科技发力打赢农业面源污染防治攻坚战

文/郑戈 熊炜 农业农村部科技发展中心

农业资源环境是农业生产的物质基础，也是农产品质量安全的源头保障，更是实现社会可持续健康发展的重要基础。随着社会经济的发展，特别是工矿业发展和化肥农药等投入品的普及，农业环境问题频发，其对农产品安全和人民身体健康的影响越来越引起广泛的社会关注，农业资源与生态环境保护已经成为新时代农业农村可持续发展的重大战略选择。

党的十八大以来，绿色发展成为新的发展理念，“绿水青山就是金山银山”的理念日益深入人心。国家不断加大对农业资源与生态环境保护工作的投入力度，相继启动了一批科技计划，建设了一批试验示范基地，探索出一批具有中国特色的农业可持续发展模式。特别是自2016年起，中央财政投资近10亿元启动了“农业面源和重金属污染农田综合防治与修复技术研发”重点研发专项，集中了我国农业环境领域的主要科研单位和优势研发团队，着力开展农田面源污染、农田土壤重金属污染等方面防控机理研究，突破农田面源污染物和重金属溯源、迁移和转化机制、污染负荷及其与区域环境质量及农产品质量关系等理论，以及氮磷、有毒有害化学/生物、重金属、农业有机废弃物等农田污染物防治与修复的关键技术瓶颈，提升我国面源和重金属领域装备和产品的标准化、产业化水平。

通过几年的实施，“农业面源专项”在理论机制研究、技术产品创新、标准规范制定以及成果转化示范等方面都取得了一批重大标志性成果，为保障农产品质量安全、满足国家环境安全重大战略需求，提供了重要的技术支撑：在农业氮磷流失防控方面，根据第二次全国污染源普查现场调查数据，畜禽养殖COD排放量比2007年第一次污染源普查有较大幅度下降，农田总磷的流失量也有所下降；在重金属污染防治方面，完善和深化了农产品产地环境监测、风险管控、风险评价、安全生产、修复治理、分级分类等几方面的研究，形成了技术框架，为相关部门出台相关导则、标准和规范提供较为坚实的技术基础；在农业环境监测预警方面，推进了我国农田污染长期监测系统的构建和应急监测能力的提高。由于这一系列重大科技成果的支撑，近几年，我国没有发生重大农产品质量安全事件，没有发生农业产地严重的污染事件，也没有发生农业生产本身对环境的污染事件。2018年国家农产品质量安全例行监测抽检总体合格率达到97.5%。

成果显著 实现突破

以“农业面源专项”为代表的相关科技计划，以我国农业面源污染高发区和重金属污染典型区为重点研究区域，涉及农业面源污染防治、农业废弃物发酵技术、重金属阻控及重金属中轻度污染农田修复与安全利用四大领域，并取得了显著成果。

基本摸清了全国农田重金属污染的基本情况。2014年起，国家在第一次污染源普查的基础上，又启动了全国农田土壤重金属污染详查，基本摸清了全国农田土壤重金属污染的基本情况，也开展了农产品产品重金属污染与农产品质量的关联性研究。

构建了一批重要防控理论体系和方法原理，有效提升了技术研发创新度。初步明确了典型径流易发区农田系统氮磷迁移转化过程与流失的主控因子，建立了农田氮磷积累速率及流失通量的多尺度观测与估算方法；自主建立了化学污染物的同位素标记合成方法，开发了典型污染物的分析检测技术；初步明确了农业废弃物好氧转化碳氮磷硫转化规律与损失驱动因子；初步建立了区域尺度农田与农产品重金属数值法污染源解析方法，阐明了土壤重金属的生态毒害机理及模型和生态风险评估方法及标准化等。

形成了一批关键性新技术、新工艺和新产品，有效提升了与产业需求的关联度。研发了沟塘调蓄功能提升及氮磷阻控能力强化技术、疲劳型旱地农田生态农业修复技术、碳氮磷水协同调控提升作物氮磷吸收利用技术；初步掌握了我国主要有机肥厂工艺方法、堆肥原料、堆肥及有机肥样品的理化指标、微生物菌群等，研发智控系统、菌剂、好氧一体化、自动化设备；初步确定了农田中酞酸酯及农药类污染物环境限制值的计算毒理模型，形成了农田抗生素、激素等污染物的生物炭吸附催化降解技术与产品；研发了硒硅叶面阻隔剂新产品、高效镉砷同步钝化剂，研发了重金属萃取植物材料创新和规模化繁种技术与装备，以及低廉高效环境友好镉砷铅化学活化剂等。

集成落地了一批创新修复模式，开展区域环境污染防控的技术集成示范，有效提升了对产业发展的贡献度。在京津冀城乡一体化区域：河北青山县和饶县核心示范区磷污染负荷比项目实施前减少 25%以上，土壤磷素淋失降低 50%以上，降低土壤农药残留 30%以上，重金属钝化超过 30%以上；黄淮海农区：在北京市、天津市、河北省、河南省、山东省设施蔬菜主产区建立 5 个核心示范区，设施农田土壤重金属有效态降低近 50%，目前农户对重金属钝化剂应用效果反响良好；在长江中下游水网区：形成了面向规模化稻田的省工高效型和绿色优质型面源污染综合防控集成技术模式，集成了源头减量、过程拦截以及养分再利用等多项技术，集成度 80%以上，降低氮、磷流失负荷的28.3%和47.6%；在西南中南区：建立中南镉砷污染农田植物萃取、植物叶面阻隔、农田钝化、耕地安全利用及综合防治修复技术示范区，土壤镉砷活性降低60%以上；在东北西北区：通过分析氮磷流失规律，初步提出氮磷流失防控技术清单，开展了秸秆和畜禽粪便资源化高效利用技术与装备研发。在西北地区，示范地表残膜回收作业，回收率达到 87%；在东北地区：初步获得了增密减氮以及侧条施肥相关技术参数，实现肥料减量10%以上，减少氮素流失16.5%～20.9%。

阶段成果 引领未来

多年来国内外的实践证明，治理农田土壤环境污染，必须依靠科技。党的十八大以来，以“农业面源专项”为代表的相关科技计划项目取得了一批重大阶段性成果，其中既有理论上突破，又有共性关键技术和产品的创新，更有广泛的实践应用。据不完全统计，截至2018年年底，仅“农业面源专项”就已在全国27个省（市、自治区）建立了107个示范点，示范技术174项、产品44个，进入了9个国家级示范区和9个省级示范区。

初步揭示和丰富了氮磷流失阻控机理。该成果在我国氮磷生态脆弱区和潜在脆弱区的划分机制与应用方面，定量了县域尺度农牧系统氮磷养分环境排放的历史变化和热点区域，初步划分了我国氮磷生态脆弱区和潜在脆弱区，为推进化肥减施、有机肥替代、畜禽粪尿资源化、面源污染阻控和农业绿色发展等国家重大行动提供了支撑；开展的我国径流易发区旱作和水田地表径流氮磷流失机制研究，系统揭示了长江流域农田总氮和总磷径流流失强度的空间变异和平均流失强度，以及农田地表径流氮磷流失的主要来源，并初步构建了我国径流易发区旱作和水田地表径流氮磷流失数据库；在稻田氮磷流失机理模型构建方面，提出了基于三基点的光合作用温度响应方程和氮磷限制下光合产物分配模式，有助于我国稻田作物生长模块的改良和优化；提出了新的汇流算法，解决了从稻田到沟渠和周边水体的氮磷水污染风险评估难题。构建的基于粒子滤波的参数最优系统，提高了3种种植制度稻田水量平衡、作物生长与光合产物分配，以及氮磷流失与淋溶的模拟精度。以上理论成果，为推进“一控、两减、三基本”和打赢农业面源污染攻坚战提供了重要的理论基础和科技支撑。

形成重金属污染农田安全生产技术体系并大规模应用。该成果的核心技术包括低累积品种、土壤钝化、水肥农艺调控等，已经在湖南、广东、浙江等重金属污染区域开展了大规模应用，有力保障了这些地区的农产品安全。

该技术体系中，创新与突破主要体现在以下3点：一是提出了重金属污染区域类别划分方法，建立了主要农产品禁产、限产、宜产区的技术标准和方案，筛选适宜禁产区推广应用的替代植物，保证了禁产区耕地的安全利用；二是建立了分子标记辅助筛选与评比技术，通过全基因组数据确定低重金属分子标记，环境上观测表型特征，筛选出重金属累积相对较低、环境表现稳定的目标品种；三是高效镉砷同步钝化材料研制以及重金属污染阻控技术集成与应用，创新性地提出了稻田调控铁循环降低土壤中镉砷活性与移动性，以及调控水稻硅硒营养阻隔镉砷转运的新思路，并根据这个新思路研制出铁基生物炭、金属硫蛋白镉还原菌等一系列新产品，将轻度污染稻田的安全利用率由不足50%提高至90%，中度污染稻田的安全利用率提升至80%。这些产品和技术已经在多个国家级重金属污染治理先行区和省级示范区应用超过200万亩次，并且发展为我国稻田重金属污染治理的主推技术之一，形成了稻田镉砷污染阻控“新原理—新技术—新产品”的创新链。相关成果获得广东省技术发明一等奖；第十届大北农科技奖环境工程奖；第二十届中国发明专利银奖。

研发出农业废弃物一体化处理槽式好氧发酵系统和筒仓式反应器系统。我国研发出国内首套连续动态槽式好氧发酵系统，实现了堆肥的规模化、自动化和工业化。与国际先进的德国巴库斯槽式系统相比，在处理量相当的情况下，物料混合更均匀、移动更精确，设备功率降低了近60%，发酵时间缩短了13天，运行成本节省1倍以上，为大中型规模养殖场畜禽粪便堆肥处理及有机肥厂建设提供了技术保障，并已推广84套。

我国还率先在国内研制出针对中小型规模养殖场畜禽粪便处理的系列一体化智能筒仓堆肥反应器，具有发酵周期短（7天）、节省占地面积（40平方米/台）、无需添加辅料、臭气密闭集中处理、无二次污染等特点。与国际先进的日本COMPO堆肥反应器相比，在相同运行时间内处理能力提高了25%，节省能耗17%，温室气体减排60%以上，打破了国外技术垄断，达到了国际领先水平，为中小规模养殖场畜禽粪便就地处理提供了解决途径。

化学污染物的同位素标记合成方法及监测标准。该成果攻克了高比活度同位素标记农药合成中的技术瓶颈，于国际上首次建立了安全高效的放射性标记毒死蜱非氯气取代微量合成方法，在国内首次自主合成了高比活度14 C-毒死蜱，开创了苯环标记的14 C-乙酰化磺胺嘧啶全新微量合成方法，有效地提高了合成产率。该成果为从质量平衡角度溯源追踪有毒有害化学污染物在环境介质中的迁移转化、残留代谢，尤其是结合残留定量表征等相关研究奠定了基础。开发的基于分子标记物的环境多种宿主粪便污染高通量溯源技术方法，可同时针对 10 余种动物粪便污染进行溯源。

科技创新 绿色发展

破解我国农业可持续发展面临的资源与环境双重约束的难题，必须依靠农业生态与环境领域的科技创新，必须为农业的可持续发展提供坚强的科技支撑。党的十八大以来，党和国家高度重视农业绿色发展，采取积极措施，提升农业生态环境安全质量水平，确保产品质量安全。特别是“十三五”开始实施 “农业面源专项”以来，广大科技人员坚持“三个面向”，主动作为，提升原始创新、继承创新和吸收消化再创新的水平和能力，形成了一批受用户欢迎、技术普适性高、经济成本可接受、操作比较简单的实用技术、技术体系或者模式、范式，科技创新成果走进千家万户，落地生根，在促进和提升农业生态环境质量改善、农产品质量安全和生态文明建设方面发挥了积极作用，促进农业农村生产、生态和生产融合，为实现乡村振兴目标和农业绿色可持续发展提供了强有力的科技支撑，彰显了强大的生命力。