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章力建:生态环境现状催生农业立体污染综合防治研究

新中国成立以来,经过长期不懈的努力,我国农业生产取得了巨大成就。但随着社会经济的不断发展,污染对农产品产地环境的影响越来越严重。由于传统污染控制思路难以解决产地水体-土壤-大气-生物各界面间立体交叉的复杂污染问题,需用系统工程理论,开展多学科交叉研究,综合防治污染。

 

一、农业立体污染综合防治研究的产生背景与影响

立体污染广义上是指全球工农业快速发展、科学技术进步与经济快速提升过程中,因不合理的人类活动(包括:工农业生产、生活和经济发展方式),造成全球范围内不同尺度生态系统中水体-土壤-生物-大气各界面内产生对人类或其他生物有害的物质,其数量或程度达到或超出环境承载力,直接、间接地改变生态环境正常状态,导致三维生态系统质量出现不同程度的受损。立体污染的循环链反映水圈、生物圈、土壤圈、大气圈各圈层间污染的发生与转变,循环链上物质累积、转移、转化体现了立体污染的实质和真实内涵。

“立体污染综合防治”理念是中国人首次提出的全新概念,可适合各类生态系统应用,特别是农业生态系统,理念核心是:不合理的生产与管理方式是导致各类生态系统产生污染“源”,同时生态系统在不断遭受外界污染-“汇”的影响,更重要是提出了生态系统有自身的自净能力,对引导人们科学认识污染、综合防治污染提供了更为科学的理论依据,突破了点源污染和面源理念只强调污染源的局限性,从宏观上首先提出了内部污染-“源”和外部环境污染-“汇”并存的现实,揭示了污染必须运用系统工程理论,通过多学科的交叉研究,用集成技术、系统控制、全程(源头—过程—末端)防治的综合根治方法,从系统与整体的角度更好地认识、研究和综合解决各类污染问题。立体污染综合防治研究有利于促进各部门、各产业现有的污染治理的资源、资金、人才、技术等各方面的进一步整合,形成一个有利于环境质量建设、食品安全、人体健康、循环经济发展和国家环境外交等方面协调、高效的综合防治平台,为彻底根治污染开辟了更为广阔的研究领域,为此,中国农业科学院的一批专家经过多年多学科的研究,于2004年发现并在世界上首次提出立体污染综合防治概念。

从农业生态系统来看,农业立体污染综合防治研究是由农业生产系统内部引发(污染源)和外部导入(污染汇)所产生的综合结果,即因不合理的农药化肥施用、畜禽粪便排放、农田废弃物处置、耕种措施以及工业、生活废弃物处理不当及其农业利用等造成农业生态系统水---生各界面受损的现象。农业污染过程是农业生态系统一种受损的过程,主要是通过各界面间(或界面内)污染物相互转移、转化、累积或复合,形成多维(多途径)的、跨时空的、交叉或循环式污染现象。但无论污染如何发生、如何转化或迁移、强度如何,各类污染的终极现象均发生在三维生态空间,即所谓的立体污染综合防治研究。

针对因农业生产投入物不当与不合理使用引发农业源污染物在大气、土壤、生物和水圈间的交叉立体污染加剧的现象,出现了农业源污染加速产地环境质量下降,部分地区农业立体污染表现出愈加严重,导致了局部面上污染加大、农产品产地环境不断退化等治理落后污染的现象,构成农业和农村经济可持续发展的严重威胁,成为新时期推进我国生态文明、新农村建设和实现社会主义和谐社会的突出问题,引起全社会高度关注和国家对污染防治的重视。改变治理落后污染速度,系统化开展农产品产地立体污染防治科学基础研究,加速农业“源”、“汇”污染发生和演变规律研究,系统探索污染物循环链运行过程,弥补传统农业污染防治研究中的缺陷,预测和评估未来农业立体污染对农产品产地环境的影响,已成为保障食品安全、生态环境安全乃至我国环境外交的急迫需求。

国内外学术界的共识和社会关注:国际上,荷兰、美国、英国、法国、日本、韩国等10多个国家大学及科研单位专家教授和欧盟、UNEPUNDPFAO等相关国际组织都对“农业立体污染综合防治研究综合防治”表示了高度赞赏与认同,单边、双边和多边相关主题、不同形式的国际合作交流已达100次,特别是荷兰著名Groningen大学还成立相似研究机构。国内,以宋健、卢良恕、李文华、刘更另、陈宗懋、孟伟、刘旭等院士为代表的科学家,从多个角度表达了对农业立体污染综合防治研究工作的支持,相关领域院士参与和指导了项目研究工作。2005年《中国农业科学》中英文版发表专题文章“农业立体污染及其防治研究探讨”。曾报道的主要媒体有人民日报、中央电视台、中国国际广播电台、光明日报、科技日报、农民日报,同时,“人民网”、“三农在线”、“中国农业信息网”、“中国网络电视台三农新闻”、“百度网”、“新浪网”等10多家知名网站也参与了转载报道。特别是2005年人民日报编辑了内参,中央领导作了重要批示。

20055月,在多位院士支持和10余个研究所(院、中心)科研人员参与下,经中国农业科学院院党组会议研究决定,成立“中国农业科学院农业立体污染综合防治与产地环境质量研究中心”。农业部副部长、中国农业科学院院长李家洋和中国农业科学院党组书记陈萌山到任后,分别亲自听取了有关中心工作的汇报。2013年,中国农业科学院第十五次常务会议审议通过了《中国农业科学院各类中心清理方案》,决定“中国农业科学院农业立体污染综合防治与产地环境质量研究中心”等12个中心予以保留,并要求各部门、各单位要进一步加强中心的管理工作,这使得学科的研究和实践得到了进一步的深入和快速发展。

 

二、农业立体污染综合防治研究的进展情况

中国农科院农业立体污染综合防治研究通过国内外广泛合作,在各级领导支持和团队努力下,工作进展顺利,科研创新平台条件初具规模,项目影响不断扩大,孵化和带动作用突出,科研成果显著,科研工作取得初步成效。

(一)科研创新条件和平台初具规模

2005年成立“中国农业科学院农业立体污染综合防治与产地环境质量研究中心”后,相继在宁夏和上海成立了分中心,建立了“农业立体污染综合防治测试分析中心和信息中心”,在黄河流域、长江与珠江三角洲初步完成了全国九大“农业立体污染综合防治试验站(基地)”布局与建设。2007年创建了科技部“农业立体污染综合防治科技创新门户网站”,2011年成立了“农产品产地环境质量检测与监测中心”,初步形成了“农业立体污染综合防治研究与产地环境质量”研究平台。

(二)项目获取、孵化和带动成效显著

“中国农业科学院农业立体污染综合防治与产地环境质量研究中心”共获相关国际组织(UNEPUNDPFAO等)和中荷、中美、中英、中德、中日、中韩等国际合作项目10余项,财政部、科技部、农业部、环保部等各大部委重大项目8项,累计完成各类科研任务100多项,直接项目总经费约1亿元,培育、孵化了重大国家农业环保项目10多项,累计项目总经费超过10亿元左右。以“源头阻断-过程控制-末端治理”为代表的一系列立体污染综合防治研究理念影响并推动了一批环保科研项目研究模式的转变和发展。

(三)科研成果初步显现

沿生态环境、产地环境和环境经济管理三条主线展开的农业立体污染综合防治研究与产地环境质量研究与科研平台建设,经过6年努力、取得了一大批科技成果。不完全统计,出版了有关专著20余部,在核心期刊发表论文200余篇,其中SCI论文40余篇,获得科技成果奖4项左右,专利8个左右,为各大部委撰写重要规划10余个,同时,为上级部门和领导撰写政策建议20余份,其中参与撰写的政策建议有5份上报中共中央办公厅、国务院、全国人大。

(四)首部《立体污染综合防治——农业卷》出版发行

2007年,中国农业科学院科研人员开始撰写并于201010月出版专著《立体污染综合防治——农业卷》,原国务委员、中国工程院院长宋健院士为该书题词。时任国务院副秘书长楼继伟(现任财政部部长)在序(一)中指出:农业立体污染综合防治作为一项全局性、公益性工作,应长期予以支持,以加速实施农业立体污染综合防治战略,实现社会经济与生态环境的协调发展。时任农业部副部长张宝文教授(现任全国人大常委会副委员长)在序(二)中指出:随着我国农业、农村经济的迅速发展和集约化程度的提高,农业污染的立体化特征更加明显,问题日益严重。但农业立体污染不仅有农业生产自身的污染问题,同时,更多的来自工业与生活污染物造成的农业污染,为了解决中国立体化农业污染新问题,不仅需要传统的农业污染防治技术,而且还需要新思路、新方法。《立体污染综合防治——农业卷》一书的出版,对于充分利用农业自净生产和农业净化能力,从理论上与方法上全面开创了农业污染防治的新思路。2013年《农业立体污染综合防治理论与实践?江河流域与平原卷》正式出版,首度提出了区域治理农业立体污染模式的概念,以我国重要农业生产区域的平原与江河流域农区为重点研究对象,从区域典型主要污染物入手,从农田农业立体污染发生、发展和区域特征出发,围绕农业立体污染链全程防治这一主线,研究了水体-土壤-生物-大气系统中污染物阻断技术、迁移转化控制技术等高新技术,对区域农业生态系统污染减量化、资源化、无害化、农业生态安全、人体健康、农业可持续发展、农民增收以及我国的环境外交和国际贸易提供技术支撑,对于新形势下农业污染治理具有重要的指导意义和借鉴作用。

 

三、农业立体污染综合防治研究的发展构想

农业立体污染综合防治研究设立科研专项,设计学科发展规划,培育重点研究领域,创建国家农业污染立体防控科技创新条件,在农业立体(水---生)污染综合防治、立体监测、信息集散、科技创新、技术示范与产业化等层面,形成综合科技支撑能力,引领我国安全农业生产和绿色农业经济发展。

(一)技术路线方面

农业立体污染综合防治研究继续强调农业系统是复杂的生态大系统,农业污染是复杂的复合污染,其防治是一项复杂的系统工程。以往的单项治理技术虽然在解决特定污染方面具有一定作用,但面对当今农业复杂污染的局面,已经远远不能有效解决问题。只有通过控制整个立体污染综合防治研究的循环链,打断农业污染的往复循环和互为因果的各个环节,即采用源头阻控、过程阻断和末端治理的综合治理路线才能从根本上解决农业污染问题。

(二)方法体系方面

农业立体污染综合防治研究遵循生态学、系统工程学、环境科学与农业资源利用等学科的原理与方法,应用系统的理论和技术体系,以科学的农业发展观和循环经济的发展思路为指导,从基础科学需求、核心技术支撑和政策、法规、管理保障等三大层面出发,树立“整体-协调-循环-再生”的生态农业理念,构建我国农业立体污染综合防治研究监测与信息网络,摸清农业立体污染综合防治研究的底数,建立农业立体污染综合防治平台,整合我国农业污染防治资源,筛选出关键防治技术,进行农业污染的综合防治。

(三)大数据方面

当前物联网、云计算和大数据等信息技术发展迅猛,为信息化和农业现代化的“两化融合”,包括农业立体污染防治全程信息化监控和角儿提供了前所因为有的创新发展机遇。建设农业立体污染防治云服务和决策支持平台是农业立体污染防治创新条件建设的核心人物和重要基础。

农业立体污染防治云服务与决策支持平台是利用传感物联信息采集,云计算大数据信息处理,智能决策支持等最新信息技术,全面、系统和及时地底农业立体污染进行全程、立体监测,及时有效地获取农业立体污染全息信息,同时融合相关农业农情和气象信息,形成农业立体污染大数据,并进行科学高效地分析处理,为政府管理部门,农业科研机构和科研院所等,提供先进、科学和高效地农业立体污染检测和防治云服务的决策支持。

农业立体污染防治云服务与决策支持平台建设的主要内容包括:农业立体污染防治物联网监测体系建设,农业立体污染防治云计算与储存中心建设,农业立体污染防治基础大数据建设、开发农业立体污染防治云服务和大数据分析决策支持系统。

农业立体污染综合防治研究优先考虑的研究领域是:充分利用已有农业信息资源,开发建立农业立体污染综合防治研究信息系统;农业立体污染综合防治研究的时空变化、形成机理和阻控对策研究;区域农业立体污染综合防治研究控制技术与模式;农业立体污染综合防治研究与安全指标和评价体系及其预警预报研究;农业立体污染综合防治研究与各圈层间物质循环关系研究;农业立体污染综合防治研究防治的政策与法规保障体系研究。

 

四、农业立体污染综合防治研究建设的主要机制与模式

迄今为止,农业立体污染综合防治研究主要由中国农科院倡导并主持。因此,这里只介绍中国农科院的具体做法。

(一)农业立体污染综合防治研究的投入机制

中国农科院农业立体污染综合防治研究的高效投入机制体现在开源、节流与挖潜三个方面:

一是开源,主要是改善资金筹集环境,开发国内、国际两大资源。首先,在积极争取国家各部门资金支持的基础上,与地方政府科研单位建立广泛联系,通过合作建立监测、示范基地,帮助地方解决农业污染实际问题,协助各级地方政府采取更多的政策和措施加大资金投入于这项公益性的、前瞻性的、事关全局和可持续发展的农业科研领域。其次,通过农业科研的国际合作,在“开源”上进一步做文章。目前,中国农科院农业立体污染综合防治研究防治项目已得到了国际上的认可,联合国环境规划署和欧盟等国际性组织都表示将积极支持;另外,在加拿大等国正在积极筹建农业立体污染综合防治研究科研基金。将来,随着国际合作越来越广泛,我们的科研能力越来越得到国际上的共认,国际组织与金融机构以及国外政府部门、企业及社会组织就成了弥补国内科研资金不足的重要资金来源。

二是节流,主要是克服体制性障碍,建立科研资金高效运作机制。在完善“农业立体污染综合防治研究与产地环境保护研究中心”建设的基础上,建立科学民主的决策机制,提高科研管理的公开性、透明度和公正性;合理设置预算科目,建立统一规范的预算制度,完善科研经费预算管理;促进科研投入的“顶层设计”和“统筹规划”,做到量力而行、重点突出,集中统筹协调办大事。同时,注重消除科研单位本身的低效运作现象,按照有利于学科发展、有利于资源优化配置、有利于人才培养与使用和突出特色、发挥优势、优化组合的原则,加快对资源的调整和重新组合;发展完善科研监督体系与问责制度,建立科研工作的绩效评价体系和公共选择程序。

三是挖潜,主要是构建全方位共享平台,挖掘科研投入存量潜力。我国现行的农业科研体制,没有形成科研单位之间的深层次的合作机制,以致一方面科研资金投入不足,一方面科研投入形成的成果和资产以等没有充分发挥作用,有的甚至长时间得不到利用。因此,为大幅度提升实际能力和效果,农业立体污染综合防治研究项目注重在挖掘投入存量潜力上做文章,打破本领域科研力量过于分散的格局,加强全国农业科研机构的协作与交流,将投入存量挖潜的重点放在农业立体污染综合防治研究共享平台的构建上,在全国范围内进一步优化有限的科研资源配置,充分发挥科研力量的整体优势。

(二)农业立体污染综合防治研究的创新模式

农业立体污染综合防治研究在原始创新、引进消化吸收再创新的基础上,把集成创新作为战略突破口:

一是实施战略集成,确定创新重点。针对农业立体污染综合防治研究工作中的重大科技需求,选择重点地区和具有较强技术关联性和产业带动性的重大农业污染防治项目或产品,集中科技资源,大力促进各项相关技术的有机融合,实现关键技术的集成创新。

二是实施资源集成,夯实创新基础。农业立体污染综合防治研究项目中的资源集成,包括对现有技术、资金、市场和人才等要素进行系统的大规模整合、优化,鼓励不同高新技术企业与科研单位、高等院校、大中企业建立多种形式的科技经济联合组织,并按要素的效应进行分配。同时,密切关注国内外两大农业科技资源的最新动向,将各种渠道获得的创新资源组织集成,不断优化创新资源的配置。

三是优化组织机制,提高创新效率。农业立体污染综合防治研究采用灵活多样的集成创新组织机制:1、针对技术发展迅速、用户需求变化多端的环境和复杂的资源密集型任务,采取网络合作的形式,实现共享资源、能力优势互补、降低风险。2、以产业、技术或产品为平台,以计划、项目为主要组织形式,并辅以相应的技术手段和管理手段支撑,在较短的时期内和相对稳定的平台上,实现相关的技术、信息、知识、能力等的集成。3、以农业科技园区为创新平台,以农业设施工程为主体,以高新技术和先进实用技术为支撑,进行农业立体污染综合防治研究防治研究的集成创新。

 

五、未来农业立体污染综合防治研究展望

新中国成立以来,经过长期不懈的努力,我国农业生产取得了巨大成就。但是,长期以来,我国的农业发展理念没有从深层次上对接资源环境保护,因此在该方面体制机制上没有实现科学地转变,在政策上体现得也不够充分,更没有科学完整的措施体系保障,加上内外部因素叠加,新旧矛盾交织,我国农业发展面临的资源环境问题不容乐观。首先,工业化快速发展和城市化的无序扩张,工业“三废”和城市生活污染大面积扩散,镉、汞、砷等重金属不断向水土渗透。我国每年因重金属污染而减产粮食1000多万吨。此外,重金属污染还导致农产品有毒成分超标,威胁人体健康。其次,农业面源污染加剧态势尚未得到根本扭转。由于不重视农业有机剩余物的循环增值利用,导致化肥农药大量投入。我国化肥单季利用率仅为30%左右,低于发达国家20个百分点以上,每亩耕地化肥施用量是美国的3倍,多余的NP已成为部分地区环境的主要污染物。农药利用率仅为33%左右,低于发展国家20-30个百分点,农产品农药残留超标事件时有发生。全国约有1.4亿亩耕地受农药污染,土壤微生物群落因此受到不利影响。此外,畜禽粪便过度排放、秸秆不合理处置、农膜残留等造成的污染也日趋严重,农产品产地环境十分堪忧。

 

2014年中央一号文件要求建立农业可持续发展长效机制,促进生态友好型农业发展、开展农业资源休养生息试点、加大生态保护建设力度。目前,国务院正在组织编写“农业环境突出问题综合治理规划”和“全国农业可持续发展规划”,这些都充分说明了在新时期应把农业立体污染综合防治研究放到重要地位。

针对污染物在农业生态系统中的来源与立体化释放机制、污染物在农业生态系统中的立体化形成过程机制、以及立体污染对产地生态系统的作用机制等主要关键科学问题,在技术层面上建议国家加大基础学科、应用技术、模拟研究三个层面重点研究,系统化解决:

1、基础学科

围绕农业立体污染发生演变特征、成因和调控农业立体污染的机理等主要科学问题,利用物质守恒定律、生态循环和循环经济等理论,系统地阐明污染物的产生、污染物的转化及迁移、污染物富集及降解等演变规律,重点开展:

1)界面内污染物立体化溯源识别与高分辨记录指纹界定是界定是否污染成灾、确定污染物发生与否和污染发生历史的关键,也是了解环境系统污染机制、成灾界定首要待解决的关键问题。

2)水土气生(SPAW)系统污染链的形成过程与作用机制是确定和掌握各界面间污染物转化机制的科学基础,是调控污染物走向的科学基础,也是当今环境科学研究中界面机制研究的重要命题和科学基础。

3)不同农艺措施下农业立体污染链流量与去向调控是确定主要农艺措施下,污染物在各界面系统通量,能否资源化利用或成灾的基础,也是优化资源利用与管理、提高农用物质利用率、污染减排和根治农业污染不可或缺的重要部分。

2、应用基础

通过控制整个农业立体污染的循环链,优化农业生态系统“整体-协调-循环-再生”的系统管理,研究农业立体污染监测方法、综合防治技术与调控措施。以主要产地投入物、生产过程控制为重点研究对象,重点开展:

1)界面内污染物立体化溯源识别与界面间交叉传输监测研究

针对农业生态系统污染本底和承载污染能力不清,污染物立体监测方法缺乏等问题,重点研究界面内农业特征污染物溯源识别与界面间交叉传输监测方法;研究特征污染物界面存储、去向的演变过程和高分辨记录指纹;研究系统构建农业特征污染物的溯源识别与监测体系平台。

2)土生气水(SPAW)系统立体污染演变规律研究

针对我国农业生产系统立体污染变化状况对农产品产地质量影响程度不明等问题,重点研究农业立体污染发生进程与过程演变规律;研究农艺措施影响农业系统水土气生立体污染格局;研究农产品产地投入品、应外援污染的农田系统土壤质量保护机制。

3)主要农业污染物立体化系统控制与优化管理模式研究

针对农业立体污染控制思路不清和集成技术应用不当等问题,重点研究不同气候情景下农业生产结构调控和投入优化对主要污染物系统控制的效应;研究农业立体污染系统控制的优化管理模式;研究提出未来我国主要农业地区农业立体污染控制的途径选择。

3、模拟研究

通过农产品产地立体污染模拟系统建设和干预或调控生产过程,模拟研究农田生产系统的环境容量、阈值、自洁功能,为模拟多源污染发生与控制提供基础数据,重点研究:

1)产地质量偏途临界值确定与立体污染的环境安全容量研究

针对农业立体污染机理不清等问题,研究极端气候事件和农业产地环境质量突变的偏途临界条件;研究区域特征性农业立体污染物的环境安全容量;研究主要农产品产地水土气生环境质量安全背景值。

2)主要农业污染物立体污染发生机理与动力学模拟研究

针对农业立体污染的形成原因的复杂与多元性,重点研究农业立体污染的生态学过程与圈层间界面过程等污染形成机理;研究污染形成的动力学机制,模拟不同气候情景下人类农业活动对农业生态系统的扰动与污染形成过程;研究现代集约化条件下农业立体污染的动态模型。

 

作者:章力建,系中国农科院原副院长,研究员。

章力建等:生态环境现状催生农业立体污染综合防治研究

 

 

新中国成立以来,经过长期不懈的努力,我国农业生产取得了巨大成就。但随着社会经济的不断发展,污染对农产品产地环境的影响越来越严重。由于传统污染控制思路难以解决产地水体-土壤-大气-生物各界面间立体交叉的复杂污染问题,需用系统工程理论,开展多学科交叉研究,综合防治污染。

 

一、农业立体污染综合防治研究的产生背景与影响

立体污染广义上是指全球工农业快速发展、科学技术进步与经济快速提升过程中,因不合理的人类活动(包括:工农业生产、生活和经济发展方式),造成全球范围内不同尺度生态系统中水体-土壤-生物-大气各界面内产生对人类或其他生物有害的物质,其数量或程度达到或超出环境承载力,直接、间接地改变生态环境正常状态,导致三维生态系统质量出现不同程度的受损。立体污染的循环链反映水圈、生物圈、土壤圈、大气圈各圈层间污染的发生与转变,循环链上物质累积、转移、转化体现了立体污染的实质和真实内涵。

“立体污染综合防治”理念是中国人首次提出的全新概念,可适合各类生态系统应用,特别是农业生态系统,理念核心是:不合理的生产与管理方式是导致各类生态系统产生污染“源”,同时生态系统在不断遭受外界污染-“汇”的影响,更重要是提出了生态系统有自身的自净能力,对引导人们科学认识污染、综合防治污染提供了更为科学的理论依据,突破了点源污染和面源理念只强调污染源的局限性,从宏观上首先提出了内部污染-“源”和外部环境污染-“汇”并存的现实,揭示了污染必须运用系统工程理论,通过多学科的交叉研究,用集成技术、系统控制、全程(源头—过程—末端)防治的综合根治方法,从系统与整体的角度更好地认识、研究和综合解决各类污染问题。立体污染综合防治研究有利于促进各部门、各产业现有的污染治理的资源、资金、人才、技术等各方面的进一步整合,形成一个有利于环境质量建设、食品安全、人体健康、循环经济发展和国家环境外交等方面协调、高效的综合防治平台,为彻底根治污染开辟了更为广阔的研究领域,为此,中国农业科学院的一批专家经过多年多学科的研究,于2004年发现并在世界上首次提出立体污染综合防治概念。

从农业生态系统来看,农业立体污染综合防治研究是由农业生产系统内部引发(污染源)和外部导入(污染汇)所产生的综合结果,即因不合理的农药化肥施用、畜禽粪便排放、农田废弃物处置、耕种措施以及工业、生活废弃物处理不当及其农业利用等造成农业生态系统水---生各界面受损的现象。农业污染过程是农业生态系统一种受损的过程,主要是通过各界面间(或界面内)污染物相互转移、转化、累积或复合,形成多维(多途径)的、跨时空的、交叉或循环式污染现象。但无论污染如何发生、如何转化或迁移、强度如何,各类污染的终极现象均发生在三维生态空间,即所谓的立体污染综合防治研究。

针对因农业生产投入物不当与不合理使用引发农业源污染物在大气、土壤、生物和水圈间的交叉立体污染加剧的现象,出现了农业源污染加速产地环境质量下降,部分地区农业立体污染表现出愈加严重,导致了局部面上污染加大、农产品产地环境不断退化等治理落后污染的现象,构成农业和农村经济可持续发展的严重威胁,成为新时期推进我国生态文明、新农村建设和实现社会主义和谐社会的突出问题,引起全社会高度关注和国家对污染防治的重视。改变治理落后污染速度,系统化开展农产品产地立体污染防治科学基础研究,加速农业“源”、“汇”污染发生和演变规律研究,系统探索污染物循环链运行过程,弥补传统农业污染防治研究中的缺陷,预测和评估未来农业立体污染对农产品产地环境的影响,已成为保障食品安全、生态环境安全乃至我国环境外交的急迫需求。

国内外学术界的共识和社会关注:国际上,荷兰、美国、英国、法国、日本、韩国等10多个国家大学及科研单位专家教授和欧盟、UNEPUNDPFAO等相关国际组织都对“农业立体污染综合防治研究综合防治”表示了高度赞赏与认同,单边、双边和多边相关主题、不同形式的国际合作交流已达100次,特别是荷兰著名Groningen大学还成立相似研究机构。国内,以宋健、卢良恕、李文华、刘更另、陈宗懋、孟伟、刘旭等院士为代表的科学家,从多个角度表达了对农业立体污染综合防治研究工作的支持,相关领域院士参与和指导了项目研究工作。2005年《中国农业科学》中英文版发表专题文章“农业立体污染及其防治研究探讨”。曾报道的主要媒体有人民日报、中央电视台、中国国际广播电台、光明日报、科技日报、农民日报,同时,“人民网”、“三农在线”、“中国农业信息网”、“中国网络电视台三农新闻”、“百度网”、“新浪网”等10多家知名网站也参与了转载报道。特别是2005年人民日报编辑了内参,中央领导作了重要批示。

20055月,在多位院士支持和10余个研究所(院、中心)科研人员参与下,经中国农业科学院院党组会议研究决定,成立“中国农业科学院农业立体污染综合防治与产地环境质量研究中心”。农业部副部长、中国农业科学院院长李家洋和中国农业科学院党组书记陈萌山到任后,分别亲自听取了有关中心工作的汇报。2013年,中国农业科学院第十五次常务会议审议通过了《中国农业科学院各类中心清理方案》,决定“中国农业科学院农业立体污染综合防治与产地环境质量研究中心”等12个中心予以保留,并要求各部门、各单位要进一步加强中心的管理工作,这使得学科的研究和实践得到了进一步的深入和快速发展。

 

二、农业立体污染综合防治研究的进展情况

中国农科院农业立体污染综合防治研究通过国内外广泛合作,在各级领导支持和团队努力下,工作进展顺利,科研创新平台条件初具规模,项目影响不断扩大,孵化和带动作用突出,科研成果显著,科研工作取得初步成效。

(一)科研创新条件和平台初具规模

2005年成立“中国农业科学院农业立体污染综合防治与产地环境质量研究中心”后,相继在宁夏和上海成立了分中心,建立了“农业立体污染综合防治测试分析中心和信息中心”,在黄河流域、长江与珠江三角洲初步完成了全国九大“农业立体污染综合防治试验站(基地)”布局与建设。2007年创建了科技部“农业立体污染综合防治科技创新门户网站”,2011年成立了“农产品产地环境质量检测与监测中心”,初步形成了“农业立体污染综合防治研究与产地环境质量”研究平台。

(二)项目获取、孵化和带动成效显著

“中国农业科学院农业立体污染综合防治与产地环境质量研究中心”共获相关国际组织(UNEPUNDPFAO等)和中荷、中美、中英、中德、中日、中韩等国际合作项目10余项,财政部、科技部、农业部、环保部等各大部委重大项目8项,累计完成各类科研任务100多项,直接项目总经费约1亿元,培育、孵化了重大国家农业环保项目10多项,累计项目总经费超过10亿元左右。以“源头阻断-过程控制-末端治理”为代表的一系列立体污染综合防治研究理念影响并推动了一批环保科研项目研究模式的转变和发展。

(三)科研成果初步显现

沿生态环境、产地环境和环境经济管理三条主线展开的农业立体污染综合防治研究与产地环境质量研究与科研平台建设,经过6年努力、取得了一大批科技成果。不完全统计,出版了有关专著20余部,在核心期刊发表论文200余篇,其中SCI论文40余篇,获得科技成果奖4项左右,专利8个左右,为各大部委撰写重要规划10余个,同时,为上级部门和领导撰写政策建议20余份,其中参与撰写的政策建议有5份上报中共中央办公厅、国务院、全国人大。

(四)首部《立体污染综合防治——农业卷》出版发行

2007年,中国农业科学院科研人员开始撰写并于201010月出版专著《立体污染综合防治——农业卷》,原国务委员、中国工程院院长宋健院士为该书题词。时任国务院副秘书长楼继伟(现任财政部部长)在序(一)中指出:农业立体污染综合防治作为一项全局性、公益性工作,应长期予以支持,以加速实施农业立体污染综合防治战略,实现社会经济与生态环境的协调发展。时任农业部副部长张宝文教授(现任全国人大常委会副委员长)在序(二)中指出:随着我国农业、农村经济的迅速发展和集约化程度的提高,农业污染的立体化特征更加明显,问题日益严重。但农业立体污染不仅有农业生产自身的污染问题,同时,更多的来自工业与生活污染物造成的农业污染,为了解决中国立体化农业污染新问题,不仅需要传统的农业污染防治技术,而且还需要新思路、新方法。《立体污染综合防治——农业卷》一书的出版,对于充分利用农业自净生产和农业净化能力,从理论上与方法上全面开创了农业污染防治的新思路。2013年《农业立体污染综合防治理论与实践?江河流域与平原卷》正式出版,首度提出了区域治理农业立体污染模式的概念,以我国重要农业生产区域的平原与江河流域农区为重点研究对象,从区域典型主要污染物入手,从农田农业立体污染发生、发展和区域特征出发,围绕农业立体污染链全程防治这一主线,研究了水体-土壤-生物-大气系统中污染物阻断技术、迁移转化控制技术等高新技术,对区域农业生态系统污染减量化、资源化、无害化、农业生态安全、人体健康、农业可持续发展、农民增收以及我国的环境外交和国际贸易提供技术支撑,对于新形势下农业污染治理具有重要的指导意义和借鉴作用。

 

三、农业立体污染综合防治研究的发展构想

农业立体污染综合防治研究设立科研专项,设计学科发展规划,培育重点研究领域,创建国家农业污染立体防控科技创新条件,在农业立体(水---生)污染综合防治、立体监测、信息集散、科技创新、技术示范与产业化等层面,形成综合科技支撑能力,引领我国安全农业生产和绿色农业经济发展。

(一)技术路线方面

农业立体污染综合防治研究继续强调农业系统是复杂的生态大系统,农业污染是复杂的复合污染,其防治是一项复杂的系统工程。以往的单项治理技术虽然在解决特定污染方面具有一定作用,但面对当今农业复杂污染的局面,已经远远不能有效解决问题。只有通过控制整个立体污染综合防治研究的循环链,打断农业污染的往复循环和互为因果的各个环节,即采用源头阻控、过程阻断和末端治理的综合治理路线才能从根本上解决农业污染问题。

(二)方法体系方面

农业立体污染综合防治研究遵循生态学、系统工程学、环境科学与农业资源利用等学科的原理与方法,应用系统的理论和技术体系,以科学的农业发展观和循环经济的发展思路为指导,从基础科学需求、核心技术支撑和政策、法规、管理保障等三大层面出发,树立“整体-协调-循环-再生”的生态农业理念,构建我国农业立体污染综合防治研究监测与信息网络,摸清农业立体污染综合防治研究的底数,建立农业立体污染综合防治平台,整合我国农业污染防治资源,筛选出关键防治技术,进行农业污染的综合防治。

(三)大数据方面

当前物联网、云计算和大数据等信息技术发展迅猛,为信息化和农业现代化的“两化融合”,包括农业立体污染防治全程信息化监控和角儿提供了前所因为有的创新发展机遇。建设农业立体污染防治云服务和决策支持平台是农业立体污染防治创新条件建设的核心人物和重要基础。

农业立体污染防治云服务与决策支持平台是利用传感物联信息采集,云计算大数据信息处理,智能决策支持等最新信息技术,全面、系统和及时地底农业立体污染进行全程、立体监测,及时有效地获取农业立体污染全息信息,同时融合相关农业农情和气象信息,形成农业立体污染大数据,并进行科学高效地分析处理,为政府管理部门,农业科研机构和科研院所等,提供先进、科学和高效地农业立体污染检测和防治云服务的决策支持。

农业立体污染防治云服务与决策支持平台建设的主要内容包括:农业立体污染防治物联网监测体系建设,农业立体污染防治云计算与储存中心建设,农业立体污染防治基础大数据建设、开发农业立体污染防治云服务和大数据分析决策支持系统。

农业立体污染综合防治研究优先考虑的研究领域是:充分利用已有农业信息资源,开发建立农业立体污染综合防治研究信息系统;农业立体污染综合防治研究的时空变化、形成机理和阻控对策研究;区域农业立体污染综合防治研究控制技术与模式;农业立体污染综合防治研究与安全指标和评价体系及其预警预报研究;农业立体污染综合防治研究与各圈层间物质循环关系研究;农业立体污染综合防治研究防治的政策与法规保障体系研究。

 

四、农业立体污染综合防治研究建设的主要机制与模式

迄今为止,农业立体污染综合防治研究主要由中国农科院倡导并主持。因此,这里只介绍中国农科院的具体做法。

(一)农业立体污染综合防治研究的投入机制

中国农科院农业立体污染综合防治研究的高效投入机制体现在开源、节流与挖潜三个方面:

一是开源,主要是改善资金筹集环境,开发国内、国际两大资源。首先,在积极争取国家各部门资金支持的基础上,与地方政府科研单位建立广泛联系,通过合作建立监测、示范基地,帮助地方解决农业污染实际问题,协助各级地方政府采取更多的政策和措施加大资金投入于这项公益性的、前瞻性的、事关全局和可持续发展的农业科研领域。其次,通过农业科研的国际合作,在“开源”上进一步做文章。目前,中国农科院农业立体污染综合防治研究防治项目已得到了国际上的认可,联合国环境规划署和欧盟等国际性组织都表示将积极支持;另外,在加拿大等国正在积极筹建农业立体污染综合防治研究科研基金。将来,随着国际合作越来越广泛,我们的科研能力越来越得到国际上的共认,国际组织与金融机构以及国外政府部门、企业及社会组织就成了弥补国内科研资金不足的重要资金来源。

二是节流,主要是克服体制性障碍,建立科研资金高效运作机制。在完善“农业立体污染综合防治研究与产地环境保护研究中心”建设的基础上,建立科学民主的决策机制,提高科研管理的公开性、透明度和公正性;合理设置预算科目,建立统一规范的预算制度,完善科研经费预算管理;促进科研投入的“顶层设计”和“统筹规划”,做到量力而行、重点突出,集中统筹协调办大事。同时,注重消除科研单位本身的低效运作现象,按照有利于学科发展、有利于资源优化配置、有利于人才培养与使用和突出特色、发挥优势、优化组合的原则,加快对资源的调整和重新组合;发展完善科研监督体系与问责制度,建立科研工作的绩效评价体系和公共选择程序。

三是挖潜,主要是构建全方位共享平台,挖掘科研投入存量潜力。我国现行的农业科研体制,没有形成科研单位之间的深层次的合作机制,以致一方面科研资金投入不足,一方面科研投入形成的成果和资产以等没有充分发挥作用,有的甚至长时间得不到利用。因此,为大幅度提升实际能力和效果,农业立体污染综合防治研究项目注重在挖掘投入存量潜力上做文章,打破本领域科研力量过于分散的格局,加强全国农业科研机构的协作与交流,将投入存量挖潜的重点放在农业立体污染综合防治研究共享平台的构建上,在全国范围内进一步优化有限的科研资源配置,充分发挥科研力量的整体优势。

(二)农业立体污染综合防治研究的创新模式

农业立体污染综合防治研究在原始创新、引进消化吸收再创新的基础上,把集成创新作为战略突破口:

一是实施战略集成,确定创新重点。针对农业立体污染综合防治研究工作中的重大科技需求,选择重点地区和具有较强技术关联性和产业带动性的重大农业污染防治项目或产品,集中科技资源,大力促进各项相关技术的有机融合,实现关键技术的集成创新。

二是实施资源集成,夯实创新基础。农业立体污染综合防治研究项目中的资源集成,包括对现有技术、资金、市场和人才等要素进行系统的大规模整合、优化,鼓励不同高新技术企业与科研单位、高等院校、大中企业建立多种形式的科技经济联合组织,并按要素的效应进行分配。同时,密切关注国内外两大农业科技资源的最新动向,将各种渠道获得的创新资源组织集成,不断优化创新资源的配置。

三是优化组织机制,提高创新效率。农业立体污染综合防治研究采用灵活多样的集成创新组织机制:1、针对技术发展迅速、用户需求变化多端的环境和复杂的资源密集型任务,采取网络合作的形式,实现共享资源、能力优势互补、降低风险。2、以产业、技术或产品为平台,以计划、项目为主要组织形式,并辅以相应的技术手段和管理手段支撑,在较短的时期内和相对稳定的平台上,实现相关的技术、信息、知识、能力等的集成。3、以农业科技园区为创新平台,以农业设施工程为主体,以高新技术和先进实用技术为支撑,进行农业立体污染综合防治研究防治研究的集成创新。

 

五、未来农业立体污染综合防治研究展望

新中国成立以来,经过长期不懈的努力,我国农业生产取得了巨大成就。但是,长期以来,我国的农业发展理念没有从深层次上对接资源环境保护,因此在该方面体制机制上没有实现科学地转变,在政策上体现得也不够充分,更没有科学完整的措施体系保障,加上内外部因素叠加,新旧矛盾交织,我国农业发展面临的资源环境问题不容乐观。首先,工业化快速发展和城市化的无序扩张,工业“三废”和城市生活污染大面积扩散,镉、汞、砷等重金属不断向水土渗透。我国每年因重金属污染而减产粮食1000多万吨。此外,重金属污染还导致农产品有毒成分超标,威胁人体健康。其次,农业面源污染加剧态势尚未得到根本扭转。由于不重视农业有机剩余物的循环增值利用,导致化肥农药大量投入。我国化肥单季利用率仅为30%左右,低于发达国家20个百分点以上,每亩耕地化肥施用量是美国的3倍,多余的NP已成为部分地区环境的主要污染物。农药利用率仅为33%左右,低于发展国家20-30个百分点,农产品农药残留超标事件时有发生。全国约有1.4亿亩耕地受农药污染,土壤微生物群落因此受到不利影响。此外,畜禽粪便过度排放、秸秆不合理处置、农膜残留等造成的污染也日趋严重,农产品产地环境十分堪忧。

 

2014年中央一号文件要求建立农业可持续发展长效机制,促进生态友好型农业发展、开展农业资源休养生息试点、加大生态保护建设力度。目前,国务院正在组织编写“农业环境突出问题综合治理规划”和“全国农业可持续发展规划”,这些都充分说明了在新时期应把农业立体污染综合防治研究放到重要地位。

针对污染物在农业生态系统中的来源与立体化释放机制、污染物在农业生态系统中的立体化形成过程机制、以及立体污染对产地生态系统的作用机制等主要关键科学问题,在技术层面上建议国家加大基础学科、应用技术、模拟研究三个层面重点研究,系统化解决:

1、基础学科

围绕农业立体污染发生演变特征、成因和调控农业立体污染的机理等主要科学问题,利用物质守恒定律、生态循环和循环经济等理论,系统地阐明污染物的产生、污染物的转化及迁移、污染物富集及降解等演变规律,重点开展:

1)界面内污染物立体化溯源识别与高分辨记录指纹界定是界定是否污染成灾、确定污染物发生与否和污染发生历史的关键,也是了解环境系统污染机制、成灾界定首要待解决的关键问题。

2)水土气生(SPAW)系统污染链的形成过程与作用机制是确定和掌握各界面间污染物转化机制的科学基础,是调控污染物走向的科学基础,也是当今环境科学研究中界面机制研究的重要命题和科学基础。

3)不同农艺措施下农业立体污染链流量与去向调控是确定主要农艺措施下,污染物在各界面系统通量,能否资源化利用或成灾的基础,也是优化资源利用与管理、提高农用物质利用率、污染减排和根治农业污染不可或缺的重要部分。

2、应用基础

通过控制整个农业立体污染的循环链,优化农业生态系统“整体-协调-循环-再生”的系统管理,研究农业立体污染监测方法、综合防治技术与调控措施。以主要产地投入物、生产过程控制为重点研究对象,重点开展:

1)界面内污染物立体化溯源识别与界面间交叉传输监测研究

针对农业生态系统污染本底和承载污染能力不清,污染物立体监测方法缺乏等问题,重点研究界面内农业特征污染物溯源识别与界面间交叉传输监测方法;研究特征污染物界面存储、去向的演变过程和高分辨记录指纹;研究系统构建农业特征污染物的溯源识别与监测体系平台。

2)土生气水(SPAW)系统立体污染演变规律研究

针对我国农业生产系统立体污染变化状况对农产品产地质量影响程度不明等问题,重点研究农业立体污染发生进程与过程演变规律;研究农艺措施影响农业系统水土气生立体污染格局;研究农产品产地投入品、应外援污染的农田系统土壤质量保护机制。

3)主要农业污染物立体化系统控制与优化管理模式研究

针对农业立体污染控制思路不清和集成技术应用不当等问题,重点研究不同气候情景下农业生产结构调控和投入优化对主要污染物系统控制的效应;研究农业立体污染系统控制的优化管理模式;研究提出未来我国主要农业地区农业立体污染控制的途径选择。

3、模拟研究

通过农产品产地立体污染模拟系统建设和干预或调控生产过程,模拟研究农田生产系统的环境容量、阈值、自洁功能,为模拟多源污染发生与控制提供基础数据,重点研究:

1)产地质量偏途临界值确定与立体污染的环境安全容量研究

针对农业立体污染机理不清等问题,研究极端气候事件和农业产地环境质量突变的偏途临界条件;研究区域特征性农业立体污染物的环境安全容量;研究主要农产品产地水土气生环境质量安全背景值。

2)主要农业污染物立体污染发生机理与动力学模拟研究

针对农业立体污染的形成原因的复杂与多元性,重点研究农业立体污染的生态学过程与圈层间界面过程等污染形成机理;研究污染形成的动力学机制,模拟不同气候情景下人类农业活动对农业生态系统的扰动与污