纳米技术在农业中的应用与促进政策——中美两国比较分析及启示

王 璐，刘红忠

(1.华中农业大学经济管理学院，湖北 武汉 430070；2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，陕西 西安 710049)

当前，农业面临着各种全球性挑战:气候变化、城市化、资源的可持续利用和环境问题。预计到2050年，全球人口达到90 亿，将进一步加剧粮食需求激增和可耕地不足之间的矛盾。此外，随着石油资源的日益减少，投入农业的化肥、农药等生产资料的成本将大大增加［1］。为应对这些挑战，实现农业可持续发展，必须依靠科技进步。纳米技术作为21 世纪最有潜力的新技术，推动其应用于农业，构建起具有新性质和新功能的材料、设备和系统，势必带来农业领域的生产力革命，为农业生产提供持续增长的驱动力和增值解决方案。本文基于上述背景，对比分析中美两国纳米技术应用于农业方面的现状、共同挑战以及国家政策差异，以期得出我国纳米技术应用于农业的促进战略启示。

1 中美两国纳米技术在农业中的应用现状对比

1.1 美国纳米技术在农业中的应用现状

美国由国家科技咨询委员会(National Science and Technology Council，NSTC)联合国家自然科学基金委员会 (National Natural Science Committee，NNSC)于2001年推出世界上第一份国家级纳米技术战略规划(NNI strategic plan)［2］，并根据纳米科技产业发展诉求和科研、教育水平进展逐年对NNI进行修订和补充。其中，纳米技术在农业和食品工业中的工程应用和商业推广则由美国农业部食品与农业研究所(The National Institute of Food and Agriculture，NIFA)专门负责推进，因此，NIFA在这个版块的工作进展代表了美国纳米技术在农业中的应用进展。

NIFA 确定了纳米技术在食品与农业系统中应用的具体科学领域包括:全球粮食安全与饥饿、气候变化、可持续能源、儿童肥胖、食品安全。其中的一些领域已经从纳米技术的研究和应用中直接受益［3］。

(1)农业基础研究领域的应用。NIFA 关注的农业基础研究应用主要有:①纳米传感器—生物传感器的潜在应用，主要包括病原体、污染物、营养物质、环境特性、重金属颗粒和过敏原的检测;②纳米尺度的装置和数据记录器的研发，记录保存农产品整个生命周期中影响最终质量的农药检测及生物事件，鉴别产品身份;③智能治疗传送系统，可实现对目标的搜索、反馈、定位和控制，定向输送农业生态系统所需的生物活性化合物、杀虫剂、化肥等成分，并实时监控;④新工具，包括纳米过滤设备和纳米生物反应器，为研究酶促反应过程、堆肥系统等微生物群落的动力学和生态学以及兽医学领域的基因插入和基因治疗提供关键工具;⑤纳米材料，主要包括自修复纳米材料、生物选择表面研制、基础纳米材料科学研究、生物系统自组装过程的构建以及空气和土壤纳米颗粒;⑥农业生态环境——为应对环境问题和农业废弃物挑战提出了一系列纳米技术新概念，包括从农业副产品中提取生物大分子、为废料转化处理而设计纳米催化剂。

(2)农业工程应用及商业化推广。纳米技术在美国农业上的工程应用和商业开发尚处探索起步阶段，但已得成果具有非常良好的发展前景，例如:“可控环境农业”(Controlled Environmental Agriculture，CEA)在美国广泛应用，为生物传感器、智能传输系统、纳米材料等纳米技术提供了广阔的工程应用平台［4］。由美国北达卡他州立大学(NDSU)主导的团队正实施开展“用小麦秸秆纤维素制备纳米晶须”的商业化项目，该项目由密歇根州国际生物技术公司(Michigan Biotechnology Incorporate International)开发，生产的纤维素纳米晶须(CNW)被用于制造可以替代玻璃纤维和塑料的复合材料，可用于包装、建筑结构和汽车车体结构等领域，为新型增值纳米生物材料和农林产品开辟了一个全新的市场。纽约Natural Nano公司利用天然的粘土纳米管埃洛石，开发了一种低成本的农药输送缓释技术，并致力于该技术的商业化推广。据估计，使用该技术能将农药施用量减少70%～80%，大大降低了农药成本和残留［5］。

1.2 中国纳米技术在农业中的应用现状

我国农业领域的纳米技术研究起步于20 世纪90年代中期，基本与国际发展同步，应用切入点集中在对传统材料的超微化、新型功能材料的跨学科应用、农学与纳米技术的结合几个方面，目前仍处于研究和开发阶段，大部分研究领域空白，离整体产业化还有很大距离。

种植业中的应用主要体现在:纳米农用增抗剂，在植物细胞表面形成纳米晶体，提高对外界侵害的抵抗能力;用于种子处理的纳米功能材料，借用其能量转换性能增强种子体内酶的活性，促进植物生长，并在原品种性状的基础上进一步提高各种抗逆能力，可广泛用于治沙、防治草场退化等生态环保工程和农业;纳米助长营养剂，既可给作物提供生长所需的多种微量元素和氨基酸，又可杀灭病原菌、缩短作物生长周期，还可促进植物对营养物质的吸收，全方位提高种植效益［6］。

畜牧业领域的应用主要有:改进和发展畜养动物的饲料、兽药及疾病治疗方法、遗传育种和养殖环境保护。纳米微粒营养物质基于尺度效应增大了动物对其的吸收利用率。纳米聚合物由于随粒径减小，自由表面增大，表面能大大提高，易与其他原子相结合而稳定下来，因此还具有吸附和杀菌作用。纳米技术还可用于对排泄物的处理和利用，降低环境污染。

1.3 中美应用现状对比

(1)技术水平差异。学术论文和专利数量可以从侧面反映一个国家或者行业技术水平和创新能力的高低。据统计，2007—2011年我国在纳米技术领域发表的学术论文数量每年均保持了20%的增长率，SCI 论文发表量已达到总发表量的34%，排在世界首位;被引次数达8 万次，居世界第二位，仅次于美国［7］。在专利成果方面，以纳米和农业为关键词，通过美国PTO 数据库检索出的美国该领域专利共451 项，而通过中国知识产权网专利信息服务平台检索出的我国该领域专利共117 项。可以看出，尽管中国的纳米技术研究水平已处在世界前列，但在创新性、农业领域的应用推广和科技成果转化方面跟美国相比还有一定差距。尽管美国的纳米技术发展享有资金和人才的巨大优势，技术水平世界领先，但在农业领域的应用还处于起步阶段。我国虽同样处于起步阶段，经费投入不足，研究力量和学科目标较分散，实用推广较少，但是一旦获得足够的政策与资金支持，就有望在该领域实现赶超。

(2)应用研究领域差异。近年来，美国农业部积极支持引导纳米技术在农业领域的应用研究，注重与其他技术领域发展计划的协调，特别是与电子信息技术、生物技术的交叉融合。美国选择优先发展领域时遵循的原则是选择具有巨大辐射效应、有着多学科影响和广泛应用、甚至与国家目标紧密相关的科技领域。与美国相比，我国也同样关注纳米技术在农业领域环境保护、材料、生物工程和医学等方面的应用，但是比较偏重于基础研究，缺乏贯穿整个农业产业链的集成应用研究，实用化推广力度不够，且向能源、工程材料等其他领域渗透不够。此外，我国的纳米电子技术与美国存在巨大差距，导致农业中相关生物传感技术、智能检测控制技术的开发应用相对落后。

(3)两国共同面临的挑战。①不确定性风险。纳米技术在农业中的应用发展和商业推广不仅要注重技术的不断积累创新，还需要大量资金的持续投入，对于投资者而言，往往面临着多种约束，如设备的成本高、项目研究周期长、研究结果的不确定性。据统计，美国国家纳米技术计划资助的项目大部分在十年内才会取得一定成果。此外，纳米技术风险投资还往往面临着来自知识产权、监管和责任的不确定性的挑战［8］。由于诸多不确定性和短期内无法获得利润，基础研究往往缺乏足够、持续的资金支持，使纳米技术在农业中的应用与商业化推广受到极大限制。②健康和环境风险。尽管天然纳米材料已经在传统食品中安全应用，但是农业纳米工程产品可能存在着潜在的健康和环境风险。在食品和农产品领域，问题主要集中在健康风险，纳米材料由于尺度效应可能产生一定毒性，并产生生物聚集性危害［9］。在农业生产领域，潜在的纳米毒性颗粒在水、土壤和生态环境中的积累与渗入则易带来环境风险。鉴于此，必须重视在整个农产品生命周期中对纳米技术应用风险的分析。③风险评估认知缺乏。目前大部分风险研究主要关注有广泛应用需求的非食用产品纳米材料，比如包装材料，而缺乏针对农业纳米产品本身的风险评估。相关的风险评估方法与技术目前仍在开发中，相关毒理学研究还缺乏被广泛认可并遵循的统一标准。如果这种状况继续，将导致未来纳米农产品广泛进入市场时人们对其风险评估认知的空白。不过从积极的角度看，尽管目前公众对纳米技术应用的风险意识水平较低，但是未来该状况必将引起各国的广泛关注和重视，带来政策和技术上应对潜在风险的巨大转变，避免重蹈转基因产品的覆辙。

2 中美促进纳米技术应用于农业的政策措施比较

2.1 美国促进纳米技术应用于农业的政策措施

(1)将纳米技术应用于农业列入国家计划，优先发展。2002年11月，NIFA 组织召开农业和食品系统纳米科学与工程国家规划研讨会，明确了运用纳米技术变革农业的潜力和机遇，并制定科学路线图，提出在美国农业部农业和食品系统实施纳米技术新方案。与会者推荐每年3630 万美元的预算用于发展和保持能够促进纳米技术的教育资源、技术劳动力和支撑设施。从2004年起，美国国家纳米计划对NIFA 提供年度预算资金支持，特别是近六年加大了支持力度，资助金额如图1 所示。另外，美国农业部通过发起其国家研究计划下的竞争性资助项目，对NIFA 的纳米发展规划进行资助。该项目自2003年起，收到425 个项目申请，其中64个申请成功，成功率为15%。该举措也成功引入美国农业部之外的资助计划参与到纳米科学与工程在农业领域的应用研究中。目前，每年用于纳米技术在农业领域的研究和教育经费已经增长到1 亿余美元。现在已有约250 个纳米技术教研项目接收到对农业和食品领域感兴趣的相关机构的资助。

图1 美国国家纳米计划资助NIFA 的资金统计数据

(2)推动研究成果的应用转化及相关领域的标准化。为促进和扩大纳米技术在食品和农业工程中的应用，NIFA 致力于解决纳米材料进入食物链的安全性问题，降低应用风险，解决商业化过程中信任缺乏的问题，使纳米技术的优势清晰化。此外，美国十分重视纳米技术法规和标准的发展，加强监管和审查，以使纳米技术达到行业国际先进水平，并维护相关者的利益。2002年美国国家技术标准研究院(NIST)获得国家纳米计划1.148亿美元的经费支持，并于2004年成立纳米技术标准工作组，主要任务是制定纳米术语、纳米材料性能、试验、测量与表征方法等方面的标准，以满足美国纳米材料在农业、医药保健等领域的研发与商业化需要。

(3)加强各领域合作，统筹协调。为加强NNI 计划的领导实施，国家科学技术委员会(NSTC)专门下设了纳米科学、工程与技术分委会(NSET)，由联邦政府各部门的负责人担任委员，共同参与纳米计划的决策、协调和组织。农业部也在NSET 统一组织协调下加强各领域合作，主要措施有:利用国家实验室、大学和工业界等科研优势联合攻关;注重与其他技术领域发展计划的协调，特别是农业纳米技术与信息技术、生物技术的交叉融合;重视基础设施及纳米技术人才队伍建设;注重研究成果向创新技术转移;加强国际合作。

(4)重视对纳米技术社会影响的研究。NIFA建立NRI/-AFRI (National Research Initiative/-Agriculture and Food Research Initiative)项目，优先支持农业生产和食品中纳米粒子的风险评估研究，并努力寻求与美国环保署(EPA)和美国国家科学基金会合作，支持纳米材料的以下研究:潜在风险评估，探索其在环境和生物中的去向、输送和转换;国际合作。NIFA 将纳米技术可能对人类健康和自然环境带来的负面影响作为重要研究课题，在制定纳米科技发展战略时也考虑纳米技术可能造成的伦理和社会问题。目前，美国政府《21 世纪纳米技术研究开发法案》也特别授权成立了纳米技术准备中心，开展将纳米技术研发与社会影响相结合的研究等保障项目。

2.2 中国促进纳米技术应用于农业的政策措施

(1)制定科技发展规划，积极推动发展。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》的指导下，我国认真落实“纳米研究”重大科研部署，促进纳米科技与经济相结合，加快创新性成果转化速度，促进我国纳米技术产业化进程。但是目前纳米技术在农业领域的开发应用还未上升为我国战略规划，其研究与推广主要是在国家科技发展规划框架的引领下，通过部署国家纳米重大科研计划来推动。“十五”期间，我国颁布的《国家纳米科技发展纲要(2001—2010)》提出要通过纳米技术与农业生物技术交叉融合，改良动植物品种，提高其抗病虫害能力和环境适应性，提高动植物的营养价值，提高农业产量。我国科技部发布的国家“十二五”科技发展规划也将纳米农业生物药物列入重点发展的前沿关键技术之一。

(2)推进学术交流，促进基础研究。我国依托各高校科研机构，广泛开展如何将纳米技术应用于农业的学术交流，积极推动纳米科学与农业科学的交叉融合，为农业科技创新提供了新理论与新方法。2001年5月，我国首届农业纳米科技论坛在北京举行，重点研讨利用纳米技术创制化肥、农药、兽药等新型高效的绿色农业化学品，分析我国农业纳米科技发展形势与战略重点。2011年4月，浙江大学与美国NIFA 共同主办了“2011 农业与食品检测用纳米技术与生物传感器国际学术研讨会”，针对大会主题领域的研发现状进行了学术交流。

(3)推动纳米技术农业工程应用，促进成果转化。我国积极倡导纳米共性技术平台建设，发挥高校和科研机构的人才与技术优势，借助企业系统工艺集成优化能力，针对企业需求和技术推广需要，实现农业领域的纳米技术成果转化。苏州硒谷科技有限公司依托全国首家富硒功能农业院士工作站，研发纳米靶向引导技术，致力于硒添加剂技术应用，开发出富硒大米、富硒茶等产品。山西华农纳米科技有限公司于2011年5月启动纳米碳粉、纳米碳溶胶项目，主要生产纳米碳增效肥料系列产品，其建成投产对纳米技术在我国农业中的商业化推广起到重要的支撑和引领作用。

2.3 中美政策对比

与美国相比，我国农业领域纳米技术应用促进政策存在以下不足:

(1)缺乏国家战略和资金的持续支持。目前我国尚未制定促进纳米技术应用于农业的专项发展计划，仅有个别有潜力的应用点在国家纳米技术整体发展规划下得到资助，且研究经费主要来自于国家财政，对社会投资引导不足。由于缺乏持续的投资驱动，技术成果转化相对滞后，未充分发挥投入增加引起农业产出增加的联动效应。

(2)缺乏专门协调组织机构和规划部门。美国由NIFA 主导推进纳米技术在农业中的应用，由国家科学技术委员会进行各部门各领域的协调，由国家技术标准研究院下设的工作组进行相关标准的制定。而我国缺乏专门的协调组织机构和规划部门，导致纳米技术成果向农业领域渗透辐射不足，学科间交叉融合受限。此外，科学交流合作主要由各科研机构和高校来主导完成，影响力和引领作用不够。

(3)缺乏完善的商业转化配套体系。对纳米技术的风险评估，是促进其应用推广的重要保障。我国在促进纳米技术应用于农业食品领域时，对其风险和可能造成的伦理、社会问题的研究重视、引导不够。此外，我国目前促进纳米技术在农业领域的应用和商业化推广主要侧重点在纳米材料，而对纳米器件、纳米加工、检测等配套技术的应用开发力度不足。未来，我国必须重视开展将纳米技术研发活动和其社会影响相结合的研究及标准化和立法等一系列保障项目。

3 对我国促进纳米技术应用于农业的政策启示

3.1 增加政府对研发的投入，引导社会投资，拓宽投入渠道

基础研究是技术创新的源泉，不仅代表一个国家的科技水平，还决定着国家科技、经济、社会发展的潜力和后劲。政府应大幅度提高农业纳米技术基础研究的投入力度，并积极引导社会投资，拓宽融资渠道;对社会风险投资实施鼓励政策;建立高新技术产业风险投资体系，拓宽纳米技术应用于农业的研发资金来源。

3.2 建立农业领域纳米技术创新体系

纳米技术是一个正在兴起的“指数经济”，其对经济的影响能产生高于凯恩斯乘数数千倍的技术乘数效应［10］。促进农业领域纳米技术创新体系建设对农业的改造升级意义重大。首先我国农业部应建立专门的组织管理机构，精心布局纳米技术在农业中的发展，制定国家长期规划;其次建立高效的研发体系，促进企业、公共科研机构与大学的合作，充分发挥三者的资源互补优势;最后要以企业为中心，产学研结合，风险共担，通过形式多样的技术服务体系共同促进纳米技术成果转化与农业工程应用，并加强国际合作。

3.3 营造纳米技术应用于农业的宏观政策环境

科技在经济发展中有效发挥其第一生产力的作用，离不开国家为促进科技与经济相结合创造的良好政策环境［11］。从实践来看，美国十分明确科技政策在国家公共政策中的基础性地位，充分发挥政府促进自主创新的主导作用和市场配置科技资源的基础性作用。我国也应根据具体国情，营造良好的宏观政策环境，统筹发挥政府在战略规划、政策法规、标准规范和监督指导等方面的作用:以国家利益需求作为产业驱动力，开展对国家竞争具有战略意义的纳米农业技术研究;认真落实促进农业领域纳米技术创新体系建设的各项政策，加大财税、金融政策扶持;促进纳米技术的立法和标准化进程，加强农业纳米工程产品的监管;支持开展评估纳米技术在伦理、法律、公众与环境健康、劳动力等相关方面所产生的社会影响的研究。

4 展望

我国纳米技术在农业中的应用尽管还处在起步阶段，却已在种植业、畜牧养殖业、环境保护等领域取得了一定进展。随着纳米技术的发展，未来必将实现农业产业的改造升级:改进农业系统环境监控能力，实现农业精准生产;挖掘动植物的潜在营养价值，提高农产品产量和附加值;对农药杀虫剂进行改性，减少其使用量，降低残留，实现绿色农业生产;固定、去除土壤中的有害物质，清洁水质，保护农业生态环境。可以预见，纳米技术在农业上的应用将进一步深化人们对农业生物生命现象与过程本质的认识与理解，也有利于加速仿生学、生物化工、疾病检测与诊断、生物医药、转基因品种培育以及高端农业生物产业的发展。

［1］Hongda Chen，Rickey Yada.Nanotechnologies in Agriculture:New Tools for Sustainable Development［J］.Trends in Food Science and Technology，2011，22(11):585-594.

［2］Executive Office of the President of the United States.The National Nanotechnology Initiative Supplement to the President's 2002 Budget［OL］.26th February 2001.http://www.nano.gov.

［3］Norman Scott，Hongda Chen.IB in Depth-special Section on Nanobiotechnology，Part 1［J］.Industrial Biotechnology，2012，(12):340-343.

［4］Tiju Joseph，Mark Morrison.Nanotechnology in Agriculture and Food［R］.Nanoforum Reports，May 2006.

［5］Murphy，K..Nanotechnology:Agriculture's next“Industrial”revolution［R］.Financial Partner，Spring，2008.

［6］张丹凤.纳米材料在农业上的应用现状研究［J］.黑龙江农业科学，2008，(3):132-133.

［7］祝魏玮等.第四届中国国际纳米科学技术会议在京举行［R］.新华网，2011-09-08.

［8］Rachel Lorey Allen.Venture Capital Investment in Nanotechnology［OL］.JonesDay.com，2011.http://www.jonesday.com/practiceperspectives/nanotechnology/venture_capital.html.

［9］European Food Safety Authority.The Potential Risks Arising from Nanoscience and Nanotechnologies on Food and Feed Safety-Scientific Opinion of the Scientific Committee［R］.EFSA，Milan，Italy.10th February 2009.

［10］王雪苓.当代技术创新的经济分析——基于信息及其技术视角的宏观分析［M］.成都:西南财经大学出版社，2005，8.

［11］程如烟.各国促进科技经济结合的经济举措探析［J］.中国科技论坛，2013，(2):154-158.