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8000年前，人類開始從漁獵采集發展到馴養和種植動植物，開創了生產食物的農業。農業利用光溫水氣和土地等自然生產力，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的有機物。基于施用有機肥和牛耕人種的古老農業，是一種閉合式的物質與能量循環系統。

科技進步和社會發展，給古老農業不斷帶來變革。

農業的三次產業革命

18世紀的工業革命給農業送來了機械與能源、化肥與農藥等外源性物質與能量，打開了閉合式循環，掀起了以工業化裝備農業的第一次產業革命，生產效率與產量大幅提升。設施農業的興起，將種植與養殖引入人為的自控環境中，使生產效率與產量再度提升。當代的大數據、智能化與無人機也開始裝備農業。

農業的第二次產業革命興起于20世紀中葉。沃森發現遺傳物質脫氧核糖核酸的雙螺旋結構和波耶實現基因重組，開創了分子生物學和生物技術的新紀元，引發了以基因工程為標志的第二次農業產業革命。主要農作物基因組學研究克隆了一批具有重要育種價值的農藝性狀基因，基因編輯技術研發也取得了重要進展。繼轉基因抗蟲棉產業化后，全球轉基因玉米、大豆面積已超2億公頃。生物合成是生命科學、工程學和信息科學等諸多學科的綜合，通過合成生物技術可以構建具有獨特功能的淀粉、蛋白質、抗體等，用于食物、生物質能源以及生物基材料等。

全基因組選擇技術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已廣泛用于畜禽品種改良；動物體細胞克隆技術走向產業化，自1996年多莉羊誕生以來，每年有數以萬計的種用公豬被克隆。基因組選擇在動物干細胞中進行，通過基因編輯創制的具有抗烈性傳染病、高飼料轉化率、低碳排放、抗逆優質等特性的動物成為當家品種。

農業的第三次產業革命萌發于20世紀70年代的世界石油危機。危機中，美國用玉米、巴西用甘蔗生產燃料乙醇替代石油；北歐國家用林地劣質材和枝丫材壓制成型燃料供熱發電；德國和瑞典將屠宰與肉類加工業廢棄物及城市有機污泥，經厭氧發酵，生產沼氣和提純生物天然氣，以替代汽油驅動公交車。在能源替代實踐中，這些國家不約而同地選擇了生物質能。

20世紀末，隨著“全球氣候變化”與“可持續發展”的“減碳”時代大潮掀起，世界再次將目光聚焦于生物質。1999年，時任美國總統克林頓在“發展和促進生物基產品和生物能源”總統令中說：“目前生物基產品和生物能源技術有潛力將可再生農林業資源轉換成能滿足人類需求的電能、燃料、化學物質、藥物及其他物質的主要來源。這些領域的技術進步能在美國鄉村給農民、林業者、牧場主和商人帶來大量新的、鼓舞人心的商業和雇傭機會，為農林業廢棄物建立新市場，給未被充分利用的土地帶來經濟機會，減少美國對進口石油的依賴和溫室氣體排放，改善空氣和水的質量。”該總統令再次掀起世界性的生物質開發熱潮，生物質能已經發展成為繼煤炭、石油和天然氣之后的第四大能源，歐洲國家的生物質能的產能和應用量已居可再生能源之首。

2005年，我國煉油催化應用科學奠基人閔恩澤院士說：“從長遠看，石油終將枯竭，利用取之不盡、用之不竭的農林生物質資源的產業將會逐步興起。石油碳氫化合物生產的化石燃料，終將被碳水化合物生產的生物質燃料逐漸部分替代。”

2004年，筆者提出“生物質經濟已經浮出水面”。2016年，筆者著文指出：“農業發展的歷史長河中，作為生產對象的作物籽實和畜禽肉蛋奶只占農田生物量產出的四成，而六成的作物秸稈和畜禽糞便等被當作了‘農業廢棄物’。現代生物質轉化技術則將這些‘農業廢棄物’資源化，生產生物質能與生物基產品，將‘半生物質農業’發展為‘全生物質農業’。”

第一次農業產業革命是工業革命引發的外源性的農業產業革命，第二次是基因工程引發的內源性的農業產業革命，二者都是圍繞食物性生產的科技革命。第三次則是在植物組分上由淀粉/糖擴展到纖維素/木質素的內源性的、圍繞環保性生產的功能性革命。

農業的第三次產業革命正在發生哪些大事？

近年來，農業的功能性產業革命發生了哪些大事？

因生物質的“零碳”與“負碳”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，絕大多數都要依靠CO2的生物能源碳捕獲和儲存技術（BECCS）與碳凈負排放技術。”“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。”生物質能已經成為“雙碳”時代的領軍者與主力軍。

生物質與煤耦合發電在丹麥等歐洲國家已成為替煤減碳的主力。我國煤電的發電量和碳排放量均占全國總量六成，是實現“雙碳”目標的主戰場。倪維斗院士曾指出：“‘去煤化’現在對中國而言不現實，關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’的方向發展，火電燃料要用可再生的生物質取代，由部分替代到100%的生物質燃料替代。”

在“治霾”戰役中，天然氣一度告急，國家能源局等部門一年內連發六文，以“煤改生物質”救場，成型燃料年產量由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7億噸標煤的50多萬臺中小燃煤鍋爐，其最佳替代也要靠生物質壓縮成型燃料。

筆者曾對一個農業大縣——吉林省梨樹縣做過典型調查。該縣可用于能源的作物秸稈與畜禽糞便資源折標煤109萬噸/年，相當于12億立方米生物天然氣，產值60億元，接近于種植業或養殖業；凈利潤18億元，是種植業和養殖業之和，可使農村人均凈收入增加3300元。

發展風電和光伏發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。風電和光伏發電風生水起，消納與儲能還是離不開生物質。“綠色甲醇”2023年上馬多個項目，投資1500億元，估計今年規模會更大。

1998年，美國國家科學院提出：“生物基產品行業最終可以滿足美國90%以上的有機化學產品的需求。”2013年，歐盟生物基產品市場已經超過2萬億歐元，為社會提供了2000萬個就業崗位。當前，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品，而這些都是可以逐漸被生物基替代的；導致“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，而龐大的石化基產品唯有生物基產品能夠替代。

我國可能源用生物質資源十分豐富，年產出約120億噸，蘊藏于農田片、灌草片以及林地（三剩物）片。其中農田片面積1.35億公頃，年產出生物質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出計算，灌草片的年生物量產出為60億~70億噸。林地三剩物的撫育材和雜材等木質廢棄物約30億噸，造紙業的木質廢棄物約3億噸，果木枝條約2億噸，城市木質廢棄物約7億噸，累計約42億噸。我國年產出可能源用生物質約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突破，將生物質技術由二代推進到三代。一是內蒙古新木集團采用熱化學法，在數分鐘內將初始生物質轉化為性狀同于煤而氫含量與熱值高于煤的“煤化生物質”。煤化生物質是一個中間體平臺，可由此轉化為合成天然氣，經費托反應合成汽油、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品；其合成氫能零碳排放，熱值比天然氣高一倍，成本遠低于煤基天然氣制“灰氫”和水電解氫。

傳統生物法生產沼氣/生物天然氣時，作物秸稈和高纖維素/木質素灌草原料的容積產氣率低下。中國農業大學參照牛消化仿生學原理，設計了梯度厭氧發酵工藝設備和添加強力纖維素分解菌復合系，將作物秸稈容積產氣率提高3倍多。這是第二個重大技術突破，其意義在于可用生物法開發巨量的作物秸稈和高纖維素/木質素灌草，使有機物大規模還田沃土儲碳成為可能。

這兩項技術突破，有望在“一帶一路”沿線國家得到推廣應用。“絲綢之路經濟帶”一半以上國家的化石能源生產-消費差額為負值，累計凈負值為10.2億噸標煤。“21世紀海上絲綢之路”沿線各國是全球凈初級生產力的富產區，據歐盟專家估算，東南亞國家每年農林業有機剩余物達6.3億噸以上。“一帶一路”為生物質產業發展提供了廣闊天地，生物質可以讓“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業大學召開“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掀起。

2023年12月13日，近200個國家代表參加的《聯合國氣候變化框架公約》第二十八次締約方大會（COP28）通過了最終協議，呼吁各國“減少能源系統對化石燃料的依賴，在這關鍵的10年加快行動，以便在2050年實現與科學相符的凈零排放”“呼吁在2030年前將全球可再生能源產能增加兩倍，以及加快研發碳捕捉和碳儲存等技術，以協助難以減排的產業實現目標”。

近年發生的這些大事，都將生物質能與生物基產品推向“雙碳”時代“減碳”的“主要”與“唯一”，加快研發碳捕捉和碳儲存技術，也被載入COP28協議史冊。

生物質是自然進化之精華

生物質為何有如此優異的稟賦？因為能持續為地球提供能量的唯有太陽輻射，能將太陽輻射轉化為化學態能量的唯有生物質。

38億年前地球上出現光合作用產物，18億年前出現可捕獲太陽光能的葉綠體，是生命和生物質體將物理態能量轉換為化學態能量并代代傳承。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、在高溫高壓地質作用下脫氧聚能，由碳水化合物轉化為碳氫化合物，方有今日之煤炭、石油與天然氣。

富能的生物質為人類的生存繁衍和5000年農業文明提供了能量支持（食物）；化石能源為工業文明大廈提供了能量支撐，當代生物質因具有零碳/負碳排放、可再生和產品皆“綠”的環境功能，而成為化石能源替代的主力軍和“雙碳”時代的主力軍。當代生物質還具有振興鄉村、強化農業與走向“一帶一路”的強大社會功能。

我們不能只看到生物質的清潔能源功能，而忽視其賦存化學態能量等諸多優異稟賦；不能只看能源功能而不見強大的環境與“三農”功能，使它“混跡”于一般物理態清潔能源。

中國式現代農業

農業的第三次產業革命何以納入中國式現代農業？因為我國是農業大國和生物質資源大國；因為我國“雙碳”壓力和提升農業弱勢地位與農民收入壓力沉重；因為我國有領先的三代生物質技術，能走向“一帶一路”沿線的廣闊天地。以開發纖維素/木質素組分為中心的農業的第三次產業革命，必將助力中國式現代農業大放異彩。農業的第三次產業革命是世界的，更是中國的。

中國式現代農業將一手繼續提高機械化水利化水平和大數據智能化裝備水平，繼續推進基因工程育種和智能化栽培與養殖，提高糧食生產水平，把飯碗牢牢端在自己手上；一手開辟纖維素/木質素新領域，圍繞生態和環保目標，大力開發農田片、灌草片和林地片三大片的生物質寶藏，大力推進以沼氣/生物天然氣為中心的沃土儲碳，大力推進全生物質降解塑料等生物基合成材料的應用，為提前實現“雙碳”目標與鄉村振興作出貢獻。

中國式現代農業是生產全生物質和具有食物性生產與環保性生產雙重功能、用現代科技裝備的綠色高效農業；是一二三產融合、城鄉一體、國內與國際互促互補的新型農業體系。

對此，筆者有以下建議：

一是農田片以農作物秸稈、畜禽糞便、農產品加工業及城鎮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、林區收集三剩物為原料，根據需要以熱化學法生產生物基能源與有機化工產品。

二是開發灌草片作為國家能源戰略儲備基地。比如將1/3的邊際性土地種上灌草，即相當于20個長慶油田，隨用隨轉化為艦艇用燃料與航煤，或者民用于供熱與發電。此乃國防民生之大計，且可提供大量就業崗位。

三是讓我國的第三代生物質技術參與共建“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化為“煤化生物質”，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。

生產化學態能量載體生物質的中國式現代農業，一手托起“民以食為天”，一手托起“綠色發展”，重如千鈞。

來源：《中國科學報》