国际经验对上海都市现代农业科技发展的启示

■ 马 佳 董家田 倪 卉 原 源 杨 娟 赵京音

新一轮科技革命将引发科技创新范式的变革和全球创新格局的重构，同时都市现代农业的高质量发展对自主创新能力提出了更高要求。这既为农业科技发展带来新的战略机遇，也提出了新的严峻挑战。“十四五”期间上海都市现代农业科技的发展应在遵循都市现代农业科技发展规律的前提下，在客观准确地把握上海都市现代农业的基础上，对标借鉴国际相关经验，为选择正确的发展方向奠定基础。

一、都市农业科技发展的国际经验

（一）日本都市农业科技发展的背景及主要趋势

日本是国际上较早发展都市农业的国家，且取得了较高成就，由于其农业生态区域、生产模式、膳食消费结构、农业发展历程与上海有着高度的相似，因此，常被作为上海都市农业发展对标的重要目标。日本的都市农业指的是包含在都市内的农业区及都市近郊的农业，始于上个世纪70年代的千叶县松户市常盘平地区。当时有部分农民想要继续从事农业经营，反对将其农地变为建设用地。于是，政府将15.27 公顷农地保留下来继续经营农业。同时，还有横滨市大寺町、熊本市临近的合专用主菊阳町、爱知县的常盘市等地。随后逐渐推广，主要在东京圈、大阪圈、中京圈内进行。

随着日本人口减少和老龄化问题的日渐凸显，2015年4月，日本农林水产省及国土管理局出台了《都市农业振兴基本法》，旨在发挥都市农业的多功能性，即不仅提供新鲜的农产品，而且是防灾空间的确保，形成良好的景观，保障国土环境，并提供农事体验场所等功能，以缓解都市农业面临的老龄化、劳动力不足等压力，实现循环型社会的构筑和环境共生都市的形成。近年，日本学界也对都市农业的多功能达成了共识，主要体现为以下几个方面：

1.丰富多彩的都市生活的实现需要都市农业。具体表现为以下三点：一是为都市居民提供绿色的功能。都市农业被认为是绿色的供应者，有助于改善都市环境，改善居民的生活，向城市提供绿色基础设施，保护生物多样性，创造可以感受到四季变化的环境，有效缓解都市的热岛效应、空气污染、城市洪流、噪音等问题。二是培育和收割作物的农事体验功能。都市农业通过娱乐农庄、相关企业等福利机构，特别是以老年人为对象的福利农园等，充分发挥农事体验功能，为市民的身心健康带来帮助。三是维持和提升生命质量功能。都市农业的农产品提供应时应季的生鲜农产品，有助于实现食物慢生活的生活方式，维持和提升生命质量。

2.发展都市农业可以作为资源及能源的振兴政策。大都市中，人们活动中产生的废弃物和排热现象凸显，包括食物垃圾、有机肥料、人工废热能等。都市农业吸收人们活动排出的二氧化碳，促进作物生长，将废弃物堆肥化并利用起来，促进资源的循环和能源的优化利用。同时，利用废厂、废旧设施等闲置空间和设施作为农业生产基地，不仅有利于都市的食品安全，而且还能有效利用资源，推动实现可持续的环境共生城市。同时，在设施园艺、植物工厂等需要消耗电力的设施农业生产中，可利用很多如太阳能等再生能源，结合地下热交换等节能技术，促进能源高效利用。

3.教育功能。都市农业为市民提供接触农业的机会，提供了解农业和沟通的平台。让孩子们在学校教育中体验农业，可以更好地进行食物教育和环境教育。

4.防灾功能。都市农地不仅可以作为暂时避难所，而且还可以作为火灾时防止延烧的空间。农地有涵养水源的功能以及对因雨水涵养而发挥的都市型水灾的抑制功能。同时，农业水利设备也可以作为消防水利。此外，灾害发生时的食物供应功能是非常重要的，有可能成为提供新鲜农产品和储存食物的场所。近年来，温室栽培等农业设施的防灾功能也备受关注。由各种材料构成的管道屋抗震能力强，地震时可以成为有屋顶的避难设施。设施园艺中使用的电力设施和大型热泵可能作为应急电源和热源。

日本实现可持续发展都市农业的战略构想主要包括三个方面：一是实现农业经营持续发展和循环型社会构建，推进设施农业发展。二是推进农业经营形态多样化的研究开发和人才培养。三是建立有效发挥都市农业多功能的参与型信息系统。

农业科技是支撑日本都市农业可持续发展的关键。早在上个世纪90年代，日本农业技术进步贡献率就已达到70%。日本都市农业科技主要有以下发展趋势：一是保障都市农业获得一定经济效益与生态效益的科技。都市农业劳动力减少，地价又较高，很难达到高收益率。为满足都市居民对多品种农产品的需求，设施农业也很难做到周年持续生产。此外，农药污染等问题使得都市农业发展遇到很多困难，这些问题通过引入先进技术环节，引入资源循环利用技术，如利用太阳能等再生资源来缓解资源环境约束。同时，与水田、露地蔬菜等相配合，多种要素技术的开发和多种技术的组合应用。引入使用自动化技术的营养液栽培技术，包括人工智能（AI）、物联网（IOT）等。引入节水节肥技术、6 次产业化、植物工厂等。二是促进都市农业多功能性的科技。利用GIS技术对土地进行管理和规划。利用GIS 系统确定土壤改良、获得水土情报等，在网络上提供GIS 信息，让所在地区的农民都可以参与。例如，日本水土综合研究所向农业有关主体提供农地GIS 情报，包括土地分化、水利设施、地形图等。“产学官”联合计划（指产业、高校科研院所、政府联手发展农业）等通过网上提供的参与型GIS 系统（WebGIS）达到资源和信息共享效果。

日本的植物工厂发展。植物工厂作为设施农业的最高级发展阶段，集中融合了现代工业、生物工程以及信息技术等高新技术手段，是技术的高度密集和现代科技成果的综合应用，发展植物工厂已经是日本的国家战略。2009年，日本农林水产省把植物工厂定义为“设施内具有可调节植物生育环境（如光、湿度温度、二氧化碳浓度、养分水分等）的设备，控制生育环境进行栽培，并在对生长情况进行监控的基础上，全年有计划的栽培蔬菜等植物的设施”。目前日本主要有自然（太阳）光源和人工光源两种植物工厂。

从园艺设施栽培蔬菜的品种上看，日本植物工厂主要集中在生菜类及叶菜类，其中生菜占46.8%，叶菜类占20.8%，根菜类占1.3%，豆苗类占1.3%，果菜类占31.2，香草类占3.9%，花卉占6.5%，菜果苗占 5.2%，其他 3.9%。

然而，从收支情况来看，2016年仍有42.1%的植物工厂处于亏损状况。但是相比之下，同时利用两种光源的植物工厂的收益效果较好，只有10%处于亏损，35%处于盈利状态。

利用IOT+AI 结合进行智能栽培。日本的plantio 公司（总部在东京涩谷）和日本人工智能公司（总部在京东）共同开发了SmartPlanter[PLANTIO HOME]。前者开展智能栽培，主要是利用IT 技术进行蔬菜栽培，后者主要是播种、育苗，也开展对农业从业者的培训等，两个公司合作开展智能栽培项目。利用AI 技术和大数据结合，分析栽培所需的浇水施肥的有效时机，通过APP 等对参与者进行提醒，帮助不会栽培的人。到收获期间，也可通过系统联络附近的餐馆等，自动帮助寻找消费者。通过IT 技术不仅使蔬菜栽培实现可视化，而且还可以通过APP等使同样进行栽培活动的人互相联系，形成一个小型的社会团体。

（二）美国农业科技发展趋势

美国是农业大国和科技强国，历来是世界各国发展农业重点对标的国家。美国以高产良种培育、农机装备、农业信息化等为切入点，通过高新技术应用推动了美国农业的进步，实现了对国际农业产业链的有效掌控。然而，由于世界人口的急剧增长，全球对农产品的需求越来越大，再加上耕地、水等资源的短缺，生态环境的退化，以及气候变化等，使得农业发展面临巨大挑战。为应对这些挑战，美国开展相关科技突破的研究，该研究结论对于“十四五”期间上海都市农业科技发展具有重要的借鉴和参考价值。

2019年初，美国国家科学院、工程院和医学院联合发布了题为Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030的研究报告，指出未来10年，美国将围绕系统认知分析、精准动态感知、数据科学、基因编辑、微生物组五大关键技术寻求农业领域的技术突破。

1.整体思维和系统认知分析技术是实现农业科技突破的首要前提

农业是复杂巨系统，已经很难再依靠“点”上的技术突破实现整体提升。应将跨学科研究和系统方法作为解决重大关键问题的首选项。系统认知就是要从系统的要素构成、互作机理和耦合作用来探索问题解决的途径。

2.新一代传感器技术将成为推动农业领域进步的底层驱动技术

量值定义世界，精准决定未来。美国将高精度、精准、可现场部署的传感器以及生物传感器的开发、应用作为农业技术突破的关键。当前传感器技术已广泛应用在农业领域，但主要还集中在对单个特征如温度、湿度等的测量上，如果要全面解析整个系统运行机理，连续监测多个特征的联动能力才是关键。新一代传感器技术不仅包括对物理环境、生物性状的监测和整合，还包括运用材料科学及微电子、纳米技术创造的新型纳米和生物传感器，对诸如水分子、病原体、微生物在跨越土壤、动植物、环境时的循环运动过程进行监控。新一代传感器所具备的快速检测、连续监测、实时反馈能力，将为系统认知提供数据基础，在出现病症前就能发现问题、解决问题。

3.数据科学和信息技术是农业领域的战略性关键技术

数据科学和分析工具的进步为提升农业领域研究和知识应用提供了重要的突破机遇。尽管收集了大量粮食、农业、资源等各类数据，但由于实验室研究和生产实践中的数据一直处于彼此脱节的状态，缺乏有效的工具分析已有的数据、知识和模型。大数据、人工智能、机器学习、区块链等技术的发展，提供了更快速收集、分析、存储、共享和集成异构数据的能力和高级分析方法。数据科学和信息技术能将农业、资源等相关领域的大量研究成果应用在生产实践中，在动态变化条件下自动整合数据并进行实时建模，促进形成数据驱动的智慧管控。

4.突破性的基因组学和精准育种技术应当鼓励并采用

随着基因编辑技术的出现，有针对性的遗传改良可以以传统方法无法实现的方式对植物和动物进行改良。通过将基因组信息、先进育种技术和精准育种方法纳入常规育种和选择计划，可以精确、快速地改善对农业生产力和农产品质量有重要影响的生物性状。这种能力为培育新作物和土壤微生物、开发抗病动植物、控制生物对压力的反应，以及挖掘有用基因的生物多样性等打开了技术大门。

5.微生物组技术对认知和理解农业系统运行至关重要

随着利用越来越复杂的工具探测农业微生物组，建立农业微生物数据库，更好地理解分子水平土壤、植物和动物微生物组之间的相互作用，并通过改善土壤结构、提高饲料效率和养分利用率以及提高对环境和疾病抵抗力等增强农业生产力和弹性，甚至彻底改变农业。

二、国际经验对上海农业科技发展的启示

从日本都市农业发展的经验看，今后上海都市农业的发展也应以成为实现丰富多彩的国际大都市生活的有效保障，以及振兴资源能源的重要支撑为导向。上海都市农业科技发展必须立足本市现状，遵循国际科技发展规律，借鉴国际经验，面向市场，重点发展能提升都市农业经济效益与生态效益，以及促进都市农业多功能发挥的科技。具体来讲，包括有意识发展系统认知分析技术，集中力量发展促进都市农业高质量发展的关键技术，如土地资源安全与管控现代工程技术、新一代传感器技术等，深度发展数据科学和信息技术，加快突破基因组学和精准育种的前沿技术，大力提升微生物组技术。

（一）系统认知分析技术是上海都市农业科技发展的核心

都市农业作为一个复杂的巨系统，涉及跨学科研究和多个系统。上海都市农业科技的发展必须突破点上思维，要从资源利用、运作效率、系统弹性和可持续性的整体维度进行思考。

（二）土地资源安全与管控现代工程技术是上海都市农业科技发展的重要支撑

提升上海都市农业的生态功能，破解农业生态效率不高、竞争力不强、生态不可持续的问题主要在土地资源的利用方式上，因此，上海都市农业科技的突破要从土地资源的治理、修复、提升入手。聚焦精准调查、精细感知、精明治理的科学技术体系，在一些关键核心技术上取得突破进展，如耕地质量大数据、耕地健康诊断技术、生态良田构建技术、土壤生物多样性保护、耕地养护技术、耕地系统演化模拟仿真技术、盐碱地综合治理技术、低碳耕作制度研究、耕地资源智慧监测等。

（三）新一代传感器技术将是上海都市农业发展的重要驱动

进一步加强对高精度、精准、可现场部署的传感器以及生物传感器的开发、应用，使其具备连续监测多个特征的联动能力，不仅包括监测、整合物理环境和生物性状，还包括对水分子、病原体、微生物在跨越土壤、动植物、环境时的循环运动过程的监控，为系统认知提供数据基础。在资源要素的利用环节即可精准发现和定量识别可能出现的风险问题，并能够实时优化调整。

（四）数据科学和信息技术是上海都市农业科技的战略关键

尽管，农业相关数据已经有一定程度的收集，但由于实验室研究和生产实践中的数据一直处于彼此脱节的状态，缺乏有效的工具分析已有的数据、知识。大数据、人工智能、机器学习、区块链等技术的发展，提供了更快速收集、分析、存储、共享和集成异构数据的能力和高级分析方法。上海都市农业科技发展的关键是加快应用数据科学和信息技术，将农业、资源等相关领域的大量研究成果应用在生产实践中，在动态变化条件下自动整合数据并进行实时建模，促进形成数据驱动的智慧管控。

（五）突破性的基因组学和精准育种技术是上海都市农业科技的重要前沿

采用基因编辑技术，通过将基因组信息、先进育种技术和精确育种方法纳入常规育种和选育，有针对性的遗传改良，改善对农业生产力和农产品质量有重要影响的生物性状，加快突破相关前沿技术，以提高农业生产力、抗病抗旱能力，提升农产品营养价值。

（六）微生物组技术是上海都市农业科技的重要组成

加大提升微生物组技术，建立农业微生物数据库，解析分子水平土壤、植物和动物微生物组之间的相互作用，并通过改善土壤结构、提高饲料效率和养分利用率以及提高对环境和疾病抵抗力等增强农业生产力和弹性。

为解决人口、资源、环境等突出问题，大幅度提高农业资源效率，可借鉴日本经验，将植物工厂作为“十四五”期间上海都市农业重点发展的方向之一。植物工厂可以通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的高效农业方式，由计算机对植物发育过程的温度、湿度、光照、CO2 浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，不受或很少受自然条件制约的省力型生产。随着节能与新能源利用、农产品品质调控、新型传感器与智能控制以及物联网等新技术在植物工厂的深度应用，今后应在LED 节能光源及其调控技术、太阳能、风能、生物质能等新能源的开发与应用技术、全程智能化调节与控制技术、物联网技术的应用等方面加大力度。