今年初，美國國家科學院、工程院和醫學院聯合發布了題為Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by 2030的研究報告，描述了美國科學家眼中農業領域亟待突破的五大研究方向。
1. 整體思維和系統認知分析技術是實現農業科技突破的首要前提
農業系統是復雜巨系統，已經很難再依靠“點”上的技術突破實現整體提升。報告建議將跨學科研究和系統方法作為解決重大關鍵問題的首選項。系統認知就是要從系統的要素構成、互作機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生命共同體”，農業領域的科學突破必須突破單要素思維，從資源利用、運作效率、系統彈性和可持續性的整體維度進行思考。
我國農業生態效率不高、競爭力不強、生態不可持續的問題主要是在土地資源的利用方式上。因此，農業領域的科技突破需要從土地資源的治理、修復、提升入手。
2. 新一代傳感器技術將成為推動農業領域進步的底層驅動技術
量值定義世界，精準決定未來。美國將高精度、精準、可現場部署的傳感器以及生物傳感器的開發、應用作為未來技術突破的關鍵。當前傳感器技術已經廣泛應用在農業領域，但主要還集中在對單個特征如溫度的測量上，如果要同時了解整個系統運行的機理，連續監測多個特征的聯動能力才是關鍵。
值得注意的是，新一代傳感器技術不僅僅包括對物理環境、生物性狀的監測和整合，更包括運用材料科學及微電子、納米技術創造的新型納米和生物傳感器，對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動植物、環境時的循環運動過程進行監控。
新一代傳感器所具備的快速檢測、連續監測、實時反饋能力，將為系統認知提供數據基礎，賦予人類“防治未病”的能力，即在出現病癥前就能發現問題、解決問題。如果能在資源要素的利用環節即可精準發現和定量識別可能出現的風險問題，并能夠實時進行優化調整，將徹底改變我國農業生產利用方式。因此，新一代傳感器技術將是我國必須掌握的關鍵技術。
3. 數據科學和信息技術是農業領域的戰略性關鍵技術
數據科學和分析工具的進步為提升農業領域研究和知識應用提供了重要的突破機遇。報告稱，盡管收集了大量糧食、農業、資源等各類數據，但由于實驗室研究和生產實踐中的數據一直處于彼此脫節的狀態，缺乏有效的工具來廣泛使用已有的數據、知識和模型。大數據、人工智能、機器學習、區塊鏈等技術的發展，提供了更快速地收集、分析、存儲、共享和集成異構數據的能力和高級分析方法。
換句話說，數據科學和信息技術能夠極大地提高對復雜問題的解決能力，將農業、資源等相關領域的大量研究成果應用在生產實踐中，在動態變化條件下自動整合數據并進行實時建模，促進形成數據驅動的智慧管控。
4. 突破性的基因組學和精準育種技術應當鼓勵并采用
隨著基因編輯技術的出現，有針對性的遺傳改良可以以傳統方法無法實現的方式對植物和動物進行改良。通過將基因組信息、先進育種技術和精確育種方法納入常規育種和選擇計劃，可以精確、快速地改善對農業生產力和農產品質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、開發抗病動植物、控制生物對壓力的反應，以及挖掘有用基因的生物多樣性等打開了技術大門。應當鼓勵并采用其中一些突破性技術，提高農業生產力、抗病抗旱能力以及農產品的營養價值。
5.微生物組技術對認知和理解農業系統運行至關重要
通過近年來大量的研究報道，我們知道了人體微生物對身體健康的重要性，相比而言我們對農業中土壤、植物和動物的微生物組及其影響還不夠了解。隨著利用越來越復雜的工具探測農業微生物組，美國有望在未來十年實現突破性進展，建立其農業微生物數據庫，更好地理解分子水平土壤、植物和動物微生物組之間的相互作用，并通過改善土壤結構、提高飼料效率和養分利用率以及提高對環境和疾病的抵抗力等增強農業生產力和彈性，甚至徹底改變農業。
其中，土壤和植物微生物組之間的相互作用表征至關重要。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息息相關，并通過一些尚未被人類認知的過程影響著全球關鍵生態系統服務功能。加深對基本微生物組成部分的理解以及強化它們在養分循環中的作用對確保全球可持續農業生產至關重要。
未來十年，美國將圍繞系統認知分析、精準動態感知、數據科學、基因編輯、微生物組五大關鍵技術尋求農業領域的科技突破。這同樣是未來我國農業領域必須努力、不可或缺的關鍵核心技術。
同時，立足我國地薄質劣的資源國情，我國科學家還需要在幾個顛覆現在、引領未來、開創時代的重要領域，在山水林田湖草生命共同體重大科學問題、土地資源安全與管控現代工程技術難題上取得突破。聚焦精準調查、精細感知、精明治理的科學技術體系，在一些關鍵核心技術上取得突破進展，比如耕地質量大數據、耕地健康診斷技術、生態良田構建技術、土壤生物多樣性保護和耕地養護技術、耕地系統演化模擬仿真技術；對一些重點區域進行修復治理，比如黑土地整體保護、黃河流域系統修復、鹽堿地沙土地綜合治理；在國家發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、耕地資源智慧監測等。
新一輪科技革命和產業正在重構全球創新版圖，需要規劃好未來技術發展的路線圖，明確創新主攻方向，確定耕地資源是不可或缺的一環。
1. 整體思維和系統認知分析技術是實現農業科技突破的首要前提
農業系統是復雜巨系統，已經很難再依靠“點”上的技術突破實現整體提升。報告建議將跨學科研究和系統方法作為解決重大關鍵問題的首選項。系統認知就是要從系統的要素構成、互作機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生命共同體”，農業領域的科學突破必須突破單要素思維，從資源利用、運作效率、系統彈性和可持續性的整體維度進行思考。
我國農業生態效率不高、競爭力不強、生態不可持續的問題主要是在土地資源的利用方式上。因此，農業領域的科技突破需要從土地資源的治理、修復、提升入手。
2. 新一代傳感器技術將成為推動農業領域進步的底層驅動技術
量值定義世界，精準決定未來。美國將高精度、精準、可現場部署的傳感器以及生物傳感器的開發、應用作為未來技術突破的關鍵。當前傳感器技術已經廣泛應用在農業領域，但主要還集中在對單個特征如溫度的測量上，如果要同時了解整個系統運行的機理，連續監測多個特征的聯動能力才是關鍵。
值得注意的是，新一代傳感器技術不僅僅包括對物理環境、生物性狀的監測和整合，更包括運用材料科學及微電子、納米技術創造的新型納米和生物傳感器，對諸如水分子、病原體、微生物在跨越土壤、動植物、環境時的循環運動過程進行監控。
新一代傳感器所具備的快速檢測、連續監測、實時反饋能力，將為系統認知提供數據基礎，賦予人類“防治未病”的能力，即在出現病癥前就能發現問題、解決問題。如果能在資源要素的利用環節即可精準發現和定量識別可能出現的風險問題，并能夠實時進行優化調整，將徹底改變我國農業生產利用方式。因此，新一代傳感器技術將是我國必須掌握的關鍵技術。
3. 數據科學和信息技術是農業領域的戰略性關鍵技術
數據科學和分析工具的進步為提升農業領域研究和知識應用提供了重要的突破機遇。報告稱，盡管收集了大量糧食、農業、資源等各類數據，但由于實驗室研究和生產實踐中的數據一直處于彼此脫節的狀態，缺乏有效的工具來廣泛使用已有的數據、知識和模型。大數據、人工智能、機器學習、區塊鏈等技術的發展，提供了更快速地收集、分析、存儲、共享和集成異構數據的能力和高級分析方法。
換句話說，數據科學和信息技術能夠極大地提高對復雜問題的解決能力，將農業、資源等相關領域的大量研究成果應用在生產實踐中，在動態變化條件下自動整合數據并進行實時建模，促進形成數據驅動的智慧管控。
4. 突破性的基因組學和精準育種技術應當鼓勵并采用
隨著基因編輯技術的出現，有針對性的遺傳改良可以以傳統方法無法實現的方式對植物和動物進行改良。通過將基因組信息、先進育種技術和精確育種方法納入常規育種和選擇計劃，可以精確、快速地改善對農業生產力和農產品質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、開發抗病動植物、控制生物對壓力的反應，以及挖掘有用基因的生物多樣性等打開了技術大門。應當鼓勵并采用其中一些突破性技術，提高農業生產力、抗病抗旱能力以及農產品的營養價值。
5.微生物組技術對認知和理解農業系統運行至關重要
通過近年來大量的研究報道，我們知道了人體微生物對身體健康的重要性，相比而言我們對農業中土壤、植物和動物的微生物組及其影響還不夠了解。隨著利用越來越復雜的工具探測農業微生物組，美國有望在未來十年實現突破性進展，建立其農業微生物數據庫，更好地理解分子水平土壤、植物和動物微生物組之間的相互作用，并通過改善土壤結構、提高飼料效率和養分利用率以及提高對環境和疾病的抵抗力等增強農業生產力和彈性，甚至徹底改變農業。
其中，土壤和植物微生物組之間的相互作用表征至關重要。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息息相關，并通過一些尚未被人類認知的過程影響著全球關鍵生態系統服務功能。加深對基本微生物組成部分的理解以及強化它們在養分循環中的作用對確保全球可持續農業生產至關重要。
未來十年，美國將圍繞系統認知分析、精準動態感知、數據科學、基因編輯、微生物組五大關鍵技術尋求農業領域的科技突破。這同樣是未來我國農業領域必須努力、不可或缺的關鍵核心技術。
同時，立足我國地薄質劣的資源國情，我國科學家還需要在幾個顛覆現在、引領未來、開創時代的重要領域，在山水林田湖草生命共同體重大科學問題、土地資源安全與管控現代工程技術難題上取得突破。聚焦精準調查、精細感知、精明治理的科學技術體系，在一些關鍵核心技術上取得突破進展，比如耕地質量大數據、耕地健康診斷技術、生態良田構建技術、土壤生物多樣性保護和耕地養護技術、耕地系統演化模擬仿真技術；對一些重點區域進行修復治理，比如黑土地整體保護、黃河流域系統修復、鹽堿地沙土地綜合治理；在國家發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、耕地資源智慧監測等。
新一輪科技革命和產業正在重構全球創新版圖，需要規劃好未來技術發展的路線圖，明確創新主攻方向，確定耕地資源是不可或缺的一環。
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