今年初，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院聯(lián)合發(fā)布了題為Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030的研究報(bào)告，描述了美國(guó)科學(xué)家眼中農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟待突破的五大研究方向。
1. 整體思維和系統(tǒng)認(rèn)知分析技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科技突破的首要前提
農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是復(fù)雜巨系統(tǒng)，已經(jīng)很難再依靠“點(diǎn)”上的技術(shù)突破實(shí)現(xiàn)整體提升。報(bào)告建議將跨學(xué)科研究和系統(tǒng)方法作為解決重大關(guān)鍵問題的首選項(xiàng)。系統(tǒng)認(rèn)知就是要從系統(tǒng)的要素構(gòu)成、互作機(jī)理和耦合作用來探索問題解決的途徑。“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)突破必須突破單要素思維，從資源利用、運(yùn)作效率、系統(tǒng)彈性和可持續(xù)性的整體維度進(jìn)行思考。
我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)效率不高、競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)、生態(tài)不可持續(xù)的問題主要是在土地資源的利用方式上。因此，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科技突破需要從土地資源的治理、修復(fù)、提升入手。
2. 新一代傳感器技術(shù)將成為推動(dòng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)步的底層驅(qū)動(dòng)技術(shù)
量值定義世界，精準(zhǔn)決定未來。美國(guó)將高精度、精準(zhǔn)、可現(xiàn)場(chǎng)部署的傳感器以及生物傳感器的開發(fā)、應(yīng)用作為未來技術(shù)突破的關(guān)鍵。當(dāng)前傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但主要還集中在對(duì)單個(gè)特征如溫度的測(cè)量上，如果要同時(shí)了解整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)理，連續(xù)監(jiān)測(cè)多個(gè)特征的聯(lián)動(dòng)能力才是關(guān)鍵。
值得注意的是，新一代傳感器技術(shù)不僅僅包括對(duì)物理環(huán)境、生物性狀的監(jiān)測(cè)和整合，更包括運(yùn)用材料科學(xué)及微電子、納米技術(shù)創(chuàng)造的新型納米和生物傳感器，對(duì)諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動(dòng)植物、環(huán)境時(shí)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)控。
新一代傳感器所具備的快速檢測(cè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)反饋能力，將為系統(tǒng)認(rèn)知提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，賦予人類“防治未病”的能力，即在出現(xiàn)病癥前就能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。如果能在資源要素的利用環(huán)節(jié)即可精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)和定量識(shí)別可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問題，并能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將徹底改變我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用方式。因此，新一代傳感器技術(shù)將是我國(guó)必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。
3. 數(shù)據(jù)科學(xué)和信息技術(shù)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的戰(zhàn)略性關(guān)鍵技術(shù)
數(shù)據(jù)科學(xué)和分析工具的進(jìn)步為提升農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究和知識(shí)應(yīng)用提供了重要的突破機(jī)遇。報(bào)告稱，盡管收集了大量糧食、農(nóng)業(yè)、資源等各類數(shù)據(jù)，但由于實(shí)驗(yàn)室研究和生產(chǎn)實(shí)踐中的數(shù)據(jù)一直處于彼此脫節(jié)的狀態(tài)，缺乏有效的工具來廣泛使用已有的數(shù)據(jù)、知識(shí)和模型。大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，提供了更快速地收集、分析、存儲(chǔ)、共享和集成異構(gòu)數(shù)據(jù)的能力和高級(jí)分析方法。
換句話說，數(shù)據(jù)科學(xué)和信息技術(shù)能夠極大地提高對(duì)復(fù)雜問題的解決能力，將農(nóng)業(yè)、資源等相關(guān)領(lǐng)域的大量研究成果應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐中，在動(dòng)態(tài)變化條件下自動(dòng)整合數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，促進(jìn)形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智慧管控。
4. 突破性的基因組學(xué)和精準(zhǔn)育種技術(shù)應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)并采用
隨著基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)，有針對(duì)性的遺傳改良可以以傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的方式對(duì)植物和動(dòng)物進(jìn)行改良。通過將基因組信息、先進(jìn)育種技術(shù)和精確育種方法納入常規(guī)育種和選擇計(jì)劃，可以精確、快速地改善對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響的生物性狀。
這種能力為培育新作物和土壤微生物、開發(fā)抗病動(dòng)植物、控制生物對(duì)壓力的反應(yīng)，以及挖掘有用基因的生物多樣性等打開了技術(shù)大門。應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)并采用其中一些突破性技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、抗病抗旱能力以及農(nóng)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。
5.微生物組技術(shù)對(duì)認(rèn)知和理解農(nóng)業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要
通過近年來大量的研究報(bào)道，我們知道了人體微生物對(duì)身體健康的重要性，相比而言我們對(duì)農(nóng)業(yè)中土壤、植物和動(dòng)物的微生物組及其影響還不夠了解。隨著利用越來越復(fù)雜的工具探測(cè)農(nóng)業(yè)微生物組，美國(guó)有望在未來十年實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，建立其農(nóng)業(yè)微生物數(shù)據(jù)庫，更好地理解分子水平土壤、植物和動(dòng)物微生物組之間的相互作用，并通過改善土壤結(jié)構(gòu)、提高飼料效率和養(yǎng)分利用率以及提高對(duì)環(huán)境和疾病的抵抗力等增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和彈性，甚至徹底改變農(nóng)業(yè)。
其中，土壤和植物微生物組之間的相互作用表征至關(guān)重要。土壤微生物組與氣候變化中的碳、氮和諸多其他要素的循環(huán)息息相關(guān)，并通過一些尚未被人類認(rèn)知的過程影響著全球關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。加深對(duì)基本微生物組成部分的理解以及強(qiáng)化它們?cè)陴B(yǎng)分循環(huán)中的作用對(duì)確保全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。
未來十年，美國(guó)將圍繞系統(tǒng)認(rèn)知分析、精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)感知、數(shù)據(jù)科學(xué)、基因編輯、微生物組五大關(guān)鍵技術(shù)尋求農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科技突破。這同樣是未來我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域必須努力、不可或缺的關(guān)鍵核心技術(shù)。
同時(shí)，立足我國(guó)地薄質(zhì)劣的資源國(guó)情，我國(guó)科學(xué)家還需要在幾個(gè)顛覆現(xiàn)在、引領(lǐng)未來、開創(chuàng)時(shí)代的重要領(lǐng)域，在山水林田湖草生命共同體重大科學(xué)問題、土地資源安全與管控現(xiàn)代工程技術(shù)難題上取得突破。聚焦精準(zhǔn)調(diào)查、精細(xì)感知、精明治理的科學(xué)技術(shù)體系，在一些關(guān)鍵核心技術(shù)上取得突破進(jìn)展，比如耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)、耕地健康診斷技術(shù)、生態(tài)良田構(gòu)建技術(shù)、土壤生物多樣性保護(hù)和耕地養(yǎng)護(hù)技術(shù)、耕地系統(tǒng)演化模擬仿真技術(shù)；對(duì)一些重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行修復(fù)治理，比如黑土地整體保護(hù)、黃河流域系統(tǒng)修復(fù)、鹽堿地沙土地綜合治理；在國(guó)家發(fā)展的重大需求方面全力以赴，比如全球變化與低碳耕作制度研究、耕地資源智慧監(jiān)測(cè)等。
新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)正在重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖，需要規(guī)劃好未來技術(shù)發(fā)展的路線圖，明確創(chuàng)新主攻方向，確定耕地資源是不可或缺的一環(huán)。
1. 整體思維和系統(tǒng)認(rèn)知分析技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科技突破的首要前提
農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是復(fù)雜巨系統(tǒng)，已經(jīng)很難再依靠“點(diǎn)”上的技術(shù)突破實(shí)現(xiàn)整體提升。報(bào)告建議將跨學(xué)科研究和系統(tǒng)方法作為解決重大關(guān)鍵問題的首選項(xiàng)。系統(tǒng)認(rèn)知就是要從系統(tǒng)的要素構(gòu)成、互作機(jī)理和耦合作用來探索問題解決的途徑。“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科學(xué)突破必須突破單要素思維，從資源利用、運(yùn)作效率、系統(tǒng)彈性和可持續(xù)性的整體維度進(jìn)行思考。
我國(guó)農(nóng)業(yè)生態(tài)效率不高、競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)、生態(tài)不可持續(xù)的問題主要是在土地資源的利用方式上。因此，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科技突破需要從土地資源的治理、修復(fù)、提升入手。
2. 新一代傳感器技術(shù)將成為推動(dòng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域進(jìn)步的底層驅(qū)動(dòng)技術(shù)
量值定義世界，精準(zhǔn)決定未來。美國(guó)將高精度、精準(zhǔn)、可現(xiàn)場(chǎng)部署的傳感器以及生物傳感器的開發(fā)、應(yīng)用作為未來技術(shù)突破的關(guān)鍵。當(dāng)前傳感器技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，但主要還集中在對(duì)單個(gè)特征如溫度的測(cè)量上，如果要同時(shí)了解整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)理，連續(xù)監(jiān)測(cè)多個(gè)特征的聯(lián)動(dòng)能力才是關(guān)鍵。
值得注意的是，新一代傳感器技術(shù)不僅僅包括對(duì)物理環(huán)境、生物性狀的監(jiān)測(cè)和整合，更包括運(yùn)用材料科學(xué)及微電子、納米技術(shù)創(chuàng)造的新型納米和生物傳感器，對(duì)諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動(dòng)植物、環(huán)境時(shí)的循環(huán)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行監(jiān)控。
新一代傳感器所具備的快速檢測(cè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)反饋能力，將為系統(tǒng)認(rèn)知提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，賦予人類“防治未病”的能力，即在出現(xiàn)病癥前就能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。如果能在資源要素的利用環(huán)節(jié)即可精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)和定量識(shí)別可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)問題，并能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將徹底改變我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)利用方式。因此，新一代傳感器技術(shù)將是我國(guó)必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。
3. 數(shù)據(jù)科學(xué)和信息技術(shù)是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的戰(zhàn)略性關(guān)鍵技術(shù)
數(shù)據(jù)科學(xué)和分析工具的進(jìn)步為提升農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究和知識(shí)應(yīng)用提供了重要的突破機(jī)遇。報(bào)告稱，盡管收集了大量糧食、農(nóng)業(yè)、資源等各類數(shù)據(jù)，但由于實(shí)驗(yàn)室研究和生產(chǎn)實(shí)踐中的數(shù)據(jù)一直處于彼此脫節(jié)的狀態(tài)，缺乏有效的工具來廣泛使用已有的數(shù)據(jù)、知識(shí)和模型。大數(shù)據(jù)、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈等技術(shù)的發(fā)展，提供了更快速地收集、分析、存儲(chǔ)、共享和集成異構(gòu)數(shù)據(jù)的能力和高級(jí)分析方法。
換句話說，數(shù)據(jù)科學(xué)和信息技術(shù)能夠極大地提高對(duì)復(fù)雜問題的解決能力，將農(nóng)業(yè)、資源等相關(guān)領(lǐng)域的大量研究成果應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐中，在動(dòng)態(tài)變化條件下自動(dòng)整合數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)建模，促進(jìn)形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智慧管控。
4. 突破性的基因組學(xué)和精準(zhǔn)育種技術(shù)應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)并采用
隨著基因編輯技術(shù)的出現(xiàn)，有針對(duì)性的遺傳改良可以以傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的方式對(duì)植物和動(dòng)物進(jìn)行改良。通過將基因組信息、先進(jìn)育種技術(shù)和精確育種方法納入常規(guī)育種和選擇計(jì)劃，可以精確、快速地改善對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響的生物性狀。
這種能力為培育新作物和土壤微生物、開發(fā)抗病動(dòng)植物、控制生物對(duì)壓力的反應(yīng)，以及挖掘有用基因的生物多樣性等打開了技術(shù)大門。應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)并采用其中一些突破性技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、抗病抗旱能力以及農(nóng)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。
5.微生物組技術(shù)對(duì)認(rèn)知和理解農(nóng)業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要
通過近年來大量的研究報(bào)道，我們知道了人體微生物對(duì)身體健康的重要性，相比而言我們對(duì)農(nóng)業(yè)中土壤、植物和動(dòng)物的微生物組及其影響還不夠了解。隨著利用越來越復(fù)雜的工具探測(cè)農(nóng)業(yè)微生物組，美國(guó)有望在未來十年實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，建立其農(nóng)業(yè)微生物數(shù)據(jù)庫，更好地理解分子水平土壤、植物和動(dòng)物微生物組之間的相互作用，并通過改善土壤結(jié)構(gòu)、提高飼料效率和養(yǎng)分利用率以及提高對(duì)環(huán)境和疾病的抵抗力等增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和彈性，甚至徹底改變農(nóng)業(yè)。
其中，土壤和植物微生物組之間的相互作用表征至關(guān)重要。土壤微生物組與氣候變化中的碳、氮和諸多其他要素的循環(huán)息息相關(guān)，并通過一些尚未被人類認(rèn)知的過程影響著全球關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。加深對(duì)基本微生物組成部分的理解以及強(qiáng)化它們?cè)陴B(yǎng)分循環(huán)中的作用對(duì)確保全球可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要。
未來十年，美國(guó)將圍繞系統(tǒng)認(rèn)知分析、精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)感知、數(shù)據(jù)科學(xué)、基因編輯、微生物組五大關(guān)鍵技術(shù)尋求農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科技突破。這同樣是未來我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域必須努力、不可或缺的關(guān)鍵核心技術(shù)。
同時(shí)，立足我國(guó)地薄質(zhì)劣的資源國(guó)情，我國(guó)科學(xué)家還需要在幾個(gè)顛覆現(xiàn)在、引領(lǐng)未來、開創(chuàng)時(shí)代的重要領(lǐng)域，在山水林田湖草生命共同體重大科學(xué)問題、土地資源安全與管控現(xiàn)代工程技術(shù)難題上取得突破。聚焦精準(zhǔn)調(diào)查、精細(xì)感知、精明治理的科學(xué)技術(shù)體系，在一些關(guān)鍵核心技術(shù)上取得突破進(jìn)展，比如耕地質(zhì)量大數(shù)據(jù)、耕地健康診斷技術(shù)、生態(tài)良田構(gòu)建技術(shù)、土壤生物多樣性保護(hù)和耕地養(yǎng)護(hù)技術(shù)、耕地系統(tǒng)演化模擬仿真技術(shù)；對(duì)一些重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行修復(fù)治理，比如黑土地整體保護(hù)、黃河流域系統(tǒng)修復(fù)、鹽堿地沙土地綜合治理；在國(guó)家發(fā)展的重大需求方面全力以赴，比如全球變化與低碳耕作制度研究、耕地資源智慧監(jiān)測(cè)等。
新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)正在重構(gòu)全球創(chuàng)新版圖，需要規(guī)劃好未來技術(shù)發(fā)展的路線圖，明確創(chuàng)新主攻方向，確定耕地資源是不可或缺的一環(huán)。
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