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【研之作作】2020農業科技關鍵字(研究前沿報告書)

永續農業,科技如何解答?

氣候變遷、智慧農業、永續農業這些議題是近幾年農業熱門話題,不論是聯合國農糧組織、美國農業部、以及臺灣科技部、農委會等每年都提撥相當可觀的研發經費與研究團隊在這些跨領域的科學議題中。如今農業科學已經不再是「單一學門」的學問,而是橫跨環境生態、電腦資訊、甚至大氣學的綜合性科學(multidiscipline)。在各個跨領域的議題中,到底哪些農業科技能解決這些產業的問題?

過去我們只能憑藉專家的訪談與調查、或是依照個人經驗來各自說明科技發展的方向,現在我們有更宏觀的研究方法- 書目計量學與研究前沿:「透過演算法將上萬筆書目資料,以統計方法計算後歸納專業學門的知識架構,並綜整分析各項科技主題找出研發趨勢。」研究前沿在臺灣的資訊並不多,但早在2017年起就被中國、美國、歐洲等國家廣泛使用在國家政策制定、資源分配、乃至商業模式開發前的重要評估資訊。

農業科技趨勢在哪裡?10萬筆文獻找端倪

執行這項數位計畫的團隊各自為資料科技、程式設計、以及農業數據分析的領域專家,團隊蒐集了5個指標性跨領域農業期刊的書目資料,包含作者關鍵字、文獻發表日期、期刊卷號、標題、作者、以及摘要等,並將2013年到2019年間超過10萬筆的文獻資料收進資料庫,並進行書目計量學的統計與交叉分析,結果發現有205個作者關鍵字同時出現在不同領域的指標期刊中,換言之這205個作者關鍵字即為近十年農業科技的發展重點。

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在這份清單中研團隊根據領域專家的經驗將205個關鍵字分成十大類:田間管理(Management)、智慧農業(Intelligent agriculture)、植物種類(Plant Species)、土壤(Soil)、環境與逆境(Environment & Stress)、育種(Breeding)與性狀(Phenotype)、植物生理(Plant physiology)、農業(Agriculture)、病蟲害防治(Pest & disease)、生態(Ecology)、以及其他(Other)。

205個關鍵字中農業為主題的有10個,永續農業、友善環境農業(conservation agriculture)與精準農業是科學家討論最熱門的作者關鍵字。另一方面與智慧農業相關的關鍵字最多,一共有32個(如下圖),其他大多微植物種類(27個)、土壤(27個)、環境與逆境(25個)。有趣的是澳洲(Australia)、中國(China)、華北平原(North China plain)、淨收入(net income)、小型生產者(smallholder farmers),這些傳統上不被認為是科技詞彙的關鍵字也在熱門清單中。這代表農業科技的研究目標不在侷限於「突破就有技術」,而有「解決產業經濟的問題」的方向發展的趨勢。

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智慧農業,這些技術缺一不可

根據行政院農業委員會對「智慧農業」的說明:「以現行產業生產模式為基礎,因應消費市場需求進行產銷規劃,生產管理上輔以省工省力機械設備、輔具及感測元件的研發應用,並結合跨領域之資通訊技術(ICT)、物聯網(IoT)、大數據(Big Data)分析、區塊鏈(Block Chain) 等前瞻技術導入,減輕農場作業負擔降低勞動力需求,提供農民更有效率的農場經營管理模式,生產符合消費者需求,安全、安心及可追溯的農產品。」

而這份關鍵字清單將智慧農業的技術內涵歸類為四大類:「人工智慧與類神經網絡(AI/artificial neural network)、作物模式(crop model)、遙測技術(remote sensing)、地理圖資系統(GIS)、以及決策支援系統(decision support system)」。

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其中人工智慧、作物模式、以及決策支援系統的類別各自有具體且發展成熟的領域,例如人工智慧的類神經網絡、機器學習與深度學習;作物模式則以植生指數(vegetation index, VI)、葉面積指數、歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI、葉綠素計(SPAD)、反射光光譜(spectral reflectancce)、近紅外光譜(Near Infrared, NIR)、與截光率(Light interception)為主要參數來源;決策支援系統則以資料探勘(data mining)、農業技術傳播與決策支援系統(decision support system for agrotechnology transfer, DSSAT)。

過去臺灣以工業資通訊角度切入農業議題的發展,大多著重在自動化與機械化科技,而藉由研究前沿的報告書能根據國際趨勢調整產業推廣的策略,例如強化國內在作物模式上的數據收集研究、深化本土遙測技術量能、並結合現有地理圖資系統協助農業生產時的決策支援系統。

作物育種未雨綢繆,生態保育讓農業更永續

育種是農業生產重要的核心,田間的病蟲害可以透過管理降低損失,但環境逆境因子往往才是人為無法調整的瓶頸,因此品種改良成為了應對氣候變遷的前瞻科技。

統計結果顯示:氣候變遷、溫室氣體、降水、水資源管理、田間微氣候等是全球農業共同關心的課題,其延伸出的逆境如高溫、缺水、乾旱以及霜害則是高風險的環境因子。為了應對這些逆境,育種家則以作物產量、作物品質、乾物重、抗性、氮肥利用率與水資源利用率等做為選種時重要的性狀,替未來的糧食安全預先做好準備。

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農業發展已不再只是單一學門技術的突破,而是衡跨生物學、生態學、資通訊、甚至資料科技的綜合性科技領域。

面對未來農業生產的挑展,除了田間管理和育種之外,兼顧農業經濟與生態保育的農耕技術也成為農業永續發展的策略。在農業(agriculture)議題的關鍵字清單中生態保育農業(conservation agriculture)、永續農業(sustainable agriculture)、精準農業(precision agriculture)、有機耕作(organic farming)、看天田(rainfed agriculture)是科學家共同關注的項目,生態部分則注重物種多樣性、土地使用、草地、空間變異( spatial variability)等主題。這些結果意味著從生態保育角度坦討農業議題時,除了強調有機耕作之外,農業科技的應用面向不再只有追蹤特定物種或是區域性的水文土地變化,而是更進一部的調查農地周邊的物種多元性、土地及自然資源的長期變異狀況、甚至評估農業操作對整個生態系統的影響。

解構跨域議題,描繪農業科技藍圖

2020農業科技關鍵字是一份研究前沿報告書,藉由調查農糧、農業生態環境、植物科學、農業資通訊、以及綜合性的領域期刊的書目資料找出各個領域專家關注的農業主題。統計報告指出:不同領域的農業期刊所重視的主題也不完全相同(如下圖)。

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對於農糧類的科學家而言,未來將可持續專注在氮肥與水份的作物管理研究;生態環境保育學者則能專注於栽培模式、植物與土壤、碳足跡與溫室氣體等面向;農糧類的基礎研究則以植物分子生物學為重點項目,特別是蛋白質體、基因體學在逆境下的表現與作用機制;農業資通訊的發展重點是作物建模、影像辨識、資料分析與感測器應用等。這份報告書清楚的說有助於我國政策制定者、資源分配者、或是農業科技業者進行市場開發時的參考。

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農科院數位農業分析師柴幗馨在2019年亞太農業資通訊研討會發表「以資料科技進行農業研究前沿」德的最新成果

2019年臺灣行政院農業委員會支持的「新興數位工具協助新農業科技政策研擬及研究成果推廣」補助計畫中組成跨領域團隊,借助資訊工程師的資料探勘技術、農業領域專家與數位農業分析師的綜整解讀,以書目計量學與研究前沿(Resarch fronts)快速分析跨域農業議題的知識架構,並發表「2020農業科技關鍵字(研究前沿報告書)」詳細論述現代農業科技的技術內涵。這篇研究已在發表於2019年亞太農業資通訊研討會公開演講「Data Mining and Textual Analysis for Agriculture Research Fronts 」,更多亞太農業資通訊研討會資訊請見網站。

參考資料:

1. 張家彬,大學圖書館,從研究方法角度探討研究前沿,2016。
2. 余祁暐、李盼,農業生技產業季刊,全球農業生技產業發展現況與趨勢,2017。
3. 林家民,台灣氣候變遷調適科技知識平台,【氣候變遷在台灣研討會專題】共詞分析於氣候變遷之運用,2015。
4.柴幗馨,預見科技的未來:農業研究前沿Research Fronts,研之作作,2019。

作者資訊 ▍柴幗馨《 數位農業分析師 》1071004@mail.atri.org.tw

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