农产品产地立体污染综合防控及其模拟实验室的建立
2016-02-06张星联章力建
张星联，章力建
（1.中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/农业部农产品质量安全重点实验室，北京 100081；2.中国农业科学院，北京 100081）
农产品产地立体污染综合防控及其模拟实验室的建立
张星联1，章力建2
（1.中国农业科学院农业质量标准与检测技术研究所/农业部农产品质量安全重点实验室，北京 100081；2.中国农业科学院，北京 100081）
建立农产品产地（水、土、气、生）立体污染综合防控模拟实验室是加强和推进农产品产地立体污染综合防控机理研究及其示范推广的战略选择。文章在梳理农产品产地环境立体污染综合防控的研究背景和进展的基础上，提出建立首个农产品产地（水、土、气、生）立体污染综合防控模拟实验室的总体思路和科研模式、创新模式、投入模式、发展模式等4个方面的具体建议。
农产品 产地 立体污染 综合防控 模拟实验室
为贯彻落实中共十八届五中全会关于“要在重点地区有针对性地采取措施，加强对大气、水、土壤等突出污染问题的治理，集中力量打攻坚战，让人民群众看到希望”的精神，以及中央农村工作会议关于“要着力加强农业供给侧结构性改革，提高农业供给体系质量和效率”的要求，农产品产地环境中水、土、气立体污染综合防控成为当前保障农产品有效供应和质量安全的重要工作之一。其中，污染与防控机理研究是重要的基础。所以，建立首个农产品产地（水、土、气、生）立体污染综合防控模拟实验室是目前该研究领域的战略选择。这不仅为当前生态环境现状中，大气、土壤、生物、水体污染综合防控的科研、科普、科教及示范推广工作起到重要的作用，更重要的是，为有关部门制定水、土、气、生立体污染综合防控政策措施提供有益的参考数据和资料，为我国社会、经济、生态可持续发展作出创新性贡献。
1 农产品产地环境立体污染综合防控的研究背景及内涵
自新中国成立以来，经过长期不懈的努力，我国农业生产取得了巨大成就。但同时也存在很多问题，特别是长期以来，农业发展模式导致产地环境污染日益严重，加上内外因素叠加，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1 000多万t。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35.2%左右，低于发达国家20个百分点以上，每667 m2耕地化肥施用量是美国的3倍，多余的氮、磷已成为部分地区环境的主要污染物。农药利用率仅为36.6%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0.093 33亿hm2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。随着社会经济的不断发展，污染对农产品产地环境的影响日益凸显。传统的污染控制思路已经难以有效地解决产地水体-土壤-大气-生物各界面间立体交叉的复杂污染问题，必须采用系统工程理论，开展多学科、跨领域交叉研究，尤其是模拟实验研究，进行综合防控立体污染。为此，中国农业科学院的一批专家经过多年多学科跨领域的研究，于2004年发现并首次提出农产品产地（水、土、气、生）立体污染综合防控概念。
从农业生态系统来看，农产品产地立体污染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-土-气-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。农业生态环境恶化严重，影响我国食用农产品的质量安全水平，农业立体污染成为源头性影响因素。因此，系统化开展农产品产地立体污染防控科学基础研究，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控研究中的缺陷，预测和评估未来水、土、气立体污染对农产品产地环境的影响，已成为保障食品安全、生态环境安全及现代农业可持续发展的战略需求。鉴于此，建立农产品产地（水、土、气、生）立体污染综合防控模拟实验室已成为当前该领域研究的必然 选择。
该研究领域得到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、UNEP、UNDP、FAO等相关国际组织都对“农产品产地环境立体污染综合防控研究”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，特别是荷兰著名大学Groningen还成立相似研究机构。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”。2005年5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，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”。
2 农产品产地环境立体污染综合防控的研究进展
近十几年来，随着研究内容的不断深入和研究范围的不断扩大，我国农产品产地（水、土、气、生）立体污染综合防控研究在科研创新条件平台、项目孵化、研究成果等方面都取得了丰硕成果。
2.1 初步构建科研创新条件平台
2005年，在成立“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。
2.2 项目获取、孵化和带动取得显著成效
“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（UNEP、UNDP、FAO等）和中荷、中美、中英、中德、中日、中韩等多边和双边国际合作项目10余项；财政部、科技部、农业部、环保部等部委有关重大项目8项，累计完成各类科研任务100多项，直接有关项目总经费约1亿元；培育、孵化了有关重大国家级农业环保项目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控研究理念，影响并推动了一批环保科研项目研究模式的转变和 发展。
2.3 科研成果丰硕
据不完全统计，沿生态环境、产地环境和环境经济管理3条主线展开的农产品产地立体污染综合防控研究，已出版了有关专著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。
2007年，中国农业科学院科研人员开始撰写并于2010年10月出版专著《立体污染综合防治——农业卷》，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。该书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控这一主线，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。2016年1月10日，召开“新时期农产品产地立体污染防治与绿色增产增效集成技术示范工程”专家论证会，会上对有关科研人员10年来在该领域的研究工作中作出的成绩给予了很高的评价。
3 建立农产品产地（水、土、气、生）立体污染综合防控模拟实验室的建议
为深入研究农产品产地（水、土、气、生）立体污染的综合防控机理，探寻有效地综合防控措施，保障农产品的有效供应和质量安全，建立农产品产地（水、土、气、生）立体污染综合防控模拟实验室迫在眉睫。其建立的总体思路为：搭建平台、树立品牌、盘活存量、聚集资源、谋划增量、创新机制、加强研发、补齐短板、措施保障、分期实施。根据上述思路，以下分别从科研模式、创新模式、投入模式和发展模式等4个方面对农产品产地（水、土、气、生）立体污染综合防控模拟实验室的建立提出具体建议。
3.1 科研模式
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，建议在基础科学、应用基础和模拟研究3个方面重点开展。
3.1.1 基础学科方面
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。重点开展界面内污染物立体化溯源识别与高分辨记录指纹界定、水土气生（SPAW）系统污染链的形成过程与作用机制和不同农艺措施下农业立体污染链流量与去向调控方面的研究；开展循环经济理论创新，从环境经济学层面全面阐述循环经济增值机理，综合分析循环经济的直接经济价值和外部性正负价值，论述循环经济的关键法则——系统内的物质单元多次经过生产过程以产生循环增值、循环经济的主要目的——物质单元较少地附在废弃物上走出系统以减少价值流失以及循环经济的有效机制——用价值链条拉动系统内的物质单元以实现畅通循环。
3.1.2 应用基础方面
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、综合防控技术与调控措施。以主要产地投入物、生产过程控制为重点研究对象，开展界面内污染物立体化溯源识别与界面间交叉传输监测、土生气水（SPAW）系统立体污染演变规律和主要农业污染物立体化系统控制与优化管理即物质循环增值模式3方面的研究。
3.1.3 模拟研究方面
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，包括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和主要农业污染物立体污染发生机理与动力学模拟以及物质循环增值机理模拟研究。
3.2 创新模式
农产品产地立体污染综合防控模拟研究在原始创新、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。（1）针对农产品产地立体污染综合防控研究工作中的重大科技需求，集中科技资源，促进相关技术的有机融合，实现集成创新。（2）对现有技术、资金、市场和人才等资源集成，不断优化创新资源配置，夯实创新基础。（3）优化集成创新的组织机制和物质循环增值机制，提高创新效率。
3.3 投入模式
农产品产地立体污染综合防控模拟研究的高效投入机制应体现在开源、节流与挖潜3个方面：（1）开源。主要是改善资金筹集环境，开发国内、国际两大资源。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。同时，通过加强农业科研的国际合作，吸引国际组织与金融机构以及国外政府部门、企业及社会组织的资金支持。（2）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。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。（3）挖潜。主要是构建全方位共享平台，挖掘科研投入存量潜力。注重挖掘投入存量潜力，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。
3.4 发展模式
农产品产地立体污染综合防控模拟研究应设立科研专项，设计学科发展规划，培育重点研究领域，创建国家级农业污染立体防控科技创新条件，在农业立体（水-土-气-生）污染综合防控、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，为我国农产品的有效供应和质量安全作出贡献。
3.4.1 技术路线方面
农产品产地立体污染综合防控模拟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，其防控是一项复杂的系统工程。只有通过控制整个立体污染综合防控研究的循环链，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思路，才能从根本上解决农业污染问题。
3.4.2 方法体系方面
农产品产地立体污染综合防控模拟研究遵循生态学、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，构建我国农业立体污染综合防控研究监测与信息网络，摸清农业立体污染综合防控研究的底数，建立农业立体污染综合防控平台，整合我国农业污染防控资源，筛选出关键防控技术和技术集成模式，进行农业污染的综合防控。
3.4.3 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”，包括农产品产地立体污染综合防控全程信息化监控提供了前所未有的创新发展机遇。
农产品产地立体污染防控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、系统和及时地对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，形成农产品产地立体污染综合防控大数据，并进行科学、高效的分析处理。
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