区块链助力智慧园艺发展的初步探讨

孙忠富，杜克明，郑飞翔，马浚诚

（中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081）

改革开放以来，中国园艺产业发展速度一直很快，并取得了令世人瞩目的成就。以蔬菜生产为例，近些年我国蔬菜面积和产量一直都在不断扩大，从2001年开始，蔬菜产值已经超过粮食成为种植业第一产业，2011年全国蔬菜产量和产值均超过粮食，首次成为我国第一大农产品，园艺产业在农村经济中的支柱地位日益稳固[1-2]。

在园艺产业中，设施园艺是重要的组成部分，中国一直保持大国地位，大约占世界总面积的85%以上，截至2017年，全国（不含港澳台）设施园艺总面积为370万hm2。在设施园艺中蔬菜种植面积占95%以上，所以设施蔬菜的发展状况基本代表了我国设施园艺发展的整体情况[3]。另据有关资料统计，“十二五”期间，设施园艺产值达9 800亿元，约占农业总产值的17.9%[4]。园艺产品不仅是人类主要食物来源，还是重要的工业原材料，园艺产业在国民经济发展及改善人们生活质量上的贡献都是不可替代的。

尽管目前从生产规模上看，中国早已稳居设施园艺生产大国地位；但另一方面，从平均状况看，中国设施园艺与世界强国相比仍存在不少差距。实现从生产规模大国，迈入到科技创新与生产力水平居世界先进水平的强国，乃是我国设施园艺产业发展的重要目标。与发达国家相比，中国设施园艺的差距主要表现在设施结构的优化设计、专用品种的选育、生长环境综合调控、综合栽培技术等方面。另外，生产过程的机械化、自动化、智能化、精准化、定量化、数字化水平普遍较低[5-8]，总体上导致生产效率偏低、产品质量差、缺少品牌产品、国际市场竞争力弱。显而易见，如何从园艺大国向强国发展，仍面临诸多挑战，必须要创新发展模式，开辟新的发展空间，探索新的驱动力，基于新一代信息技术逐步发展起来的智慧农业自然成为发展必由之路。同样道理，作为智慧农业的重要组成和重要实践，智慧园艺也必然带来新的发展机遇，创新的信息技术将助力园艺产业再上新台阶。

近年来，新一代信息技术发展日新月异，不断在各领域深度融合，促进了新的产业模式不断涌现。物联网、移动互联网、大数据、人工智能等与农业诸多领域的不断拓展应用，为智慧农业的深度发展开拓了广阔的空间，智慧园艺也成为智慧农业的重要代表和热点领域。

尤其是近几年区块链（Block chain）技术的兴起，为新一代信息技术增加了新的支撑要素，已成为各行业关注的热点，也为智慧农业和智慧园艺注入了新的发展活力。本文将结合我国农业尤其是园艺产业发展，首先综合介绍分析智慧农业与区块链技术的基本内涵，另一方面简要分析阐述二者如何助推智慧园艺的发展，最后提出一些挑战性问题，并展望未来的应用前景。

智慧农业碰上区块链

智慧农业的必要性

20世纪90年代末，随着以计算机和互联网为代表的信息技术不断成熟和普及应用，人类社会开始步入从工业革命时代向信息革命时代的转变。在人类历史上，经过漫长的土地革命和工业革命，基于土地资源、机器设备、劳动力等资源创造财富的发展模式，曾经对人类社会的发展做出过不可替代的巨大贡献，但人类对物质的刚性需求不断增长与资源的有限性矛盾越发突出，这种特征在农业领域表现得更加突出。

近年来，新一代信息技术在农业很多领域深度融合应用，为有效解决农业生产中存在的一些短板，发挥越来越重要的作用。在这一过程中，促进了智慧农业理论和技术的不断发展和深入，逐步形成了智慧农业新型产业。所谓新一代信息技术，是指以物联网、移动互联网、大数据、云计算、人工智能等为代表的新兴技术，它既是传统信息技术的纵向升级，也是信息技术的横向渗透融合。新一代信息技术无疑是当今世界创新最活跃、渗透性最强、影响力最广的领域，正在全球范围内引发新一轮的科技革命，并以前所未有的速度转化为现实生产力，引领科技、经济和社会发展日新月异。

中国政府历来重视智慧产业的建设发展，早在2010年就将新一代信息技术列为国家战略性新兴产业，2018年12月中央经济工作会议上，首次提出了“新型基础设施建设”，这就是“新基建”的概念。2020年3月以来中央政府连续发出加快新基建创新应用的政策，新基建再次被提到新高度。所谓新基建，主要是指基于新一代信息技术演化生成的基础设施，以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施，以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施，以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等[9]。这些基础设施的强化和建设，将为智慧产业的发展带来前所未有的机遇，预示其发展势头锐不可挡。

智慧农业无疑是新一代信息技术与农业深度融合的产物，将极大改变农业生产与管理的业态。智慧农业是由各种分支领域组成，其中智慧园艺就是其非常重要的组成部分，智慧农业的理念和技术与智慧园艺的需求是一致的。在智慧农业中，物联网在农业环境和设备远程监控方面的应用，为人类嵌入了“千里眼”和“顺风耳”。大数据的深度应用，为科学发现和科学管理提供了决策智慧大脑，在很多场景下电脑代替人脑已经成为现实。人工智能技术，逐步解放人的体力劳动，进一步提高了生产力。机器人、智能装备、自动驾驶等应用大量涌现，机器人已经能胜任很多复杂的操作，在很多场景替代了人的体力劳动。诸如此类，不胜枚举。

智慧农业碰上区块链

数据产生知识，知识产生智慧，所以归根到底数据是智慧的源泉。随着大数据和物联网等技术的广泛应用，数据的安全性、可靠性等问题日益突出，互联网上存在的乱象，急需治理自不必言。换句话说，凡是涉及数据的地方，就存在数据安全问题，就存在对数据治理的需求。智慧农业的核心仍然是数据，在其朝着生产智能化、经营网络化、管理信息化等方向发展带来优势的同时，也不可避免地面临诸多挑战。如数据真实可靠性、数据安全性、智能设备和物联网安全可控、网络的诚信、知识产权归属等。上述问题不能有效解决，智慧农业的根基就不稳固，更谈不上持续发展壮大。

2018年，在信息技术突飞猛进的浪潮下，又一个热门技术引起了业界乃至整个社会的广泛关注，这就是区块链。解决上述智慧农业中面临的诸多问题和挑战，应该是区块链的技术优势所在。对于智慧农业发展来说，如果能与区块链进行深度融合，必然迎来新的发展机遇和拓展空间。从这个意义上说，区块链的兴起恰逢其时，智慧农业碰撞区块链，必然能产生闪亮的光芒。

区块链内涵和认知

区块链初识

回顾“区块链”的发展历程，这一概念在国内的早期传播大约始于2015年上半年。区块链技术是一系列技术的集成和综合应用，其中有些技术最早可追溯源到20世纪70年代。1976年，Bailey W. Diffie、Martin E. Hellman两位密码学大师发表了论文《密码学的新方向》，奠定了迄今为止整个密码学的发展方向，也对区块链技术和比特币的诞生起到决定性作用[10]。而真正形成完整的技术体系，则是由一位化名称中本聪（Satoshi Nakamoto）的学者在2008年首次提出来的[11]，在该论文中，非常简明扼要、图文并茂地描述了比特币和区块链的基本原理，提出了很多基本概念，比特币（Bitcoin）由此诞生，奠定了区块链的理论基础。“比特币”是一种虚拟加密数字货币，其不依靠特定货币机构发行，而是依据特定算法，基于计算能力产生。比特币是区块链最成功的一个应用，比特币应用的成功，成就了区块链技术的重要突破。

目前，区块链在很多领域都有不同程度的探索应用，尤其在金融领域上的应用较为突出。根据区块链的进化脉络，可将区块链大致分为3个发展阶段，每个阶段都代表了区块链技术和应用的进一步拓展。（1）区块链1.0：这是以2008年中本聪发表的那篇著名的论文为标志，并于2009年1月挖掘出了创世区块（Genesis of Bitcoin），收获了50个比特币。（2）区块链2.0：将区块链技术扩展到金融领域的应用，以2013年维塔利克·布特林（Vitalik Buterin）开发的以太坊（Etherum）为代表，它是能支持各种加密货币、金融资产以及各种数字化资产管理的智能合约通用平台。（3）区块链3.0：区块链的应用不再局限数字货币和金融领域，而是不断扩展到其他各行各业，但目前还难以找出公认的标志性成果，业界有些学者认为区块链3.0是价值互联网的内核，可以想象为类似一个操作系统或者是互联网上的云服务平台。很显然，区块链与智慧农业融合应用，都会在这一阶段不断得到发展和实现。

区块链的基本特征

区块链之所以得到社会各界的广泛关注，主要还是由其具有的技术特征及其所产生的强大功能所决定。从技术层面看，区块链本质上是一种分布式、去中心化、具有加密功能的网络数据库系统，这个系统会让数据的存储、更新、维护、操作等，变得与传统数据处理截然不同。

◎ 块链式结构

本质上看，区块链采用块式存储结构，每个数据块就像机械链条上的一节套环，很多个套环有序连接在一起，就形成了一个区块链条。在区块链上，每个数据块不是彼此割裂，而是每新生成的区块里都包含前一个区块里的一些数据，利用这个特点，很容易追溯到数据本源，这就是区块链的可追溯性，所以区块链具有真实性特征。

◎ 共识算法

区块链数据类似一个交易账本，但是每一笔交易记录或数据更新，都要通过“共识算法”来完成。类似投票选举一样，至少要获得半数以上认可，新纪录才被视为有效，这就使得区块链上的数据不能被垄断霸权，不容易被篡改，所以区块链具有民主公正性特征。

◎ 密码学应用

对区块链数据的传输和访问，应用了严格的密码学技术来保证，常用的密码学原理主要有：哈希算法、Merkle哈希树、椭圆曲线算法、Base58等，这使得区块链的数据具有安全可靠性特征。

◎ 智能合约应用

智能合约（Smart Contract）概念在1994年由美国计算机科学家尼克·萨博（Nick Szabo）首次提出，其基本含义是由计算机程序代码执行一套交易准则，定义并自动执行相关协议。开启这个功能，一旦触发合约中的条款，代码就会自动执行合约，在没有第三方监管的情况下实现可信交易，这些交易可追踪且不可逆转。智能合约依赖机器代码的客观公正性，不仅确保交易诚信，保护隐私性，而且大大减少交易成本。如果与数字资产结合，可能是区块链最令人深思遐想、最具有潜力的应用。因此，区块连还具有智能化的特征。

区块链体系架构

要开发建立一个区块链应用系统，从技术架构上划分也不尽完全统一，但基本内涵是一致的。比较多的研究认为是涉及到6层架构，由自下而上的数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成。当然，如果从数据层再往前延伸，还有数据采集层（图1）[12-13]。

◎ 数据层

谈到区块链的本质，仍是一种具有特殊数据结构的分布式网络数据库，所以数据是核心。通过区块（block）存储数据，解决这些数据以什么样的形式组合在一起，形成一个有意义的数据区块。数据层封装了底层数据区块的链式结构，以及相关的加密技术和时间戳等技术，这是整个区块链技术中最底层的数据结构。具体需要哪些数据，要根据涉及的领域和所需要的服务来决定。

◎ 网络层

区块链不提供中心化服务器，在数据区块有序形成之后，如何实现与网络中其他节点协同互动呢？主要依靠用户点对点（P2P）交换信息，这就是网络层来实现的功能。正是由于区块的P2P特性，数据传输是分散在各个节点之间进行的，局部节点或网络遭到破坏对其他部分影响很小（图2）。

◎ 共识层

共识层封装了网络节点的各类共识机制算法，共识机制算法是区块链技术的核心技术。让高度分散的节点在P2P网络中，决定谁可以获得记账权，使新增数据的有效性达成共识。记账者选择方式将会影响到整个系统的安全性和可靠性，目前已经出现了10余种共识机制算法，其中最为知名的有工作量证明机制（PoW-Proof of Work）、权益证明机制（PoS-Proof of Stake）、股份授权证明机制（DPoS-Delegated Proof of Stake）等。

◎ 激励层

激励层是区块链实行的一种奖惩机制，主要包括经济激励，其作用是对区块链网络的维护和建设有贡献的节点（参与者）实施经济奖励。例如，在比特币系统中，通过颁发比特币予以奖励。反之，对行为不轨者，有破坏区块链系统的节点将进行惩罚。

◎ 合约层

合约层主要封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础。只需要在系统中设定的条件达到预置的条件，即可触发合约的自动执行，无需第三方的确认和授权，这也是区块链去中心化及去信任的基础。

◎ 应用层

在应用层里，包括了区块链不同发展阶段的应用，从1.0的比特币应用，到3.0的全方位应用。各类区块链的应用都体现在应用层上，是大多数区块链系统的最终落脚点。任何一个区块链应用系统，其中至少包括数据层、网络层和共识层，否则将不能称其为真正意义上的区块链；而激励层、合约层和应用层则不是每个区块链应用的必要因素。例如，激励层主要在公有链当中出现，而在私有链当中，则不一定需要激励层。

对区块链的认知

很多学者认为区块链是当前认知领域中最复杂的技术之一，对于大多数非专业人员而言，可不必去深究其技术细节，关键是理解区块链的基本内涵和基本架构，以及对未来可能产生的影响。这些影响可分为4个维度：技术、行业、政府、社会。从技术角度，一些区块链技术日渐成熟，并不断推广应用。从行业角度，区块链在全球范围如证券、保险、供应链、溯源、知识产权等诸多领域都有探索验证（POC-Proof of Concept）的成功案例，部分已经进入了实践阶段。从政府的角度，很多国家政府都实施了区块链发展计划，研发区块链关键技术和领域应用，抢占制高点。从社会的角度，各种研究和探索应用也在突飞猛进，区块链不再是一个依附于比特币、以太坊，或者任何其他数字货币的技术，也正在不断脱去抽象而晦涩难懂的面纱，被越来越多的人所理解和认知，正在融入更多学术研究领域，以及社会诸多经济活动当中。2017年世界经济论坛发布白皮书《实现区块链的潜力》，指出区块链即将开创更具颠覆性与变革性的互联网时代。

区块链的技术固然很有价值，但并不是全部，其背后的思想理念以及构建的逻辑框架同样重要，甚至更重要。随着区块链的发展，某些技术细节和实现的方法必然会不断演变，甚至可能出现颠覆性的变化，但区块链的精髓和内涵将持续不变。就如同20世纪90年代互联网的兴起，当时能有多少人真正理解互联网的未来，但是今天互联网改变了整个世界，互联网思维和应用已经像空气一样，无处无时不在，对区块链的认知可能也大致如此。应用区块链思维和理念，结合专业领域设计出更多的可能应用场景，让区块链真正为我所用，落地生根，是区块链能否持续发展的关键，也是当前面临的主要任务。

区块链助力智慧园艺

总体来讲，区块链在农业领域的应用还处于初级阶段，真正全面应用区块链技术、规模化应用的成功案例并不多见，其在农业领域的探索和应用任重道远，尤其是专门针对园艺领域的研究现状也大致如此。另一方面，近年来一些相关学术研究也提出不少设想，设计了一些农业区块链应用场景，对发展农业区块链具有积极的推动作用[14-18]。广义农业涉及的内容十分浩瀚，这就决定了区块链有广阔的发展空间和生存的土壤，既是机遇也是挑战。在总体发展理念上看，区块链可为智慧农业夯实底层基础，区块链的重要理念和技术框架，都可为发展智慧农业借鉴应用，为其保驾护航，促进稳健发展。智慧园艺是智慧农业的重要组成部分，毫无疑问，区块链同样大有用武之地。农业部等有关部门于2019年12月底发布了《数字农业农村发展规划（2019—2025）》，其中对区块链的研发任务进行了部署，明确指出要加快推进农业区块链大规模组网、链上链下数据协同等核心技术突破、加强农业区块链标准化研究、推动区块链技术在农业资源监测、质量安全溯源、农村金融保险、透明供应链等方面的创新应用[19]。

在具体应用层面上，如何打造绿色农产品供应链，贯通供应和消费安全渠道，建立从田间生产到家庭餐桌的溯源监控体系，确保农产品更健康、更安全，诸如此类应用是区块链最有可能发挥作用的突破口，这也是园艺领域优先关注的问题和欲解决的痛点；另外，在农业金融、保险、信贷、农产品交易、品牌认知和知识产权保护方面，区块链也均可大有作为。当前物联网和大数据的应用不断深入普及，物联网设备的监管、大数据的安全，包括数据质量控制等，也是区块链潜在应用的领地。基于对当前和未来的应用场景的分析，建议园艺领域区块链发展优先关注以下几个方面。

物联网与区块链

设施园艺是物联网应用最活跃、最密集、最有代表性的领域。目前基于各类传感器和智能装备连接的物联网发展迅猛。大量的物联网设备标识不统一、数据格式多样、中心化管理等问题限制了物联网系统的高效应用。另外，设备监管和数据安全问题也一直困扰着物联网的发展，如何实现自动组网和智能辨识、设备身份的安全认证等，区块链都可以发挥其监管功能。区块链将成为万物互联智能设备的总账本，除了真实记录物联网采集的数据外，也可真实记录设备的身份标识、停转工况、设备迁移、设备维护等数据，为智能设备的互联互通、自我管理提供安全可靠的保障。

大数据与区块链

大数据时代，科学决策和管理是基于大数据的挖据分析，谁拥有大数据，谁就拥有资源，谁就拥有价值；而大数据质量和安全管控、大数据的归属产权等都十分重要。农业大数据涉及内容十分广泛，包括环境大数据（土壤、天气等）、生产管理大数据、生产资料大数据（品种、化肥、农药、机械、装备、试验材料等）、人力资源管理大数据、农产品大数据、栽培管理大数据等。智慧园艺也不例外，同样涉及这些大数据的管理，此时在这些大数据的管理及其可信任度上，区块链将发挥重大作用。

在供应链和安全溯源中的应用

大多数园艺产品强调鲜活特性和绿色清洁，所以历来都是质量安全的头等大事。在供应链中涉及产品配置、物流配送、交易结算等众多环节，必须确保数据的安全。另外，质量溯源也是供应链中的一个重要内容。应用区块链技术后，供应链中涉及的大量信息（包括价格、日期、地址、质量、产品状态等）将会被永久记录，且难以篡改，从而避免人为错误，提高安全性。区块链还可以对包含农产品生产、加工、贮藏和销售等过程的全部数据进行有效管控。

在集约化园区中的应用

设施园艺生产采用高度集约化的生产模式，科技含量高，管理复杂，涉及的数据多样复杂，如产品、生产资料、各种环境和气象资料等数据的安全管理，应用区块链技术，可在数据安全管理，优化应用等方面开发出不同的区块链应用系统。

面临的挑战与前景展望

面临挑战

区块链为信息网络时代的大数据综合治理提供了新的思路和解决方案，但在拓展应用实现过程中，也将面临诸多挑战，这里既有技术上的不成熟问题，也有管理政策上的挑战，尤其是对区块链自身技术将有更高的要求。

首先从技术上看，区块链存在着一个著名的“不可能三角”的三元悖论，这是指区块链的3个重要特征：去中心化（Decentralization）、可扩展性（Scability）、安全性（Security），但具体应用时，这3项功能无法同时满足。例如，去中心化固然可以提高数据的安全性，但是以牺牲高效性能为代价；另外，如果采用中心化管理，必然导致安全性大幅度下降，又偏离了区块链的宗旨。区块链在数据存储上，每个节点都下载和存储所有同类数据包，容错和纠错能力固然得到提高，但同时也带来了巨大的校验成本和存储空间损耗；另外，未来随着区块链技术所承载的数据量增加，每个节点的存储空间容量将成为瓶颈。例如，比特币一个区块大小限制在1 M以内，面对大数据的海量数据，是难以承受的。其他比较明显的问题还包括，网络算力攻击问题、链下数据如何监控问题、大规模数据和跨平台数据的溯源问题、传统的中心化管理和区块链去中心化的矛盾问题等[20-21]。

从区块链开发应用角度看，技术跨入门槛相对较高，技术人才匮乏。从前文分析可知，区块链技术涉及到密码学、计算数学、数据治理、人工智能等很多跨学科、跨领域的一些前沿技术，要理解和掌握区块链的关键技术并非轻而易举，既懂农业又具有技术开发能力的复合型人才尤其缺乏。好在目前一些专业公司开发了一些区块链服务平台，在该平台上非专业技术人员可以进行区块链的二次开发，这也是一个好的势头，但即便如此，区块链开发的技术难度仍然具有很大的挑战性。另外，相对其他不少行业，农业领域信息化基础设施相对薄弱，在带宽、存储、算力等方面，都必须不断提升和加强基础建设，才能满足区块链农业应用不断发展的需要。当下国家正在大力推进实施新基建发展战略，值得期待。

前景展望

总体来看，目前对区块链的研究正处于一种日新月异的阶段，一些领域相对领先，如在金融领域。另一些领域相对薄弱，如农业领域。特别是关于区块链在园艺领域的应用研究，仍需要更多的探索，要在生产实践中不断总结提炼，开拓更多应用场景。尤其要在选准题、定好位、创新商业服务模式等方面深入研究，进而开发出具有示范效应与业务应用的区块链系统。

任何创新技术从发明创造到成熟应用，都不可避免地会出现这样或那样的问题，尤其需要经过市场和时间的考验。当前相关的研究成果比较匮乏，意味着有更多的发展机遇和空间，一张白纸正好可以画上最新最美的图画。针对园艺产业来说，在宏观上，要做好顶层设计和长远发展规划，把握好方向和大局，紧跟技术发展潮流。园艺产业附加值高，生产基础条件好，可以优先发展。相关政府部门也要加大扶持力度，给予鼓励政策。在具体实现上，要找准切入点，立足于技术创新和市场需求，不断提升区块链认知能力，培养用户群体也非常重要。相信区块链在农业和园艺领域的应用，必将成为智慧农业中的热点课题，道路曲折，前途光明，其前景很值得期待。