现状与问题

当前，材料力学性能检测试验机被广泛应用于钢铁、造船、电气、机械制造、钢构、航空航天、港口机械、建筑、大学科研院所、质量监督检验第三方检测机构等。在我国各种类型的材料试验室里，试验机数量庞大，种类齐全、高中低档皆有。乐金涛老师，自1983年开始从事金属材料力学性能检测工作，从普通的试验员开始，到试验组长、试验室主任、试验设备管理，到参与试验室项目建设、试验室项目招标评审工作、试验方法标准的审修订等，近40年来一直没有脱离过试验室工作和技术。基于长期从事金属材料的力学性能测试工作，熟悉各类金属材料的试样加工和力学性能试验标准，发表过许多有关金属材料力学测试方面的专业性文章。日前，仪器信息网特别采访了乐金涛老师，请他聊一聊国内材料力学性能检测技术的发展、现状与问题，以供业内同行深度了解与分享。仪器信息网：请您介绍一下材料常规力学性能检验项目和所涉及的试验设备主要有哪些？乐金涛老师：力学性能检测，是对钢铁等材料的各种力学性能指标进行测定的一项必不可少的工作。试验所获得的强度、韧性和变形等性能参数，对于工程设计应用和材料研究都具有很重要的参考价值，较多场合是直接以试验结果为使用依据的。材料的常规力学性能检验涉及的材料试验机主要有两类：一是材料性能试验机，用于金属材料的拉伸、冲击、硬度、落锤试验机等；二是工艺性能试验机，包括弯曲试验机、顶锻试验机、杯突试验机、扩孔试验机等。材料的常规力学性能检验项目及所涉及试验设备检验项目评价特性检验设备拉伸（屈服强度、抗拉强度、断裂延伸率、断面缩率等）提供材料在常温、高温条件下的强度和塑性判据的力学性能试验。（上屈服强度、下屈服强度；规定塑性延伸强度、总延伸强度、抗拉强度；屈服点延伸率、最大力塑性延伸率；非比例试样断后伸长率、断后伸长率；应变硬化指数、 塑性应变比等）拉伸试验机时效指数时效指数值是指将同一根试样首先拉伸到规定变形量后，进行规定时间和温度的时效处理后再拉伸，从而评判其屈服应力的增加程度。烘烤强化值用于评价BH钢烘烤强化的效果，烘烤后屈服强度提高，通过二次拉伸试验进行测定。冷弯评价金属材料承受弯曲塑性变形的能力，是一种工艺试验。弯曲试验机顶锻试验沿试样的轴线方向施加力，将试样按规定的锻压比压缩，经塑性变形后显示试样表面缺陷以判断产品表面质量，是一种工艺试验。顶锻试验机夏比冲击（冲击吸收能、剪切断面率、侧膨胀）用以评定材料的缺口敏感性和冷脆倾向，是对材料抵抗冲击载荷的能力的评价。评价指标主要为试样在冲击试验力作用下折断时吸收的能量。摆锤冲击试验机时效冲击用于评价钢经应变时效后，韧性下降的程度。落锤DWTT其特点是从断口形貌形式转变温度出发，对材料的韧脆转变行为进行评估。落锤试验机硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度）衡量材料软硬程度的一种力学性能指标。布氏硬度计洛氏硬度计维氏硬度计仪器信息网：您之前讲过拉伸试验的发展状况（详情链接），请您再谈谈其它常用试验技术（冲击试验、顶锻试验、硬度试验等）的发展现状？乐金涛老师：1）夏比冲击试验1912年泰坦尼克号沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。20世纪80年代后，材料科学家通过对打捞上来的泰坦尼克号船板进行研究，回答了持续80年的未解之谜。由于泰坦尼克号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特別是在低温下呈脆性。当船在冰水中撞击冰山时，脆性船板使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。夏比冲击试验是鉴别温度对金属材料强韧性能影响最直接的评价方法。传统冲击试验2）全自动冲击试验技术在2005年左右，国内部分钢铁企业试验室从国外引进了推杆式全自动冲击试验机，之后国内的试验机厂家也纷纷仿制这种类型的全自动冲击试验机。基于结构上的因素，归纳下来，此类全自动冲击试验机在使用过程中经常会发生以下五个缺陷或故障：①冲击试样制冷装置经常会产生结霜现象，特别是制冷温度越低，或和环境温差越大，结霜现象就越严重，容易因结霜对推杆系统造成阻力，推送机构经常发生卡死等状况；②送样过程中，冲击试样在试验机砧座40毫米的跨距间容易掉样；③试验过程中，冲击试样机砧座上粘接的毛刺无法自动清除，影响试样的定位精度；④在GB/T 229-2007 《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》标准中规定：当使用液体介质冷却试样时，试样应在此温度上保持至少5min。当使用气体介质冷却试样时，试样应在规定温度下保持至少20min。但此类全自动冲击试验机由于结构的原因，其冷却方式是属于气体冷却还是液体冷却方式不明确，经常造成不同方在保温时间设定的分歧。已经颁布实施的GB/T 229-2020新版标准，将此类的冷却方式明确为气体冷却，且新版标准规定试样在规定温度下保温时间至少由20min提高到30min；⑤此类全自动冲击试验机在试验过程中由于采用端面定位方式，冲击试样的缺口对称面-端部距离27.5mm的长度尺寸公差的加工要求由±0.42上升到±0.165，为了这个加工尺寸公差的提高，就需要将原来的加工工艺发生较大的改变，花费更长的加工时间。以上五个弊端或缺陷，大大影响了企业在生产检验中的冲击试样加工和试验的工作效率，所以这种类型的全自动冲击试验机至今尚未实现普及应用，或制冷送样装置等被弃之不用。目前新开发的多关节六轴机器人全自动冲击试验机，完全克服了上述推杆式全自动冲击试验机的弊端或缺陷。试验时，试验人员根据自动接收到的试验顺序、试验温度等试验要求，将冲击试样通过机械手放置到可以按照指令自动制冷控制的低温槽→达到规定温度的保温时间→冲击试验机自动取摆→机械手自动快速抓取转移经过冷却后的试样，通过对中系统送到指定位置→冲击试验机自动放摆冲击→试验机自动分拣合格与不合格试样→试验数据自动保存并发送给上位机。多关节六轴机器人全自动冲击试验机的应用完全符合GB/T 229-2020新版标准的各项要求，如试样从冷却装置中移出至打断的时间掌控、转移装置与试样接触部分应与试样一起冷却等功能，目前已经成为全自动冲击试验机的主流配置。多关节六轴机器人全自动冲击试验机3）顶锻试验顶锻试验是沿试样的轴线方向施加力，将试样按规定的锻压比压缩，经塑性变形后显示试样表面缺陷以判断产品表面质量的一种工艺试验方法。顶锻试验通常顶锻试验机、万能试验机、压力机等设备来实现。顶锻试验钢铁厂生产的线材棒材产量大、检测频次高、检测周期块。传统的顶锻试验机对每一规格都要相应的配置一套模具，不同的锻压比又需配置不同的模具。试样直径的加大必然使试验机的力值规格加大，顶锻模具的重量也增加，热顶锻模具的重量会更加大。现在根据试验标准要求和各大钢厂、标准件厂用户的实际需求，运用现代电液伺服技术，采用与棒线材深加工速度相似的控制速度，集校直、剪切、顶锻压扁三位一体的全自动快速顶锻试验机的开发应用，从根本上保证了顶锻试验的准确性、可比性，完全符合金属材料顶锻试验方法标准的要求。三工位快速顶锻试验机关于带机械手全自动快速顶锻试验机技术。试验时试验人员根据接收到的试验要求，将线材棒材样坯放入试样架或通过AGV小车送达指定的位置→机械手根据预先在程序上设置好的位置抓取样坯→送校直工位进行样坯校直→送剪切工位进行样坯剪切→机械手将剪切后符合高度要求的试样放置到顶锻试验机试验位置，在确保上下两端面平行的情况下自动调用预定设置好的试验方法进行试验→试验结束后机械手自动取下试样放置到评定工位→通过人工评定后将试验数据输入、保存并发送给上位机。如果前道工序已经将样坯校直并加工成合格的试样，那全自动顶锻试验机就越过矫直和剪切工位，直接进入到试验工位。自动化技术在顶锻试验上的运用，成功地解决了多工位顶锻试样上下料的问题，尤其是解决了在热顶锻试验中的送取样难题。带机械手全自动快速顶锻试验机3）硬度试验硬度试验是用一定形状的刚性压入物在一定载荷作用下与试样表面作用，试验的结果是材料的永久塑性变形信息。它是金属材料力学性能检测中比较简便的一种方法，与其他试验方法相比，具有快速、相对无损、可现场测试等优点。硬度计一般可分为静态和动态二大类：①静态硬度计。一般是都固定存放在试验室里，包括布氏、洛氏、维氏、努氏、韦氏等硬度计。此类硬度计由于受外来干扰的影响因素比较少，其测试结果相对比较准确。布氏硬度计、洛氏硬度计、维氏硬度计②动态硬度计。包括肖氏、里氏、超声波、锤击等硬度计。这类硬度计一般都在现场使用，在测试过程中容易受到外来因素的干扰，不同工况条件下测得的试验结果离散性相对较大。③全自动硬度计技术。试验人员根据自动接收到的试验要求，将硬度试样通过人工或机械手放置到指定位置→经过高速铣或磨削等设备自动完成硬度试样的表面加工→试样号自动识别→机械手按指令将加工后的试样放置到硬度计自动载物台→根据试验指令硬度计自动完成压头更换、试样力的切换等试验参数配置→通过硬度计自动载物台移动配合自动完成单点或多点的加载、保载、卸载、压痕测量等试验过程→试验数据自动保存并发送给上位机→机械手可以按照试验结果是否合格将残料分别放到不同的残样收集装置等。全自动硬度计系统另外，再讲讲通过硬度试验结果估算出材料的抗拉强度和不同硬度试验值之间的换算这个技术问题。1）相关研究表明，通过硬度试验结果可以估算出材料的抗拉强度，布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和与强度呈现较好的相关性，是正相关关系。由硬度值推算抗拉强度，目前可以依据的国内标准主要有GB/T 33362—2016《金属材料 硬度值的换算》和GB/T 1172—1999 《黑色金属硬度及强度换算值》这两个标准。2）归纳国内部分试验室的验证试验结果看：布氏硬度换算抗拉强度的相对偏差要明显低于洛氏硬度和维氏硬度。3）体会及建议标准是基于试验得到了布氏、洛氏、维氏硬度与强度的换算公式。但上面提到的两个标准都没有给出，由于材料的特性、均匀性等不一样，也不可能给出换算值的不确定度数据，对于换算结果的偏差范围无从得知。标准所列换算值，是只有当试样组织均匀一致时，才能得到较准确的结果。鉴于目前还没有普遍适用的方法将某种硬度值准确地换算成其他硬度或抗拉强度，所以应尽量避免这种换算。针对不同的试验对象，还是建议按照标准或协议要求直接进行相关的拉伸或硬度试验。仪器信息网：除了拉伸试验机中配套的引伸计和力传感器，您认为当前试验机行业急需解决的关键技术有哪些？乐金涛老师：除了拉伸试验机配套的的引伸计和力传感器，试验机行业急需解决的关键技术还有：1）特种环境下的（超高温、超低温、耐腐蚀等）模拟试验箱及变形测量装置等技术；2）仪器化冲击试验机、动态试验机、双轴静态拉伸试验机等技术；3）全量程的通用或万能硬度计、全自动硬度计、高低温硬度计、现场在线硬度计等；目前国内制造的硬度计，如布氏、洛氏、维氏分开，如维氏硬度计中的显微、小负荷、大负荷分开，其技术和精度都没有问题。但如果要变成全量程的通用或万能硬度计，把布氏、洛氏、维氏功能都集合在一台设备上就不行，其根本原因就是我们传感器的量程范围和精度指标不行。 4）全自动弯曲试验和弯曲试验结果的自动判断技术；5）在冲击和落锤试验中，目前已经实现了冲击或打击等过程的全自动，但对试样断口的判定目前还只能依靠人工进行，评定过程还存在许多人为因素，国内虽然已经有配套的图像分析仪开发，但由于种种原因推广困难。综观以上几大难题，感觉都与视觉识别技术有关。仪器信息网：请您谈一谈当前我国试验机行业存在的问题或弊端？乐金涛老师：现阶段，国内高端拉伸试验机还是被欧美等国际著名品牌或公司所垄断和制约。这些品牌或公司进入中国的试验机市场，不但垄断高档试验机产品的市场份额，而且在和国内试验机企业争夺中档产品的市场份额。中低端试验机市场规模大、风险低。国内试验机企业长期在中低端市场打价格战，没有能力、也没有动力去研发高端的试验设备。日常大生产检验中试验数据的好坏，其实到工厂质检部门判定的时候，说穿了就是合格与不合格的关系。部分国内大生产企业试验机用户的需求定位不合理，不分用途，认为最好所有的试验机都要进口的，都要高精度。试验机1级精度就可以满足的非要0.5级，0.5级精度就可以满足的非要0.3级。其结果就是造成设备功能和资金浪费，运行维保困难，同时也阻碍了国产试验机技术的发展。由于体制上的原因，目前国内同时存在着以试验机生产为主导的试验机标准化技术委员会、以计量单位为主导的全国力值硬度重力计量技术委员会，和以试验机用户为主导的试验方法标准化技术委员会，这与国际上将试验方法标准、试验设备标准与标准物质校准标准归属一个技术委员会，同列一个大标准的通用做法有比较大的差异。由于相互之间缺乏协调经常造成在标准制订上各行其事。我们国家现在有关材料检测试验方法国家标准的制定，都是按照国际标准照搬翻译过来的，我们自己对关键的技术参数或指标等的验证或分析还是不够的。标准是技术规范，同样也是技术壁垒。国外知名试验机企业已经做到了利用技术上的优势在国际标准制定上占据主导权，通过设置技术壁垒来遏制其它试验机企业发展。建议我们国家在制定标准的工程中，不要轻易否定过去已经证明是成熟的标准内容，根据中国国情编制符合中国实际的国家标准。仪器信息网：最后，您能否对智慧试验室建设工作提一点建议？乐金涛老师：我们国家原来靠国家扶植的相关试验设备研究院所都转制成了自负盈亏的经营性公司，且技术、观念落后。国内相关试验设备制造单位合作少，缺乏对共性问题的验证分析、关键技术的合作开发，现在都是靠自己来摸索或仿造，不利于我国检测行业整体技术水平的快速提升和发展，期望相关的行业协会可以起到组织引导作用。目前智慧试验室的建设工作处于初级阶段，许多相关技术还不成熟，各个试验室要根据自己拟突破的关键工序、现有场地和资金等情况，结合技术的发展来综合考虑规划。对于项目实施可能三年不见效、项目中新技术含量超过三分之一的，建议要慎重考虑，切忌盲目跟风。在国内钢铁行业的检测系统中原料检验和炉前快分检验的自动化已经发展得很快，但力学性能检测整个流程自动化、智能化还是处在刚起步阶段，相关单体试样加工和试验设备的自动化程度和稳定性不够等状况，困扰整个自动化线长期持续稳定运转，业内同行深感顾虑。智慧试验室的建设工作，任重而道远，需要试验室和相关设备制造单位等各方脚踏实地的努力。小结：感谢以上乐金涛老师的分享，同时也希望国内的试验机制造厂家要重视市场需求和技术研发，以自动化、智能化为发展方向，在高档或专用试验设备的研发制造等方面争取再获突破，以促进我国试验设备在自动化技术方面水平的提升。

p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 112, 192) font-size: 20px " strong 重大科研仪器研发的现状与困境 /strong /span /p p style=" text-align: center " 1、李侠 2、缪秋民 3、吕慧云 /p p style=" text-align: center " (1、2、3上海交通大学科学史与科学文化研究院上海 200240 ) /p p 　　摘要：重大科研仪器研发项目施行近20年，取得了一些成绩，但在实践中也发现存在一些普遍性问题，导致项目执行效果不理想，如半截子项目与钓鱼工程等，造成这些问题的主要原因包括：组织困境、管理困境与评审困境。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 研究建议：自由申请类项目可以采用“牵头人+合作单位”模式，让项目牵头人承担连带责任；部门推荐制项目则要坚决改变原有的组织结构模式，采用国家集中管理模式。 /span /p p 　　关键词：重大仪器；组织困境；管理困境；评审困境 /p p 　　中图分类号：G311 文献标识码：A /p p 　　在党和国家把创新驱动发展战略定为国策的当下，整个社会的发展引擎已经开始转向以科技知识为表征的创新驱动(推与拉的混合型，即push and pull)，任何创新都是基于知识的创新，没有知识的高效产出就没有创新涌现的可能，这已成世界范围内的共识。而知识的产出是严格受条件约束的行为，大体可以把知识生产链条分解为：(经费+人才+环境)*工具(仪器等)=科技知识。在其他变量等同的情况下，有什么样的工具水平，就有什么样的知识产出水平。最近10年国家在科研经费(R& amp D)的投入，引进人才以及科研环境的营造上已经投入大量精力，取得了举世瞩目的显著成就。但是， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 原创性高端科研成果的产出仍然严重不足，发展瓶颈已经从隐性向显性转化，那就是加速知识生产的工具环节已成制约我国科技发展的瓶颈因素，因此，解决重大关键科研仪器问题就是推动科技与创新进入新台阶的一个关键举措。 /span 而且对于重大科研仪器的研发，不仅仅可以解决当下知识生产中面临的工具性问题，而且仪器研发本身就是一种具有高度创新性的行为，并且蕴含巨大商机。长期来看，重大仪器研发可以带来三方面的进步：首先，降低知识生产的成本，加快知识生产与更新的脚步；其次，通过仪器研发带动相关产业、技术的发展；第三，通过仪器研发可以培育相关领域的人才。基于这种现实考量，我国在1998年起相关部门就开始有计划地加大重大科研仪器的研发，时至今日，已经运行近20年的时间，期间取得不少成绩，但是存在的问题也愈发凸显，导致项目实际运行效果并不理想。基于此，本文力图梳理两个问题：其一，近20年重大科研仪器研发的现状与存在的问题；其二，现有项目组织架构下重大仪器研发中存在的困境与解决策略。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 一、我国重大科研仪器研发的现状与存在的问题 /strong /span /p p 　　我国自1997年起相关部委就科技发展的现状，开始有计划地考虑设立重大科研仪器研发项目，以其改变科技发展面临的短板问题，并于1998年正式启动，至今已经20年。这里所谓的重大仪器设备是指： span style=" color: rgb(0, 112, 192) " “在重大民生需求、社会经济发展以及科技创新方面有重要作用，需要投入更多研发方法、研发技术以及部件，投资成本较大，具有较高经济价值的科学仪器设备。 /span 在研发过程中主要具有以下特征：首先，对集成创新比较重视；其次，软硬件的共同开发。”【1】这也意味着重大科研仪器的研发涉及多学科的协同攻关，并且通过软硬件的建设与开发为未来的市场化提供准备。对于这些要求，我们的准备普遍不足。 /p p 　　根据最新一期C& amp EN杂志(2016年4月)公布的 2015年度全球仪器公司排名前25名的分布中，可以清晰看到，美国占有10席，其中前四名全部是美国公司，日本有6席，居全球第二位，紧随其后的德国，占有3席，其次，瑞士3席，英国2席，荷兰1席。排名第一的赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)2014年的销售额高达42.4亿美元，排名第二的丹纳赫(Danaher)的销售收入约为24亿美元。据学者研究： span style=" color: rgb(0, 112, 192) " “2012年赛默飞世尔亚太区收入占公司总收入17%，中国区收入逾7亿美元，中国首次跃居为赛默飞世尔全球第二大市场。同样，沃特世(Waters)的中国区域也在2012年跃升为全球第二大市场。由此，可以看出中国仪器和应用市场发展的强劲情况。” /span 【2】从这组数据中，我们大体上可以看到中国现在是世界科技仪器生产商的主要销售对象和进口国，虽然目前无法查到我国每年用于科研仪器采购的准确数据，但一个相关的信息可以佐证这种情况：“国家科技基础条件平台中心副主任吕先志说，近年来我国每年购买国外科研仪器设备的投入至少在400亿元以上，由于缺乏信息沟通，有些设备重复购置，有的利用率很低，而资源共享是解决这一问题的捷径。”【3】学者王大洲等人通过实证研究指出：“(1991-2010年)购置和研制比例有一定变化。“八五”、“九五”期间，仪器研制比例分别为3.0%和2.7%，但“十五”期间研制比例下降到2.3%，这与自2004 年来大型科学仪器设备购置的快速增加有关。“十一五”期间研制比例出现微弱提高，较“十五”上升了0.1 %。”【4】换言之， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 十一五期间在重大仪器来源中，有95.9%是采购的，仅有2.4%是研制的，这种情况已经很能说明我们在重大科研仪器的研制方面所面临的紧迫形势。 /span 客观地说，我国在高端科研仪器研发方面起步较晚，虽然这些年的大力推进取得一些进步，但总体落后的局面并没有得到根本性的改变。如果我们把影响重大仪器开发的原因分为内外两部分，那么来自外部的原因主要有以下几条：“根据我们进行的问卷调查， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 最关键的三个制约因素是‘国内加工能力无法支持仪器创新’、‘绩效评价机制不鼓励仪器的创新研制’、‘缺乏实现创新的高水平的技术人才’，被调查者认为其重要和最重要的应答率分别为68.9%、56.5%、45.8%。” /span 【5】其中第二条的绩效评估机制所带来的制约因素，可以看作是影响研发的组织内部因素。因此，重大仪器研发效果不理想，除了研究基础比较薄弱外，最主要的内部因素就是项目设置的组织架构模式存在严重缺陷，“牵头人+合作单位”模式仍是小科学时代的组织模式，无法适应大科学时代的高度集成式创新的要求，正是这些内外制约因素的互动，最终导致研发的预期目标出现严重打折现象。我们在本文主要关注来自组织内部的因素对研发的影响。在讨论重大仪器研发项目的运行困境之前，我们需要对过去近20年的投入情况做一个简单的回顾，由此， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 可以直观地反映出重大仪器研发中所呈现出的“投入——产出”、“质量——进度——成本”诸多目标之间存在的问题。 /span /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/noimg/1af1ee25-3a7f-4852-a788-c11abf7b65bc.jpg" title=" 001.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图1：国家自然科学基金重大科研仪器研发项目(自由申请)总投入(根据相关数据整理) /strong /p p 　　从图1可以清晰看出，自1998年以来，国家在重大科研仪器研发上的投入总体上呈现出增长的趋势，但是 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 在1998-2010年之间的增长幅度非常缓慢，多有政策性试探意味，直到2010年以后投入和支持的数量都曾现快速增加的态势。 /span 从1998年的总投入400万元，立项5项重大仪器研发项目，到2016年总投入5.5亿元，立项85项，投入增长了138倍，立项数量增长了17倍，总体而言，增长幅度还是很大的。2010年显然已成科技发展拐点，其背后的深层原因还有待挖掘，当年中国GDP增长率为10.6%，已从2007年顶点(14.2%)一路开始下滑，当年R& amp D投入占GDP的1.76%，此后R& amp D的占比逐年上升，可以明显感觉到决策层希望通过科技来保障GDP增长的目的。总之，这个 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 上升曲线总体上反映了我国科技事业正处于快速发展阶段，决策层对于科技的认识与期待在实质性的提升，科研仪器问题显然已经成为阻碍科技快速发展的显性瓶颈因素之一，这个时候加大仪器研发就是整体推动中国科技上新台阶的重要举措。 /span /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/noimg/5f153904-f83f-4eea-88f7-55c8ca37f89b.jpg" title=" 002.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图2：国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目(自由申请)平均知足额度(根据相关数据整理) /strong /p p 　　图2显示近20年来重大仪器资助额度从最初的80万元/项，上升到2016年的647万元/项，即便扣除物价因素，资助强度也在加大。自然科学基金委和科技部等部门对申报金额在1000万元以下的重大仪器项目采取自由申请模式， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 自2011起，对于1000万元~1亿元之间的项目采取部门推荐制。 /span 这种区分，可以看做是管理部门对于特大型科研仪器研制项目增加一道筛选与监督的门槛。但是一旦中标后，在运行流程上与自由申请类项目之间并没有质的差别。下面整理出2011-2016年间，部门推荐类重大科研仪器的相关数据： /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/noimg/94839ee6-986b-46bb-bc69-b395dfc49ddb.jpg" title=" 003.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图3：国家自然科学基金委重大仪器研制项目(部门推荐)总投入(根据相关数据整理) /strong /p p 　　图3显示，六年间采用部门推荐制的重大科研仪器研制项目一共立项45项，总投入35亿元。自2012年以后，立项数量逐渐减少，2016年仅立项4项。这个变化趋势预示着此类项目的管理方式或许有变。 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201802/noimg/a205e9c0-d180-4b4b-9994-a573eb108178.jpg" title=" 004.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 图4：国家自然科学基金委重大仪器研制项目(部门推荐)平均资助额度(根据相关数据整理) /strong /p p 　　图4显示， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 这些超级项目的资助额度都非常巨大，平均每项7778万元，2014年更是达到平均每项资助1亿元。 /span /p p 　　综合上述图表，我们看到在过去的19年间，自由申请类重大仪器研发项目共立项622项，总投入22.47亿元，平均每项资助额度为361万元。部门推荐类重大仪器研发项目6年间共计立项45项，总投入35亿元，平均每项资助额度7778万元。部门推荐类项目每个的资助额度相当于21个自由申请类重大仪器项目。现在，我们想知道， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 国家为此投入了接近58亿元，总计667项的重大科研仪器项目到底有多少变成了现实?很遗憾，我们无从找到这些相关项目后期成果的信息。不难猜测这些项目的产出率并不是很理想。 /span /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 重大仪器研发项目运行到现在暴露出哪些问题呢?检视这些巨型项目的组织架构模式大体是这样的：“牵头单位+合作单位”模式，尽管这个组合模式拥有很大的弹性，可以涵盖产、学、研与政多重力量，看起来研究团队很齐全，但是，由于产、学、研、政之间在理念与偏好上存在巨大的差异，这些差异一旦无法统一并达成充分共识，那么，所谓产学研政强强联合的操作在实际运作中就必定出现能力打折现象。 /span 由于这些项目都是临时组建的团队，其联系是松散的。众所周知，科研仪器是一种高科技产品，它受益于各种前沿技术最新成果的运用，但由于团队间松散组织模式，各个子系统处于平行状态，相互之间调动资源存在很大的局限性，再加上没有强有力的监督、协调机制，导致各个部分在组织的结合度与“质量——进度——成本”的目标安排上都无法达到最优。 /p p 　　很多学者从宏观层面撰文强调重大科研仪器研发中的过程管理的重要性， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 观点没有错，只是这个过程在实际操作中的可行性存在严重问题 /span ，如于海婵认为：“大型仪器研制项目的管理模式可划分为行政/管理和科研/技术两条线。行政/管理系统包括项目主管部门和项目承担单位的行政领导及管理人员，在项目实施过程中承担重大决策、组织协调，资源配备，策划执行，过程监督和服务保障等工作。”【6】我们不妨就这个过程管理结构回到实践层面检验一下，看看是否可行。据我们的统计，19年来自由申请类重大仪器研发项目平均资助额度为361万元/项，只有2014、2015、2016年每项平均资助额度达到600~700万元之间。通常一个研究团队包含4~5个合作子课题组，这也就意味着每个子课题的经费额度在72~140万元之间，试想，这个规模是否有行政主管部门或者领导愿意实质性的介入管理，真实情况是，这些 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 行政主管部门大多是虚设的，起不到实际监管作用，具体运作还是由项目牵头人来组织，同样在这个体量中设置专门的财务人员、质量监督员以及知识产权管理人员等也几乎都是不可能的 /span ，项目本身无力支撑这些人员的费用支出。因此， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 对于自由申请类项目在实际运作中真正肩负管理职责的就是项目牵头人与合作单位的子课题负责人。 /span 相反，对于部门委托类重大科研仪器研发项目，由于每项平均资助额度都在7778万元/项，他们有能力支付这些人员费用，并设立相应的管理机构，如项目综合办公室、项目指挥部等。但是，他们采用的 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 运行模式仍然是“牵头人+合作单位”模式，导致本该拥有的行政/管理的执行力被多个平行单位分解与稀释，换言之，管理的垂直度不够，而且这些超级项目的整合复杂度也远远超出了个人能力范围与管理幅度。从这个意义上说，重大仪器研发中面临的问题主要集中在项目的组织架构与管理问题的本质特性上。 /span /p p strong 　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 　二、重大科研仪器研发中的组织与管理困境 /span /strong /p p 　　为了更加清晰地揭示出目前组织框架下重大科研仪器研发中面临的组织与管理困境，我们把这些困境划分为内部管理困境与外部管理困境。对于内部管理困境来说，我们需要把仪器研发的常规路线图揭示出来，然后就能清晰发现问题产生在哪里，以及相应的解决策略。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 正常的研发路线图应该是这样的：基础理论——技术原理——技术能力——多种能力整合——重大仪器样机——中试——规模化量产 /span ，在这七个环节中与仪器研发直接相关的环节就是前面5项，即“基础理论——技术原理——技术能力——多种能力整合——重大仪器样机”，后两项与仪器的市场开发有关。 /p p 　　为了实现仪器研发的路线图，我们可以把这个链条梳理出一个标准的组织模板：某单位潜在项目牵头人A拥有一个很不错的想法(主要体现在基础理论的先进性与技术原理的可行性)，然后寻找合适的技术合作单位B(对项目的技术原理与技术能力的实现提供支撑，也是未来的主要子课题负责任人)支撑项目的可行性，并构建基本技术框架与技术路线图。在此基础上，项目牵头人A召集一批相关领域的知名专家C联合申报(B未来是核心子课题承担者，也是众多合作单位中的一元)。在这个组织架构下，一旦申报成功，A按计划把具体研发任务分解为各合作单位的子任务，然后分头行动。 /p p 　　在这个重大仪器开发的组织模板里，存在着如下无法避免的组织困境： strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 1、“牵头人+合作单位”模式的强制性管理力度欠缺。 /span /strong 牵头人与各合作团队负责人之间不存在直接的隶属关系，而且在学术声望上非常接近，无法在组织架构上形成明显的声望梯度差，这就为整个研发项目中的管理权威的树立留下困难，导致管理的指令性强度不够。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 由于团队合作的组织模式，使各团队之间处于扁平状态，从而导致任务的推进在各团队内部处于随意状态，造成在子系统内人员、资金与时间的投入上无法得到有效保证，这也是重大仪器研发项目表现欠佳的深层原因所在。 /span 这种困境缘于当下申报机制内在的悖论：没有豪华团队，在评审中不容易中标；有了豪华团队，易中标但不出活。由于豪华团队的各路学术诸侯，大多项目堆积，无暇全力以赴投入研发。对于政府管理者而言，有豪华团队背书感觉放心，即便未来不出活或者项目失败，遭受到谴责与社会压力时也会大部分转移到豪华团队的负责人身上；如果团队不豪华，即便肯干活也不放心，如果项目一旦失败，管理者要承担项目团队失察的部分责任。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 这种管理者与研究者的内在偏好差异，决定了基于团队声望支持项目的游戏规则符合各方利益最大化的原则。然而，这种内在组织悖论却是以牺牲项目的成功性为代价的。 /span 根据系统论的观点，一个好的合作系统在产出上要达到系统能力大于部分之和，然而现实却是团队之间的机械式组合模式，让团队之间处于松散的联系状态，结果导致系统能力等于或小于部分之和。豪华团队对组织管理而言带来的最大问题是拉平了系统间的声望梯度差。通过对科学史的考察，我们曾提出一个命题： span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 重大基础理论问题的解决适合采取扁平式的松散组织模式来推动，而重大技术问题的解决适合采取垂直式的组织来完成。前者要求的条件是自由，后者要求的条件却是强制力的有效传递。 /span /p p 　　 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 2、最大的内部管理困境在于子项目之间的技术整合的匹配度很难协调。 /span /strong 由于重大仪器研发的一个最大特点就是集成度比较高，涉及声、光、电、理、化、生等多学科的协同攻关。任何一个部分要做到最好都需要大量投入，由于各个团队也在追求自身利益的最大化， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 那么在收入确定的情况下，投入成本最小则是收益最大的 /span ，这种可能性制约了各子系统的投入最优化动机。在时间节点处，各个合作单位(子项目)要把自己的研发部分整合起来， span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 由于各个部分在监督弱化的情况下，以及投入的有限性，导致任务的实际完成进度与完成质量与预期存在巨大差异，进而整合后的样机功能无法达到目标要求。 /span 这种问题处理起来异常困难，即便问题排查出来，项目牵头人要求各相关合作单位进行整改、返修与调适所遇到的难题，由于结题时间与经费的硬性约束，整改效果并不是很理想。再加上，当初申报时为了增加中标的可能性，把各项指标定得过高，这一切都导致整合而成的样机无法达到预期目标，至于后面的中试与规模化量产更是遥遥无期。因此，在 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 团队内部的组织困境与管理困境的双重限制下，已造成仪器研发领域出现大量“烂尾项目”，或者“钓鱼项目”，这几乎是当下重大仪器研发专项的通病。 /span /p p 　　 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 3、仪器研发中的外部管理困境主要包括如下几个方面，如知识产权管理的制约和后期应用开发不足。 /span /strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 知识产权的管理制约导致了各个子项目之间出于保护的目的对知识产品的使用心存芥蒂，难以共享，削弱了项目的整合度与创新性，进一步使得研发成果难以转化和推广，导致前期投入的资源出现沉没效应(同类项目未来很难再获得资助)，这已成常态。 /span 试问我们在过去20年间立项的接近 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 700项重大仪器研发项目，有多少形成了批量化生产 /span ，并被社会所认可，又有多少成功替代了国外进口?所有这些数据都很难查找，相信成功的几率还是比较小的，否则，早就被媒体披露并广为人知了。之所以造成这种局面，还与另外一种常见的外部管理困境有关，即风险管理的困境，按照学者吴家喜等人的观点，重大仪器研发中的风险管理困境主要指：“风险管理能力不足。目前重大科学仪器设备研发项目实施中缺乏足够的风险防范意识，也缺乏相应的风险管理计划，往往对项目实施中的不确定性因素估计不足，可能造成项目实施的目标难以实现，甚至可能导致项目失败，造成巨大的资源浪费。”【7】风险管理原本就是非常复杂的事情，对于未来不确定性因素的研判也是需要专业人士进行深入研究的。在社会分工如此细化以及专业化的时代，这些事情往往不是一个项目的牵头人与合作者所能够直接掌控的。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 由于对未来的不确定性因素的研判没有一个固定的标准，在实践中项目牵头人往往都是凭借个人经验与直觉做出判断，根本谈不上科学性与针对性。这种情况也是导致重大仪器研发项目经常遭到失败的重要原因之一。 /span /p p span style=" color: rgb(0, 112, 192) " strong 　　三、重大科研仪器研发中的验收困境 /strong /span /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 重大科研仪器研发项目的验收作为项目质量把关的最关键环节，在实际的运行中往往没有起到应有的作用，这也是我国实施重大仪器研发项目20年取得重大成果寥寥的原因所在。 /span 对此，根据我们近年来对于项目验收实际状况的考察，发现在项目验收中存在一个普遍性的问题，可以称作项目验收困境。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 所谓项目验收困境是指：验收者在面对一个既成事实时所遭遇到的价值观判断与世俗规则之间的矛盾冲突：要么坚持个人的价值观果断放弃世俗规则；要么坚持世俗规则，变相放弃个人价值观。 /span 无论选择哪种模式作为个人评判标准，对于评审者而言都面临巨大的道德与现实的成本-收益考量。造成这种情况的原因在于两种标准所追求的形而上目标是存在巨大差异的。价值标准追求真善美的客观原则；而世俗规则追求的是个人收益最大化，一切基于利己主义的计算考量。对于科技界不用拔高，也不用贬低，它就是社会的一个子系统，科技界里的从业者同样受这些因素的影响。尤其是 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 在成果质量验收方面，评审人无论选择哪种模式都是矛盾的，为了避免这种矛盾，验收者通常采用一种折中模式，即半价值观原则+半世俗规则模式，这种兼顾模式一定程度上缓解了评审者的道德困惑，但却是以牺牲项目评价的完全客观性为代价的。 /span 这也就是我国的项目评审结论千奇百怪、五花八门的深层原因所在，诸如填补国内空白之类的说法，对此哪个人又会去较真呢?结果评审者与被评审者达成一种微妙的共谋关系，牺牲的却是国家的利益。试问这些年又有哪项重大仪器项目没有通过验收评审? /p p 　　为了探讨评审困境的成因，不妨从行为者的社会与心理层面深入挖掘一下。为什么评审者在评审中愿意放弃价值原则，而采取世俗原则的半推半就或者干脆放水呢?这里涉及到两个认知判断：首先，在权力本位的社会，权力资本相对于其他资本(如经济资本、学术资本等)具有最高的兑换率，这就意味着评审者个体面对来自管理者与被评审者的双重压力；其次，项目团队的组织架构在被评审中具有消解评审压力的功能，换言之，豪华团队的光环效应对评审者产生实实在在的心理压力，一次否定性评判有可能遭到对方未来惩罚性的报复；第三，基于成本收益的考量，当下评审的收益与未来可能的损失不对称，因此，做出否定性评判结果得不偿失。还存在一种隐约的担忧，面对一项不完全达标的项目，如果完全否定了，管理者与社会都接受不了，与其彻底否定，还不如既让其通过，又让其整改，至于改与不改和评审的关系就不大了。基于上述分析，可知，在目前的评审架构下，半推半就与放水是符合多方利益的，损失的是国家。这也间接证明了为何我国的科研项目评审质量不高的深层原因之所在。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 为了避免这种评审困境，目前一个热门的解决方案是采取第三方评估策略，希望以其中立客观的位置，来提高项目的评审质量。 /span 从理论上说，第三方评估从制度设置上最大限度上隔离了评审者与被评审者之间的利益冲突，现在的问题是，由于科技界的范围是极其狭小的，再加上能够中标重大仪器研发项目的被评审人都是本领域内的知名专家学者，因此，对于评审者来说，被评审人是透明的，那么如何避免被评审人与评审人之间的利益交换呢?因此，对于第三方评估可能出现的越轨行为，可以采用评估结果的社会公开化，扩大约束人群的规模，这样来自社会的评价力量会遏制第三方的越轨动机以及约束被评审人的行为选择，如果一旦出现越轨行为并被发现，将会遭到来自社会的信任危机，以及连带的信誉与职业生涯危机。 /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 目前还有一个被热议的补救性评估阶段，即项目的后评估。根据我们的考察，这种后评估理论上很有意义，在实践中意义有限。 /span 之所以得出如此暗淡的结论，是因为在项目通过验收结项后。项目预留的尾款以及各项目组的余款都不多了，对于项目本身无法做出大的改进，而且由于重大仪器研发项目是由一个组合团队完成的，一旦项目结项后，临时组建的合作团队也就自动宣布解散，此时即使项目牵头人想做大的改进，也无法有效地召集研发人员来攻关，除非这个项目具有巨大的市场潜力，有后续资助介入，否则，后评估仅具有理论意义。 strong span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 更何况对于项目牵头人来说，通过中标项目能够获得的个人荣誉基本获得，项目本身已经变为鸡肋，除非这个项目有巨大商业前景，否则，大多数重大仪器研发项目就成为烂尾项目。 /span /strong /p p 　　在整个项目生命周期中，真正具有强制力的评审是财务评审，因为财务评审背后是有国家法律法规在支撑的，如果不符合这些规矩很有可能触犯法律。但是，由于任何重大研究项目都无法事先预料到所有可能的研究变化，因此，项目预算的变更应该是很正常的事情，但是 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 项目实际进展的变化与几乎不变的项目预算之间也存在评审矛盾，虽然近年来一直有来自国家层面的松绑声音，但在实际运行中仍然是按照老规矩执行。相信现实中很多重大项目都遭遇到有钱无法花的困境，这也制约了重大仪器的研发进展。 /span /p p strong 　　四、结语 /strong /p p 　　综上所述，目前立项的很多重大科研仪器研发项目，在执行过程中面临着自身无法破解的 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 组织困境、管理困境与评审困境 /span ，导致项目运行中的 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 三大核心问题：“质量——进度——成本”的三元控制无法达到预期目标，从而导致众多重大仪器研发项目沦落为半截子项目与烂尾工程，而又无人负责，造成国家资源的严重浪费。 /span 为了改变这种现状，我们提出如下两项解决建议： span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 其一，“牵头人+合作单位”模式仅限于自由申请类项目，即资助额度在1000万元以下的项目采用，这几乎是个人管理能力的极限，为了避免项目成为半截子工程和烂尾项目，可以采用倒逼机制，即项目牵头人对于项目达成的目标负有连带责任。 /span 因为在当下的科研评价体系下，此类项目的最大获益者是项目牵头人，因此，他也要承担最大的责任。通过倒逼机制，迫使项目牵头人努力在“质量——进度——成本”之间实现最优管理，从而保障重大科研仪器研发项目的目标得以实现。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 其二，对于部门推荐类超级重大科研仪器研发项目，必须坚决放弃“牵头人+合作单位”模式，改由政府部门直接管理，该项目的主要理念与构想的提出者可以成为首席科学家，但不能由他全权管理项目。 /span 重大仪器研发是一项复杂的系统工程，其复杂与繁琐程度远非个人能力所能驾驭，因此，这种 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 结构性改革能够最大程度上破解重大仪器研发中遭遇的组织困境、管理困境与评审困境。 /span 从科学史上看，那些成功的大科学项目，如美国的曼哈顿工程、航天飞机，以及中国的两弹一星等项目，都不是采用“牵头人+合作单位”的承包模式，而是采用集中管理模式。 span style=" color: rgb(0, 112, 192) " 科学是自由探索的事业，而技术则是目标导向下的集中攻关。 /span 如果采用现在的研发模式，中国是造不出两弹一星的。 /p p strong 　　参考文献： /strong /p p 　　【1】饶蕾、陆力、马素萍、刘娟.重大科学仪器设备研发与科研经济一体化分析【J】.财经界.学术版，2017(2). /p p 　　【2】李昌厚.现代科学仪器发展现状和趋势【J】.分析仪器，2014(1). /p p 　　【3】我国每年购国外科研仪器设备投入400亿元以上.http://www.instrument.com.cn/news/20140605/132831.shtml(2017年7月24日查询). /p p 　　【4】【5】王大洲、何江波、毕勋磊.我国大型科学仪器设备研制状况及政策建议【J】.工程研究——跨学科视野中的工程，2016(4). /p p 　　【6】于海婵.浅谈如何加强大型仪器研制项目的过程管理【J】.科技管理研究，2014(10). /p p 　　【7】吴家喜、于忠庆.重大科学仪器设备研发项目管理模式探讨【J】.项目管理技术，2011(12). /p p 　　作者简介： /p p 　　李侠(1967-)辽宁辽阳人，教授，博士生导师，现任职于上海交通大学科学史与科学文化研究院，研究方向：科技政策、科学社会学与心灵哲学。 /p p 　　缪秋民(1993-)浙江绍兴人，上海交通大学科学史与科学文化研究院硕士生，研究方向：科技政策。 /p p 　　吕慧云(1991-)女，江苏淮安人，上海交通大学科学史与科学文化研究院博士生，研究方向：科技伦理。 /p p style=" text-align: center " A Study on the R& amp D of the Major Scientific Research Instruments: The Status Quoand the Dilemma /p p style=" text-align: center " 1、Li xia 2、Miao qiumin3、Lv huiyun /p p style=" text-align: center " (1、2、3 Schoolof History and Culture of Science, Shanghai Jiaotong University, Shanghai200240, China) /p p 　　Abstract:Since major scientific research instruments R& amp D projects havebeen carried out, recent 20 years has witnessed some significant achievements. Yet some commonproblems are still inevitable in practice, which results in unfinished ordefective projects. The main causes of these problems lie in the rigid organization,the poor management and the unfair evaluation. This research suggests that onthe one hand, those free Application Project should apply Leader-Cooperation model, which requires the project leader toundertake joint and liability. On the other hand, as for those projects thatare recommended by departments, the previous management model should beabandoned. In stead, national centralized management should be applied. /p p 　　Keywords: Major Instruments, Organizational Dilemma,Management Dilemma, Evaluation Dilemma /p p 　　【博主跋】这篇文章是应好友易显飞教授之邀而写，完成于2017年上半年在台湾访学期间，现发表于《创新》2018(1)上，这也是我构想中的关于中国科技现状的三大审视与反省之一，第二篇已经写好，第三篇根据时间情况再说吧，合作愉快，是为记! /p p 　　说明：文中图片来自网络，没有任何商业目的，仅供欣赏，特此致谢! /p p 　　2018-2-9于南方 /p

p 　　摘要：综述了目前中国现行的土壤环境监测国家标准方法和环保、农业、林业等行业标准方法，指出国家标准和环保行业标准方法侧重于土壤污染物的检测，而农业和林业标准方法侧重于土壤营养元素及其有效态、理化指标的检测。针对现行标准方法存在的一些问题(如检测的土壤污染物种类少、部分方法先进性不足、土壤环境监测的基础研究薄弱以及方法的标准化尚待完善等)，提出加强土壤监测标准方法的顶层设计、合理增加土壤污染物的控制种类，及时更新方法、发展多组分测定方法，加强标准方法研究的系统性、协调性，以及逐步增加原位监测标准方法等建议，为土壤监测技术的发展提供借鉴和参考。 /p p 　　土壤是经济社会可持续发展的物质基础，关系人民群众身体健康和美丽中国建设，加强土壤环境保护是推进生态文明建设和维护国家生态安全的重要内容。2016年国务院印发的《土壤污染防治行动计划》中，就明确提出完成土壤环境监测等技术规范制修订、形成土壤环境监测能力、建设土壤环境质量监测网络、深入开展土壤环境质量调查、定期对重点监管企业和工业园区周边开展监测等工作任务。监测方法是监测工作的基础，只有完善土壤环境监测方法体系，加强土壤环境监测技术水平，才能保障监测的科学性、规范性、准确性以及评价结果的客观性和合理性，从而掌握土壤环境的真实状况，进一步推进土壤环境监管。 /p p 　　根据质量管理体系的要求，环境监测应优先选用标准分析方法。中国土壤标准分析方法分为国家标准和行业标准两大类。国家和环保行业标准方法侧重土壤环境污染检测，农业、林业行业标准方法则主要侧重土壤营养元素及其有效态、理化指标的检测。笔者对目前中国土壤环境监测标准方法进行综述，指出存在的问题，并提出针对性的建议。 /p p 　　1 土壤污染物及其监测方法 /p p 　　土壤污染物包括无机物(重金属、酸、盐等)，有机物，化学肥料，农药(杀虫剂、杀菌剂及除草剂)，放射性物质，寄生虫，病原菌和病毒等 近年来，一些新型污染物(如兽药、抗生素、溴化阻燃剂、全氟化合物等)在土壤中的赋存、迁移等也成为研究热点。 /p p 　　目前多数土壤监测方法针对的是土壤中的无机物和有机物，按测定方式可分为2种：采样后实验室测定(又称异位测定)和现场测定(又称原位测定)。 /p p 　　实验室测定方法中，针对土壤中的无机物，有光学分析法(如原子吸收光谱法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法、X射线荧光光谱法等)，仪器联用法〔如电感耦合等离子体-质谱法(ICP-MS)等〕，以及电化学法(如极谱分析法)和以特定化学反应为基础的化学分析方法。其中光学分析法适用范围广，灵敏度较高，操作便捷，应用广泛 仪器联用法可实现定性、定量分析，检测灵敏度高、重现性好，但仪器较昂贵 极谱法选择性好，可测定组分线性范围宽，能实现连续测定，但易造成汞污染 化学分析法操作简便，但样品前处理复杂，灵敏度和选择性都较低，目前使用较少。针对土壤中的有机物，分析方法主要有色谱分析法〔如气相色谱法(GC)、高效液相色谱法(HPLC)〕，以及色谱-质谱联用法〔如气相色谱-质谱法(GC-MS)和高效液相色谱-质谱法(HPLCMS)〕。 /p p 　　现场测定方法中，针对无机污染物和有机污染物，测定方法分别有便携式X 射线荧光光谱法和便携式气相色谱-质谱法等。 /p p 　　2 中国土壤环境监测标准方法现状 /p p 　　土壤环境污染监测中常用的标准方法是国家标准和环保行业标准。迄今为止，中国有51个涉及土壤监测的国家和环保行业标准方法，其中无机物和有机物监测方法分别为23个(表1)和17个(表2)，3个放射性监测方法(表3)，8个土壤理化性质及其他监测方法(表4)。 /p p 　　 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/0f7be038-b868-4c35-a30a-eebb5206ebce.jpg" style=" float:none " title=" 土壤监测1.jpg" / /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/ef16ff2d-4052-480f-ab55-cc1db1edc730.jpg" style=" float:none " title=" 土壤及检测2.jpg" / /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/a21af8d0-ad32-43ef-aa25-97291184ad40.jpg" style=" float:none " title=" 土壤监测3.jpg" / /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/e26893be-1fc9-4dc3-a8bc-e58086ff5002.jpg" style=" float:none " title=" 土壤监测4.jpg" / /p p 　　23个无机物监测方法涵盖了55种无机组分，包括33个元素总量(As、Cd、Co、Mn等)，7种氧化物(SiO2、Al2O3等)，7种盐类(氰化物、硫酸盐等)以及9种元素有效态(Cu、Fe 等)。涉及的前处理方法有3种:酸消解、碱熔和浸提(提取液有二乙烯三胺五乙酸、碳酸氢钠、氯化钾、氯化钡等溶液)。酸消解方法最为常用，又分为2种体系(常压和高压)，消解液有盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸、盐酸-硝酸(王水)等。测定方法主要有8种:ICP-MS、波长色散X 射线荧光光谱法、火焰原子吸收分光光度法、石墨炉原子吸收分光光度法、原子荧光法、分光光度法、离子选择电极法和重量法等。 /p p 　　17个有机物监测方法涉及161个组分的测定，其中绝大多数是集样品前处理和分析一体的方法，也有独立的样品前处理方法，如《土壤和沉积物有机物的提取加压流体萃取法》(HJ 783—2016)。样品前处理方法有6种:顶空、吹扫捕集、索氏提取、加压流体萃取、微波萃取和超声波提取等。分析方法有5种：GC、GC-MS、HPLC、高分辨GC-高分辨MS以及高分辨GC-低分辨MS等。161个测定组分中，包括16种多环芳烃，18种多氯联苯单体，67种挥发性有机物，17种二恶英类，10种有机磷，8种有机氯，21种酚类以及丙烯醛、丙烯腈、乙腈和毒鼠强。 /p p 　　3个放射性监测方法中，涉及钚和铀2个元素，测定方法有放射化学分析法、固体荧光法和分光光度法等。 /p p 　　8个理化指标等方法中，涉及5个测定指标(电导率、氧化还原电位、有机碳、可交换酸度、干物质和水分等)，以及5种测定方法(电极法、滴定法、重量法、分光光度法和非分散红外法等)。另外，农业、林业也有土壤检测标准方法，主要侧重于土壤营养元素及其有效态、理化指标的检测，详见表5和表6。农业行业标准方法中，有21个涉及无机元素及其有效态测定的方法，有15个涉及土壤理化指标的方法 林业行业标准方法针对的是森林土壤，有15个涉及无机元素及其有效态测定的方法，有13个涉及土壤理化指标的方法。 /p p 　　 /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/028c7c4a-4d6e-4bdf-b577-a660da14e2df.jpg" style=" float:none " title=" 土壤监测.jpg" / /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201805/insimg/400bfc0a-fd59-4d4d-90c9-abec47f38d03.jpg" style=" float:none " title=" 土壤.jpg" / /p p 　　3 中国土壤环境监测标准方法存在的问题 /p p 　　3.1 现行标准中监测污染物的数量不足 /p p 　　现行标准方法中，未覆盖目前中国生产、使用、排放的大量化学品及特征污染物。 /p p 　　一方面，特征污染物明确、但无标准方法监测。如正在修订的《建设用地土壤污染风险筛选指导值》中，虽然规定了酞酸酯类、石油烃类、毒杀酚、灭蚁灵等污染物的风险指导值，但目前尚缺标准方法，给该“指导值”的实际执行造成技术瓶颈。 /p p 　　另一方面，如何确定企业用地的特征监测因子难度更大。企业用地类型多样，人类活动强度大，涉及各种化学品和生产加工过程中产生的污染物，种类繁多，污染源类型复杂。在《建设用地土壤污染风险筛选指导值(三次征求意见稿)》中，结合行业生产特征、污染物理化和毒性性质，将污染物项目分为9类:金属与无机物、脂肪烃及其衍生物、单环芳烃及其衍生物、多环芳烃、多氯联苯与二口恶英、有机农药、石油烃和邻苯二甲酸酯，共包括121项土壤污染因子。但实际污染场地中，污染因子不限于这121项。如何合理筛选并科学监测特征污染物，从而进一步有效管控其环境、健康风险，是目前面临的一个难题。 /p p 　　3.2 一些标准方法长期没有修订，新技术、方法难有法定地位 /p p 　　正在修订的《农用地环境土壤环境质量标准》中，测定土壤中六六六和滴滴涕的方法(GB /T14550—2003)，还规定可以用填充柱分离方法，而目前几乎很少有监测单位自行填充色谱柱，普遍是购买商品化毛细管柱进行分离测定。又如，原子吸收分光光度法是测定重金属所用的普遍方法，但以该方法为基础的标准方法-铜/锌、镍、铅/镉的测定方法是1997年颁布的，且分散在GB/T 17138、GB/T 17139和GB/T 17141等3个标准中，意味着要分析1个样品中的这5种元素时，至少要使用3种不同的标准方法，人力成本较高，时效性也不好。 /p p 　　3.3 土壤环境监测基础性研究较少，对标准方法的完整性、系统性、科学性技术支持不足 /p p 　　3.3.1 土壤粒径规定不统一 /p p 　　无机样品测定时要求的粒径不统一(2.0、0.85、0.15、0.075mm等)，使得样品研磨环节时效性、可比性较差 有机样品测定时是否研磨、研磨的尺度要求不一，实际操作时无所适从。 /p p 　　土壤粒径是影响土壤光谱的重要因素之一，随着土壤粒径的减小，土壤光谱反射率呈现不同幅度的升高，小于0.154mm的土壤粒径对土壤光谱反射率的影响最大。《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)的“常规监测制样过程图”中规定，土壤样品自然风干、用四分法取压碎样、粗磨后，过孔径2mm尼龙筛后可进行样品入库存档，但在其中8.3.2小节，又规定过孔径0.25mm尼龙筛后，用于样品库存放以及土壤pH、阳离子交换量、元素有效态含量等项目的分析，前后规定有矛盾。测定土壤pH时，有要求研磨成粒径为0.25mm的，也有要求磨成2mm的，所得的数据可比性如何，还有待商榷。 /p p 　　《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)还规定，土壤元素全量分析是用研磨到全部过孔径0.15mm筛的样品，这个规定有些片面，如X射线荧光光谱法测定就需要将土壤样品研磨后过0.075mm筛。该规范中，要求用于农药测定的样品，要研磨到全部过孔径0.25mm筛，而早期的有机氯测定，的确是将样品研磨成粒径为0.25mm的，但通常土壤有机物(特别是易挥发、易分解等有机物)分析是用新鲜样品，掺拌无水硫酸钠或粒状硅藻土研磨成“细粒状”或“流砂状”，有的分析方法不要求过筛，有的要求过1mm的金属筛。 /p p 　　3.3.2 酸消解体系不统一 /p p 　　元素混酸(王水-高氯酸-氢氟酸)全溶、王水(部分全溶)、硝酸-过氧化氢法等前处理所用试剂体系不同，结果也不同，相应的结果评价体系并未一一建立，使得有些测定结果不可比、也无法评判。 /p p 　　盐酸-硝酸-高氯酸-氢氟酸的混酸“全酸”体系对样品进行消解，获得的是元素的全量，即将土壤晶格中的元素也一并提取出来 而其他一些酸浸渍法(如盐酸-硝酸溶浸法、硝酸-硫酸-高氯酸溶浸法以及硝酸溶浸法等)，对土壤中部分元素则是不完全的消解提取，测得的元素含量结果比“全酸”体系的测定结果要低。使用不同的前处理方法得到的分析结果，用同一个评价标准如《土壤环境质量标准》(GB 15618—1995)进行评价，不仅数据不可比，结论也不科学。 /p p 　　3.3.3 元素形态分析、有效态分析，在不同的场合概念不明确 /p p 　　在评估环境效应时，往往不用土壤中元素总量数值，因为元素的迁移性、生态有效性、在生物体中的积累能力(又称生物可给性)，与该元素在环境中存在的物理形态及化学形态密切相关。生物可给性指化学物质被吸收的能力和可能的毒性，是研究不同的形态被生物吸收或在生物体内积累的过程。 /p p 　　元素在环境中的物理形态与化学形态分析即为“形态分析”，目前广泛应用的形态分析方法是由TESSIER等提出的土壤样品重金属元素顺序提取法，该方法利用化学性质不同的提取剂选择提取样品中不同相态的金属元素，先后分别提取5态：可交换态、碳酸盐结合态、铁锰水合氧化物结合态、有机物和硫化物结合态和残渣态，有学者将这种方法归为物理形态分析。化学形态分析又可以分为筛选形态、分组形态、分配形态以及个体形态等分析。 /p p 　　环境中的土壤元素有效态与生物可给性概念密切相关，它与作物吸收效率有关，指在植物生长期内能够被植物根系吸收的元素，其土壤中的含量与作物的吸收有较高的相关性。多数测定中有效态的提取液是二乙烯三胺五乙酸-氯化钙-三乙醇胺(DTPA-CaCl2-TEA)缓冲溶液,可浸提出土壤中的铜、铁、锰、锌、镉、钴、镍、铅等元素。也有用0.1mol/L HCl或水浸提土壤中有效硼的，还有用1mol/L乙酸铵-对苯二酚溶液浸提有效态锰，用草酸-草酸铵溶液浸提有效态钼，用pH为4.0的乙酸-乙酸钠缓冲溶液、0.02mol/L H2SO4、0.025%或1%的柠檬酸溶液浸提硅。酸性土壤中有效硫用H3PO4-HAc溶液浸提，中性或石灰性土壤中有效硫用0.5mol/L NaHCO3溶液浸提。土壤中有效钙、镁、钾、钠用1mol/L NH4Ac浸提，土壤中有效态磷用0.03mol/L NH4F-0.025mol/L HCl或0.5mol/L NaHCO3浸提。由于各元素有效态的浸提方法不同，至今针对污染元素有效态的限值标准还很难形成。 /p p 　　在一些应用场合下，元素“形态分析”“有效态分析”概念并不很清晰，分析方法有差异，会造成不同分析方法所获得的监测结果可比性差，从而引起监测信息发布时的混乱，也难以成为污染土壤的健康风险判断和评估等工作的科学技术支撑。 /p p 　　3.4 在方法的标准化、系统化方面尚有许多工作待开展 /p p 　　3.4.1 缺少原位监测方法标准 /p p 　　至今，为数不多的土壤原位(现场)监测方法，只是用于污染物的初步、快速筛查，以定性、半定量为主，检测范围有限，灵敏度也不高，没有形成方法标准，所得测定结果不能作为科学决策及环境管理的主要依据。 /p p 　　3.4.2 样品前处理方法单独成为标准还是融入分析方法中，缺乏顶层设计 /p p 　　美国EPA的方法体系是样品前处理方法与分析方法相对独立，使用时可以自由组合，但实验室要有自己的标准操作程序(SOP)，明确自己所用的前处理、分析方法。如EPA3000系列的方法为固体样品有机物的前处理方法，其中EPA3540C方法为索氏提取、EPA3545A方法为加压流体萃取、EPA3546A方法为微波萃取、EPA3550C方法为超声波萃取等。而EPA8000系列为前处理后的有机样品分析方法，如EPA8260是GC-MS法测定挥发性有机物 EPA8270D是GC-MS法测定半挥发性有机物 EPA8290A是高分辨GC-高分辨MS测定二恶英 EPA8318A是用HPLC 法测定氨基甲酸酯类等。中国的方法体系中，往往前处理和分析是“捆绑”在一个方法中的，如《土壤和沉积物多氯联苯的测定气相色谱-质谱法》(HJ 743—2015)中，规定了微波萃取、超声波萃取、索氏提取、加压流体方法提取PCBs，并给出了具体的提取条件。但近期又有独立的前处理方法标准颁布，如《土壤和沉积物有机物的提取加压流体萃取法》(HJ 783—2016)，规定该方法适用于土壤中有机磷农药、有机氯农药、氯代除草剂、多环芳烃、邻苯二甲酸酯、多氯联苯等物质的提取。这样一来，原有方法体系中“前处理+分析方法”的模式就被打破了。“前处理+分析方法”的模式执行简单，规范性强，但若有新的前处理方法发展出来，由于重新考上岗证、将新方法纳入质量管理体系等工作需要一段时间，不能及时将新方法直接用于实践 单纯的前处理标准方法在具体实践中比较灵活，但存在与原有“前处理+分析方法”的规定可能不一致的问题，且可能会有某些实验室不制订规范的作业指导书，选用前处理方法比较随意，最终导致数据不可比。 /p p 　　今后是否沿用原有的体系，还是前处理方法相对独立，需要从顶层设计上通盘考虑。 /p p 　　3.4.3 质量保证与质量控制有待完善 /p p 　　以前的标准方法中，质量保证与质量控制的内容较少 近年来颁布的标准方法中，从新方法制订的角度，规定了“精密度”和“准确度”等质控指标，由多家实验室对污染物分别进行多次重复测定而获得。在日常样品分析时，通常情况下分析人员无须对同一样品进行3次以上的重复测定，也不太可能就一个样品，去寻找其他实验室来比对测定。因此，“精密度”和“准确度”这2个质控指标在日常分析工作中指导意义并不大，需要研究制订日常工作中实用、有效的质控指标及其评价标准，尤其是不同土壤基质下样品的回收率、平行样的测定偏差等量化评价指标。 /p p 　　3.4.4 方法的先进性、普适性较难兼顾 /p p 　　标准方法的出台，原则上需要1家方法研制单位和另外至少6家验证单位，会导致一些需要用新型、价格较为昂贵的仪器(如高分辨GCMS、HPLC-MS-MS等)进行测定的污染物(如毒杀酚、多溴联苯醚等)，其标准方法不能及时制订、颁布 而没有标准分析方法，又导致一些新型仪器推广使用受限，制约了新技术的发展。 /p p 　　又如X-荧光分析法，地质部门已将其作为标准方法使用多年，实际工作中解决了批量样品的快速、准确检测，但由于环保部门使用较少、配置仪器设备的单位较少，对该方法性能了解不全面、应用经验不足，即使有标准方法颁布，在某些专项工作中还是不推荐使用。 /p p 　　4 中国土壤环境监测方法发展建议 /p p 　　4.1 加强土壤监测标准方法的顶层设计，合理增加土壤污染物的控制种类 /p p 　　建议结合环境标准和污染控制标准的陆续更新工作，将标准方法体系规范化、系统化的规划和发展作为土壤监测标准方法顶层设计的重点，例如，合理厘清标准方法与技术规范的关系 慎重考虑今后是将样品前处理方法单独设为一种系列标准，与现有的实验室分析标准系列并行，还是融入分析方法中，成为“一体化”的标准 既继续发挥经典标准方法的作用、保持历史监测数据的连续性，又兼顾和吸纳先进、高效以及简易、快速的监测方法作为标准分析方法。 /p p 　　《国家环境保护标准“十三五”发展规划(征求意见稿)》中，拟新增14个无机物的标准测定方法，其中新增测定组分有硫化物、氟化物、Tl、Sn、六价铬等 拟新增26个有机物的标准测定方法，其中新增测定组分有持久性有机污染物(PCB混合物、指示性毒杀酚、多溴联苯、多溴联苯醚、全氟辛基磺酸和全氟辛基羧酸、六溴环十二烷和四溴双酚A)，农药(苯氧羧酸类农药、阿特拉津和西玛津、草甘膦、敌稗、代森锰锌、杀虫剂)，酞酸酯类，烷基汞，总石油烃，挥发酚，醛/酮/醚类，苯胺类和联苯胺类等 另外，还拟新增其他指标：有机化学物质吸收常数、粒度、阳离子交换容量等标准方法。说明中国土壤监测标准方法(尤其是有机物的标准方法)开发已经受到一定的重视。建议在土壤目标污染物的选择上，针对农田地块，可以参考与土壤有关系的农作物、食品残留标准所控制的污染物(如相关食品安全国家标准) 针对企业用地，要在企业历史调查基础上，筛选特征污染因子，将与企业生产活动相关、对人体健康和土壤环境质量影响较大、有可能对土壤(地下水)产生高风险的污染物，初定为目标污染物，同时要综合考虑化合物特性(反应降解、土壤吸附性、挥发性等)，目前的分析测试技术水平以及国内外土壤污染风险评价情况等，确定目标污染物，并参照国际方法、文献中相对成熟的方法，建立目标污染物的标准测试方法。 /p p 　　4.2 及时更新标准方法，大力发展多组分同时测定的高效方法 /p p 　　异位监测主要包括化学实验分析法和仪器分析法，目前几乎很少使用化学分析法研究土壤重金属、有机物，精度高、操作简单、可同时测多个项目的仪器分析法(如GC、HPLC、ICP-AES、X射线荧光光谱法等)，以及仪器联用法是主流发展趋势，从分光光度法、原子吸收分光光度法到ICP、ICP-MS，从色谱法到色谱-质谱联用，所能测的目标物范围更广，监测精度从mg/kg到μg/kg，再到ng/kg，痕量污染物的检出限逐渐降低。《国家环境保护标准“十三五”发展规划(征求意见稿)》中，新增的分析方法有ICP-AES、催化热解-原子吸收法、HPLC-MS、GC-原子荧光法等，也吸纳了仪器联用的技术手段。食品安全国家标准中，水果和蔬菜、粮谷、茶业中，分别同时测定500、475、448种农药残留，这种多残留的测定技术也值得环保领域借鉴。 /p p 　　4.3 科学研究标准方法，加强其系统性、协调性 /p p 　　今后土壤监测标准方法开发可紧紧围绕土壤质量标准、污染场地修复限值、农产品标准等的需求，也可以将相对成熟的文献方法进行标准适用性转化，相对缩短方法标准研制的周期 在方法规定的细节方面进一步予以梳理(如元素筛分的粒径相对统一)，便于提高测定效率 在测定方法与评价标准的匹配性方面要予以重视，土壤元素总量、形态和有效态测定方法均各有侧重，元素总量符合国家现行的土壤评价标准体系，且测定体系相对统一，结果可比性强 元素有效态能有效评估污染物可能的迁移、土壤污染对地下水的影响，更能反映环境效应，这些监测的目的不同，均需要研究，不可厚此薄彼 另一方面，应将总量、形态、有效态的评价方法与监测方法一一匹配，不管是元素形态分析还是有效态分析，需要模拟植物在土壤中生长的实际情况与多种因素对形态及生物可给性的综合影响，通过大量实测数据，探索具有普适意义的生物可给性方法学，并最终形成规范化的分析方法体系及可操作的控制标准体系。 /p p 　　4.4 鼓励原位监测方法的探索，使之尽可能准确、标准化 /p p 　　原位监测可实现快速、非破坏、大面积地监测土壤污染物，实验周期短，目前研究热点有便携式X-荧光光谱、高光谱遥感探测、生物发光技术(针对无机物)、便携式GC-MS(针对有机物)等，但技术大多处于定性或半定量化试验阶段，研究思路可借鉴，大面积推广应用仍需验证。对区域土壤进行监测时，可先用原位监测进行前期摸底调查，然后有针对性地重点选择异常点或面，用标准方法深入监测。原位监测的总体趋势是向精度更高的微观探索技术和节约时间成本的中观、宏观监测技术发展，不仅可用遥感技术对土壤重金属进行实地定位观测，还可用不同时期的影像叠加，对比观测土壤质量变化情况 通过近红外、热红外接收的遥感影像、光学侦测和修正(LIDAR)探测、计算得到组分含量，实现土壤污染物的定性、定量监测。 /p p 　　5 结论 /p p 　　中国土壤监测标准方法包括国家标准、行业标准两大类，其中国家标准和环保行业标准侧重于土壤污染物的检测，农业和林业行业标准侧重土壤营养元素及其有效态、理化指标的检测。在现行标准方法中，监测污染物的数量不足，一些标准方法长期未修订导致新技术和新方法尚无法定地位，土壤环境监测的基础性研究较少，对标准的完整性、系统性、科学性技术支持不足，在方法的标准化、系统化方面尚有许多工作待开展。建议加强土壤监测标准方法的顶层设计，合理增加土壤污染物的控制种类 及时更新标准方法，发展多组分同时测定的高效方法 科学研究标准方法，加强其系统性、协调性 鼓励进行原位监测方法的探索，使之尽可能地准确、标准化。 /p