国际农业科学观测工作网络化发展的经验与启示

杨 帅 周国民,2,3 庄 严*

（1.中国农业科学院科技管理局，北京 100081；2.国家农业科学数据中心，北京 100081；3.农业农村部农业大数据重点实验室，北京 100081）

1 引言

农业系统能否保持可持续发展和全球有效供给是各国政府、科学机构、民间组织等不同主体共同关注的焦点[1]。我国农业在过去30 余年取得举世瞩目成就的同时，既面临着农业供给侧结构性改革的历史机遇，也面临着资源环境相对短缺、全球气候变化、生产力增长放缓、劳动力成本提高等诸多重大风险考验，通过科技创新和政策优化孕育新的增长点已成为新时期现代农业发展的战略性选择[2]。

作为我国农业科技创新体系的重要组成部分，科学观测实验站是开展农业科学研究的基本单元，是提高农业科学与技术原始创新能力的基础源泉，具有其他平台不可替代的作用。科学观测实验站既要开展对与农业有关的自然环境、生产环境的影响因素长期、系统的定点定时观测，积累基础数据；同时也是进行农作物病虫害防治或动物疫病防治技术研究、农牧业优良品种选育及综合配套栽培技术开发、畜禽安全高效饲喂技术研究的主要阵地[3]。其功能主要包括三方面：一是系统、长期的观测自然界有关关键要素，并积累相关基本数据；二是研究并阐明自然界发生发展的关联因素及演变规律；三是构建科学拓扑建模和预测预警体系，服务科技创新与政策制定等[4]。

然而随着科学大数据技术支撑日益突出，单一农业科学观测实验站“单兵作战”模式已不能满足第四研究范式的发展要求，长期以来存在的观测内容、数据标准差异造成的壁垒，导致传统科学观测实验站间的数据共享融合困难重重，造成了部分科学观测的重复建设和资源浪费。因此，农业科学观测工作网络化发展已成为必然趋势，亟需努力推动农业科学观测实验站在数据采集、数据结构等方面采取统一标准，加大时间空间尺度的对比研究和综合研究，在此基础上不断提升网络化观测能力和水平。目前发达国家乃至国际组织已在土壤、海洋、荒漠、极地等不同环境下，构建了农业、地磁、大气、气象等诸多领域的观（监）测网络。针对农业系统的科学观测网络更是发挥出了网络级协同组织管理，观测数据标准规范一体化，对外开放共享应用等方面的建制化优势，为突破传统单一观测实验站点在学科性、区域性、融合性的探索了有效路径，已成为人类对农业系统科学问题、产业问题、方法问题开展研究的新型综合性平台。

本文旨在通过梳理国际涉农领域的科学观测工作网络化发展进程，总结国际上影响力较大、观测研究动态活跃的农业科学观测网络典型模式，凝练其网络化发展进程的突出特征及发展趋势，为我国农业科学观测工作网络化发展提供借鉴，以进一步推动农业科学观测数据发展，发挥其对农业重要科技创新、农业重要政策制定的重要支撑作用。

2 国际农业科学观测网络化演变及典型模式

2.1 国际农业科学观测工作网络化发展进程

科学观测网络已成为观测技术手段为依托，系统性开展各类农业系统的本底信息收集、动态过程机理机制研究、多类要素互作关系与演变趋势探索乃至全球可持续性发展策略制定等方面工作的科学网络平台体系[5]。从发展进程看，科学观测工作呈现出了单一站点、观测网络、观测系统三个典型发展阶段。

1777 年，被誉为“近代化学奠基人”的拉瓦锡提出的“氧化说”推翻了“燃素说”，其创建的实验技术实践发现、定量定性方法结合为特征的新型研究范式[6]。此外，18 世纪末到19 世纪初，由于工业革命刺激欧洲国家工商业发展、人口激增，粮食需求倒逼农业生产向集约型转变，大农场为新兴增产技术的发展创造了资金支持和推广条件，最终在1843 年催生了首个农业科学观测为主的实验站——洛桑实验站，农场主Lawes为解决土壤肥力对作物增产影响问题，在科学家Gilbert 协助下在自有土地上设立了9 项针对肥料施用与作物产量关系的长期定位观测实验[8]，实验研究成果直接驱动了现代化肥产业的发展，深刻影响了现代农业发展进程。随后，德国默肯农业试验站（1851 年）、美国康涅狄格农业试验站（1875 年）、加拿大中央实验农场（1886 年）等观测实验站相继出现，农业长期定位观测工作在欧美各国纷纷启动实施[7]。

第二次世界大战以后，农业在国民经济中的首要位置在很多国家得以确立。由于丧失了大量原本作为农业生产基地的殖民地，一批欧美国家开始高度重视本国农业科技发展，以增产增效为核心目标的集约化、机械化现代农业技术体系得以迅速发展。因此，国家尺度农业科学基础数据在支撑农业经济发展、综合农业技术创新应用等方面的支撑作用日益凸显[9]。在这些国家的主管部门和科学家群体倡导下，科学观测实验站逐渐由“单一孤立”走向“组网协同”，苏联、英国、德国、美国等一些发达国家基于雄厚的科学观测实验站建设运行基础，率先整合布局了一批国家级尺度的观测网络，以解决本国农业发展的重大科学需求，最为典型观测网络包括苏联的地理实验研究网络（Geographical network，Geonet）、美国的长期生态学研究网络（Long Term Ecosystem Research，LTER）、英国的环境变化研究网络（Environment Change Net‐work，ECN）。

20 世纪末，气候变化、粮食安全等全球可持续发展问题已成为世界各国共同关注的重大科学挑战，单一国家主导的科学观测网络已经不足以全面揭示多学科交叉、多要素关联、多系统互作的全球变化系统。因此，联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO）、联合国环境规划署（United Nations Environment Programme,UNEP）、世界气象组织（World Meteorological Organi‐zation,WMO）等国际组织主导实施了一系列跨政府科学研究计划，科学观测网络化进一步升级为全球尺度的观测系统。较有影响力的观测系统包括：全球综合地球观测系统（Global Earth Observation System of Systems，GEOSS），国际长期生态学研究网络（Inter‐national Long Term Ecosystem Research,ILTER），全球陆地观测系统（Global Terrestrial Observing Sys‐tem,GTOS）、全球海洋观测系统（Global Ocean Ob‐serving System,GOOS）等。

纵观科学观测工作网络化发展近180 年的历史，总体趋势呈现出三大特点：一是研究焦点由具体科技问题向基础性观测大数据收集、整理与应用转变；二是组织特征由站点独立自主研究向联网观测协同研究升级；三是研究方式由传统单一领域的“观测—记录—分析”向自然农业、社会经济、生产要素多领域深度耦合，数据共享与集成程度逐步深化。

2.2 国际农业科学观测网络化发展典型模式

由于各国在资源禀赋、发展方向和体制机制等方面存在差异，因而在科学观测从站点向观测系统发生网络化演进的过程中，孕育了不同类型的组织模式，主要分为统筹型、联盟型和倡议型三种。

2.2.1 统筹型观测网络

统筹型观测网络的组网模式可概括为“先规划、再组网、后建站”，即在明确观测网络功能定位前提下，由国家有关管理部门主导发起，充分结合摸底调研和区域特点选址组网，并在统一观测规范、实验方案基础上联合开展一体化科学观测工作。

该类模式显著特点主要包括：1.坚持目标导向，始终与国家发展重大需求相统一，观测方向和重点任务突出明确，有利于观测工作有效供给科技创新与政策制定；2.纵向管理机制，有集中力量办大事的体制机制优势，自组建之初即强调统一观测标准与方法的规范性，为长时间尺度、大区域跨度的观测数据融合奠定了坚实基础；3.高度重视建章立制，将科学观测工作通过立法上升为国家意志，以保障观测网络在组织架构、运行机制、观测方案和布局调整等方面的决议程序有章可循，具备极强的稳定性。

统筹型观测网络以苏联—俄罗斯一脉相承的Geonet最为典型。Geonet在组建之初就明确了“统一标准、联合实验”的总体思路。20世纪30—40年代，苏联政府组织大规模的集体农场土壤调查，在绘制全国土壤分布图和农用化学统计图基础上，选定了典型区域的永久性实验农田并建立实验站。1941年，苏联人民委员会决议正式启动Geonet，农业部作为主管部门曾多次就观测工作的任务目标和网络布局调整发布法令条例，该项传统一直延续至今（见图1）。20世纪60年代Geonet一度组织320多个实验站围绕土壤质量和农业化学2 大领域开展500 多项长期农业化学实验。支撑了苏联土壤-农业化学区划工作，并解决了农业大规模投入农用化学品的理论、实践问题[10-12]。

苏联解体后，俄罗斯农业部与俄罗斯农业学院成为了Geonet的联合主管部门，2001 年，双方通过联合令对Geonet 功能定位和管理机制进行了重塑：建立了“Geonet科学方法委员会—区域协调中心—观测实验站”三级网络结构，特别建立了跨部门的常设机构——Geonet科学方法委员会，负责全网络长期定位观测实验的建立、改进与终止，并通过批准执照的方式对观测实验站进行备案管理；建立了区域协调中心，协助主管部门开展业务指导、布局调整、年报收集、会议筹办、数据库建设等工作；观测实验站负责按照既定方案开展实验、观测和分析工作，并按照要求提交数据、保存样品、编写报告。2005 年，Geonet 科学方法委员会决议委托俄罗斯农业学院肥料与农业土壤研究所（现普里亚尼什尼科夫全俄罗斯农业化学研究所，简称VNIIA）主持Geonet 日常运维工作；并委托俄罗斯农业学院系统研究所承担区域协调职能，Geonet的运行管理机制得到进一步强化①http://www.geo-set.ru/site/70。

2.2.2 联盟型观测网络

联盟型观测网络通常遵循“先建站、再联网、后准入”的组建模式，即由研究所、大学、个人等多类主体独立建设运行实验站一段时间后，在站科学家群体逐步形成联网观测共识，实验站间构建起自治管理机制并明确准入标准体系，经审定后吸纳已建达标实验站，进而开展网络级联合观测科学活动。

该类模式优势主要包括：1.观测实验站在观测选题方面具有较高的自主性，最大程度地保留了多样化的经典实验；2.群策群力开展观测任务设置，观测实验站、农业产业部门、学术研究团体等多方利益攸关者深度参与顶层设计，实现了多方需求深度融合和多元资金渠道支持；3.具有扁平化的协调管理机制，在观测主题、数据管理、外联合作均设置了独立岗位及自治委员会（或工作组），特别注重强化观测标准规范和数据产出对联网观测的技术保障。

联盟型观测网络以美国长期农业研究网络（Long-Term Agroecosystem Research Network，LTAR）较为典型。2008年，就职于凯洛格生物站（W.K.Kellogg Bio‐logical Station，KBS 站）的科学家Robertson 等人呼吁组建一套农业综合研究体系，以满足系统性、长期性、跨地域的协同观测需求[14]，该项提议在2011年得到了美国农业部农业研究局（Agricultural Research Ser‐vice，ARS）的认同和支持，ARS官员Walbridge和Sha‐fer系统阐述了LTAR的愿景目标、中长期规划、联网运行基本原则以及入选机制[15]。随后，ARS组建了专门的督导委员会，先后两批遴选了18 个观测实验站，基本实现了美国典型种植系统（Croplands）、畜牧系统（Grazinglands）、农牧混合系统（Integrated System）三大主要农业类型观测工作全覆盖。

尽管2011年才宣告正式成网，但LTAR支撑农业产业发展方面已初具影响力。LTAR 积极倡导联网大尺度、跨学科研究，研究成果由简单的数据集整理汇总开始向跨领域综合效益评估、数据建模等方面转变。值得一提的是，LTAR 探索出了一套与联网观测相配套的工作组机制，如表1所示，LTAR 根据工作需求设置了观测类、信息管理类、协同观测类、农业管理类、外联沟通类等五大类工作组，其中观测类工作组负责对标农业系统内水土气生要素观测需求，制定网络级统一的标准规范体系；协同观测类工作组则侧重从种植业、畜牧业产业问题出发，负责策划网络级共同实验；信息管理类工作组负责全网各类观测数据收集整理与挖掘分析；农业管理技术类工作组补充了遥感观测并负责GIS信息共享需求；外联与沟通类工作组则承担了开展跨网络合作观测职能①https://ltar.ars.usda.gov/。

2.2.3 倡议型观测网络

倡议型观测网络通常遵循“项目牵引、标准引领、成员合作”的发展模式。该类网络往往由联合国等国际组织发起，依托于政府及非政府组织间合作框架与发展规划，共商重大观测议题和方案，利用成员国原有观测网络基础，构建全球尺度的科学观测系统，统一数据交互标准、构建协同创新机制，共同推进国际科学观测数据的共享与应用。

该类网络的优势主要包括：1.集聚了人类命运共同体重大需求领域的世界顶尖科研力量，有利于推动农业观测跨学科科技协同创新与综合性问题的解决；2.观测技术手段先进多元且高度集成，卫星遥感、涡度观测塔、传感器等多种技术一体化紧密结合，有助于农业领域观测数据与异构信息的全方位获取；3.关注重点由传统台站观测向新型综合数据基础系统建设，技术、语义和组织的互操作性，实现观测、数据采集、数据同化、数据建模、信息传播之间的深度融合发展。

由GEO 主导建立的GEOSS 是该类网络的典型代表。GEOSS 是2003 年由联合国、欧盟、美国环境规划署等单位组织，100 多个国家政府和组织参与搭建的政府机构、学术研究机构、数据提供商、企业、科研工作者共用共享的全球性观测网络。GEOSS 建立了部长峰会、全会、执行委员会、秘书处为框架的组织管理机制，并在此框架下形成了非洲、美洲、亚洲、欧洲四个子倡议框架以推动区域性协同观测。GEOSS聚焦农业系统、能源、农业等9 个“社会受益领域”（SBA），并通过“十年执行计划”以超前理念引领了地基（观测台站）、机载（传感器）与天基（卫星遥感）相融合的立体集成式观测模式的发展[5]。

2006 年启动的第一个十年执行计划框架下，GEOSS 建立了自下而上的项目牵引机制，由成员国或组织主导观测项目集成，首批启动了84 项观测集成研究，其中农业SBA 在2007 年G20（二十国集团）罗马峰会上，25 个农业观测相关国家和国际组织宣布启动了“全球农业监测计划”（Global Agricultural Monitoring Initiative，以下简称“GEOGLAM”），并在FAO 主导下修订了农业地质监测任务（AG-07-03）6项子任务，明确了全球农业综合监测在数据政策、数据质量与标准、观测通用技术集成、田间与遥感数据融合、观测设施强化等方面的长短期工作任务。2015年启动的第二个十年计划进一步定义了倡导、参与、交付的策略目标，重塑了基础项目（Foundational Task）、预研项目（Community Activity）、启动项目（GEO Initiative）、旗舰项目（GEO Flagship）4 个任务层次，其中GEOGLAM 因其突出的实施成效顺利被推荐为新十年计划首个旗舰项目。GEOGLAM 框架下，我国研发的全球农情遥感速报（CropWatch）、牧场及牧场生产力观测系统（RAPP）等子系统均已形成了较为成熟的观测数据共享发布制度，有力推动了过去分散的观测体系、数据标准、数据建模与应用资源的系统性整合，观测数据与用户需求端对端服务得以快速发展，也维护了该网络的高效运维活力，GEO‐GLAN 在应对气候变化、粮食安全、突发灾害等全球性挑战中的数据支撑作用正在日益凸显①https://earthobservations.org/cop_ag_gams.shtml。

表1 LTAR工作组架构及其职责功能Table 1 Structure and responsibliltes of LTAR working groups

3 经验与趋势分析

3.1 国际农业观测网络化工作发展经验

尽管不同类型的农业观测网络在组网过程、管理机制和重点领域等方面存在较大差异，但总体说来，这些国际化的农业科学观测网络具有一些可借鉴、可持续的发展理念，主要包括以下三方面：

（1）高度重视网络化运行制度建设。不同观测网络结合各自国情，大多建立起了“决策—咨询—执行”为核心的管理体系，特别注重观测选题、跨学科联合、数据共享共用等核心职能的岗位设置和协作机制，并通过立法等形式确定，以保障网络化观测工作长期有序开展。

（2）标准化规范是发挥观测建制优势的核心。观测网络组织相关领域科学家制定了统一的网络级观测实验方案，在观测方法、仪器运维、数据采集与共享应用等方面建立标准规范体系，并通过培训、指南等形式指导具体科学观测活动，这也使得多学科观测数据更加具有可发现性、可访问性、可互操作性和可重用性。

（3）数据开放共享促进了观测网络发展的良性循环。这些观测网络大多有负责数据开放共享的专业团队，并依托强大的数据信息基础设施，建立了“观测网络+实验站”一体化的观测数据开放门户，全面展示观测网络的观测标准、元数据、观测数据、科学数据集、学术专著以及代表性成果，通过数据共享程度的不断提升，实现标准化数据产品和科学观测成果的持续产出。

3.2 国际农业观测网络发展新趋势

当前，国际农业科学观测网络作为科学数据“策源地”的作用正不断彰显，其发展趋势在第四科学范式影响下正在发生着深刻的演变。总体而言，农业观测网络已由原来的“专业性、分散性、小尺度、局域性”向“大整合、大融合、大尺度、大数据”的方向提档升级，主要表现在以下四点：

（1）不同观测网络由相互独立走向统一整合。过去，由一个或若干领域科学家发起的观测网络研究目标相对聚焦，而网络间关注点则更为分散，这也形成了不同网络间的数据壁垒，阻碍了农业领域的数据共享共用，而当前不同观测网络的统一整合已成为必然趋势。例如，美国近年来开始着力打造“观测网络的网络”，LTAR、土壤健康评估网络（Soil Health Assess‐ment Network,SHAnet）、弹性农业经济网络（Resil‐ient Economic Agricultural Practices,REAP）等多个涉农数据网络整合形成了农业合作研究成果系统（Ag‐ricultural Collaborative Research Outcomes System,AgCROS），面向第四科学范式的农业多源异构观测数据也因此获得了更大的挖掘潜能[16]。

（2）社会-农业系统（Social-Ecological System）融合研究得到越来越广泛关注。农业科学观测工作不再仅仅关注单项农业技术突破，而是融合了社会经济学、生态学等学科的研究方法，深化了农业系统与人类社会之间相互关系认知。这种融合性研究已逐步成为提升农业科学观测数据供给质量，支撑政府科学决策的通行做法。

（3）观测空间、时间尺度不断拓展。国际先进农业观测网络研究空间尺度由样方和台站尺度向流域、景观等尺度延伸，特别是以“流域”为单元的网络级观测研究任务愈发重要，其时间尺度多为10 年乃至20年以上。在长时间序列的观测数据累积下，“一网多站”和“一站多能”的涉农观测网络正不断孕育新的农业科技创新增长点。

（4）新一代观测技术体系正在深刻改变传统观测发展格局。以智能传感器、航天遥感、物联网和大数据为核心的新型技术手段正不断融入传统的农业科学观测体系，高密时间频度和大空间尺度的观测数据获取能力大幅度提升，并加速了农业科学观测大数据的形成和发展，农业科学观测网络对数据建模、预测预警、科学决策等方面的支撑作用愈加凸显。

4 对我国农业科学观测网络化发展启示

长期以来，我国高度重视农业科学观测工作。早在20 世纪60—70 年代，农业农村部（原农业部）先后投资建设了湖南祁阳、山东德州等以农业资源环境监测为主的观测实验站，打造了一批重要的观测工作平台。20 世纪80 年代后，国家进一步加快部分涉农观测网络建设步伐，包括中科院主导建设的中国生态系统研究网络（Chinese Ecosystem Research Networl,CERN）、中国农科院主导建设的全国土壤肥力监测网络，科技部、农业农村部相继整合形成了国家野外科学观测实验站体系、学科群观测实验站体系以及现代农业产业技术体系实验站等不同侧重点的观测网络，为我国培育观测监测人才队伍、系统积累农业科学观测数据做出了积极探索。

为了进一步优化提升农业科学观测网络化布局，2017 年，我国农业农村部启动了国家农业科学观测网络建设工作，旨在通过开展农业生产要素及其动态变化的系统观测，阐明要素间联系及发展规律，为我国农业科技创新、农业农村绿色发展以及管理决策提供科学数据支撑。4 年来，该观测网络布局了土壤质量、种质资源、农业环境、植物保护、畜禽养殖、动物疫病、农用微生物、渔业资源与环境、天敌昆虫、农产品质量安全等10大观测领域，参与观测工作的中央-省-地市三级实验站达456 个，附属监测点超过2000 个，首次实现了我国农业领域多学科协同观测的大联网。

尽管我国在农业观测网络建设取得了阶段性进展，但与国际先进农业观测网络相比，存在起步晚、基础弱、谋划少等突出问题，与国家“十四五”农业高质量发展的重大观测需求相比，仍需在以下四方面集中发力：

（1）加强顶层设计和超前谋划。进一步健全网络级的“决策—咨询—执行”机构、制度，各科学观测领域间的“需求—选题—任务—方案”一体化设计已成为健全农业科学观测网络化发展重中之重，亟需借鉴LTAR、GEOSS 等网络化经验，强化顶级科学家在决策、咨询方面的先导作用，面向国家十四五规划和农业中长期发展的重大观测需求，凝练国家尺度、区域尺度的跨学科联合观测选题，梳理各学科协作的观测任务，明确各实验站具体落实的观测方案。

（2）提升观测网络标准化建设水平。国家农业科学观测网络的数据体系建设仍处于初级阶段，各学科间的数据融合研究有待取得实质性突破，亟需进一步统一各学科间观测标准体系，加快建设数据开放共享门户，彻底打通数据融合的底层渠道，真正实现各学科领域观测数据的有机联系。

（3）提升观测实验站间的联合观测能力。目前，我国的农业科学观测实验站依然按照传统分领域的纵向条块化管理，不同领域各实验站之间的协同观测路径尚未打通，亟需加强各观测实验站间的有机整合、打破学科领域壁垒、提升观测综合效能，实现跨学科联合观测、联合分析，以及观测成果的共享共用，为深度挖掘观测数据潜在价值夯实平台基础。

（4）提高新技术、新方法应用程度。国家农业科学观测网络下辖观测实验站在条件能力水平方面参差不齐，亟需将国际观测网络广泛应用的新技术、新方法融入到国家农业科学观测实践中去，破除观测数据采集质量和效率提升的潜在障碍因素，加快农业科学观测数据向大数据时代迈进的历史进程。

5 结语

当前，随着第四科学范式深入影响下，农业科学观测工作网络化发展迎来了大数据时代的历史契机，国家农业科学观测网络应认真汲取国际农业观测网络在运行管理机制创新、观测标准规范建设、数据开放共享等方面的先进经验，补齐我国农业科学观测网络在顶层设计谋划、标准化建设、联合观测能力与观测技术体系等方面的短板。与此同时，国家农业科学观测网络还要及时更新发展理念，牢牢把握农业观测网络发展新趋势，积极融入更广领域、更多体系的观测网络系统性整合，加快布局农业、生态、社会经济等多维要素融合研究，着力拓展农业科学观测时空尺度，促进观测技术体系激活农业科学观测网络建制化优势，逐步确保科学观测数据全面、高效、系统、长期获取，促进新一代观测技术体系的广泛应用。努力实现我国农业观测工作由“分布散、标准乱、共享难”向标准化、规范化、融合化、共享化的历史性转变，为服务国家农业高质量发展重大需求，解决区域、产业重要瓶颈问题，支撑农业农村社会经济可持续发展做出积极贡献。