儲糧生態系統中多種場的耦合理論及應用

◎ 李欣蔚，高樹成，趙 旭，譚艷妮，張 健，李 佳

（1.遼寧省糧食科學研究所，遼寧 沈陽 110032；2.沈陽市食品藥品檢驗所，遼寧 沈陽 110032）

糧食安全是國家安全的重要基礎，而糧食的安全儲藏便成為了保證糧食安全的重要環節。在儲糧過程中，環境條件適宜，糧食本身便成為了微生物良好的培養基。微生物的大量繁殖會引起糧食霉變，從而使糧食品質下降，甚至產生毒素，危害人們的生命安全。

糧食安全問題作為全球性話題一直備受國內外學者的關注[1]。糧食安全包括糧食生產安全、糧食流通安全、糧食進出口安全和糧食消費安全。聯合國糧農組織（FAO）提出了糧食儲藏量的安全指標，即糧食儲藏量應當占當年糧食消費總量的17%～18%[2]。根據FAO 和經濟合作發展組織（OECD）聯合發布的《農業展望報告》顯示，糧食價格總體水平遠高于近年平均水平，饑餓人口有增無減，根據聯合國公布的最新數據，全球每天忍受饑餓的人數達到10.2 億人[3]。而在我國，由于糧食儲量大、分布廣，糧食生產環境復雜，安全儲糧作為保障糧食生產和糧食流通之間的重要環節，直接影響全國的糧食安全形勢。

1 安全儲糧的研究現狀

目前，國內外有關糧食儲藏過程中微生物活動與糧食品質的研究已取得一定進展。在儲藏期間，在糧堆溫度、濕度的影響下，微生物活動加劇，最終將影響儲藏稻谷的品質。其中，霉菌區系的演替與脂肪酸值升高和整精米率下降有關，即霉菌量與脂肪酸值呈正相關，與整精米率呈負相關。有研究表明，儲藏稻谷中水分和溫度越高，稻谷霉菌量增長越快，曲霉是其中的優勢菌；當霉菌數量低于104CFU·g-1時，稻谷可以安全貯藏；而當其中霉菌數量達到105CFU·g-1時，稻谷開始霉變，霉菌數量值的變化與霉菌演替有顯著相關性[4]。

保證糧食安全儲藏需要對整個糧堆的糧情系統進行有效檢測，掌握糧情的變化規律可以更加科學的指導倉儲，完善糧食儲藏監管手段。有研究表明，糧倉中的糧堆在儲藏時是一個多場耦合系統，包括生物場和非生物場，其中微生物和儲糧害蟲隨時間的活動屬于生物場，而糧倉溫度、濕度、氣流速度等屬于非生物場[5]。糧情監測系統最早在2000 年由Jain 提出[6]，主要監測設備是個人電腦和糧倉中的溫濕度傳感器。

2 儲糧的生物場理論

2.1 生物場概念

生物學的基礎是生物系統內的能量循環和與外界環境之間的能量交換。生物系統是復雜的生物實體之間相互作用的復雜網絡，生物系統中的每個生物實體又同時與周圍環境中的生物實體和非生物實體進行著物質和能量交換。生物系統內的細胞利用能量進行分裂、分化、代謝和繁殖。在稻谷儲藏期間，休眠的稻谷作為能量來源，為生物系統內的真菌、細菌、昆蟲和螨蟲等提供生存必備的條件。有研究表明，糧食在儲藏時期活躍著的真菌等微生物，會以類似物理場的方式與環境作用，即真菌生物場與溫度、水分物理場的相互作用[7]。

場，在物理學中用于描述和預測各種物理現象。在微生物學領域，場可以用來描述生物系統在時域和在時域中的行為，或者各個系統之間相互作用的范圍。具體而言，可以通過場強來量化生物場中生物實體的時空分布，場強被定義為生物實體通過能量交換來影響其他物理和生物實體的能力。糧食儲藏是糧堆自身生態系統和外界環境系統共同作用下的動態過程。糧堆中的微生物包括田間菌和儲藏菌與稻谷和外界環境持續進行著物理、生化方式的相互作用。因此，可以應用場的概念來研究儲糧過程中真菌的生物行為，以及應用場強的概念來量化生物場與溫度、濕度物理場之間的相互作用。真菌生物領域的強度被量化為真菌從谷物淀粉到熱能的能量轉化率。

2.2 糧堆微生物場效應

在儲糧過程中，糧堆中的微生物在適宜的條件下將糧食中的有機物質分解為水和二氧化碳，糧堆的溫度因此進一步升高，進而使得微生物加速生長，而微生物的大量繁殖又會釋放更多的水、二氧化碳，直至糧堆溫度升高至不適宜微生物生長的程度，即停止。因此，糧堆生物場場強的物理意義可以理解為將非生物場中的能量轉化、轉移、消耗的能力。

Dunke 將儲藏時期的糧堆描述為一個生態系統，是相互作用的生物群落的組合，而生物群落又與其非生物環境相互作用[8]。生物群落包括稻谷真菌、昆蟲、螨蟲、鳥類、嚙齒動物甚至人類，而非生物環境包括存儲結構（筒倉、垃圾箱、袋子等）、溫度、濕度和氣體。每個生物實體可以在特定狀態（時間）從一組給定的輸入中產生一組輸出（能量、物質和信息）。有研究采用定量模型，根據生物系統的時空變化和演化來表征生物系統。如Eden 模型[9]已用于預測細菌菌落的空間格局。擴散型微分方程用于描述生物系統在空間波動中隨著時間的演變過程[10-11]。

在儲糧系統中，溫度和水分等非生物因素決定了真菌的發芽和發育，而真菌的生長則產生熱量和水分，從而改變了儲糧系統的溫度和水分，進而加速了真菌的生長，并可能導致其他有利于不同溫度或濕度的生物實體（如不同的真菌物種或細菌）的出現。由此可見，真菌的生物場具有將糧食中碳水化合物轉化為熱量，同時影響糧堆中溫度場的能力[12]。例如，根瘤菌和豆科菌的共生過程中，根瘤菌的生物場（時間和空間分布）中包含了細菌和植物寄主之間的分子信號轉換[13]。

真核生物的溫度上限約為60 ℃[14]，因此，真菌產生的熱量還可能導致溫度升高到足夠高的水平，從而導致真菌熱死。描述這個復雜的生物相關實體網絡，以及它們之間以及與物理環境之間的相互作用極具挑戰性。因此，“場”作為物理學中公認的用于研究相互交織的復雜生物系統的概念[15]，已成功地用于解釋和預測許多物理現象，也成功的用于描述和預測各領域內的生物系統。

2.3 糧堆微生物場的變化規律

場是時間和空間的函數。有研究通過引入糧堆微生物場概念，對實倉糧情數據進行建模，揭示了糧堆微生物場的變化規律[16]。因此，糧堆微生物場被確定為糧堆中微生物個體和群落的時空分布及其影響周圍非生物場的能力。這種能力即被定義為糧堆微生物場場強，場強的量化表達為單位體積、時間內微生物產生的熱量（單位為kJ）。糧堆微生物場與其他生物場和非生物場相互影響、相互依存、相互耦合，這種關系可分為“微耦合”“強耦合”“退耦合”。隨著儲藏時間的延長，根據場效應的強弱，糧堆微生物場的演替歷程可分為蟄伏過程、潛伏過程、自激過程和衰退過程。

3 多場耦合理論的技術應用

3.1 多場耦合理論

有學者運用多場耦合理論對糧倉的糧情云圖進行分析和預測，得到了糧堆溫度場和水分氣壓場對糧食儲藏品質的破壞機理[17]。糧堆微生物場強增強時會對儲糧品質造成破壞，因此需要使微生物場進入退耦合狀態，即對微生物等生物行為進行抑制和消除。當糧食的食用品質受到破壞時，糧堆生態系統中的微生物場發生自激鏈式反應，而保證糧食的安全儲藏，就是要阻斷微生物場的自激鏈式反應。目前研究表明，阻斷反應的手段主要有2 種：①通過外界干預，如使用藥物熏蒸、加強通風或谷冷機冷卻等方式破壞微生物的生存條件來實現阻斷效果。②通過微生物場的自激鏈式反應發生到一定階段，如發熱使得糧堆溫度過高，或者養分被消耗殆盡，或者產生不利于微生物生存的代謝產物積累到一定程度等，終止了微生物的繁殖，使得鏈式反應終止。由此可見，在糧食儲藏過程中對糧情進行實時監測具有十分重要的作用和意義。在糧食整個儲藏過程中，需要對糧堆的溫度、濕度、水分、害蟲密度以及糧倉內外溫度、濕度、各種氣體濃度等物理量的變化趨勢進行精準把控，以確保糧食品質的安全。而對糧情數據的采集需要借助傳感技術，糧情數據主要包括采集時間、取樣點位置、糧堆溫度、糧倉溫度及濕度和大氣溫度及濕度等。針對以上數據進行分析則需要建立分析模型，采用編程手段來分析處理糧情數據，其分析的準確性將直接影響到整個儲藏控制的效果。

3.2 多場耦合理論的技術應用——AI 技術

Torday 指出“生物有機體的行為模式就像一個場，由于之間的相互作用，因此場便成為了物理學上描述生物系統動態行為的基礎，場強即為生物細胞的生物作用能力。”[18]有學者應用糧堆多場耦合理論建立糧食儲藏中發熱、霉變、空倉、半倉及異動等管理異常模態的溫度場云圖特征指紋，開發了儲糧監管AI 分析軟件[19-20]。AI 技術（Artificial Intelligence，AI），又稱為人工智能技術，是目前發展最快的學科之一。AI 技術通過掌握某個系統的運行機制，建立起一套數學模型進行模擬，進一步來對系統進行精準把控和優化管理[21]。

2019 年10 月在吉林省長春市召開的以智慧糧食為主題的國際研討會議明確界定了糧食產后領域的AI 技術概念，并首次將糧食領域內的AI 技術劃分為3 個層次。①數字糧食系統（Digtal Cereal System，DCS）包括糧食產后各個環節中的傳感采集、檢測采集、管理采集和網絡采集等數據的收集、傳輸過程，以及數據的分類、分析、統計與對比等數據處理和自動報表生成等過程的單一系統或系統組合。②智能糧食系統（Intelligence Cereal System，ICS）在數字糧食系統（DCS）基礎上，具有AI 推理功能（機理驅動AI、數據驅動AI 或混合雙驅動AI），還可包括專家輔助決策功能（智識庫），形成的控制優化或管理優化的單一系統或系統組合。③智慧糧食系統（Smart Cereal System，SCS）包括多個不同糧食流通環節的智能糧食系統（ICS）和糧食流通大數據挖掘系統，共同構成具有區域特性或產業鏈特性的糧食監測、追溯、監管、控制、管理及服務等整體功能優化的組合AI 系統。

4 結語

在儲糧領域內利用多場耦合理論可以對儲糧過程中的糧堆溫度場和濕度場云圖進行分析，對不同季節糧堆可能發生結露或出現微生物場耦合區域進行推算；同時，可以建立監管儲備糧庫溫度場云圖的指紋掃描系統，對糧食儲藏過程中發熱、霉變、空倉和半倉等管理異常模態的溫度場云圖特征進行實時監控。因此，依托多場耦合理論所建立起來的新型AI 儲糧技術可廣泛的應用于糧食儲藏的各個環節。