納米技術在農業中的應用與促進政策——中美兩國比較分析及啟示

王 璐，劉紅忠

(1.華中農業大學經濟管理學院，湖北 武漢 430070；2.西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

當前，農業面臨著各種全球性挑戰:氣候變化、城市化、資源的可持續利用和環境問題。預計到2050年，全球人口達到90 億，將進一步加劇糧食需求激增和可耕地不足之間的矛盾。此外，隨著石油資源的日益減少，投入農業的化肥、農藥等生產資料的成本將大大增加［1］。為應對這些挑戰，實現農業可持續發展，必須依靠科技進步。納米技術作為21 世紀最有潛力的新技術，推動其應用于農業，構建起具有新性質和新功能的材料、設備和系統，勢必帶來農業領域的生產力革命，為農業生產提供持續增長的驅動力和增值解決方案。本文基于上述背景，對比分析中美兩國納米技術應用于農業方面的現狀、共同挑戰以及國家政策差異，以期得出我國納米技術應用于農業的促進戰略啟示。

1 中美兩國納米技術在農業中的應用現狀對比

1.1 美國納米技術在農業中的應用現狀

美國由國家科技咨詢委員會(National Science and Technology Council，NSTC)聯合國家自然科學基金委員會 (National Natural Science Committee，NNSC)于2001年推出世界上第一份國家級納米技術戰略規劃(NNI strategic plan)［2］，并根據納米科技產業發展訴求和科研、教育水平進展逐年對NNI進行修訂和補充。其中，納米技術在農業和食品工業中的工程應用和商業推廣則由美國農業部食品與農業研究所(The National Institute of Food and Agriculture，NIFA)專門負責推進，因此，NIFA在這個版塊的工作進展代表了美國納米技術在農業中的應用進展。

NIFA 確定了納米技術在食品與農業系統中應用的具體科學領域包括:全球糧食安全與饑餓、氣候變化、可持續能源、兒童肥胖、食品安全。其中的一些領域已經從納米技術的研究和應用中直接受益［3］。

(1)農業基礎研究領域的應用。NIFA 關注的農業基礎研究應用主要有:①納米傳感器—生物傳感器的潛在應用，主要包括病原體、污染物、營養物質、環境特性、重金屬顆粒和過敏原的檢測;②納米尺度的裝置和數據記錄器的研發，記錄保存農產品整個生命周期中影響最終質量的農藥檢測及生物事件，鑒別產品身份;③智能治療傳送系統，可實現對目標的搜索、反饋、定位和控制，定向輸送農業生態系統所需的生物活性化合物、殺蟲劑、化肥等成分，并實時監控;④新工具，包括納米過濾設備和納米生物反應器，為研究酶促反應過程、堆肥系統等微生物群落的動力學和生態學以及獸醫學領域的基因插入和基因治療提供關鍵工具;⑤納米材料，主要包括自修復納米材料、生物選擇表面研制、基礎納米材料科學研究、生物系統自組裝過程的構建以及空氣和土壤納米顆粒;⑥農業生態環境——為應對環境問題和農業廢棄物挑戰提出了一系列納米技術新概念，包括從農業副產品中提取生物大分子、為廢料轉化處理而設計納米催化劑。

(2)農業工程應用及商業化推廣。納米技術在美國農業上的工程應用和商業開發尚處探索起步階段，但已得成果具有非常良好的發展前景，例如:“可控環境農業”(Controlled Environmental Agriculture，CEA)在美國廣泛應用，為生物傳感器、智能傳輸系統、納米材料等納米技術提供了廣闊的工程應用平臺［4］。由美國北達卡他州立大學(NDSU)主導的團隊正實施開展“用小麥秸稈纖維素制備納米晶須”的商業化項目，該項目由密歇根州國際生物技術公司(Michigan Biotechnology Incorporate International)開發，生產的纖維素納米晶須(CNW)被用于制造可以替代玻璃纖維和塑料的復合材料，可用于包裝、建筑結構和汽車車體結構等領域，為新型增值納米生物材料和農林產品開辟了一個全新的市場。紐約Natural Nano公司利用天然的粘土納米管埃洛石，開發了一種低成本的農藥輸送緩釋技術，并致力于該技術的商業化推廣。據估計，使用該技術能將農藥施用量減少70%～80%，大大降低了農藥成本和殘留［5］。

1.2 中國納米技術在農業中的應用現狀

我國農業領域的納米技術研究起步于20 世紀90年代中期，基本與國際發展同步，應用切入點集中在對傳統材料的超微化、新型功能材料的跨學科應用、農學與納米技術的結合幾個方面，目前仍處于研究和開發階段，大部分研究領域空白，離整體產業化還有很大距離。

種植業中的應用主要體現在:納米農用增抗劑，在植物細胞表面形成納米晶體，提高對外界侵害的抵抗能力;用于種子處理的納米功能材料，借用其能量轉換性能增強種子體內酶的活性，促進植物生長，并在原品種性狀的基礎上進一步提高各種抗逆能力，可廣泛用于治沙、防治草場退化等生態環保工程和農業;納米助長營養劑，既可給作物提供生長所需的多種微量元素和氨基酸，又可殺滅病原菌、縮短作物生長周期，還可促進植物對營養物質的吸收，全方位提高種植效益［6］。

畜牧業領域的應用主要有:改進和發展畜養動物的飼料、獸藥及疾病治療方法、遺傳育種和養殖環境保護。納米微粒營養物質基于尺度效應增大了動物對其的吸收利用率。納米聚合物由于隨粒徑減小，自由表面增大，表面能大大提高，易與其他原子相結合而穩定下來，因此還具有吸附和殺菌作用。納米技術還可用于對排泄物的處理和利用，降低環境污染。

1.3 中美應用現狀對比

(1)技術水平差異。學術論文和專利數量可以從側面反映一個國家或者行業技術水平和創新能力的高低。據統計，2007—2011年我國在納米技術領域發表的學術論文數量每年均保持了20%的增長率，SCI 論文發表量已達到總發表量的34%，排在世界首位;被引次數達8 萬次，居世界第二位，僅次于美國［7］。在專利成果方面，以納米和農業為關鍵詞，通過美國PTO 數據庫檢索出的美國該領域專利共451 項，而通過中國知識產權網專利信息服務平臺檢索出的我國該領域專利共117 項。可以看出，盡管中國的納米技術研究水平已處在世界前列，但在創新性、農業領域的應用推廣和科技成果轉化方面跟美國相比還有一定差距。盡管美國的納米技術發展享有資金和人才的巨大優勢，技術水平世界領先，但在農業領域的應用還處于起步階段。我國雖同樣處于起步階段，經費投入不足，研究力量和學科目標較分散，實用推廣較少，但是一旦獲得足夠的政策與資金支持，就有望在該領域實現趕超。

(2)應用研究領域差異。近年來，美國農業部積極支持引導納米技術在農業領域的應用研究，注重與其他技術領域發展計劃的協調，特別是與電子信息技術、生物技術的交叉融合。美國選擇優先發展領域時遵循的原則是選擇具有巨大輻射效應、有著多學科影響和廣泛應用、甚至與國家目標緊密相關的科技領域。與美國相比，我國也同樣關注納米技術在農業領域環境保護、材料、生物工程和醫學等方面的應用，但是比較偏重于基礎研究，缺乏貫穿整個農業產業鏈的集成應用研究，實用化推廣力度不夠，且向能源、工程材料等其他領域滲透不夠。此外，我國的納米電子技術與美國存在巨大差距，導致農業中相關生物傳感技術、智能檢測控制技術的開發應用相對落后。

(3)兩國共同面臨的挑戰。①不確定性風險。納米技術在農業中的應用發展和商業推廣不僅要注重技術的不斷積累創新，還需要大量資金的持續投入，對于投資者而言，往往面臨著多種約束，如設備的成本高、項目研究周期長、研究結果的不確定性。據統計，美國國家納米技術計劃資助的項目大部分在十年內才會取得一定成果。此外，納米技術風險投資還往往面臨著來自知識產權、監管和責任的不確定性的挑戰［8］。由于諸多不確定性和短期內無法獲得利潤，基礎研究往往缺乏足夠、持續的資金支持，使納米技術在農業中的應用與商業化推廣受到極大限制。②健康和環境風險。盡管天然納米材料已經在傳統食品中安全應用，但是農業納米工程產品可能存在著潛在的健康和環境風險。在食品和農產品領域，問題主要集中在健康風險，納米材料由于尺度效應可能產生一定毒性，并產生生物聚集性危害［9］。在農業生產領域，潛在的納米毒性顆粒在水、土壤和生態環境中的積累與滲入則易帶來環境風險。鑒于此，必須重視在整個農產品生命周期中對納米技術應用風險的分析。③風險評估認知缺乏。目前大部分風險研究主要關注有廣泛應用需求的非食用產品納米材料，比如包裝材料，而缺乏針對農業納米產品本身的風險評估。相關的風險評估方法與技術目前仍在開發中，相關毒理學研究還缺乏被廣泛認可并遵循的統一標準。如果這種狀況繼續，將導致未來納米農產品廣泛進入市場時人們對其風險評估認知的空白。不過從積極的角度看，盡管目前公眾對納米技術應用的風險意識水平較低，但是未來該狀況必將引起各國的廣泛關注和重視，帶來政策和技術上應對潛在風險的巨大轉變，避免重蹈轉基因產品的覆轍。

2 中美促進納米技術應用于農業的政策措施比較

2.1 美國促進納米技術應用于農業的政策措施

(1)將納米技術應用于農業列入國家計劃，優先發展。2002年11月，NIFA 組織召開農業和食品系統納米科學與工程國家規劃研討會，明確了運用納米技術變革農業的潛力和機遇，并制定科學路線圖，提出在美國農業部農業和食品系統實施納米技術新方案。與會者推薦每年3630 萬美元的預算用于發展和保持能夠促進納米技術的教育資源、技術勞動力和支撐設施。從2004年起，美國國家納米計劃對NIFA 提供年度預算資金支持，特別是近六年加大了支持力度，資助金額如圖1 所示。另外，美國農業部通過發起其國家研究計劃下的競爭性資助項目，對NIFA 的納米發展規劃進行資助。該項目自2003年起，收到425 個項目申請，其中64個申請成功，成功率為15%。該舉措也成功引入美國農業部之外的資助計劃參與到納米科學與工程在農業領域的應用研究中。目前，每年用于納米技術在農業領域的研究和教育經費已經增長到1 億余美元。現在已有約250 個納米技術教研項目接收到對農業和食品領域感興趣的相關機構的資助。

圖1 美國國家納米計劃資助NIFA 的資金統計數據

(2)推動研究成果的應用轉化及相關領域的標準化。為促進和擴大納米技術在食品和農業工程中的應用，NIFA 致力于解決納米材料進入食物鏈的安全性問題，降低應用風險，解決商業化過程中信任缺乏的問題，使納米技術的優勢清晰化。此外，美國十分重視納米技術法規和標準的發展，加強監管和審查，以使納米技術達到行業國際先進水平，并維護相關者的利益。2002年美國國家技術標準研究院(NIST)獲得國家納米計劃1.148億美元的經費支持，并于2004年成立納米技術標準工作組，主要任務是制定納米術語、納米材料性能、試驗、測量與表征方法等方面的標準，以滿足美國納米材料在農業、醫藥保健等領域的研發與商業化需要。

(3)加強各領域合作，統籌協調。為加強NNI 計劃的領導實施，國家科學技術委員會(NSTC)專門下設了納米科學、工程與技術分委會(NSET)，由聯邦政府各部門的負責人擔任委員，共同參與納米計劃的決策、協調和組織。農業部也在NSET 統一組織協調下加強各領域合作，主要措施有:利用國家實驗室、大學和工業界等科研優勢聯合攻關;注重與其他技術領域發展計劃的協調，特別是農業納米技術與信息技術、生物技術的交叉融合;重視基礎設施及納米技術人才隊伍建設;注重研究成果向創新技術轉移;加強國際合作。

(4)重視對納米技術社會影響的研究。NIFA建立NRI/-AFRI (National Research Initiative/-Agriculture and Food Research Initiative)項目，優先支持農業生產和食品中納米粒子的風險評估研究，并努力尋求與美國環保署(EPA)和美國國家科學基金會合作，支持納米材料的以下研究:潛在風險評估，探索其在環境和生物中的去向、輸送和轉換;國際合作。NIFA 將納米技術可能對人類健康和自然環境帶來的負面影響作為重要研究課題，在制定納米科技發展戰略時也考慮納米技術可能造成的倫理和社會問題。目前，美國政府《21 世紀納米技術研究開發法案》也特別授權成立了納米技術準備中心，開展將納米技術研發與社會影響相結合的研究等保障項目。

2.2 中國促進納米技術應用于農業的政策措施

(1)制定科技發展規劃，積極推動發展。在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》的指導下，我國認真落實“納米研究”重大科研部署，促進納米科技與經濟相結合，加快創新性成果轉化速度，促進我國納米技術產業化進程。但是目前納米技術在農業領域的開發應用還未上升為我國戰略規劃，其研究與推廣主要是在國家科技發展規劃框架的引領下，通過部署國家納米重大科研計劃來推動。“十五”期間，我國頒布的《國家納米科技發展綱要(2001—2010)》提出要通過納米技術與農業生物技術交叉融合，改良動植物品種，提高其抗病蟲害能力和環境適應性，提高動植物的營養價值，提高農業產量。我國科技部發布的國家“十二五”科技發展規劃也將納米農業生物藥物列入重點發展的前沿關鍵技術之一。

(2)推進學術交流，促進基礎研究。我國依托各高校科研機構，廣泛開展如何將納米技術應用于農業的學術交流，積極推動納米科學與農業科學的交叉融合，為農業科技創新提供了新理論與新方法。2001年5月，我國首屆農業納米科技論壇在北京舉行，重點研討利用納米技術創制化肥、農藥、獸藥等新型高效的綠色農業化學品，分析我國農業納米科技發展形勢與戰略重點。2011年4月，浙江大學與美國NIFA 共同主辦了“2011 農業與食品檢測用納米技術與生物傳感器國際學術研討會”，針對大會主題領域的研發現狀進行了學術交流。

(3)推動納米技術農業工程應用，促進成果轉化。我國積極倡導納米共性技術平臺建設，發揮高校和科研機構的人才與技術優勢，借助企業系統工藝集成優化能力，針對企業需求和技術推廣需要，實現農業領域的納米技術成果轉化。蘇州硒谷科技有限公司依托全國首家富硒功能農業院士工作站，研發納米靶向引導技術，致力于硒添加劑技術應用，開發出富硒大米、富硒茶等產品。山西華農納米科技有限公司于2011年5月啟動納米碳粉、納米碳溶膠項目，主要生產納米碳增效肥料系列產品，其建成投產對納米技術在我國農業中的商業化推廣起到重要的支撐和引領作用。

2.3 中美政策對比

與美國相比，我國農業領域納米技術應用促進政策存在以下不足:

(1)缺乏國家戰略和資金的持續支持。目前我國尚未制定促進納米技術應用于農業的專項發展計劃，僅有個別有潛力的應用點在國家納米技術整體發展規劃下得到資助，且研究經費主要來自于國家財政，對社會投資引導不足。由于缺乏持續的投資驅動，技術成果轉化相對滯后，未充分發揮投入增加引起農業產出增加的聯動效應。

(2)缺乏專門協調組織機構和規劃部門。美國由NIFA 主導推進納米技術在農業中的應用，由國家科學技術委員會進行各部門各領域的協調，由國家技術標準研究院下設的工作組進行相關標準的制定。而我國缺乏專門的協調組織機構和規劃部門，導致納米技術成果向農業領域滲透輻射不足，學科間交叉融合受限。此外，科學交流合作主要由各科研機構和高校來主導完成，影響力和引領作用不夠。

(3)缺乏完善的商業轉化配套體系。對納米技術的風險評估，是促進其應用推廣的重要保障。我國在促進納米技術應用于農業食品領域時，對其風險和可能造成的倫理、社會問題的研究重視、引導不夠。此外，我國目前促進納米技術在農業領域的應用和商業化推廣主要側重點在納米材料，而對納米器件、納米加工、檢測等配套技術的應用開發力度不足。未來，我國必須重視開展將納米技術研發活動和其社會影響相結合的研究及標準化和立法等一系列保障項目。

3 對我國促進納米技術應用于農業的政策啟示

3.1 增加政府對研發的投入，引導社會投資，拓寬投入渠道

基礎研究是技術創新的源泉，不僅代表一個國家的科技水平，還決定著國家科技、經濟、社會發展的潛力和后勁。政府應大幅度提高農業納米技術基礎研究的投入力度，并積極引導社會投資，拓寬融資渠道;對社會風險投資實施鼓勵政策;建立高新技術產業風險投資體系，拓寬納米技術應用于農業的研發資金來源。

3.2 建立農業領域納米技術創新體系

納米技術是一個正在興起的“指數經濟”，其對經濟的影響能產生高于凱恩斯乘數數千倍的技術乘數效應［10］。促進農業領域納米技術創新體系建設對農業的改造升級意義重大。首先我國農業部應建立專門的組織管理機構，精心布局納米技術在農業中的發展，制定國家長期規劃;其次建立高效的研發體系，促進企業、公共科研機構與大學的合作，充分發揮三者的資源互補優勢;最后要以企業為中心，產學研結合，風險共擔，通過形式多樣的技術服務體系共同促進納米技術成果轉化與農業工程應用，并加強國際合作。

3.3 營造納米技術應用于農業的宏觀政策環境

科技在經濟發展中有效發揮其第一生產力的作用，離不開國家為促進科技與經濟相結合創造的良好政策環境［11］。從實踐來看，美國十分明確科技政策在國家公共政策中的基礎性地位，充分發揮政府促進自主創新的主導作用和市場配置科技資源的基礎性作用。我國也應根據具體國情，營造良好的宏觀政策環境，統籌發揮政府在戰略規劃、政策法規、標準規范和監督指導等方面的作用:以國家利益需求作為產業驅動力，開展對國家競爭具有戰略意義的納米農業技術研究;認真落實促進農業領域納米技術創新體系建設的各項政策，加大財稅、金融政策扶持;促進納米技術的立法和標準化進程，加強農業納米工程產品的監管;支持開展評估納米技術在倫理、法律、公眾與環境健康、勞動力等相關方面所產生的社會影響的研究。

4 展望

我國納米技術在農業中的應用盡管還處在起步階段，卻已在種植業、畜牧養殖業、環境保護等領域取得了一定進展。隨著納米技術的發展，未來必將實現農業產業的改造升級:改進農業系統環境監控能力，實現農業精準生產;挖掘動植物的潛在營養價值，提高農產品產量和附加值;對農藥殺蟲劑進行改性，減少其使用量，降低殘留，實現綠色農業生產;固定、去除土壤中的有害物質，清潔水質，保護農業生態環境。可以預見，納米技術在農業上的應用將進一步深化人們對農業生物生命現象與過程本質的認識與理解，也有利于加速仿生學、生物化工、疾病檢測與診斷、生物醫藥、轉基因品種培育以及高端農業生物產業的發展。

［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］張丹鳳.納米材料在農業上的應用現狀研究［J］.黑龍江農業科學，2008，(3):132-133.

［7］祝魏瑋等.第四屆中國國際納米科學技術會議在京舉行［R］.新華網，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.當代技術創新的經濟分析——基于信息及其技術視角的宏觀分析［M］.成都:西南財經大學出版社，2005，8.

［11］程如煙.各國促進科技經濟結合的經濟舉措探析［J］.中國科技論壇，2013，(2):154-158.