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全国面源污染监测技术成果落地 ——“全国农田氮磷面源污染监测技术体系创建与应用” 获得国家科学技术进步二等奖

从2017年度国家科学技术奖励大会上获悉,中国农业科学院农业资源与农业区划研究所任天志研究员牵头完成的“全国农田氮磷面源污染监测技术体系创建与应用” 获得国家科学技术进步二等奖。

科研团队成员在国务院第一次全国污染源普查重大科技专项、农业部生态环境保护专项和北京市重大科技项目等的支持下,经18年攻坚克难,突破了定量难、变异大等农田面源污染监测技术瓶颈,首次创建了全国农田面源污染核算方法;创建了农田面源污染监测技术;首次摸清了全国农田氮磷面源污染的底数和重点区域,明确了主要农艺措施的减排效果。研究成果有效支撑了第一次全国污染普查和全国农业面源污染调查工作,针对全国农田氮磷面源污染突出的主要模式及排放途径集成的坡耕地截流减排、设施蔬菜碳氮水协同减排等减排技术模式在全国得到大规模应用。

我国用世界上1/3的化肥养活了世界上1/5的人口。由于肥料的大量投入,提高了作物产量,解决粮食供应问题,使全国十几亿人口免遭饥饿。然而,随着集约化农业的快速发展,因氮、磷流失引起的农业面源污染日益突出,引起我国地表水富营养化和地下水硝酸盐污染,从而严重危害生态环境,威胁人们的生命健康。

治理面源污染已经成为践行绿色发展理念、改善水环境质量的重大举措。由于缺乏全国尺度的农田面源污染核算方法、规范可行的监测技术和长期系统的科学观测与数据积累,从而难以把握我国农田面源污染底数与排放规律,难以提出针对性的减排策略。因此,突破农田面源污染核算方法和监测技术瓶颈,把握面源污染排放规律,成为亟待解决的问题。

作为团队首席专家,任天志和刘宏斌带领的农业面源污染监测评估与防控创新团队,勇当先锋,不畏艰难,长期以定量评估与防控农田面源污染为主要研究方向,最终突破农田面源污染监测技术瓶颈,创新了全国农田氮磷面源污染核算方法,首次摸清了全国农田面源污染的底数和重点区域,明确了优化施肥、节水灌溉等主要农艺措施的减排效果,集成了农田氮磷减排技术模式并得到大面积应用,支撑了地方农业面源污染防治与生态农业建设,推动了国家农业环境突出问题治理总体规划以及农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战实施意见等重大规划的出台和实施。

  全国面源污染监测技术成果落地 ——“全国农田氮磷面源污染监测技术体系创建与应用” 获得国家科学技术进步二等奖

农田面源污染排放规律难把握

改革开放以来,我国农业取得举世瞩目的成就,我国用世界上不足9%的耕地却养活了世界上22%的人口,全国粮食产量实现“十二连增”,这不仅促进了我国农业的飞速发展,而且规避了全球粮食短缺风险。与此同时,在粮食持续增产的背后,我们也消耗了世界上30%以上的化肥,这不仅让我们投入了大量的农业生产成本,同时也付出了环境污染的代价。化肥特别是氮、磷肥料的长期、大量施用,导致农产品质量下降,土壤质量恶化,化肥利用效率逐渐降低,而且随着我国集约化发展,肥料氮、磷流失引起的面源污染问题日益突出,我国正面临着粮食生产安全与环境保护的双重挑战,如何把握农田面源污染排放规律,降低农业生产成本,促进农业生态系统可持续发展成为亟待解决的问题。

然而,农田面源污染具有隐蔽性、分散性、不确定性的特点,地形、降水等自然因素及作物、施肥、灌溉、耕作等人为因素均对农田面源污染排放有不同程度的影响。因此农田面源污染排放规律难以把握。众多难题亟待解决,团队深感责任重大,怀着强烈的使命感和责任感,激流勇进,努力拼搏,创建了全国农田面源污染监测技术体系,提出针对性减排策略。

  全国面源污染监测技术成果落地 ——“全国农田氮磷面源污染监测技术体系创建与应用” 获得国家科学技术进步二等奖

攻坚克难,突破技术瓶颈

地下淋溶和地表径流是农田氮磷面源污染发生的两条主要途径。农田氮磷面源污染之所以很难监测,主要是因为在田间条件下很难准确计量、采集农田淋溶及径流损失。任天志和刘宏斌带领团队,攻坚克难,坚持理论创新与技术创新,大胆探索,不断实践。针对地下淋溶监测方法中存在的定量难、变异大等技术瓶颈,团队自主研发了以“单体式田间渗滤池”为核心的农田地下淋溶氮磷面源污染监测技术,发明了“淋溶水负压收集、原位过滤、可塑软性隔液膜”一体化装置。针对地表径流监测方法中存在的变异大、适应性窄等难题,创建了以“串联式田间径流池”为核心的农田地表径流氮磷面源污染监测技术,研发了“可控型径流收集管、径流口水平校正仪、串联式田间径流池、一体化排水槽”等成套设施。两项监测技术的突破,从根本上解决了农田氮磷面源污染监测技术的难题。尤其是,两项监测技术成本较低,操作简便,计量准确且不影响农事操作,可广泛适用于设施蔬菜地及坡耕地、平原旱作农田监测。有了先进的监测技术是解决农田面源污染监测的第一步,如何将技术推广应用到全国,如何在全国范围内监测评价农田氮磷面源污染更是一项重大难题。为此团队采取了两步走的策略解决全国监测的难题。

第一步是创建全国面源污染监测平台。以往在我们国家层面的面源污染都是采用的间接差减法进行估算,这样的结果完全没有考虑地域、气候等的空间变异性,很难达到公众认可。任天志说,全国范围内监测评价氮磷面源污染是团队的宗旨,以偏概全,以点代面,没有实际意义,宁肯弃之不用。经过长期系统分析全国全地貌、降水等制约面源污染的两大自然因素,将全国划分为六大分区,按照“全面覆盖,重点突出”的原则,最终建成了覆盖全国六大分区、54类种植模式、由412个监测试验点组成的全国农田氮磷面源污染监测网。

第二步是建立全国面源污染大数据。有了全国农田氮磷面源污染监测网,就要做到对各个监测点数据的收集、整理和分析,只有通过数据的深入整理分析才能发现规律,找到存在的问题,从而更好的解决问题。为此,团队通过不懈努力,利用网络技术,研发了全国农田氮磷面源污染监测信息系统,实现了对全国监测数据的高效管理、自动审核、大数据分析,从而能够很容易的进行识别氮磷流失高风险区域,进而采取相应的防控措施。

 

摸清规律,推动绿色发展

通过技术创新与全国范围内的监测分析,团队首次揭示了全国农田氮磷面源污染排放规律,呈南方以地表径流为主,北方以地下淋溶为主的特点,磷素以地表径流排放为主占80%以上;氮素在南方平原区以地表径流排放为主,占61.0%,在黄淮海平原区以地下淋溶排放为主,占70%.5%。同时明确了各类种植模式农田氮磷排放强度,其中蔬菜是我国农田氮磷排放的重点模式。团队创建了以分区分类为基础、以实地监测与典型调查相结合的全国农田氮磷面源污染核算方法。该方法克服了其它模型参数多难获取、难以用于行政单元计算的不足,该方法为全国农田面源污染核算提供了依据,被第一次全国污染普查办公室和全国农业环保机构采纳,成为全国农田面源污染普查的基本方法。

团队始终坚持以“理论研究为基础,成果落地为目标”的研究理念,坚持理论与实践结合,理论指导实践,努力实现理论专业化,最终迈向实践成果化。团队首次摸清了全国农田面源污染的底数和重点区域,明确了优化施肥、节水灌溉等主要农艺措施的减排效果。黄淮海平原区、南方平原区是氮磷排放污染重点区域。基于农田氮磷面源污染排放规律和主要农艺措施减排效果,针对全国六大分区农田氮磷面源污染突出的主要模式及排放途径,以控源截流为指导,集成了坡耕地截流减排、设施蔬菜碳氮水协同减排等六大类减排技术模式。

农田氮磷面源污染减排技术模式目前已经在全国得到大规模应用,同时推动了国家面源污染治理规划的出台和全国农业环保体系的发展,为解决农田氮磷污染问题,助推科技成果广泛应用,发挥了极其重要的作用。团队希望能与各地方研究单位进行更多理论与技术研究,建立更加高效的农田氮磷面源污染减排技术模式,并且加快农田氮磷面源监测技术体系的推广和普及,为防治我国农田氮磷面源污染做出贡献。

 

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