储粮生态系统中多种场的耦合理论及应用

◎ 李欣蔚，高树成，赵 旭，谭艳妮，张 健，李 佳

（1.辽宁省粮食科学研究所，辽宁 沈阳 110032；2.沈阳市食品药品检验所，辽宁 沈阳 110032）

粮食安全是国家安全的重要基础，而粮食的安全储藏便成为了保证粮食安全的重要环节。在储粮过程中，环境条件适宜，粮食本身便成为了微生物良好的培养基。微生物的大量繁殖会引起粮食霉变，从而使粮食品质下降，甚至产生毒素，危害人们的生命安全。

粮食安全问题作为全球性话题一直备受国内外学者的关注[1]。粮食安全包括粮食生产安全、粮食流通安全、粮食进出口安全和粮食消费安全。联合国粮农组织（FAO）提出了粮食储藏量的安全指标，即粮食储藏量应当占当年粮食消费总量的17%～18%[2]。根据FAO 和经济合作发展组织（OECD）联合发布的《农业展望报告》显示，粮食价格总体水平远高于近年平均水平，饥饿人口有增无减，根据联合国公布的最新数据，全球每天忍受饥饿的人数达到10.2 亿人[3]。而在我国，由于粮食储量大、分布广，粮食生产环境复杂，安全储粮作为保障粮食生产和粮食流通之间的重要环节，直接影响全国的粮食安全形势。

1 安全储粮的研究现状

目前，国内外有关粮食储藏过程中微生物活动与粮食品质的研究已取得一定进展。在储藏期间，在粮堆温度、湿度的影响下，微生物活动加剧，最终将影响储藏稻谷的品质。其中，霉菌区系的演替与脂肪酸值升高和整精米率下降有关，即霉菌量与脂肪酸值呈正相关，与整精米率呈负相关。有研究表明，储藏稻谷中水分和温度越高，稻谷霉菌量增长越快，曲霉是其中的优势菌；当霉菌数量低于104CFU·g-1时，稻谷可以安全贮藏；而当其中霉菌数量达到105CFU·g-1时，稻谷开始霉变，霉菌数量值的变化与霉菌演替有显著相关性[4]。

保证粮食安全储藏需要对整个粮堆的粮情系统进行有效检测，掌握粮情的变化规律可以更加科学的指导仓储，完善粮食储藏监管手段。有研究表明，粮仓中的粮堆在储藏时是一个多场耦合系统，包括生物场和非生物场，其中微生物和储粮害虫随时间的活动属于生物场，而粮仓温度、湿度、气流速度等属于非生物场[5]。粮情监测系统最早在2000 年由Jain 提出[6]，主要监测设备是个人电脑和粮仓中的温湿度传感器。

2 储粮的生物场理论

2.1 生物场概念

生物学的基础是生物系统内的能量循环和与外界环境之间的能量交换。生物系统是复杂的生物实体之间相互作用的复杂网络，生物系统中的每个生物实体又同时与周围环境中的生物实体和非生物实体进行着物质和能量交换。生物系统内的细胞利用能量进行分裂、分化、代谢和繁殖。在稻谷储藏期间，休眠的稻谷作为能量来源，为生物系统内的真菌、细菌、昆虫和螨虫等提供生存必备的条件。有研究表明，粮食在储藏时期活跃着的真菌等微生物，会以类似物理场的方式与环境作用，即真菌生物场与温度、水分物理场的相互作用[7]。

场，在物理学中用于描述和预测各种物理现象。在微生物学领域，场可以用来描述生物系统在时域和在时域中的行为，或者各个系统之间相互作用的范围。具体而言，可以通过场强来量化生物场中生物实体的时空分布，场强被定义为生物实体通过能量交换来影响其他物理和生物实体的能力。粮食储藏是粮堆自身生态系统和外界环境系统共同作用下的动态过程。粮堆中的微生物包括田间菌和储藏菌与稻谷和外界环境持续进行着物理、生化方式的相互作用。因此，可以应用场的概念来研究储粮过程中真菌的生物行为，以及应用场强的概念来量化生物场与温度、湿度物理场之间的相互作用。真菌生物领域的强度被量化为真菌从谷物淀粉到热能的能量转化率。

2.2 粮堆微生物场效应

在储粮过程中，粮堆中的微生物在适宜的条件下将粮食中的有机物质分解为水和二氧化碳，粮堆的温度因此进一步升高，进而使得微生物加速生长，而微生物的大量繁殖又会释放更多的水、二氧化碳，直至粮堆温度升高至不适宜微生物生长的程度，即停止。因此，粮堆生物场场强的物理意义可以理解为将非生物场中的能量转化、转移、消耗的能力。

Dunke 将储藏时期的粮堆描述为一个生态系统，是相互作用的生物群落的组合，而生物群落又与其非生物环境相互作用[8]。生物群落包括稻谷真菌、昆虫、螨虫、鸟类、啮齿动物甚至人类，而非生物环境包括存储结构（筒仓、垃圾箱、袋子等）、温度、湿度和气体。每个生物实体可以在特定状态（时间）从一组给定的输入中产生一组输出（能量、物质和信息）。有研究采用定量模型，根据生物系统的时空变化和演化来表征生物系统。如Eden 模型[9]已用于预测细菌菌落的空间格局。扩散型微分方程用于描述生物系统在空间波动中随着时间的演变过程[10-11]。

在储粮系统中，温度和水分等非生物因素决定了真菌的发芽和发育，而真菌的生长则产生热量和水分，从而改变了储粮系统的温度和水分，进而加速了真菌的生长，并可能导致其他有利于不同温度或湿度的生物实体（如不同的真菌物种或细菌）的出现。由此可见，真菌的生物场具有将粮食中碳水化合物转化为热量，同时影响粮堆中温度场的能力[12]。例如，根瘤菌和豆科菌的共生过程中，根瘤菌的生物场（时间和空间分布）中包含了细菌和植物寄主之间的分子信号转换[13]。

真核生物的温度上限约为60 ℃[14]，因此，真菌产生的热量还可能导致温度升高到足够高的水平，从而导致真菌热死。描述这个复杂的生物相关实体网络，以及它们之间以及与物理环境之间的相互作用极具挑战性。因此，“场”作为物理学中公认的用于研究相互交织的复杂生物系统的概念[15]，已成功地用于解释和预测许多物理现象，也成功的用于描述和预测各领域内的生物系统。

2.3 粮堆微生物场的变化规律

场是时间和空间的函数。有研究通过引入粮堆微生物场概念，对实仓粮情数据进行建模，揭示了粮堆微生物场的变化规律[16]。因此，粮堆微生物场被确定为粮堆中微生物个体和群落的时空分布及其影响周围非生物场的能力。这种能力即被定义为粮堆微生物场场强，场强的量化表达为单位体积、时间内微生物产生的热量（单位为kJ）。粮堆微生物场与其他生物场和非生物场相互影响、相互依存、相互耦合，这种关系可分为“微耦合”“强耦合”“退耦合”。随着储藏时间的延长，根据场效应的强弱，粮堆微生物场的演替历程可分为蛰伏过程、潜伏过程、自激过程和衰退过程。

3 多场耦合理论的技术应用

3.1 多场耦合理论

有学者运用多场耦合理论对粮仓的粮情云图进行分析和预测，得到了粮堆温度场和水分气压场对粮食储藏品质的破坏机理[17]。粮堆微生物场强增强时会对储粮品质造成破坏，因此需要使微生物场进入退耦合状态，即对微生物等生物行为进行抑制和消除。当粮食的食用品质受到破坏时，粮堆生态系统中的微生物场发生自激链式反应，而保证粮食的安全储藏，就是要阻断微生物场的自激链式反应。目前研究表明，阻断反应的手段主要有2 种：①通过外界干预，如使用药物熏蒸、加强通风或谷冷机冷却等方式破坏微生物的生存条件来实现阻断效果。②通过微生物场的自激链式反应发生到一定阶段，如发热使得粮堆温度过高，或者养分被消耗殆尽，或者产生不利于微生物生存的代谢产物积累到一定程度等，终止了微生物的繁殖，使得链式反应终止。由此可见，在粮食储藏过程中对粮情进行实时监测具有十分重要的作用和意义。在粮食整个储藏过程中，需要对粮堆的温度、湿度、水分、害虫密度以及粮仓内外温度、湿度、各种气体浓度等物理量的变化趋势进行精准把控，以确保粮食品质的安全。而对粮情数据的采集需要借助传感技术，粮情数据主要包括采集时间、取样点位置、粮堆温度、粮仓温度及湿度和大气温度及湿度等。针对以上数据进行分析则需要建立分析模型，采用编程手段来分析处理粮情数据，其分析的准确性将直接影响到整个储藏控制的效果。

3.2 多场耦合理论的技术应用——AI 技术

Torday 指出“生物有机体的行为模式就像一个场，由于之间的相互作用，因此场便成为了物理学上描述生物系统动态行为的基础，场强即为生物细胞的生物作用能力。”[18]有学者应用粮堆多场耦合理论建立粮食储藏中发热、霉变、空仓、半仓及异动等管理异常模态的温度场云图特征指纹，开发了储粮监管AI 分析软件[19-20]。AI 技术（Artificial Intelligence，AI），又称为人工智能技术，是目前发展最快的学科之一。AI 技术通过掌握某个系统的运行机制，建立起一套数学模型进行模拟，进一步来对系统进行精准把控和优化管理[21]。

2019 年10 月在吉林省长春市召开的以智慧粮食为主题的国际研讨会议明确界定了粮食产后领域的AI 技术概念，并首次将粮食领域内的AI 技术划分为3 个层次。①数字粮食系统（Digtal Cereal System，DCS）包括粮食产后各个环节中的传感采集、检测采集、管理采集和网络采集等数据的收集、传输过程，以及数据的分类、分析、统计与对比等数据处理和自动报表生成等过程的单一系统或系统组合。②智能粮食系统（Intelligence Cereal System，ICS）在数字粮食系统（DCS）基础上，具有AI 推理功能（机理驱动AI、数据驱动AI 或混合双驱动AI），还可包括专家辅助决策功能（智识库），形成的控制优化或管理优化的单一系统或系统组合。③智慧粮食系统（Smart Cereal System，SCS）包括多个不同粮食流通环节的智能粮食系统（ICS）和粮食流通大数据挖掘系统，共同构成具有区域特性或产业链特性的粮食监测、追溯、监管、控制、管理及服务等整体功能优化的组合AI 系统。

4 结语

在储粮领域内利用多场耦合理论可以对储粮过程中的粮堆温度场和湿度场云图进行分析，对不同季节粮堆可能发生结露或出现微生物场耦合区域进行推算；同时，可以建立监管储备粮库温度场云图的指纹扫描系统，对粮食储藏过程中发热、霉变、空仓和半仓等管理异常模态的温度场云图特征进行实时监控。因此，依托多场耦合理论所建立起来的新型AI 储粮技术可广泛的应用于粮食储藏的各个环节。