【2020 農業智庫報導年報】2020農業科研關鍵字

【2020 農業智庫報導年報】2020農業科研關鍵字


華文區第一本農業科技研究前沿報告書
盤點2013-2019指標期刊農業關鍵字
跨域分析2020農業科技發展趨勢


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氣候變遷、智慧農業、永續農業是近幾年農業的熱門話題,不論是聯合國農糧組織、美國農業部、以及臺灣科技部、行政院農委會等每年都提撥相當可觀的研發經費與人力團隊在這些議題中。如今農業科學已不再是「單一學科」的學門,而是橫跨環境生態、電腦資訊、甚至大氣學的綜合性科學(multidiscipline)。

2019年農委會開啟一項名為「新興數位工具協助新農業科技政策研擬及研究成果推廣」的科技補助計畫,由農業專家組成跨領域團隊並與資料科學家合作,以書目計量學(bibliometrics)與研究前沿(resarch fronts)建立跨域農業議題的知識架構、分析議題的科技內涵與發展趨勢,並發表「2020農業科技關鍵字(研究前沿報告書)」詳細論述科技如何解答永續農業發展的課題。



基礎研究是技術發展的原動力,生物科技的研發進程,從基礎研究、技術發展、到產業應用至少需要 3 至 5 年。研究團隊蒐集近 10 年共 5 個指標性跨領域農業期刊的書目資料,包含日期、期刊卷號、標題、作者、作者關鍵字、以及摘要等,將 2013 年到 2019 年間超過 10 萬筆的書目資料收進資料庫,並進行統計分析產出研究前沿結果,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」,這205個作者關鍵字,也就代表了近幾年農業學術研究的聲量分布狀況。



投影片3圖1:研究團隊根據期刊影響力(IF, Impact factor)與期刊收錄的農業類別文章數量,挑選出五個農業指標期刊,並藉由交叉比對產出205個重要作者關鍵字清單。


總計 205個關鍵字,10大農業議題



  • 農業(Agriculture)

  • 智慧農業(Intelligent agriculture)

  • 田間管理(Management)

  • 植物物種類別(Plant Species)

  • 微生物與土壤(Microbes & Soil)

  • 環境與逆境(Environment & Stress)

  • 育種(Breeding)與性狀(Phenotype)

  • 植物生理(Plant physiology)

  • 病蟲害防治(Pest & disease control)

  • 生態(Ecology)以及其他非典型科技關鍵字(Other)。


結果顯示「智慧農業」是討論熱聲量最高的科研議題,有32個關鍵字被歸類在智慧農業中(如下圖);另一方面發展中的方向,永續農業、友善環境農業(conservation agriculture)、精準農業、與有機農業則是科學家關注的主題。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),這些社會經濟學屬性的科技詞彙的關鍵字也在熱門清單中。這代表科技研究目標不再侷限於「革新舊有農業生產技術」,而逐漸朝著「解決產業經濟問題」的方向邁進。



圖2,205個熱門科研關鍵字與其10大議題分類,科研聲量分析結果顯見「智慧農業」是未來發展的重點議題,包含當前討論度最熱烈的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)、地理統計、以及作物模式研究最常使用的線上工具DSSAT(農業技術傳播與決策支援系統,decision support system for agrotechnology transfer)。



智慧農業,全球熱門的技術領域


臺灣對智慧農業的發展「目標」已有詳細說明,但科技內涵的部分則較無細緻的陳述。據農委會對「智慧農業」解釋:「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、物聯網、大數據分析、區塊鏈等前瞻技術導入,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。」



研究前沿的結果顯示:近10年智慧農業熱門科技主題以人工智慧、作物模式、遙測、地理圖資等技術。此外,農業技術傳播與決策支援系統、資料探勘則是資料科技的顯學。而物模式與遙測技術的內涵則包含植生指數(vegetation index,VI)、葉面積指數、歸一化植被指數(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)、葉綠素測定儀(SPAD)、反射光光譜(spectral reflectancce)、近紅外光譜(Near Infrared, NIR)與截光率(Light interception)等,甚至在臺灣比較少討論的資料科學,如資料探勘以及各種分析方法在這議題都出現在重要關鍵字清單中。



e68a95e5bdb1e789875.jpg圖3,以作者關鍵字建立智慧農業的知識架構,包含類神經網絡、作物模式、遙測技術、地理圖資系統、地理統計、DSSAT、以及資料探勘。


臺灣的智慧農業係從工業資通訊角度擬定農業規劃策略,並倚賴國內專家的經驗法則產出發展方向,因此知識架構著重在自動化與機械化,這些短期內尚可解決產業課題,如缺工與勞力老化等。但田間實際需要的作物生長模式、或是產業應用必要的資料探勘技術仍需要更多資源投入才能真正讓智慧科技產業化。我國已有產業化的無人機商業模式、設施環控系統產品、以及田間為氣候感測器服務。研究前沿所建立的知識架構與計量結果顯示,未來我國可強化國內在作物模式上的數據收集、持續發展遙測技術、並結合現有地理圖資系統才能建立的實際可用的智慧化決策系統。



以育種技術應對氣候變遷


育種是農業重要技術之一,產品的品質與病蟲害風險固然可以透過田間管理、收穫後採收等措施降低經濟損失,環境與氣候威脅卻是人類無法快速調控的生產瓶頸,好的品種正是面對氣候變遷最重要的利器。

從「環境」議題的分析結果可看出應對氣候變遷的育種目標,包含溫室氣體、降水、水資源管理、與田間微氣候是環境議題中的熱門主題,相對應的逆境如高溫、缺水、乾旱以及霜害則是為天氣風險。為了保障糧食安全,未來育種家在性狀部分將以抗耐逆境、產量、品質、乾物重、氮肥利用率與水分利用率等做為選拔品系時重要指標。

「田間作物科學研究(Field Crops Research)」是知名農糧類作物生產的SCI期刊,2018-2019之期刊影響指數為3.868,研究前沿結果顯示在植物育種的議題類別中,分子標誌、數量性狀基因座(QTL)、全基因組關聯性分析(GWAS)、以及SNP(s)是近期最熱門的育種技術,甚至在2018年之後GWAS的研究聲量超越數量性狀基因座(圖4)。

圖4 2010至2019年知名期刊Field Crops Research以植物育種為主題的作者關鍵字統計結果,QTL,quantitative trait locus/loci,GWAS,genome-wide association study,SNP(s),single-nucleotide polymorphism(s)。資料來源:農業智庫報導科研資料庫 www.agrianalytics.tw



隨著生物科技技術的進步,基因組定序成本越趨低廉間接促使了全球GWAS在農業育種上的應用速度。除了雜交、回交、選種等傳統育種方法,跨國種子公司紛紛投入在高技術成本的分子輔助育種中。面對農業貿易全球化趨勢,臺灣種苗產業是否有能力面對跨國種苗公司的挑戰?將會是另一個育種必須面對的難題。

大眾對農業科技的印象多半是實驗室、生物科技、或近年來很夯的自動化與機械化的畫面,時常忽略真正「接地氣」的大田試驗結論。

科研聲量統計結果顯示:田間管理與土壤分別是第二、第三大的科技議題,作物系統(輪作、間做、不整地栽培)、雜草、水分與氮肥管理是田間管理主要研究目標;而聲量第三高的土壤科學的主題則有土壤質地、性質、有機質、酸鹼值、以及氮磷鉀等重要肥料元素。




圖5 農業環境與生態期刊(Agriculture Ecosystems Environment)自2010-2019年殺蟲劑與殺草劑相關主題之聲量統計。IPM為intergrated pest management之縮寫。



田間管理仍是永續農業發展重要的領域


永續農業發展除了生物科技、機械科技、以及藥劑科學這些實驗室裡的研究,以人為主的田間管理仍是科學家重要的研發領域。

在面對「生態保育與農業生產如何平衡」的問題時,田間管理與土壤管理扮演了重要角色,例如有機耕作、整合性管理與友善環境耕作等科技措施。農業生態研究不再只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生態樣貌、土地及自然資源的長期變異、並評估農業操作對生態系統的影響。

農業生態學是兼顧農業生產與生態環境保育的學問,其中生物多樣性、土地規劃、草地、空間變異( spatial variability)等主題是科研領域聲量較高的作者關鍵字。

而在藥劑防治端的蟲草害管理主要為仍是殺蟲劑,儘管2015年之後作者關鍵字「殺蟲劑」的出現次數逐漸下降,但仍遠高於其他蟲害管理主題。2011年之後「管理代替藥劑使用」相關主題的聲量逐漸提高,特別是「整合性蟲害、草害」在近三年的討論聲量大幅提升(圖5)。

這也意味著:「大幅降低人為農業操作對生態影響」為來仍是農業科技發展的策略。


臺灣第一份農業研究前沿報告書,量化公共議題數據


「2020農業科技關鍵字」是臺灣第一份農業研究前沿報告書,也供了政策制定者論述公共議題的量化數據。

政策智囊團時常使用「專家會議法」產出重要主題,卻被詬病有「權威人士主導政策走向」的缺點。根據 2010-2019 年的作者關鍵字統計結果與視覺化分析後的圖像顯示:不同領域的農業期刊所重視的主題不完全相同(如圖5),此結果便驗證了「主觀意識可能導致政策擬定時的偏差」的說法。

藉著資料科技的輔助,以農糧科學、農業生態環境、植物科學、農業資通訊、及綜合領域期刊的書目資料,我們得以即時掌握領域專家所關注的農業主題。農糧類議題在氮肥與水份的作物管理是熱門研究主題,農業生態則有栽培模式、植物與土壤、碳足跡與溫室氣體交互作用的主題;基礎研究以植物分子生物學為大宗科技主題,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。


投影片7

圖6,關鍵字分析方法能快速了解不同領域的熱門研究主題。



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,由農科院的資料分析師組成跨領域團隊,借助資料探勘技術與文本分析方法,產出農業研究前沿方法學,並解析跨域農業議題的知識架構。

「2020農業科技關鍵字(研究前沿報告書)」已刊登於農業智庫報導網站,報告中詳細論述現代農業科技的技術內涵,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產品開發與市場投入時參考。期許政府能導入數位工具來協助國家農業發展,用更宏觀、更客觀、多元化的面向分析農業科技政策的內涵,提升決策體系的公開透明度,好讓農業政策有更充分、更有深度的討論環境。


「2020農業科技關鍵字」之研究前沿方法與論文摘要已於「2019年亞太農業資通訊研討會」進行公開發表,演講題目為:「以資料探勘與語意分析進行農業研究前沿(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. 林家民(2015, 10)。〈共詞分析於氣候變遷之運用〉氣候變遷在台灣研討會專題。台灣氣候變遷調適科技知識平台。
  2. 張家彬(2016, 03)。〈從研究方法角度探討研究前沿〉大學圖書館,20,頁88-112。
  3. Earl Babbie(2016)《社會科學研究方法》。林秀雲。臺灣。雙葉書廊
  4. 余祁暐、李盼(2017, 06)。〈全球農業生技產業發展現況與趨勢〉農業生技產業季刊,50,頁1-4。
  5. 柴幗馨(2019, 09)。〈預見科技的未來:農業研究前沿Research Fronts〉研之作作。
  6. 農業智庫報導(線上資料庫)。  
  7. 2019亞太農業資通訊研討會
更多研究前沿商業合作請洽:[email protected]

【2021農業智庫報導年報 #0】新農業科技,協助達成 2030永續發展目標