区块链嵌入数字农业的实践路径及其机制架构

□徐菀葶，巫凡昕，丁 松，王艺璇，李 丹

（南京林业大学经济管理学院，江苏 南京 210000）

2021 年，习近平总书记在全国脱贫攻坚总结表彰大会上着重强调，要加快农业农村现代化步伐，促进农业发展质量、乡村就业环境、农民生活水平等全面提升。此外，相关政策文件也为数字农业转型提供了强有力的支持。

农业数字化作为推进农业现代化的重要路径，在优化农业资源配置、提高农业生产力等方面发挥着积极作用，是我国践行乡村振兴战略的重要发力点。基本实现农业现代化是我国2035 年的远景目标之一，数字农业进步对我国实现社会主义现代化具有深远意义。当前，我国数字农业仍处于起步阶段，机遇与挑战共存，农业数字化进程仍需不断推进。

数字农业整体发展迅猛，主要集中在大数据渗透农业全产业链条、智能化、无人化装备应用等领域。我国数字农业起步较晚，尚处于探索阶段，缺乏经验且技术尚不成熟，发展速度缓慢[1]。当前，我国数字农业生产技术与装备、智慧养殖生产、智慧物流、基于大数据的信息服务等技术在农业生产各环节已经得到初步应用。

在数字农业发展中，仍存在科研体系不健全、科技转化率低、基础设施建设薄弱、区域发展不均衡及成本收益不平衡等短板。因此，有必要探讨数字农业发展面临的问题及相应对策。区块链技术作为我国七大数字经济重点产业之一，其能否解决数字农业发展中存在的问题，通过什么方式解决数字农业发展困境是本研究的重点。

1 文献梳理

数字农业（Digital Agriculture）是指基于地理信息化、集约化的现代农业生产和管理技术，具有弥补传统农业分散性高、规范性差、破坏性大等特点[2]。随着农业信息技术的蓬勃发展，全球广泛掀起农业信息化推动农业现代化的“技术改革”热潮[3]。国外部分学者对数字农业的研究聚焦于信息化技术，即利用遥感（RS）、模拟模型等现代科学技术对农作物的产前或产中环节实施精准监测和控制，使农作物高质高产[4]。但更多学者探究数字农业在现实应用中的机遇和挑战，对以农业为主要产业的发展中国家展开相关案例分析[5-7]。

以习近平同志为核心的党中央始终高度重视我国“三农”问题。自2018 年我国实施数字乡村战略以来，国内学者围绕“数字农业”展开了深入研究。我国基本国情决定了国内小农众多且长期存在的现状，传统农业的经营格局呈现规模小、分布散的特点[8]。数字农业有利于推动农业从粗放经营转向精细生产，具体表现在农业生产活动中各环节、各要素的数字化和集约化，适应我国现代农业的转型升级[9]。农业科技不断进步，同时国外数字化农业已有实践先例，表明我国以乡村振兴战略为抓手，大力发展数字农业是必然趋势。

我国在创新技术领域的投入和成果仍处于较低水平，约有80%的技术跟跑国际水平[10]。此外，在我国数字农业发展过程中，城乡二元发展导致的“数字鸿沟”[11]、土地细碎化经营、农村劳动力结构老龄化[12]等问题仍然存在。为进一步突破数字农业发展瓶颈，政府部门需要夯实基础设施建设，加大对涉农要素供给的支持力度[13]，总结推广农业建设试点的模式和经验。基于前人的研究，在农业信息化水平、乡村数字经济等方面构建出的评价指标体系对各地数字农业发展水平的考核与评价具有一定的指导意义[14-15]。

区块链技术起初是为比特币等加密货币开发的分布式记账系统[16]，早期仅应用于金融领域。近年来，区块链嵌入数字农业的发展模式崭露头角。区块链技术具有开放透明、去中心化、防篡改等特征[17]，能够精准打击农业领域中产品信息溯源难、金融服务不充分、农业保险评估难等痛点[18]。农产品从农田到餐桌的过程经历巨大的时间和空间跨度，然而其中各环节消息闭塞，监管困难，容易发生产品质量和消费者信任危机问题[19]。

区块链技术能够确保数据的真实性、可靠性，有效提升农产品的生产效率、质量安全及经济效益[20]。数字农业在基础设施、技术研发、服务平台搭建等方面都存在资金需求，传统的信贷服务程序烦琐，效率低下，导致农业经营主体融资困难[21]。根据区块链技术在金融领域不同场景的应用可以得知，区块链技术在降低成本的同时，具有提高效率和增加信息安全性的作用[22]。由于灾害具有不可预知性，农业保险在农业生产活动中十分重要。保险欺诈、证据失真等问题限制了农业保险的高质量发展[23]。制订区块链技术协议，重塑农业保险管理体系，能为保险公司节省人力资本，提升服务效率，确保客户的信息安全[24]。

现阶段，国内外学者对数字农业领域的研究仍存在不足。一是对区块链嵌入数字农业的探讨大多聚焦于产前环节，针对产业链上其他环节尤其是产中环节的研究较为薄弱。二是现有研究以理论层面的定性分析为主，缺乏对实践效果的案例探讨，数字农业试点地区的运作机制尚未形成系统理论，导致其他地区难以获取经验，发展受限。文章通过构建信息可视化理论框架，结合具体案例，深入分析区块链嵌入数字农业产业链全过程的实际应用表现，希望能为我国农业现代化的稳步发展提供参考。

2 理论框架

2.1 信息可视化概述

科学技术的高速进步推动社会日益向信息化发展，同时带来大量抽象复杂的信息。为提高工作效率，人们需要将纷繁复杂的信息转化为贴合人类行为、能够又快又准地被终端接收的信息，以达到获得优质结果的目的[25]，可视化技术由此诞生。信息可视化的发展经历科学计算可视化、数据可视化、信息可视化、知识可视化四个阶段[26]。1989 年，Robertson 等人首次介绍信息可视化（Information Visualization）理论内涵。信息可视化是对多维非空间信息的图像表示，通过绘制具体直观的图像，加深用户对信息含义的理解[27]。随着计算机科学技术以及统计、图形、视觉传达设计等学科的迅速发展，信息可视化设计应运而生，因此信息可视化是交叉性、综合性的。目前，信息可视化在经济、金融、管理等领域广为应用，例如利用决策树、数据挖掘、企业流程再造等信息可视化技术满足管理活动过程中科学决策与风险控制需要，大大提高管理的运行效率。

信息可视化过程可分为三个阶段[28]。一是数据预处理。获取数据后将源数据整理加工成简洁、清晰的信息，以便分块制图。二是几何图像绘制。根据位置、色彩、方向、尺寸等项目区分可视化变量，建立逻辑关系，丰富可视化图像对基础信息的表达。三是显示与交互。输出显示已按照模块绘制好的图像，将信息反馈至软件层，实现人机交互。

2.2 区块链嵌入数字农业在信息可视化理论框架下的应用表现

信息可视化理论在管理学领域采用数据挖掘、知识创新的技术手段，辅助科学决策、梳理工作流程。区块链技术的主要特点是去中心化，适用于各环节分散、信息闭塞的农业生产活动，可以解决阻碍数字农业高质量发展的瓶颈问题。基于信息可视化理论框架，梳理区块链嵌入数字农业的运作流程，形成信息准确、逻辑清晰、条理化强的图像，深入分析区块链在数字农业实际应用中表现出的驱动作用。

采用信息可视化技术有利于提高区块链数字农业产业链上各环节的效率，包括产前信息、产中监管、产后销售等（见图1）。产前阶段，向各级农业农村局及网络平台等组织收集土地、农户、农资、金融机构等资源信息，对其进行预处理，随后建立数据库，将相应信息进行匹配，赋予每一块土地专属“身份证”；对农户的投保信息、土地流转情况等进行整合，提高金融信贷、土地利用、农业保险等方面的管理效率。产中阶段，充分利用无人机、遥感卫星等技术，配合使用物联网、云计算、人工智能等手段，采集农作物生产过程中自然气候、生长状况等数据，利用看板管理、目视管理等方式记录农作物在不同环境下的指标差异以及不同环节中的生长状况，借助数据分析建立农作物生长数字化模型，为农户提供先进的栽培技术与管理措施。产后阶段，为产品打造专属二维码，供消费者追溯产品源头，有效保障食品安全质量；通过直播电商、新媒体宣传等方式促进农产品销售，带动农民探索新型发展路径。

图1 区块链数字农业信息可视化框架

3 案例分析

3.1 精准种植改造传统农业生产模式——农作物生长特征及种植效果的可视化

我国传统农业的生产模式具有分散、脆弱等特点，每家每户经营着自己的“一亩三分地”，受到科技以及耕地面积的限制，机械化程度较低，耕作以及管理存在一些问题，并且由于无法准确预测自然气候，耕地十分脆弱。德阳市旌阳区通过打造旌阳链，用一套数字农业系统推进了信息技术与农业生产的深度融合，通过精准种植改造传统农业生产模式，以“一图、一网、一链”的方式实现农作物生长特征及种植效果可视化，有效降低生产成本，增加农业收入，提高管理效率（见图2）。

“一图”是指全区域资源管理图，将德阳市旌阳区2.86 万hm2、超过27 万个地块的耕地信息全部上传至数字底图。此全景数字看板通过无人传感器、飞机、卫星等收集土地信息，包括农田的形状、面积、种植情况、地理坐标等自然属性，并结合旌阳区农业农村局的登记信息，匹配每一块农田的土地性质、承包权属、流转情况等信息，为每一块农田建立专属“数字身份证”。在此数字底图的基础上，围绕农业生产、农村管理、农民服务三个板块，建立全区域资源管理图。在农业生产方面，建立病虫害监测、农业机械管理、土地安全利用、农产品质量安全监管四个管理系统，全程实时监测农田整体状况。在农村管理方面，建立农村产权管理、农村集体土地管理两个管理系统，精准计算耕地、宅基地等用地指标，合理规划农村各类用地分布。在农民服务板块，建立农村金融及农业保险服务、新型经营主体“一站式”服务两个管理系统，通过精准分析投保农户的数据，结合其农业保险、补贴、土地流转等信息，构建数字体系，提供智能化授信，将各类信息数字化、可视化，提高管理效率。

“一网”是指全过程服务物联网，利用信息技术将数字底座、管理系统和数字化传感设备进行连接。与此同时，利用农田中的铁柱牵出八条黑色线束末端带有的白色的传感器，全天候、全维度地监测农场用水中的铵离子、pH 值、营养液等指标以及农场中的温度、湿度、降水量等气象数据，将这些数据上传至平台，构建农作物生长的数字化模型。通过数据分析，得出最适合农作物生长的各项外部环境指标，合理适时地调节农田内的灌溉水量、营养液施用量等，将农作物生长状况可视化，使农业生产更加精细化。

“一链”是指农业全周期产业区块链，将农业生产、农村管理、产品销售相结合，实现源头种植、农作物加工、产品销售到终端互动的全链可视化追溯。源头种植指产品有一对一的二维码，可进行溯源，农产品生产周期中的数据全部录入到区块链，上链前的真实性问题由旌阳区相关部门通过认证、普查、抽查、投诉举报等环节保障，保证能够追溯产品源头，降低质量问题发生概率，尽可能消除消费者信用危机。在销售阶段，通过线上直播加大推广力度、建设品牌，以增加销售量。

在育种、灌溉、疾病防治等环节由传统的人工转为数据判断，以数据为核心进行决策与管理的农业生产模式更加科学合理，能够提高生产效率、降低生产波动性、保障农产品质量。除此之外，更加精细化的数字农业能够有效控制化肥与农药的施用量，有利于节约农业资源，同时减少农业对环境的污染，提高生态效益。

3.2 信息共享盘活农业产业链体系——农业产前、产中、产后的可视化

“善粮味道”是以北大荒规模化和集约化农业为基础，以农业物联网、农业大数据、区块链技术为辅助，以土地资源转换与更高的组织化为依据，由中南、北大荒集团共同成立的农业企业技术平台，进行“平台+基地+农户”建设，完成从原产地到餐桌的优质大米等产品闭环的生产—营销生态链，在农产品领域建立一个高附加价值商品的电子商务平台。

3.2.1 产前环节的平台搭建

北大荒农业服务平台通过整合先进的种植技术和现代农业数字化技术，为农业经营主体提供资源管理、财政贷款、农业机械经营、农业托管、农业保险、农业信息推送、咨询等服务，促进平台经济发展。截至2022 年7 月31 日，平台注册用户达55.2 万人，线上共完成农贷1.66 万笔，贷款金额43.42 亿元，农机具上线15 000 套，安排任务233.33 万hm2，让种植户切实享受到农业科技红利[29]。

广大农民通过加入农业服务平台，在平台上按照个人需求自行选择经济组织，实时申请贷款，在最短的时间内获得贷款，有效缓解了农民在农业生产中的资金压力，减轻了农民的经济负担，提高了生产效率，解决了贷款难的问题。

3.2.2 产中环节的数字监管

“善粮味道”企业建立了农业资源底图，制定了一套统一的技术标准，实行一图一码，对293.33 hm2地块的数据进行采集、制图，包括地理空间、土壤环境、遥感、权属等多个源资料，为农业生产和经营提供数字化依据。

搭建农业数据库，建设北大荒云计算大数据中心，形成了覆盖垦区的高安全性、高性能、全兼容的服务器集群系统，已建成线下数据库，非结构化数据存储总量32.2 TB，形成覆盖农业全产业链的综合数据资源数据库，实现一次采集、自动生成、多方共享、汇聚整合功能，计算价值赋能产业。

建立“善粮味道”平台，开发供应链、物联网、电子信息系统软件等，既可用于日常农业经营，又可提高经济效益，从而使相关链接盈利，提升产品附加值。

3.2.3 产后环节的终身追溯

当前，我国主要粮食问题集中于产后的流通加工环节，与更加优越的平台、高现代化米厂、仓储、物流公司展开合作是彻底解决相关问题的有效措施。可采用区块链技术对流通加工链条中的高风险环节进行改造，将可追溯、可监控进一步嵌入认证管理体系，开展单独的封闭管道管理模式。

在产品加工过程中，北大荒集团旗下品牌农业企业基本建立了质量安全溯源体系，完善品质监督系统，在这一行为促使下，消费者可通过手机扫码全面了解农产品信息，如商品名称、规格、生产者、产品标准码、生产许可证号以及生产地等，提高农产品附加值，以此对数字化农作物适当提价，切实促进农业生产增收。

北大荒集团以5G、云计算、大数据、人工智能、物联网等技术为基础，打造5G 数字农场管理平台及农业大数据、农业物联网、农场管家等系统，做到“种、管、收、储、用”等农业生产的全过程数字化、可视化、智能化、自动化管理，推动农业数字化发展。

3.3 创新技术赋能农业资源薄弱产区——自然资源禀赋对农业生产影响及应对的可视化

我国是人口大国，有着上千年农耕历史，但一直以来受到地理情况制约，导致具有良好种植条件的农田面积并不充裕。我国现有耕地面积1.2 亿hm2，耕种条件较差的盐碱地面积高达1 亿hm2。基于土地现状，为拓展农田面积，提升农作物产出率及良品率，耐盐碱水稻（俗称海水稻）应运而生。据相关人员测量计算，0.067 亿hm2盐碱地栽种“海水稻”，每年我国稻米产量可提高300 亿kg，满足8 000 万人口的日常粮食需求。

基于不同地区盐碱地的情况，需根据不同地区栽种“海水稻”的种植方法及相关参数制订相应的整合策略，包括植物生长调节素、土壤定向调节剂等。为突破行业瓶颈，华为推出集物联网、云计算、传感器、大数据等技术为一体、初步实现智能化的“农业沃土云平台”。平台利用GIS 信息管理系统、大数据人工智能分析决策支持系统、病虫害预警诊断管理系统、智慧农业视频云管理平台、农业云计算中心等内容完成搭建，为农业生产中种植精准化、管理透明化、决策智能化带来可能，完成“从农田到餐桌”的全过程质量追溯。当前，“海水稻”已借助华为云平台在青岛市城阳区试种成功，推动创新技术赋能取得阶段性突破。

农业专家依托云计算及人工智能等先进技术的快速发展，精准收集田地数据，并对这些数据进行深入分析，以此制订可行策略，为现代农业逐步发展成“精准农业”模式提供有力支持。在“海水稻”案例中，技术人员将田间摄像头拍摄的照片，传给华为农业沃土云平台，后者通过分析照片准确识别出农作物生长情况，及时给出专业的指导建议。除此之外，平台可以通过图片估算水稻生长周期及产量，并把数据反馈给农业专家，便于及时优化种植策略。基地中心可借助该平台全方位监控各个分基地，确保基地的光照、温度及pH 值符合农作物生长需求。充分发挥农业沃土云平台作用，及时采集、监控和分析虫情信息，在此基础上构建病虫害诊断预警系统，使实时监测和精准控制落实到位，为快速响应及处理农作物生长问题提供有力支持。

4 结论及政策建议

4.1 实践成效

4.1.1 解决产中病虫害及生产效率等问题，打造高品质农产品

现代农业基于人工智能等多项技术开始向“精准农业”大步迈进，田地的相关数据得到精准收集，策略制订更加完备，对每一小块土地精耕细作。在“海水稻”的案例分析中，沃土云平台精准识别农作物生长状态，通过照片进行深度学习和训练，为病虫害防治和除草等农作物培植问题提供有力支撑。为更好地帮助农业专家整合和改进种植策略，平台可同时从图片中计算出水稻的生长周期与产量。

当前，我国存在农业竞争力不强、农民收入低、农民积极性不高等问题，主要原因在于农业生产效率较低。智慧农业的发展使农民得到解放，成为主导农业的人，利用当代技术将刀耕火种的模式改革换代、使农业产出比得以提高。从全局观之，智慧农业使劳动力得到解放、对技术赋能使之成为生产工具替代了传统的工作方式，推动农业产出能力稳步提高。技术优势使农产品生产、施肥、灌溉、日照、采摘时间等得到详细、标准的操作指南，进一步保障农产品标准化，有效提升了农产品品质，实现品效合一。

4.1.2 解决产后产品流通问题，吸纳客户群体

过去，我国战略转型面临机遇也面临挑战，当前我国发展环境错综复杂。“十四五”规划明确指出，“三农”问题是全党的工作重心，应充分重视乡村振兴，提升农业经济发展动力，进一步加强农产品抵抗风险能力。农产品流通及安全问题作为限制农村经济发展的主要原因，找寻解决方案迫在眉睫。为实现信息采集存储，使区块链系统安全存放各项数据，需将物联网与区块链技术有效融合，提高数据信息的安全、可靠性，实时观测农产品的生长及流通情况。结合人工智能，有效改善劣币驱逐良币的市场现状，进一步保障农产品质量。

4.1.3 解决产后溯源问题，保障食品安全

为解决农产品溯源问题，进一步提升农产品食品安全指数，区块链被广泛应用于农产品电子商务二代营销体系构建中，将传统农产品发展与新时代科技发展相结合拓宽营销路径。在保证物流时效性的同时，使参与主体实时跟进各项信息，包括农产品基本信息、销售情况等。

同时，基于区块链的产品溯源技术具有传统溯源技术无法比拟的优势，主要涵盖三个架构。一是数据接入层，主要用于存储。二是数据服务层，主要用于上传。三是用户应用层，主要用于输出。在日常生产过程中，生产细节、产品源头和物流运输等数据接入层和服务层能够将系统内溯源二维码运用于数据的记录和存储中。待数据完成采集后，利用传感器技术将数据信息上传。同时生产APP 与区块链后台建立沟通，进一步确保区块链准确接收数据，降低食品安全问题的风险系数，确保农产品流通中各方主体的根本利益，为推进农业经济更好更快发展保驾护航。

4.2 现存问题

4.2.1 数字农业基础设施落后且区域发展不平衡，机械设备现代化程度低

当前，我国大多农田道路、灌溉设备、通信等基础设施落后且区域发展不平衡。西部地区通信基础设施建设整体远低于东部地区，农村宽带、物联网、区块链覆盖率和普及率相对较低，制约了传统特色农业和数字农业发展。由于农产品种类繁多、需求多样，没有建立相关体系标准，各地农机设备厂商大多针对成本较低、机械化程度低的产品进行开发，且质量、标准参差不齐，导致农机产品机械化水平低、后期维护成本高等问题。

4.2.2 数字农业科研体系不健全，农业科技推广能力不足

数字农业基础研究薄弱，目前我国数字农业原创能力及科学理论较少，这是制约数字农业发展的关键因素。数字农业核心技术研发落后，作为数字农业最为核心的技术，我国传感器技术较为落后，主要体现在信息传输存在偏差与时间差、寿命较短、维护费用偏高，导致传感器性价比偏低，影响了国产传感器在农业生产中的应用。

虽然我国研发投入强度在2018 年达到2.19%，高于2017 年欧盟十五国平均水平（2.13%），仅排在美国以后，但是我国技术成果转化率不足30%，真正产业化未达到5%，导致农业技术推广不到位。

4.2.3 传统农业制约数字农业发展，现代化农机成本偏高

基于我国“大国小农”的现状，目前仍以传统农业生产为主，机械化程度偏低、生产效率低、生产成本高。传统农业生产经营方式难以节约劳动力成本，随着自然、市场以及技术等风险叠加，传统农业生产经营方式面临高成本、高风险、低效益的窘境，制约我国农业高质量发展。同时，传统的农业经营方式导致土地分散，部分地区土地流转费用过高，变相增加了发展数字农业的成本，制约了数字农业发展。

我国农机设备市场投入少、价格高，补贴农机具少，导致以分散耕种耕地为主。农民买不到大型农业机械，大量现代化农机无法进入农田耕种，无法提高农业生产率，导致农业生产成本偏高。

4.3 发展建议

4.3.1 加强数字农业基础设施建设，实现区域协调发展

提高对农村地区5G 网络、物联网技术、遥感技术的覆盖率和应用程度，加大对区块链技术的应用力度，将零散的土地通过区块链技术连成片，从而提高数字农业的整体化程度。坚持区域协调发展，加大对西部地区发展数字农业的支持力度，推进西部地区基础设施建设，比如5G 网络、物联网、区块链等技术的向西延伸，以此提高数字化、智能化程度，为数字化农业提供保障。同时，因地制宜地应用现代化农机，坚持“两适应”的基本原则。“两适应”方式是坚持与农业适度规模经营相适应的农机服务模式，与农田建设的机械化生产相结合，提高农业机械应变能力。

4.3.2 完善数字农业研究体系，加大科研成果转化力度

强化顶层设计，制定利于数字农业发展的政策，加大对理论、原创能力等方面的支持力度，建立统一协调的农业科学研究体系，构建数字农业知识产权保护体系。加快对区块链技术的攻关，加大专项资金、技术扶持的投入力度。

加大数字农产品的研发力度，保证数字农业科技成果的转化渠道畅通。建立健全科技创新的奖励和保护机制，出台关于科技成果转化的政策，在全国先进的农场优先试点，因地制宜地应用于全国。此外，实时关注国外数字农业的发展。

4.3.3 降低数字农业生产单位成本，扩大生产规模，提高种植收益

政府针对农户购置农机产品应加大补贴力度。为了加快现代化农机进入农田，政府要加大研发力度，降低农机产品的生产成本，加大对农机产品的补贴力度，鼓励农民利用现代化农业机械，降低农业机械的生产成本。

目前，市面上数字农作物的价格与传统农作物价格相近，不能体现数字农产品的科技含量，不能激发普通农民发展数字农业的热情。应健全质监制度，让消费者通过手机了解商品名称、规格、生产日期、生产者、保质期、产品标准码，提供证号、生产地等所有可增加农产品附加价值的产品信息，并对其进行适当改进，以此提高农产品价格，增加农业生产带来的收益。

5 结束语

当前是持续推进农业现代化建设的重要时期，相关人员要积极结合德阳市旌阳区、“善粮味道”技术平台、农业沃土云平台等案例，加强数字农业基础设施建设，实现区域协调发展，完善数字农业研究体系，加大科研成果转化力度，降低数字农业生产成本，提高生产规模种植收益，将区块链嵌入数字农业产业链全过程，解决数字农业发展困境。