导读
功能农业作为高产农业、绿色农业之后，农业发展的新阶段，是“调优供给”、“调强农业产业”的重要支撑性技术，加强功能农业研究是构建生态高值农业产业体系的重要内容，是我国农业供给侧结构性改革的主要举措之一，对我国农业发展和乡村振兴战略具有重要意义。功能农业从年提出至今已有十年时间，本文对有关功能农业的定义、学科的发展、应用实践，进行了系统回顾，对于未来发展进行了展望。
文/赵其国1,2,3，尹雪斌2,3,4,5*，孙敏3，刘永贤5，侯非凡3，张宁6
(1中国科学院南京土壤研究所，南京；2中国科学技术大学苏州研究院功能农业重点实验室，江苏苏州；3山西农业大学山西功能农业研究院，山西太谷；4中国科学技术大学地球与空间科学学院，合肥；5广西富硒农业研究中心，南宁；6江苏省硒生物工程技术研究中心，江苏苏州)
来源：《土壤》（年第6期）
“民以食为天”，农业的发展史，也是人类饮食的进步史。功能农业作为农业发展的新阶段，支撑着农业的生态高值目标，开启了“吃”的新时代，即从吃得“饱”、吃得“安全”，向吃得“健康”迈进。根据十年功能农业研发实际，我国未来功能农业的发展宗旨是“科技领先、智慧创新、开拓发展、团结协同、公正诚信”，12字方针是“准确、质量、稳妥、安全、民生、持续”。希望以此指导功能农业有序发展，造福13亿中国人，并期望服务全人类。山西、广西、宁夏、河北、山东、江苏、江西、湖北和安徽等省市，率先在省域规模化发展功能农业，是我国功能农业从科技创新走向产业实践的重要样板。
1生态高值农业的技术体系和模式构建
1.1生态高值农业的提出背景
在中科院的部署与领导下，针对近年国内外农业发展面临的机遇与挑战，“中国科学院农业领域战略研究组”于年10月至年3月集体完成并制定了《中国至年农业科技领域发展路线图》，提出了发展我国“生态高值农业”的理念及技术体系模式构建。年6月，国家领导人在两院院士大会上，针对农业科技，首次提出要“构建我国生态高值农业产业体系”。
1.2生态高值农业的概念与内涵
根据《生态高值农业：理论与实践》一书的总结。所谓“生态”，就是要体现农业既能为社会提供安全、优质的农产品，又能实现农业资源的永续利用，将农业纳入可持续发展的道路；所谓“高值”，就是要体现农业有很高的土地产出率、投入产出率、劳动生产率。因此，“生态高值农业”目标是构建集约化经营与生态化生产有机结合的现代农业。它以健康消费需求为导向，以提高农业市场竞争力和可持续发展能力为核心，兼有高产出、高效益与可持续发展的双重特性，是转变农业增长方式、提高农业综合生产能力的集中体现。
1.2.1生态高值农业的建设目标
“生态高值农业”的目标体系可表述为：D=aE+bV+cS{E，V}。其中，D为生态高值农业发展水平；E为农业的生态环境效益；V为农业的经济效益；S为农业的社会效益，体现生态环境效益与经济效益相互协调的程度；a、b、c是由社会生产力的发展水平、社会制度、人类的审美观与价值观等因素决定的。
可见，“生态高值农业”是包括生态农业及环境，农产品的高产、高质、高效，以及科技、市场、产业经济价值(包括农业的一、二、三产业的产值)“三者”相结合的总概念，是现代农业可持续发展的总体方向。
到年，通过重点农业科技领域的重大创新突破，构建生态高值农业技术体系，为不断满足我国日益增长的对农产品总量、质量、安全和多功能的需求以及改善农业生产结构、生态环境和农业资源永续利用等生态高值农业体系提供科技支撑。
到年，中国农业具备实现农业资源可持续利用，充分保障国家食物总量和质量安全，以及进入传统功能和现代多功能并存的未来农业所需要的科技支撑条件，使我国在发展中国家中率先进入生态高值可持续发展的新时代，全面实现农产品优质化、营养化、功能化，实现农业生产管理的信息化、数字化、精准化，建成农业高值转换的产业体系，形成生态系统持续良性循环、景观优美、功能多样、城乡一体的新型农业。
1.2.2生态高值农业的内涵实质
生态即指生态农业，包括水、土、气、生、岩、污等部分。高值包括农产值、农技值、农市值、农经值。其中，农产值是指农产品高量、高质、高效，简称“农–产”。农技值是指功能农业、智能农业、高科值农业，简称“农技–产”。农市值是指市场经济价值(农二产)、农加工、转工，简称“附加值”。农经值是指产业化经济价值(农三产)，包括农、经、贸、科、教、游、文等内容，如功能农业养生园、牛博园、盐博园、体验农业、农业公园等(图2)。
可见，生态高值农业是包括生态农业，环境与农过信息、分子和功能化等技术提高产值。市场值：通业品高产、高质、高效，科技，市场，产业经济价值过农产品加工，走向国际与国内市场，加工后的农产(包括农业的一、二、三产产值)相结合的总概念。比品价值可提高几十到上百倍，如安徽70g的番茄酱如，高产值：水稻：袁隆平15t/hm2；小麦：河南10.35可卖50元；美国玉米加工有多种，产值提高t/hm2；玉米：新疆19.5t/hm2；富硒、富锌功能农产达上千倍。我国农产品加工的工业值与农业产值比，品价格通常高出普通农产品30%~50%。高科值：通每增加0.1%，可带动万人就业。综合经济值：可通过“农经贸科教游文”增加大量产值。
简言之，生态高值农业未来多体现在向一产、二产和三产联合的“大农业”方向发展。
1.2.3生态高值农业土壤肥力与生态系统图解
土壤圈是生态系统中最为活跃的一个圈层，也是大气圈、水圈、生物圈、岩石圈进行物质和能量交换的重要媒介，长期的农业生产历史，日益提高了土壤圈对于生态系统的重要性。我们在进行农事活动时，向土壤中施用额外的含有N、P、K元素的肥料以利于农作物生长；收集自然降水，汲取地下水以满足土壤中所生长的作物需水要求；生产化肥和使用大型农机具改善土壤理化性质过程中排放的温室气体，多种因素叠加导致土壤肥力的提高与生态系统的稳定之间形成了紧密的互作联系。为了保证在提高土壤肥力，达到农产品高产、稳产、优产的同时，保证土壤生态功能的稳定，提高生态环境质量，选择以绿色、低碳、多能、清洁、持续为主要目标的生态高值农业是必由之路。
2功能农业的创建
2.1功能农业提出的背景
年10月至年3月，中国科学院农业领域战略研究组集体编制完成《中国至年农业科技领域发展路线图》，提出了各阶段农业科技发展的主要方向及可突破的重大科学技术问题。“功能农业”正是规划路线图中的重要方向，其理念及设想被首次提出。中科院年出版的《科技发展新态势与面向年的战略选择》指出，未来的工作重心将围绕生态高值农业，构建中国特色的生态高值农业体系，“功能农业”作为生态高值农业体系的建设方向，在十二五、十三五规划中最有可能取得突破性进展。同年出版的《生态高值农业：理论与实践》进一步提出并论证了功能农业的发展，明确指出：“功能农业”是生态高值农业科技支撑体系的重要组成部分。这一方向很好地契合于当前我国农业从注重“量”转向注重“质”的战略需求。
“功能农业”实际是对生态高值农业的进一步延伸。在“中国至年农业科技发展路线图”理念与七大科技领域的研究——“农业生产与食品安全营养技术”规划中也指出，食品的营养保健性和科技发展将是食品产业发展的重要趋势。同时，“生态高值农业—年的建设目标”中指出，要“不断满足我国日益增长的对农产品总量、质量、安全和多功能的需求”，“全面实现农产品优质化、营养化、功能化，实现农业生产管理的信息化、数字化、精准化，建成农业高值转换的产业体系”。实现产品的“营养化、功能化”，科技发展是核心要素，主要是通过育种技术和动植物“生物强化”等生物技术和农艺措施、设施农业等非生物技术定量增加食品中的某些营养元素，如人体必需微量元素钙、铁、锌、硒等，人体必需氨基酸赖氨酸、色氨酸等，维生素VA、VE、B9(叶酸)等，抗氧化物质花青素、多酚、类胡萝卜素等。随着基因组学和蛋白组学的飞速发展，功能农业将成为农业科技的重要方向，在消除“隐性饥饿”、预防癌症、降血压、降血脂和冠心病等方面发挥巨大作用。
2.2功能农业的定义
什么是功能农业？功能农业是通过生物营养强化技术或其他生物工程生产出具有健康改善功能的农产品。简单地说，功能农业就是要种植出具有保健功能的农产品。其中，既包括农产品中特定健康物质的提高，如矿物质、植物有益物质(Phytochmicals)，也包括根据某个人群的需求对特定物质进行优化，比如，抗性淀粉大米因其中的淀粉不易酶解消化为糖，适合糖尿病人食用。
人们通过食用功能农业产品，可以对特定营养物质进行定量补充，可达到提高人体体质，改善健康的目的。比如：人体缺碘或碘摄入量不足时，会引起地方性甲状腺肿、不育症等病症，随着我国大部分地区食盐中加碘，已经明显减少缺碘病症的发生；人体缺硒或硒摄入量不足时，会引发克山病、大骨节病等病症，通过持续食用富硒食品，不仅可以消除病症，还可以提高人体免疫力，长期食用可有效预防癌症。其他人体健康所需矿物质包括钙、铁、锌等及不饱和脂肪酸、花青素、胡萝卜素等植物化合物，都可通过功能农产品的生产补充人体，改善健康。
功能农业是农业发展的新方向，它是继高产农业、绿色农业之后的第三个发展阶段。功能农业作为农业发展的第三个阶段，侧重于增加农产品的健康内涵(图2)。通过现代生物科技和农艺措施，标准化调整优化农产品的营养成分，满足人们个性化的需求。这一农业形态理想的目标是“缺啥补啥”，“啥多调啥”。
2.3功能农业有关的重点营养素
2.3.1矿物质
矿物质是人体内无机物的总称，人体由60多种元素组成，其中很多矿物质元素是酶的必需组分，也是人体组织、骨的生长及维持的镁、钠等；微量元素也称痕量元素，在人体内含量很低，约占人体总重量0.01%以下，如铁、锌、铜、锰、铬、硒、钼、钴、氟等。按照矿物质对人体健康的影响，可分为必需元素、非必需元素和有*元素。必需元素是维持人体健康所必需的元素，缺乏时有机体的功能和组织都会出现异常，补充后即可恢复。目前，已被确认与人体健康和生命有关的必需微量元素有18种，即铁、铜、锌、钴、锰、铬、硒、碘、镍、氟、钼、钒、锡、硅、锶、硼、铷、砷等；必需常量元素有钙，这样人体必需的矿物质元素总计有19种。加上锗等对人体有益的3种元素，共计22种对人体有益的元素。其中，日常生活中的营养食品、保健食品中最常见和较多人群存在缺乏的矿物质有5种，包括硒、锌、钙、铁和碘(表1)。
2.3.2维生素
通俗来讲，维生素即维持生命的物质，是人体内生命活动必需的一类微量营养物质，也是保持人体健康的重要活性物质。通常将维生素分为脂溶性维生素和水溶性维生素。脂溶性维生素包括维生素A、维生素D(又称钙化醇)、维生素E(又称生育酚)和维生素K(又称凝血维生素)；水溶性维生素主要是B族维生素(主要包括B1、B2、B3、B6、B12)、维生素C(又称抗坏血酸)、维生素PP(又称尼克酸)、维生素H(又称生物素)和维生素M(又称B9，也称叶酸)等(表2)。
维生素大部分不能在体内合成或合成量不足，不能满足人体的需要，必须从食物中摄取。当膳食中缺乏维生素，将引起人体代谢紊乱，发生维生素缺乏症。例如：当缺乏维生素A(vitaminA)时，会出现夜盲症、干眼病和皮肤干燥等。维生素A又称胡萝卜素及其他类胡萝卜素可在人体内合成维生素视*醇或抗干眼病因子，包括维生素A1、A2两种，A，β-胡萝卜素的转换效率最高。在体内，在β-胡是一个具有脂环的不饱和一元醇。维生素A1多存于萝卜素-15,15’-双氧酶(双加氧酶)催化下，可将β-胡哺乳动物及咸水鱼的肝脏中，而维生素A2常存于淡萝卜素转变为两分子的视*醛，视*醛在视*醛还水鱼的肝脏中。由于维生素A2的活性比较低，所以原酶的作用下还原为视*醇，但β-胡萝卜素也可以通常所说的维生素A是指维生素A1。植物来源的β-合成虾青素(astaxanthin，强抗氧化剂)。
2.3.3植物有益物质(Phytochmicals)
除矿物质和维生素外，功能农业密切