儲糧生態(tài)系統(tǒng)中多種場的耦合理論及應(yīng)用

◎ 李欣蔚，高樹成，趙 旭，譚艷妮，張 健，李 佳

（1.遼寧省糧食科學(xué)研究所，遼寧 沈陽 110032；2.沈陽市食品藥品檢驗所，遼寧 沈陽 110032）

糧食安全是國家安全的重要基礎(chǔ)，而糧食的安全儲藏便成為了保證糧食安全的重要環(huán)節(jié)。在儲糧過程中，環(huán)境條件適宜，糧食本身便成為了微生物良好的培養(yǎng)基。微生物的大量繁殖會引起糧食霉變，從而使糧食品質(zhì)下降，甚至產(chǎn)生毒素，危害人們的生命安全。

糧食安全問題作為全球性話題一直備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[1]。糧食安全包括糧食生產(chǎn)安全、糧食流通安全、糧食進出口安全和糧食消費安全。聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）提出了糧食儲藏量的安全指標，即糧食儲藏量應(yīng)當占當年糧食消費總量的17%～18%[2]。根據(jù)FAO 和經(jīng)濟合作發(fā)展組織（OECD）聯(lián)合發(fā)布的《農(nóng)業(yè)展望報告》顯示，糧食價格總體水平遠高于近年平均水平，饑餓人口有增無減，根據(jù)聯(lián)合國公布的最新數(shù)據(jù)，全球每天忍受饑餓的人數(shù)達到10.2 億人[3]。而在我國，由于糧食儲量大、分布廣，糧食生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，安全儲糧作為保障糧食生產(chǎn)和糧食流通之間的重要環(huán)節(jié)，直接影響全國的糧食安全形勢。

1 安全儲糧的研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外有關(guān)糧食儲藏過程中微生物活動與糧食品質(zhì)的研究已取得一定進展。在儲藏期間，在糧堆溫度、濕度的影響下，微生物活動加劇，最終將影響儲藏稻谷的品質(zhì)。其中，霉菌區(qū)系的演替與脂肪酸值升高和整精米率下降有關(guān)，即霉菌量與脂肪酸值呈正相關(guān)，與整精米率呈負相關(guān)。有研究表明，儲藏稻谷中水分和溫度越高，稻谷霉菌量增長越快，曲霉是其中的優(yōu)勢菌；當霉菌數(shù)量低于104CFU·g-1時，稻谷可以安全貯藏；而當其中霉菌數(shù)量達到105CFU·g-1時，稻谷開始霉變，霉菌數(shù)量值的變化與霉菌演替有顯著相關(guān)性[4]。

保證糧食安全儲藏需要對整個糧堆的糧情系統(tǒng)進行有效檢測，掌握糧情的變化規(guī)律可以更加科學(xué)的指導(dǎo)倉儲，完善糧食儲藏監(jiān)管手段。有研究表明，糧倉中的糧堆在儲藏時是一個多場耦合系統(tǒng)，包括生物場和非生物場，其中微生物和儲糧害蟲隨時間的活動屬于生物場，而糧倉溫度、濕度、氣流速度等屬于非生物場[5]。糧情監(jiān)測系統(tǒng)最早在2000 年由Jain 提出[6]，主要監(jiān)測設(shè)備是個人電腦和糧倉中的溫濕度傳感器。

2 儲糧的生物場理論

2.1 生物場概念

生物學(xué)的基礎(chǔ)是生物系統(tǒng)內(nèi)的能量循環(huán)和與外界環(huán)境之間的能量交換。生物系統(tǒng)是復(fù)雜的生物實體之間相互作用的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，生物系統(tǒng)中的每個生物實體又同時與周圍環(huán)境中的生物實體和非生物實體進行著物質(zhì)和能量交換。生物系統(tǒng)內(nèi)的細胞利用能量進行分裂、分化、代謝和繁殖。在稻谷儲藏期間，休眠的稻谷作為能量來源，為生物系統(tǒng)內(nèi)的真菌、細菌、昆蟲和螨蟲等提供生存必備的條件。有研究表明，糧食在儲藏時期活躍著的真菌等微生物，會以類似物理場的方式與環(huán)境作用，即真菌生物場與溫度、水分物理場的相互作用[7]。

場，在物理學(xué)中用于描述和預(yù)測各種物理現(xiàn)象。在微生物學(xué)領(lǐng)域，場可以用來描述生物系統(tǒng)在時域和在時域中的行為，或者各個系統(tǒng)之間相互作用的范圍。具體而言，可以通過場強來量化生物場中生物實體的時空分布，場強被定義為生物實體通過能量交換來影響其他物理和生物實體的能力。糧食儲藏是糧堆自身生態(tài)系統(tǒng)和外界環(huán)境系統(tǒng)共同作用下的動態(tài)過程。糧堆中的微生物包括田間菌和儲藏菌與稻谷和外界環(huán)境持續(xù)進行著物理、生化方式的相互作用。因此，可以應(yīng)用場的概念來研究儲糧過程中真菌的生物行為，以及應(yīng)用場強的概念來量化生物場與溫度、濕度物理場之間的相互作用。真菌生物領(lǐng)域的強度被量化為真菌從谷物淀粉到熱能的能量轉(zhuǎn)化率。

2.2 糧堆微生物場效應(yīng)

在儲糧過程中，糧堆中的微生物在適宜的條件下將糧食中的有機物質(zhì)分解為水和二氧化碳，糧堆的溫度因此進一步升高，進而使得微生物加速生長，而微生物的大量繁殖又會釋放更多的水、二氧化碳，直至糧堆溫度升高至不適宜微生物生長的程度，即停止。因此，糧堆生物場場強的物理意義可以理解為將非生物場中的能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移、消耗的能力。

Dunke 將儲藏時期的糧堆描述為一個生態(tài)系統(tǒng)，是相互作用的生物群落的組合，而生物群落又與其非生物環(huán)境相互作用[8]。生物群落包括稻谷真菌、昆蟲、螨蟲、鳥類、嚙齒動物甚至人類，而非生物環(huán)境包括存儲結(jié)構(gòu)（筒倉、垃圾箱、袋子等）、溫度、濕度和氣體。每個生物實體可以在特定狀態(tài)（時間）從一組給定的輸入中產(chǎn)生一組輸出（能量、物質(zhì)和信息）。有研究采用定量模型，根據(jù)生物系統(tǒng)的時空變化和演化來表征生物系統(tǒng)。如Eden 模型[9]已用于預(yù)測細菌菌落的空間格局。擴散型微分方程用于描述生物系統(tǒng)在空間波動中隨著時間的演變過程[10-11]。

在儲糧系統(tǒng)中，溫度和水分等非生物因素決定了真菌的發(fā)芽和發(fā)育，而真菌的生長則產(chǎn)生熱量和水分，從而改變了儲糧系統(tǒng)的溫度和水分，進而加速了真菌的生長，并可能導(dǎo)致其他有利于不同溫度或濕度的生物實體（如不同的真菌物種或細菌）的出現(xiàn)。由此可見，真菌的生物場具有將糧食中碳水化合物轉(zhuǎn)化為熱量，同時影響糧堆中溫度場的能力[12]。例如，根瘤菌和豆科菌的共生過程中，根瘤菌的生物場（時間和空間分布）中包含了細菌和植物寄主之間的分子信號轉(zhuǎn)換[13]。

真核生物的溫度上限約為60 ℃[14]，因此，真菌產(chǎn)生的熱量還可能導(dǎo)致溫度升高到足夠高的水平，從而導(dǎo)致真菌熱死。描述這個復(fù)雜的生物相關(guān)實體網(wǎng)絡(luò)，以及它們之間以及與物理環(huán)境之間的相互作用極具挑戰(zhàn)性。因此，“場”作為物理學(xué)中公認的用于研究相互交織的復(fù)雜生物系統(tǒng)的概念[15]，已成功地用于解釋和預(yù)測許多物理現(xiàn)象，也成功的用于描述和預(yù)測各領(lǐng)域內(nèi)的生物系統(tǒng)。

2.3 糧堆微生物場的變化規(guī)律

場是時間和空間的函數(shù)。有研究通過引入糧堆微生物場概念，對實倉糧情數(shù)據(jù)進行建模，揭示了糧堆微生物場的變化規(guī)律[16]。因此，糧堆微生物場被確定為糧堆中微生物個體和群落的時空分布及其影響周圍非生物場的能力。這種能力即被定義為糧堆微生物場場強，場強的量化表達為單位體積、時間內(nèi)微生物產(chǎn)生的熱量（單位為kJ）。糧堆微生物場與其他生物場和非生物場相互影響、相互依存、相互耦合，這種關(guān)系可分為“微耦合”“強耦合”“退耦合”。隨著儲藏時間的延長，根據(jù)場效應(yīng)的強弱，糧堆微生物場的演替歷程可分為蟄伏過程、潛伏過程、自激過程和衰退過程。

3 多場耦合理論的技術(shù)應(yīng)用

3.1 多場耦合理論

有學(xué)者運用多場耦合理論對糧倉的糧情云圖進行分析和預(yù)測，得到了糧堆溫度場和水分氣壓場對糧食儲藏品質(zhì)的破壞機理[17]。糧堆微生物場強增強時會對儲糧品質(zhì)造成破壞，因此需要使微生物場進入退耦合狀態(tài)，即對微生物等生物行為進行抑制和消除。當糧食的食用品質(zhì)受到破壞時，糧堆生態(tài)系統(tǒng)中的微生物場發(fā)生自激鏈式反應(yīng)，而保證糧食的安全儲藏，就是要阻斷微生物場的自激鏈式反應(yīng)。目前研究表明，阻斷反應(yīng)的手段主要有2 種：①通過外界干預(yù)，如使用藥物熏蒸、加強通風或谷冷機冷卻等方式破壞微生物的生存條件來實現(xiàn)阻斷效果。②通過微生物場的自激鏈式反應(yīng)發(fā)生到一定階段，如發(fā)熱使得糧堆溫度過高，或者養(yǎng)分被消耗殆盡，或者產(chǎn)生不利于微生物生存的代謝產(chǎn)物積累到一定程度等，終止了微生物的繁殖，使得鏈式反應(yīng)終止。由此可見，在糧食儲藏過程中對糧情進行實時監(jiān)測具有十分重要的作用和意義。在糧食整個儲藏過程中，需要對糧堆的溫度、濕度、水分、害蟲密度以及糧倉內(nèi)外溫度、濕度、各種氣體濃度等物理量的變化趨勢進行精準把控，以確保糧食品質(zhì)的安全。而對糧情數(shù)據(jù)的采集需要借助傳感技術(shù)，糧情數(shù)據(jù)主要包括采集時間、取樣點位置、糧堆溫度、糧倉溫度及濕度和大氣溫度及濕度等。針對以上數(shù)據(jù)進行分析則需要建立分析模型，采用編程手段來分析處理糧情數(shù)據(jù)，其分析的準確性將直接影響到整個儲藏控制的效果。

3.2 多場耦合理論的技術(shù)應(yīng)用——AI 技術(shù)

Torday 指出“生物有機體的行為模式就像一個場，由于之間的相互作用，因此場便成為了物理學(xué)上描述生物系統(tǒng)動態(tài)行為的基礎(chǔ)，場強即為生物細胞的生物作用能力?！盵18]有學(xué)者應(yīng)用糧堆多場耦合理論建立糧食儲藏中發(fā)熱、霉變、空倉、半倉及異動等管理異常模態(tài)的溫度場云圖特征指紋，開發(fā)了儲糧監(jiān)管AI 分析軟件[19-20]。AI 技術(shù)（Artificial Intelligence，AI），又稱為人工智能技術(shù)，是目前發(fā)展最快的學(xué)科之一。AI 技術(shù)通過掌握某個系統(tǒng)的運行機制，建立起一套數(shù)學(xué)模型進行模擬，進一步來對系統(tǒng)進行精準把控和優(yōu)化管理[21]。

2019 年10 月在吉林省長春市召開的以智慧糧食為主題的國際研討會議明確界定了糧食產(chǎn)后領(lǐng)域的AI 技術(shù)概念，并首次將糧食領(lǐng)域內(nèi)的AI 技術(shù)劃分為3 個層次。①數(shù)字糧食系統(tǒng)（Digtal Cereal System，DCS）包括糧食產(chǎn)后各個環(huán)節(jié)中的傳感采集、檢測采集、管理采集和網(wǎng)絡(luò)采集等數(shù)據(jù)的收集、傳輸過程，以及數(shù)據(jù)的分類、分析、統(tǒng)計與對比等數(shù)據(jù)處理和自動報表生成等過程的單一系統(tǒng)或系統(tǒng)組合。②智能糧食系統(tǒng)（Intelligence Cereal System，ICS）在數(shù)字糧食系統(tǒng)（DCS）基礎(chǔ)上，具有AI 推理功能（機理驅(qū)動AI、數(shù)據(jù)驅(qū)動AI 或混合雙驅(qū)動AI），還可包括專家輔助決策功能（智識庫），形成的控制優(yōu)化或管理優(yōu)化的單一系統(tǒng)或系統(tǒng)組合。③智慧糧食系統(tǒng)（Smart Cereal System，SCS）包括多個不同糧食流通環(huán)節(jié)的智能糧食系統(tǒng)（ICS）和糧食流通大數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，共同構(gòu)成具有區(qū)域特性或產(chǎn)業(yè)鏈特性的糧食監(jiān)測、追溯、監(jiān)管、控制、管理及服務(wù)等整體功能優(yōu)化的組合AI 系統(tǒng)。

4 結(jié)語

在儲糧領(lǐng)域內(nèi)利用多場耦合理論可以對儲糧過程中的糧堆溫度場和濕度場云圖進行分析，對不同季節(jié)糧堆可能發(fā)生結(jié)露或出現(xiàn)微生物場耦合區(qū)域進行推算；同時，可以建立監(jiān)管儲備糧庫溫度場云圖的指紋掃描系統(tǒng)，對糧食儲藏過程中發(fā)熱、霉變、空倉和半倉等管理異常模態(tài)的溫度場云圖特征進行實時監(jiān)控。因此，依托多場耦合理論所建立起來的新型AI 儲糧技術(shù)可廣泛的應(yīng)用于糧食儲藏的各個環(huán)節(jié)。