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刘奇:农业的新使命:三物思维

更新时间:2017-04-05 23:06:31
作者: 刘奇 (进入专栏)  

  

   农业的本质是开发利用生物资源,传统农业是利用植物、动物资源的“二物”农业。有史以来,人类的农业活动主要集中在植物和动物,虽然对微生物也有所利用,如食用菌的采集、制酒酿醋等,但多处于自然状态。随着高科技的深入发展,近百年来,人类的农业活动逐渐从中观世界分别向着宏观世界和微观世界两端延伸。在宏观世界里,如太空种子、太空种植、火星地球化的探索。在微观世界里,微生物的开发利用已经形成微生物肥料、微生物饲料、微生物能源燃料、微生物食品、微生物药品和微生物清洁剂六大领域。虽然技术上已不成问题,但社会的认知度却远远不够。因此,变植物、动物的“二物思维”为植物、动物、微生物的“三物思维”是农业发展的新理念、新使命、新领域。利用微生物技术开发农作物秸秆等废弃物是“点草成金”,开发禽畜粪便是“点粪成金”,而这项技术本身则是“点废成金”。且它具有“六不争”的特点:即不与人争粮,不与粮争地,不与地争肥,不与农争时,不与农产品争市场,不与其他争资源。

  

   陷入困境的二物思维

   传统农业生产对自然资源的掠夺式开发使农业生产所依赖的自然环境日趋恶化,从根本上制约了农业生产的可持续发展。我国要实现农业可持续发展的战略目标,就要向地球生物圈学习——植物生产、动物消费、微生物分解还原,形成循环往复、生生不息的农业循环系统。将传统农业调整为植物、动物和微生物资源组成的“三物”农业,是实现农业可持续发展的战略性调整之一。微生物农业是遵循生态学原理,利用微生物——分解者的作用,开发农业生物的潜在生态位,充分地利用农业生物量资源,尤其是残渣废料的利用,有利于能量的转化和物质的循环利用。同时,发展微生物农业有利于实现农产品工厂化生产,有利于改善农业生态环境,可将微生物在农业生态系统中的被动作用主动化、隐性作用显性化,从而形成地球生物圈的良性循环,有利于资源的永续利用,实现农业的可持续发展。这也是中央关于“绿色化”发展理念在农业领域的具体体现。

   微生物在地球上无处不在,在80多千米的高空,在11千米的海底,在2000米的地下,都可以找到微生物的踪迹。微生物物种丰富,未知者甚众。有人估计他们的种类可达1万亿种,但我们却知之甚少,各国的学者已经用分子生物学手段确切证明,迄今为止仍然有90%-99%的微生物未被认识。

   动物、植物和微生物是生物资源的三个支柱。但是,长期以来由于受科学技术能力的局限,我们只在植物和动物二物思维二等中观世界里打转转,在微生物上考虑的不多,尽管人类对微生物的利用已经有很长一段时间。二物思维已经使农业陷入困境。

   一是资源承载力已经超限。农业有三大系统,分别是耕地农业、草地农业和捕捞农业。种植业现在最大的问题就是土地,土地资源已经非常紧缺。我国人均土地占有只是美国的十三分之一,加拿大的十八分之一。连比我们穷的印度,土地占有都比我们多,是我们的1.2倍。改革开放以来,有3亿多亩耕地被城市与工业占了;草地系统超载过牧。草原退化越来越严重,由于气候干燥,放牧过度,易造成牧草生长不良,覆盖率降低,甚至引起沙化。草场退化可使载畜量降低,影响和限制畜牧业的发展,大到影响到整个地区的生态环境。“三江源”地区已经出现草场退化,鼠害猖獗,气候变暖使蒸发量持续增高,水源涵养功能持续下降的现象。第三个系统是捕捞系统。中国是世界上惟一一个海洋养殖大于海洋捕捞的国家。主要靠养殖来解决水产品的问题。中国水产品的消费能力比其他国家大得多。我们现在是每年人均37公斤,消费量惊人。发达国家平均26公斤,发展中国家平均18公斤。

   二是生态环境恶化。为了高产高效,过量使用农药化肥、除草剂以及动物使用的抗生素。现在面临的污染越来越严重。特别是江河湖海等富营养化等问题。太湖的蓝藻、安徽巢湖的蓝藻等事件给当地的经济与生态带来了巨大的破坏。地表水的污染也到了十分严重的地步。据有关方面调查,我们现在地表水可以测出68种抗生素,还有90多种非抗生素类的药。现在是无河不污。中国每年生产的抗生素是21万吨,人均消费138克。美国是13克,我们是人家的10倍还多。在这种生态环境中从事农业生产,产品质量必然大受影响。

   三是动植物之间的生态循环链条中断。传统农业遵循的基本规律是一个封闭的内循环。农作物种出来,种子给人吃了,根茎叶喂牲畜,人畜粪便又回到田里作为农作物的肥料。我们的农业生产就是在这样的一个循环体系中缓慢向前发展。现代农业打破了这样一个封闭的内循环,注入了两个外力;一个是从石油中提炼的农药化肥,第二个外力是机械代替了人力畜力。现代农业注入这两个外力之后整个内循环链条被打破,生态循环链条中断,农业就出现了许许多多的问题。如不光生态环境恶化,而且土地质量严重下降等。

  

   点废成金的三物思维

   高科技的介入使微生物的开发成为一个新兴的战略型产业,微观世界的开发现在已经使农业生物化进入了一个不可思议的地步。农业向未来进军,有这么一些基本特征。一是由平面向立体发展。美国、以色列、法国都在搞农业摩天大楼。一座30层的摩天大楼,可以种养100多种动植物。够5万人一年的消费。二是由自然化向设施化发展。2012年我国设施农业面积已占世界总面积的85%以上,其中95%以上是利用聚烯烃温室大棚膜覆盖。三是由化学化向生物化发展。现代农业向生物技术领域迈进。近年来,我国生物产业保持20%以上的增速,2014年生物产业产值达3.16万亿元,微生物的开发将是未来农业生物化的重中之重。四是由人控机械化向电脑自控化发展。物联网在农业中的运用使得种、管理、采摘、包装、储藏、运输等能够实现智能控制。五是由陆地化向海洋化发展。用海水浇灌的农作物科学家已经试验成功。未来的海洋文明不是以贸易为中心,而是以生产为中心,要在海洋建大农场。六是由地球化向太空化发展。已经有100多种农作物带上太空试种成功,未来我们将在太空上搞一些种植农场。借鉴太空站技术,农作物放在太空上种,用传输器采摘下来供人类食用。七是由生产化向移民化发展。美国的火星地球化的改造计划,试图在不远的将来,将人类移民至火星。

   当今世界,人类有三大前沿科技,即生物技术、新能源技术和信息技术,其中微生物技术与人类的健康长寿关系最为密切,在这一领域的研究正突飞猛进地发展。一个健康人身上携带的微生物总重最多不会超过体重的3%,但如果论细胞数量,微生物是人体细胞的10倍。每个人携带的微生物种类都有着或多或少的差异,如指纹一样独一无二。微生物就是一切难以用肉眼看见的微小生物,包括细菌、真菌这些单细胞生物,也包括病毒、立克次体这些非细胞生物。至于微生物群组,就要从微生物独特的进化特点说起。多细胞生物的传宗接代周期少则以月计,多则以年计。而细菌这样的微生物在条件适宜的情况下,只需几十分钟就能产生新一代。这样高速的繁殖令它们有着远高于多细胞生物的进化速度,能不断修改自己的基因去适应环境。在微生物研究中,很难像研究大熊猫、白鳍豚一样去研究单一微生物物种,而是要研究聚集生活在一起的、所有具备不同基因的微生物。这些微生物组合在一起就被称为微生物群组。微生物对人类来说意义重大。例如,肠道中大概包括一千余种不同的微生物,而且种类组成还在不断变化。吃的食物不同,肠道中就会滋养出不同的微生物种类。近年的生物学研究发现,肠道微生物群组竟然还是人体免疫系统的一个组成部分,是抵御致病微生物的第一道屏障。不仅如此,某些肠道微生物的分泌物还会对我们的身体产生显著的调控作用,令我们罹患肥胖症、二型糖尿病或是直肠癌,甚至影响到神经系统,让我们更快乐或更忧郁。对微生物的进一步研究、利用能让我们生活得更健康。在食品工业中使用双歧杆菌等益生菌作为添加剂,可以减少肠道感染的几率。按照这个思路,今后或许可以通过在食物中添加特定的益生菌来治疗诸如糖尿病、癌症等疾病。这些传统上要靠药物解决的疾病,今后也许只需吃点微生物就可以搞定。2016年5月,美国总统奥巴马宣布启动“国家微生物群组推动计划”,将研究目标锁定整个生态环境中的微生物群组。随着该计划的启动,人类将积累更多这方面的知识,创造更有利于人类的微生物环境(叶盛《微生物造就不一样的你》)。

   仅就发展微生物农业而言,一是利用微生物技术处理,“点草成金”,实现废弃物的无害化和再利用。当前,农业生产中产生的废弃物处理粗放、综合利用水平不高的问题日益突出。据估算,全国每年产生畜禽粪污38亿吨,综合利用率不到60%;每年生猪病死淘汰量约6000万头,集中的专业无害化处理比例不高;每年产生秸秆近9亿吨,未利用的约2亿吨;每年使用农膜200万吨,当季回收率不足2/3。这些未实现资源化利用无害化处理的农业废弃物,实际是放错了地方的资源。发展微生物农业,这些有机废弃物经微生物发酵就能转化为饲料、沼气、生物乙醇等,实现农业废弃物的无害化和再利用。

   二是可以实现农产品的工厂化生产,缓解粮食紧缺的矛盾。微生物农业是具有高科技生物工程内涵的“发酵工程”和“酶工程”,可实现农产品的工厂化生产。我国农作物秸秆,通过微生物发酵工程变为饲料,可以获得相当于400亿千克的饲料粮,这相当于目前全国每年饲料用粮的1/2。一座占地不多年产10万吨单细胞蛋白的微生物工厂,相当于12公顷耕地生产的大豆蛋白或0.25亿公顷草地饲养的牛羊所生产的动物蛋白,数目十分可观。利用秸秆类的农业有机废弃物——稻草、稻谷壳、玉米芯、棉子屑、锯木屑、甘蔗渣和泥碳配制成食用菌的培养基,可获得饲料生产(底料作畜禽的优质饲料)和食用菌生产的双丰收。微生物饲料制剂包括单细胞蛋白饲料、菌体蛋白饲料、饲用酶制剂、真菌饲料添加剂、维生素类添加剂、抗生素类制剂、氨基酸类、活体微生物类、发酵饲料等。其混配在饲料中可起到帮助消化、促进生长以及提高畜禽自身免疫力,防病治病的作用。微生物饲料制剂由于可工厂化生产,效率高,且有利于环境保护而日益受到人们的重视。许多微生物除了可作饲料添加剂,还可用于发酵工程来生产大量饲料,实现人畜分粮,缓解粮食紧缺的矛盾。近年来,农业生产上利用残渣食物链进行食物生产也越来越多,尤以食用菌为纽带的生态模式效果明显。微生物菌体以其丰富的蛋白质、氨基酸及维生素含量列为重要营养食品,许多食用菌品种还以其突出的抗癌、降脂、增智及提高机体免疫力的功效而成为首屈一指的保健食品。国际食品界已将其列为21世纪的八大营养保健食品之一。据科学估计中国菌物种约有18万种左右,其中大型真菌约2.7万种。目前已发现并报道的食用菌有710多种,其中能进行人工栽培的约有50种,已经形成规模的商业栽培有15种左右。

   三是可以改善农业生态环境,实现农业可持续发展。21世纪人类社会发展的首要问题是生态环境保护问题。农药、化肥的大量投入,给生态环境造成了严重的破坏,对大气、土壤和水体造成了不同程度的污染。为了促进我国农业的可持续发展,微生物在农业生产中必将扮演更为重要的角色。发展微生物农业,一方面减少农业废弃物污染,将有机废物变废为宝,有利于生态环境保护;另一方面,微生物农业中的生态环境保护剂,还可直接清除空气中的废气、污水和土壤中的有害化学物质,是国际上正在兴起的一项新产业。发展微生物农业不仅可以满足人们对食品数量增加、质量改善和食品安全的需求,而且可以有效地提高动、植物资源利用率,改善和保护生态环境。2013年,美国出版了《微生物养活世界》一书,强调通过调控土壤微生物区系能够增产20%,减少20%的化肥与农药,是未来环境友好、经济高效农业的新出路。

我国高度重视生物技术和产业的发展,出台了一系列战略规划,研发投入持续增加,取得了一批标志性科技成果,(点击此处阅读下一页)

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