2012年，面对资源约束趋紧、环境污染严重、生态系统退化的严峻形势，党的十八大提出“大力推进生态文明建设”的目标和任务。2017年，党的十九大提出“加快生态文明体制改革，建设美丽中国”，包括推进绿色发展、着力解决突出环境问题、加大生态系统保护力度、改革生态环境监管体制四大任务(以下简称“四大任务”)。美丽中国生态文明建设的核心是推动形成人与自然和谐发展现代化建设新格局，涉及资源、生态、环境和绿色发展等多领域的科学和技术难题，需多方面的科技力量协同发展与合作创新^[1-3]。因此，自党的十八大以来，我国以美丽中国生态文明建设的科技需求为导向，规划部署了多领域科技计划，为科技助力美丽中国建设奠定了充实基础^[4-6]。本研究在梳理近10年国内外绿色发展、环境保护和生态修复等领域科技布局的基础上^[7-10]，重点介绍了中国科学院“美丽中国生态文明建设科技工程”战略性先导专项(A类)的研发内容和取得的阶段进展，在此基础上，提出未来支撑美丽中国建设的科技方向。

近10年来，为应对日益增加的资源、生态和环境压力，联合国、国际科学理事会、美国、欧盟、英国、德国、日本、韩国、澳大利亚、加拿大等主要国际组织及发达国家聚焦推进绿色发展、环境污染防治、生态保护修复、生态环境管理等方向，制订了系列重大科技发展战略或研究计划^{[7, 8, 11]}(表 1)。

表 1

表 1 国际相关科技计划

表 1 国际相关科技计划

这些计划针对不同类型生态环境恶化问题，先研究拟定高标准的生态环境状态目标，进而一方面通过生态环境监测与生产生活绿色升级等方面的科技支撑实现源头管控，另一方面通过污染治理、生态修复等方面的科技支撑处理已发生的恶化现象，重点创新突破空气污染防治、污水利用、污染土壤修复、退化土地修复、产品环保化设计、资源高效利用、废弃物循环利用、淡水生态系统修复、海洋生态系统修复等方面的科技瓶颈，并在保证成效的基础上开展技术经济化、实用化与高效化创新^[12-16]。同时以增加生物多样性和改善栖息地环境为主要目标，科学规划各项保护地建设、造林育林、自然恢复等，并在生物入侵防治等生态系统结构优化与功能提升方面寻求技术突破与模式创新^{[11, 17-19]}。此外，科技也被用于探索生态环境管理方法，包括服务于生态环境管理的数字化、大数据、互联网、自动化、智能化等技术研发和应用^[20-22]，生态服务、生态资产、环境质量、环境足迹等算法研发及其标准化技术^[23-25]，以及生态退化、环境污染、气候变化、自然灾害等方面防治一体的管理方法^[26-28]。

2006年，国务院发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》时，在重点领域清单中将能源、资源与环境列入优先项，相应地设立了多个关于绿色、生态与环保的优先主题，在农业、制造业、交通、城镇化等其他项也设有多个与绿色、环保相关的优先主题，并确定了水体污染控制与治理科技重大专项^[29]。2012年，党的十八大提出“大力推进生态文明建设”目标任务后，国家科技发展布局中愈加强调生态文明建设相关科技支撑能力的提升，编制了国家科技创新规划^[6]，包括深入实施水体污染控制与治理科技重大专项，部署启动京津冀环境综合治理重大工程，发展针对水污染、大气污染、农业污染、土壤污染等环境问题的防治技术，面向典型生态脆弱区、生态退化区等区域的生态保护与修复技术，面向各类自然资源的环境可持续开发和利用技术，以及废物循环利用、重大自然灾害监测预警与风险控制、全球环境变化应对等技术。2017年，党的十九大提出“加快生态文明体制改革，建设美丽中国”目标任务后，科技支撑美丽中国生态文明建设的科技资源持续增加^[30]，研发内容涉及大气污染管控、农业污染防治、土壤污染治理、水环境治理、固废资源化利用、生态修复保护、土壤资源保护利用、乡村绿色发展、自然灾害防控、海洋生态环境保护等。同时，为全面打响蓝天、碧水、净土三大保卫战，科技界也启动了多项大气污染成因与治理、水体污染控制与治理、土壤污染防治等领域科技专项(表 2)。

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表 2 相关科技领域的国家重点研发计划专项

表 2 相关科技领域的国家重点研发计划专项

针对美丽中国建设科技需求，中国科学院于2019年启动“美丽中国生态文明建设科技工程”战略性先导专项(A类)(以下简称“专项”)，发挥中国科学院的科技引领作用与多学科优势，协同科技攻关^[31]。专项对标党的十九大提出的“四大任务”，设置了十个研发项目(表 3)，执行期为5年。专项的目标是：①围绕生态文明建设的重大应用示范，多尺度精准检测和诊断生态文明建设状态，突破研制复合污染防治、生态系统修复及绿色升级核心技术和装备体系，设计支撑生态文明建设供给侧改革的重要技术平台和制度创新的关键技术；②科学设计区域环境污染综合治理和生态环境协同管理、自然保护地健康管理、生态智慧城市建设、乡村振兴等发展路线图，以及践行“绿水青山就是金山银山”理念模式和优化国土空间管控方案，多尺度动态模拟美丽中国“35目标和50愿景”，动态开展美丽中国建设进程第三方评估；③通过重大技术集成和示范，牵引地方(企业)配套支持，树立生态文明建设的科技标杆，为实现党的十九大提出的“四大任务”目标提供技术支撑，为建设美丽中国，打造山水林田湖草(沙冰)生命共同体提供蓝图与实施途径。

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表 3 美丽中国专项总体设计

表 3 美丽中国专项总体设计

专项实施三年多来，在区域大气环境容量精准核算、柴油车双降和智能监控、城市多源固体废物协同资源化和智能管控、中小城镇和流域环境污染综合治理等方面形成近20套技术体系，并在京津冀、粤港澳和长三角建立多个推广应用示范区^[32-36]；在黄河口生物多样性保护和盐碱地治理、自然保护地体系规划与生态廊道设计、西部脱贫地区乡村振兴保护地特色农业发展等方面，形成多套核心技术模式，并在相关地区形成重大示范^[37-43]；研发的区域生态文明建设地理图景设计与应用系统(福建)、长江干流水系统综合模拟和调控平台(长江模拟器)、山地灾害风险模拟与险情预报系统等分别在福建、重庆、四川等地落地^[44-47]。同时，根据国家发展和改革委《美丽中国建设评估指标体系及实施方案》，受中国科学院委托，专项组织实施了美丽中国建设进程试评估^[48]，主要进展如下：

(1) 环境复合污染防治技术体系。专项针对当前我国污染防治的重点和难点，开展区域多要素复合污染防治和智能化管控技术体系的研发。一是针对农村炉灶无组织排放及影响，突破无组织排放和室内三维颗粒物监测技术，开展了室内无组织燃烧PM_2.5和其他污染物的多维动态排放过程和污染危害评估，并开展干预示范，为国家开展清洁取暖提供了科学依据^{[32, 49-53]}。二是针对移动源柴油车高排放问题，开展了柴油车识别、改造和智能监管技术的研发与示范。除开展柴油车PM和NO_x减排技术研发外，重点突破柴油车远程在线监控技术、实时轨迹信息采集技术和污染排放相关参数采集技术，搭建柴油车远程在线监控平台，在24个城市完成与远程在线国家平台的对接^{[54, 55]}。三是突破星载超高光谱自适应迭代算法的关键技术，发展了基于我国高分卫星的遥感算法，解析出长三角各省份间的大气污染物相互传输通量，建立中短期大气环境容量和承载力预测模型，量化评估各分量贡献，形成了长三角地区大气污染立体遥感监测体系^{[56, 57]}。四是开展多源固体废物循环利用—协同处置—智能管控技术研发与集成示范，在城市污泥与餐厨垃圾协同资源回收、电子污泥多金属协同提取技术及装备研发和推广基础上，研发城市多源固废资源能源环境转化一体化智能管控技术，实现多种资源能源环境代谢动态模拟及综合评估功能，形成粤港澳大湾区城市群多源固废集中化循环利用与绿色发展系统解决方案^{[36, 58, 59]}。五是以场地环境大数据为基础，以多模型融合运行为关键，以信息化智能化管理为导向，研发土壤—工业退役场地修复智能管理平台，研发出首台智能土壤修复工作站，目前设备基本达到目标处理量(15 t/h)，并开展重金属污染土壤淋洗修复示范^[60-62]。六是在浙江嵊州建立了集流域和区域面源污染消减、养殖污水及粪污高效处置、污水处理厂和分散污水处理点提标改造、新建城区雨污分流等多个经济实用技术一体的中小城镇环境综合治理技术体系，创建了小城镇环境综合治理的“嵊州模式”，并在浙江千岛湖、云南抚仙湖和星云湖等多个流域开展示范推广^[63-65]。同时，专项依托这些研究成果，结合国家和区域美丽中国生态文明建设的需求，评估了长三角、京津冀和粤港澳大湾区超大城市群生态环境保护治理成效，建立高精度生态环境保护数据库，梳理了不同区域美丽中国建设的代表性案例，提出区域环境一体化管控分区方案，为跨省(市)生态环境协同管理与综合治理提供了科技支撑^{[34, 66-68]}。

(2) 生态系统修复及绿色发展技术模式。专项从山水林田湖草沙一体化保护和系统治理出发，遵循“绿水青山就是金山银山”理念，研究提出不同区域、不同类型生态系统保护修复与区域绿色发展协同的技术模式。一是基于陆海一体化理念，在黄河入海口研发种养优化、土壤改良、功能生物调控等陆地污染物减排综合技术，近岸湿地水文连通网络、生态修复的海岸带污染物阻控技术，近海生物礁牡蛎养殖尾水处理技术等，形成了陆源入海减排—海岸带减缓—近海提质增效的海岸带湿地生态恢复技术模式^{[37, 69-72]}。二是在云南高原湿地开展了水生植物(海菜花)人工培育、旗舰鱼类(滇池金线鲃、大理裂腹鱼)人工增殖和黑颈鹤栖息地生态修复技术的研发，创建了“花—鱼—鸟(螺)”湿地修复新模式。三是在广西石漠化地区，根据喀斯特地表—地下二元水土过程规律及景观结构垂直分异特征，通过人工林提质改造与植被群落稳定性提升恢复，培育不同类型生态衍生产业，建立了石漠化治理与生态产业发展的协同模式^{[38, 73]}。四是在干旱区研发绿色快速装配式固沙技术、人工结皮固沙技术和生物结皮防沙技术等，形成新一代干旱区防沙治沙技术体系^[74-76]。五是在黄土高原区，开发了沙地地力快速提升、典型植物群落重构和人工林提质增效技术，构建了低效人工防护林改造与提质增效技术模式^{[77, 78]}。在上述研究的基础上，开展了全国生态脆弱区和自然保护地修复保护的空间布局、珍稀物种生态廊道设计和珍稀植物产地溯源、“绿水青山”价值评估、脱贫地区乡村振兴理论、技术和规划方法研究，形成适合不同地域的乡村产业—绿色发展技术方案与模式，支撑国家乡村全面振兴和美丽中国建设^{[41-43, 79-81]}。

(3) 多尺度美丽中国建设智能化模拟研究。一是以福建省为例，研发生态文明大数据标准规范及数据采集与处理技术，国土空间规划监测与管控技术，流域水污染防治管理措施情景分析及空间优化技术、武夷山国家公园生态服务价值遥感定量测算模型等。建成福建省生态文明大数据平台，研发福建省国土空间规划实施效果评估系统、国土资源空间管控决策系统、水环境监测和综合分析系统，参与共建武夷山国家公园智慧管理信息平台等，在省属多个厅局实现业务运行并在全省推广^{[46, 47]}。二是聚焦长江流域水生态水环境问题，提出以流域监测监控为基础，以流域水循环为纽带，综合考虑流域上下游、左右岸、干支流、“湖库—岸线—城市群”的互联互动关系，建设自然与社会过程相耦合的长江流域综合模拟装置(长江模拟器)。长江模拟器以气象数据、社会经济数据和流域地理信息数据为数据源，以水文模型驱动流域面源污染模型、三峡库区水动力—水质—调度耦合模型、干流河道水动力水质耦合模型、通江湖泊二维水动力模型、河道水生态模型、城市水系统模型等，形成了基于多模型的多尺度、多过程、多要素耦合模拟技术^{[44, 82-85]}，目前长江模拟器已业务化运行并落户重庆。三是聚焦西南山地山洪泥石流基本成灾单元和形成—演进—致灾全过程，研发山地灾害风险模拟与险情预报系统，包含山地灾害孕灾成灾基础数据模块、天气气候模块、灾害风险模拟模块、预报预警模块等，设置了山地灾害风险识别、全过程模拟、情景分析、风险预测、潜在损失预报预警和综合减灾等功能，已经在四川省业务化运行，并在山洪泥石流预报预警领域取得重要进展，山洪泥石流精细化预报预警水平显著提升^{[45, 86-88]}。此外，专项构建了美丽中国建设评估监测与动态模拟原型系统，实现生态文明建设成就展示、“35目标和50愿景”智能化模拟和专项重要成果展示等^[48]。

从以上的分析可以看出，10年来，我国在美丽中国生态文明建设领域开展了系列科技部署，在生态环境保护和修复、资源节约及高效利用、推进绿色发展和服务生态文明建设的监测评估方面，取得了许多重要理论进展，积累了丰富的技术、数据和模式，支撑了环境污染防治攻坚和生态保护修复等重大生态文明建设工程的落实，为持续开展美丽中国生态文明建设研究奠定了基础^{[89, 90]}。2022年10月，党的二十大报告中提出了“推动绿色发展，促进人与自然和谐共生”新目标和新任务，强调“要推进美丽中国建设，坚持山水林田湖草沙一体化保护和系统治理，统筹产业结构调整、污染治理、生态保护、应对气候变化，协同推进降碳、减污、扩绿、增长，推进生态优先、节约集约、绿色低碳发展”。以此为指引，未来科技支撑美丽中国的创新应重点开展以下方面的研究：

(1) 美丽中国生态文明建设科技发展要在持续开展环境污染防治(包括新污染物防治)、生态系统保护修复和绿色低碳技术的研发基础上，加强减污降碳协同技术的研发，在全国和区域开展产业结构调整、污染治理、生态保护和应对气候变化的关联机理研究和治理技术的协同集成研究，基于区域特征开展多领域科技协同应用情景智能模拟，持续提出不同生态类型区山水林田湖草沙一体化保护和系统治理技术模式。围绕新发展格局和高质量发展，重点开展京津冀协同发展、长江经济带发展、长三角一体化发展，黄河流域生态保护和高质量发展等区域发展战略中的生态环境保护和修复的科技创新。

(2) 加强现有科技体系与信息、生命、运载、化工、材料等领域变革性科技的融合创新，研发探索利用大数据、云计算、人工智能、虚拟现实、星地计算等科技开展生态环境监测和开展生态环境保护修复多尺度空间优化，利用基因编程、生化合成、生化调控、生物驯化、机器人、人工智能、量子计算等科技开展生态环境绿色修复与健康管理，利用新型催化剂、材料转化、可持续材料、智能材料、轻量化材料、机器人等科技发展相关科技应用设备，创新固体废物管理与资源化利用技术，助力生产生活绿色升级。

(3) 加强美丽中国建设的顶层设计，科学规划美丽中国前景和愿景。依据党的二十大提出的“五个现代化”和“四个中国”的使命，借鉴发达国家生态保护和环境治理经验，制定前瞻性的美丽中国建设目标体系；建立美丽中国建设进程评估和指标体系迭代方法，从国家与区域等不同评估尺度、一般性与特殊性等不同评估需求、稳定与动态更新等不同评估周期，以及综合与单一评估相结合等要求出发，构建多维度相协调的美丽中国建设监测、评估技术体系，持续开展美丽中国建设进程动态评估，精准识别不同时期美丽中国建设的短板与差距，为实现美丽中国建设目标提供动态科技支撑。

(4) 强化美丽中国生态文明制度建设的科技支撑。围绕资源和环境承载力、国土空间管控、清洁生产、循环经济、低碳经济、生态环境保护制度等，评估生态文明体制改革进展和成效，研究制度间的协调性、集成性和有效性。加强绿色金融、碳排放交易、生态补偿、生态标志产品等生态资产价值实现途径的研究，支撑全社会参与美丽中国生态文明建设。