中國學科發展戰略?環境科學：前沿科學問題及研究熱點

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環境問題關乎國家安全，環境科學事未來國家可持續發的重要支撐。

一、環境學科基礎

在環境化學方面，主要關註：污染物多介質界面行為、區域環境過程與調控原理；納米顆粒物的環境行為與生物效應；環境友好和功能材料在污染控制中的應用；化學污染物暴露與食品安全。

環境地球化學的熱點問題包括：Clumped 同位素體系發展；微小非質量依賴分餾的研究；重金屬元素的非傳統穩定同位素的運用；環境地球化學與微生物學的交叉與融合；重金屬污染物的大尺度遷移與微觀過程研究相結合。

區域環境污染研究主要關注區域尺度的污染物排放、擴散、運移、暴露到危害效應定量過程中的薄弱或缺失環節，重點包括：多種污染物的國家和全球尺度高分辨（時、空、源）排放清單；不同空間解析度（用於暴露研究的1～10 km 解析度、用於跨境和全球傳輸的解析度>100 km）模型的傳輸模擬；區域尺度氣地交換機理和定量模型研究；人群水平區域呼吸與暴露定量模擬；區域生態毒性與人群健康危害定量評估。

二、大氣、水、土壤環境科學問題與研究重點

（一）大氣環境

在大氣環境化學前沿和熱點問題研究上有較好的起步，但缺乏深入認識。在我國污染普遍存在的情況下對新粒子形成機制沒有完全掌握，二元（硫酸-水）成核、三元（氨-硫酸-水）成核、離子誘導成核、揮發有機物成核等機制上誰為主導，尚不明確；痕量氣體在成核與增長中的貢獻作用觀點不一；新粒子對大氣顆粒物特別是細顆粒物濃度增加是否具有影響等問題缺少科學認識。污染物在大氣中行為複雜，顆粒物尺寸與化學組成之間的內在關係一直不明確。大氣中前體物轉化生成的二次顆粒物是PM2.5 的重要來源，其形成機制與霧、霾形成機理的內在聯繫還很不清楚。另外，在大氣複合污染條件下污染物之間相互轉化、大氣氧化性變化的影響、氣體向顆粒物轉化等，均是需要確證是否是導致灰霾發生的誘因。

大氣污染形勢依然非常嚴峻，利用新的監測、分析及模擬技術和先進的在線或高時間解析度儀器，針對大氣污染新形勢和特點，研究大氣污染物微觀機制、大氣污染天氣形成、大氣污染防治、大氣污染的人體健康影響等將成為未來科學熱點。排放清單、新顆粒形成與增長、有機氣溶膠、顆粒吸濕與混合、顆粒老化與大氣化學、大氣痕量物反應（OH 等瞬態、中間反應物）、氣溶膠對雲和降水影響、脫汞、污染物對DNA 及遺傳影響等均是未來主要研究方向。建立大氣煙霧箱或大氣化學反應模擬器，關注大氣污染物老化過程及液相化學、評價顆粒物光學微觀特性演變、分析暴露風險以及與大氣污染物與心血管、呼吸道等疾病發病率關係將是今後最為關注的內容。研究大氣污染與城市邊界層環境變化，關注邊界層與大氣污染物之間的反饋關係、大氣污染物對天氣/氣候災害發生髮展的影響貢獻，研發區域聯防聯控技術，建立極端大氣灰霾天氣的預報預警系統，以及發展脫硝、無人機等人工去除大氣污染物技術等，將為大氣污染防治形勢的根本扭轉提供科學依據。

針對學科發展動態及面臨的重大科學問題，大氣環境研究未來的重點方嚮應關注以下幾個方面：大氣污染物排放與大氣污染形成的關鍵過程；氣溶膠大氣污染物跨境輸送與不同混合態氣溶膠的天氣氣候效應與生態效應；大氣污染物的環境影響；大氣污染物立體監測、動態污染源清單及關鍵區域污染源控制技術；區域大氣複合污染控制的決策技術；大氣環境保護標準及污染防治的關鍵技術。

（二）水環境

水環境科學的未來發展方向，將仍然是地學環境條件下疊加的人類活動驅動下的營養鹽等污染物質負荷發生機制、輸移過程對河流和湖泊生態系統的影響，生物參與的營養鹽的生物地球化學過程與循環，這是未來水環境科學需要重點發展的領域。而這些領域發展的突破，將取決於我們研究手段和方法的進步，即監測技術的革新和創造。從學科發展來看，許多科學問題沒有解決與傳統的水環境科學研究方法的局限性有很大的關係。在氮磷污染物的輸移過程及其影響因素方面，涉及地貌、水文、水環境、水生態等學科，將成長為一個新興的領域，即所謂的水文、地球化學、生態相結合的學科。此外，水體營養鹽富集對水體生態系統的影響將仍然是未來一段時間的研究熱點。營養鹽富集後的濃度、形態、比例等，對浮游植物的組成、演替、優勢種、生物量等的影響及藍藻水華暴發機制都仍然是湖沼學和水生態科學需要進一步研究的領域。營養鹽富集與生態系統響應的關係問題又制約了藍藻水華暴發的機制、藍藻毒素的產生機制等相關問題。

綜上所述，水環境科學未來研究方向重點在：水體營養鹽元素富集對水體生態系統的影響；陸地環境對氮磷污染物的輸移影響及進一步對生態系統的影響；全球變化對水體生態系統的影響；水環境科學監測技術的發展；面源污染的多尺度特徵研究；水文模型與生物地球化學模型的耦合。

（三）土壤環境

當前，國內外土壤環境科技與管理研究進展體現在土壤污染的多尺度調查與長期定位觀測、土壤污染物的界面過程與生物生態效應、土壤污染物遷移、轉化過程及其模擬預測、土壤污染控制與修復的技術研發及工程示範等方面，涉及以下五大科學問題：土壤複合污染的成因與作用機制；土壤-植物-微生物系統中污染物的形態與微界面過程；土壤污染物在地下食物網營養層間的物質傳遞與代謝過程；土壤污染物低劑量長期暴露的風險評估；土壤環境基準、標準與風險管理等。

未來研究方向包括：土壤環境多尺度效應及其轉化的新方法、新技術；土壤關鍵帶環境系統的界面過程耦合及動力學機制；土壤污染的生態系統演變與健康指示；土壤-植物-微生物體系自然修復和強化修復機制及其應用意義。

三、人體暴露、環境毒理學、生態風險等環境效應是未來研究重點

（一）人體暴露

環境與健康是一門新型交叉學科，融合了環境科學、毒理學和基礎醫學。隨著被發現的污染物種類增多，其影響人體健康的機制日趨複雜化，未來的發展需要在幾個方向獲得突破：人體多種暴露途徑的耦合問題，即在評價暴露對健康的影響時，應該考慮到多種因子的聯合暴露和效應；從暴露風險水平概率分布角度分析人群的整體暴露情況，同時結合大量流行病學信息資料庫，全面評價區域環境質量對人群健康的影響；複合環境污染物質的人體健康效應，即由於環境中多種污染物的共存導致其共同作用於人體，作用機理更加複雜，需要從全方位評價其效應。

（二）環境毒理學臨界值（環境基準）

環境基準研究的滯後已成為制約我國環境標準科學性、環境有效管理及民生保障行動的瓶頸。特別是在毒理學臨界值理論基礎方面一些深層次的關鍵科學問題，還需要在今後的環境基準研究工作中重點開展，主要包括污染物的生物有效性、生物富集、污染物毒性效應機理、毒性預測模型等。這些前沿科學問題是未來環境基準定量化研究的重要科學依據，也是對環境基準研究的重要補充和完善。

（三）生態風險

以生態毒理學和系統生物學方法為核心的21 世紀生態風險評估框架，將從關注化學污染物、單一脅迫因子的潛在風險，發展向綜合評估生境條件改變、物種入侵（或滅絕）等非化學脅迫因子、混合污染物的聯合毒作用以及多種因子累積暴露的複合生態效應；從低水平、小尺度的個體/種群生態風險評估，發展向更高生態學尺度的群落/生態系統乃至區域景觀水平；從評估比較生存、生長、繁殖、發育等毒性效應閾值大小，發展向生態系統服務框架的應用，系統評估生態系統要素或其本身的健康、生產力、遺傳結構、經濟價值和美學價值等受到潛在影響的可能性。在生態風險信息獲取及預測評估方法工具的研究方面，進一步發展毒性作用的系統生物學機制研究以及高通量生態毒理學篩選技術；研發生態學尺度的預測系統模型，探索低水平生態組織脅迫-反應對高水平生態組織的作用途徑與影響機制，更好地解決風險評估中效應外推的不確定性關鍵問題；確定「生態暴露組」應對環境生態、應急預警、風險評估和風險管理的重要需求和手段，根據暴露途徑和暴露因子的差異，開發用於提高新暴露數據採集與改進效應評估聯繫的暴露模型新工具，預測評估污染物在環境中的動態行為以及這種行為給環境及生態系統造成的綜合影響；進一步發展多層次生態風險評估方法體系，包括基於半定量風險分析的高通量篩查與優先排序，以及精確估計的概率風險評估及其不確定性分析，以適應不同目標層次的風險管理與風險決策需求。

四、相關學科領域的未來發展重點

（一）全球變化生態學與恢復生態學

全球變化生態學圍繞的重大科學問題包括三個方面：關鍵區域和敏感區域的生態系統，以及其結構和功能對氣候變化的響應和對生態系統的脆弱性和生態系統健康的評估；多要素、多尺度觀測數據的集成和生態系統未來變化預測的準確性的提升；生態系統過程與其他環境要素過程的耦合和生態系統適應氣候變化的管理。

從研究熱點來看，全球變化生態學主要注重以下幾個方面的研究：認識生態系統的穩定性和可持續的系統動力學機制，定量評價其對氣候變化的敏感性、脆弱性以及適應能力。認識生態系統變化對其他系統的反饋，揭示生態系統與其他系統的協同性。通過多數據、多方法的多尺度集成及時、有效地評估生態系統對全球變化的響應。開展關鍵區域的系統研究，解釋山地、極地以及熱帶雨林分布區與全球變化的關係。生態系統的恢復和重建則是一項非常困難和複雜的任務，需要亟待回答和解決的重大科學問題包括：不同生態系統退化原因和機理，以及恢復方法和適用技術的選擇；生態恢復實踐評價方法和體系的建立；生態系統退化的早期信號提取及其預警機制。

恢復生態學的研究熱點則反映在以下諸多方面：利用分子生態學技術分析生態恢復中生物種群動態變化和生物群落結構多樣性、監測及預警生物修復成效；3S 技術、生物技術、工程技術以及長期生態學監測等新技術在生態恢復中的應用；生態恢複目標多元化，是生態恢復過程得以合理實施和延續的要點，也是未來生態恢復計劃制訂和實踐的重點；全球變化背景下生物入侵預警及其生物多樣性保護策略、土壤生物及生態過程對全球氣候和環境變化的響應與適應，以及不同氣候變化背景下生態系統恢復和重建的數量與質量標準等諸多方面的研究也是恢復生態學研究的熱點。

（二）水文水資源與地表災害

從水資源系統視角出發，將環境變化、可持續發展、氣候系統變化研究集成到水資源研究系統中，研發將自然和人文全要素過程耦合的水文與水資源變化機理、影響機制、適應途徑、決策支持，核心目標是為區域可持續發展提供可操作的科學依據。從這樣的視角把握科學問題，重點突出在三個方面：大數據背景下的水文信息立體監測與水數字科學；實體與虛擬過程有機耦合的水循環理論與模擬；以決策支持為出口的水文水資源集成研究平台。

根據上述重點問題，從中凝練水文水資源研究的未來主要方向：水循環及水文信息的獲取；水文過程模擬與集成的水資源管理系統；氣候與環境變化對水文水資源的影響；水資源安全。

1990 年開展國際減災十年計劃以來，山地災害理論研究和減災實踐得到長足發展。人們對災害區域規律和活動特徵有了較充分的認識，但由於災害形成的複雜性，基於控制因素的潛在災害判識仍是學科難點；在災害形成機理和運動規律方面，模擬並預測災害形成和運動中的物質遷移和能量轉化過程，還需要解決細觀尺度下複雜介質（水-土-氣）間相互作用的多過程耦合問題；在理論研究基礎上尚未考慮災害與生態的互饋機制，有待探索植物工程-岩土工程相合的減災原理與技術。針對山地災害學科有待發展的理論和技術，提出如下重大科學問題：水土耦合動力過程與災害形成機理；規模放大效應與災害鏈生機制；基於形成機理的災害預測預報模型；氣候變化對災害的影響與巨災預測；基於動力過程的災害風險分析；災害與生態的互饋機制及植物措施-岩土措施綜合減災原理。

根據上述科學問題，環境地表災害未來發展方向重點為：災害機理預報理論與新技術的協同發展；複雜介質物質運移規律與數值模擬；潛在風險判識與風險管理。

（三）近代環境變化

冰芯中包含了多種反映環境變化的指標。如何從冰芯記錄中獲取時間尺度更長、絕對年代更可靠的環境變化信息，闡明在更長時間尺度以及與人類活動相關的大空間尺度上環境變化的過程與機制，是基於冰芯的近代環境變化研究的重要科學問題。針對中低緯度冰芯研究，特別是青藏高原冰芯研究，需要解決的重大科學問題包括：過去大氣環流變化對氣候環境記錄的影響；不同地區冰芯中不同污染物的來源識別；多圈層污染物的交換與捕獲過程。

愛護環境，

人人有責！

新春伊始，

從我做起！

本文摘編自中國科學院編「中國學科發展戰略」叢書《中國學科發展戰略?環境科學》（北京：科學出版社,2016.12）緒論部分，內容略有刪節。

ISBN：978-7-03-047553-4

責任編輯：楊嬋娟

「中國學科發展戰略」叢書由以院士為主體、眾多專家參與的學科發展戰略研究組經過深入調查和廣泛研討共同完成，涉及自然科學各學科領域，旨在系統分析有關學科的發展態勢和規律，提煉關鍵學科理論和技術問題，提出學科創新發展的新思想和新方法，並為學科的均衡發展提供政策和措施建議。

《中國學科發展戰略?環境科學》包括學科基礎、環境過程、環境效應、相關學科四部分。其中，學科基礎主要涉及環境化學、環境地球化學、區域環境污染三個領域，環境過程主要分析大氣環境、水環境、土壤環境、水體富營養化四個核心問題，環境效應重點探討環境與健康、環境毒理與環境基準、生態風險問題，相關學科選擇水文水資源、全球變化生態學、恢復生態學、環境山地災害、近代環境變化領域進行分析。

本書能夠幫助科技工作者洞悉學科發展規律、把握前沿領域和重點方向，是科技管理部門重要的決策參考；同時也是社會公眾了解環境科學系統發展現狀及趨勢的重要讀本。

（本期責編：王芳）

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