区块链在农业上的应用现状及发展前景

程彬彬 刘长娥 蔡小昂原源

(上海市农业科学院农业科技信息研究所，上海 201403)

引言

区块链研究领域已经开始由金融、计算机向大数据、医疗、教育、农业等社会民生方面延伸,研究热度持续高涨。

农业是一个复杂的生态系统,农业的生产、流通、消费、供应链体系以及农资的生产、批发、零售、使用等不同环节面临许多不确定性因素,包括植物生产过程中土地、种子、化肥、农药、地膜、灌溉水等的质量和用量,动物养殖过程中的饲料、抗生素、兽药、添加剂等的质量和用量,食品加工过程中原材料、辅料、添加剂等的质量和用量以及食品流通和销售过程中的环节、环境、保鲜等情况。从原材料到成品,消费者对农产品质量和安全难以追溯；供应链体系内各参与主体之间的纠纷,难以举证与追责,从而导致农产品质量安全事件频繁发生,严重危害了民众的身体健康,造成巨大的经济损失。联合国透露,农副食品行业中的欺诈行为每年给全球经济造成约400亿美元的损失。农产品的质量安全已经成为全球高度关注的民生焦点问题[1-3]。

区块链技术具有去中心化、开放共识、交易透明、双方匿名、不可篡改、可追溯等特点,将区块链技术应用于农业,可使复杂的农业生态系统各环节信息透明,实现农产品流通环节的实时跟踪管理,打通食品供应链各环节的数据,保证从原材料到成品全过程信息透明化,让交易更透明、数据更安全、流程更规范,保障农户和消费者的最大利益[4,5]。

1 研究数据与方法

1.1 研究数据

本文分析数据来源于全球引文数据库Web of Science核心合集和全球专利数据库Incopat,其中,Web of Science引文数据库,检索策略为(TS＝(blockchain)OR TS＝(block chain))AND TS＝(agri*),2022年7月19日检索,时间限定为2017—2021年。

Incopat全球专利数据库,检索策略以标题摘要为((block chain)OR(blockchain))AND(agri*),2022年7月20日检索相关专利的申请,时间限定为2017—2021年,并通过申请号合并,获取农业区块链相关专利申请数据。

1.2 分析方法

采用情报搜集、情报分析和情报提取方法,其中,情报搜集基于文献、网络以及相关公司调研,情报分析基于文献计量与知识图谱,情报提取基于研究内容与核心要素。

2 研究结果

2.1 全球农业区块链研究基况

区块链技术自2017年开始应用于农业领域,呈现出快速的发展态势,据ReportLinker称,2018年食品供应链和农业区块链的估值为6080万美元,预计到2023年将达到4.297亿美元。未来区块链将为智慧农业发展保驾护航。

区块链技术应用于农业主要分布于欧洲、亚洲、北美洲、大洋洲,其中,欧洲主要是英国、意大利、法国、西班牙、荷兰、德国。亚洲主要是中国、印度、韩国、巴基斯坦、土耳其。北美洲是美国和加拿大。大洋洲主要是澳大利亚。以欧洲和亚洲从事相关研究的国家居多,排名前5的国家经济普遍较发达,经济增长速度快。虽然美国在区块链技术投资占比最多,但应用于农业上的相关研究占比小于中国和印度,见图1。

图1 农业区块链研究全球分布

2017年农业区块链相关研究论文正式进入国际科学引文数据库,之后呈逐步快速增长态势,大量新技术、新模式、新应用在农业领域百花齐放。为了进一步推动区块链技术在农业领域的研究与应用,学术界掀起了农业区块链研究的热潮,2018年之后相关研究文献呈爆发式增长,区块链的价值逐渐得到农业领域的广泛关注和重视,见图2。

图2 农业区块链研究文献数量变化

CiteSpace是一款可视化分析软件,能够直观展现领域或学科的信息全景、宏观结构以及一定时期发展的趋势与动向,并且可以探测与发现领域研究的热点及前沿。关键词浓缩了文章的核心内容,利用其关键词共现,可以了解农业区块链研究热点。

基于CiteSpace分析,主要关键词有区块链、供应链、可追溯性、物联网、互联网、安全性、智能合约、持续性、管理等,见图3。当关键词中心度的值≥0.1时,说明这个关键词具有很强的中心性,在合作网络中具有枢纽性的作用[6],根据农业区块链相关文章的关键词频次和中心度,见表1,中心度＞0.1时的词有农业、安全、互联网、物联网、持续性,这些是农业区块链研究中比较关注的问题,利用区块链、物联网、互联网,实现农业生产与管理数据的自动采集、分析处理与实时监控,保障信息安全与可持续发展是农业区块链研究热点。“区块链”一词虽然频次最高,但是中心度仅为0.07,说明区块链在农业领域中还未处于主导地位,相关的研究仍在发展中。

图3 农业区块链关键词共现

表1 高频关键词统计表

在农业领域,人工智能、大数据、互联网、物联网等前沿信息技术与区块链技术深度融合,利用智能合约保证信息存储的安全和可靠传输,实现农产品流通环节的实时跟踪管理,打通食品供应链各环节的数据,保证从原材料到成品全过程信息透明化,产品质量可追溯[7,8],进一步推动精准农业和智慧农业的安全有序发展。

2.2 农业区块链应用解析

区块链技术起源于电子货币、密码学领域,经历了以数字货币为代表的1.0时代,以智能合约为代表的2.0时代,目前正在进入与各行业深度融合的3.0时代[6]。虽然全球的区块链技术发展经历了10a以上的时间,但2017年才开始应用于农业领域,相关技术主要涉及区块链隐私保护、区块链数据安全、数据信息实时采集传输等方面[9]。由图4可以看出,2017年主要是基础技术的申请,包括应用于农业相关的标识、溯源信息、通信网络等；2018年随着农产品交易的需求,有关身份信息、跟踪系统、供应链等交易过程技术的申请趋于增加；2019年区块链技术用于精准农业,精准感知与定位信息、大数据获取等技术；2020年起共识机制的创新成为区块链核心技术突破的主要方向,区块链技术逐渐完善,见图5,农业应用市场体系日趋成熟,增强可拓展性、互操性、加强数据隐私保护将成为区块链核心技术突破的主要方向,区块链进入了扩展应用阶段。

图4 农业区块链技术发展趋势

图5 不同年份农业区块链技术构成

2.3 农业区块链应用现状

区块链已经实现了跨学科、跨专业、跨技术、跨行业、跨地区的综合式推进。区块链技术已经在全球大部分国家农业领域得到应用与推广,其中,以中国、印度、英国、美国、意大利对农业区块链研究比较重视,在政策和研究上给予大力支持,相关高校围绕区块链在农业生产、管理、交易等方面的应用开展研究,相互间有密切合作,见图6。

图6 农业区块链应用研究主要国家合作情况

我国2014年开始关注区块链,2016年发表了区块链技术应用相关白皮书,围绕区块链监管、区块链扶持、区块链产业应用,国家出台了50多项区块链政策,各省市也推出了区块链专项政策。我国非常重视区块链的研究与应用,有关区块链技术应用于农业的研究文献量与专利申请量居全球之首,国内知名高校与科研院所倾力开展相关研究,互联网巨头企业也纷纷布局区块链应用。将区块链技术应用于智能监控、智能水管理、农药应用、病害管理、智能收获、供应链管理和智能农业实践等方面受到学者们的关注。

印度近几年开始重视农业区块链,相关研究产出较多,2019年区块链出现了逐步走向开放和接纳的趋势,印度政府政策智库NITI Aayog发布名为“区块链—印度战略”的国家区块链政策草案,为区块链技术制定一个具体的国家行动计划,在印度南部的泰米尔纳德邦推出有关区块链和AI的2项独立政策,以推动区块链的应用。印度农民的人均收入普遍较低,经常面临信息闭塞、农产品价格低以及农业企业缺乏透明度和可追溯性等问题,为了解决相关问题,学者通过研究为智能农业无人机建立一个安全的隐私保护框架,利用区块链与物联网来帮助种植者收集数据、处理、监控,同时为农场做出正确的决策[10-13]。

英国对区块链和加密货币行业发展持鼓励、支持的态度,为全球区块链初创企业提供了非常优惠的政策,2016年英国政府发布了《分布式账本技术:超越区块链》白皮书,积极评估区块链技术的潜力,英国物联网在医疗保健、农业、智能城市、智能家居、供应链等多个领域的应用呈指数级增长,为了解决物联网系统的安全性、隐私性和信任问题,分析不同物联网应用的需求,以及区块链平台对于满足其底层需求的特定应用的适用性,研究者提出集成物联网和区块链技术[14-17]。

美国拥有全球最完善的区块链技术监管体系,在银行、税收、国防安全、国家数字资产等方面均设立了区块链监管政策[18]。为了确保美国在关键技术上保持全球领先地位,美国国会致力于通过制定法规和政策促进美国私营部门在区块链发展和加密货币监管领域引领创新,逐步建立清晰的区块链监管体系。美国具有世界顶尖的区块链技术,但用于农业领域的相关研究不多,为了建立一个强大的数据驱动的农业食品供应链,美国将供应链的可视性和供应链资源作为开发数据分析能力和实现可持续绩效的主要驱动力,指导农业从业人员规划投资[19-22]。

意大利政府2019年首次在法规中引入区块链条款,参议院委员会批准了关于区块链行业监管的修正案。意大利对于农业区块链相关研究较少,针对传统农产品供应链存在的问题,研究者提出了一种基于区块链技术的通用农产品供应链可追溯系统,允许消费者通过简单的二维码扫描,重新构建产品历史,直至产品原产地,以验证产品的健康和质量[7,8]。

随着区块链技术不断发展,产业链不断完善,区块链在农业领域的应用场景日益丰富,农业金融、农业保险、农业大数据、农产品质量追溯以及农业供应链等方面都有区块链的介入,应用于农业金融,农业经营主体申请贷款时,可以直接调取区块链的相应信息数据,不需要第三方机构提供,降低了金融机构的风险和使用成本。应用于农业保险,通过智能合约将纸质合同转变为可编程代码,无需对纸质合同进行管理,后期数据会自动更新,保险地区一旦发生重大农业自然灾害,相应的理赔流程自动启动。应用于农业大数据,利用区块链技术打造分布式数据库,种子育种后信息数据从基地传输直接上链,每批种子都有了“身份证”[23]。应用于农产品质量追溯,消费者通过扫码可以了解产品从生产到销售全过程的任何信息,涵盖种植标准化生产、农残检测、销售、安全查询等。应用于农业供应链,利用区块链打通食品供应链各环节的数据,实现食品供应链全过程信息透明化。

全球7大家禽育种公司之一的汉德克动物育种公司,2017年就开始研究在鸡蛋价值链中使用区块链的可能性[24],同年众安科技推出了步步鸡,给每只鸡佩戴脚环,用于记录鸡的地理位置、活动轨迹,从鸡苗的供应源、养殖基地,到屠宰加工厂、检疫部门、物流企业等所有信息消费者都可以实时查看。2017年,中南建设携手北大荒发布全球首个区块链大农场,提供种植、管理、收获、储存、运输、加工、销售的全产业链服务,从源头对粮食的生产安全及品质进行保障[25]。为了保证柚果溯源信息真实,2018年顺丰科技区块链研发团队将区块链技术与溯源产品结合,建立沙田柚专属溯源体系,为每个产品提供唯一的溯源码。2019年,蚂蚁金服与拜耳联合开发农业区块链,将种植生产过程数据化,建立可溯源的、数据化技术赋能的产品监测与服务体系,为消费者提供优质安全的农产品。目前许多农产品采用一物一码,用区块链真实溯源,涵盖肉禽蛋奶、粮油果蔬、酒类、饮品等。

2.4 农业区块链应用前景

随着生活水平的提高以及人们健康意识的不断增强,人们迫切需要了解农产品从原材料到成品的全部信息,区块链技术具有数据公开、透明、不可篡改和可追溯性,可实现消费者了解食品从田间到餐桌的详细信息。

利用区块链技术能够为农业经济降成本、提效率,农业区块链是未来农业发展的大趋势,农业生产经营信息追溯体系建设、小农户与现代农业技术衔接体系建设、面向小农户的农业金融服务体系建设、农产品质量安全保障技术体系建设等决定了农业标准化、产业链、供应链、品牌建设等一系列工作的顺利进行,区块链技术的助力,为实现整个农业领域的标准化,构建农产品质量安全提供了保障体系[26]。

将区块链技术应用于农业,农户可以及时准确上传农产品信息,经销商能够实时上传农产品销售情况、销售价格,消费者可以充分了解农产品质量及价格等情况,实现农产品的生产、加工、流通、销售到消费者各环节信息透明,使各方获得各自最大的效益,进一步优化种植结构和产供销体系,优化服务模式,构建一个可持续健康发展的农业生态系统。

区块链在农业领域应用的过程中,也面临一些挑战,目前许多地区的农业生产水平还未达到与区块链技术相匹配,在农业生产领域,很多环节的数据采集在现有技术水平下难以实现完全自动化、智能化采集,限制了区块链技术特点的发挥。另外,农业软硬件设施和信息化基础设施还不完善,区块链在现代农业领域的应用,受农业物联网和大数据技术短板的制约。

3 结语

区块链作为一种兼具信息记录和数据处理的新兴技术,各行各业都渴望得到其带来的便利,社会发展、产业发展以及人民日常生活都迫切需要区块链技术的支持,当前,以欧美为首的全球主要国家都正在加速布局区块链,探索区块链技术在各类型场景中的应用,农业作为第一产业,是衣食之源,是一切生产活动的基本保障,农业食品安全关系到每个人的切身利益,区块链技术已经逐步在农业金融、农业保险、农业大数据、农产品质量追溯以及农业供应链等领域得到了应用,许多农产品采用一物一码,用区块链真实溯源,尽管目前区块链技术及农业基础设施仍存在不足,但区块链应用于农业是未来农业发展的大趋势。