基于農(nóng)業(yè)環(huán)境的農(nóng)業(yè)科學觀測數(shù)據(jù)融合研究

胡國錚 干珠扎布 余沛東 楊振琳 高清竹*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081；2.國家農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)中心，北京 100081；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，北京 100081）

1 引言

農(nóng)藥、地膜、除草劑、抗生素的過度使用及重金屬污染等農(nóng)業(yè)環(huán)境問題受到社會各界的廣泛關(guān)注[1]。基于長期定位觀測的農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)是開展相關(guān)研究的關(guān)鍵基礎(chǔ)，也是地區(qū)或國家農(nóng)業(yè)政策制定的有力依據(jù)。長期定位觀測是揭示全球環(huán)境結(jié)構(gòu)與功能演變規(guī)律的重要研究手段，依托定位觀測實驗站，在固定地塊上，對大氣環(huán)境、水環(huán)境、土壤環(huán)境、生物群落等要素開展長期觀測[2]。隨著長期定位觀測研究向著大規(guī)模、長時間、跨學科、多因子聯(lián)合發(fā)展[3]，各類觀測網(wǎng)絡在諸如英國洛桑實驗站的長期定位觀測實驗站基礎(chǔ)上發(fā)展起來[4]，全球尺度的環(huán)境觀測網(wǎng)絡有全球環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)(Global Environmental Monitoring System,GEMS)、全球陸地觀測系統(tǒng)(Global Terrestrial Observing System,GTOS)、國際長期生態(tài)研究網(wǎng)絡(International Long-Term Ecological Research,ILTER)、全球通量觀測網(wǎng)絡(FLUXNET)等[5]。

我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也形成了一些基礎(chǔ)較好的長期定位觀測網(wǎng)絡，其中最典型的是肥力網(wǎng)和種質(zhì)資源圃網(wǎng)。國家土壤肥力與肥料效益監(jiān)測站網(wǎng)于1987 年建立，在全國8 個主要土壤類型上開展長期定位監(jiān)測試驗，積累了連續(xù)系統(tǒng)的土壤肥力觀測數(shù)據(jù)[6]。1979年—1989年，陸續(xù)建設起的32個國家種質(zhì)資源圃，在保存延續(xù)種質(zhì)資源材料的同時，長期積累下大量作物性狀科學觀測數(shù)據(jù)[7]。然而我國農(nóng)業(yè)科學觀測數(shù)據(jù)的信息化程度仍然較低[8]，分散、間斷、各自為戰(zhàn)的農(nóng)業(yè)科學觀測，在支撐國家農(nóng)業(yè)重大決策中仍顯乏力。

隨著傳感器技術(shù)發(fā)展，各類自動觀測設備的應用，推動傳統(tǒng)的科學觀測工作進入大數(shù)據(jù)時代[3]。“大科學、大數(shù)據(jù)”已成為未來科學觀測的重要發(fā)展和應用方向，既要開展跨領(lǐng)域的數(shù)據(jù)融合，也要開展多尺度的數(shù)據(jù)融合，挖掘科學觀測大數(shù)據(jù)的價值[9]。大數(shù)據(jù)技術(shù)跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)挖掘的能力，使得豐富多元化的跨界信息服務將成為大數(shù)據(jù)時代農(nóng)情監(jiān)測與預警的主流發(fā)展方向[10]。然而，多數(shù)據(jù)源、不同類型數(shù)據(jù)的跨領(lǐng)域融合，既是大數(shù)據(jù)應用的前傾，也是技術(shù)挑戰(zhàn)[11]。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)應用主要集中在生產(chǎn)端，支撐精準農(nóng)業(yè)、智慧農(nóng)業(yè)等方面[12-13]，而較少涉及支撐基礎(chǔ)研究和應用研究的農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合。本文以農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測數(shù)據(jù)為出發(fā)點，重點關(guān)注農(nóng)業(yè)科學觀測數(shù)據(jù)的跨領(lǐng)域融合問題，探討農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)業(yè)各學科領(lǐng)域的交叉與聯(lián)系，研究農(nóng)業(yè)環(huán)境對農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合的紐帶作用，以及農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合所需條件，以期對未來農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融和發(fā)展提供一些參考思路，促進農(nóng)業(yè)科學觀測數(shù)據(jù)融合發(fā)展。

2 農(nóng)業(yè)環(huán)境對農(nóng)業(yè)科學觀測的影響

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理活動離不開水、土壤、大氣等農(nóng)業(yè)環(huán)境要素，因此，農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)業(yè)各學科領(lǐng)域有著千絲萬縷的聯(lián)系，也就成為各領(lǐng)域科學觀測數(shù)據(jù)匯交融合的紐帶。

2.1 農(nóng)業(yè)環(huán)境對作物種質(zhì)資源收集與利用的影響

農(nóng)業(yè)環(huán)境演變尤其是氣候變化，對作物種植資源的發(fā)掘、保存和利用都有重要影響[14]。隨著全球升溫，我國高緯度地區(qū)熱量資源改善，生育期延長，喜溫作物界限北移，如冬小麥的安全種植北界將由目前的長城一線北移到沈陽—張家口—包頭—烏魯木齊一線[15]。然而升溫導致熱帶和亞熱帶地區(qū)需求種質(zhì)資源材料的支持，培育出適應未來氣候變化條件種植的新品種[16-17]。過去幾十年，我國絕大部分農(nóng)業(yè)氣象災害危害加重,特別是極端氣候事件發(fā)生頻率加大[18-19]，其中干旱和洪澇災害是對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響最為嚴重的因素[20]。這就需要著力匯交資源抗逆性狀數(shù)據(jù)，支撐關(guān)鍵基因發(fā)掘和新品種培育改良以應對未來氣候變化的不利影響[21]。

2.2 農(nóng)業(yè)環(huán)境對土壤質(zhì)量影響

升溫、降水格局改變、CO2肥效引起土壤中碳氮元素周轉(zhuǎn)速率變化[22-23]，對發(fā)展中國家的研究結(jié)果顯示氣候變化對土壤肥力的負面影響遠高于有益效果[24]。而農(nóng)田土壤中的碳氮循環(huán)過程對氣候變化具有顯著反饋作用。農(nóng)田土壤碳匯潛力對減緩氣候變化具有重要意義[25]；然而農(nóng)田土壤同樣是我國最主要的N2O 排放源，水田是CH4的重要排放源[26]，N2O和CH4兩種溫室氣體排則會加劇全球變暖。此外，農(nóng)田中的氮素、磷素、農(nóng)藥及其他污染物質(zhì)通過地表徑流、農(nóng)田排水和土壤淋溶等途徑進入周圍水體形成的面源污染[27]，已經(jīng)成為當前最嚴重的農(nóng)業(yè)環(huán)境污染問題[28]。

2.3 農(nóng)業(yè)環(huán)境對蟲害影響

我國農(nóng)業(yè)產(chǎn)值因病蟲害造成的損失約為農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的20%～25%[29]。蟲害的發(fā)生或流行與氣候條件有著密切的關(guān)系，甚至一些蟲害的發(fā)生與否主要取決于氣候條件，而氣候變化還可能使新的蟲害類型出現(xiàn)，對害蟲的發(fā)生世代、越冬北界及分布范圍產(chǎn)生巨大的影響[30-31]。隨著全球升溫，遷飛性害蟲向高緯度和高海拔地區(qū)的遷移，使其與寄主植物、天敵昆蟲之間的同步性發(fā)生改變,進而整個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[32]。

2.4 農(nóng)業(yè)環(huán)境對農(nóng)業(yè)微生物影響

細菌、真菌及放線菌是土壤中枯落物和有機質(zhì)最主要的分解者，微生物群落結(jié)構(gòu)和活性受土壤環(huán)境（如土壤溫度、水分、透氣性及pH）變化影響[23]，參與有機質(zhì)分解所需的胞外酶活性同樣受土壤環(huán)境調(diào)控，進而影響著土壤的碳氮循環(huán)過程[33]，對氣候變化產(chǎn)生反饋作用[34]。過去幾十年，我國農(nóng)區(qū)氣候變化總體有利于農(nóng)作物病害發(fā)生[35]。尤其是冬季氣溫升高將降低病原菌越冬死亡率,延長病菌冬前侵染時間,增加冬后菌源；而春季氣溫升高將使越冬病原提前萌發(fā)，造成病害發(fā)生期和危害期提前[36]。

2.5 農(nóng)業(yè)環(huán)境對畜禽養(yǎng)殖影響

全球升溫有利于喜溫品種的養(yǎng)殖界限擴展；改變家畜新陳代謝速度與效率，氣溫的適當提高有利于家畜生長發(fā)育，延長生長期，也可使動物提前成熟期，長期影響可提高繁育效率；高寒地區(qū)冬季升溫有利于家畜越冬，提高幼畜的成活率[37]。然而家畜的生理周期與節(jié)律受氣候變化影響可能出現(xiàn)紊亂；由于家畜的呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)對氣候變化十分敏感，流感等動物疫病導致家畜患病幾率提高、傳播范圍擴大[38]；極端氣候事件頻發(fā)，尤其是在繁育期，可能導致繁殖率降低[39]。此外，畜禽養(yǎng)殖是我國最主要的CH4排放源[26]，而畜禽糞污也是重要的農(nóng)業(yè)面源污染源[27]。

2.6 農(nóng)業(yè)環(huán)境對漁業(yè)資源環(huán)境生產(chǎn)影響

全球升溫對漁業(yè)資源多樣性有積極作用，一方面高緯度和高海拔寒冷地區(qū)可養(yǎng)殖的水生生物種類增加，另一方面海洋中暖水性水生生物從低緯度海區(qū)向高緯度海區(qū)遷徙，改變海區(qū)生物群落和生物地理學的結(jié)構(gòu)[40]。而極端氣候事件頻發(fā)則對我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)造成嚴重影響，高溫熱害使魚塘池水蒸發(fā)過快、降低水質(zhì)，導致水生動物進食困難、生長緩慢、病害增多，引起倒藻或單一藻類大量繁殖，造成泛塘[41]。暴雨、臺風的危害則更為直接而劇烈，還會引發(fā)水位上漲、洪澇等次生災害[42]。氣壓和洋流等變化的影響也不容忽視，2008 年拉尼娜導致的中國沿岸流沖擊澎湖群島，引起海水溫度降低，導致73 噸野生海魚和80%的養(yǎng)殖海魚死亡[43]。此外，農(nóng)業(yè)面源污染不僅影響漁業(yè)養(yǎng)殖環(huán)境，而且對自然界水環(huán)境造成嚴重影響，威脅著漁業(yè)種質(zhì)資源。

2.7 農(nóng)業(yè)環(huán)境對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全影響

作物品種的基因型決定了作物品質(zhì)的可能性，而農(nóng)業(yè)環(huán)境尤其是氣候條件影響著作物的表現(xiàn)型，即農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[39]。CO2濃度、溫度、輻射、水分等農(nóng)業(yè)環(huán)境要素變化，影響著農(nóng)產(chǎn)品中糖、氨基酸和蛋白質(zhì)含量、礦質(zhì)養(yǎng)分濃度[44]，“氣候品質(zhì)”在煙草、茶葉等經(jīng)濟作物的種植生產(chǎn)中尤其受到重視，如茶多酚、咖啡堿、鹽堿、石油醚等影響其品質(zhì)與風味的關(guān)鍵物質(zhì)合成受環(huán)境調(diào)控[45-46]。此外，農(nóng)藥、除草劑、抗生素等投入品的過度施用不僅造成了嚴重的農(nóng)業(yè)面源污染，投入品殘留及富集效應也嚴重威脅著食品安全[47]。

3 以農(nóng)業(yè)環(huán)境為紐帶的農(nóng)業(yè)科學觀測數(shù)據(jù)融合

3.1 農(nóng)業(yè)科學觀測數(shù)據(jù)融合框架

受氣候變暖為主要特征的全球變化影響，農(nóng)業(yè)環(huán)境顯著影響著作物、畜禽、水生生物、微生物和病蟲害的生長節(jié)律和分布范圍，土壤環(huán)境與土壤質(zhì)量密切聯(lián)系，土壤環(huán)境和水環(huán)境中的污染物影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。此外，耕作和畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的CO2、CH4和N2O等溫室氣體對氣候變暖有正反饋效應，而投入品和畜禽糞污形成的面源污染也影響著土壤環(huán)境和水環(huán)境。因此，應用機器學習、人工智能等方法，在傳統(tǒng)統(tǒng)計模型的基礎(chǔ)上，建立各農(nóng)業(yè)觀測要素與農(nóng)業(yè)環(huán)境要素的系統(tǒng)模型，以農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)為紐帶，形成觀測數(shù)據(jù)融合框架。

3.2 農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合的條件

（1）聯(lián)網(wǎng)觀測。我國農(nóng)業(yè)野外科學觀測實驗站經(jīng)過過去幾十年的發(fā)展，為聯(lián)網(wǎng)觀測打下了堅實的基礎(chǔ)[48]，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)性長期性科技工作已建立起由100 個國家農(nóng)業(yè)科學觀測實驗站組成的長期定位觀測網(wǎng)絡，依據(jù)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)劃與農(nóng)業(yè)學科發(fā)展特征，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素及其動態(tài)變化進行系統(tǒng)地觀測、監(jiān)測和記錄。但每個國家農(nóng)業(yè)科學觀測實驗站有明確的領(lǐng)域劃分，只針對所屬數(shù)據(jù)中心的觀測任務開展工作，觀測網(wǎng)絡并未真正融合，呈現(xiàn)多個小型觀測網(wǎng)絡“組裝”的結(jié)構(gòu)。這種工作架構(gòu)無疑會成為農(nóng)業(yè)科學觀測數(shù)據(jù)融合過程中的先天障礙。以農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)為紐帶可以一定程度克服這種障礙，需各領(lǐng)域?qū)嶒炚就接^測農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)。而聯(lián)系緊密的領(lǐng)域或為解決特定交叉學科問題，可通過多領(lǐng)域聯(lián)合觀測減少數(shù)據(jù)融合過程中的不確定性。因此，大數(shù)據(jù)融合要求科學觀測實驗站向綜合型發(fā)展，在保持自身原有學科特色的同事，也應具備開展多學科基本要素觀測的能力。

(2)數(shù)據(jù)標準化。數(shù)據(jù)的標準化是科學觀測數(shù)據(jù)共享和應用過程中的巨大障礙[49]。數(shù)據(jù)在標準化和清洗過程中會損失大量的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)所攜帶的信息，而標準化的科學觀測直接積累標準化數(shù)據(jù)，提高科學觀測數(shù)據(jù)的應用共享效率。地面觀測數(shù)據(jù)的時間和空間信息是準確把握數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律的關(guān)鍵[50]。全球氣候觀測系統(tǒng)(GCOS)通過地面觀測網(wǎng)絡、高空網(wǎng)絡、海洋和水下觀測網(wǎng)絡、衛(wèi)星遙感觀測系統(tǒng)，開展多圈層的綜合觀測，提供群和系統(tǒng)的綜合信息[51]。跨區(qū)域的不同實驗站甚至不同觀測網(wǎng)絡進行聯(lián)合觀測與研究，從樣地到區(qū)域甚至到全球多尺度的、系統(tǒng)的觀測與研究，必須建立在觀測的標準化和規(guī)范化基礎(chǔ)之上[5]。

(3)數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)的觀測手段人力成本高，觀測人員的專業(yè)門檻高，主觀因素帶來的不確定性高。而隨著各類型傳感器和數(shù)據(jù)采集器的發(fā)展，農(nóng)業(yè)科學觀測將逐漸向全自動化、實時化、精準化與智能化的方向發(fā)展[10]。諸如作物生育期、作物表型等人力成本較高且不確定性難以控制的觀測內(nèi)容，在智能感知技術(shù)的支持下，通過對傳感器獲取數(shù)據(jù)的分析、建模、圖譜識別等實現(xiàn)自動化觀測[52]。田間作物高通量表型信息獲取與分析技術(shù)已成為了當前植物表型領(lǐng)域的一個研究熱點[53]，基于無人機的高通量植物表型觀測技術(shù)更是有著靈活便捷的特點[54]。而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了自動觀測數(shù)據(jù)的遠程傳輸、實時監(jiān)控和直接入庫[52]，物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)，以成為自動觀測儀器設備的重要參數(shù)，但也成為了學觀測數(shù)據(jù)匯交系統(tǒng)對數(shù)據(jù)自動訪問和傳輸?shù)恼系K。國家農(nóng)業(yè)科學觀測實驗站在獲得農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新能力條件建設過程中，應注意自動化、智能化觀測設備的引入。

(4)數(shù)據(jù)融合。農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合的難點在跨學科數(shù)據(jù)融合和跨尺度數(shù)據(jù)融合[4]。聯(lián)網(wǎng)觀測和數(shù)據(jù)標準化是跨學科和跨尺度數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)。而交叉學科研究是跨學科數(shù)據(jù)融合的路徑，基于農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)業(yè)各學科的交互關(guān)系，引入信息學方法，如神經(jīng)網(wǎng)絡、機器學習、人工智能等[6]，開展交叉學科研究，建立系統(tǒng)模型以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學觀測數(shù)據(jù)的跨學科融合。多尺度觀測技術(shù)的發(fā)展也為跨尺度數(shù)據(jù)融合奠定了基礎(chǔ)。衛(wèi)星遙感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測與管理中的應用越發(fā)廣泛，空間分辨率已從公里級發(fā)展到亞米級，觀測頻率從月周期發(fā)展到幾小時,光譜波段涵蓋了可見光、紅外到微波,光譜分辨率從多波段發(fā)展到超光譜[5]。地面農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)結(jié)合，應用尺度轉(zhuǎn)換方法，可以使地面觀測的眾多數(shù)據(jù)由點推向面，衍生出區(qū)域尺度空間數(shù)據(jù)，為解決區(qū)域乃至國家尺度的農(nóng)業(yè)環(huán)境問題提供數(shù)據(jù)支撐。統(tǒng)一的標準規(guī)范在觀測數(shù)據(jù)跨區(qū)域?qū)Ρ确治鲋衅鸬搅酥陵P(guān)重要的作用，特別是全球尺度的環(huán)境觀測網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的尺度轉(zhuǎn)換和跨尺度融合[5]。

4 結(jié)論與建議

農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)性長期性科技工作為我國農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合建立了農(nóng)業(yè)科學觀測網(wǎng)絡體系，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合尚需在以下幾點突破。一是在聯(lián)網(wǎng)觀測的基礎(chǔ)上，著重發(fā)展學科交叉。通過在各實驗站開展各學科基本要素觀測，為多學科的數(shù)據(jù)融合打下基礎(chǔ)，使國家農(nóng)業(yè)科學觀測實驗站網(wǎng)絡成為有機整體，而不是在網(wǎng)絡內(nèi)各中心各自為戰(zhàn)。短期需明確農(nóng)業(yè)環(huán)境共性觀測指標，各學科實驗站以統(tǒng)一標準進行觀測，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的紐帶作用，為農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)的跨學科融合打下基礎(chǔ)。中期可引入聯(lián)合觀測機制，加強學科交叉，逐步建立一支跨領(lǐng)域觀測隊伍，將破碎化的觀測網(wǎng)絡編織完整，探索綜合實驗站觀測模式。長期發(fā)展全面實現(xiàn)綜合實驗站模式，真正實現(xiàn)全國農(nóng)業(yè)科學觀測一張網(wǎng)，加強農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)尺度轉(zhuǎn)化研究，支撐農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)的多尺度融合；二是推動數(shù)據(jù)標準化。標準化的科學數(shù)據(jù)觀測是農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)性長期性科技工作的重要發(fā)展，但體系內(nèi)部的標準缺乏約束力度和發(fā)展支撐。需推進觀測標準形成行業(yè)標準乃至國家標準，一方面體系內(nèi)的實驗站需嚴格執(zhí)行，另一方面體系外的實驗站可以參考實施，為跨網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合奠定基礎(chǔ)；三是穩(wěn)定經(jīng)費支持，保障數(shù)據(jù)采集。當前農(nóng)業(yè)科學觀測仍依靠大量一線觀測專家獲取數(shù)據(jù)，需要穩(wěn)定的運行經(jīng)費以維持農(nóng)業(yè)科學觀測數(shù)據(jù)的持續(xù)積累。此外，隨著傳感器技術(shù)發(fā)展，實驗站引進自動化觀測設備需要能力條件建設經(jīng)費的定期支持。人“財”支持是農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)性長期性科技工作持續(xù)穩(wěn)定積累農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，支撐農(nóng)業(yè)原始創(chuàng)新，為農(nóng)業(yè)農(nóng)村綠色發(fā)展和管理決策提供科學依據(jù)的基礎(chǔ)保障；四是加強交叉學科研究，探索數(shù)據(jù)融合方法。農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合是農(nóng)學與信息科學交叉的必然選擇，也是多尺度觀測技術(shù)的發(fā)展方向。通過交叉學科研究，在跨學科和跨尺度數(shù)據(jù)融合方法上取得突破，才能真正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)科學觀測大數(shù)據(jù)融合，挖掘出觀測數(shù)據(jù)更大的價值，指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為農(nóng)業(yè)政策制定提供基礎(chǔ)支撐。