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美国农业食品领域学科交叉热点主题研究

世界领先创新型国家重要科研基金资助项目,具有前瞻性、先导性和战略性。世界各国已将资助学科交叉研究提升到国家科技战略层面,如英国设立的面向农业/粮食安全等全球挑战的重大基金项目,均将跨学科研究作为重要支持对象。2021年习总书记提出推动“新农科”建设,是面向科技创新、产业升级需求的学科融合发展理念。因此,提高农业科技创新能力,加强前沿热点、关键环节和瓶颈卡点的科技攻关势在必行。

本文以农业领域的基金项目为研究对象,对基金项目学科和重点研究主题进行分析,基于学科交叉测度和共现网络,识别学科交叉热点主题,通过构建“支持趋势-交叉趋势”战略坐标系,判别基金项目中学科和研究主题的分类和研究趋势,以期为相关领域的研究者提供参考与借鉴。

1 数据来源与方法

美国国家食品与农业研究院(NIFA)是重要的科研机构,致力于农业、环境、人类健康、福利等多方面研究,在美国农业领域具有一定的影响力。本文基金数据来自美国国家食品与农业研究院官网,下载2016-2022年期间资助的基金项目,经数据去重、合并对数据进行清洗。

2 学科主题计量分析

2.1 重点学科布局

统计整理NIFA项目数据,2016-2022年NIFA资助项目数量共10310项,其中,资助频次Top3学科是教育学、工程学和生物学,资助金额Top3学科分别是工程学、经济学和生物学,每个学科平均资助金额达4亿美元,是NIFA重点支持的学科方向。学科类别以生物类居多,社会与行为类次之,同时,大多数学科的资助频次与金额保持正向关系。

序号

学科

频次

资助金额

(百万美元)

学科类别

1

教育学

963

34.64

社会与行为类

2

工程学

724

40.71

物理类

3

生物学

670

39.05

生物类

4

生态学

650

35.04

生物类

5

营养与代谢

629

31.02

生物类

6

经济学

557

40.65

社会与行为类

7

遗传学

494

25.46

生物类

8

分子生物学

477

23.20

生物类

9

生理学

382

21.71

生物类

10

昆虫学与粉螨学

373

19.00

生物类

表1 2016-2022 NIFA资助项目重点学科

2.2 重点研究主题

根据NIFA数据中基金项目的知识分类字段,统计排名Top20的重点研究主题,见表2。

结合资助项目关键词、摘要等内容进行分析,2016-2022年NIFA热点资助方向集中在:1)土壤、植物、水、养分关系,涉及利用微生物、植物对土壤进行改良,并研究其作用机制;提高粮食、经济作物产量和生产效率;提高农业生产水资源利用率等方面。2)交流、教育和信息传递,涉及农业人才培育,农业新技术、新方法、生产经营能力提升培训计划等方面。3)植物基因组、遗传学和遗传机制,涉及粮食、水果、蔬菜等植物新品种的开发与选育;用转录组学等技术方法鉴定水果、蔬菜等植物发育过程的关键调控因子;基因编辑、基因标记等技术应用及遗传机制研究等方面。

从资助金额来看,2016-2022年NIFA资助金额千万美元以上的5个重点方向包括:土壤-植物-水-养分关系,动物疾病,交流、教育和信息传递,以及虫害综合管理系统。其中,土壤-植物-水-养分关系,交流、教育和信息传递是资助热度和资助强度“双高”的重点方向。

表2 2016-2022年NIFA项目重点资助方向

序号

研究主题

频次

金额

/万美元

序号

研究主题

频次

金额

/万美元

1

土壤-植物-水-养分关系

583

1547

11

工程系统和设备

250

196

2

交流、教育和信息传递

574

1166

12

基础植物生物学

215

415

3

植物基因组、遗传学和遗传机制

406

276

13

营养教育与行为

207

138

4

动物疾病

380

1317

14

青年发展

200

566

5

保护食品免受病原微生物、寄生虫的毒素污染

318

835

15

动物管理系统

194

617

6

昆虫、螨和其他影响植物的节肢动物

314

359

16

人口中的营养和饥饿

173

130

7

影响植物的病原体和线虫

312

338

17

节约和有效利用水

170

49

8

农业生产和农场管理经济学

310

332

18

动物的繁殖性能

165

143

9

工厂管理系统

293

1826

19

新的和改进的食品加工技术

155

152

10

虫害综合管理系统

286

1078

20

森林资源的管理和可持续性

152

301

2.3 学科交叉热点主题识别

利用Python语言程序对项目进行学科共现分析与可视化,绘制学科共现网络图。节点代表学科,节点越大中心度越高,该学科的交叉学研究越丰富。节点的连线代表共现关系,通过颜色区分学科大类,见图1。

图1 2016-2022 NIFA资助项目学科共现图谱

借助Salton指数表征共现学科差异性,以此直接测算学科之间的交叉度。Salton指数越大表示交叉度越高,统计排名Top10的高交叉度的学科组,结合项目字段整理得到表3。

NIFA基金数据中交叉度最高的两个学科是昆虫学与粉螨学、杂草科学,Salton指数是0.242,交叉的热点主题聚焦在虫害防治、作物保护方面。此外,还包括杂草科学与病理学交叉产生的杂草的精准防治、植物病害等研究,是美国NIFA支持的学科交叉研究的热点方向。

学科交叉热点主题主要涉及病虫害防治、作物遗传改良、动植物育种、基因组学、基因调控等方面。近几年分子生物学与细胞生物学交叉产生的蛋白质组学研究、干细胞研究等也是一个重点方向;计算机技术与统计学、计量经济与生物特征学交叉产生的精准农业、全基因组预测等是农业“4.0”的重要特征。

表3 2016-2022 NIFA资助项目学科交叉热点

学科1

学科2

Salton指数

热点主题

昆虫学与粉螨学

杂草科学

0.242

区域作物研究计划(IR-4)、有害生物综合治理(IMP)、作物保护、虫害防治管理

病理学

杂草科学

0.237

有害生物综合治理(IMP)、杂草精准防治、利用遗传和农艺改进作物生产、植物病害、植物病原

分子生物学

细胞生物学

0.206

蛋白质组学、细菌病原体抗生素耐药性、畜禽繁殖效率提升、转运蛋白、干细胞研究

昆虫学与粉螨学

病理学

0.198

作物病虫害防治、植物-病毒-食草动物相互作用机制研究、综合虫害管理、病原体传播控制

工程类

化学

0.193

生物炼制、电化学、纤维素生物燃料、纳米复合材料、巴氏杀菌、光化学、催化作用

发育生物学

细胞生物学

0.189

胚胎发育与营养、畜禽育种、干细胞研究、杂交繁育、生长激素、细胞因子增强

杂草科学

线虫学

0.177

植物寄生线虫、生物防治、虫害综合治理

数学和计算机科学

统计学、计量经济学和生物特征学

0.176

精准农业、大数据、生物多样性、遗传多样性、机器学习、可持续农业、全基因组预测

生理学

细胞生物学

0.167

内分泌调节、肌肉生长、畜禽繁殖、脂质代谢、干细胞、动物育种

生理学

发育生物学

0.161

畜禽繁殖/育种、产前规划、基因调控、表型遗传、干细胞、生育能力、生殖细胞

3 基于战略坐标的主题分类与趋势分析

3.1 学科级战略坐标

为了更好的对比不同学科随着时间推移的发展趋势,将项目数据划分到2016-2018年、2019-2021年两个时间窗口,提取NIFA项目数据中的学科字段,计算学科的支持趋势和交叉趋势指标,将其绘制在坐标轴中,如图2所示。

图2 NIFA资助学科战略坐标分布

整体来看,NIFA资助的大多数项目的学科交叉程度呈上升趋势。

前沿型学科(第一象限)数量最多,占学科总量的34%,包括生理学、生物化学和生物物理学、微生物学、分子生物学和遗传学、统计学、计算机学等。

潜力型学科(第二象限)代表性学科为经济学、信息与通信、园林、生物学、生态学、免疫学等,这些学科在农业领域的交叉研究日益丰富。

衰退型学科(第三象限)的数量占比是31%,代表性学科为社会学、水文学、真菌学、地理学等,学科在农业领域的未来发展呈逐渐边缘化的衰退趋势。

热点型学科(第四象限)的资助数量有所增加,代表学科是细菌学,与作物、食品、土壤等领域相关。

3.2 主题级战略坐标

同上,将项目数据划分至2016-2018年、2019-2021年两个时间窗口,提取NIFA项目数据中知识分类字段的研究主题,计算主题的支持趋势和交叉趋势指标。

前沿型主题是战略部署的重点方向,以新问题、新方法、新技术或新产品为主,主要包括植物基因组及遗传学、食品加工技术、新冠肺炎冷链传播防控、土壤有机质形成和养分保持、动物营养利用等。

潜力型主题的交叉融合趋势增加,多是跨学科融入农业领域的工具性、方法等辅助型研究,作为整体项目或研究计划中重要部分,具有较高交叉性和灵活性。应用领域包括虫害检测及综合管理系统、动植物生理过程和调节机制、农业资源可持续管理、居民健康营养等社会经济问题。

衰退型主题的研究项目多具有时效性、地域性和应急性,在农业问题上表现较为明显。近年来NIFA对于上述方向的侧重性有所下降,研究主题包括预防和减轻农业污染、有毒化学品和有毒植物、地域流域保护和管理等。

热点型研究主题以农业领域的传统性、基础性研究方向为主,具有一定持续性和稳定性,包括动物遗传改良、土壤资源质量评价、大气资源保护和管理、植物虫害监测识别、设施农业和农业设备方向。

3.3 结果验证分析

选用由中国农业科学院农业信息研究所研制的《2022全球农业研究热点前沿报告》、中国工程院研制的《2022全球工程前沿》中的农业领域开发前沿来验证本文所提方法的有效性。根据表4可知,前沿型主题、潜力型主题和热点型主题与农业热点前沿的重合率为92%,与工程前沿重合率为57%,衰退型主题则均未出现在前沿之中。

表 4 主题战略坐标分类结果对比与验证

战略坐标分类

序号

主题内容

农业热点前沿

农业开发前沿

前沿主题

1

植物基因组及遗传学

2

食品加工技术

3

新冠肺炎冷链传播防控

-

-

4

土壤有机质形成和养分保持

-

5

动物营养利用

-

潜力主题

1

虫害检测及综合管理系统

2

动植物生理过程和调节机制

3

农业资源可持续管理

-

4

居民健康营养

-

热点主题

1

动物遗传改良

2

土壤资源质量评价

3

大气资源保护和管理

-

4

植物虫害监测、识别

5

设施农业和农业设备

衰退主题

1

预防和减轻农业污染

×

×

2

有毒化学品和有毒植物

×

×

3

地域流域保护和管理

×

×

4 结论与启示

4.1 结论

(1)NIFA资助项目的学科布局以教育、工程类、生物学和生态学为主,工程学、经济学和生物学是资助资金较高的学科。资助热点主题集中在基因组学和遗传学、土壤改良与治理、综合虫害管理、动植物育种、粮食供给保障、食品安全、农业人才培育等方面。土壤-植物-水-养分关系和交流、教育和信息传递是资助热度和资助强度“双高”的重点方向。

(2)NIFA项目学科和研究主题的交叉性均呈现明显的上升趋势,表现出以生物类学科间交叉为主,物理学和社会学类学科逐渐向农业领域渗透的发展态势。生理学、生物化学、生物物理学、微生物学、分子生物学和遗传学是资助的热点学科,且学科间的交叉融合程度日益加深。此外,以食品加工技术、食品安全、土壤和植物与水的关系、动物营养利用等为代表的研究主题的交叉融合表现活跃。

(3)NIFA资助项目中学科主题以前沿型和潜力型为主。随着交叉学科催生创新性的认知加深,科学研究项目资助呈现出以解决重大社会问题、科技问题为导向的特点,如前沿型方向利用微生物学、分子生物学和遗传学、计算机学科的技术方法,以解决植物基因组及遗传学、食品加工、食品安全等社会问题,潜力型以生物学、信息与工程学为学科代表,应用于虫害综合管理系统、动物生理过程研究等主题中。而衰退型研究主题中毒性化学品、污染、流域保护等以解决美国农业中突发性、地域性局部问题为主,热点型方向则倾向于传统农业领域,如遗传改良、土地资源评价等。

4.2 启示

1. 提高科学研究的交叉创新意识,以国家需求为导向,形成跨学科协同攻关新模式。

学科交叉研究已经成为解决复杂问题的必要且有效的途径之一。目前,我国面临诸多复杂而紧迫的问题,如粮食安全问题、能源危机、环境污染、国家安全等,呈现出高度的复杂性,解决方法和途径已经超出单一学科的范畴。如颠覆性农业科技创新和生物、数字及装备等跨界技术在农业相关产业中的应用将成为新的知识增长点与创新驱动力。需提高科研的交叉创新意识,积极构建人工智能、大数据、机器学习、知识图谱等信息科学和计算科学等的跨学科融合创新模式,形成突破性创新解决方案。

2. 借助学科主题趋势战略分型,追踪领域科技前沿,分类布局交叉主题。

1)学科层面上,依据学科交叉的发展趋势,结合学科自身特性与现实需求,实施差异化和针对性的布局策略,以促进学科创新发展。如针对性的引导前沿型、潜力型学科发展,适当延伸和扩展以发掘问题为导向的交叉学科的发展。2)研究主题层面上,根据研究主题的趋势坐标,从内容层面研判未来前沿方向,结合国情,预先规划与部署具有新兴和前沿型的交叉研究方向,为孕育创新性和突破性研究提供肥沃的土壤,实现从识别前沿到引领农业创新发展。

3. 加强跨学科理论方法探索,拓展学科交叉研究的广度和深度。

中国的跨学科研究起步晚,未来仍有许多可探索的空间。比如两个以上的多学科交叉的测度与分析问题,特定领域的学科交叉网络构建与测度指标等,同时本文构建“支持趋势-交叉趋势”二维战略坐标图,后续可考虑结合复杂网络指标或跨学科方法构建多结构分析框架,以及学科交叉的新应用场景与领域的结合研究。本文所提方法及指标构造可迁移至其他学科,但NIFA农业基金数据不能完全代表美国农业项目资助,美国也不能完全匹配全球的科研实力,因此验证方案存在一定局限性。本文旨在抛砖引玉,以引起更多各界学者对学科交叉引领创新、科技前沿探索的研究。