区块链的发展历程及在农业领域的应用展望

汪汇涓 徐倩 周爱莲 梁晓贺 谢能付 李小雨 吴赛赛

（中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081）

1 引言

区块链技术于2008 年问世，发展时间不长，发展速度却飞快，在当前科技驱动发展的时代引起了世界范围内广泛的关注与讨论，全球主要国家都在加快布局区块链技术发展[1]。2019 年10 月25 日，习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调，我们要把区块链作为核心技术自主创新重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展[1]。在当前的大背景下，我们有必要系统回顾、深入探讨和研究区块链技术，让其得到更好的发展与应用，更好地为我国的国家战略服务。

随着区块链这一前沿技术的快速发展，世界范围内迅速涌现出大量关于区块链研究的文献。当前关于区块链的研究文献大多聚焦于区块链技术在某个具体领域的现实应用，如数字金融、供应链管理、智能合约、智能医疗等[2]，尤其是在金融领域的发展与应用，以系统回顾其发展历程与阶段特征为研究主题的文献则要少得多。而“区块链+农业”及区块链概念在我国均处于起步阶段，技术自身存在短板，与农业场景的结合不多，真正能够落地的应用很少[3]。因此本文的研究以区块链技术的发展历程及区块链技术在农业领域的应用分析与展望为主题，以统筹视角总结区块链技术各阶段的主要特点与重要影响，研究区块链与农业应用之间的整体嵌合。

2 区块链的定义、特征及类别

20世纪80年代，数字货币开始出现并逐步发展。2008 年，《比特币：点对点的电子现金系统》一文发表[4]，比特币概念由此出现，区块链也从此走进了公众的视野[5]。对于区块链技术的具体定义，目前行业内还没有形成统一意见或是公认说法，这里面既有技术本身过于复杂的原因，也有其外延应用过快的原因[6]。一般来说，区块链就是一个去中心化的、高度开放透明的分布式数据库系统，具有去中心化、高度开放、匿名性、机器自治、信息不可篡改且可追溯等特点[7]。概括来说，这些特征形成的原因在于：在区块链网络中，数据的存储、传输等工作是在分布式网络结构下完成的[8]，这是其形成开放性和去中心化特征的重要原因（见图1）；系统内部各个节点交换数据的工作是遵循固定算法完成的，是不需要实名制的，因而是去信任的、高度自治的；再加上区块链是由许许多多的区块按顺序依次连接成的，后一个区块包含前一个区块的索引数据[9]，若某一节点更改了某个区块的哈希值，那这一节点还必须在短时间内迅速修改被改区块后面连接的全部区块，而这是很难做到的，从而保证系统可对数据展开追溯以及保证数据不被篡改。

区块链技术起源于比特币，是对原有的信息技术进行整合应用产生的结果[10]。由于区块链自身存在不同的构建机制[11]，区块链又被分为公链、联盟链和私链，主要区别在于访问和管理权限不同（见表1）。公链是完全去中心化的结构，所有节点都能自由进出网络[12]，并参与链上数据的读写、验证和共识过程，所以应用的最为普遍。联盟链是部分去中心化，预选节点授权后各个节点才能进出网络，共识过程受预选节点控制。私链则是完全中心化的结构，中心组织管控读写权限，常见的应用场景是在企业等组织机构的内部。

表1 三种区块链的区别Table 1 The difference of three kinds of blockchains

3 区块链技术的发展历程

3.1 区块链技术历史回顾

区块链技术起源于数据库、P2P 网络技术、非对称加密算法、数字货币等技术，是对原有的信息技术区块链技术在经历了技术起源阶段后，正式步入了旨在实现功能的发展时期[13]，这一时期又被分为三个阶段，也就是梅兰妮·斯万（Melanie Swan）所划分的区块链1.0、2.0、3.0 阶段[14]（见图2）。随着阶段进行创新性组合而来的，又被称为分布式账本，是一种分布式记账技术。区块链是由节点参与的分布式数据库系统，由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层6 个部分组成[8]（图2），基于少数服从多数的原则，采用算法（共识模型）提供一个可信任的环境，确保节点的交换数据过程和交换历史记录不被篡改。的递升，区块链技术的应用范围越来越广，这是划分三阶段的主要依据，也是三个层面的主要差别所在。

图2 区块链基础架构模型Fig.2 Blockchain infrastructure model

综合国内外学者的观点来看：2008 年比特币的概念问世，区块链进入1.0阶段，这一时期数字货币正式上线，可以进行简单的电子货币支付；在区块链的2.0阶段，以太坊[15]上线，智能合约是这一时期的一个核心关键技术[16]和重要特征，数字货币火热发展，区块链技术在金融范畴的应用从未间断，很多应用逐渐进入了落地阶段[17]，在泛金融领域的应用探索也逐步展开了；在区块链3.0阶段，区块链技术由最初的虚拟货币市场转向了更为广阔的产业应用当中，商业应用的规模也得到了很大扩展，对社会治理领域中的诸多行业产生了深远影响，可编程社会是这一时期的主要特征（见表2）。

表2 区块链技术发展的四个阶段Table 2 Four stages of blockchain technology development

3.2 区块链1.0

1.0时期是前期积累阶段[18]，这一时期对区块链的应用、研究刚刚起步，主要研究与数字化支付相关的数字货币应用，应用场景单一[19]，主要应用于支付、流通等货币职能。这一层次的应用首先影响了金融市场，金融业兴起了对新型商业模式的探索热潮。另一个影响是建立了新型货币体系。

3.2.1 探索新的商业模式

这一期间，很多国际金融机构注意到区块链技术在金融行业的应用有降低交易成本、提高交易速度等潜能优势，因而纷纷进驻区块链领域并展开了探索。大型国际银行在区块链领域开展探索的方式主要分三种[20]：一是设立内部的区块链技术研发部门，比如：纽约梅隆银行等国际大银行先后成立了区块链技术研发实验室，测试区块链的应用，研究区块链技术在支付、结算等范畴的应用与创新；二是投资区块链初创公司，例如高盛与一些投资公司联手，共同投资Circle 公司，注资总额达5000 万美元，主要目标是开展对区块链的探索和研究区块链的技术储备；三是与区块链初创公司合作，例如澳大利亚联邦银行与Ripple合作开展业务，共同创建了一个区块链系统，该系统的主要功能是可实现其子公司之间的转账支付。

图3 区块链技术发展的四个阶段Fig.3 Four stages of blockchain technology development

除了各大银行，各大证券交易所也注意到了区块链在金融市场的应用潜力。纳斯达克交易所提出了验证区块链技术的构思，并宣布与Chain 公司合作，领先推出了以区块链为底层技术基础的证券交易平台——Linq[21]。此后，许多知名证券机构纷纷跟进，研究区块链在证券交易中的应用场景、应用模式，摸索利用这一技术创新传统的结算方式等。此外，数十家顶级银行和许多非银行机构相继加入了R3区块链联盟[22]，组织成员遍布全球，中心工作是制定技术标准以及验证技术概念。

3.2.2 构建新型货币体系

对比过去的货币体系，以区块链为技术基础的数字货币体系有显著的优越性，主要表现在以下几点：

（1）保障数据的公开透明

区块链采用的是分布式的核算方式和分布式的存储模式[23]，没有中心组织参与整个业务流程的操作，高度保障了数据的公开透明，信息的安全性、真实性较之以往有了很大的提升。

（2）维护系统的稳健性和业务的连续性

去中心化的存储模式下，各个节点之间直接进行数据交互，某个节点被破坏对整个区块链并无太大影响，因而系统运转不受影响，不会失常，有利于系统的稳健，也有利于业务的连续。

（3）实现跨区域互信

区块链系统采用协商一致的规范和协议，并保证系统内部的节点能够按照统一的规范和协议完成数据交换，在去信任的环境中自由安全地交换数据[24]。在这样的环境下，“人”对机器产生信任，去除了人为因素的干扰，高度自治，数据交互工作是不要求实名制的，不同环节之间不存在信息不信任问题，用数学方法低成本的解决了信任危机。

（4）降低运行成本以及方便系统的维护整合

与中心化的系统相比，在区块链去中心化的结构下，各个主体都能参与信息的记录、共享，也都必须履行共同维护数据可靠性的义务，不需要中介机构或专门的机构来处理这些事宜，维持系统运营所需要的成本就得到了大幅度的降低[25]，同时也极大的方便了系统的维护整合工作。

3.3 区块链2.0

3.3.1 区块链2.0的介绍

区块链2.0 以智能合约为主要标志，本质是可编程金融，是在这项技术可编程的前提下将智能合约引入系统而形成的，由数据层、网络层、共识层、激励层、智能合约层5 个部分自下而上依次组成[26]，主要研究这项技术在经济、市场和金融范畴的应用。需要说明的是，在2.0阶段区块链的应用还未扩展到整个社会，因此区块链2.0是五层结构，没有应用层。而前文3.1处介绍的区块链基础架构模型是基于区块链的发展全程做出的总结，所以是六层结构，多一个应用层。除此之外，这一技术在泛金融范畴能得到应用的场景也越来越多，从单纯的支付环节向后端的资产和信用领域拓展[27]，应用范围不断扩大。

区块链2.0 时代，以太坊上线。以太坊是区块链2.0的典型代表，本质是数字代币平台[28]，具有很高的通用性，还是一个广受欢迎的区块链开发平台，有利于编辑比较完整的智能合约，还有建立交易信用证明等功能[29]。因此，在这个开发平台上，区块链技术的研发人员可以更便利地做个人想要做的应用开发。

3.3.2 区块链2.0的主要优势

与区块链1.0相比，区块链2.0阶段是扩张和发展期，技术应用得到了极大的突破和发展，优越性主要在于：

（1）功能范围和应用范围扩展

2.0与1.0相比，最实质的差异在于增添了对智能合约的运用。智能合约增加了区块链的应用功能[26]，扩展了区块链的功能范围，使其能够在多个行业中得到应用，区块链可被运用的范畴也就得到了扩张。

（2）交易速度提高

区块链2.0的共识层包含POW、POS、DPOS 等共识算法，通过采用这些新的共识算法，区块链2.0的交易速度有了很大的提高，峰值速度已经超过了3000TPS (每秒处理交易数量），远远高于比特币的5TPS,交易速度的提高使其能满足在绝大多数金融场景中应用的需求[30]。

（3）保护隐私安全

区块链技术在迅速发展、日趋成熟的同时，技术本身的缺陷、与实际应用场景的不协调等各种问题也相继暴露出来。其中，数据安全和隐私保护就是实际应用中遇到的两大挑战，而密码学是根治这一问题的关键技术[31]。在2.0 时代，一些先进的密码学技术得到应用，如零知识证明[26]等，交易数据的安全得到了更好的保障，用户的隐私也得到了更好的保护。

3.4 区块链3.0

3.4.1 作用与影响

3.0时期是应用落地阶段。虽然前期区块链的应用数量在短期内激增，但真正能运用到实际、切实解决问题的却寥寥无几。这一阶段的主要任务是克服技术难关，解决实际问题，实现共识算法更佳、治理机制更优越、安全稳定性更好等，以及推动以太坊应用规模的扩展，告别过去小规模的商业应用模式，向大规模商业应用的方向发展。随着区块链技术的发展、成熟，区块链技术可以被运用到任何有相应需求的领域，进而扩展到整个社会，推动全社会走向“区块链+”的时代，实现可编程社会的最终目标。

3.4.2 应用优势

这一时期，区块链技术的应用逐渐渗透到了政府公共服务领域[32]，如物流、教育、审计、医疗等，远远超出了金融业的范围，在社会治理领域中的多个行业得到重视和应用。本文以农业领域为例，简要介绍区块链技术在该领域的应用研究，总结其经验成果。

在农业领域，区块链技术被证明在农业保险、农业融资、农产品流通、农业溯源等诸多领域中可发挥积极作用。在农业保险领域，众安保险于2016 年将区块链技术运用到农业保险中[3]，探索“区块链+保险”的新发展模式，实践结果表明区块链的引进使得生产中的各项信息都可以被精确记载，用户和保险公司都可以获取系统中的所有数据，农民可以更容易的获批农业保险等农村金融服务[33]。在农业融资方面，中国农业银行于2017 年以区块链平台为基础，上线了基于区块链的涉农互联网电商融资系统[34]，区块链技术平台及其推出的产品的运用促进了数据共享、简化了业务流程、提升了农行的三农业务效率和金融服务水平[35]。在农产品流通领域，刘如意等学者（2020 年）指出，区块链的技术特征与农产品流通需求之间存在多重耦合，有助于解决农产品流通中存在的交易安全、产品溯源等长期未能得到有效解决的痛点问题，具体应用项目包括：跨境农产品交易联盟链能够提高交易的公平性和透明度；跨境农产品物流联盟链能够实现物流过程的全过程可控与费用的自动结算；农产品溯源联盟链能够实现从农田到餐桌的全程可溯源和全链的共查共享；高效传递价值的农业融资区块链可有效满足农业融资需求，降低融资成本[12]。在农业溯源领域，较著名的案例有：赵维（2019 年）研究了以区块链技术为基础建立的农业食品安全追溯体系，明确借助区块链的分布式存储方式和共同识别机制可实现对农产品安全信息的随时追溯，从而彻底解决食品安全问题，还总结了“区块链+农业”的食品安全追溯体系的主要优势，包括有效地降低了数据存储成本和食品安全监管成本、提高了存储系统的运行效率和企业参与食品安全管理的积极性以及有助于扩宽融资路径等[36]；Kaijun Leng 等[37]针对当前国内公共服务平台存在的一些关键问题，提出了一种基于双链结构的农业供应链公共区块链体系，即基于“用户信息链”和“交易链”的区块链体系，并深入研究了这种双链结构及其存储模式。实践结果表明，基于双链结构的农产品供应链能保证交易信息的开放性、安全性，同时还能有效保障隐私安全，高效完成资源匹配等工作，因此也提升了公众对公共服务平台的信任度，证明区块链技术在公共事业领域有巨大的应用潜力，或可将其应用到更多大规模的领域中；Chao Xie等[38]也提出了区块链双链结构——区块链加链式数据结构。在双链存储的结构下，利用链式数据结构存储区块链交易哈希值，有效地保障了农产品的信息安全，避免其被恶意篡改或破坏。

4 区块链技术在农业领域的新机遇

区块链技术是对多种信息技术进行创新性组合的结果，具有去中心化、区块数据多重备份[39]等特点，是构建可信社会的一种有效解决方案[40]。随着区块链技术研发活动的深入开展，区块链技术日趋成熟，不仅能在数字货币及金融领域发挥作用，在数据保护、电子政务、智能医疗、人工智能等领域的应用也越来越多，未来将会被应用到更多的领域，提供更加安全、可靠、智能的服务[40]。

基于去中心化、开放性、自治性等特征优势，区块链的应用范围越来越广，并形成了“区块链+”的发展趋势[41]。“区块链+农业”也是农业领域未来的发展方向之一，区块链在农业范畴内有很大的发展空间和很好的发展前景，应用潜力有待充分挖掘，例如：农业供应链金融研究在我国还属于新课题，但关注度越来越高，研究成果在快速增加；“区块链+农业保险”的模式在减少信息不对称、提升消费者信任度等方面效果显著[42]；David 研究发现将区块链技术引入废弃物转化能源生态系统中，用数字优惠券或加密货币来激励农民和企业合作，交易废物、能源和副产品，可以最大限度的利用农业废弃物[43]；章刘成、陈美志两位学者研究发现以区块链技术的分布式记账、去中心化和非对称加密等特点作为技术核心，在此基础上搭建农村金融智慧平台，明确各参与方的利益联结机制，以信息数字化为辅助，建立起公平、透明的信用体系，为解决农户和中小企业的融资困难问题提供了新的解决方案[44]等等。

结合前文分析，对可与区块链技术结合的未来农业应用场景总结如下：

（1）“农业保险+区块链”。解决农业保险信息不对称、道德风险高、经营成本高等问题，突破农业保险的发展瓶颈。

（2）“农村金融+区块链”。旨在能更好地解决农村金融服务中征信和交易、成本和安全性等问题，引导涉农金融机构实现服务产品的突破性创新、服务模式的转型。

（3）“农业供应链+区块链”。双链结合的模式以提高系统内信息共享的速度和准确度，减少时间延误和人工失误，提高跨部门、跨系统的协调运作效率，推动传统农业向现代农业、智慧农业转型等。

（4）“农产品质量安全追溯+区块链”。有效弥补传统溯源在数据的存储、保护等方面的不足，实现全程追溯管理，提高监管效率，增强居民农产品消费信心。

（5）“农业资源和生态环境+区块链”。链上信息的高度开放、共享有助于加强对农业资源的监管,提高农业生产资源的回收利用率，减少对农业生态环境的破坏。

然而，“日月出矣，而爝火不息”（《庄子·逍遥游》），“萤光爝火，何裨日月之明；弱质孤根，但荷乾坤之德”（唐·杜牧《又谢赐告身鞍马状》）。萤光爝火一样的辉光，也许无裨于日月那样的光芒，但再微弱、再孤独，一样承载着天地乾坤的博大德性。

5 现有不足与未来展望

以上是以区块链为切入点，系统回顾了区块链的发展历程，对不同阶段的主要特征和发展状况进行了归纳总结，对农业领域的代表性应用案例展开了剖析，并在此基础上，挖掘区块链在农业领域的未来应用潜力。

随着区块链3.0 阶段的到来，区块链的应用范围空前扩大，在农业领域应用的场景也会越来越多，并创造更大的价值。“区块链+农业”是我国现代农业发展的重要趋势之一，但区块链技术在我国农业领域的应用还处于摸索阶段，它的充分开发和全面应用还面临着很多挑战。

5.1 农业领域区块链发展的潜在问题与挑战

（1）隐私泄露的风险变大，信息安全受到威胁

区块链系统能够实现数据的高度开放，数据交互、共享日趋紧密的同时隐私泄露、数据被不当利用等新的风险也随之而来。现代农业具有生产分散、产业链条复杂、涉及多方参与等特点，信息泄露可能造成的危害和损失也就更大。

（2）技术发展不够成熟，落地应用难

首先，区块链技术是一项新兴信息技术，存在容量不足、处理速度慢等技术瓶颈，而现代农业发展需要吞吐量高、运转速度快的系统做支撑。其次，金融业是区块链应用的热门研究领域，各种研究、应用层出不穷，而基于农业场景的区块链研究则要少得多，这就出现常见的一些应用场景与现代农业发展完全无关，不符合现代农业发展的特点，也就不能满足现代农业发展需求的问题[45]。技术不够成熟及农业领域存在应用少、落地艰难的问题，因此想要实现行业范围的落地还有很长的路要走。

（3）专项复合人才匮乏

（4）基础设施普及度低，农业信息化水平低

受制于自然条件、人口分布、经济发展水平等因素的影响，我国仍是“大国小农”“人多地少”的农情，广大农村地区网络建设难度大、成本高，在数字化、信息化建设方面较为落后，城乡之间的数字鸿沟问题依然突出[46]，农村经营主体年龄偏大、知识素养不高，农业信息化水平整体处于较低水平。

5.2 推动农业领域区块链发展的对策与建议

（1）加强底层技术研发，推动应用场景落地

技术自身存在短板是制约区块链技术在农业领域发挥最大价值的重要因素，农科院等国家相关科研部门应当加大对人工智能、区块链等直击行业痛点的科学技术的攻关力度，加强底层技术研发，加大资金投入，结合农业领域各类业务场景提出嵌合度更好的科技解决方案。目前，区块链技术不能满足农业场景应用需求的最突出原因是易受攻击、处理速度慢以及容量不足，科研部门应当以此为突破口着力突破，探索更好的信息安全技术、加密技术，探讨如何提升系统的处理能力，还要尽快把扩容问题提上日程，让区块链技术能满足大部分的农业场景的应用需求，推动应用落地，切实解决实际问题，推动相关的学术研究和实践经验不断向前发展。

（2）注重内部人才培养，加强外部人才引进

人才是现代农业高质量发展的重要保障，人才队伍建设应以内部培养为主，同时辅之以外部引进[47]。从内部培养角度来看，政府机构要积极推进涉农机构、教育部门、各个农业大学、各地农科院、农业核心企业等的相互联动，产教协作，为专项复合人才提供培养与实践平台。具体来说，高校和科研院所应积极建设区块链创新实验室和研究中心，各农业大学应当在农业相关专业的主修课程中添加与区块链、人工智能等相关的课程，在计算机专业的辅修课程中加入农业金融等相关科目，以增强学科交叉，同时鼓励开设网络课程，为外部人士提供学习窗口。涉农机构、核心企业也要定期组织从业人员，尤其是农村经营主体参加关于区块链应用的继续教育和技能培训，提高从业人员的信息化能力和信息知识储备，还要与高校、科研机构保持密切合作，组织学生赴区块链创新企业实习，鼓励科研人员赴区块链创新企业了解行业应用水平，弥补学生在工作经验方面的欠缺，加深科研人员对行业最新动态的了解。从外部引进角度来看，农业农村部要根据战略布局和实际生产的需要，采取有针对性的区块链人才引进方针，明确人才招募的高要求高标准，完善薪酬激励制度同时为专业人才提供必要的生活条件，提高引进高端人才工作的效率，及时吸收行业最新科研成果与国外先进经验，助力我国农业产业的发展。

（3）加强农村信息基础设施建设

区块链技术是一项新兴的信息技术，为提高农业领域区块链技术的持续创新能力必须加强农村地区网络基础设施的建设。同时，农村信息化水平的提高也是促进农业经济增长的有力保障。2020 年1 月20日，中华人民共和国农业农村部印发《数字农业农村发展规划2019—2025》，要求推进农业农村数字技术的发展和应用，有力支撑数字乡村战略实施[48]。对此，政府要加大资金投入和技术投入，有计划、有步骤地建设覆盖全区域的信息基础设施设备，包括网络、移动通信、光缆等的全覆盖，建立起农业农村的信息网络系统，方便对农业信息资源进行收集、整合以及数据分析，为现代农业发展提供全面及时的信息服务，推进农业新模式的发展和农业新技术的运用。

5.3 小结

目前，区块链技术在农业领域应用的深度和广度都不够理想，但区块链在农业领域的应用得到了政府部门的高度重视。应用区块链技术推动传统农业转型、推进智慧农业发展，是未来一个重要的研究方向和发展趋势。今后在推广区块链在农业产业中的应用时，应当从加强底层技术研发、注重人才培养与引进、加强农村信息基础设施建设三个方面突破努力，加快实现中央一号文件提出的区块链助力农业发展的战略目标。