李十中:生物经济发展趋向:构建生物食源产业与生物能源产业体系

选择字号:   本文共阅读 152 次 更新时间:2022-10-03 09:52:38

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李十中  

  

   生物经济是由生命科学和生物技术的科研与创新驱动,建立在工程、计算机和信息科学技术进步基础上的经济活动,包括将可再生生物资源生产和加工为食品、饲料、生物基产品和生物能源等商品。生物经济发展迅猛,被认为与前三次工业革命中发明蒸汽机、科技和规模化生产、数字技术兴起一样,是第四次工业革命的关键。生物经济已根植于当前能源、运输和工业的深远转型之中,《巴黎协定》缔约以来,生物经济从起步时的生物医药到现在更聚焦于可持续利用生物资源生产能源和生物基产品的全球工业转型,促进了经济增长、能源安全和环境改善,推动2030年全球可持续发展目标和《巴黎协定》气候目标的实现。美国已把发展生物经济上升到与中国竞争,保持国家全球领导地位的高度,生物经济对美国GDP的贡献为5.1%,其中一多半来自生物医药以外的农业和工业生物技术领域。2021年7月,美国农业部发布《美国生物基产品行业的经济影响分析(2019年)》,该报告显示:美国生物基产品行业创造经济增加值4700亿美元,提供460万个工作岗位,每个生物基工作岗位可在其他经济部门创造2.79个工作岗位。欧盟27国的生物经济占GDP的4.7%,提供了1750万个就业机会。俄乌冲突导致全球粮食、油气市场供应紧张和价格上涨,发展生物农业和用生物质替代化石燃料已成当务之急、重中之重。2022年6月21日,李克强总理在河北考察时强调,扛稳保障粮食和能源安全责任。

   2022年5月,国家发展改革委印发的《“十四五”生物经济发展规划》(以下简称《规划》)明确提出面向农业现代化的生物农业、面向绿色低碳的生物质替代应用等4大优先重点发展领域。粮食和能源是支撑国民经济健康有序运行的最基础生产生活资料。2021年,我国进口石油5.13亿吨,占石油消费的72%,支出2573.31亿美元;进口肉类产品938万吨,占国内产量的12.28%,折合粮食3737万吨,支出321.58亿美元。《规划》提出培育壮大生物农业和生物能源支柱产业,不仅关乎经济转型,而且关乎守住国家发展生命线。

   生物农业就是贯彻习近平总书记的“大食物观”,即“向植物动物微生物要热量、要蛋白”,“全方位、多途径开发食物资源,开发丰富多样的食物品种,实现各类食物供求平衡,更好满足人民群众日益多元化的食物消费需求”的生物食源产业;同时,依托生物农业提供的原料,通过自主技术创新把作物生产成食物后的其他组分或能源作物加工转化为替代石油的燃料、化学品和材料等商品能源载体,又可发展生物能源产业。笔者认为,利用我国可开发边际土地资源和调整种植结构,重点建设生物食源和生物能源“双源”产业,把“绿色饭碗”和“绿色油枪”都端在自己手里,是高质量发展生物经济的关键。

   一、生物食源产业:面向农业现代化的生物农业重要发展路径

   农业是国家之根本,是国民经济的命脉。随着我国经济发展与人民生活水平的提高,国民的膳食结构更加趋于合理,全国人均粮食消费量从1978年的248公斤下降到目前的130公斤左右。即便如此,我国人均肉奶消费水平也只有发达国家的1/3,甚至与同是发展中国家的印度相比也有很大差距,其根本原因就是耕地资源紧缺,无法满足畜牧业发展的饲料需求。

   2022年3月全国两会期间,习近平总书记参加全国政协十三届五次会议的农业界、社会福利和社会保障界委员联组会时指出:“要树立大食物观,从更好满足人民美好生活需要出发,掌握人民群众食物结构变化趋势,在确保粮食供给的同时,保障肉类、蔬菜、水果、水产品等各类食物有效供给,缺了哪样也不行。”因此,顺应“解决温饱”转向“营养多元”的新趋势,发展面向农业现代化的生物农业,就是建立大食物观下的生物食源产业,向植物动物微生物要热量、要蛋白。

   我国饲料粮消费已超过谷物总消费量的40%,保障粮食安全,主要压力在饲料粮。我国进口高粱以替代玉米作为饲料粮,2021年进口了942万吨,支出30.26亿美元;进口干草199.24万吨,支出7.53亿美元。早在2014年,中国工程院院士任继周就担忧我国饲料缺乏会影响肉蛋奶供应,指出饲料需求已是口粮需求的2.5倍。而且,牛羊消化纤维素获得的能量远多于淀粉。因此,国家实施“粮改饲”方案,调整部分耕地以种植全株青贮玉米、甜高粱、苜蓿、饲用燕麦等饲草作物。2015年以来的“粮改饲”实践表明,发展优质饲草产业,不但可以提高牛羊生产性能和养殖效率,还可以减少牛羊养殖过程中玉米和豆粕等精饲料用量,实现“化草为粮”“以草代粮”。

   饲料粮压力大、饲料短缺问题可通过提高耕地使用效率来解决。在营养价值不变的前提下,种植更高效的饲料——新型饲用甜高粱,亩产干物质最高可达3吨,是全株青贮玉米的2~3倍;干物质消化率为71.8%,比青贮玉米高15.2%。甜高粱青贮饲料的适口性、消化率均优于青贮玉米,饲喂中国荷斯坦奶牛,比饲喂青贮玉米产奶量提高13.19%、12.16%、9.8%,或日均产奶量略高于饲喂青贮玉米对照组,但差异不显著(P>0.05);同时,可以降低牛奶中体细胞数目,对预防泌乳奶牛乳房炎起到一定积极作用;奶牛日粮中添加甜高粱还能增加牛奶中亚麻酸的含量,这表明青贮甜高粱可以代替青贮玉米安全高效地饲喂奶牛。饲喂青贮甜高粱比饲喂全株青贮玉米的肉牛日增重提高8.82%、1.68%,或比全株青贮玉米对照组牛日增重低0.09公斤,但无显著性差异(P>0.05),这表明饲喂青贮甜高粱后肉牛的增重效果与饲喂全株青贮玉米相当。因此,青贮甜高粱能替代全株玉米饲喂肉牛,并因生物产量大而满足肉奶牛对优质饲草料的需求,降低畜牧业饲料成本,提高经济效益。此外,甜高粱茎秆中富含糖,可通过固体发酵工艺转化为乙醇,蒸馏分离乙醇后的酒糟最适宜作为粗饲料使用,直接喂养肉牛日可增重1.26公斤。研究人员还利用酒糟与其它饲料复配,开发出适口性好、价格低廉、具有一定饲用价值的复合饲料。

   甜高粱是高粱的变种,耐盐碱、抗旱、耐涝,不仅产高粱米,而且茎秆生物量大、含糖丰富,是优质反刍动物饲料来源,其茎秆中的糖还能用来生产替代石油的能源、材料与化学品,因此,种植甜高粱一种作物就能同时满足粮食、饲料、能源需求,从而减少争粮争地的矛盾。美国种子公司Nex Steppe总裁兼首席执行官Anna Rath高度评价甜高粱,认为其和玉米一样具有相对明了的遗传学、相对较短的育种和产品开发周期等可成为成功农作物的特性,并且在水肥投入和在更恶劣环境或边际土地上生长的能力更胜一筹,在生物经济对大规模、可靠、可持续、稳定和具有成本效益的原料日益增长的需求中可发挥重要作用。由于农业生物技术的进步,美国的玉米亩产在1980年到2010年的30年间提高了1倍。甜高粱在提高产量、含糖量等生物过程中的调控相对更容易实现,调整现有饲料地种植结构,改种甜高粱,可以增加饲料供应,将我国人均肉奶消费量提高1倍,达到发达国家2/3的水平。

   2021年10月,习近平总书记在考察黄河入海口并主持召开深入推动黄河流域生态保护和高质量发展座谈会时指出:“18亿亩耕地红线要守住,5亿亩盐碱地也要充分开发利用。如果耐盐碱作物发展起来,对保障中国粮仓、中国饭碗将起到重要作用。”甜高粱耐盐浓度高达0.9%,在pH值5.0~8.5的土壤上均能正常生长。澳亚牧场在山东省东营市盐碱地上种植甜高粱以作奶牛的青贮饲料。这里的盐碱地没有灌溉条件,完全靠天然降雨,土壤pH值大于9,含盐量为0.35%~0.5%,土壤的有机质含量几乎为零,曾经种过玉米,但颗粒无收。2015年以来,该地连续种植甜高粱,产量已从刚开始时的4吨/亩,提高到现在的5吨/亩,种植面积也从10000亩增加到16000亩。甜高粱固体发酵生产乙醇后的酒糟亦是优异的盐碱地改良剂,将其施用于盐碱地1年后,土壤含盐量下降36%,pH值降低13.6%,孔隙度上升20%,有机质和氮含量分别增加75%和56%,微生物含量提高2~17倍,改良后土壤可以种植高粱、玉米等作物。

   通过在中轻度盐碱地上种植甜高粱,用生产乙醇后的部分酒糟改良重度盐碱地,可以逐步利用11416万亩可开发盐碱地,提供饲料和乙醇,满足食源和能源需求。中国近一半国土的降水量在400毫米以下,没有灌溉就没有树,只有草;还有一些沙漠和草原,连草都不长。如果种植耐盐耐旱植物,植被一旦覆盖上这些土地,沙尘暴的问题就解决了。高粱是少数能够应对气候变暖和随之而来的水资源短缺问题的作物之一,对盐更有抵抗力。美国能源部已资助丹佛斯植物科学中心,研究将高粱改良为生物能源作物。我国依托生物育种技术和节水技术,开发可用于非牧业农用土地,但未利用的可改造沙漠的8%,以及部分干旱低效利用草原,分别形成47318万亩和13263万亩可利用耕地和园地,再加上可改造的11416万亩盐碱地,当前可以改造利用的土地共计约7.2亿亩。种植甜高粱发展生物食源产业,既可使我国人均肉奶消费达到发达国家水平,又能为生物能源产业提供原料,生产2亿吨乙醇,替代3亿吨进口原油。使“四只蹄子”(牛羊)与“四个轮子”(汽车)并驾齐驱,相得益彰地保持我国经济发展速度。

   农业已不仅是供应粮食、蔬果和肉蛋奶,以及提供轻工业原料的产业,而且要成为替代化石燃料生产能源和化工产品的重要原料来源。我们应在继续发展种植业的同时,加快林业和畜牧水产业发展,更加集约地利用各种农业资源。同时,发展新型能源作物,拓展农业发展新空间,构建生物食源与生物能源“双源”产业体系。

   二、生物能源产业:面向绿色低碳的生物质替代应用

   生物质不仅能吸碳聚能,还可通过现代技术转化为可再生清洁能源,替代化石能源以减排二氧化碳。燧人氏钻木取火,人类最早使用的能源就是生物能源,随着社会进步和经济发展,煤炭、石油、天然气成为能源主体,也导致气候变暖和大气污染。生物能源结合碳捕集与封存被认为是控制全球平均升温在1.5℃之内(21世纪末控制在2℃之内)的主要负排放技术。到2050年,生物能源具有年替代68.25亿吨标煤到102.37亿吨标煤的潜力,最高可减排230亿吨CO2/年。俄乌冲突暴露了欧洲对化石燃料进口的严重依赖,针对欧洲如何摆脱对化石燃料进口的严重依赖和扭转气候变化趋势,国际能源署生物质能执行委员会主席Paul Bennett指出:“生物能源是能源转型中被忽视的巨人。没有生物能源,迈向无化石能源、提高能源安全和碳中和的步骤将不会成功。”

   生物能源是世界上使用最广泛的可再生能源,约占全球能源供应的10%,约占欧洲可再生能源约60%。生物能源既是欧洲能源安全的重要组成部分,也是全球能源安全的重要组成部分。生物能源与其他可再生能源相比,最大的优势是其物质属性,生物能源能以燃料、材料(塑料、橡胶、纤维)等形式替代石油和天然气;价格比化石燃料稳定;资源生产、供应稳定,没有风能、太阳能那样的昼夜及季节性波动;还与现有基础设施兼容,可满足当前替代石油天然气的迫切需求。

   一个常见的关于清洁能源转型的响亮口号是“把一切都电动化”,但并非所有交通工具都能电动化。如在难以实现电动化和降低碳密度的商用车、海运和航空领域,就只能依靠生物燃料。2021年7月,欧盟委员会发布的欧盟绿色新政的核心政策“Fitfor55”减排一揽子方案承诺,欧盟在2030年比1999年减排55%的温室气体,在交通领域主要还是依靠基于作物的生物燃料来实现。有类似政策取向的还有印度,该国已开始用乙醇做农机和建筑设备的替代燃料。

生物燃料是目前唯一大规模取代石油的可再生燃料,包括燃料乙醇和生物柴油,全球年产量约1.2亿吨。其中燃料乙醇9143万吨。全球64个国家和地区使用乙醇汽油,(点击此处阅读下一页)

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