一、环境学科基础

在环境化学方面，主要关注：污染物多介质界面行为、区域环境过程与调控原理；纳米颗粒物的环境行为与生物效应；环境友好和功能材料在污染控制中的应用；化学污染物暴露与食品安全。

环境地球化学的热点问题包括：Clumped 同位素体系发展；微小非质量依赖分馏的研究；重金属元素的非传统稳定同位素的运用；环境地球化学与微生物学的交叉与融合；重金属污染物的大尺度迁移与微观过程研究相结合。

区域环境污染研究主要关注区域尺度的污染物排放、扩散、运移、暴露到危害效应定量过程中的薄弱或缺失环节，重点包括：多种污染物的国家和全球尺度高分辨（时、空、源）排放清单；不同空间分辨率（用于暴露研究的1～10 km 分辨率、用于跨境和全球传输的分辨率>100 km）模型的传输模拟；区域尺度气地交换机理和定量模型研究；人群水平区域呼吸与暴露定量模拟；区域生态毒性与人群健康危害定量评估。

二、大气、水、土壤环境科学问题与研究重点

（一）大气环境

在大气环境化学前沿和热点问题研究上有较好的起步，但缺乏深入认识。在我国污染普遍存在的情况下对新粒子形成机制没有完全掌握，二元（硫酸-水）成核、三元（氨-硫酸-水）成核、离子诱导成核、挥发有机物成核等机制上谁为主导，尚不明确；痕量气体在成核与增长中的贡献作用观点不一；新粒子对大气颗粒物特别是细颗粒物浓度增加是否具有影响等问题缺少科学认识。污染物在大气中行为复杂，颗粒物尺寸与化学组成之间的内在关系一直不明确。大气中前体物转化生成的二次颗粒物是PM2.5 的重要来源，其形成机制与雾、霾形成机理的内在联系还很不清楚。另外，在大气复合污染条件下污染物之间相互转化、大气氧化性变化的影响、气体向颗粒物转化等，均是需要确证是否是导致灰霾发生的诱因。

大气污染形势依然非常严峻，利用新的监测、分析及模拟技术和先进的在线或高时间分辨率仪器，针对大气污染新形势和特点，研究大气污染物微观机制、大气污染天气形成、大气污染防治、大气污染的人体健康影响等将成为未来科学热点。排放清单、新颗粒形成与增长、有机气溶胶、颗粒吸湿与混合、颗粒老化与大气化学、大气痕量物反应（OH 等瞬态、中间反应物）、气溶胶对云和降水影响、脱汞、污染物对DNA 及遗传影响等均是未来主要研究方向。建立大气烟雾箱或大气化学反应模拟器，关注大气污染物老化过程及液相化学、评价颗粒物光学微观特性演变、分析暴露风险以及与大气污染物与心血管、呼吸道等疾病发病率关系将是今后最为关注的内容。研究大气污染与城市边界层环境变化，关注边界层与大气污染物之间的反馈关系、大气污染物对天气/气候灾害发生发展的影响贡献，研发区域联防联控技术，建立极端大气灰霾天气的预报预警系统，以及发展脱硝、无人机等人工去除大气污染物技术等，将为大气污染防治形势的根本扭转提供科学依据。

针对学科发展动态及面临的重大科学问题，大气环境研究未来的重点方向应关注以下几个方面：①大气污染物排放与大气污染形成的关键过程；②气溶胶大气污染物跨境输送与不同混合态气溶胶的天气气候效应与生态效应；③大气污染物的环境影响；④大气污染物立体监测、动态污染源清单及关键区域污染源控制技术；⑤区域大气复合污染控制的决策技术；⑥大气环境保护标准及污染防治的关键技术。

（二）水环境

水环境科学的未来发展方向，将仍然是地学环境条件下叠加的人类活动驱动下的营养盐等污染物质负荷发生机制、输移过程对河流和湖泊生态系统的影响，生物参与的营养盐的生物地球化学过程与循环，这是未来水环境科学需要重点发展的领域。而这些领域发展的突破，将取决于我们研究手段和方法的进步，即监测技术的革新和创造。从学科发展来看，许多科学问题没有解决与传统的水环境科学研究方法的局限性有很大的关系。在氮磷污染物的输移过程及其影响因素方面，涉及地貌、水文、水环境、水生态等学科，将成长为一个新兴的领域，即所谓的水文、地球化学、生态相结合的学科。此外，水体营养盐富集对水体生态系统的影响将仍然是未来一段时间的研究热点。营养盐富集后的浓度、形态、比例等，对浮游植物的组成、演替、优势种、生物量等的影响及蓝藻水华暴发机制都仍然是湖沼学和水生态科学需要进一步研究的领域。营养盐富集与生态系统响应的关系问题又制约了蓝藻水华暴发的机制、蓝藻毒素的产生机制等相关问题。

综上所述，水环境科学未来研究方向重点在：①水体营养盐元素富集对水体生态系统的影响；②陆地环境对氮磷污染物的输移影响及进一步对生态系统的影响；③全球变化对水体生态系统的影响；④水环境科学监测技术的发展；⑤面源污染的多尺度特征研究；⑥水文模型与生物地球化学模型的耦合。

（三）土壤环境

当前，国内外土壤环境科技与管理研究进展体现在土壤污染的多尺度调查与长期定位观测、土壤污染物的界面过程与生物生态效应、土壤污染物迁移、转化过程及其模拟预测、土壤污染控制与修复的技术研发及工程示范等方面，涉及以下五大科学问题：①土壤复合污染的成因与作用机制；②土壤-植物-微生物系统中污染物的形态与微界面过程；③土壤污染物在地下食物网营养层间的物质传递与代谢过程；④土壤污染物低剂量长期暴露的风险评估；⑤土壤环境基准、标准与风险管理等。

未来研究方向包括：①土壤环境多尺度效应及其转化的新方法、新技术；②土壤关键带环境系统的界面过程耦合及动力学机制；③土壤污染的生态系统演变与健康指示；④土壤-植物-微生物体系自然修复和强化修复机制及其应用意义。

三、人体暴露、环境毒理学、生态风险等环境效应是未来研究重点

（一）人体暴露

环境与健康是一门新型交叉学科，融合了环境科学、毒理学和基础医学。随着被发现的污染物种类增多，其影响人体健康的机制日趋复杂化，未来的发展需要在几个方向获得突破：①人体多种暴露途径的耦合问题，即在评价暴露对健康的影响时，应该考虑到多种因子的联合暴露和效应；②从暴露风险水平概率分布角度分析人群的整体暴露情况，同时结合大量流行病学信息数据库，全面评价区域环境质量对人群健康的影响；③复合环境污染物质的人体健康效应，即由于环境中多种污染物的共存导致其共同作用于人体，作用机理更加复杂，需要从全方位评价其效应。

（二）环境毒理学临界值（环境基准）

环境基准研究的滞后已成为制约我国环境标准科学性、环境有效管理及民生保障行动的瓶颈。特别是在毒理学临界值理论基础方面一些深层次的关键科学问题，还需要在今后的环境基准研究工作中重点开展，主要包括污染物的生物有效性、生物富集、污染物毒性效应机理、毒性预测模型等。这些前沿科学问题是未来环境基准定量化研究的重要科学依据，也是对环境基准研究的重要补充和完善。

（三）生态风险

以生态毒理学和系统生物学方法为核心的21 世纪生态风险评估框架，将从关注化学污染物、单一胁迫因子的潜在风险，发展向综合评估生境条件改变、物种入侵（或灭绝）等非化学胁迫因子、混合污染物的联合毒作用以及多种因子累积暴露的复合生态效应；从低水平、小尺度的个体/种群生态风险评估，发展向更高生态学尺度的群落/生态系统乃至区域景观水平；从评估比较生存、生长、繁殖、发育等毒性效应阈值大小，发展向生态系统服务框架的应用，系统评估生态系统要素或其本身的健康、生产力、遗传结构、经济价值和美学价值等受到潜在影响的可能性。在生态风险信息获取及预测评估方法工具的研究方面，进一步发展毒性作用的系统生物学机制研究以及高通量生态毒理学筛选技术；研发生态学尺度的预测系统模型，探索低水平生态组织胁迫-反应对高水平生态组织的作用途径与影响机制，更好地解决风险评估中效应外推的不确定性关键问题；确定“生态暴露组”应对环境生态、应急预警、风险评估和风险管理的重要需求和手段，根据暴露途径和暴露因子的差异，开发用于提高新暴露数据采集与改进效应评估联系的暴露模型新工具，预测评估污染物在环境中的动态行为以及这种行为给环境及生态系统造成的综合影响；进一步发展多层次生态风险评估方法体系，包括基于半定量风险分析的高通量筛查与优先排序，以及精确估计的概率风险评估及其不确定性分析，以适应不同目标层次的风险管理与风险决策需求。

四、相关学科领域的未来发展重点

（一）全球变化生态学与恢复生态学

全球变化生态学围绕的重大科学问题包括三个方面：①关键区域和敏感区域的生态系统，以及其结构和功能对气候变化的响应和对生态系统的脆弱性和生态系统健康的评估；②多要素、多尺度观测数据的集成和生态系统未来变化预测的准确性的提升；③生态系统过程与其他环境要素过程的耦合和生态系统适应气候变化的管理。

从研究热点来看，全球变化生态学主要注重以下几个方面的研究：①认识生态系统的稳定性和可持续的系统动力学机制，定量评价其对气候变化的敏感性、脆弱性以及适应能力。②认识生态系统变化对其他系统的反馈，揭示生态系统与其他系统的协同性。③通过多数据、多方法的多尺度集成及时、有效地评估生态系统对全球变化的响应。④开展关键区域的系统研究，解释山地、极地以及热带雨林分布区与全球变化的关系。生态系统的恢复和重建则是一项非常困难和复杂的任务，需要亟待回答和解决的重大科学问题包括：①不同生态系统退化原因和机理，以及恢复方法和适用技术的选择；②生态恢复实践评价方法和体系的建立；③生态系统退化的早期信号提取及其预警机制。

恢复生态学的研究热点则反映在以下诸多方面：①利用分子生态学技术分析生态恢复中生物种群动态变化和生物群落结构多样性、监测及预警生物修复成效；②3S 技术、生物技术、工程技术以及长期生态学监测等新技术在生态恢复中的应用；③生态恢复目标多元化，是生态恢复过程得以合理实施和延续的要点，也是未来生态恢复计划制订和实践的重点；④全球变化背景下生物入侵预警及其生物多样性保护策略、土壤生物及生态过程对全球气候和环境变化的响应与适应，以及不同气候变化背景下生态系统恢复和重建的数量与质量标准等诸多方面的研究也是恢复生态学研究的热点。

（二）水文水资源与地表灾害

从水资源系统视角出发，将环境变化、可持续发展、气候系统变化研究集成到水资源研究系统中，研发将自然和人文全要素过程耦合的水文与水资源变化机理、影响机制、适应途径、决策支持，核心目标是为区域可持续发展提供可操作的科学依据。从这样的视角把握科学问题，重点突出在三个方面：①大数据背景下的水文信息立体监测与水数字科学；②实体与虚拟过程有机耦合的水循环理论与模拟；③以决策支持为出口的水文水资源集成研究平台。

根据上述重点问题，从中凝练水文水资源研究的未来主要方向：①水循环及水文信息的获取；②水文过程模拟与集成的水资源管理系统；③气候与环境变化对水文水资源的影响；④水资源安全。

1990 年开展国际减灾十年计划以来，山地灾害理论研究和减灾实践得到长足发展。人们对灾害区域规律和活动特征有了较充分的认识，但由于灾害形成的复杂性，基于控制因素的潜在灾害判识仍是学科难点；在灾害形成机理和运动规律方面，模拟并预测灾害形成和运动中的物质迁移和能量转化过程，还需要解决细观尺度下复杂介质（水-土-气）间相互作用的多过程耦合问题；在理论研究基础上尚未考虑灾害与生态的互馈机制，有待探索植物工程-岩土工程相合的减灾原理与技术。针对山地灾害学科有待发展的理论和技术，提出如下重大科学问题：①水土耦合动力过程与灾害形成机理；②规模放大效应与灾害链生机制；③基于形成机理的灾害预测预报模型；④气候变化对灾害的影响与巨灾预测；⑤基于动力过程的灾害风险分析；⑥灾害与生态的互馈机制及植物措施-岩土措施综合减灾原理。

根据上述科学问题，环境地表灾害未来发展方向重点为：①灾害机理预报理论与新技术的协同发展；②复杂介质物质运移规律与数值模拟；③潜在风险判识与风险管理。

（三）近代环境变化

冰芯中包含了多种反映环境变化的指标。如何从冰芯记录中获取时间尺度更长、绝对年代更可靠的环境变化信息，阐明在更长时间尺度以及与人类活动相关的大空间尺度上环境变化的过程与机制，是基于冰芯的近代环境变化研究的重要科学问题。针对中低纬度冰芯研究，特别是青藏高原冰芯研究，需要解决的重大科学问题包括：①过去大气环流变化对气候环境记录的影响；②不同地区冰芯中不同污染物的来源识别；③多圈层污染物的交换与捕获过程。

爱护环境，

人人有责！

新春伊始，

从我做起！

本文摘编自中国科学院编“中国学科发展战略”丛书《中国学科发展战略•环境科学》（北京：科学出版社,2016.12）绪论部分，内容略有删节。

ISBN：978-7-03-047553-4

责任编辑：杨婵娟

“中国学科发展战略”丛书由以院士为主体、众多专家参与的学科发展战略研究组经过深入调查和广泛研讨共同完成，涉及自然科学各学科领域，旨在系统分析有关学科的发展态势和规律，提炼关键学科理论和技术问题，提出学科创新发展的新思想和新方法，并为学科的均衡发展提供政策和措施建议。

《中国学科发展战略•环境科学》包括学科基础、环境过程、环境效应、相关学科四部分。其中，学科基础主要涉及环境化学、环境地球化学、区域环境污染三个领域，环境过程主要分析大气环境、水环境、土壤环境、水体富营养化四个核心问题，环境效应重点探讨环境与健康、环境毒理与环境基准、生态风险问题，相关学科选择水文水资源、全球变化生态学、恢复生态学、环境山地灾害、近代环境变化领域进行分析。

本书能够帮助科技工作者洞悉学科发展规律、把握前沿领域和重点方向，是科技管理部门重要的决策参考；同时也是社会公众了解环境科学系统发展现状及趋势的重要读本。

（本期责编：王芳）

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