農(nóng)業(yè)領域若干顛覆性技術初探

王棟 ，陳源泉 ，李道亮 ，朱萬斌 ，譚偉明 ，杜太生 ，田見暉 ，康紹忠

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學院北京畜牧獸醫(yī)研究所，北京 100193；2. 中國農(nóng)業(yè)大學，北京 100193）

一、前言

當前，生物技術、信息技術、新材料技術、新能源技術等不斷創(chuàng)新發(fā)展，正帶動以綠色、智能、泛在為特征的群體性重大技術變革，并將深刻影響農(nóng)業(yè)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。未來15～20年內(nèi)，這些革命性技術向農(nóng)業(yè)領域滲透，必將掀起新一輪農(nóng)業(yè)生物技術浪潮，促進“互聯(lián)網(wǎng)+”產(chǎn)業(yè)興起，引領和支撐農(nóng)業(yè)實現(xiàn)節(jié)能、減排、綠色、低碳的可持續(xù)發(fā)展。當前，我國整體上形成了少量領跑、多數(shù)并行和跟跑的農(nóng)業(yè)科技基本格局，與發(fā)達國家相比，仍然存在原始創(chuàng)新能力不足、產(chǎn)業(yè)支撐能力偏弱等差距。面對即將到來的新一輪世界科技革命，必須面向世界農(nóng)業(yè)科技前沿、面向農(nóng)業(yè)農(nóng)村主戰(zhàn)場、面向國家農(nóng)業(yè)科技重大需求，研究提出我國農(nóng)業(yè)領域顛覆性技術的研究方向，搶占全球農(nóng)業(yè)科技競爭先機，提升我國農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新力和產(chǎn)業(yè)競爭力。本研究通過會議調(diào)研、訪談、文獻研究及專利分析等方法，以具有重大技術創(chuàng)新和突破、顛覆了傳統(tǒng)技術路線、改變了現(xiàn)有業(yè)態(tài)形式并催生和構建新興產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)生重大綜合效益、影響和改變了社會經(jīng)濟發(fā)展道路與方式為標準，梳理出未來農(nóng)業(yè)領域顛覆性技術的發(fā)展方向。

二、農(nóng)業(yè)領域顛覆性技術發(fā)展態(tài)勢

當前和未來技術創(chuàng)新活躍的農(nóng)業(yè)生物技術、農(nóng)業(yè)信息技術、納米材料技術等方向，對農(nóng)業(yè)領域各子領域研究方向具有重要意義，并呈現(xiàn)出不同的發(fā)展趨勢。

（一）動植物育種

育種技術創(chuàng)新為確保食物安全與穩(wěn)定供給提供保障。據(jù)世界銀行預測，隨著城鎮(zhèn)化發(fā)展及國民經(jīng)濟和人口的持續(xù)增長，到2020年，我國糧食需求將增加到 6.7×108t，2030年將達到 7×108t [1]。由于土地資源以及飼養(yǎng)規(guī)模的限制，只有通過育種技術創(chuàng)新，不斷提高動植物單產(chǎn)水平和生產(chǎn)效率，我國才能在現(xiàn)有資源條件下提高動植物食品生產(chǎn)總量。以動物育種為例，隨著動物基因組測序技術的突破，利用基因組信息直接進行基因組選擇，就可對目標性狀進行準確選育，顛覆了大群體遺傳評估、后裔驗證的傳統(tǒng)育種技術路線，基因組育種正成為各大育種公司爭奪的戰(zhàn)略高地[2]；家畜胚胎基因編輯育種取得突破，通過直接編輯決定遺傳性狀的胚胎基因，即可精確改良家畜遺傳性狀，獲得一批傳統(tǒng)育種較難培育、肉用性能和抗病力顯著提高的牛、羊、豬，徹底顛覆了通過表型性狀進行選育的傳統(tǒng)育種技術路線，成為畜牧種業(yè)革命的新引擎[3～5]；干細胞育種以更早、更高效的育種潛力，正在逐漸被認可，特別是干細胞與誘導分化、體外受精、基因組選擇等技術結合，可根本改變以往出生初選、斷奶再選等選擇時限和技術路線[6]。這些技術對動植物育種技術路線、繁育形式與效率將產(chǎn)生顛覆性影響。我國基因組育種技術已在奶牛上率先突破[7]，并由跟跑逐漸走向并跑，家畜胚胎基因編輯育種和誘導性多能干細胞（iPS）技術世界領先，而畜禽干細胞等技術還處于跟跑階段。深入開展相關研究，將有助于我國在國際競爭中搶占動物種業(yè)制高點。

（二）農(nóng)業(yè)生物藥物與生物肥料

化肥和農(nóng)業(yè)化學藥物帶來的嚴重環(huán)境污染、抗藥性和健康等問題，日益受到關注。發(fā)展生物肥料和生物藥物（主要包括生物農(nóng)藥、生物獸藥等），替代和減少化肥和化學藥物使用、保證農(nóng)業(yè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)、保障食品安全和公眾健康意義重大，也是改善生態(tài)、實現(xiàn)環(huán)境安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。生命科學和新型納米材料等技術，為農(nóng)業(yè)生物肥料和生物藥物發(fā)展提供了全新途徑和技術支撐，并將推動相關戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)快速成長。如利用合成生物學制備微生物次生代謝產(chǎn)物、利用核糖核酸（RNA）干擾技術防治病毒病等技術，開辟了從基因水平進行病蟲害防治技術研發(fā)和藥物制備的生物學新途徑；利用新材料研發(fā)高效藥物傳遞系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)藥靶向施用；革新施藥器械，促進藥劑在靶標沉積，提高藥劑利用率，減少環(huán)境污染。利用作物微生物組學和合成菌群學構建生態(tài)穩(wěn)定的多菌種復合微生物肥料；通過互作信號調(diào)控增強微生物肥料在植物根際的定殖與作用效果。農(nóng)業(yè)生物肥料和生物藥物的成功產(chǎn)業(yè)化，將徹底改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)嚴重依賴化學肥料和化學藥物的局面，改變相關產(chǎn)業(yè)結構，提高我國相關產(chǎn)業(yè)的國際競爭力。

（三）農(nóng)業(yè)生物質(zhì)工程

生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，具有可再生、清潔、低碳、惠農(nóng)和對化石能源多途徑替代等優(yōu)勢，還能夠?qū)⒔斩?、糞污等農(nóng)林廢棄物資源化利用，大幅度減少面源污染[8,9]。中近期內(nèi)生物質(zhì)工程每年可為我國提供1×108t生物質(zhì)運輸燃料和1×1011m3生物天然氣，在世界貿(mào)易格局洗牌的大形勢下，對降低石油和天然氣的進口依賴度，提高國家能源乃至金融安全具有重大意義。生物質(zhì)能源已經(jīng)成為領先風能和太陽能的全球第一大可再生能源品種[10,11]，到21世紀中葉，將很可能進一步成為全球第一大能源品種；生物基材料是不可再生化工原料唯一的替代途徑，已成為生物質(zhì)轉(zhuǎn)化的主導方向和化工材料的重要來源；生物質(zhì)原料成為全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要目標之一。高效低成本利用木質(zhì)纖維素原料已成為研究的熱點和難點，以生物質(zhì)原料生產(chǎn)化工平臺化合物是生物質(zhì)工程未來20年的發(fā)展重點。關鍵技術一旦取得突破，能源和材料不可再生的威脅、生物質(zhì)能源與糧食安全的矛盾、生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模限制、生物質(zhì)工程的轉(zhuǎn)化效率和能源轉(zhuǎn)化率等問題都將迎刃而解。我國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)起步晚，研發(fā)投入力度小，相關科技相對落后。加快生物質(zhì)顛覆性技術研發(fā)，才能使我國生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)躋身世界一流行業(yè)，支撐國家強盛。

（四）智能農(nóng)業(yè)技術

信息化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的制高點，智能化是驅(qū)動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的先導力量[12]。智能技術驅(qū)動的農(nóng)業(yè)科技變革對農(nóng)業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)系統(tǒng)性顛覆趨勢，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和機器人為典型代表，通過物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)實現(xiàn)物物相連，為大數(shù)據(jù)提供渠道和數(shù)據(jù)基礎[13]；通過對大數(shù)據(jù)進行處理與分析，為人工智能提供精準數(shù)據(jù)處理手段和決策依據(jù)[14]；通過人工智能實現(xiàn)農(nóng)業(yè)智能決策，為機器人無人化作業(yè)提供核心處理手段，四項技術高度融合構成了未來無人化、精準化、智能化、生態(tài)化農(nóng)業(yè)的核心支撐[15]。農(nóng)業(yè)動植物生理傳感器、動植物生長優(yōu)化模型、裝備管理與優(yōu)化和智能機器人將是智能農(nóng)業(yè)技術未來的研究熱點；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將向平臺化、標準化、低成本化、高可靠性方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)將由數(shù)據(jù)高效存儲向農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)技術方向發(fā)展，人工智能將向物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)融合的人機智能信息識別、分類和決策方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人向基于語言理解的全過程智能化方向發(fā)展[16]。

（五）非傳統(tǒng)種植空間

目前，全球約25%的農(nóng)地由于過度耕作、干旱和污染等原因嚴重退化。未來30年，全球糧食需求至少增長60%。除堅守原耕地面積，拓展傳統(tǒng)耕作空間，實現(xiàn)單位資源高效利用，變相增加種植空間外，還應科學開發(fā)利用鹽堿地及荒漠等土地資源。目前，城市農(nóng)業(yè)、植物工廠、沙漠種植和虛擬種植等多項顛覆性技術逐步建立，并成為新的科技熱點和新的沖突爆發(fā)點，對于緩解全球糧食安全嚴峻形勢意義重大[17,18]。未來10～15年，顛覆性技術將源于各領域技術融合，或基于傳統(tǒng)技術深化后的躍遷突變，將推動著農(nóng)業(yè)用地不斷向空間（包括太空）拓展。開發(fā)和改良鹽堿土，綜合治理養(yǎng)分失衡土地，深化傳統(tǒng)耕地技術，對于增加后備耕地，保障糧食安全具有重要意義。

三、未來10～15年內(nèi)我國農(nóng)業(yè)領域顛覆性技術的重點方向

（一）動植物高效生物育種領域重大顛覆性技術方向

1. 動植物基因編輯技術

由最初的鋅指核酸內(nèi)切酶（ZFN）發(fā)展為類轉(zhuǎn)錄激活因子效應物核酸酶（TALEN）技術，再到目前 的 CRISPR/Cas9（clustered regulatory interspaced short palindromic repeats/CRISPR-associated protein 9）系統(tǒng)，基因編輯技術靶向性更強、更高效，也更廉價。已成功改良了豬、牛、羊和魚等抗病性和肉質(zhì)等，使性狀測量、變異發(fā)現(xiàn)、變異篩選等傳統(tǒng)育種路徑更改為目標性狀的直接編輯和表型確認，育種群體大大縮小，育種周期大大縮短。但性狀基因解析研究還不能提供更多的可編輯基因位點。隨著功能基因解析的逐漸深入，在今后10～15年間，該技術將逐漸走向大規(guī)模應用，并對相關性狀育種產(chǎn)生顛覆性影響。目前，該原創(chuàng)技術來自國外。高效自主知識產(chǎn)權技術將是我國研發(fā)的重點。

2. 家畜干細胞育種技術

干細胞育種包括干細胞建系培養(yǎng)、生殖細胞定向分化誘導、體外受精、基因組選擇等技術環(huán)節(jié)，目前，家畜干細胞建系培養(yǎng)及生殖細胞定向分化誘導尚未取得突破性進展，估計今后15～20年，人類將攻克上述技術瓶頸，建立成熟的干細胞育種技術體系。干細胞育種實現(xiàn)了實驗室育種，由于細胞選育環(huán)節(jié)的開發(fā)，使飼養(yǎng)的成年動物種群數(shù)量大幅縮減。育種周期的縮短、成本的降低、場所的改變等都是顛覆性的。我國iPS技術國際領先，但畜禽干細胞技術處于跟跑階段，應加快發(fā)展。

3. 動植物品種分子設計技術

“品種分子設計”是指以分子設計理論為指導，綜合運用各種生物信息和基因操作技術，從基因（分子）到整體（系統(tǒng)）不同層次對目標性狀進行設計與操作，以實現(xiàn)優(yōu)良基因的最佳配置，培育新品種。品種分子設計技術體系將推動傳統(tǒng)育種向“精準育種”轉(zhuǎn)變，大幅提高動植物育種效率和技術水平，引領動植物育種的創(chuàng)新與發(fā)展。估計通過15～20年努力，將突破動植物多基因聚合和基因編輯操作技術瓶頸，創(chuàng)建動植物分子設計技術體系。我國在動植物多基因聚合與基因編輯領域取得了一些突破性成果，但是，迫切需要加強對動植物重要經(jīng)濟性狀形成機理進行研究，為分子設計鑒定出更多的功能基因。

4. 體外肉類合成與培養(yǎng)技術

通過肌肉干細胞培養(yǎng)與分化誘導，進行動物肉品生產(chǎn)，已對牛、雞、魚等物種實驗成功，該技術越過了飼草料生產(chǎn)與加工、動物飼養(yǎng)、動物屠宰等多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在實驗室即可完成動物肉品生產(chǎn)的全過程，不但減少了資源與環(huán)境壓力，還可進行產(chǎn)品訂制和批次化生產(chǎn)。但多組織聯(lián)合培養(yǎng)、組織深部代謝和循環(huán)技術還在研發(fā)中。預計今后15年內(nèi)，該技術將大規(guī)模應用，并對產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生顛覆性影響。我國學者僅進行肌肉干細胞相關研究，未見細胞培養(yǎng)肉領域的相關報道。

（二） 農(nóng)業(yè)生物藥物與生物肥料領域重大顛覆性技術 方向

1. 基于RNA干擾技術的基因農(nóng)藥

利用RNA干擾技術，防治病毒病、防除雜草、調(diào)節(jié)植物重要階段的生長（脫葉、打頂?shù)龋?，顛覆了以往化學農(nóng)藥防治思路。該技術瓶頸是靶標基因選擇和高效特異運載體系開發(fā)。澳大利亞和英國科學家利用納米材料BioClay裝載dsRNA，沉默同源RNA，控制了煙草病毒病[19]。目前國際農(nóng)業(yè)化學巨頭已開始進行相關技術和產(chǎn)品的研發(fā)[20]。預計未來5～10年將有產(chǎn)品進入應用，15～30年大規(guī)模應用?；瘜W農(nóng)藥將逐漸被取代。我國目前還沒有相關的研究報道。

2. 基于智能生物材料的農(nóng)藥控釋技術

智能生物材料是指利用對溫度、酸堿性、氧化還原勢等生物或非生物脅迫信號敏感的材料，將藥物傳遞至靶標位置，通過生物信號變化精確控制給藥。靶向給藥和精準施藥，對提高農(nóng)作物抗病性以及受到干旱、低溫等非生物逆境的防御保護意義重大。澳大利亞對介孔二氧化硅載體進行修飾，制備了對氧化還原勢敏感的功能材料，智能控制水楊酸釋放，提高擬南芥抗病性[21]。目前，醫(yī)藥領域有很多相關研究。預計未來10～15年將有農(nóng)藥產(chǎn)品出現(xiàn)。我國目前還沒有相關的研究報道。

3. 人造病毒作為預防性疫苗或者治療性疫苗

利用反向遺傳學和合成生物學技術，按照計算機模擬程序，突變病毒基因組三聯(lián)碼，人為控制病毒復制從而將病毒直接轉(zhuǎn)化為預防性疫苗，再突變?yōu)橹委煵《靖腥镜乃幬?。這種通用方法可以研制任意致命性病毒的疫苗和治療性藥物，并開發(fā)影響國防安全的預防性生化武器。目前北京大學已在實驗室水平研制了流感疫苗[22]。

4. 納米佐劑

納米顆粒與微生物相當，能夠更好地被抗原遞呈細胞吞噬，還可以增加小分子抗原的尺寸，并對其表面進行修飾，增強疫苗的機體免疫應答效果[23,24]。因此，納米顆粒有可能發(fā)展成為一類新型納米佐劑。但是其作用機理及副作用仍不清楚，很少有納米佐劑進入臨床試驗階段。我國已提出一套標準化納米材料安全評價體系，以評價納米材料的生物毒性和納米效應等，有待解決以上問題。

5. 作物微生物組技術

應用作物微生物組技術，通過對不同作物微生物組的高通量分離和大數(shù)據(jù)分析，獲取對不同作物發(fā)揮各種有益功能的微生物組[25～27]，通過微生物合成菌群學原理和技術，理性設計出對不同作物發(fā)揮特定功能、結構穩(wěn)定的組合微生物群，開發(fā)基于作物微生物組技術的高效微生物肥料。

（三）農(nóng)業(yè)生物質(zhì)工程領域顛覆性技術方向

1. 生物質(zhì)油、氣聯(lián)產(chǎn)工程技術

以木質(zhì)纖維素為原料，大規(guī)模、高效率、低成本的生產(chǎn)生物質(zhì)油和生物天然氣，是對常規(guī)化石運輸燃料應用體系的顛覆。通過關鍵工藝、設備和酶、菌的突破，結合生物質(zhì)資源多級利用和多產(chǎn)品聯(lián)合生產(chǎn)模式，使生物質(zhì)油、氣產(chǎn)品具有較強的經(jīng)濟競爭力，大規(guī)模進入市場，中期內(nèi)實現(xiàn)每年1×108t生物燃油、1×1011m3生物天然氣，中遠期翻番的生產(chǎn)能力，完成對進口石油、天然氣60%以上的替代，保障國家能源和金融安全，減少秸稈、畜禽糞污等農(nóng)林廢棄物污染。我國在該領域的技術已經(jīng)接近產(chǎn)業(yè)化，生物天然氣領域具有一定領先性。

2. 能源作物分子和基因調(diào)控技術

顛覆作物育種降低作物總生物量，提高收獲指數(shù)的思路，培育高光合效率、高生物產(chǎn)量和易于降解轉(zhuǎn)化利用的新型作物品種。通過基因調(diào)控，改變作物光合特性和作物木質(zhì)纖維素組成，培育適宜特定降解轉(zhuǎn)化途徑的專用能源作物，如高含油微藻、木質(zhì)素含量低的林木等，使總生物量和轉(zhuǎn)化效率大幅提高、轉(zhuǎn)化成本大幅降低。新型能源作物將改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)鏈模式，推動生物質(zhì)工程發(fā)展。我國在該領域的技術處于起步階段，具備較好的基因育種技術基礎。

3. 生物質(zhì)一鍋法轉(zhuǎn)化利用技術

生物質(zhì)一鍋法轉(zhuǎn)化利用技術顛覆了先將生物質(zhì)分離為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，然后分別單相催化轉(zhuǎn)化的過程繁復、成本高、得率低的傳統(tǒng)技術路線，依據(jù)纖維素及其降解產(chǎn)物特性，設計以石墨烯為載體的碳基無金屬催化、高效多相催化體系，實現(xiàn)從纖維素等糖類物質(zhì)到生物基平臺化合物5-羥甲基糠醛（5-HMF）及其系列呋喃基衍生物的一鍋法（one-pot reaction）轉(zhuǎn)化，極大地簡化操作步驟并提升效率、降低能耗。大幅提高生物質(zhì)利用率和效益，整體推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我國在該領域具有一定先進性。

4. 木質(zhì)素天然結構利用技術

木質(zhì)素轉(zhuǎn)化利用技術限制了木質(zhì)纖維素的利用。木質(zhì)素催化轉(zhuǎn)化可生成環(huán)烷烴化合物，生產(chǎn)高性能航空燃料，綜合性能可以超過石油基航空煤油；利用木質(zhì)素天然苯環(huán)結構，通過納米技術碳化重整，制造納米碳管材料、光解材料等高性能或可降解材料。直接利用木質(zhì)素天然結構，顛覆了傳統(tǒng)降解木質(zhì)素再利用模式。該領域是國際生物質(zhì)工程的新方向，我國在該領域具有一定領先性。

5. 生物質(zhì)熱化學和生物轉(zhuǎn)化耦合技術

利用熱化學方法降解生物質(zhì)材料，再利用生物方法將小分子化合物轉(zhuǎn)化成長碳鏈化合物。可實現(xiàn)溫和條件下高轉(zhuǎn)化率、低成本的生物質(zhì)資源高值利用。例如，采用碳原料（CO、CO2、CH4等）生產(chǎn)生物基能源和材料產(chǎn)品，是對石油化工大分子裂解路線的顛覆。通過多種技術耦合將生物質(zhì)原料液化，可以克服生物質(zhì)松散、分散和能量密度低等問題，使之能夠像原油那樣采集、運輸和集中加工。該方向的突破將徹底改變整個生物質(zhì)工程的產(chǎn)業(yè)形態(tài)。該領域是國際探索的新方向，我國在該領域具有一定先進性。

（四）智能農(nóng)業(yè)領域顛覆性技術方向

1. 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術

運用傳感器等各類感知技術、實時獲取農(nóng)業(yè)現(xiàn)場信息，通過各類網(wǎng)絡傳輸，將信息融合處理并通過農(nóng)業(yè)作業(yè)終端實現(xiàn)最優(yōu)化的精準作業(yè)與控制。2035—2050年，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術將實現(xiàn)全面應用和徹底實現(xiàn)農(nóng)業(yè)顛覆。2035年將達到2 000億～3 000億元的市場規(guī)模。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程將完全可感知，并實現(xiàn)精細化、精準化、無人化。我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)整體技術完全成熟，商業(yè)化機制也完全形成。

2. 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)技術

對大規(guī)模多源異構農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)進行采集、清洗、存儲、挖掘，用于農(nóng)業(yè)智能與精準決策。2035年，大數(shù)據(jù)技術進入成熟期，將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務提供全面、準確、客觀的指導，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)化，農(nóng)村治理透明化，農(nóng)民服務個性化，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達2 000億元人民幣以上。

3. 農(nóng)業(yè)人工智能技術

基于大數(shù)據(jù)智能、感知計算、人機混合智能、群體智能、自主協(xié)同與決策等的新一代人工智能技術將覆蓋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村治理和農(nóng)民生活。2035年市場規(guī)模將接近2 500億元人民幣。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、資源利用率、土地產(chǎn)出率都將成倍增加，農(nóng)村治理更加高效透明，農(nóng)民生活更加便利。再過10～15年，我國人工智能將深入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)村治理和農(nóng)民生活的各個層面，并進入更高層次。

4. 農(nóng)業(yè)機器人技術

導航、定位、識別、作業(yè)等智能機器人技術和裝備將逐漸應用于農(nóng)業(yè)，2035年將進入成熟期，并大規(guī)模應用和實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)顛覆，達到約3 000億～5 000億元的市場規(guī)模。將極大解放勞動生產(chǎn)力，提高勞動效率。農(nóng)業(yè)機器人技術與工業(yè)制造、人工智能技術發(fā)展密切相連，隨著我國農(nóng)村城鎮(zhèn)化的進一步推進和勞動力老齡化趨勢，再過10～15年，我國將成為世界農(nóng)業(yè)機器人技術的引領者，在農(nóng)業(yè)耕種、收獲、植保以及畜禽和水產(chǎn)養(yǎng)殖各個環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)機器人均會得到大規(guī)模利用。

（五）非傳統(tǒng)種植空間利用重大顛覆性技術方向

（1）根據(jù)收集的土壤和植物數(shù)據(jù)，利用電腦虛擬種植農(nóng)作物，加快選擇性作物育種并對耐鹽品種進行篩選和分類，通過分布式種植，實現(xiàn)農(nóng)田節(jié)水、抑鹽平衡調(diào)控和精量灌溉。

（2）開發(fā)高效抗堵塞的根區(qū)水鹽精準調(diào)控灌溉系統(tǒng)；揭示暗管排鹽工程與土壤界面鹽分積聚堵塞機制；篩選高效排鹽材料、優(yōu)化階梯式暗管排鹽工程結構與布局；嚴格預防地下水埋深較淺區(qū)域土壤次生鹽堿化。

（3）發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)，從土壤墑情監(jiān)測到田間施肥及灌溉決策，從作物病蟲害監(jiān)測及預防到判斷收獲時間及采摘等，通過通信網(wǎng)絡、人工智能、微型機器人、無人機和傳感器等先進設備實現(xiàn)智能化和信息共享化，同時向農(nóng)民實時反饋決策實施過程。

（4）綜合農(nóng)業(yè)-水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)實現(xiàn)水的二次利用，在遠離海岸線的鹽堿地區(qū)進行水產(chǎn)養(yǎng)殖，實現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖增氧機、投料機、水泵等電器設備管理智能化[28]。5‰～30‰的微咸水養(yǎng)殖對蝦，顛覆了內(nèi)陸地區(qū)養(yǎng)殖箱養(yǎng)殖海蝦需外加海鹽的技術路線，擺脫了海鹽添加成本與海岸線距離正相關的限制[29,30]。

四、促進農(nóng)業(yè)領域顛覆性技術發(fā)展的建議

（一）加快創(chuàng)新性人才培育

長期以來，對農(nóng)業(yè)重視不夠，以及農(nóng)業(yè)領域基礎條件較差等原因，導致農(nóng)業(yè)領域高層次創(chuàng)新型人才總體不足，質(zhì)量有待提高，需要加大培育力度。

（二）設立農(nóng)業(yè)領域顛覆性技術基礎研究專項

顛覆性技術主要源于基礎研究的長期積累，而我國農(nóng)業(yè)科研多年來多關注短期效益的技術攻關，對于基礎性、交叉性研究重視不足，需要建立長期、穩(wěn)定的研究專項，進行長期培育。此外，也需要借鑒農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系的組織方法，組建一批長期從事農(nóng)業(yè)重大戰(zhàn)略問題和戰(zhàn)略技術研究的專門團隊，對農(nóng)業(yè)長遠發(fā)展的關鍵戰(zhàn)略問題和戰(zhàn)略方向進行長期的創(chuàng)新研究。

（三）建立以企業(yè)為主體的創(chuàng)新機制

建立以企業(yè)為主體的創(chuàng)新機制，加快形成以企業(yè)為主體的自主創(chuàng)新局面，以促進技術研發(fā)與實施，并更快地形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模。需要準確定位政府、企業(yè)與高校間的關系，既要更好激發(fā)高校科技創(chuàng)新能力，又保證風險利益的主體企業(yè)肯投入、樂于投入，形成“產(chǎn)學研”合作鏈條的良性循環(huán)。不采用行政手段強制性派任務、壓指標，充分發(fā)揮技術服務和市場開發(fā)的潛力，使農(nóng)業(yè)“產(chǎn)學研”一體化向新的水平發(fā)展。需要盡快建立商業(yè)化技術應用體系，充分尊重人才、科技、資金、種質(zhì)等資源自由流動的社會屬性，積極構建以市場為主導的資源自由流動與優(yōu)化配置的政策環(huán)境，確立人才和科技在顛覆性技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的經(jīng)濟地位，健全保護與利用人才和科技的政策機制。

（四）建立適應產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策體系

顛覆性技術往往會帶動大范圍產(chǎn)業(yè)變革、大范圍投資和商業(yè)開發(fā)，新型商業(yè)模式和新興產(chǎn)業(yè)往往不適應現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)政策。對于顛覆性技術帶動的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，需要給予寬松的發(fā)展環(huán)境，在優(yōu)先促進產(chǎn)業(yè)發(fā)展中去解決存在的問題。由于顛覆性技術開發(fā)投資大，不確定性強，失敗率高，短期的、集中的攻關難以取得實質(zhì)性效果，后期應用推廣亦面臨許多挑戰(zhàn)，須建立長效研究機制，并逐步建立其與市場相結合的體制機制及相關法律法規(guī)。