区块链技术突破智慧农业发展瓶颈的应用方向研究

2021-11-12武止戈

湖北农业科学 2021年20期

刘浩，武止戈

（中南林业科技大学，a.经济学院；b.班戈学院，长沙 410004）

中国是传统农业国家，也是农业大国，不过由于中国农业耕地分布较散、管理不集中以及小农产业使得技术普遍运用落后等原因，与欧美农业强国相比还有一定差距，生产经营方式比较传统、粗放。农业信息化程度还处在起步阶段，需要引入更多的农业生产经营先进技术，提升农业现代化水平。从加工运输体系方面来看，加工标准不一，运输效率还有不少提升空间。从食品安全角度看，缺乏完备的食品安全监督管理体系，由此导致的信任问题反而限制了中国农业产业的发展［1］。

随着国内经济和技术的发展，带动了农业的快速发展。智慧农业能够充分运用现代信息技术成果，结合区块链、物联网和大数据等技术于一体，从而提高农业生产效率、降低生产成本。《中国智慧农业行业市场深度调研及2017—2021年投资商机研究报告》中显示，仅以应用（硬件和网络平台以及服务）为基础的智慧农业市场可能在2022年达到接近200 亿美元的规模［2］。说明中国智慧农业处于快速发展阶段，市场空间巨大。

1 中国智慧农业的特点及存在的瓶颈

1.1 中国智慧农业的特点

与现代农业阶段相比，智慧农业的突出特点就是更多地结合物联网和移动互联网，采集数据多样化而且频率较高，数据集传感、存储、分析和联动于一体，可实现无线远程监控，加工运输更加标准化、效率化。

1.1.1 物联网（IOT）在智慧农业中的运用物联网是在互联网和移动互联网基础上延伸和扩展的网络链，通过运用大量的硬件传感器采集系统，将各种信息传感设备与互联网结合起来以便于监控各种机器的外部和内部环境等相关变化，能及时采集相关数据并进行分析，实现在任何时间、任何地点的人、机、物的互联互通［3］。

物联网技术大量运用于智慧农业，能使智慧农业真正做到智能化。在农作物的生产环节，通过各种传感器对农作物和环境的信息感知和识别，能减少不必要的施肥量和施药量，降低成本的同时还能使农作物更加“绿色”化。在加工运输环节，通过物联网的监控，能使加工更加自动化、智能化，并且数据实时联网，有利于监管部门制定统一加工标准，能有效遏制加工质量低下而出现的食品安全问题。农产品大都有一定的保鲜期，在物流运输系统中注入物联网技术能减少不必要的运输路途，降低成本的同时提升了运输效率，使运输更加精准且高效。

1.1.2 大数据（Big data）在智慧农业中的运用通过将物联网的智能监控传感器收集到海量数据进行加工处理和分析，不仅能及时确认目前农作物生长环境的变化情况以及农作物自身的生长状态，还能有效预测未来一段时间的生长状态，为生产过程中需采取的必要措施，如温控、湿控、光控以及肥控等操作进行提前且必要的提醒。通过精确实施标准操作，能减少大量的资源和劳力的损耗，同时能促进各类资源如土地、空间的可持续利用。

1.1.3 5S 技术在智慧农业中的运用 5S 技术是信息采集、处理、运用于一体的信息处理系统。能有效解决智慧农业在生产环节遇到的实际问题，如通过地理信息系统、全球定位系统和数字摄影测量系统能实现对农业生产地气候区划以及综合要素空间的查询和管理，对气候资源进行动态监测，提取农业背景信息及区划等。最终目的是能对农作物的生长进行动态监测以及对农业种植面积的精准定位与区域信息收集，使得生长情况数据化、数据资料可视化、管理标准化以及生产效率化［4］。

1.2 中国智慧农业发展存在的瓶颈

1.2.1 可耕土地不集中、人均耕地少、耕地保护困难虽然中国耕地总面积与其他国家相比，并不处于劣势，但是人均耕地面积较少，而且中国耕地主要分散在小规模的农户手里，这些土地很难连片规模化种植，使得耕地不集中，很难采取规模化管理。所以，在中国农业经济中，小农经济尤其突出，农业生产分散化较严重，耕地利用效率不高。因此，一方面要保证耕地红线不被破，另一方面还要想办法使耕地利用规模化、集约化。

1.2.2 信息不对称问题逆向选择和道德风险是信息不对称问题带来的两个主要后果，信息不对称问题阻碍智慧农业发展的一个典型例子就是农户融资难、买保贵的问题。比如，在融资前，相比于银行，农户对自己能否按时还款的情况更加了解，因此农户和银行之间就产生了信息不对称问题，银行无法有效区分哪些申请贷款的人能及时履约，哪些人违约可能性大，核实成本高，因此最终结果可能是放弃贷款给所有人。同样对于保险公司情况也是如此，保险公司无法有效区分哪些申请购买保险的农户承担的风险低，因此就无法区分定价，干脆就统一定价，结果就是所有农户购买农保的价格更贵。

1.2.3 数据安全及数据的真实可靠性问题结合大数据和物联网的智慧农业对于数据的安全性要求很高。主要有两个方面：第一是数据的私密性问题。这涉及到智慧农业行业内的竞争问题，有市场就有竞争，据预测中国智慧农业市场在2022年可能达到百亿美元级别的规模［2］，这么大的市场吸引了众多公司进入市场分享智慧农业带来的利润。如阿里巴巴布局农村战略，线上在天猫和淘宝上主推农产品销售，与地方政府合作共同打造农产品从生产开端到销售末端全产业链条，同时线下开启盒马生鲜进行生鲜零售，百度云与中化现代农业有限公司也合力构建智能化农业生产过程管理平台［4］。行业内竞争必然提升了数据私密性的重要性。如何保证数据私密性是智慧农业领域亟待解决的问题之一。第二是数据的真实性问题。农户给收购商的数据，比如农产品生长环境、是否为非转基因、是否是绿色食品等数据资料是否真实可靠，在发布之前有没有篡改。这就涉及到双方的互信以及各自的诚信问题，然而光靠诚信是无法解决这一问题，因此，急需找到解决这一问题的方法路径。

1.2.4 知识产权保护和归属问题有效保护知识产权可以驱动行业发展。智慧农业与其他行业最大的不同是这一行业有着集盈利和公益这一双重属性特点，即在这个开放市场中，农户和企业进入这一市场的首要驱动力是有盈利的空间和可能性，另一方面又因为农业有着关乎每个人的生存境况、社会的和谐稳定以及国家的安全繁荣属性。因此，政府不能因为企业间的公平竞争而完全开放市场，并将保护知识产权的年限与其他行业一样，将专利权按20年严格执行，但又不能不顾及参与者的盈利和长期发展而完全不保护知识产权，使这一行业完全公益化，因为这将不利于公平和发展。这一情况可以运用“智猪博弈”解释，一方（拥有知识产权）付出了相应的代价（金钱和时间等成本），而另一方（没有知识产权）与其共享了所得到的收益（知识成果）。“智猪博弈”就是一种多劳不多得的情形［5］。这将打击参与者的积极性，不利于智慧农业的长期发展，因此为了行业长期发展和激励参与者更积极地参与其中，智慧农业中知识产权的归属问题有必要提上解决日程。

随着中国农业从传统农业发展到智慧农业阶段，如何成功地应付这些问题，即是智慧农业发展面临的挑战，也是智慧农业能否持续快速健康发展的关键。也正是因为智慧农业有了这些问题，使得区块链（Blockchain）在这一行业的应用方面有了发展空间和用武之地。由于区块链有着去中心化、可溯源、数据安全保护等基本特性，从这些方面来说，区块链可为智慧农业解决遇到的问题。

2 区块链技术概述

2.1 区块链的定义和特点

区块链涉及到数学、密码学和计算机编程等多项技术问题，简单来说是一个分布式的共享账本和数据库，具有去中心化、不可篡改、全程留痕可溯源、数据安全加密、公开透明等特点［6］。正是由于区块链在这些技术上的特性和优势，使得区块链在实际应用上能够解决数据安全、溯源、信息不对称、分享和信息保留等问题。

依据Melanie Swan 在《Blockchain：Blueprint for a New Economy》［7］的说法：区块链1.0 时代称为可编程货币，在这个时代区块链的惟一实质性运用就是发行虚拟数字货币和构建去中心化的数字支付系统，比如比特币。其运用的场景还很狭隘。区块链2.0被称为可编程金融。与区块链1.0 相比，区块链2.0实现了运用场景的扩展，主要是在经济、市场和金融等领域的运用，其核心的技术运用特征是智能合约的运用。区块链3.0 被称为可编程社会，其应用能够扩展到任何有需求的领域［6］。区块链目前正从区块链2.0 时代过渡到区块链3.0 时代。应用的领域越来越广，其中就包括运用区块链的可溯源、去中心化、公开透明等特点解决智慧农业发展中遇到的一些瓶颈。

2.2 区块链的核心技术

2.2.1 区块链与传统数据库的区别区块链的数据存储与传统数据库数据存储最大的区别是能否去中心化，去中心化相当于为每个人建立分布式账本数据库，这意味着存储形式不单是将账本数据存储在不同地方的每个节点，而且每个节点会同步共享并且复制整个账本的数据。每个节点都可以参与监督数据的真实性和合法性。图1 对比了中心化存储、半去中心化存储与去中心化存储的结构。

图1 中心化存储、半去中心化存储与去中心化存储结构对比

为了建立信任机制，在区块链中每个人都可以负责记账，而且每个记账节点都按照区块链式结构存储完整的记账数据，每个节点存储的数据都是相互独立。此外，分布式账本不会因为某一节点被破坏而使整个数据资料丢失，从而保证了数据资料的安全，使交易更加安全有保障。

2.2.2 非对称加密（Asymmetric encryption）区块链运用非对称加密技术确保了数据传输的安全性。非对称加密需要公钥和私钥，每一方都同时拥有一个公开的公钥和一个保密的私钥，且公钥和私钥相互配对，如果用公钥对数据进行了加密，也只能用对应的私钥才能将该数据解密［8］。非对称加密的特点就是安全性强，同时由于每一方拥有的私钥并不需要公开，所以保密性好。图2 是非对称加密分享数据的过程。在整个数据传输的过程中，由于私钥并没有公开，所以别的节点即使接收了数据，也只是解不了码的密文。

图2 非对称加密的简单流程

2.2.3 智能合约（Smart contract）智能合约是一种完全去掉第三方而以自动化的方式传播、验证和执行合同的智能协议。相比于传统合约最大的优势是无需担心被违约而遭受损失，而且能减少与合约相关的其他交易成本（表1）。比如：传统三方合约因为第三方信任机制，需要买家在淘宝下单后将货款打给支付宝第三方，待买家确认收货无误后支付宝再将货款发给卖家。相比于传统的双方合约加入了第三方信任机制，优点是能使合约被安全履行的概率加大，风险减少。缺点是成本加大，而且并不能百分百保证合约被安全履行，比如可能出现第三方诚信问题或第三方破产而无力履约的风险。相比之下的智能合约优势则更加明显，智能合约与传统的双方合约一样没有第三方信任机制，这样能减少交易成本，因为在智能合约中合约的履行是自动化的，只要达到履约要求合约即自动完成指令，且指令不可逆转，这样就直接消除了违约风险，而且去三方和去信任化使得合约成本较低［9］。

表1 传统双方、三方合约与智能合约优劣比较

2.2.4 共识机制（Consensus mechanism）共识机制解决了区块链如何在分布式场景下达成一致性的问题［10］。最早的共识机制是比特币中的工作量证明机制（PoW）。随着区块链技术的发展，越来越多的共识机制被开发出来，如权益证明机制（PoS）、活跃度证明机制（PoA）等。区块链技术正是因为运用了共识机制在各节点之间建立“信任”网络，从而通过技术而非信用机构来进行全新的信息交流和信用创造［11］。

区块链所运用的底层技术除了以上4 种核心技术外，还有其他技术，如p2p 网络协议、加密签名算法、时间戳等，凭借这些技术的运用使区块链在解决智慧农业中的问题产生更好的效果。

3 基于区块链技术解决智慧农业发展的瓶颈

近年来，国内食品安全领域爆出了一些负面新闻，打击了人们对国内食品行业的信任度，严重制约了国内农业产业的发展，另一方面农户将农产品以极低的价格批发给中间商，而消费者却只能以居高不下的价格在市场上购买日需农产品。如前几年的“蒜”你狠、“姜”你军等以及近期的猪肉价格持续上涨事件。那么如何应用区块链技术精准有效解决制约智慧农业发展的问题？

图3 是关于智慧农业产业链流程，产业链一般分为以下几个阶段：①供应环节，在此环节主要是农资供应商和农机企业给农户或合作社供应农资和机械设备。②生产环节，这一环节在整个流程中花费的时间和金钱最多，主要是农户和合作社运用种植技术结合物联网等技术种植农作物，并为作物提供良好的生长环境。③流通环节，仓储商和物流商为农户完成生产的农作物提供仓储和物流服务。④加工环节，若农产品需要加工处理则由加工商进行深加工。⑤流通环节，由加工商加工好的农产品再次进入物流系统和仓储系统，以分发到有需求的市场售卖。⑥消费环节，加工好的和没必要加工的农产品进入市场供消费者消费。⑦金融服务环节，金融服务环节可能同时存在于以上6 个环节中，主要是银行、信托和保险公司为农户、合作社和加工商等主体提供金融服务，以便其能顺利地完成业务流程。每个相邻环节的产业主体之间都可能会发生交易行为。中国智慧农业中的问题就产生于每个环节以及主体间交易和沟通的过程中。下面针对不同环节智慧农业发展中存在的问题来探讨如何运用区块链技术加以解决。

图3 智慧农业产业链流程

3.1 区块链技术解决智慧农业生产环节中的瓶颈

根据区块链的特点和使用的底层技术，运用区块链技术能解决智慧农业生产环节中的瓶颈，主要有以下几点：

1）区块链技术解决耕地、资源和生态监控困难问题。中国耕地面积每年都在递减，如何有效保护耕地面积红线和如何有效保护资源和生态环境成为人们关切的问题。区块链可以依据其数据难篡改和公开透明的特点，使得耕地面积和资源状态真实透明而不被篡改和虚报。如结合5S 技术中的地理信息系统（GIS）和数字摄影测量系统（DPS）等技术，记录不同时间点的土地信息，基于区块链的时间戳和分布式账本，使得土地信息无法被篡改和公开透明，将各地的耕地数据实时放到区块链上可以掌握更加真实的统计数据。

2）区块链技术解决产权保护和归属问题。利用区块链数据共享和不可篡改的特性，依据时间戳和共识机制，只要谁先将产权内容放到区块链上，则产权就归属谁，这样的好处是减少了将研究成果提交给相关部门申请知识产权期间，成果内容被提前泄露而导致产权归属纠纷的情况，因为内容审核需要时间以及需要人工审核，这会增加数据资料被盗和泄露的风险。

3）区块链技术以去信任化的方式建立互信，解决农产品安全生产问题。依据区块链的数据不可篡改特性，只要农产品的实时生产数据上传到区块链上后，信息即不可逆转，有效防止人为中途修改资料。

3.2 区块链技术解决流通和加工环节中的瓶颈

1）提升物流效率同时降低成本。物流运输过程中需要进行大量的数据存储和分发，而区块链本身就是一种数据库，只不过和中心化的数据库相比，它是一种去中心化的分布式数据库。去中心化的好处是可以防止数据存储和分发的过程中突然的网络堵塞出现的安全问题和中心化的大量数据吞吐导致的成本增加的问题。

2）优化农产品运输和加工环节信任机制。各种食品安全问题的出现降低了人们对绿色食品和有机食品认证标签产品的信任度。同时，由于运输和加工环节缺乏有效监督，传统的监控信息容易被篡改和丢失。急需用一种新技术提高监督的有效性，重构人们对运输和加工的信任度。由于区块链技术的分布式存储、公开透明和不可篡改的特点，使得监控信息一旦上传到区块链上后便保持真实和长期保存，不会出现事后恶意造假和数据丢失的情况，有效地保障了运输加工后的产品真实信息和质量。

3.3 区块链技术解决消费环节中的瓶颈

基于区块链的可溯源特点解决农产品溯源信任问题。农产品从生产环节再到消费环节，最终上到人们的餐桌上要经历一系列复杂的流程，在每个流程中都可能因为诚信问题而使产品质量难以保证。可以利用区块链的不可篡改特点和时间戳技术的运用，使得追溯产品历史信息成为现实。将农产品从生产到消费的每个环节产生的信息存储上链，使得农副产品信息更加安全透明，并且真实。实现消费者对农副产品的质量进行全方位监控，从而建立起生产者、供应商和消费者之间稳固的信任机制。

基于区块链的信息透明打破主体间的信息不对称。之所以会出现生产者低价出售农产品而消费者高价购买农产品的情况，一部分原因就是在供应链环节中各主体间存在信息不对称。由于地域差异以及网络上无效信息太多，消费者不愿花费过多的时间成本去甄别有效信息，使得消费者与零售商之间存在明显的信息不对称，零售商以低价收购的农副产品转手再以高价卖给消费者。此时，可以运用区块链数据的公开透明和去中心化的特点，打破消费者和零售商之间的信息壁垒，减少零售商一家定价的情况。具体实现路径就是即使真实和虚假信息都存在于区块链上，但由于区块链的去中心化以及每个节点的权利都是平等的，使得即使有人在区块链上故意发布假信息，但不被大多数人认可的话，即会被判定为假信息，这样可以避免消费者付出太多时间成本去寻找真实信息，以缓解和零售商之间的信息不对称问题。

3.4 区块链技术解决金融服务环节中的瓶颈

智慧农业中的金融服务环节主要是因为农户与银行、信托和保险公司之间存在信息不对称而导致他们之间产生逆向选择和道德风险问题，最终结果是农户融资难、投保贵。

3.4.1 区块链解决农户农贷难的问题目前，农户融资难主要是因为银行对农户的信用资质不了解，而且核实成本过高，抵押信用机制缺乏。基于区块链的农村金融服务可以突破这一限制，因为其建立在去中心化和不可篡改的开放式信用机制之上，不再需要银行花费昂贵的核实成本，便可知道农户是否符合信贷资质。具体实现路径就是农户将自己的信用资质以及家庭情况等信息上传到区块链，若得到多数了解这个农户情况的节点的认同，银行即可将此信用资质视为真实信息。别的节点之所以会去核实农户信息的真实性是因为有区块链中的激励机制和共识机制。图4 显示了基于智能合约的农业金融服务合同达成流程。

图4 基于智能合约的农村金融服务合同达成流程

3.4.2 区块链解决农保难的问题目前，一方面因为农户分散以及核保困难，核保成本过高使得农户们投保难、投保贵，另一方面由于保险公司难以确定农户买的保险是否达到理赔要求而使农户的理赔程序复杂，难以得到理赔。结果就是中国农业保险发展缓慢，没有为中国农业的发展作出应有的贡献。针对这一问题，可将区块链技术应用到农业保险领域，保险公司可以将保险信息添加到公开化的区块链中，农户也可将投保理赔信息上传区块链，一方面保险公司可以实现保险的精准营销、简化农险业务流程，降低运营成本。另一方面可预防农险骗保行为的发生。同时，运用区块链的智能合约技术，建立农户和保险公司之间的农险智能化赔付机制，一旦智能合约监测到投保的农户因自然灾害等原因达到了理赔要求，无需保险公司启动成本过高的核实机制，智能合约就会自动启动赔付业务流程，使得赔付时间更短，效率更高［3］。农户得到了应得的理赔金额，保险公司也因此降低了成本。图5 是基于智能合约的农险赔付流程。合约的执行依据条件是否达到执行阀门，而选择是否自动执行合约。

图5 基于智能合约的农险赔付流程

3.5 区块链技术结合智慧农业助力精准扶贫

由于中国的目标是在2020年后实现如期脱贫，因此，近年来精准扶贫攻坚工作在全国贫困地区迅速展开，但实践期间也遇到一些问题，如：如何解决扶贫成本高、如何精确识别贫困户、如何对扶贫资金实施有效监管、如何严格执行精准扶贫考核机制、如何解决疑似贫困户与扶贫工作者之间因信息不对称而导致的逆向选择等问题［12］。区块链以其去中心化、防篡改和可追溯的特点既可以帮助精准扶贫的识别阶段使扶贫更精准，也可以在精准扶贫后利用可追溯的特点实施动态监督管理，对扶贫的精准度、扶贫资金的利用情况等内容进行监督，确定扶贫成果是否真实有效；也可利用区块链结合智慧农业，科学有效地解决贫困农民户长期发展问题，如2017年众安信息技术服务有限公司与靖江市华源禽业专业合作社等联合成立的基于区块链的科技扶贫养殖基地，在靖江市落地推广“步步鸡”养殖项目［13］。该项目通过运用区块链与智慧农业相结合的方法，使每只鸡都能进行身份识别，实现防伪溯源，解决了消费者和销售商之间的信任问题，不仅实现了市场化经营，也助力了精准扶贫。

4 区块链技术在智慧农业应用中需应对的挑战及建议

尽管已经进入区块链2.0 时代，正从区块链2.0时代向区块链3.0 时代演进，但社会各系统对区块链的应用仍处于初期阶段。任何新技术的运用都要经过市场和时间考验。目前，区块链在智慧农业中的应用需应对的挑战总结如下：

1）思想层面。区块链技术刚进入智慧农业，一方面人们害怕对区块链的运用会侵害自己的利益而对此技术持冷漠态度，甚至阻碍区块链技术在行业内的运用。另一方面害怕自己对区块链开发落后于别人，而急切投入大量人力和财力在区块链中，反而可能阻碍区块链在智慧农业中的长期发展，因此这些思想态度都是不可取的。首先，一方面需明确区块链技术进入智慧农业领域，为其带来了改革，另一方面需明确区块链技术不是万能的，其不可能解决智慧农业发展中遇到的所有问题。因此，需冷静客观地对待区块链，同时夯实自身技术实力，加强对区块链的基础技术研究，探索区块链在智慧农业应用中的可行之路。

2）人才层面。因为区块链技术涉及密码学、互联网编程、人工智能等前沿领域。同时，应用于智慧农业中还要结合物联网、大数据等技术，技术复杂、门科繁多。一般的业内人员短期内很难掌握，需要一个循序渐进的学习过程。现阶段中国真正懂区块链的人才并不多，这减缓了区块链应用于智慧农业中的进度。所以，中国应该加强对区块链领域人才的培养，设立基金助力区块链技术的研究。

3）应用场景层面。由于区块链是一种去中心点对点传输的数据库系统，必须达到一定的用户参与规模才能真正实现数据存储去中心和不可篡改的特性，如果用户规模太小则应用毫无意义。提高人们参与区块链应用于智慧农业的积极性的方法之一就是扩展区块链在智慧农业中的应用场景，现阶段开发出的区块链在智慧农业中的应用场景并不多，主要是食品溯源和数据的不可篡改记录。未来需要人们充分开发应用场景，如区块链的智能合约在农村金融方面的应用场景、在解决信息不对称方面的应用场景等，使区块链更好地服务智慧农业。