自动化实验平台与生活实验室协同推进农业可持续转型研究

面对粮食安全、生物多样性丧失及气候变化等挑战，研究人员通过整合自动化实验平台（如AgroFlux系统）与生活实验室（living labs），提出双向知识交流框架，加速科学成果向实践转化。该研究强调多学科协同与模块化技术应用，为可持续农业转型提供可扩展解决方案，发表于《Nature Communications》。

　　

当前农业系统面临多重挑战：粮食安全压力、生物多样性丧失、环境污染加剧以及气候变化的双重影响（既是冲击源也是风险源）。尽管科学研究不断推进，但知识向实践转化的效率低下，导致研究成果难以真正赋能农业生产，可持续农业转型进程受阻。这一瓶颈促使研究者探索更高效的整合路径——通过自动化实验平台与生活实验室（living labs）的协同，构建双向知识交流生态系统，推动农业系统向可持续和韧性方向演变。

本研究由Mathias Hoffmann、Cheng Chen等学者合作完成，发表于《Nature Communications》，提出以两大支柱为核心的研究框架：一是开发 holistic（全息化）、自动化、多功能的实验平台；二是将其嵌入生活实验室结构中，实现多学科、多利益相关方共同参与的协同设计（co-design）。

关键技术方法包括：使用自动化龙门吊系统（FluxCrane）监测同位素示踪的水碳通量与作物表型；无人机(UAV)遥感与物联网(IoT)传感器网络（SensorWeb）进行多尺度数据采集；原位稳定同位素监测（IsoFlux）解析土壤-植物-大气连续体（SPAC）中的过程反馈；并强调数字孪生（digital twin）和模块化基础设施在提升系统模拟与预测能力中的作用。样本及实验场景基于现实农田环境，并未依赖特定队列来源，而是注重在真实条件下验证技术适用性。

研究结果分为以下几部分：

一、开发 holistic、自动化、多功能的农业实验平台

传统农业观测往往割裂不同过程（如土壤养分、水分动态、温室气体(GHG)排放与作物生长），而本研究提出实验平台应作为多学科枢纽，整合多尺度、多参数观测与建模。以AgroFlux平台为例，其集成多项技术：

覆盖从叶片到景观尺度的过程监测，并支持从分钟到季节的动态评估。平台还涵盖低成本传感设备与高通量测量工具的融合，显著提升了资源利用效率参数（如水、氮、碳的利用与分配）的解析能力。

二、将农业研究平台融入生活实验室结构

生活实验室通过协同设计整合研究者、农民、政策制定者等多方利益相关者，共同开发和测试创新方案。

实验平台提供高质量数据与因果机制解析，而生活实验室则吸纳社会、经济、文化等多维现实因素，共同迭代优化创新方案并推动规模应用（scaling out）与深度内化（scaling deep）。

三、数据整合、自动化与社会维度

研究强调实验科学需从自动化测量迈向自动化数据分析与建模，以提升通量分配、收获参数估算等的精度。同时，社会维度（如政策、经济规则）应作为主动组件而非背景因素融入平台设计。例如，在生活实验室中测试基于结果的生态系统服务付费（result-based payments for ecosystem services），将激励结构与实际环境产出直接关联。

研究结论表明，自动化实验平台与生活实验室的协同可有效打破科研与实践之间的壁垒，加速可持续农业转型。然而，这一路径也面临 socio-political（社会政治）挑战，包括技术普惠性（如小规模农场与多样化系统被排除在外）、数据治理（所有权、隐私）以及边缘群体参与不足等问题。未来需加强长期投入与多层级协作，推动数字化农业技术负责任发展，使创新不仅更具科学鲁棒性，也更具现实适用性与包容性。

该研究的核心意义在于为农业系统转型提供了可复制、可调整的方法论框架，既深化了对农业生态系统多尺度动态的认知，也强化了科学响应现实挑战的能力。