“十三五”國家重點研發計劃農業面源專項標志性成果概述

徐長春，熊煒

（農業農村部科技發展中心，北京 100176）

推進農業綠色發展，是黨中央、國務院的重大部署，是保障國家食物安全、資源安全和生態安全，實現經濟社會可持續發展的現實需要[1]。隨著農業投入品過量使用，規模化畜禽養殖排污，鎘、汞、砷等重金屬不斷向農產品產地環境滲透等內外源污染因素相互疊加，農業面源污染和農田重金屬污染形勢日益嚴峻，已成為國內外農業環境科學領域的研究熱點與難點[2-3]。在“863 計劃”“973 計劃”“國家科技支撐計劃”“公益性行業科研專項”等科技計劃的資助下，“十一五”“十二五”期間，我國在農業面源和重金屬污染控制技術方面取得了積極進展，初步建立了農業面源污染防控和重金屬污染土壤的修復技術體系，但也存在系統性基礎研究有待深入，大規模、產業化應用的技術、產品與裝備不足，易推廣、可復制的治理模式缺乏等問題。

“十三五”期間，國家重點研發計劃啟動了“農業面源和重金屬污染農田綜合防治與修復技術研發”重點專項（以下簡稱“專項”）。專項圍繞污染綜合防治與修復的重大戰略需求，匯集了國內相關領域優勢科研單位、企業和推廣機構，形成了一支全國協同攻關的研究隊伍和科研平臺。在全鏈條設計、一體化實施的組織管理模式下，各項目承擔單位以理論機制研究突破為基礎，研發了一批標準化、產業化的關鍵技術產品并在典型區域開展集成示范應用，有力提升了我國農業面源和重金屬污染防治與修復的科技支撐能力和產業化水平。本文結合專項組織管理工作，從基礎研究、關鍵技術研發、集成示范應用3個方面對專項取得的標志性成果予以總結凝煉，形成20項標志性成果以供相關領域科研人員和管理部門參考。

1 基礎研究類標志性成果

在基礎研究方面，專項突破了農田面源污染物和重金屬溯源、遷移和轉化機制，污染負荷及其與區域環境質量及農產品質量關系等重要理論，形成了一批具有指導意義的新理論、新方法，為技術研發與示范應用提供了理論支撐，對下一步研究工作奠定了良好基礎。

1.1 農田土壤氮磷垂向淋溶和徑流損失及遷移轉化機制

專項系統揭示了我國農田氮磷損失強度的空間格局和時間特征，識別了我國農田氮磷淋溶和徑流損失的關鍵區、關鍵期和關鍵路徑。初步劃定了我國農田氮磷淋溶和徑流損失的易發區，指出我國北方農田氮主要以淋溶損失為主、南方以徑流損失為主，磷主要以徑流損失為主，菜地單位面積氮磷損失強度最大，水肥耦合期是氮磷損失和防控的關鍵時期。揭示了不同類型農田中氮磷轉化影響土壤氮磷垂向淋溶、揮發和橫向徑流損失的機制與主控因子，闡明了農田氮磷損失負荷與區域環境質量的聯系，提出農田氮磷源匯功能轉換理論及由源轉匯的實現路徑。劃定我國農業源氮磷生態脆弱區及監測評估體系，并提出分區氮磷淋溶消減策略和消減草案。該成果為推進化肥減施、有機肥替代、畜禽糞尿資源化、面源污染阻控提供了重要的科學依據。

1.2 農田典型重金屬源解析、遷移轉化規律和安全生產閾值

針對重金屬對農田土壤和農產品污染的全過程，專項系統開展了重金屬在典型農田土壤固相-溶液-生物-評估終點（農產品和生態安全）全過程的遷移轉化、量化模型、評估方法和基于農產品安全和生態安全的土壤重金屬安全閾值研究。探明了水稻、小麥和蔬菜吸收和積累重金屬的關鍵因素，建立了重金屬有效性/毒害定量預測模型31 個；建立了普適性的基于濃度、形態和影響因素的生物積累與毒害表征指標和方法及物種敏感性分布系列；構建了基于土地類型、土壤性質、生物有效性/毒害和物種敏感性分布的土壤重金屬農產品安全和生態安全閾值及計算模型。該成果解決了農田系統中重金屬生物有效性量化表征和污染風險精準診斷的難點，為我國農田重金屬污染風險精準診斷、安全生產等工作提供了技術支撐，為有關標準和規范的制定提供了理論基礎。

1.3 農田有毒有害生物化學典型污染物污染機制與應用

針對農藥、抗生素、酞酸酯等新型土壤有機污染物，專項銜接污染“檢測方法-過程-機制-效應-調控”研究，構建了分類指導不同農業種植制度的區域農田有機污染強化削減與生物污染風險防控的理論、方法和指標體系。建立了抗性基因高通量同步檢測與糞便污染溯源方法，開發了土壤中殘留酞酸酯、肥料中殘留抗生素檢測的國家標準方法，構建了典型種植農田中化學/生物污染因子監測與評估指標體系；研發出7種典型農藥/抗生素污染菌劑產品及相關修復技術、4種產毒素病原菌拮抗菌劑產品及相關修復技術，開發炭基復合微生物肥料產品1 個，建成炭基復合微生物肥料生產線1 條。該成果有效提升了我國農田有機/生物污染防控研究的國際競爭力，尤其在部分化學農藥污染治理領域由“跟跑”向“并跑”轉變，為農田新型污染物防治提供了科學依據和理論基礎。

2 關鍵技術產品類標志性成果

專項進一步強化關鍵共性技術與產品研發的系統性和實用性，形成了從技術到產品（材料、設備）的創新鏈和產業鏈，有效提升了我國農田面源、重金屬污染防治與修復的技術裝備及產業化水平。

2.1 稻田氮磷源匯轉換和田溝渠塘綜合防控技術體系

利用稻區排灌系統和自然水塘，通過精準調控實現稻田排水在“田-溝-塘”系統內循環利用，達到減少稻田氮磷流失的目的，形成針對我國不同水稻主產區的綜合防控技術體系。首次揭示了我國水稻主產區氮磷流失空間格局，創新出稻田氮磷流失機理模型，構建了稻田氮磷“源匯功能”理論。突破了稻田氮磷流失控制關鍵技術及產品裝備，提出了基于穩產和水環境保護的我國水稻最佳施氮量，創建了稻田控源增匯、控水擴容、田-溝-塘水量水質協同調控與循環利用等5項關鍵技術，形成了7項產品裝備，使稻田排水達到地表水Ⅲ類的標準。專項集成了東北單季稻區、長江流域水旱輪作稻區和東南沿海雙季稻區三大稻田氮磷流失綜合防控技術模式，研發構建“稻田氮磷流失智能控制”平臺；建立了66.7 hm2核心示范區，區內基本實現稻田灌排智能化控制，稻田氮磷流失負荷削減30%以上。

2.2 設施農業面源氮磷綜合調控技術與產品

專項針對我國設施農業氮磷負荷大、土壤氮磷累積高等現狀，建立了物理阻隔、化學調控、生物調節、生態優化協同管控的氮磷污染削減關鍵體系，配套形成了以水肥協同智能控制、生物調節2 項共性技術為基礎的典型區域“2+X”氮磷削減模式。研發了復配氨基酸等高碳有機肥、秸稈季銨化水凝膠阻隔材料、氮磷活性調控微生物菌劑等系列產品并實現產業化應用。在黃淮海/環渤海、長江流域、黃土高原3 個典型區域開展“2+X”氮磷污染負荷削減技術模式應用，實現氮減排23.8%～39.9%，磷減排21.6%～42.0%。該成果有效減少了設施農業生產向環境的氮磷排放，科學解決了設施蔬菜優質高產與氮磷污染最小負荷的矛盾，為我國設施農業產地環境安全和農產品質量安全提供了技術支撐。

2.3 “秸肥深施增碳固氮”農田氮磷面源污染防控技術與產品

在揭示玉米秸稈深還條件下土壤養分活化特征、明確剖面秸稈降解規律基礎上，專項集成“旋施還”和“兩免一深”多種技術裝備和新型肥料，創新構建了秸稈深施增碳固氮技術模式，解決了我國北方地區玉米秸稈全量還田中的秸稈表聚、耕層變淺、苗差苗弱、水肥利用率低等歷史性難題；對耕層調蓄擴容，提高了水肥利用效率，對亞耕層增碳固氮活磷，有效控制了氮磷損失。相關技術裝備和增碳固氮技術模式已在黃淮海地區和東北地區開展了技術集成示范應用，面積超過3 300 hm2，取得了良好的效果；對比傳統耕作模式，新技術使土壤有機質增加5%～10%，節本增收1 500 元·hm-2以上，氮素淋失減少10%～20%，氨揮發減少50%以上，具有較好的經濟效益和生態環境效益。

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2.4 中低度污染農田鎘砷同步阻控和移除技術及其產品

針對高富集植物、化學淋洗、物理修復等傳統土壤重金屬污染防治技術的局限性，專項構建了土壤-水稻系統鎘砷“三重阻控”技術體系新思路（土-水界面鐵循環調控降低重金屬活性、根-土界面提高鐵膜固定并降低根系吸收、根-籽粒阻隔重金屬向籽粒轉移），配合凈化灌溉水源的“源頭阻控”和磁性螯合吸附“同步移除”技術，有效降低了中低污染農田中稻谷的鎘砷含量。建立了炭-鐵耦合的鎘砷同步鈍化、氮-鐵耦合的鐵膜固定、硒-硅耦合的生理阻隔等新技術，研發出磁性螯合吸附美索磁（MSC）產品及配套生產線，以及鐵改性生物質炭、鐵改性腐殖質、硒復合硅溶膠等鎘砷同步阻控新產品。相關技術產品解決了鎘砷治理難同步的問題，在珠三角、西南、中南、長三角等10 多個重金屬污染核心示范區進行推廣應用，累計推廣上百萬畝次，污染農田中稻米鎘達標率提升至91.4%，無機砷達標率提升至97.6%。

2.5 低積累、超富集品種篩選、評價及其技術標準化

專項系統開展低積累品種篩選及評價、超富集品種篩選及評價以及品種標準化研究。建立了基于遺傳效應和環境效應的重金屬低累積作物品種篩選方法和技術體系，篩選出水稻、小麥和玉米的重金屬低累積候選主栽品種75 個，并在典型鎘砷污染區進行了驗證，在輕度污染范圍內，可食用部分重金屬含量均滿足國家標準。建立了基于生態適宜性和重金屬風險削減率的適于間套作的超富集植物品種/生態型篩選與評價方法體系，篩選出景天、蜈蚣草等超富集品種/生態型8 個，在中輕度污染范圍內，間作作物中重金屬含量均滿足國家標準。建立了標準化種質資源圃和信息庫，形成了水稻品種鎘累積特性多點篩選實驗技術規程、超積累植物品種選育、種植與應用技術導則等規范性文件。該成果為治理典型鎘砷污染區農田重金屬污染，帶動低積累作物品種育種、超（高）富集植物栽培等新產業發展提供了技術支撐。

2.6 重金屬污染農田分類安全利用技術與產品

針對高地質背景農田土壤重金屬污染，專項系統揭示了污染形成機理，闡明了坡積型、次生富集型和運積型地質農田土壤重金屬的活化機制。探明耕層土壤鎘含量與稻米鎘含量弱相關的主要原因，制訂出分別適合水稻和旱地作物安全生產的技術標準。以稻米和莖基鎘含量為核心，兼顧土壤鎘污染指數，分別劃分早稻和晚稻宜產區和限產區，實現稻米合格率達到90%以上。以土壤鎘污染指數、pH值和有機質含量為核心，劃分旱地作物宜產區和限產區，實現小麥、蔬菜等作物的合格率達到90%以上。專項研發出具有廣適性的“低積累品種+堿性肥料+葉面調理劑”模式（簡稱“VFR”模式），使稻麥鎘含量下降50%～80%，使水稻、小麥、蔬菜食用部分的鎘含量下降50%～80%。針對高地質背景農田土壤重金屬污染治理，提出了與國家標準差異化的安全利用和風險管控閾值，能夠有效保障重金屬污染區的作物安全生產。

2.7 農業廢棄物好氧發酵關鍵技術及智能裝備

針對國內好氧發酵普遍存在的時間長、臭味重、設備智能化程度低等問題，專項在國內率先建立了農業廢棄物超高溫好氧堆肥技術和新一代密閉式好氧發酵技術體系，創新生物干化+好氧發酵工藝并實現規模化應用。研發了一體化筒倉堆肥反應器、滾筒反應器和槽式反應器等系列自主核心裝備，創建了堆肥配方軟件、“溫-濕-氧”傳感器及智控系統等，顯著提升了好氧發酵體系的系統性與智能化水平；專項研制的重金屬鈍化劑、除臭菌劑等產品，解決了臭氣及有機肥產品污染等潛在風險；開發了大型立式高效秸稈粉碎機及清塑除雜生產線成套裝備，首創蔬菜秸稈工廠化肥料化處理與循環利用模式和技術，實現秸稈利用率提高50%、病蟲害降低40%、化肥用量減少20%。相關技術裝備在環太湖城鄉有機廢棄物處理利用產業化示范工程應用，推動建立了全國首個年產5 萬t以上蔬菜秸稈有機肥生產線示范基地，形成了較好的市場效益。

2.8 農業廢棄物多原料厭氧干發酵成套關鍵技術與裝備

為解決厭氧干發酵過程中間產物抑制、傳質傳熱效率低、國產核心裝備缺乏等瓶頸問題，專項研發出耐酸產甲烷菌劑生物強化技術，提高了發酵體系的耐沖擊性，實現了生物強化作用，對易酸化失穩厭氧發酵系統連續每日添加1%的菌液，可提高乙酸化體系有機負荷2 倍。專項研發的序批式干發酵分層接種技術可使甲烷菌群在特定區域內處于優勢地位，加快了啟動速度；連續式干發酵技術和連續推流干法厭氧發酵設備，保證了水力滯留期和運行流暢性；配套滲濾液儲罐和自吸泵，通過逐層噴淋和層間滲濾，增加了底物的傳質效率；集成活塞式進料和固液分離密封出料裝置，實現了高固進料，發酵底物總固體濃度、有機負荷率、容積產氣率、甲烷含量等多項指標顯著提升，且系統運行狀態穩定；“農業廢棄物干法厭氧發酵工藝系統”軟件搭載農業廢棄物厭氧特性數據庫，提升了農業廢棄物厭氧發酵設備智能化水平。

2.9 農田地膜污染機藝融合工程化防治技術與裝備

針對西北地區地膜回收率低、地膜殘留污染嚴重問題，專項對導致地膜殘留的地膜特性、地膜回收等關鍵環節進行了技術改進優化。優化地膜加工工藝，研發了生產和銷售成本零增加，且易回收、低殘留、高強度、厚度不低于0.01 mm 的棉花、玉米和馬鈴薯專用地膜，其斷裂伸長率較國標膜提高3.8～5.6 倍。改進了殘膜回收機的收邊膜裝置、仿形裝置、卷膜裝置、卸膜裝置等，定型了棉秸稈還田及殘膜回收聯合作業機、滾筒式玉米田殘留地膜清理機、滾筒式馬鈴薯收獲及殘膜撿拾一體機，使殘膜回收率提高了10%～50%。對殘膜加工利用環節的殘膜撕碎、上料、吸塵裝置、清洗提料設備等優化集成，形成了高質、中質和低質利用3 種技術工藝。專項融合地膜污染防治保障機制，構建了以機藝融合為核心的棉花、玉米、馬鈴薯生產全過程地膜污染綜合防治技術模式。在新疆、內蒙古、甘肅等地建立核心區333 hm2，不同種植模式下地膜回收率均顯著提高，示范區保產或增產2%～5%，節本增收150～750元·hm-2。

2.10 農田重金屬及面源污染快速檢測與監測、監管決策體系

針對區域污染數據管理與風險監管決策服務能力的短板，專項研發了數據管理、數據挖掘及污染防治決策支持等一體的農田污染大數據平臺及監管決策服務系統。專項重點發展了區域農田污染大數據匯交與管理技術，創新了融合“樣點數據優選-影響因素識別-多因素融合統計推斷”的土壤環境質量插值制圖技術，提升了數據管理效率和數據質量分析能力；突破了污染發生風險遙感識別和監測網絡布設優化技術，構建了“遙感潛在風險精準定靶-監測點優化布設-地面面源和重金屬污染快速篩查”的天地網一體化農田污染動態監測技術模式，建立了面源污染對水質的損益評估模型和生態補償標準的博弈模型；研發了區域農業面源和重金屬污染管理與決策分析系統，其具備污染調查、管理、評價、補償等業務功能，提升了決策精準性和風險管控的服務效率。

2.11 基于環保的中小型養殖場布局方法及污染控制技術的整體方案

3 模式集成與示范應用類標志性成果

專項在長江中下游平原、黃淮海平原、東北西北、華南西南、城鄉一體化區五大類農業主產區，集成了一批農業面源和重金屬污染防治綜合技術模式，形成了一批生態效應和經濟效益兼顧的修復治理模式，有力促進了我國區域經濟與生態環境可持續發展。

3.1 城鄉一體集約化農區面源和重金屬綜合防控模式

面向京津冀、珠三角、長三角3 個城鄉一體集約化農區，以農田氮、磷、鎘、砷污染防控及景觀提升為核心，構建了“邊生產、邊修復、邊管理”的綜合防控技術模式。專項提出了農田土壤氮磷控制閾值和鎘砷安全閾值，集成面源污染防控源頭阻控、過程阻控、末端修復等技術模式，以及“源頭控制有機肥+作物空間配置技術+高氮磷土壤修復+重金屬鈍化”的農田“面源+重金屬”全程協同防控模式，形成了基于種養廢棄物無害資源化的雙向防控模式，研發了畜禽糞便有害物質去除與高溫酶解腐熟集成生產技術、倉式尾菜智能型靜態好氧發酵處理系統等，構建了農業廢棄物“收-運-儲-產-銷”綜合利用模式。示范區實現化肥減量30%、土壤鎘砷等重金屬去除率30%、鎘砷等重金屬有效態下降60%以上，并開展了超過1 700 hm2的技術輻射推廣。

3.2 黃淮海集約化養殖面源污染物優先阻控體系

針對黃淮海地區養殖污染風險重、污染復合度高、處置優先序缺失的現狀，專項重點對不同養殖區域污染物負荷、不同養殖類型下各類氮磷、重金屬和抗生素污染物分布特點和處理工藝進行了研究。明確了該地區養殖污染阻控重點，提出了各養殖類型下優先控制污染物以及各類污染物優先控制環節（氮磷重在處理與利用、重金屬優選飼料端控制、抗生素重點在處理過程），構建了各類污染物從飼料到處理過程和農田應用各環節中優先控制序技術體系，形成了土地消納型、循環利用+土地消納型、達標排放+土地消納型防控模式。該成果目前已在黃淮海各個省市140 余個養殖場開展了示范與技術應用，并取得了良好的效果。在技術示范的核心區內，廢棄物循環利用率達97.5%，氮污染削減86.4%以上，磷污染削減97.5%以上，重金屬排放量削減97.5%，抗生素降解99%以上。

3.3 長江中下游重金屬與面源污染綜合防控模式

針對農業面源與重金屬復合污染的新特點，專項在長江中下游構建以生態種養、低積累作物和新型鈍化劑應用為核心的綜合防控技術。集成了農田氮磷源頭減量、養分循環、氨揮發控制、生態種養、微生物菌劑、關鍵節點控制、區域聯防等單項技術，形成了周年、全程、立體的區域面源污染防控技術系統。優化集成低積累作物、超積累植物、重金屬鈍化、農藝調控、微生物強化等單項技術，實現了水旱交替/交錯環境、不同重金屬種類和污染程度農田的修復和安全利用。這些成果作為主推技術入選《江蘇省受污染耕地安全利用與治理修復技術指南（試行）》，構建形成區域重金屬和面源綜合防治模式，在蘇州等地建立核心示范區累計1 324 hm2，聯動推廣面積超過6 700 hm2。

3.4 西南中南糧食主產區農田重金屬污染靶向式修復模式

在西南污染分區分級及安全種植區劃的基礎上，專項提出靶向式修復技術模式。以保證作物品質安全為首要目標，結合成本效益和技術可操作性分析，優化集成鎘砷同步阻控、同步移除、葉面阻隔以及低積累品種篩選等技術，分別針對石灰巖區鎘砷汞污染、高原紅壤區砷鎘污染、川渝丘陵平原區鎘污染區域構建了適配西南糧食主產區復雜生境條件和污染特征的污染農田安全利用與修復靶向式技術模式。該模式可實現主要作物穩產或增產，經濟部位鎘、砷、汞的含量降低25%～60%，產品質量滿足國家食品安全標準要求，技術模式成本在1 500～15 000元·hm-2之間。“十三五”末，該模式已在西南地區建立核心示范區24 hm2，示范區內實現了水稻、玉米、小麥等主要作物的經濟部位重金屬含量達標，產量實現穩產或增產；輻射推廣7 440 hm2，輻射區農田安全利用率達到95%以上。

3.5 華南礦業密集區農田重金屬污染的源匯協同阻控技術體系

針對不同污染程度農田，專項集成了植物穩定（高污）-植物提取（中污）-植物阻隔（低污）技術體系，可在修復污染農田的同時進行農產品安全生產，實現“邊生產邊修復”。針對不同類型礦業廢水，實現了尾礦庫廢水（15 000 m3·d-1）的深度凈化-回用，廢水回用率高于90%；回用水水質對Pb2+、Zn2+選礦指標基本無影響，可節省新鮮水資源145 萬t·a-1。針對末端的污染農田，形成了適用于重度污染土壤的經濟作物-原位穩定聯合修復技術、適用于輕污染土壤的超積累植物-經濟作物間/輪作技術、適用于輕度輕微土壤的安全利用技術，技術模式成本為1.5萬～7.5萬元·hm-2。通過在技術模式中選用具有華南特色的百香果等高值經濟作物，最高可獲得22.5 萬～30.0 萬元·hm-2的收益。新技術產品的推廣應用在多方面產生的邊際經濟效益潛力較大，對礦業廢棄地和農田基礎設施的投資可對當地產生一定的間接經濟效益。該一體化技術模式在廣東、廣西建立核心示范區43 hm2，輻射推廣740 hm2。

3.6 東北面源污染綜合防控模式

結合東北地區農業面源污染綜合防控實際，專項從空間上形成覆蓋旱田-水田-溝渠-濕地的全過程防控模式，建立了水田全過程氮磷負荷消減技術體系、農田排水污染減排與循環利用技術體系等。從時間上形成從春季凍融期到作物全生育期的周年防控模式，集成了凍融型旱田氮磷污染阻截技術體系。集成“關鍵技術+機械配套+產品配套”的秸稈及畜禽糞便綜合利用模式，建立了東北糧食主產區秸稈和畜禽糞便綜合利用技術體系。首次解析了東北寒區旱田氮磷流失凍融作用貢獻率，構建了凍融型旱田坡地-平原氮磷流失污染協同防控技術模式。創新形成“兩免一耕”秸稈全量還田技術模式。示范區實現氮磷、農藥污染負荷消減20%以上，農田有毒有害污染物殘留量降低20%以上，農業有機廢棄物無害化消納利用率提高到95%。

4 結語與展望

通過“十三五”農業面源專項的組織實施，有力推動了我國農業面源污染監測治理從點向面的拓展，實現手段由傳統向現代的提升，對象由單一到綜合的演變，為“十四五”農業面源和重金屬污染研究和治理奠定了堅實基礎。“十四五”及以后更長一段時期，需要繼續凝練成果經驗，優化任務布局，深化重點領域，組織實施好“十四五”“農業面源、重金屬污染防控和綠色投入品研發”重點專項，力爭在污染治理修復技術的適用性與智能化，技術、市場、政策各要素協同聯動等方面取得新突破，加快形成針對不同農業主產區和典型生態區的“投入源頭-施用過程-末端處理-集成示范”緊密銜接的農業面源污染防治綜合技術解決方案。

致謝：感謝“十三五”“農業面源和重金屬污染農田綜合防治與修復技術研發”專項各項目承擔單位和專家對專項標志性成果總結凝練工作的大力支持和幫助。