農業技術創新應用等方面的支撐作用日益凸顯[9]。在這些國家的主管部門和科學家群體倡導下,科學觀測實驗站逐漸由“單一孤立”走向“組網協同”,蘇聯、英國、德國、美國等一些發達國家基于雄厚的科學觀測實驗站建設運行基礎,率先整合布局了一批國家級尺度的觀測網絡,以解決本國農業發展的重大科學需求,最為典型觀測網絡包括蘇聯的地理實驗研究網絡(Geographical network,Geonet)、美國的長期生態學研究網絡(Long Term Ecosystem Research,LTER)、英國的環境變化研究網絡(Environment Change Net‐work,ECN)。
20 世紀末,氣候變化、糧食安全等全球可持續發展問題已成為世界各國共同關注的重大科學挑戰,單一國家主導的科學觀測網絡已經不足以全面揭示多學科交叉、多要素關聯、多系統互作的全球變化系統。因此,聯合國糧食及農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)、聯合國環境規劃署(United Nations Environment Programme,UNEP)、世界氣象組織(World Meteorological Organi‐zation,WMO)等國際組織主導實施了一系列跨政府科學研究計劃,科學觀測網絡化進一步升級為全球尺度的觀測系統。較有影響力的觀測系統包括:全球綜合地球觀測系統(Global Earth Observation System of Systems,GEOSS),國際長期生態學研究網絡(Inter‐national Long Term Ecosystem Research,ILTER),全球陸地觀測系統(Global Terrestrial Observing Sys‐tem,GTOS)、全球海洋觀測系統(Global Ocean Ob‐serving System,GOOS)等。
縱觀科學觀測工作網絡化發展近180 年的歷史,總體趨勢呈現出三大特點:一是研究焦點由具體科技問題向基礎性觀測大數據收集、整理與應用轉變;二是組織特征由站點獨立自主研究向聯網觀測協同研究升級;三是研究方式由傳統單一領域的“觀測—記錄—分析”向自然農業、社會經濟、生產要素多領域深度耦合,數據共享與集成程度逐步深化。
由于各國在資源稟賦、發展方向和體制機制等方面存在差異,因而在科學觀測從站點向觀測系統發生網絡化演進的過程中,孕育了不同類型的組織模式,主要分為統籌型、聯盟型和倡議型三種。
2.2.1 統籌型觀測網絡
統籌型觀測網絡的組網模式可概括為“先規劃、再組網、后建站”,即在明確觀測網絡功能定位前提下,由國家有關管理部門主導發起,充分結合摸底調研和區域特點選址組網,并在統一觀測規范、實驗方案基礎上聯合開展一體化科學觀測工作。
該類模式顯著特點主要包括:1.堅持目標導向,始終與國家發展重大需求相統一,觀測方向和重點任務突出明確,有利于觀測工作有效供給科技創新與政策制定;2.縱向管理機制,有集中力量辦大事的體制機制優勢,自組建之初即強調統一觀測標準與方法的規范性,為長時間尺度、大區域跨度的觀測數據融合奠定了堅實基礎;3.高度重視建章立制,將科學觀測工作通過立法上升為國家意志,以保障觀測網絡在組織架構、運行機制、觀測方案和布局調整等方面的決議程序有章可循,具備極強的穩定性。
統籌型觀測網絡以蘇聯—俄羅斯一脈相承的Geonet最為典型。Geonet在組建之初就明確了“統一標準、聯合實驗”的總體思路。20世紀30—40年代,蘇聯政府組織大規模的集體農場土壤調查,在繪制全國土壤分布圖和農用化學統計圖基礎上,選定了典型區域的永久性實驗農田并建立實驗站。1941年,蘇聯人民委員會決議正式啟動Geonet,農業部作為主管部門曾多次就觀測工作的任務目標和網絡布局調整發布法令條例,該項傳統一直延續至今(見圖1)。20世紀60年代Geonet一度組織320多個實驗站圍繞土壤質量和農業化學2 大領域開展500 多項長期農業化學實驗。支撐了蘇聯土壤-農業化學區劃工作,并解決了農業大規模投入農用化學品的理論、實踐問題[10-12]。
蘇聯解體后,俄羅斯農業部與俄羅斯農業學院成為了Geonet的聯合主管部門,2001 年,雙方通過聯合令對Geonet 功能定位和管理機制進行了重塑:建立了“Geonet科學方法委員會—區域協調中心—觀測實驗站”三級網絡結構,特別建立了跨部門的常設機構——Geonet科學方法委員會,負責全網絡長期定位觀測實驗的建立、改進與終止,并通過批準執照的方式對觀測實驗站進行備案管理;建立了區域協調中心,協助主管部門開展業務指導、布局調整、年報收集、會議籌辦、數據庫建設等工作;觀測實驗站負責按照既定方案開展實驗、觀測和分析工作,并按照要求提交數據、保存樣品、編寫報告。2005 年,Geonet 科學方法委員會決議委托俄羅斯農業學院肥料與農業土壤研究所(現普里亞尼什尼科夫全俄羅斯農業化學研究所,簡稱VNIIA)主持Geonet 日常運維工作;并委托俄羅斯農業學院系統研究所承擔區域協調職能,Geonet的運行管理機制得到進一步強化①http://www.geo-set.ru/site/70。
2.2.2 聯盟型觀測網絡
聯盟型觀測網絡通常遵循“先建站、再聯網、后準入”的組建模式,即由研究所、大學、個人等多類主體獨立建設運行實驗站一段時間后,在站科學家群體逐步形成聯網觀測共識,實驗站間構建起自治管理機制并明確準入標準體系,經審定后吸納已建達標實驗站,進而開展網絡級聯合觀測科學活動。
該類模式優勢主要包括:1.觀測實驗站在觀測選題方面具有較高的自主性,最大程度地保留了多樣化的經典實驗;2.群策群力開展觀測任務設置,觀測實驗站、農業產業部門、學術研究團體等多方利益攸關者深度參與頂層設計,實現了多方需求深度融合和多元資金渠道支持;3.具有扁平化的協調管理機制,在觀測主題、數據管理、外聯合作均設置了獨立崗位及自治委員會(或工作組),特別注重強化觀測標準規范和數據產出對聯網觀測的技術保障。
聯盟型觀測網絡以美國長期農業研究網絡(Long-Term Agroecosystem Research Network,LTAR)較為典型。2008年,就職于凱洛格生物站(W.K.Kellogg Bio‐logical Station,KBS 站)的科學家Robertson 等人呼吁組建一套農業綜合研究體系,以滿足系統性、長期性、跨地域的協同觀測需求[14],該項提議在2011年得到了美國農業部農業研究局(Agricultural Research Ser‐vice,ARS)的認同和支持,ARS官員Walbridge和Sha‐fer系統闡述了LTAR的愿景目標、中長期規劃、聯網運行基本原則以及入選機制[15]。隨后,ARS組建了專門的督導委員會,先后兩批遴選了18 個觀測實驗站,基本實現了美國典型種植系統(Croplands)、畜牧系統(Grazinglands)、農牧混合系統(Integrated System)三大主要農業類型觀測工作全覆蓋。
盡管2011年才宣告正式成網,但LTAR支撐農業產業發展方面已初具影響力。LTAR 積極倡導聯網大尺度、跨學科研究,研究成果由簡單的數據集整理匯總開始向跨領域綜合效益評估、數據建模等方面轉變。值得一提的是,LTAR 探索出了一套與聯網觀測相配套的工作組機制,如表1所示,LTAR 根據工作需求設置了觀測類、信息管理類、協同觀測類、農業管理類、外聯溝通類等五大類工作組,其中觀測類工作組負責對標農業系統內水土氣生要素觀測需求,制定網絡級統一的標準規范體系;協同觀測類工作組則側重從種植業、畜牧業產業問題出發,負責策劃網絡級共同實驗;信息管理類工作組負責全網各類觀測數據收集整理與挖掘分析;農業管理技術類工作組補充了遙感觀測并負責GIS信息共享需求;外聯與溝通類工作組則承擔了開展跨網絡合作觀測職能①https://ltar.ars.usda.gov/。
2.2.3 倡議型觀測網絡
倡議型觀測網絡通常遵循“項目牽引、標準引領、成員合作”的發展模式。該類網絡往往由聯合國等國際組織發起,依托于政府及非政府組織間合作框架與發展規劃,共商重大觀測議題和方案,利用成員國原有觀測網絡基礎,構建全球尺度的科學觀測系統,統一數據交互標準、構建協同創新機制,共同推進國際科學觀測數據的共享與應用。
該類網絡的優勢主要包括:1.集聚了人類命運共同體重大需求領域的世界頂尖科研力量,有利于推動農業觀測跨學科科技協同創新與綜合性問題的解決;2.觀測技術手段先進多元且高度集成,衛星遙感、渦度觀測塔、傳感器等多種技術一體化緊密結合,有助于農業領域觀測數據與異構信息的全方位獲取;3.關注重點由傳統臺站觀測向新型綜合數據基礎系統建設,技術、語義和組織的互操作性,實現觀測、數據采集、數據同化、數據建模、信息傳播之間的深度融合發展。
由GEO 主導建立的GEOSS 是該類網絡的典型代表。GEOSS 是2003 年由聯合國、歐盟、美國環境規劃署等單位組織,100 多個國家政府和組織參與搭建的政府機構、學術研究機構、數據提供商、企業、科研工作者共用共享的全球性觀測網絡。GEOSS 建立了部長峰會、全會、執行委員會、秘書處為框架的組織管理機制,并在此框架下形成了非洲、美洲、亞洲、歐洲四個子倡議框架以推動區域性協同觀測。GEOSS聚焦農業系統、能源、農業等9 個“社會受益領域”(SBA),并通過“十年執行計劃”以超前理念引領了地基(觀測臺站)、機載(傳感器)與天基(衛星遙感)相融合的立體集成式觀測模式的發展[5]。
2006 年啟動的第一個十年執行計劃框架下,GEOSS 建立了自下而上的項目牽引機制,由成員國或組織主導觀測項目集成,首批啟動了84 項觀測集成研究,其中農業SBA 在2007 年G20(二十國集團)羅馬峰會上,25 個農業觀測相關國家和國際組織宣布啟動了“全球農業監測計劃”(Global Agricultural Monitoring Initiative,以下簡稱“GEOGLAM”),并在FAO 主導下修訂了農業地質監測任務(AG-07-03)6項子任務,明確了全球農業綜合監測在數據政策、數據質量與標準、觀測通用技術集成、田間與遙感數據融合、觀測設施強化等方面的長短期工作任務。2015年啟動的第二個十年計劃進一步定義了倡導、參與、交付的策略目標,重塑了基礎項目(Foundational Task)、預研項目(Community Activity)、啟動項目(GEO Initiative)、旗艦項目(GEO Flagship)4 個任務層次,其中GEOGLAM 因其突出的實施成效順利被推薦為新十年計劃首個旗艦項目。GEOGLAM 框架下,我國研發的全球農情遙感速報(CropWatch)、牧場及牧場生產力觀測系統(RAPP)等子系統均已形成了較為成熟的觀測數據共享發布制度,有力推動了過去分散的觀測體系、數據標準、數據建模與應用資源的系統性整合,觀測數據與用戶需求端對端服務得以快速發展,也維護了該網絡的高效運維活力,GEO‐GLAN 在應對氣候變化、糧食安全、突發災害等全球性挑戰中的數據支撐作用正在日益凸顯①https://earthobservations.org/cop_ag_gams.shtml。

表1 LTAR工作組架構及其職責功能Table 1 Structure and responsibliltes of LTAR working groups
盡管不同類型的農業觀測網絡在組網過程、管理機制和重點領域等方面存在較大差異,但總體說來,這些國際化的農業科學觀測網絡具有一些可借鑒、可持續的發展理念,主要包括以下三方面:
(1)高度重視網絡化運行制度建設。不同觀測網絡結合各自國情,大多建立起了“決策—咨詢—執行”為核心的管理體系,特別注重觀測選題、跨學科聯合、數據共享共用等核心職能的崗位設置和協作機制,并通過立法等形式確定,以保障網絡化觀測工作長期有序開展。
(2)標準化規范是發揮觀測建制優勢的核心。觀測網絡組織相關領域科學家制定了統一的網絡級觀測實驗方案,在觀測方法、儀器運維、數據采集與共享應用等方面建立標準規范體系,并通過培訓、指南等形式指導具體科學觀測活動,這也使得多學科觀測數據更加具有可發現性、可訪問性、可互操作性和可重用性。
(3)數據開放共享促進了觀測網絡發展的良性循環。這些觀測網絡大多有負責數據開放共享的專業團隊,并依托強大的數據信息基礎設施,建立了“觀測網絡+實驗站”一體化的觀測數據開放門戶,全面展示觀測網絡的觀測標準、元數據、觀測數據、科學數據集、學術專著以及代表性成果,通過數據共享程度的不斷提升,實現標準化數據產品和科學觀測成果的持續產出。
當前,國際農業科學觀測網絡作為科學數據“策源地”的作用正不斷彰顯,其發展趨勢在第四科學范式影響下正在發生著深刻的演變。總體而言,農業觀測網絡已由原來的“專業性、分散性、小尺度、局域性”向“大整合、大融合、大尺度、大數據”的方向提檔升級,主要表現在以下四點:
(1)不同觀測網絡由相互獨立走向統一整合。過去,由一個或若干領域科學家發起的觀測網絡研究目標相對聚焦,而網絡間關注點則更為分散,這也形成了不同網絡間的數據壁壘,阻礙了農業領域的數據共享共用,而當前不同觀測網絡的統一整合已成為必然趨勢。例如,美國近年來開始著力打造“觀測網絡的網絡”,LTAR、土壤健康評估網絡(Soil Health Assess‐ment Network,SHAnet)、彈性農業經濟網絡(Resil‐ient Economic Agricultural Practices,REAP)等多個涉農數據網絡整合形成了農業合作研究成果系統(Ag‐ricultural Collaborative Research Outcomes System,AgCROS),面向第四科學范式的農業多源異構觀測數據也因此獲得了更大的挖掘潛能[16]。
(2)社會-農業系統(Social-Ecological System)融合研究得到越來越廣泛關注。農業科學觀測工作不再僅僅關注單項農業技術突破,而是融合了社會經濟學、生態學等學科的研究方法,深化了農業系統與人類社會之間相互關系認知。這種融合性研究已逐步成為提升農業科學觀測數據供給質量,支撐政府科學決策的通行做法。
(3)觀測空間、時間尺度不斷拓展。國際先進農業觀測網絡研究空間尺度由樣方和臺站尺度向流域、景觀等尺度延伸,特別是以“流域”為單元的網絡級觀測研究任務愈發重要,其時間尺度多為10 年乃至20年以上。在長時間序列的觀測數據累積下,“一網多站”和“一站多能”的涉農觀測網絡正不斷孕育新的農業科技創新增長點。
(4)新一代觀測技術體系正在深刻改變傳統觀測發展格局。以智能傳感器、航天遙感、物聯網和大數據為核心的新型技術手段正不斷融入傳統的農業科學觀測體系,高密時間頻度和大空間尺度的觀測數據獲取能力大幅度提升,并加速了農業科學觀測大數據的形成和發展,農業科學觀測網絡對數據建模、預測預警、科學決策等方面的支撐作用愈加凸顯。
長期以來,我國高度重視農業科學觀測工作。早在20 世紀60—70 年代,農業農村部(原農業部)先后投資建設了湖南祁陽、山東德州等以農業資源環境監測為主的觀測實驗站,打造了一批重要的觀測工作平臺。20 世紀80 年代后,國家進一步加快部分涉農觀測網絡建設步伐,包括中科院主導建設的中國生態系統研究網絡(Chinese Ecosystem Research Networl,CERN)、中國農科院主導建設的全國土壤肥力監測網絡,科技部、農業農村部相繼整合形成了國家野外科學觀測實驗站體系、學科群觀測實驗站體系以及現代農業產業技術體系實驗站等不同側重點的觀測網絡,為我國培育觀測監測人才隊伍、系統積累農業科學觀測數據做出了積極探索。
為了進一步優化提升農業科學觀測網絡化布局,2017 年,我國農業農村部啟動了國家農業科學觀測網絡建設工作,旨在通過開展農業生產要素及其動態變化的系統觀測,闡明要素間聯系及發展規律,為我國農業科技創新、農業農村綠色發展以及管理決策提供科學數據支撐。4 年來,該觀測網絡布局了土壤質量、種質資源、農業環境、植物保護、畜禽養殖、動物疫病、農用微生物、漁業資源與環境、天敵昆蟲、農產品質量安全等10大觀測領域,參與觀測工作的中央-省-地市三級實驗站達456 個,附屬監測點超過2000 個,首次實現了我國農業領域多學科協同觀測的大聯網。
盡管我國在農業觀測網絡建設取得了階段性進展,但與國際先進農業觀測網絡相比,存在起步晚、基礎弱、謀劃少等突出問題,與國家“十四五”農業高質量發展的重大觀測需求相比,仍需在以下四方面集中發力:
(1)加強頂層設計和超前謀劃。進一步健全網絡級的“決策—咨詢—執行”機構、制度,各科學觀測領域間的“需求—選題—任務—方案”一體化設計已成為健全農業科學觀測網絡化發展重中之重,亟需借鑒LTAR、GEOSS 等網絡化經驗,強化頂級科學家在決策、咨詢方面的先導作用,面向國家十四五規劃和農業中長期發展的重大觀測需求,凝練國家尺度、區域尺度的跨學科聯合觀測選題,梳理各學科協作的觀測任務,明確各實驗站具體落實的觀測方案。
(2)提升觀測網絡標準化建設水平。國家農業科學觀測網絡的數據體系建設仍處于初級階段,各學科間的數據融合研究有待取得實質性突破,亟需進一步統一各學科間觀測標準體系,加快建設數據開放共享門戶,徹底打通數據融合的底層渠道,真正實現各學科領域觀測數據的有機聯系。
(3)提升觀測實驗站間的聯合觀測能力。目前,我國的農業科學觀測實驗站依然按照傳統分領域的縱向條塊化管理,不同領域各實驗站之間的協同觀測路徑尚未打通,亟需加強各觀測實驗站間的有機整合、打破學科領域壁壘、提升觀測綜合效能,實現跨學科聯合觀測、聯合分析,以及觀測成果的共享共用,為深度挖掘觀測數據潛在價值夯實平臺基礎。
(4)提高新技術、新方法應用程度。國家農業科學觀測網絡下轄觀測實驗站在條件能力水平方面參差不齊,亟需將國際觀測網絡廣泛應用的新技術、新方法融入到國家農業科學觀測實踐中去,破除觀測數據采集質量和效率提升的潛在障礙因素,加快農業科學觀測數據向大數據時代邁進的歷史進程。
當前,隨著第四科學范式深入影響下,農業科學觀測工作網絡化發展迎來了大數據時代的歷史契機,國家農業科學觀測網絡應認真汲取國際農業觀測網絡在運行管理機制創新、觀測標準規范建設、數據開放共享等方面的先進經驗,補齊我國農業科學觀測網絡在頂層設計謀劃、標準化建設、聯合觀測能力與觀測技術體系等方面的短板。與此同時,國家農業科學觀測網絡還要及時更新發展理念,牢牢把握農業觀測網絡發展新趨勢,積極融入更廣領域、更多體系的觀測網絡系統性整合,加快布局農業、生態、社會經濟等多維要素融合研究,著力拓展農業科學觀測時空尺度,促進觀測技術體系激活農業科學觀測網絡建制化優勢,逐步確保科學觀測數據全面、高效、系統、長期獲取,促進新一代觀測技術體系的廣泛應用。努力實現我國農業觀測工作由“分布散、標準亂、共享難”向標準化、規范化、融合化、共享化的歷史性轉變,為服務國家農業高質量發展重大需求,解決區域、產業重要瓶頸問題,支撐農業農村社會經濟可持續發展做出積極貢獻。