8000年前，人類開始從漁獵采集發(fā)展到馴養(yǎng)和種植動植物，開創(chuàng)了生產(chǎn)食物的農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)利用光溫水氣和土地等自然生產(chǎn)力，以植物體自身的光合作用，利用光能將吸收的二氧化碳和水合成富能和富營養(yǎng)的有機物。基于施用有機肥和牛耕人種的古老農(nóng)業(yè)，是一種閉合式的物質(zhì)與能量循環(huán)系統(tǒng)。
科技進步和社會發(fā)展，給古老農(nóng)業(yè)不斷帶來變革。
農(nóng)業(yè)的三次產(chǎn)業(yè)革命
18世紀(jì)的工業(yè)革命給農(nóng)業(yè)送來了機械與能源、化肥與農(nóng)藥等外源性物質(zhì)與能量，打開了閉合式循環(huán)，掀起了以工業(yè)化裝備農(nóng)業(yè)的第一次產(chǎn)業(yè)革命，生產(chǎn)效率與產(chǎn)量大幅提升。設(shè)施農(nóng)業(yè)的興起，將種植與養(yǎng)殖引入人為的自控環(huán)境中，使生產(chǎn)效率與產(chǎn)量再度提升。當(dāng)代的大數(shù)據(jù)、智能化與無人機也開始裝備農(nóng)業(yè)。
農(nóng)業(yè)的第二次產(chǎn)業(yè)革命興起于20世紀(jì)中葉。沃森發(fā)現(xiàn)遺傳物質(zhì)脫氧核糖核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)和波耶實現(xiàn)基因重組，開創(chuàng)了分子生物學(xué)和生物技術(shù)的新紀(jì)元，引發(fā)了以基因工程為標(biāo)志的第二次農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)革命。主要農(nóng)作物基因組學(xué)研究克隆了一批具有重要育種價值的農(nóng)藝性狀基因，基因編輯技術(shù)研發(fā)也取得了重要進展。繼轉(zhuǎn)基因抗蟲棉產(chǎn)業(yè)化后，全球轉(zhuǎn)基因玉米、大豆面積已超2億公頃。生物合成是生命科學(xué)、工程學(xué)和信息科學(xué)等諸多學(xué)科的綜合，通過合成生物技術(shù)可以構(gòu)建具有獨特功能的淀粉、蛋白質(zhì)、抗體等，用于食物、生物質(zhì)能源以及生物基材料等。
全基因組選擇技術(shù)已成為畜禽品種改良的重要手段，動物一出生就進行選種；獲諾貝爾獎的動物基因編輯技術(shù)已廣泛用于畜禽品種改良；動物體細(xì)胞克隆技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化，自1996年多莉羊誕生以來，每年有數(shù)以萬計的種用公豬被克隆。基因組選擇在動物干細(xì)胞中進行，通過基因編輯創(chuàng)制的具有抗烈性傳染病、高飼料轉(zhuǎn)化率、低碳排放、抗逆優(yōu)質(zhì)等特性的動物成為當(dāng)家品種。
農(nóng)業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命萌發(fā)于20世紀(jì)70年代的世界石油危機。危機中，美國用玉米、巴西用甘蔗生產(chǎn)燃料乙醇替代石油；北歐國家用林地劣質(zhì)材和枝丫材壓制成型燃料供熱發(fā)電；德國和瑞典將屠宰與肉類加工業(yè)廢棄物及城市有機污泥，經(jīng)厭氧發(fā)酵，生產(chǎn)沼氣和提純生物天然氣，以替代汽油驅(qū)動公交車。在能源替代實踐中，這些國家不約而同地選擇了生物質(zhì)能。
20世紀(jì)末，隨著“全球氣候變化”與“可持續(xù)發(fā)展”的“減碳”時代大潮掀起，世界再次將目光聚焦于生物質(zhì)。1999年，時任美國總統(tǒng)克林頓在“發(fā)展和促進生物基產(chǎn)品和生物能源”總統(tǒng)令中說：“目前生物基產(chǎn)品和生物能源技術(shù)有潛力將可再生農(nóng)林業(yè)資源轉(zhuǎn)換成能滿足人類需求的電能、燃料、化學(xué)物質(zhì)、藥物及其他物質(zhì)的主要來源。這些領(lǐng)域的技術(shù)進步能在美國鄉(xiāng)村給農(nóng)民、林業(yè)者、牧場主和商人帶來大量新的、鼓舞人心的商業(yè)和雇傭機會，為農(nóng)林業(yè)廢棄物建立新市場，給未被充分利用的土地帶來經(jīng)濟機會，減少美國對進口石油的依賴和溫室氣體排放，改善空氣和水的質(zhì)量。”該總統(tǒng)令再次掀起世界性的生物質(zhì)開發(fā)熱潮，生物質(zhì)能已經(jīng)發(fā)展成為繼煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源，歐洲國家的生物質(zhì)能的產(chǎn)能和應(yīng)用量已居可再生能源之首。
2005年，我國煉油催化應(yīng)用科學(xué)奠基人閔恩澤院士說：“從長遠(yuǎn)看，石油終將枯竭，利用取之不盡、用之不竭的農(nóng)林生物質(zhì)資源的產(chǎn)業(yè)將會逐步興起。石油碳?xì)浠衔锷a(chǎn)的化石燃料，終將被碳水化合物生產(chǎn)的生物質(zhì)燃料逐漸部分替代。”
2004年，筆者提出“生物質(zhì)經(jīng)濟已經(jīng)浮出水面”。2016年，筆者著文指出：“農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷史長河中，作為生產(chǎn)對象的作物籽實和畜禽肉蛋奶只占農(nóng)田生物量產(chǎn)出的四成，而六成的作物秸稈和畜禽糞便等被當(dāng)作了‘農(nóng)業(yè)廢棄物’。現(xiàn)代生物質(zhì)轉(zhuǎn)化技術(shù)則將這些‘農(nóng)業(yè)廢棄物’資源化，生產(chǎn)生物質(zhì)能與生物基產(chǎn)品，將‘半生物質(zhì)農(nóng)業(yè)’發(fā)展為‘全生物質(zhì)農(nóng)業(yè)’。”
第一次農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)革命是工業(yè)革命引發(fā)的外源性的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)革命，第二次是基因工程引發(fā)的內(nèi)源性的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)革命，二者都是圍繞食物性生產(chǎn)的科技革命。第三次則是在植物組分上由淀粉/糖擴展到纖維素/木質(zhì)素的內(nèi)源性的、圍繞環(huán)保性生產(chǎn)的功能性革命。
農(nóng)業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命正在發(fā)生哪些大事？
近年來，農(nóng)業(yè)的功能性產(chǎn)業(yè)革命發(fā)生了哪些大事？
因生物質(zhì)的“零碳”與“負(fù)碳”排放，政府間氣候變化專門委員會于2011年正式提出：“為確保本世紀(jì)末全球溫升控制在2℃乃至1.5℃，在提出的116個對策方案中，絕大多數(shù)都要依靠CO2的生物能源碳捕獲和儲存技術(shù)（BECCS）與碳凈負(fù)排放技術(shù)。”“BECCS是極少有的、能將近幾百年來被大氣吸收積存的CO2吸出/移走的技術(shù)。”生物質(zhì)能已經(jīng)成為“雙碳”時代的領(lǐng)軍者與主力軍。
生物質(zhì)與煤耦合發(fā)電在丹麥等歐洲國家已成為替煤減碳的主力。我國煤電的發(fā)電量和碳排放量均占全國總量六成，是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主戰(zhàn)場。倪維斗院士曾指出：“‘去煤化’現(xiàn)在對中國而言不現(xiàn)實，關(guān)閉全部燃煤電廠也是不可能的。中國電力要從‘減煤’向最終‘去煤’的方向發(fā)展，火電燃料要用可再生的生物質(zhì)取代，由部分替代到100%的生物質(zhì)燃料替代。”
在“治霾”戰(zhàn)役中，天然氣一度告急，國家能源局等部門一年內(nèi)連發(fā)六文，以“煤改生物質(zhì)”救場，成型燃料年產(chǎn)量由2009年的50萬噸迅速增加至2016年的900萬噸。我國“壓煤”的難點在于全國年消費量約7億噸標(biāo)煤的50多萬臺中小燃煤鍋爐，其最佳替代也要靠生物質(zhì)壓縮成型燃料。
筆者曾對一個農(nóng)業(yè)大縣——吉林省梨樹縣做過典型調(diào)查。該縣可用于能源的作物秸稈與畜禽糞便資源折標(biāo)煤109萬噸/年，相當(dāng)于12億立方米生物天然氣，產(chǎn)值60億元，接近于種植業(yè)或養(yǎng)殖業(yè)；凈利潤18億元，是種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)之和，可使農(nóng)村人均凈收入增加3300元。
發(fā)展風(fēng)電和光伏發(fā)電的瓶頸是電力消納與儲能，電解水制氫一度呼聲頗高，但成本、貯存、運輸和安全性等難題不好解決。風(fēng)電和光伏發(fā)電風(fēng)生水起，消納與儲能還是離不開生物質(zhì)。“綠色甲醇”2023年上馬多個項目，投資1500億元，估計今年規(guī)模會更大。
1998年，美國國家科學(xué)院提出：“生物基產(chǎn)品行業(yè)最終可以滿足美國90%以上的有機化學(xué)產(chǎn)品的需求。”2013年，歐盟生物基產(chǎn)品市場已經(jīng)超過2萬億歐元，為社會提供了2000萬個就業(yè)崗位。當(dāng)前，我國每年要花約4000億美元進口乙烯、丙烯、乙二醇等石化基有機化學(xué)品，而這些都是可以逐漸被生物基替代的；導(dǎo)致“白色污染”的石化基塑料的唯一替代品是全生物降解塑料；未來清潔能源可以由核聚變等替代，而龐大的石化基產(chǎn)品唯有生物基產(chǎn)品能夠替代。
我國可能源用生物質(zhì)資源十分豐富，年產(chǎn)出約120億噸，蘊藏于農(nóng)田片、灌草片以及林地（三剩物）片。其中農(nóng)田片面積1.35億公頃，年產(chǎn)出生物質(zhì)23億噸。灌草片面積14.4億公頃，按自然檸條植被的年生物量產(chǎn)出計算，灌草片的年生物量產(chǎn)出為60億~70億噸。林地三剩物的撫育材和雜材等木質(zhì)廢棄物約30億噸，造紙業(yè)的木質(zhì)廢棄物約3億噸，果木枝條約2億噸，城市木質(zhì)廢棄物約7億噸，累計約42億噸。我國年產(chǎn)出可能源用生物質(zhì)約120億噸，這是一座巨量的、寶貴的國家綠色寶藏。
2022年，我國取得兩項重大技術(shù)突破，將生物質(zhì)技術(shù)由二代推進到三代。一是內(nèi)蒙古新木集團采用熱化學(xué)法，在數(shù)分鐘內(nèi)將初始生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為性狀同于煤而氫含量與熱值高于煤的“煤化生物質(zhì)”。煤化生物質(zhì)是一個中間體平臺，可由此轉(zhuǎn)化為合成天然氣，經(jīng)費托反應(yīng)合成汽油、柴油、航空煤油、甲醇、烯烴、乙二醇、合成氨和尿素等多種有機化工產(chǎn)品；其合成氫能零碳排放，熱值比天然氣高一倍，成本遠(yuǎn)低于煤基天然氣制“灰氫”和水電解氫。
傳統(tǒng)生物法生產(chǎn)沼氣/生物天然氣時，作物秸稈和高纖維素/木質(zhì)素灌草原料的容積產(chǎn)氣率低下。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)參照牛消化仿生學(xué)原理，設(shè)計了梯度厭氧發(fā)酵工藝設(shè)備和添加強力纖維素分解菌復(fù)合系，將作物秸稈容積產(chǎn)氣率提高3倍多。這是第二個重大技術(shù)突破，其意義在于可用生物法開發(fā)巨量的作物秸稈和高纖維素/木質(zhì)素灌草，使有機物大規(guī)模還田沃土儲碳成為可能。
這兩項技術(shù)突破，有望在“一帶一路”沿線國家得到推廣應(yīng)用。“絲綢之路經(jīng)濟帶”一半以上國家的化石能源生產(chǎn)-消費差額為負(fù)值，累計凈負(fù)值為10.2億噸標(biāo)煤。“21世紀(jì)海上絲綢之路”沿線各國是全球凈初級生產(chǎn)力的富產(chǎn)區(qū)，據(jù)歐盟專家估算，東南亞國家每年農(nóng)林業(yè)有機剩余物達6.3億噸以上。“一帶一路”為生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了廣闊天地，生物質(zhì)可以讓“一帶一路”“綠”起來。
2021年，國際海事組織和歐盟制定了航運燃料脫碳化目標(biāo)和征收碳稅政策，提出的替代燃料是生物基甲醇和生物天然氣。2023年5月，法國達飛與馬士基等世界海運巨頭在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)召開“供需方交流會”，會上提出“綠色甲醇有多少，我們要多少”。歐洲是我國外貿(mào)重要進出口地，如不改用生物基甲醇，我國每年需繳碳稅約40億歐元。在電力難以替代的能源領(lǐng)域，生物基“綠色甲醇”將成為替代汽油、柴油和航空煤油的完美“零碳燃料”，世界性的狂購熱潮已經(jīng)掀起。
2023年12月13日，近200個國家代表參加的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會（COP28）通過了最終協(xié)議，呼吁各國“減少能源系統(tǒng)對化石燃料的依賴，在這關(guān)鍵的10年加快行動，以便在2050年實現(xiàn)與科學(xué)相符的凈零排放”“呼吁在2030年前將全球可再生能源產(chǎn)能增加兩倍，以及加快研發(fā)碳捕捉和碳儲存等技術(shù)，以協(xié)助難以減排的產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)目標(biāo)”。
近年發(fā)生的這些大事，都將生物質(zhì)能與生物基產(chǎn)品推向“雙碳”時代“減碳”的“主要”與“唯一”，加快研發(fā)碳捕捉和碳儲存技術(shù)，也被載入COP28協(xié)議史冊。
生物質(zhì)是自然進化之精華
生物質(zhì)為何有如此優(yōu)異的稟賦？因為能持續(xù)為地球提供能量的唯有太陽輻射，能將太陽輻射轉(zhuǎn)化為化學(xué)態(tài)能量的唯有生物質(zhì)。
38億年前地球上出現(xiàn)光合作用產(chǎn)物，18億年前出現(xiàn)可捕獲太陽光能的葉綠體，是生命和生物質(zhì)體將物理態(tài)能量轉(zhuǎn)換為化學(xué)態(tài)能量并代代傳承。4億年前海洋生物登陸、高等植物大繁殖，大量植物殘體在厭氧條件下以泥炭形式累積、在高溫高壓地質(zhì)作用下脫氧聚能，由碳水化合物轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔铮接薪袢罩禾俊⑹团c天然氣。
富能的生物質(zhì)為人類的生存繁衍和5000年農(nóng)業(yè)文明提供了能量支持（食物）；化石能源為工業(yè)文明大廈提供了能量支撐，當(dāng)代生物質(zhì)因具有零碳/負(fù)碳排放、可再生和產(chǎn)品皆“綠”的環(huán)境功能，而成為化石能源替代的主力軍和“雙碳”時代的主力軍。當(dāng)代生物質(zhì)還具有振興鄉(xiāng)村、強化農(nóng)業(yè)與走向“一帶一路”的強大社會功能。
我們不能只看到生物質(zhì)的清潔能源功能，而忽視其賦存化學(xué)態(tài)能量等諸多優(yōu)異稟賦；不能只看能源功能而不見強大的環(huán)境與“三農(nóng)”功能，使它“混跡”于一般物理態(tài)清潔能源。
中國式現(xiàn)代農(nóng)業(yè)
農(nóng)業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命何以納入中國式現(xiàn)代農(nóng)業(yè)？因為我國是農(nóng)業(yè)大國和生物質(zhì)資源大國；因為我國“雙碳”壓力和提升農(nóng)業(yè)弱勢地位與農(nóng)民收入壓力沉重；因為我國有領(lǐng)先的三代生物質(zhì)技術(shù)，能走向“一帶一路”沿線的廣闊天地。以開發(fā)纖維素/木質(zhì)素組分為中心的農(nóng)業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命，必將助力中國式現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大放異彩。農(nóng)業(yè)的第三次產(chǎn)業(yè)革命是世界的，更是中國的。
中國式現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將一手繼續(xù)提高機械化水利化水平和大數(shù)據(jù)智能化裝備水平，繼續(xù)推進基因工程育種和智能化栽培與養(yǎng)殖，提高糧食生產(chǎn)水平，把飯碗牢牢端在自己手上；一手開辟纖維素/木質(zhì)素新領(lǐng)域，圍繞生態(tài)和環(huán)保目標(biāo)，大力開發(fā)農(nóng)田片、灌草片和林地片三大片的生物質(zhì)寶藏，大力推進以沼氣/生物天然氣為中心的沃土儲碳，大力推進全生物質(zhì)降解塑料等生物基合成材料的應(yīng)用，為提前實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)與鄉(xiāng)村振興作出貢獻。
中國式現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是生產(chǎn)全生物質(zhì)和具有食物性生產(chǎn)與環(huán)保性生產(chǎn)雙重功能、用現(xiàn)代科技裝備的綠色高效農(nóng)業(yè)；是一二三產(chǎn)融合、城鄉(xiāng)一體、國內(nèi)與國際互促互補的新型農(nóng)業(yè)體系。
對此，筆者有以下建議：
一是農(nóng)田片以農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)及城鎮(zhèn)有機廢水廢渣和廚余垃圾等為原料，以生物法和分布式生產(chǎn)沼氣/生物天然氣以及有機物還田沃土儲碳。灌草片種植能源灌草、林區(qū)收集三剩物為原料，根據(jù)需要以熱化學(xué)法生產(chǎn)生物基能源與有機化工產(chǎn)品。
二是開發(fā)灌草片作為國家能源戰(zhàn)略儲備基地。比如將1/3的邊際性土地種上灌草，即相當(dāng)于20個長慶油田，隨用隨轉(zhuǎn)化為艦艇用燃料與航煤，或者民用于供熱與發(fā)電。此乃國防民生之大計，且可提供大量就業(yè)崗位。
三是讓我國的第三代生物質(zhì)技術(shù)參與共建“一帶一路”，東南亞巨量的橡膠、棕櫚等熱帶植物廢棄物可以就地轉(zhuǎn)化為“煤化生物質(zhì)”，非洲和西伯利亞無邊際的泰加林的枝丫材也可以得到很好利用。
生產(chǎn)化學(xué)態(tài)能量載體生物質(zhì)的中國式現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，一手托起“民以食為天”，一手托起“綠色發(fā)展”，重如千鈞。
來源：《中國科學(xué)報》
