《1 工程研究前沿》

1 工程研究前沿

《1.1 Top 10 工程研究前沿发展态势》

1.1 Top 10 工程研究前沿发展态势

农业领域工程研究前沿Top 10 主要有：① 关于动植物生产的分子生物学机制和机理的研究，如动物高产优质性状遗传分子基础、作物杂交育种的分子生物学机制、水产动物杂交育种的分子生物学机制、园艺作物响应逆境障碍分子机制研究；② 关于农业领域新兴前沿的环境生态和人工智能的研究，如重要人兽共患病跨种间传播机制、土壤微生物组及其生态功能、农业机器人运动控制与柔性作业；③ 关于提升动植物产品质量及绿色生产投入品的研究，如分子靶标与绿色农药分子设计、作物产量和品质协同提升技术、非传统食物（饲料）蛋白质生产的理论与技术。自 2017 年发布研究前沿以来，对生物基因的研究一直是农业科学家的关注点，尤其是近年来兴起的 CRISPR/Cas9，这项颠覆性技术被应用于基因编辑和功能性基因的挖掘。环境的可持续发展则是宏观农业研究的重点，如全球气候变化、生物多样性及农业生产的应变性。人类健康是农业的高级目标，在新型冠状病毒肺炎肆虐之际，对动物病毒的研究成为兽医科学的重要任务。

农业领域工程研究前沿的核心论文数区间为8~204 篇，平均为 87 篇；篇均被引频次区间为279~12 410 次，平均为 3 239 次；核心论文出版年度以 2016 年、2017 年和 2018 年为主（见表 1.1.1和表 1.1.2）。

（1） 重要人兽共患病跨种间传播机制

人兽共患病（Zoonoses）特指一类从脊椎动物跨种传播感染人的传染病，约占人类传染病的60%。全球重要的人兽共患病有 200 余种，危害严重的有 30 多种，75% 以上的新发和再发人类传染病源自动物。进入 21 世纪以来，人兽共患病暴发有加快、加重趋势。在 175 种新发传染病中，75.4% 是人兽共患传染病，一些重大人兽共患病相继暴发，如重症急性呼吸综合征（2003）、H1N1 甲型流感（2009）、中东呼吸综合征（2012）、H7N9 禽流感（2013）、寨卡病毒感染 (2015) 以及

《表 1.1.1》

表 1.1.1  农业领域 Top 10 工程研究前沿

序号 工程研究前沿 核心论文数 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 重要人兽共患病跨种间传播机制 20 1 416 70.8 2017.3
2 作物杂交育种的分子生物学机制 147 2 318 15.77 2016.6
3 分子靶标与绿色农药分子设计 103 1 375 13.35 2018.1
4 农业机器人运动控制与柔性作业 170 12 410 73 2018.3
5 水产动物杂交育种的分子生物学机制 8 407 50.88 2016.4
6 动物高产优质性状遗传分子基础 204 1 506 7.38 2018.5
7 土壤微生物组及其生态功能 80 8 549 106.86 2016.8
8 作物产量和品质协同提升技术 17 279 16.41 2018.2
9 园艺作物响应逆境障碍分子机制研究 17 390 22.94 2017.9
10 非传统食物（饲料）蛋白质生产的理论与技术 100 3 738 37.38 2016.5

《表 1.1.2 》

表 1.1.2  农业领域 Top 10 工程研究前沿核心论文逐年发表数

序号 工程研究前沿  2015年 2016 年 2017 年 2018 年 2019 年 2020 年
1 重要人兽共患病跨种间传播机制 4 2 5 5 1 3
2 杂交育种的分子生物学机制 28 16 20 32 23 2
3 分子靶标与绿色农药分子设计 13 11 7 15 31 28
4 农业机器人运动控制与柔性作业 2 17 24 34 63 30
5 水产动物杂交育种的分子生物学机制 3 2 2 0 0 1
6 动物高产优质性状遗传分子基础 10 17 23 38 43 73
7 土壤微生物组及其生态功能 13 21 20 19 6 1
8 作物产量和品质协同提升技术 1 1 3 5 4 3
9 园艺作物响应逆境障碍分子机制研究 2 3 2 2 4 4
10 非传统食物（饲料）蛋白质生产的理论与技术 31 26 18 17 7 1

当前全球大流行的新型冠状病毒肺炎（2019）等。同时老病复发，造成新的流行，如布病、结核、登革热、埃博拉、狂犬病、弓形虫病等。目前，人兽共患病已对人类生存和社会经济稳定构成重大威胁，成为影响全球公共卫生安全的首要挑战。阐明人兽共患病跨种间传播机制已成为当前亟待解决的热点和难点问题，其核心科学问题主要有：① 病原感染和适应新宿主的遗传变异与演化规律；② 病原在新宿主体内有效复制和感染的分子机制；③ 病原跨种间传播的生态学基础。随着大数据和高精尖技术的发展，可以从微观和宏观角度实现，全方位解析重要人兽共患病的跨种间传播机制，做好前瞻性和储备性研究工作；可从动物源头对人兽共患病进行监测预警与防控，为实现防控关口前移提供强有力的物质和技术支撑，为政策制定提供依据。当前，开展重要人兽共患病特别是动物源头人兽共患病跨种间传播机制与防控研究，是摆在各国科研工作者面前重大而紧迫的任务。

（2） 作物杂交育种的分子生物学机制

杂种优势通常是指两个或两个以上遗传组成不同的亲本杂交，其杂种一代在生长势、生活力、适应性和产量等性状上优于双亲的现象。目前，全球已在大多数的粮食作物、经济作物、蔬菜以及林果等作物上，成功利用杂种优势，培育出优势杂交种。虽然杂种优势现象的发现和应用已经有一个多世纪，但其遗传学和分子生物学机制依然没有形成共识。随着近年来测序技术的发展和基因组学的飞速进步，为揭示杂种优势形成分子机制带来了新机遇。对不同作物的多个杂交组合进行大规模高通量测序和多组学数据挖掘，结合田间杂种优势表现， 综合利用基因组学、数量遗传学、分子生物学和生物信息学等手段，系统鉴定控制作物重要性状杂种优势形成的关键位点，为杂种优势形成遗传基础解析提供重要的信息。一些研究还通过分析杂交种和亲本之间基因存在丢失（PAV）、基因表达、表观遗传修饰、基因调控网络的差异，发现杂交种基因的非加性表达是杂种优势形成的重要分子机制。通过对杂种优势遗传位点的挖掘、分子机制的阐析， 科研人员可以对杂种优势进行预测，有效地指导杂交育种亲本选配，大大提高了育种效率。未来，通过分子设计育种、基因编辑等策略，可以实现对杂种优势相关基因进行定向改造，为作物杂种优势利用提供新策略和途径。

（3） 分子靶标与绿色农药分子设计

分子靶标是指病虫害生物体内的一种生物大分子（受体、蛋白质、酶、核酸等），在某一个关键生物学过程中发挥重要作用，并且可以与农药分子结合，从而严重干扰或中止该生物学过程。分子靶标的生物学特性决定了农药分子的作用机制，是农药创制的核心。通过挖掘人畜没有、而对病虫害生长发育至关重要的原创性分子靶标，可以开发出针对这种分子靶标而设计绿色农药分子，为农药产业从传统有毒转型到安全可持续发展带来重大影响。在靶标研究中，获得原子水平的靶标结构信息以及靶标分子与活性小分子之间的相互作用机制是关键，也是难点。农药分子设计技术是指如何针对特定的分子靶标快速发现成药性质优、环境相容性好、生物活性高的新化合物。它包括苗头化合物的发现、从苗头到先导的优化、成药性优化、抗性预测、毒性预测、代谢途径预测、高通量筛选、分子抗性检测等。农药分子设计技术可以大幅度减少需要合成和筛选的化合物数量，降低研发成本，提高新农药创制效率。

（4） 农业机器人运动控制与柔性作业

农业机器人运动控制与柔性作业是实现在自然环境下的农业装备全部或部分替代人或辅助人高效、便捷、安全、可靠地完成农业生产任务的一项关键技术。通过农业机器人运动控制与柔性作业的研究可以实现更加智能化的农业机器人非结构场景感知、高精度定位识别、智能避障、高质低损作业。农业机器人运动控制与柔性作业核心的科学问题是：非结构化的自然环境中作业目标对象的高精度感知、识别和定位，包括表型特征识别、场景识别定位等；通过多传感器信息融合技术构建路径规划决策，如运动路径优化、作业姿态优化、作业次序优化；基于深度学习和人工智能给出农业机器人的运动控制和柔性作业的决策；通过天、地、空的绝对与相对定位和图像信息处理等技术，提取出导航路径信息与横向偏离，提供即时定位与地图构建， 实现自动避障。进一步还包括：深化强人工智能决策技术、多机协同技术、人机共融技术、触觉反馈技术、遥操作技术、沉浸式显示的虚拟和增强现实技术等。农业机器人运动控制与柔性作业技术的研究，可以增强农业机器人柔性作业的检测、跟踪和目标识别等的可靠性及实时性，增强柔性作业的感知和执行能力，提高运动控制的灵活性和精确度， 扩展时间和空间覆盖率，提高作业精度，实现高效高质低损作业，具有重大的工程意义。

（5） 水产动物杂交育种的分子生物学机制

杂交育种是水产动物育种的重要技术之一。通过将遗传背景不同的亲本进行杂交可获得具有生长速度快、抗病和抗逆性强等优势性状的杂交子代和品系。采用杂交育种技术，已经成功培育了多个具有生产优势的水产新品种，为我国水产种业发展提供了丰富的种质资源。杂交育种的核心科学问题是要从源头上揭示杂种优势产生的机制，明确杂种优势产生的共性规律，并利用这些规律指导杂交育种工作。在新形成的杂交子代和品系中，遗传变异驱使的性状变化是适应性的选择。鉴定杂交基因组特征以及优势性状的控制位点，解析关键性状基因的表达和调控机制，进而构建基因组到表型的关联是明确杂交优势分子机制的前提。异源基因组相互作用导致遗传变异的规律是什么？不同杂交组合中基因组变异的共性规律和差异是什么？异源基因组在杂交品系传代过程中逐渐融合并趋于稳定的规律是什么？杂交基因组产生优势性状的分子机制是什么？这些奥秘至今尚无答案。解析水产动物杂交育种的分子生物学机制，有助于理解杂交育种的生物学规律并指导杂交育种工作，避免盲目选择亲本杂交导致的资源浪费，具有重大的理论和现实生产意义。

（6） 动物高产优质性状遗传分子基础

解析动物高产优质性状的遗传分子基础是培育优良动物新品种的重要前提。综合运用遗传学、基因组学、生物信息学、分子生物学、生物化学、细胞生物学、动物育种学等方法，破解动物基因组和基因图谱，筛选动物高产优质性状相关的基因定位和分子标记，挖掘关键功能基因、调控序列和调控网络，揭示基因、表型与环境的互作规律，为动物高产优质育种提供分子遗传学的选择标记和操纵目标。随着各种动物全基因组测序完成和生物信息学技术的进步，依据分子标记和表型测定建立起来的全基因组选择技术已经在动物育种中广泛应用，大大缩短了育种周期，提高了选择的准确性。随着基因编辑技术的突飞猛进，通过编辑功能基因和调控序列，开展多基因聚合育种，培育高产、优质和抗病动物新品种已成为动物育种的重要方向。解析动物产肉量和品质、产奶量和乳品质、产绒毛量和品质、产蛋量，以及生长、发育、繁殖、抗病、耐寒和耐低氧等重要经济性状的分子遗传基础，确定关键功能基因，从而提高高产优质性状选择的准确性， 培育具有高产优质性状的动物新品种，对推动畜牧业高质量发展具有重要意义。

（7） 土壤微生物组及其生态功能

土壤微生物组（soil microbiome）是土壤中细菌、古菌、真菌、病毒、原生生物、微型动物及其复杂的土壤环境的总称，在土壤生态系统能量流动、物质循环和信息交换等过程中发挥了重要的作用，是维持生态系统功能的核心组分。同时，土壤微生物组与土壤健康、作物生产、生态系统功能密切相关， 是工农业生产、医药卫生和环境保护等领域的核心资源。

土壤微生物组研究的主要内容是特定土壤中微生物群落的协同演化规律及其生态功能，包括土壤微生物多样性形成与维持机制（如生物多样性的起源、演化、共存等）、土壤元素循环的微生物驱动机制（如重要元素循环过程及驱动机制）、微生物组的资源与环境功能（如功能性微生物资源、土壤微生物组介导的地上 – 地下偶联、多层级食物网的结构与功能等）和土壤微生物组的新技术及其应用（如单细胞分析技术、系统与定量生物学技术等）。近年来，随着高通量测序和培养组学等技术的发展， 土壤微生物组功能的研究已经达到了前所未有的新阶段，其研究领域已扩展到污染修复、病害防控、人类健康等多个领域，研究手段也逐渐从定性描述性研究向定量系统性研究发展。但当前的研究手段远不能满足人们对土壤微生物组功能的认识，开发新的研究方法，发展新的研究理念将会为土壤微生物组及其生态功能的研究、土壤微生物组功能的精细调控、土壤微生物资源的开发提供新的战略机遇。

（8） 作物产量和品质协同提升技术

农产品的消费需求结构已经发生了显著变化， 已不是满足吃饱的问题，而是要吃得好、讲品质、讲安全、讲健康。作物栽培必须坚持理论与实践相结合的研究方法，在主攻作物品质改善的同时，稳定或提高作物产量。作物品质和产量既有一致性， 又有矛盾性，是一个十分复杂的科学问题。既要丰产、更要改善品质，就要深入搞清楚两者的协同规律与机理，在作物绿色优质丰产协同规律与广适性调控栽培技术上取得突破。① 根据市场需求的品质标准，深入研究气候、土壤、水质和营养元素等对作物品质的影响及其机理，揭示作物品质形成生理生态规律。② 研究优质和高产形成影响因素的同一性和矛盾性，为作物优质高产栽培提供协调途径。③ 从优化群体生育动态、防止后期早衰、非叶器官光合耐逆高效机制、生态因素（光、温、水、肥）调控机理等角度，揭示作物高产与提质协同的生育特性，探明其形成规律；在品种选用、生育诊断、适宜播栽期、合理密植、肥水高效耦合与精准诊断调控等栽培措施上加强攻关，进一步创新并挖掘作物高产潜力，并建立协同提质的实用栽培技术。④ 根据当地生态条件，研创作物优质高产协同的栽培技术体系，制定作物生产技术标准。

（9） 园艺作物响应逆境障碍分子机制研究

园艺作物（包括蔬菜、果树、花卉、西甜瓜和食用菌等）生产为保障以鲜嫩多汁为主的多样化园艺产品周年供应、满足人民对美好生活的需求、促进农民脱贫致富与农业增效、实现资源高效利用、平衡农产品进出口贸易等做出了重大贡献。随着气候变化与设施园艺的快速发展，园艺作物遭受温度（低温、高温等）、光照（强光、弱光等）、水分（干旱、水涝等）、土壤（高盐、碱、酸、营养等）、气体（低氧等）逆境胁迫的现象日益普遍，严重影响了园艺作物的产量与品质。园艺作物如何感知逆境信号？逆境信号如何在作物体内转导？作物响应逆境的原初反应？植物内源激素及外源植物生长调节剂在作物抗性中的分子机制？作物对逆境的防御与适应等抗性的分子机制？钙、水杨酸、寡糖等功能性调控物质在逆境抗性调控中的作用机制？作物逆境抗性的协同作用网络？等等，这些逆境抗性分子机制至今仍不清晰。解析园艺作物响应逆境障碍分子机制，有助于了解园艺作物乃至大部分农作物对逆境胁迫的应答及调控，对于通过栽培调控与品种选育两个方面提高作物对逆境的抗性，提高园艺作物的产量与质量具有重要意义。

（10） 非传统食物（饲料）蛋白质生产的理论与技术

我国饲料资源严重缺乏，畜禽养殖所需的优质蛋白质饲料约有 86% 依赖于进口，不利于畜牧业的健康和可持续发展。我国非传统蛋白资源非常丰富，包括农产品加工副产物、糟粕类、植物及其加工副产物等。受季节、地理分布、抗营养因子等影响，非传统蛋白资源在饲料工业的应用较少。综合应用抗营养因子消减与钝化技术、微生物发酵、新型饲用酶工程理论与技术，系统评估非传统饲料资源营养价值，提高其在畜禽体内的消化吸收和利用， 可一定程度上减少传统蛋白质饲料在畜禽养殖中的用量。此外，昆虫粉、单细胞培养物、微藻等蛋白含量高，营养价值丰富。运用合成生物学、分子酶学理论与现代生物学技术，优化昆虫或微生物培养体系，提高底物利用率从而实现蛋白质高效生产， 有望成为重要的新型饲料蛋白源。因此，通过新理论与技术的应用，鼓励非常规蛋白资源在饲料行业的运用，有助于减少我国对国外优质饲料蛋白源的过度依赖，缓解我国饲料蛋白资源严重匮乏的现状， 实现畜禽养殖业转型升级与可持续发展。

《1.2 Top 3 工程研究前沿重点解读》

1.2 Top 3 工程研究前沿重点解读

1.2.1       重要人兽共患病跨种间传播机制

（1） 人兽共患病的流行现状与危害

人兽共患病病原体可能是细菌、病毒或寄生虫， 也可能涉及非常规病媒。大部分人兽共患病的流行有一个共性，即从野生动物传播到人，或者从野生动物传播到家养动物再到人，并在人群中流行。动物源性人兽共患病最主要的疫源是野生脊椎动物， 尤其是鸟类和哺乳类。研究人员对已知的 5 486 种哺乳动物可能携带的病毒种数进行评估，按每个物种可能有 3 种病毒被遗漏来算，推测现存哺乳动物体内潜伏的病毒有近 32 万种之多。它们中的许多种类可能有较强的传染性和致病性，一旦暴发，对人类来说无疑是场灾难。人类的工业化进程、全球经济体系化、环境生态恶化以及全球气候变暖等使得今天的人类比以往更接近野生动物，包括城市中的野生动物和流浪动物，人兽共患病的巨大风险正严重威胁着人类和动物的健康与生存。在此情形下， 如何充分认识动物与人类正在受到的疾病威胁，正确处理好人类、动物与自然的关系，避免鼠疫、出血热、新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情、流感大流行等悲剧的重演，成为人类不得不面对的重大问题。

（2） 人兽共患病跨种传播机制的研究现状

随着生物信息学和生物技术的发展以及交叉学科的共融，人们越来越意识到人兽共患病的跨种传播机制研究，应从微观和宏观两个角度开展全面系统的科研工作，特别是加强以大数据为基础的宏观研究，以期认识人兽共患病跨种间传播的规律，揭示防控的关键风险点，开发疫病预防和治疗的疫苗与药物。目前，人兽共患病跨种传播机制的主要研究进展有以下 3 个方向。① 病原生态学与潜在流行风险研究。科研人员利用新一代测序技术和生物信息学分析手段，以新型冠状病毒（SARS-CoV-2）、流感病毒、乙脑病毒、狂犬病毒等重要病原为研究对象，研究功能基因组的变异和进化特征；根据基因组信息，结合时间、地理和宿主信息，绘制病原在生态圈中产生和流行的动态演化与传播过程，发现重要的流行风险点。例如，研究者通过网络聚类算法将我国的活禽贸易划分出 5 个“贸易圈”。通过禽流感病毒基因序列推断出各省份间病毒传播和进化历史后，发现活禽贸易区域性结构能够很好地解释病毒在全国范围的传播规律。在新型冠状病毒研究中，研究人员第一时间获得了患者 SARS-CoV-2 全长基因组序列，与蝙蝠冠状病毒基因比对，发现 96% 相似性，因而快速锁定了可能的传播宿主源头。② 重要病原的宿主适应性研究，特别是病原与宿主细胞受体的相互作用研究。人兽共患病病原为了完成在宿主体内的有效复制，需要充分调动自身组分，发生适应性变异，启动生命周期。与受体的相互作用，是病原启动在宿主体内繁殖的先决条件，也是阻断病原感染的重要靶点。例如，利用结构生物学和生物化学等学科手段，在新型冠状病毒研究中确定了 SARS-CoV-2 凸起受体结合域（RBD）的晶体结构与血管紧张素转化酶 2（ACE2）受体结合；还分析了靶向 RBD 的两种 SARS-CoV-2 的抗体表位，为揭示病毒跨种传播机制提供关键线索。此外，利用反向遗传学平台， 采用分子生物学、细胞生物学等各种手段，研究病原蛋白在不同宿主细胞复制过程中调控、变异、重组、嗜性的作用基础，探讨病原感染的种属特性及复制的共性与差异。在对猪流感病毒的研究中，发现一种 G4 型 H1N1 亚型病毒在进化过程中通过获得人 2009 甲型流感病毒的 vRNP 和 M 基因片段， 从而增强了在人细胞上的复制能力和对动物模型雪貂的感染性和传播性，说明该病毒对人的感染嗜性增强，具有引起大流行的风险。③ 宿主限制性因子在病原跨物种传播中的作用研究。人兽共患病病原在宿主体内增殖时，必须依赖宿主因子，同时有效拮抗宿主限制性因子。这些宿主因子共同构成病原感染的限制性因素。这类研究主要包括探索宿主限制性因子的调控机制，比较不同种属的宿主限制性因子对感染、致病影响的差异机制，发现新的宿主细胞因子，追踪宿主限制性因子对病原生命周期各阶段的影响和生物学意义等。例如，人们通过对宿主 ANP32 蛋白的研究，发现其与流感病毒复制有关，而且禽、猪和人的 ANP32 存在种间差异， 是新发现的关键宿主限制性因子。该宿主蛋白也在HIV-1 病毒复制过程具有重要作用，可通过影响病毒未完全剪切核糖核酸 RNA 的核输出过程调控病毒复制。

（3） 未来研究方向与创新点

人兽共患病的发生和流行由多因素决定，与病原特性、宿主分布、自然环境、动物行为、人类社会政治经济发展等密切相关。近 20 年来，人类的工业化进程、全球一体化、环境生态污染和破坏、全球气候变暖等极大地影响了人兽共患病的传播方式、传染强度及广度。因此，如何有效阻断人兽共患病跨种间传播是一项跨学科、跨部门、跨地域的工作，需要建立“全健康（One Health）”的理念和工作方式，需要临床医生、公共卫生学家、生态学家、疾病生态学家、兽医、经济学家等通力合作， 需要世界各国和地区开展有效的沟通与协同。未来的研究方向应着眼于大数据分析，从生态与进化生物学角度开展跨种传播机制研究，探明人兽共患病在动物群中的生态和跨种传播风险因子，为建立有效的预警监测网络和预防控制措施提供依据和手段。

在“重要人兽共患病跨种间传播机制”研究中， 核心论文发表量排在前三位的国家（见表 1.2.1） 分别是美国、英国和澳大利亚。此研究前沿的核心论文篇均被引频次分布在 60.00~133.50，其中意大利和泰国的篇均被引频次均超过了 100。研究机构分布方面（见表 1.2.2），美国疾病控制和预防中心、哥伦比亚大学、美国环保生态健康联盟、昆士兰大学、巴斯德研究所产出的核心论文及被引次数较多。国家间的合作网络方面（见图 1.2.1），国家间的研究合作较为普遍，美国、英国、澳大利亚之间合作相对更紧密。机构间的合作网络方面（见图1.2.2），各机构间均存在一定的合作关系。施引核心论文的主要产出国家是美国、英国和中国，美国占比接近 30%，英国和中国均超过 10%，且平均施引年较晚，表现出较强的研发后劲（见表 1.2.3）。施引核心论文的主要产出机构方面（见表 1.2.4）， 美国疾病控制和预防中心、圣保罗大学、中国科学院的施引核心论文数排在前三位。

1.2.2       农业机器人运动控制与柔性作业

（1） 农业机器人运动控制与柔性作业的研究内容

农业的非结构化环境不同于工业机器人：农业作业对象没有相对固定的结构和位置且相互遮挡， 颜色纹理复杂；农业对象一般都具有移动性、柔软性和商品性等生物特性，由于具有很多不确定性， 往往要求柔性的执行系统；农业场景复杂多变，如粉尘、风雨、光照条件（白天、阴雨天、黑夜）的

《表 1.2.1》

表 1.2.1 “重要人兽共患病跨种间传播机制”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 美国 14 70.00% 961 68.64 2017.9
2 英国 7 35.00% 686 98 2016.9
3 澳大利亚 7 35.00% 668 95.43 2017.4
4 法国 5 25.00% 407 81.4 2017
5 中国 4 20.00% 240 60 2018
6 加拿大 3 15.00% 281 93.67 2017.3
7 意大利 2 10.00% 267 133.5 2017.5
8 泰国 2 10.00% 204 102 2017
9 荷兰 2 10.00% 193 96.5 2015.5
10 德国 2 10.00% 169 84.5 2016.5

《表 1.2.2 》

表 1.2.2 “重要人兽共患病跨种间传播机制”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 美国疾病控制和预防中心 4 20.00% 301 75.25 2016.8
2 哥伦比亚大学 2 10.00% 273 136.5 2017
3 美国环保生态健康联盟 2 10.00% 244 122 2018.5
4 昆士兰大学 2 10.00% 244 122 2018.5
5 巴斯德研究所 2 10.00% 213 106.5 2017.5
6 耶鲁大学 2 10.00% 195 97.5 2016.5
7 剑桥大学 2 10.00% 193 96.5 2015.5
8 墨尔本大学 2 10.00% 171 85.5 2018.5
9 爱丁堡大学 2 10.00% 145 72.5 2017.5
10 苏黎世大学 2 10.00% 125 62.5 2018.5

《图 1.2.1》

图 1.2.1 “重要人兽共患病跨种间传播机制”工程研究前沿主要国家间的合作网络

《图 1.2.2》

图 1.2.2 “重要人兽共患病跨种间传播机制”工程研究前沿主要机构间的合作网络

《表 1.2.3 》

表 1.2.3 “重要人兽共患病跨种间传播机制”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 美国 447 29.23% 2019.3
2 英国 195 12.75% 2019.4
3 中国 176 11.51% 2019.3
4 法国 132 8.63% 2019.1
5 巴西 117 7.65% 2019.3
6 澳大利亚 100 6.54% 2019
7 意大利 97 6.34% 2019.3
8 德国 79 5.17% 2019.1
9 加拿大 71 4.64% 2019
10 西班牙 58 3.79% 2019.6

《表 1.2.4》

表 1.2.4 “重要人兽共患病跨种间传播机制”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 美国疾病控制和预防中心 61 16.76% 2019.4
2 圣保罗大学 41 11.26% 2019.4
3 中国科学院 34 9.34% 2019.5
4 巴斯德研究所 34 9.34% 2018.6
5 牛津大学 31 8.52% 2019.4
6 蒙彼利埃大学 31 8.52% 2019.3
7 比萨大学 30 8.24% 2019.2
8 美国环保生态健康联盟 27 7.42% 2019.4
9 格拉斯哥大学 27 7.42% 2019.3
10 剑桥大学 26 7.14% 2018.8

变化等，对农业机器人作业效率影响很大。同时， 农业劳力紧缺、劳动力成本不断上升。在我国，近年来农业劳动力特别是青壮年劳动力迅速向其他行业转移，农忙时节出现劳力荒，劳动强度大大增加， 生产效率明显降低。因此，当前需要农业机器人可以全部或部分替代人或辅助人高效、便捷、安全、可靠地完成，集感知、传输、控制、作业为一体， 将农业的标准化、规范化大大向前推进一步。通过农业机器人运动控制与柔性作业的研究，可以实现更加智能化的农业机器人非结构场景感知、高精度定位识别、智能避障、高质低损作业。其核心的科学问题是：通过图像处理和理解提取等方式，实现非结构化作业环境的场景的感知、场景识别、作业对象的表型特征识别以及作业对象的目标定位；通过多传感器信息融合技术，基于深度学习等算法， 构建出运动路径决策、作业姿态决策以及作业次序决策等，不仅可以节省人力成本，而且可以提高品质控制能力，增强自然风险抗击能力，具有重大的工程意义。

（2） 农业机器人运动控制与柔性作业的研究现状

20 世纪 80 年代开始出现农业劳动力缺乏和老龄化，至今，根据所处的自然环境和应用场景，农业机器人已发展并细分出大田作业机器人、温室机器人、林业农业机器人、畜牧农业机器人、水产农业机器人几大分支领域，其工作动作原理、结构形式、复杂程度、作业效果和性能都各有特色。目前农业机器人还存在着巨大的技术瓶颈：非结构化环境、农业作业对象的生物特性、农业场景的复杂多变、农业作业效率低以及可靠性与安全性。制约这些问题的基础关键技术有待突破，比如电能等新能源“低碳”的存储应用、半导体和量子计算机运算能力提升、人工智能从弱人工智能（单项功能）向强人工智能（复杂任务）提升、“垂直农耕”等标准化农业模式优化。因此，为了实现农业装备的高度智能化和环境适应性，农业机器人运动控制与柔性作业技术是亟待解决的关键技术之一。

（3） 未来研究方向与创新点

今后，为使得农业机器人在规律性和重复的环境中达到最好的工作效率与作业质量，一方面，农机、农艺、耕作模式需要高度融合和高度标准化， 减少农场景观多样性；另一方面，为了适应生态多样性，不同类型机器人需要混合使用，可让农业不再受到密集型劳动力的限制，通过农业 – 森林 – 牧场的综合方式，将粮食作物、水果和蔬菜以及树木和动物等多种生态模式进行整合。农业机器人运动控制与柔性作业技术的发展方向是：深化强人工智能决策技术、多机协同技术、人机共融技术、触觉反馈技术、遥控操作技术、沉浸式显示的虚拟和增强现实技术等，可以优化农业机器人运动控制与柔性作业的工作环境，使其可在恶劣条件下操作，增强柔性作业的感知和执行能力，提高运动控制的灵活性和精确度，扩展时间和空间覆盖率，提高作业精度。

“农业机器人运动控制与柔性作业”工程研究前沿领域，核心论文发表量排在前三位的国家分别为中国、美国和新加坡；篇均被引频次排在前三位的国家分别为新加坡、韩国和澳大利亚（见表1.2.5）。在发文量前十的国家中（见图 1.2.3），美国与中国、韩国、加拿大、新加坡、西班牙、以色列均有合作，巴西与其他国家没有合作。核心论文发文量排在前三位的机构分别为中国科学院、南洋理工大学和华盛顿州立大学（见表 1.2.6）。产出主要机构间的合作网络方面（见图 1.2.4），华盛顿州立大学与西北农林科技大学合作较为紧密。施引核心论文发文量排在前三位的国家分别为中国、美国和韩国（见表 1.2.7）。施引核心论文的主要产出机构分别为中国科学院、四川大学等（见表 1.2.8）。

《表 1.2.5》

表 1.2.5 “农业机器人运动控制与柔性作业”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 中国 109 64.12% 7 662 70.29 2018.6
2 美国 47 27.65% 3 847 81.85 2018.2
3 新加坡 14 8.24% 1 833 130.93 2017.6
4 韩国 11 6.47% 1 317 119.73 2018.3
5 加拿大 9 5.29% 477 53 2018.8
6 澳大利亚 8 4.71% 704 88 2018
7 西班牙 8 4.71% 590 73.75 2018.8
8 以色列 6 3.53% 155 25.83 2017.2
9 巴西 5 2.94% 272 54.4 2017.4
10 德国 4 2.35% 259 64.75 2017.8

《表 1.2.6》

表 1.2.6 “农业机器人运动控制与柔性作业”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 中国科学院 17 10.00% 1 632 96 2018.6
2 南洋理工大学 12 7.06% 1 747 145.58 2017.5
3 华盛顿州立大学 9 5.29% 279 31 2018.7
4 佛罗里达大学 9 5.29% 222 24.67 2018.2
5 中国农业大学 8 4.71% 194 24.25 2018.5
6 香港理工大学 7 4.12% 767 109.57 2018
7 中山大学 7 4.12% 286 40.86 2019.1
8 仲恺农业工程学院 7 4.12% 129 18.43 2019.4
9 西北农林科技大学 7 4.12% 103 14.71 2019.3
10 斯坦福大学 6 3.53% 1569 261.5 2017.3

《图 1.2.3》

图 1.2.3 “农业机器人运动控制与柔性作业”工程研究前沿主要国家间的合作网络

《图 1.2.4》

图 1.2.4 “农业机器人运动控制与柔性作业”工程研究前沿主要机构间的合作网络

1.2.3       水产动物杂交育种的分子生物学机制

自 20 世纪 50 年代我国学者攻克“四大家鱼” 人工繁殖技术以来，鱼类育种研究迅猛发展。1996 年至 2020 年间，全国水产原种和良种审定委员会共审定通过了 229 个水产新品种，其中采用杂交育种技术获得的水产新品种共 77 个，占所有审定新品种的 33.6%。近年来，水产育种工作者通过摸索不同的杂交组合开展杂交育种，总结了部分遗传规律，为水产育种技术研究与应用提供了理论依据。杂交育种的目的是获得具有优势性状的杂交子代和品系。对多种杂交组合产生的杂交后代进行生产性状评估，在此基础上，解析杂种优势的产生机制是备受关注的研究领域。前期的研究方法包括开展对杂交子代和亲本的性状测定、核型分析、性腺发育检测等，以期揭示杂交育种的遗传规律。随着高通量测序和生物信息学技术的发展，使得通过比较基因组和多组学关联分析来深入解析杂交基因组产生优势性状的关键分子机制成为可能。开展杂交子代及品系的基因组特征分析，掌握杂交后基因组变异的共性规律，能够优化育种路线，减少随机选择亲本杂交导致的资源浪费。研究表明，同样是两个相同亲本进行杂交，正交和反交产生的子代在性状上往往具有较大差异，其分子机制目前尚不明确。此外，水产物种中，由于种间隔离相对较弱，部分

《表 1.2.7》

表 1.2.7 “农业机器人运动控制与柔性作业”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国 3 988 57.04% 2019.3
2 美国 1 036 14.82% 2019.2
3 韩国 429 6.14% 2019.3
4 印度 251 3.59% 2019.4
5 加拿大 206 2.95% 2019.3
6 新加坡 199 2.85% 2019
7 澳大利亚 194 2.77% 2019.3
8 德国 193 2.76% 2019.2
9 日本 187 2.67% 2019.2
10 英国 173 2.47% 2019.3

《表 1.2.8 》

表 1.2.8 “农业机器人运动控制与柔性作业”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国科学院 636 31.74% 2019.4
2 四川大学 230 11.48% 2019.2
3 华南理工大学 217 10.83% 2019.4
4 深圳大学 130 6.49% 2019.4
5 浙江大学 124 6.19% 2019.3
6 郑州大学 124 6.19% 2019.6
7 清华大学 121 6.04% 2019.2
8 南洋理工大学 108 5.39% 2018.7
9 上海交通大学 107 5.34% 2019.4
10 苏州大学 106 5.29% 2019.4

远缘杂交的子代两性可育，这为形成远缘杂交品系提供了条件，同时也为水产育种提供了新的种质资源，但杂交品系在延续过程中的基因组变化尚未得到评估。从杂交群体的遗传变异出发，系统性揭示杂交基因组特征，并建立杂交基因组变异和优势性状产生的关联，是明确杂交优势产生机制，指导杂交育种技术开展的关键理论基础。

通过检测杂交子代生物学性状和遗传特征，明确了染色体水平的杂交遗传规律和繁殖规律，该规律已经在多种杂交鱼类中得到证实，并指导了一批具有明显杂交优势的杂交群体和品系的研发工作，为研究水产遗传育种和杂交成种建立了理想的模型。利用高通量测序与生物信息学相结合，通过比较基因组、转录组和多组学联合分析来鉴定性状控制基因和关键性状位点，可精准解析杂交优势产生的分子机制。例如：杂交鲫鲤、杂交鲂鲌的基因组和转录组的研究结果表明，由基因组特定位点引发的特殊基因表达模式是杂交子代性状变化的基础； 多个团队通过基因组测序明确了金鱼和鲤鱼的杂交起源，并提供了杂交基因组变异驱动了物种进化的关键证据。在杂交育种过程中，有诸多不可预知的因素，在快速、精准育种需求的大背景下，应加大系统解析优势性状成因的分子机制研究，构建杂交基因组到优势表型的内在关联，阐明不同杂交组合产生杂种优势的共性规律，从而有效指导杂交育种工作的开展。

基于近缘杂交建立的孟德尔遗传理论开创了遗传学的先河。此外，对多组远缘杂交组合的研究中发现，亲本的染色体数目是杂交子代能否存活和延续的关键因素。最新的研究发现，通过远缘杂交获得的子代，由于双亲基因组的不亲和性使得基因组突变和重组频率急剧升高，为杂交子代的性状优化提供了遗传基础。杂交子代中基因组的变异，影响关键功能基因表达，进而产生了优势表型。然而， 目前尚未建立杂交子代中基因组变异和特殊基因表达模式的内在关联。同时，基因表达模式如何影响表型的关键细节还需要进一步阐明。例如，对鱼类杂交事件引发的基因组变化在鲈形目丽科鱼类以及鲤形目鲤科鱼类都开展了研究，为育种和自然驯化过程中的适应性进化提供了证据，但目前还缺乏基因组变异影响基因表达调控和表型的系统证据。因此，利用已研发的多种杂交组合开展杂交优势性状产生的分子机制研究，将拓展已有的认识，从杂交驱动基因组变异的角度全面揭示杂种优势产生的一般性规律。研究水产动物杂交育种的分子生物学机制，使水产育种技术与统计学以及生物信息学结合形成新兴学科，将更好地服务于水产动物育种工作。

“水产动物杂交育种的分子生物学机制”工程研究前沿领域，核心论文发表量排在前三位的国家分别为加拿大、美国、印度（多个国家并列第三）； 篇均被引频次排在前两位的国家依次为加拿大、印度，丹麦和乌拉圭并列第三（见表 1.2.9）。核心论文发文量排名中，麦吉尔大学、加拿大高级研究所、蒙特雷湾水族馆研究所、马里兰大学、华盛顿大学产出的核心论文及被引次数较多（见表1.2.10）。国家间的合作网络方面（见图 1.2.5），国家间的研究合作并不是十分普遍，美国与加拿大、中国， 丹麦与乌拉圭，英国与哥伦比亚之间有合作。产出主要机构间的合作网络方面（见图 1.2.6），美国和加拿大的机构有相对密切的联系。施引核心论文的主要产出国家主要是美国、中国和德国，美国占比近 25.00%（见表 1.2.11）。施引核心论文的主要产出机构方面（见表 1.2.12），排在前三位的分别是中国科学院、伍兹霍尔海洋研究所和厦门大学， 平均施引年为 2018 年。

《表 1.2.9》

表 1.2.9 “水产动物杂交育种的分子生物学机制”工程研究前沿中核心论文的主要产出国家

序号 国家 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 加拿大 2 25.00% 188 94 2015
2 美国 2 25.00% 90 45 2016
3 印度 1 12.50% 48 48 2015
4 丹麦 1 12.50% 47 47 2016
5 乌拉圭 1 12.50% 47 47 2016
6 西班牙 1 12.50% 42 42 2020
7 哥伦比亚 1 12.50% 30 30 2017
8 英国 1 12.50% 30 30 2017
9 巴西 1 12.50% 29 29 2016
10 中国 1 12.50% 23 23 2017

《表 1.2.10》

表 1.2.10 “水产动物杂交育种的分子生物学机制”工程研究前沿中核心论文的主要产出机构

序号 机构 核心论文数 论文比例 被引频次 篇均被引频次 平均出版年
1 麦吉尔大学 1 12.50% 121 121 2015
2 加拿大高级研究所 1 12.50% 67 67 2015
3 蒙特雷湾水族馆研究所 1 12.50% 67 67 2015
4 马里兰大学 1 12.50% 67 67 2015
5 华盛顿大学 1 12.50% 67 67 2015
6 古吉拉特中央大学 1 12.50% 48 48 2015
7 奥胡斯大学 1 12.50% 47 47 2016
8 乌拉圭共和国大学 1 12.50% 47 47 2016
9 罗维拉 – 威尔吉利大学 1 12.50% 42 42 2020
10 英国海洋生物协会 1 12.50% 30 30 2017

《图 1.2.5》

图 1.2.5 “水产动物杂交育种的分子生物学机制”工程研究前沿主要国家间的合作网络

《图 1.2.6》

图 1.2.6 “水产动物杂交育种的分子生物学机制”工程研究前沿主要机构间的合作网络

《表 1.2.11》

表 1.2.11 “水产动物杂交育种的分子生物学机制”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出国家

序号 国家 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 美国 128 24.66% 2018.3
2 中国 97 18.69% 2018.9
3 德国 42 8.09% 2018.3
4 法国 40 7.71% 2018.6
5 加拿大 39 7.51% 2018.5
6 英国 37 7.13% 2018.3
7 西班牙 36 6.94% 2018.7
8 澳大利亚 32 6.17% 2019.1
9 巴西 25 4.82% 2018.9
10 日本 23 4.43% 2018.7

《表 1.2.12 》

表 1.2.12 “水产动物杂交育种的分子生物学机制”工程研究前沿中施引核心论文的主要产出机构

序号 机构 施引核心论文数 施引核心论文比例 平均施引年
1 中国科学院 26 23.64% 2019
2 伍兹霍尔海洋研究所 11 10.00% 2017.5
3 厦门大学 11 10.00% 2018.8
4 同济大学 9 8.18% 2017.8
5 康涅狄格大学 8 7.27% 2019.9
6 加拿大渔业及海洋部 8 7.27% 2018.2
7 奥胡斯大学 8 7.27% 2018.5
8 不列颠哥伦比亚大学 8 7.27% 2018.5
9 西班牙国家研究委员会 7 6.36% 2018.9
10 中国船舶重工集团有限公司 7 6.36% 2018.9

《2 工程开发前沿》

2 工程开发前沿

《2.1 Top 10 工程开发前沿发展态势》

2.1 Top 10 工程开发前沿发展态势

农业领域工程开发前沿主要是实现农业生产精准化、生态化、绿色化和基因化需要的材料、技术、装备：① 与基因相关的技术，如育种群体的基因型和表型关联分析技术、基因编辑和植物抗病、畜禽分子设计育种；② 与生产管理相关的智能设备与技术，如基于农业大数据的作物施肥系统及装置、园艺作物智慧生产技术、基于人工智能的农业水肥管理、智能感知与饲料精准供给；③ 绿色高效农业生产的技术和投入品，如高效动物专用药物制剂、绿色智能肥料创制；④ 对自然生态环境的研究， 如严重退化林与草地生态修复技术。通过比较近 5 年来发布的开发前沿可以发现，利用基因技术和杂交技术育种成为农业科研的主要攻关目标。新型、高效、环保农用品的开发和应用是适应绿色农业发展的需要，例如微生物肥料、动物疫苗、农药替代品等是科研人员热衷的研究对象。随着社会对环境的关注，越来越多的前沿技术被用来治理农业造成的土壤和水体污染以及预防未来的污染。此外，近年来人工智能技术的研发已经渗透到农业的各个方向，最具代表的是无人农场的研发，因为这是人工智能在农业场景应用的综合体现。

农业领域工程研究前沿的核心专利数区间为39~3 682 项，平均为 652 项；平均被引数区间为39~5 874 次，平均为 1 292 次；核心专利出版年度比较近， 以 2017 年、2018 年和 2019 年为主（ 见表 2.1.1 和表 2.1.2）。

（1）作物育种群体的基因型和表型关联分析技术

建立基因型与表型的联系是遗传学的一个主要任务。在作物育种中，通过在群体水平进行基因与表型之间的关联分析可以帮助定位基因，并推动发掘基因的潜在功能。近年来，育种群体的高密度的基因型大数据的积累催生了对于快速和精确定位和表型关联的基因或变异位点的一系列方法，也为复杂性状的关联研究和表型预测提供了支持。利用全基因组关联研究（GWAS）探索复杂性状遗传结构已经在多个物种中得到应用。在实际研究中， GWAS 的有效性局限于群体的规模和遗传结构。同时，GWAS 对于稀有等位变异的分辨能力有限，而稀有变异在作物实际育种改良过程中却非常重要。在考虑有限的资源和成本的前提下，利用双亲群体控制群体结构可有效地控制遗传背景，可降低对复杂表型关联的遗传区域解析的复杂性。通过构建多

《表 2.1.1》

表 2.1.1  农业领域 Top 10 工程开发前沿

序号 工程开发前沿 公开量 引用量 平均被引数 平均公开年
1 作物育种群体的基因型和表型关联分析技术 134 5 874 43.84 2013.5
2 基因编辑和植物抗病 57 57 1 2019.3
3 严重退化林与草地生态修复技术 43 39 0.91 2018.7
4 畜禽分子设计育种 729 1 172 1.61 2017.4
5 基于农业大数据的作物施肥系统及装置 39 85 2.18 2018.7
6 高效动物专用药物制剂 770 1 064 1.38 2019.8
7 园艺作物智慧生产技术 72 140 1.94 2017.1
8 绿色智能肥料创制 855 1 219 1.43 2018.1
9 基于人工智能的农业水肥管理 3 682 3 072 0.83 2018.1
10 智能感知与饲料精准供给 138 196 1.42 2018.1

《表 2.1.2》

表 2.1.2  农业领域 Top 10 工程开发前沿核心专利逐年公开量

序号 工程研究前沿 2015 年 2016 年 2017 年 2018 年 2019 年 2020 年
1 作物育种群体的基因型和表型关联分析技术 6 5 12 19 10 7
2 基因编辑和植物抗病 1 1 6 3 16 23
3 严重退化林与草地生态修复技术 0 1 7 9 9 16
4 畜禽分子设计育种 67 73 100 107 191 113
5 基于农业大数据的作物施肥系统及装置 1 1 6 10 5 16
6 高效动物专用药物制剂 0 41 0 0 0 729
7 园艺作物智慧生产技术 9 10 7 22 8 9
8 绿色智能肥料创制 63 85 164 177 145 170
9 基于人工智能的农业水肥管理 213 510 693 765 521 674
10 智能感知与饲料精准供给 2 14 31 35 16 22

重双亲杂交群体如巢式关联作图（NAM）群体或多亲本重组自交系（MAGIC）群体等策略，加速研究不同遗传背景下对性状关联基因的克隆。此外， 结合不同的测序技术，同时考虑测序成本和群体构建效率的前提下，对表型分类样本进行混池，并结合生物信息学手段的创新，加速了对重要表型关联的基因或变异位点的定位，可有效缩短样本准备周期并降低成本。

（2） 基因编辑与植物抗病

由各种病原物引起的植物病害造成大量的作物产量和品质损失，甚至引起绝收，严重威胁着粮食安全和食品安全。虽然已从多层次建立了各种植物病害防控措施，但抗病品种的培育和利用仍是最经济、有效的措施。目前，抗性资源的挖掘和抗病品种的培育速度远远无法满足现实中的植物病害防控的要求，而基因编辑技术的出现则为作物抗病资源挖掘和抗病育种提供了颠覆性新技术和新策略。植物基因编辑技术能够通过精准改写作物自身的抗、感病基因或关键核苷酸，赋予作物具有优良抗病性， 从而短平快地实现作物抗病性改良。近年来，随着植物基因组编辑技术的快速发展，越来越多的科研人员将该技术广泛应用于作物抗病育种，通过编辑敲除感病基因或矫正缺陷抗病基因的关键核苷酸等方式成功创制获得了大量的抗病新种质材料。但是由于植物中存在着各种各样的抗病机制，现有的植物基因编辑技术还不能完全满足植物抗病育种的需求，某些重要的抗性基因仍无法有效地实现预期编辑，因此开发、优化和储备各种高效和新型植物基因组编辑技术并将其更好地应用于作物抗病基因资源挖掘、抗病种质培育，是未来植物基因编辑和植物抗病工程研究中的重点方向。

（3） 严重退化林与草地生态修复技术

森林和草原是我国主要的生态系统，森林和草地退化是当前世界范围内所面临的主要环境难题， 被认为是气候变化的主要原因之一。随着人口急剧增长、社会经济发展加速和森林草原资源的高强度开发利用等全球性问题的出现，直接或间接导致了森林和草原的退化，森林和草原的退化破坏了自然的平衡，这极大地导致了生物多样性的持续丧失， 增加了人们感染人兽共患病的风险，因此，恢复森林和草原的退化变得更加重要。对退化的森林和草地恢复其生态功能、进行生态修复是现阶段亟待解决的问题。

（4） 畜禽分子设计育种

分子生物学的进步催生了分子育种技术，该技术通过全基因组范围内的分子标记辅助选择与重要经济性状紧密连锁的分子标记，在全基因组水平上分析目标性状表型的所有遗传变异，深入分析表型、环境和基因表达调控的互作机制，确定与重要经济性状相关的数量性状基因座（QTL）、功能基因和调控序列。在此基础上通过动物生物技术如基因编辑从脱氧核糖核酸（DNA）分子水平上对动物品种进行改良，或在杂交后代中对基因型和表型进行关联分析，利用分子标记精准估计育种值，快速培育或者选育高产、优质、抗病的动物新品种。畜禽分子设计育种主要包括基因组选择育种和转基因育种，前沿技术主要为全基因组分子标记技术和精准基因编辑技术。

畜禽分子设计育种的关键问题是准确评估分子标记与 QTL 间的关联性，在全基因组利用单核苷酸多态性（SNP）芯片大规模发掘 QTL 资源，构建畜禽抗病、高产和优质等重要性状相关基因调控网络，并最终利用各种动物生物技术进行基因设计育种。传统动物育种向分子育种的转变是必然的趋势，分子标记辅助选择可以极大地缩短育种年限， 且不受时间和环境限制，转基因技术和基因编辑技术的应用则可以跨越畜禽种间杂交繁殖障碍，两者结合能极大地节省人力、物力、财力，实现传统育种不可能完成的目标，对畜禽新品种的培育有十分重要的价值。

（5） 基于农业大数据的作物施肥系统及装置

基于大数据的作物施肥系统是通过对农业生产中气象环境、土壤水肥参数连续监测，基于植株生长、品质形成规律模型对作物生产过程预测分析， 利用控制系统和相关装置实现肥料定时、定点、定量施用，对作物水分及养分进行全方位自动化管理， 以提高养分利用效率，提升作物产量与品质，大幅度降低人工成本。该内容为农业现代化的重要方向， 主要涉及软件工程、机械工程、水利工程、化学工程、植物营养、土壤学等多学科知识与技术，属于农业生产技术与产品开发的交叉领域前沿热点。基于农业大数据的作物施肥系统及装置的研究前沿主要包括：① 针对不同气候条件、作物体系、品种、土壤特征的作物生长、养分吸收和品质形成的精准水肥模型构建；② 作物地上地下生长、叶片养分浓度与土壤水肥状况精准监测与样品自动采集分析的传感器研发；③ 自动配肥与精准施用的田间施肥大型机械、无人机与水肥一体化设备研制与应用；④ 适用于大田机械施用与水肥一体设备的专用型绿色肥料产品创制；⑤ 智能水肥在线监测和自动调控系统与设备的开发及产业应用。

（6） 高效动物专用药物制剂

高效动物专用药物制剂是一种可提高动物用药疗效、减少给药频次、降低毒副作用、拓展给药方式和增强患病动物耐受性的技术形式。高效动物专用药物制剂有五个特点：一是较高的生物利用度； 二是可有效地控制药物释放速率；三是具有更好的稳定性；四是更低的药物毒性和耐药性；五是更好的临床优势。其主要依托制药技术、药用辅料、制药装备的支持。制药技术主要为高效动物专用药物制剂提供技术支持，包括包合、固体分散、纳米结晶、缓控释、纳米药物制剂、药物靶向、透皮给药、微晶体、微球、微囊等技术。药用辅料是生产药物制剂和调配处方时使用的赋形剂和附加剂，它不仅赋予药物一定剂型，而且与提高药物的疗效、降低不良反应有很大的关系，其质量可靠性和多样性是保证剂型和制剂先进性的基础。制药装备是药物制剂实现产业化和核心技术工艺实现的必备环节，制药装备主要包括根据不同药物制剂制备工艺实现的需要，其核心技术主要体现在粉碎、筛选、混合、制粒、均化、混悬、乳化、精制、浓缩、压片、固体分散、提取、干燥、包装等环节所需要的制药设备。高效动物专用药物制剂前沿技术主要包括药物处理技术、药用辅料、制药技术、药物筛选技术、药物递送技术、制药装备技术和药物新剂型在动物专用药物制剂中的应用。

（7） 园艺作物智慧生产技术

园艺作物智慧生产技术是智慧农业的重要组成部分，是物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术与园艺作物栽培技术相融合的生产技术，旨在实现园艺作物生产中对温、光、水、气、肥等环境要素的精确控制，为园艺作物的生长发育提供最佳条件，具有高度自动化、智能化的特点。目前，园艺作物智慧生产技术主要集中在设施园艺领域。无论是植物工厂还是现代智慧农场，都趋于智能化、现代化发展趋势。

园艺作物智慧生产前沿技术主要包括创建成本低且化石能源消耗为零的智能化温室设计建造、设施环境智能化装备研发、智能化园艺作物机械设备研发、园艺作物生长发育模拟模型建立、以作物最大产量为目标函数的设施环境与营养模拟、高效光源开发与应用、智慧化生产专用品种选育、智慧化生产技术模式与栽培系统开发等。

（8） 绿色智能肥料创制

绿色智能肥料是根据作物营养特性和农业生产特点，具有精准匹配土壤 – 作物系统养分需求， 有效强化根际生命共同体过程的创新型肥料产品。综合考虑了肥料加工过程低消耗、低排放、资源全量利用，应用过程要实现无有害物质、养分损失少、全元高效利用，产品能够满足土壤 – 作物系统全营养需求和智能精准供应养分。绿色智能肥料是农业绿色发展的关键绿色投入品，属于肥料产品研发与创新的前沿交叉领域热点，涉及化学工程、材料学、环境学、植物营养学、土

壤学等多学科知识与技术。绿色智能肥料创制需要充分理解根层 / 根际养分调控原理及实现途径，深入挖掘根际生命共同体生态互作级联放大效应；利用合成生物学途径重组土壤有益功能微生物，充分发挥功能微生物提高养分利用效率的潜力或改善养分供应的能力；多学科交叉创新突破，寻找并合成高效调控养分活化或者微生物活性的含碳有机增效材料；工农融合，创新低碳 / 无碳排放、低养分损耗、高生物有效性和高资源利用效率的生产技术与工艺；深入理解根际生物学过程，通过物质合成和绿色生产技术，创制根际智能响应型（温度、水分、pH、盐分、微生物等）肥料产品。

（9） 基于人工智能的农业水肥管理

基于人工智能的农业水肥管理是现代农业实现精准化、合理水肥管理、农业生产低耗高效、农产品优质高产的重要手段。利用智能传感、无线传输、大数据处理与智能控制等物联网和人工智能技术， 对温度、光照度、土壤温湿度、空气二氧化碳、基质养分等环境参数进行动态监测，并通过对风机、卷帘、内遮阴、湿帘、水肥灌溉等自动化设备的智能控制，使植物生长环境达到最适宜状态。目前， 基于人工智能的农业水肥管理研究前沿主要集中在人工智能系统在作物健康和土壤水肥管理中的应用，依赖人工智能技术的智能灌溉系统开发，作物智能实时监测平台建设，人工智能机器人技术和无人机在田间多源信息采集分析、农业水肥智能决策与控制等方面。

随着人工智能技术的不断进步，在精准农业和大数据的大框架内，人工智能在农业水肥管理中的应用价值将进一步提升和巩固。在未来，人工智能将会是农业水肥管理的主流科技手段和方法，数字技术和人工智能应用继续渗透农业，未来几年人工智能在农业方面的强劲增长速率将持续升高。人工智能解决方案的应用提供了许多机会，这些应用将帮助农民和农业生物企业更好地了解作物生长的自然规律，并使用更少的化学品和杀虫剂，降低对环境的影响。最终实现采用人工智能系统优化农作物生长环境，降低作物疾病发生概率，并能够全天候监测作物和土壤。

（10） 智能感知与饲料精准供给

智能感知是指通过物联网、人工智能和大数据等新兴技术，实现对复杂场景中各种因子进行动态感知，通过信息融合技术对收集到的信息进行即时处理加工与分析，达到对环境和对象的属性的综合判断，并用于指导决策的形成。智能感知能实现数据的可视化、管理的精准化与智能化而逐渐被应用于畜牧学等多个学科领域，并成为智慧养殖的重要内容。饲料成本占畜禽养殖成本的 60%，因此，提高饲料转化率是提高养殖业经济效益、实现畜牧业绿色发展的重要途径。饲料转化效率受饲养环境、营养源及组成、肠道健康等多种因素影响。基于智能感知系统理论，围绕集约化畜禽养殖生产和管理环节构建可适用于畜禽养殖复杂环境中温度、湿度、有害气体浓度、动物生理指标的智能化感知模块， 结合饲料原料营养价值动态预测模型，实现畜禽营养供给的精准化和畜禽养殖的智能生产与科学管理。

《2.2 Top 3 工程开发前沿重点解读》

2.2 Top 3 工程开发前沿重点解读

2.2.1          作物育种群体的基因型和表型关联分析技术

作物遗传育种中对基因型与表型进行关联分析是一项重要任务。对作物群体的重要农艺性状进行表型鉴定，并通过与基因型之间的关联分析可以定位功能基因，推动对基因功能的遗传解析。近年来， 组学大数据的积累为建立基因型和表型的关联提供了丰富的数据，但也为建立有效和快捷的分析技术带来了挑战。同时，作物群体的复杂性状遗传结构、群体的规模、稀有变异等因素，也限制了传统全基因组关联分析技术对数据的解析能力。在综合考虑样本数量、数据成本、数据质量等因素的前提下，

通过构建育种群体控制遗传背景，建立混池测序技术，建立不依赖与序列比对的全基因组关联技术等分析技术的创新，加速了对重要基因或变异位点的定位，并有效降低了成本，缩短了研究周期。

在基因型鉴定方面，利用 SNP 芯片、简化基因组测序和高通量测序等技术对育种群体进行高精度的基因型鉴定的技术已经非常成熟。由于和性状关联的关键变异不仅限于 SNP，基于 SNP 基因型和表型关联研究存在探索空间的局限性。近年来， 结合第二代高通量测序技术和第三代长序列测序技术，通过对拷贝数变异和结构变异等复杂变异进行精准鉴定并对关联性状进行分析，可在一定程度上弥补 SNP 信息的不足。对于基因组未组装序列或特殊不易组装的位点（如抗病基因），利用基于定长核苷酸串（k-mer）的策略和性状进行关联研究， 可以提供较强的统计学支持。此类方法不依赖于基因组组装和比对过程，为一些特殊基因的功能探索提供新的研究路径。

在表型数据积累方面，表型组学的快速发展将为大规模、自动化、低成本采集作物的多维度的表型数据带来曙光。未来，通过建设高通量、规模化表型鉴定平台，可加速产生和积累高质量的表型数据。通过对高维表型数据进行降维处理，并与基因进行逐个关联，建立基因组与表型组关联分析（GPWAS），可为作物育种研究提供全新的“基因组学 – 表型组关联分析”视角，助力作物功能基因的快速挖掘。

在统计建模方面，通过构建最佳线性无偏预测（BLUP）、套索回归（LASSO regression）等线性模型对表型进行预测已经不能满足高通量测序数据带来的大规模、多维度数据增长的分析需求。特别是对于产量这类多基因控制的复杂性状，目前的线性方法抓取位点之间的互作信息的能力有限，导致预测能力普遍不高。未来以育种大数据为支点，通过对育种数据的解析、优良基因及变异位点的挖掘，利用全基因组选择、机器学习等算法建立一系列育种决策模型或可提供更有效的解决方案。

随着各类组学技术的广泛应用，基因和性状的关联研究也可扩展到转录组、表观组、代谢组学、蛋白组等多个维度。其中，基于测序转录组的表达数量性状位点（eQTL）研究可用于分析与基因表达关联的顺式（in cis）或反式 (in trans) 调控关联的变异位点 , 有助于理解调控元件影响转录产物积累进而改变农艺性状的过程。通过开展动态性状QTL 分析揭示基因的动态表达特性也是当前研究的一个新的方向。此外，结合测序亚硫酸盐的甲基化测序，将表观遗传修饰和基因型进行关联（mQTL）， 可以定位与表观遗传修饰变异相关的位点；另外， 通过和表型的关联研究（mGWAS），可以探究表观遗传变异和表型响应的关系。通过整合多组学研究前沿技术进行交叉创新，将成为今后基因 – 性状关联研究的延伸领域，也为作物育种提供新的视角。

相关核心专利主要产出国家、主要产出机构、主要国家间的合作网络及主要机构间的合作网络分别见表 2.2.1、表 2.2.2、图 2.2.1 和图 2.2.2。核心专利公开量和被引数排在前五位的国家分别是美国、中国、瑞士、荷兰、澳大利亚，其中瑞士与荷兰并列第三。其中，美国在专利公开量及被引数上均位居第一。中国的核心专利被引数偏少。在国家间的合作网络中，各国均与美国有合作，其他国家间存在少量合作。

核心专利主要产出机构排名前十位中，来自美国的公司居多，来自德国和荷兰的公司各有一个。其中，排在前三位的机构分别是杜邦旗下的先锋良种公司、美国孟山都公司、先正达公司，均来自美国，但不同机构之间存在少量合作。

2.2.2       基因编辑与植物抗病

植物基因编辑技术能够通过精准改写作物自身

《表 2.2.1 》

表 2.2.1 “作物育种群体的基因型与表型关联分析技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 美国 87 64.93% 5 515 93.89% 63.39
2 中国 20 14.93% 30 0.51% 1.5
3 瑞士 9 6.72% 246 4.19% 27.33
4 荷兰 9 6.72% 70 1.19% 7.78
5 澳大利亚 7 5.22% 54 0.92% 7.71
6 法国 4 2.99% 63 1.07% 15.75
7 以色列 4 2.99% 13 0.22% 3.25
8 巴西 3 2.24% 159 2.71% 53
9 英国 3 2.24% 45 0.77% 15
10 德国 2 1.49% 70 1.19% 35

《表 2.2.2》

表 2.2.2 “作物育种群体的基因型与表型关联分析技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

序号 机构 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 先锋良种公司 美国 25 18.66% 101 1.72% 4.04
2 美国孟山都公司 美国 15 11.19% 434 7.39% 28.93
3 先正达公司 美国 12 8.96% 528 8.99% 44
4 美国维尔纽姆公司 美国 9 6.72% 839 14.28% 93.22
5 塞米尼斯蔬菜种子有限公司 美国 8 5.97% 29 0.49% 3.63
6 戴文公司 美国 7 5.22% 786 13.38% 112.29
7 德国巴斯夫集团 德国 7 5.22% 590 10.04% 84.29
8 荷兰皇家帝斯曼集团 荷兰 4 2.99% 429 7.30% 107.25
9 美国 Ceres 生物技术公司 美国 4 2.99% 30 0.51% 7.5
10 北大未名生物工程集团有限公司 中国 4 2.99% 9 0.15% 2.25

《图 2.2.1》

图 2.2.1 “作物育种群体的基因型与表型关联分析技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络

《图 2.2.2》

图 2.2.2 “作物育种群体的基因型与表型关联分析技术”工程开发前沿主要机构间的合作网络

的特定基因或关键核苷酸，包括靶基因敲除、特定单核苷酸替换、DNA 片段替换等，赋予作物具有优良性状或者全新的性状，从而短平快地实现作物的遗传改良，是农业领域作物新种质开发和品种改良的颠覆性新技术。目前，植物基因编辑技术主要是利用来源于细菌免疫系统的 CRISPR/Cas 系统来完成的基因组靶位点编辑与修饰，并进一步在CRISPR/Cas 系统上结合核苷酸脱氨酶和逆转录酶等功能酶而发展起来的实现腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）间以及鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）间互换的碱基编辑技术和实现任意碱基间互换与特定核苷酸插入、删除的引导编辑技术等。由各种病原物引起的植物病害严重危害着作物的正常生长活动，并导致巨大的产量和品质损失，甚至引起绝收。在各种植物病害防控措施中，抗病种质资源的挖掘和利用是最经济有效的措施，基因编辑技术的出现为现代作物抗病资源挖掘和抗病育种提供了强有力的新思路和新策略。

在植物与病原物互作的过程中，寄主植物的抗病基因功能的发挥对有效抵御病原物侵染和降低病害损失具有至关重要的作用。此外，寄主植物中也存在大量的感病基因，而这些基因负调控植物对病原物的防御反应，加重病害的危害程度。因此，目前基因编辑技术在植物抗病育种中的应用主要分为以下几个方面。首先，通过植物基因组编辑技术对作物内源感病基因进行高效定点敲除，从而提高植物的抗病性，比如通过敲除感病基因 TaMLO 从而赋予小麦对白粉病的抗性，编辑 OsSWEET 基因启动子赋予水稻对白叶枯病产生广谱抗性，同时编辑 Pi21、Bsr-d1 和 Xa5 基因赋予水稻对多种病害

（稻瘟病和白叶枯病）同时产生抗性是等。其次， 碱基编辑技术可对作物缺陷型抗病基因的重要核苷酸进行精准改造和基因修复，恢复其抗病性，比如利用单碱基编辑器对水稻抗稻瘟病基因 pi-d2 靶碱基 G 向 A 的精准替换，成功实现了缺陷型抗病基因的快速修复。对于病毒病害，还可以通过设计构建相应的编辑载体，直接靶向切割和破坏病毒基因组，从而赋予植物抗病毒能力，目前已分别利用CRISPR/Cas9 和CRISPR/Cas13a 系统成功创制获得了抗 DNA 和 RNA 病毒的植物材料。未来，还可利用基因编辑技术将异源抗病基因直接定点插入到感病品种的基因组中，从而赋予其产生抗病性，此外，新型的引导编辑技术由于其能实现任意核苷酸间的互换和特定核苷酸的删除与插入的优势，也将会在植物抗病育种中具有不可估量的作用。最后， 除了直接利用已知的抗、感病基因资源，还可以借助基因编辑技术人工创制新的抗病种质资源，例如通过建立饱和敲除或碱基编辑突变体库可快速基因

人工进化和筛选鉴定出新的抗、感病基因及相应种质资源，突破自然变异和诱变技术的局限性，大大缩短了育种周期。

除了将现有植物基因编辑技术不断地应用于植物抗病性改良中，针对植物基因组编辑技本身的技术发展也是一个重要的研究方向。由于植物中存在着各种各样的抗病机制和CRISPR 系统在发挥作用是需要满足特定的要求 [ 比如合适的识别 PAM (protospacer adjacent motif，前间区序列邻近基序)、碱基编辑窗口和编辑类型等 ]，现有的植物基因编辑技术还不能完全满足植物抗病育种的需求，某些重要的抗性基因无法有效地实现预期编辑，因此， 需进一步开发新的基因编辑技术和提高现有技术的编辑效率与应用范围。而这些瓶颈一旦突破，将实现作物基因组的全方位精准编辑和抗病性的改造利用，将大大推进作物抗病育种的进程。

相比于传统杂交抗病育种的周期长、工作量大、综合性状不确定等缺陷，基因编辑技术在植物抗病育种中的应用则有效避免了这些问题，同时使得人工创制新的抗病种质资源成为现实，推动作物抗病育种进入快速、高效和精准的新时代。随着植物抗、感病基因不断被挖掘，抗病信号通路不断被解析和高效新型植物基因编辑技术不断被开发与优化，利用基因编辑技术直接对作物品种中的相关基因进行修饰从而实现对植物抗病性的快速、精准调控，将加速抗病育种进程和缩短现有优良品种的使用年限，为实现国家农业绿色植保和农业可持续发展提供重要支撑，保障粮食生产安全，将成为现代作物抗病育种工程中的一个前沿热点。

相关核心专利的主要产出国家、主要产出机构、主要国家间的合作网络及主要机构间的合作网络分别见表 2.2.3、表 2.2.4、图 2.2.3 和图 2.2.4。核心专利公开量最多的国家是中国，为 48 项，占比为84.21%；排名第二的是荷兰，为 5 项；瑞士和美国各有 2 项专利，并列第三。中国核心专利的被引数比例为 64.91%，远超第二名的瑞士和美国，但平均被引数只有 0.77，大幅落后于瑞士、美国和日本。本方向国家间的合作较少，仅有先正达公司在美国与瑞士不同分公司之间的合作。

核心专利产出最多的机构是中国农科院作物科学研究所，共有 13 项；中国科学院遗传与发育生物研究所和南京农业大学以 4 项专列并列第二；荷兰安莎公司和华中农业大学并列第三，各有 3 项专利。被引数比例最高的 3 个机构是中国农业科学院作物科学研究所、先正达公司和中国农业大学，平均被引数最高的机构是先正达公司，为 6.5。不同机构之间合作较少，仅有中国科学院遗传与发育生物研究所和中国农业科学院作物科学研究所有合作。

2.2.3       严重退化林与草地生态修复技术

森林和草原是重要的陆地生态系统，能够提供多种生态系统服务。例如，它们可以保护土壤不受侵蚀，调节水资源状况，捕获和储存碳，生产氧气， 提供淡水和栖息地，有助于减少火灾风险（特别是在热带地区），以及生产木材和非木材森林产品等等。然而，随着社会经济的快速发展，森林和草地资源被高强度开发利用，森林和草地退化已成为世界范围内面临的主要环境难题。森林和草地退化不仅造成了生物多样性的丧失，也对在地方一级完全或部分依赖森林产品和服务的数百万人以及在区域或全球一级受益于森林服务的数十亿人产生不利影响。在造成温室气体排放方面，森林草地退化仅次于燃烧化石燃料，已成为全球气候变化的关键影响因素。因此，森林和草地的健康发展对我国乃至全球生态系统的稳定发展都至关重要，采取紧急行动进行生态修复，遏制森林和草地的退化，恢复生态系统功能已成为现阶段全球亟待解决的问题。

森林和草地退化是一个严重的环境、社会和经济问题。由于森林退化的原因、形式和强度不同， 不同的利益相关者对森林退化也存在不同的看法， 森林和草地退化很难量化。生态修复是指借助人工

《表 2.2.3》

表 2.2.3 “基因编辑和植物抗病”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中国 48 84.21% 37 64.91% 0.77
2 荷兰 5 8.77% 0 0.00% 0
3 瑞士 2 3.51% 13 22.81% 6.5
4 美国 2 3.51% 13 22.81% 6.5
5 日本 1 1.75% 7 12.28% 7
6 德国 1 1.75% 0 0.00% 0

《表 2.2.4》

表 2.2.4 “基因编辑和植物抗病”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

序号 机构 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中国农业科学院作物科学研究所 中国 13 22.81% 17 29.82% 1.31
2 中国科学院遗传与发育生物研究所 中国 4 7.02% 5 8.77% 1.25
3 南京农业大学 中国 4 7.02% 2 3.51% 0.5
4 荷兰安莎公司 荷兰 3 5.26% 0 0.00% 0
5 华中农业大学 中国 3 5.26% 0 0.00% 0
6 先正达公司 瑞士 2 3.51% 13 22.81% 6.5
7 中国农业大学 中国 2 3.51% 12 21.05% 6
8 西南大学 中国 2 3.51% 1 1.75% 0.5
9 宜春学院 中国 2 3.51% 1 1.75% 0.5
10 中国科学院华南植物园 中国 2 3.51% 0 0.00% 0

《图 2.2.3 》

图 2.2.3 “基因编辑和植物抗病”工程研究前沿主要国家间的合作网络

力量，对受损或退化的生态系统进行修理、整治， 使其结构和生态服务功能等回复到较好状态的过程。生态修复是恢复生态学中出现的新词，是生态恢复重建中的一项重点内容，不同于生态重建、生态恢复。生态修复比生态保护更具积极含义，又比生态重建更具广泛的适用性，它既具有恢复的目的

《图 2.2.4》

图 2.2.4 “基因编辑和植物抗病”工程开发前沿的主要机构间的合作网络

性，又具有修复的行动意愿。修复对象既包括自然生态系统，也包括人工生态系统，涉及国土空间各生态要素。生态修复与环境保护、资源节约已成为生态文明建设的三块基石。

为详细制定政策和执行森林经营规划来修复退化森林和草地，需要有关森林和草地退化程度的准确信息。因此，对退化森林和草地进行生态修复的主要步骤是：① 定义森林和草地退化的概念、内涵；② 分别建立森林和草地的退化评价系统；③ 应用评价系统对森林和草地进行退化测算评价，分析森林和草地的退化现状和发展趋势；④ 针对退化森林和草地的评价结果，进行生态系统修复规划，设计具体修复措施，提出针对退化森林和草地的生态修复标准；⑤ 根据规划要求、设计方案和修复标准， 实施退化森林和草地的遥感动态监测及修复措施， 按照系统论的观念进行综合治理；⑥ 通过地面调查及遥感监测技术对实施修复方案的地区进行效果评价。

对退化森林和草地进行评价主要依托于国家森林资源连续清查和草地清查数据的支持。对退化森林和草地计算的总体思路是：① 确定参照对象、退化指标和阈值三个要素；② 结合清查数据和三要素，以气候带 / 省作为总体，判定各样地是否为退化森林和草地；③ 统计推断出各总体 [ 气候带 / 省（市、自治区）] 的退化林森林和草地的类型和面积。生态修复应主要考虑如何将森林和草地作为整体进行修复措施确定，以及如何对其退化状态进行动态监测。退化森林和草地的生态修复总体思路是：① 进行生态红线划定；② 区域发展格局（功能区划）；③ 区域土地利用方向和布局的调整。

对退化森林和草地进行生态修复的主要前沿技术有退化森林和草地的面积计算、生态修复工程和生物技术以及遥感技术。① 退化森林和草地的面积计算主要包括退化森林和草地三要素的确定、判别退化森林和草地、测算退化面积；② 生态修复工程和生物技术包括生物修复、物理修复、化学修复以及工程技术；③ 遥感技术包括信息的获取技术、传输技术、存储和处理技术。

相关核心专利的主要产出国家、主要产出机构和主要国家间的合作网络分别见表 2.2.5、表2.2.6、图 2.2.5。核心专利公开量排在前两位的国家是中国与俄罗斯，新西兰、葡萄牙与韩国并列第三。被引数排在前两位国家的是中国和澳大利亚。其中，中国在专利公开量及被引数上均位居第一，公开量比例达 90.13%。被引数比例高达97.05%。国家间的合作较少，仅美国与葡萄牙和巴西间有少量的合作。

核心专利主要产出机构公开量排名前三位的是南京林业大学、华东师范大学、中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所；被引数排名前三位分别是南京林业大学、华东师范大学和中国矿业大学（北京），均来自中国。前十名的不同机构之间无合作关系。

《表 2.2.5》

表 2.2.5 “严重退化林与草地生态修复技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出国家

序号 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 中国 274 90.13% 329 97.05% 1.2
2 俄罗斯 6 1.97% 2 0.59% 0.33
3 新西兰 3 0.99% 0 0.00% 0
4 葡萄牙 3 0.99% 0 0.00% 0
5 韩国 3 0.99% 0 0.00% 0
6 美国 2 0.66% 0 0.00% 0
7 澳大利亚 2 0.66% 5 1.47% 2.5
8 乌克兰 2 0.66% 0 0.00% 0
9 印度尼西亚 2 0.66% 0 0.00% 0
10 巴西 1 0.33% 0 0.00% 0

《表 2.2.6》

 表 2.2.6 “严重退化林与草地生态修复技术”工程开发前沿中核心专利的主要产出机构

序号 机构 国家 公开量 公开量比例 被引数 被引数比例 平均被引数
1 南京林业大学 中国 12 4.12% 41 12.13% 3.42
2 华东师范大学 中国 8 2.75% 20 5.92% 2.5
3 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 中国 8 2.75% 6 1.78% 0.75
4 北京林业大学 中国 6 2.06% 9 2.66% 1.5
5 中国林业科学研究院热带林业研究所 中国 5 1.72% 1 0.30% 0.2
6 中国科学院成都生物研究所 中国 5 1.72% 2 0.59% 0.4
7 中国矿业大学(北京) 中国 4 1.37% 11 3.25% 2.75
8 河北省林业和草原科学研究院 中国 4 1.37% 4 1.18% 1
9 北京航空航天大学 中国 4 1.37% 3 0.89% 0.75
10 中国科学院南海海洋研究所 中国 4 1.37% 2 0.59% 0.5

《图 2.2.5》

图 2.2.5 “严重退化林与草地生态修复技术”工程开发前沿主要国家间的合作网络

 

 

课题组组长：

课题组成员：

张福锁

专家组成员：

曹光乔    陈源泉    戴景瑞    韩丹丹    韩建永   

韩    军    郝智慧    胡雅杰    康绍忠    李德发

李道亮    李    虎    刘少军    李天来    刘晓娜

罗锡文    倪中福    蒲    娟    齐明芳    申建波

沈建忠    王桂荣    王红亮    王军军    吴孔明

吴普特    武振龙    张福锁    张洪程    张守攻

张小兰    张    涌    赵春江    臧    英    周    毅

朱齐超    朱旺升    朱作峰

 

课题组成员：    

初晓一    郜向荣    李红军    李云舟    刘德俊

刘    军    师丽娟    孙会军    汤陈宸    王桂荣

姚银坤    张晋宁    赵    杰    周丽英                

 

执笔组成员：            

符利勇    郭伟龙    韩丹丹    韩建永    黄成东

金诚谦    刘    军    刘少军    罗锡文    吕    阳

倪    斌    钱永强    钱震杰    权富生    孙康泰

孙世坤    王军辉    王军军    武振龙    杨    青

赵春江    张    涌    周焕斌    朱齐超    
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