生态文明时代农业工程学科内涵探讨

张全国，杨雪梅，王应宽，李文哲,，夏晨曦，徐广印，茹光明，孙 勇，王艳锦，王振锋，李 哲

生态文明时代农业工程学科内涵探讨

张全国1,2，杨雪梅2，王应宽3，李文哲4,2，夏晨曦2，徐广印1，茹光明2，孙 勇4，王艳锦2，王振锋1，李 哲2

（1. 河南农业大学机电工程学院，郑州 450002；2. 黄河科技学院现代农业工程研究院，郑州 450006；3. 农业农村部规划设计研究院，北京 100125；4. 东北农业大学工程学院，哈尔滨 150000）

生态文明时代农业工程学科面临新的机遇与挑战。该研究依据生态文明时代的新思想与新要求，提出了生态文明时代农业工程学科新的内涵，探讨了农业工程学科研究对象、理论体系和研究方法等学科要素的演变。生态文明时代农业工程学科的研究对象从农业生物系统向农业生态系统拓展、理论体系融入生态文明理念、研究方法应具备系统工程思维，并对国内外农业工程学科探索实践的事例进行了分析，为社会持续繁荣的农业文化伦理形态提供技术支撑，使农业工程学科成为推进人、自然、社会和谐共生、良性循环、全面发展的科学力量。

农业工程；生态；文明；学科内涵；学科发展

0 引 言

中国的农业工程技术有着悠久的历史。公元前256年修建的都江堰水利工程，世界最早的有关农业工程技术的著作如《耒耜经》、《齐民要术》等，均见证了中国农业工程在农业文明时代的发展[1]。进入工业文明时代后，现代农业工程学科最早起源于美国，1907年美国农业工程师学会的成立标志着农业工程作为一门独立工程学科地位的确立，同时也首次提出并使用了“农业工程”一词。中国的农业工程学科是自1979年中国农业工程学会成立后才得以明确[2]。作为工业文明时代发展的产物，农业工程学科解决了一系列中国工业文明社会中现代农业发展所面临的工程学难题，并得到不断发展成熟，在科技创新、人才培养、研究队伍、平台建设、交流合作、学术成果等方面取得了巨大的成就，为中国现代农业的发展做出了杰出的贡献[3-7]。

文明是人类社会进步的标志。人类的发展进程先后经历了原始文明、农业文明和工业文明，生态文明是人类发展的一个新的文明境界，是工业文明之后的文明形态[8-9]。中国共产党第十八次全国代表大会提出了走向社会主义生态文明新时代[10-11]。在十九大中也强调了生态文明建设在中国未来的发展中的重要性[12]，这些都标志着中国社会正在从工业文明进入生态文明时代。工业文明开启了人类现代化生产和生活，但在技术发展的同时也造成了全球性的资源与环境问题，化石能源的过度使用出现了日益严重的人类生存危机[13-14]。工业文明时代的高生产率发展观显然存在一定不足和问题，人类开始考虑各种生产生活行为对环境的影响[15]，开始考虑在向自然索取的同时如何回报自然、保护自然，这种观念的改变充分反映了人类文明的进步，也是开启生态文明建设的必然要求[16-18]。在生态文明时代开启之时，作为与农业生态环境直接相关的农业工程学科必须在理论上提升认识高度，所有的研究都应该强调人与水、土、绿等资源利用和谐共生的科学伦理观，把保护自然环境、维护生态平衡上升为伦理道德来认识[19-21]。要在学科建设和人才培养的过程中，以这样的思想为指导，充分体现社会文明的进步[22-24]。科研方向选择是否合理，学科建设方向是否正确，学科发展是否有生命力，主要的衡量标准应该是：是否充分地考虑了人与自然的协调关系、是否充分地考虑了生态的正常循环[25-27]。本文根据生态文明时代的新思想与新要求，提出了适应生态文明时代农业工程学科新的内涵，探讨了学科新的研究对象、理论体系和研究方法，并分析了国内外农业工程学科探索实践的事例，帮助农业工程学科在生态文明建设中发挥应有的作用，适应新时代的需求，为构建和谐社会做出贡献。

1 生态文明时代的农业工程学科内涵

生态文明要求人类按照地球生态系统平衡规律，规范各种生产活动和生活方式，所以农业工程学科的内涵将会发生变化（见表1）。工业文明时代，由于中国农业生产相对落后，农业工程学科以农业机械化、电气化、水利化等技术为主要研究方向，目的是帮助提高农业生产效率、增加农业经济收入，经济与技术是这个时期农业工程学科关注的主要因素。进入生态文明时代，农业工程学科发展的主要目的已转变为促进人与自然和谐共生，在尊重和维护自然环境的前提下，发展农业的生产和经济，在关注人与农业发展的同时，更加注重人与自然的关系。农业工程学科不再仅仅关注农业的经济与技术，农业生态和农业文化等因素也将受到学科发展的重视，并且占据着重要地位。生态文明时代认为改善生态环境和降低资源消耗本身就可以充分发展农业生产力，改善农业生态环境和降低资源消耗就能高质量发展现代农业生产，增加农业经济收入。中国自古以来的农业文化推崇自然和谐，传统文化中理想的家庭模式是“耕读传家”，既要有“耕”来维持农业生产，又要有“读”来提高农业科技水平，农业工程学科正是实现“读”的有力保障，因此农业文化因素正是农业工程学科发展不可或缺的部分。在人类文明的发展过程中，农业工程学科的关注重点将从单一的生存要素向兼顾生产、生活、生态三要素的方向拓展，完成“一生”到“三生”的转变。学科研究对象要从生物系统向生态系统拓展、理论体系要融入生态文明理念、研究方法要具备系统工程思维，为生态文明时代农业工程学科赋予新的发展内涵。

表1 不同时代农业工程学科内涵演变

1.1 生态文明时代农业工程学科研究对象

农业工程学科在生态文明建设中发展的主要目的产生了变化，学科的研究对象也将随之改变（见表2）。

表2 农业工程学科研究对象变化

生态文明时代，农业工程学科发展是以人与农业资源、生产、消费构成的生态系统为研究对象，将人、生态、生产等效益的协调统一作为目标，融合现代农业科学技术与优秀农业文化于一体，从生态平衡角度、以系统工程原理分析解决农业工程问题，为社会持续繁荣的农业文化伦理形态提供技术支撑，使农业工程学科成为推进人、自然、社会和谐共生、良性循环、全面发展的科学力量。

工业文明时代，农业工程学科下设农业机械化与装备工程、农业水土工程、农业生物环境与能源工程、农业电气化与信息化工程和农业生物系统工程五个学科方向，不同学科方向间关联性较小，其研究对象和发展特点也各不相同[1]。生态文明时代，农业工程学科的发展需要综合考虑人、生态、生产等多种因素，所以研究对象也不再局限于某种单一的物质，而是将涉及人、生态、生产等因素的农业资源和农业文化等系统作为一个整体进行研究，不仅要提高劳动生产率，还要追求生态环境的保护、农耕文化的传承以及人与自然的和谐发展。从单一性向系统性的转变是生态文明时代农业工程学科研究对象最显著的变化。

1.2 生态文明时代农业工程学科理论体系

学科的理论体系会随着研究对象的变化而改变。工业文明下，作为一门交叉性学科，农业工程学科的发展与工程科学、生物科学和管理科学的发展密切相关，支撑其学科的基础知识体系如图1所示。

在生态文明时代，有必要重新思考和完善农业工程学科的知识体系。按照生态文明建设赋予的历史使命，农业工程学科发展需要的理论基础知识也有了不同程度的改变（如图2），其中包括：工程科学基础知识（机械工程、资源与环境工程、计算机与控制工程、大数据工程、信息技术等），农业科学基础知识（作物学、生态学、农业系统学等）和人文社会科学基础知识（农林技术经济学、农商管理、农耕文化学、农业生态文明学等）。

不论在工业文明还是生态文明时代，农业工程学科都是一门以数学、化学、物理、生物等自然学科为基础的交叉性学科，机械工程、环境科学与工程、计算机科学与技术、作物学、管理科学与工程等基础知识始终都是其需要主要学习掌握的内容。在工业文明时代，提高农作物产量和农业生产效率，解决人民的温饱是当时面临的主要问题，农业工程学科的知识体系主要以机械类工程技术为基础，大力发展农业机械化、水利化和电气化，劳动、生产、技术是学科的主要发展要素。进入生态文明时代后，中国农业工程化水平已经取得了巨大的进步，人民的生活水平逐步得到提高，如何保障农业与自然的和谐发展成为农业工程学科面临的新问题，因此学科知识体系中需要加入农业生态文明工程、农业生产系统规划、农业文化传承与发展等相关学科基础知识。随着农业工程学科体系的成熟，运用系统工程的方法解决农业工程问题会大大减少农业发展中的人工成本。因此，生态文明时代农业工程学科的知识体系新加入了农业生态工程和农业文化等基础知识。此外，随着物联网技术、人工智能技术以及航天航空技术等科学技术的进步，农业工程也逐渐向人与自然高度和谐的智慧农业方向发展，这些先进的科学技术都对中国农业科技进步和农业工程学科完善起到了十分重要的作用，因此生态文明时代农业工程学科知识体系也需增加大数据工程、航空航天工程等基础知识[28-30]。

通过知识体系的完善，进一步拓宽农业工程学科视野，从生产系统拓展到生态系统，从单一装备研发向系统模式构建发展，使农业工程学科在生态保护与改善方面起到宏观指导作用。在人才培养方面要进行生态伦理教育，培养用生态眼光审视农业科研行为的能力、用生态眼光规划农业装备企业研发方向的指导能力、用生态眼光规范水、土、绿资源科学合理利用的指导能力，成为推进人、自然、社会和谐共生、良性循环、全面发展的重要力量，为弘扬农业文化做出贡献。

1.3 生态文明时代农业工程学科研究方法

学科的发展离不开研究方法的支撑，农业工程学科的研究方法会随着进入生态文明时代而改变（见图3）。工业文明时代，农业工程学科以试验科学为主导，多采用试验、定量分析等研究方法，由于受到当时的科学技术的限制，经常需要进行大量重复性试验，或到条件艰苦的野外进行实地测试，研究对象的单一也会使各研究方向的最新成果无法实时共享。生态文明时代，先前的研究方法仍会继续沿用，随着“互联网+”现代农业概念的提出[31-32]，农业工程学科的主导将转变为“互联网+”科学，借助移动互联网、物联网、智能制造等新一代信息技术的发展[33-34]，大大提高以往研究方法的效率。生态文明时代农业工程学科需要综合考虑人、生态、生产等多种因素，同时加入了农业文化要素，以整个生态系统为研究对象，运用系统工程的思维进行科学研究，因此研究方法多采用系统科学、数值模拟、大数据、云计算等方法。生态文明时代，农业工程学科的主导从试验科学转变为“互联网+”科学，研究方法得到了补充和完善，推进了学科的可持续发展。

生态文明时代，农业工程学科提出新的研究对象，应用新的研究方法，形成新的理论体系，解决在生态文明时代农业生产发展中遇到的新问题。农业工程学科研究重点从传统农业工程技术向整个农业生态环境系统和农业文化系统发展，农业工程学科也不再是传统农业机械化及其自动化、农业电气化、农业建筑环境与能源工程、农业水利工程、农业智能装备工程、土地整治工程等二级学科的简单叠加，而是将这些学科互相协调配合，在确保文化传承和绿色发展的前提下，研究与现代农业产业发展相关的工程理论、技术、装备和设施，统筹规划农业工程的研究发展，从而转变为一门具有农业领域鲜明特色的工程类学科。生态文明时代的农业工程人不再单纯的是一名农业机械装备的设计生产者或农业能源的开发者或农业水土的治理者，而是将农业的装备、环境、资源、文化等生产因素进行整合，成为一名农场的规划者，对农业生产中遇到的不同问题进行经营与管理。

2 农业工程学科发展与建设

2.1 农业工程学科发展趋势

农业工程学科的发展顺应社会的需求。当欧美各国相继实现农业现代化后，传统农业工程学科理论体系已经不能满足其社会发展需求，在第三次科技革命的推动下，借助电子计算机、生物工程、新能源新材料等先进技术为学科发展带来了新机遇[35-37]。20世纪90年代国际上农业工程学科开始从原来基于应用的工程类学科向基于生物科学的工程类学科转变。美国农业工程师学会更名为美国农业与生物工程师学会、加拿大农业工程学会更名为加拿大生物工程学会、欧洲农业工程大学研究联盟更名为欧洲农业与生物工程教育和研究联盟，美国多所高校也将农业工程系改为生物系统工程系、生物资源工程系、农业与生物工程系等名称[38-39]。从农业工程学科在发达国家的发展实践中不难看出，“生物系统”、“资源环境”等词与农业工程学科联系越来越紧密，生态环境因素已经在农业发展中占据着重要地位[40]。

中国农业工程学科的发展也在不断进行着探索[41-43]。随着社会的发展和科学技术的进步，中国农业工程学科的地位、服务范围和对象发生了很大的变化，多所高校也在不断尝试农业工程学科的新理念，如浙江大学在继续加强建设农业工程传统学科的前提下，进行了二级学科的探索，率先在全国设立了生物系统工程本科新专业[44-45]。中国的农业工程学科也逐渐向生态平衡、环境保护以及社会经济的可持续方向发展。学科融合资源环境、生物科学和信息技术，为生物的生产、加工与资源的合理利用服务，关注改善生物生产手段和生物生长环境；设计提高人们生活质量的生物系统；为生物资源的合理利用提供先进的工程技术支持[46-47]。

2.2 农业工程学科应用探讨

在生态文明时代，农业工程学科拥有了新的内涵，工业文明时代的农业工程学科已经无法满足当今农业生产的需求。为了推进生态文明时代农业工程学科的发展，2017年河南农业大学与黄河科技学院深度合作，以农业工程学科新的内涵思想为指导，共建了现代农业工程研究院。现代农业工程研究院是以生态文明建设中的农业工程学科理论与工程技术为主要研究方向的共建科研机构，充分发挥公办和民办高校各自的优势，形成了特色鲜明的不同办学层次相结合的现代农业工程协同教育模式，推动农业工程学科从工业文明向生态文明的转变。现代农业工程研究院通过资源整合共享，按照生态文明建设理念，围绕现代农业发展中的工程技术以及生态文明建设问题开展可持续研究，以社会经济持续繁荣为基本宗旨研究构建生态平衡系统模式并实践示范，同时探索农业文化伦理形态形成途径，推动生态文明时代农业工程学科的科学研究和人才培养。

自然界生态平衡是指植物生长、动物利用、微生物还原过程中物质与能量的平衡，植物生长消耗土壤养分及水和二氧化碳，将无机质转化为有机质，动物利用植物从有机质到有机质，物质性质没有发生变化，地球表面有机质之所以没有堆积如山就是因为微生物的还原作用，将有机质转变为无机质，从而达到平衡[48-49]。在工业文明以前这个过程是平衡的，由于工业文明时代化肥和石化能源的使用，植物生长和动物利用过程中的一部分有机质没有通过微生物及时还原回到土壤，造成环境污染土壤退化，这个平衡遭到了破坏[50-51]。因此生态文明时代农业工程学科需要研究开发农业废弃物的资源化循环利用技术，利用现代生物技术和工程技术强化微生物还原，并及时回归土壤补充植物生产过程所消耗的营养，减少化肥和石化能源的使用，从绿色环保的角度出发，按照图4表示的物质与能量循环规律，建立农业生产、农产品流通和消费的废弃物回收储运体系，为循环利用提供资源保障，恢复生态平衡。此外，还需要开展人与自然和谐共生的工厂化农业，通过工厂化农业进行不依赖于外部能量的资源化循环利用试验，构建局部生态平衡系统，建立资源化技术集成开发的科研实践基地、农业工程本科生及研究生的实验实习基地、农业文化伦理形态物化说明的教育基地。探索一条农业资源高效利用与生态文明建设协调发展的新途径，推出一批现代农业工程技术标志性成果，推动现代农业向绿色、环保、可循环方向发展。

3 结 论

生态文明时代农业工程学科拥有了新的内涵，学科的研究对象、理论体系、研究方法都发生了相应的改变。农业工程学科以人与农业资源、生产、消费构成的生态系统为研究对象，在关注农业生产的同时，更注重人与自然的和谐共生关系；理论体系融入生态文明理念，为弘扬农业文化做出贡献；将研究方法进行了补充和完善，新加入了系统科学、数值模拟、大数据、云计算等研究方法。通过对国内外农业工程学科发展趋势分析，表明了生态文明时代农业工程学科新内涵的发展理念符合社会进步的需求，可为进一步丰富和完善农业工程学科理论体系提供科学参考，使生态文明时代农业工程学科成为推进人、自然、社会和谐共生、良性循环、全面发展的重要力量。

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Discussion on the connotation of agricultural engineering discipline in the eco-civilization era

Zhang Quanguo1,2, Yang Xuemei2, Wang Yingkuan3, Li Wenzhe4,2, Xia Chenxi2, Xu Guangyin1, Ru Guangming2, Sun Yong4, Wang Yanjin2, Wang Zhenfeng1, Li Zhe2

(1.,,450002,;2.,,450006,;3.,100125,;4.,,150000,)

Various production and living activities have posed a great impact on the natural environment in the era of ecological civilization. It is necessary to consider how to implement nature restoration and protect while taking from it. Most studies and state-of-art technologies have been developed for resourceful recycling of agricultural wastes, with emphasis on the modern biotechnology and engineering to enhance microbial reduction. This recycling allows for the timely replenishment of nutrients that consumed by the plant production, while reducing the use of chemical fertilizers and fossil fuels. We need to bring ecological balance back. This change of concept fully reflects the evolution of human civilization, where the construction of ecological civilization is highly demanding. Correspondingly, the agricultural engineering discipline is directly related to agricultural ecology and environment, thereby also needs to raise the height of understanding in theory. The scientific ethical concept of harmonious coexistence can be emphasized between human and water, soil, green and resources utilization. A discipline standard can also be recognized as the protection of natural environment and the maintenance of ecological balance. Therefore, the main purpose of agricultural engineering discipline has been changed to promote the harmonious coexistence between human and nature. Chinese cultural factors are also precisely integrating to one of the most important part of agricultural engineering. Consequently, the discipline of agricultural engineering should develop the agricultural production and economy under the premise of respecting and maintaining the natural environment. At the same time, the agricultural development needs to focus on some factors between human and nature, such as agroecology and agricultural culture. The research focus of agricultural development can be extended from a single element of survival to three elements of production, life and ecology. As such, the agricultural engineering discipline in the era of ecological civilization is facing new opportunities and challenges. In this study, a new connotation of agricultural engineering discipline was proposed according to the new ideas and requirements of ecological civilization, including the research objects, theoretical systems, and research of agricultural engineering disciplines. Specifically, the object of study in the discipline of agricultural engineering can be taken the ecosystem, consisting of human and agricultural resources, production and consumption in the era of ecological civilization. It has expanded from agricultural biological systems to agricultural ecosystems. The theoretical system has incorporated the concepts of ecological civilization and agricultural culture. The scientific research has been supplemented to strengthen the cutting-edge fields, such as system science, numerical simulation, big data, and cloud computing. The agricultural engineer in the era of ecological civilization is no longer simply a designer or producer of agricultural machinery and equipment, or a developer of agricultural energy, or a manager of agricultural water and soil. In essence, a modern agricultural engineer has become a farm planner to manage the various risks encountered in agricultural production, particularly integrating agricultural equipment, environment, resources, culture, and production factors. In addition, a future direction was addressed for the construction of agricultural engineering discipline using some examples from the international exploration and application. The results demonstrated that the needs of social progress was met in the development concept of the new connotation of agricultural engineering discipline in the era of ecological civilization. The finding can provide a promising scientific reference to further enrich the theoretical system of agricultural engineering disciplines, while a potential technical support to the ethical form of agricultural culture for sustained social prosperity. Consequently, the agricultural engineering discipline can be expected to become a scientific driving force for the advance of harmonious coexistence, virtuous cycle, and comprehensive development of human, nature and society.

agricultural engineering; ecology; civilization; discipline connotation; discipline development

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.035

S2

A

1002-6819(2021)-10-0293-06

张全国，杨雪梅，王应宽，等. 生态文明时代农业工程学科内涵探讨[J]. 农业工程学报，2021，37(10)：293-298.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.035 http://www.tcsae.org

Zhang Quanguo, Yang Xuemei, Wang Yingkuan, et al. Discussion on the connotation of agricultural engineering discipline in the eco-civilization era[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 293-298. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.035 http://www.tcsae.org

2020-09-14

2021-03-10

河南省高等学校新农科研究与改革实践项目“农业工程专业协同育人改革与实践”（2020JGLX151）

张全国，博士，教授，博士生导师，农业农村部可再生能源新材料与装备重点实验室主任，中国农业工程学会副理事长，研究方向为农业工程专业。Email：zquanguo@163.com