農(nóng)業(yè)的新使命：三物思維（上）

農(nóng)業(yè)的新使命：三物思維（上）

劉 奇

劉奇專欄·八十三

劉奇，博士生導(dǎo)師，國(guó)務(wù)院參事室特約研究員，中國(guó)農(nóng)經(jīng)學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，中國(guó)農(nóng)村政策研究中心研究員，清華大學(xué)中國(guó)農(nóng)村研究院學(xué)術(shù)委員會(huì)委員、首席專家。

農(nóng)業(yè)的本質(zhì)是開(kāi)發(fā)利用生物資源，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)是利用植物、動(dòng)物資源的“二物”農(nóng)業(yè)。有史以來(lái)，人類的農(nóng)業(yè)活動(dòng)主要集中在植物和動(dòng)物，雖然對(duì)微生物也有所利用，如食用菌的采集、制酒釀醋等，但多處于自然狀態(tài)。隨著高科技的深入發(fā)展，近百年來(lái)，人類的農(nóng)業(yè)活動(dòng)逐漸從中觀世界分別向著宏觀世界和微觀世界兩端延伸。在宏觀世界里，如太空種子、太空種植、火星地球化的探索。在微觀世界里，微生物的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)形成微生物肥料、微生物飼料、微生物能源燃料、微生物食品、微生物藥品和微生物清潔劑六大領(lǐng)域。雖然技術(shù)上已不成問(wèn)題，但社會(huì)的認(rèn)知度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，變植物、動(dòng)物的“二物思維”為植物、動(dòng)物、微生物的“三物思維”是農(nóng)業(yè)發(fā)展的新理念、新使命、新領(lǐng)域。利用微生物技術(shù)開(kāi)發(fā)農(nóng)作物秸稈等廢棄物是“點(diǎn)草成金”，開(kāi)發(fā)禽畜糞便是“點(diǎn)糞成金”，而這項(xiàng)技術(shù)本身則是“點(diǎn)廢成金”。且它具有“六不爭(zhēng)”的特點(diǎn)：即不與人爭(zhēng)糧，不與糧爭(zhēng)地，不與地爭(zhēng)肥，不與農(nóng)爭(zhēng)時(shí)，不與農(nóng)產(chǎn)品爭(zhēng)市場(chǎng)，不與其他爭(zhēng)資源。

陷入困境的二物思維

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)自然資源的掠奪式開(kāi)發(fā)使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所依賴的自然環(huán)境日趨惡化，從根本上制約了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，就要向地球生物圈學(xué)習(xí)——植物生產(chǎn)、動(dòng)物消費(fèi)、微生物分解還原，形成循環(huán)往復(fù)、生生不息的農(nóng)業(yè)循環(huán)系統(tǒng)。將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)調(diào)整為植物、動(dòng)物和微生物資源組成的“三物”農(nóng)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性調(diào)整之一。微生物農(nóng)業(yè)是遵循生態(tài)學(xué)原理，利用微生物——分解者的作用，開(kāi)發(fā)農(nóng)業(yè)生物的潛在生態(tài)位，充分地利用農(nóng)業(yè)生物量資源，尤其是殘?jiān)鼜U料的利用，有利于能量的轉(zhuǎn)化和物質(zhì)的循環(huán)利用。同時(shí)，發(fā)展微生物農(nóng)業(yè)有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品工廠化生產(chǎn)，有利于改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，可將微生物在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的被動(dòng)作用主動(dòng)化、隱性作用顯性化，從而形成地球生物圈的良性循環(huán)，有利于資源的永續(xù)利用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。這也是中央關(guān)于“綠色化”發(fā)展理念在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的具體體現(xiàn)。

微生物在地球上無(wú)處不在，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蹤跡。微生物物種豐富，未知者甚眾。有人估計(jì)他們的種類可達(dá)1萬(wàn)億種，但我們卻知之甚少，各國(guó)的學(xué)者已經(jīng)用分子生物學(xué)手段確切證明，迄今為止仍然有90%－99%的微生物未被認(rèn)識(shí)。

動(dòng)物、植物和微生物是生物資源的三個(gè)支柱。但是，長(zhǎng)期以來(lái)由于受科學(xué)技術(shù)能力的局限，我們只在植物和動(dòng)物二物思維二等中觀世界里打轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，在微生物上考慮的不多，盡管人類對(duì)微生物的利用已經(jīng)有很長(zhǎng)一段時(shí)間。二物思維已經(jīng)使農(nóng)業(yè)陷入困境。

一是資源承載力已經(jīng)超限。農(nóng)業(yè)有三大系統(tǒng)，分別是耕地農(nóng)業(yè)、草地農(nóng)業(yè)和捕撈農(nóng)業(yè)。種植業(yè)現(xiàn)在最大的問(wèn)題就是土地，土地資源已經(jīng)非常緊缺。我國(guó)人均土地占有只是美國(guó)的十三分之一，加拿大的十八分之一。連比我們窮的印度，土地占有都比我們多，是我們的1.2倍。改革開(kāi)放以來(lái)，有3億多畝耕地被城市與工業(yè)占了；草地系統(tǒng)超載過(guò)牧。草原退化越來(lái)越嚴(yán)重，由于氣候干燥，放牧過(guò)度，易造成牧草生長(zhǎng)不良，覆蓋率降低，甚至引起沙化。草場(chǎng)退化可使載畜量降低，影響和限制畜牧業(yè)的發(fā)展，大到影響到整個(gè)地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。“三江源”地區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)草場(chǎng)退化，鼠害猖獗，氣候變暖使蒸發(fā)量持續(xù)增高，水源涵養(yǎng)功能持續(xù)下降的現(xiàn)象。第三個(gè)系統(tǒng)是捕撈系統(tǒng)。中國(guó)是世界上惟一一個(gè)海洋養(yǎng)殖大于海洋捕撈的國(guó)家。主要靠養(yǎng)殖來(lái)解決水產(chǎn)品的問(wèn)題。中國(guó)水產(chǎn)品的消費(fèi)能力比其他國(guó)家大得多。我們現(xiàn)在是每年人均37公斤，消費(fèi)量驚人。發(fā)達(dá)國(guó)家平均26公斤，發(fā)展中國(guó)家平均18公斤。

二是生態(tài)環(huán)境惡化。為了高產(chǎn)高效，過(guò)量使用農(nóng)藥化肥、除草劑以及動(dòng)物使用的抗生素?，F(xiàn)在面臨的污染越來(lái)越嚴(yán)重。特別是江河湖海等富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題。太湖的藍(lán)藻、安徽巢湖的藍(lán)藻等事件給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)與生態(tài)帶來(lái)了巨大的破壞。地表水的污染也到了十分嚴(yán)重的地步。據(jù)有關(guān)方面調(diào)查，我們現(xiàn)在地表水可以測(cè)出68種抗生素，還有90多種非抗生素類的藥。現(xiàn)在是無(wú)河不污。中國(guó)每年生產(chǎn)的抗生素是21萬(wàn)噸，人均消費(fèi)138克。美國(guó)是13克，我們是人家的10倍還多。在這種生態(tài)環(huán)境中從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量必然大受影響。

三是動(dòng)植物之間的生態(tài)循環(huán)鏈條中斷。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)遵循的基本規(guī)律是一個(gè)封閉的內(nèi)循環(huán)。農(nóng)作物種出來(lái)，種子給人吃了，根莖葉喂牲畜，人畜糞便又回到田里作為農(nóng)作物的肥料。我們的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)就是在這樣的一個(gè)循環(huán)體系中緩慢向前發(fā)展?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)打破了這樣一個(gè)封閉的內(nèi)循環(huán)，注入了兩個(gè)外力；一個(gè)是從石油中提煉的農(nóng)藥化肥，第二個(gè)外力是機(jī)械代替了人力畜力?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)注入這兩個(gè)外力之后整個(gè)內(nèi)循環(huán)鏈條被打破，生態(tài)循環(huán)鏈條中斷，農(nóng)業(yè)就出現(xiàn)了許許多多的問(wèn)題。如不光生態(tài)環(huán)境惡化，而且土地質(zhì)量嚴(yán)重下降等。

點(diǎn)廢成金的三物思維

高科技的介入使微生物的開(kāi)發(fā)成為一個(gè)新興的戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)，微觀世界的開(kāi)發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)使農(nóng)業(yè)生物化進(jìn)入了一個(gè)不可思議的地步。農(nóng)業(yè)向未來(lái)進(jìn)軍，有這么一些基本特征。一是由平面向立體發(fā)展。美國(guó)、以色列、法國(guó)都在搞農(nóng)業(yè)摩天大樓。一座30層的摩天大樓，可以種養(yǎng)100多種動(dòng)植物。夠5萬(wàn)人一年的消費(fèi)。二是由自然化向設(shè)施化發(fā)展。2012年我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)面積已占世界總面積的85%以上，其中95%以上是利用聚烯烴溫室大棚膜覆蓋。三是由化學(xué)化向生物化發(fā)展?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)向生物技術(shù)領(lǐng)域邁進(jìn)。近年來(lái)，我國(guó)生物產(chǎn)業(yè)保持20%以上的增速，2014年生物產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)3.16萬(wàn)億元，微生物的開(kāi)發(fā)將是未來(lái)農(nóng)業(yè)生物化的重中之重。四是由人控機(jī)械化向電腦自控化發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用使得種、管理、采摘、包裝、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸?shù)饶軌驅(qū)崿F(xiàn)智能控制。五是由陸地化向海洋化發(fā)展。用海水澆灌的農(nóng)作物科學(xué)家已經(jīng)試驗(yàn)成功。未來(lái)的海洋文明不是以貿(mào)易為中心，而是以生產(chǎn)為中心，要在海洋建大農(nóng)場(chǎng)。六是由地球化向太空化發(fā)展。已經(jīng)有100多種農(nóng)作物帶上太空試種成功，未來(lái)我們將在太空上搞一些種植農(nóng)場(chǎng)。借鑒太空站技術(shù)，農(nóng)作物放在太空上種，用傳輸器采摘下來(lái)供人類食用。七是由生產(chǎn)化向移民化發(fā)展。美國(guó)的火星地球化的改造計(jì)劃，試圖在不遠(yuǎn)的將來(lái)，將人類移民至火星。

當(dāng)今世界，人類有三大前沿科技，即生物技術(shù)、新能源技術(shù)和信息技術(shù)，其中微生物技術(shù)與人類的健康長(zhǎng)壽關(guān)系最為密切，在這一領(lǐng)域的研究正突飛猛進(jìn)地發(fā)展。一個(gè)健康人身上攜帶的微生物總重最多不會(huì)超過(guò)體重的3%，但如果論細(xì)胞數(shù)量，微生物是人體細(xì)胞的10倍。每個(gè)人攜帶的微生物種類都有著或多或少的差異，如指紋一樣獨(dú)一無(wú)二。微生物就是一切難以用肉眼看見(jiàn)的微小生物，包括細(xì)菌、真菌這些單細(xì)胞生物，也包括病毒、立克次體這些非細(xì)胞生物。至于微生物群組，就要從微生物獨(dú)特的進(jìn)化特點(diǎn)說(shuō)起。多細(xì)胞生物的傳宗接代周期少則以月計(jì)，多則以年計(jì)。而細(xì)菌這樣的微生物在條件適宜的情況下，只需幾十分鐘就能產(chǎn)生新一代。這樣高速的繁殖令它們有著遠(yuǎn)高于多細(xì)胞生物的進(jìn)化速度，能不斷修改自己的基因去適應(yīng)環(huán)境。在微生物研究中，很難像研究大熊貓、白鰭豚一樣去研究單一微生物物種，而是要研究聚集生活在一起的、所有具備不同基因的微生物。這些微生物組合在一起就被稱為微生物群組。微生物對(duì)人類來(lái)說(shuō)意義重大。例如，腸道中大概包括一千余種不同的微生物，而且種類組成還在不斷變化。吃的食物不同，腸道中就會(huì)滋養(yǎng)出不同的微生物種類。近年的生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群組竟然還是人體免疫系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，是抵御致病微生物的第一道屏障。不僅如此，某些腸道微生物的分泌物還會(huì)對(duì)我們的身體產(chǎn)生顯著的調(diào)控作用，令我們罹患肥胖癥、二型糖尿病或是直腸癌，甚至影響到神經(jīng)系統(tǒng)，讓我們更快樂(lè)或更憂郁。對(duì)微生物的進(jìn)一步研究、利用能讓我們生活得更健康。在食品工業(yè)中使用雙歧桿菌等益生菌作為添加劑，可以減少腸道感染的幾率。按照這個(gè)思路，今后或許可以通過(guò)在食物中添加特定的益生菌來(lái)治療諸如糖尿病、癌癥等疾病。這些傳統(tǒng)上要靠藥物解決的疾病，今后也許只需吃點(diǎn)微生物就可以搞定。2016年5月，美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布啟動(dòng)“國(guó)家微生物群組推動(dòng)計(jì)劃”，將研究目標(biāo)鎖定整個(gè)生態(tài)環(huán)境中的微生物群組。隨著該計(jì)劃的啟動(dòng)，人類將積累更多這方面的知識(shí)，創(chuàng)造更有利于人類的微生物環(huán)境（葉盛《微生物造就不一樣的你》）。

圖//中新社

僅就發(fā)展微生物農(nóng)業(yè)而言，一是利用微生物技術(shù)處理，“點(diǎn)草成金”，實(shí)現(xiàn)廢棄物的無(wú)害化和再利用。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢棄物處理粗放、綜合利用水平不高的問(wèn)題日益突出。據(jù)估算，全國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞污38億噸，綜合利用率不到60%；每年生豬病死淘汰量約6000萬(wàn)頭，集中的專業(yè)無(wú)害化處理比例不高；每年產(chǎn)生秸稈近9億噸，未利用的約2億噸；每年使用農(nóng)膜200萬(wàn)噸，當(dāng)季回收率不足2/3。這些未實(shí)現(xiàn)資源化利用無(wú)害化處理的農(nóng)業(yè)廢棄物，實(shí)際是放錯(cuò)了地方的資源。發(fā)展微生物農(nóng)業(yè)，這些有機(jī)廢棄物經(jīng)微生物發(fā)酵就能轉(zhuǎn)化為飼料、沼氣、生物乙醇等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的無(wú)害化和再利用。

二是可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的工廠化生產(chǎn)，緩解糧食緊缺的矛盾。微生物農(nóng)業(yè)是具有高科技生物工程內(nèi)涵的“發(fā)酵工程”和“酶工程”，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品的工廠化生產(chǎn)。我國(guó)農(nóng)作物秸稈，通過(guò)微生物發(fā)酵工程變?yōu)轱暳?，可以獲得相當(dāng)于400億千克的飼料糧，這相當(dāng)于目前全國(guó)每年飼料用糧的1/2。一座占地不多年產(chǎn)10萬(wàn)噸單細(xì)胞蛋白的微生物工廠，相當(dāng)于12公頃耕地生產(chǎn)的大豆蛋白或0.25億公頃草地飼養(yǎng)的牛羊所生產(chǎn)的動(dòng)物蛋白，數(shù)目十分可觀。利用秸稈類的農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物——稻草、稻谷殼、玉米芯、棉子屑、鋸木屑、甘蔗渣和泥碳配制成食用菌的培養(yǎng)基，可獲得飼料生產(chǎn)（底料作畜禽的優(yōu)質(zhì)飼料）和食用菌生產(chǎn)的雙豐收。微生物飼料制劑包括單細(xì)胞蛋白飼料、菌體蛋白飼料、飼用酶制劑、真菌飼料添加劑、維生素類添加劑、抗生素類制劑、氨基酸類、活體微生物類、發(fā)酵飼料等。其混配在飼料中可起到幫助消化、促進(jìn)生長(zhǎng)以及提高畜禽自身免疫力，防病治病的作用。微生物飼料制劑由于可工廠化生產(chǎn)，效率高，且有利于環(huán)境保護(hù)而日益受到人們的重視。許多微生物除了可作飼料添加劑，還可用于發(fā)酵工程來(lái)生產(chǎn)大量飼料，實(shí)現(xiàn)人畜分糧，緩解糧食緊缺的矛盾。近年來(lái)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上利用殘?jiān)澄镦溸M(jìn)行食物生產(chǎn)也越來(lái)越多，尤以食用菌為紐帶的生態(tài)模式效果明顯。微生物菌體以其豐富的蛋白質(zhì)、氨基酸及維生素含量列為重要營(yíng)養(yǎng)食品，許多食用菌品種還以其突出的抗癌、降脂、增智及提高機(jī)體免疫力的功效而成為首屈一指的保健食品。國(guó)際食品界已將其列為21世紀(jì)的八大營(yíng)養(yǎng)保健食品之一。據(jù)科學(xué)估計(jì)中國(guó)菌物種約有18萬(wàn)種左右，其中大型真菌約2.7萬(wàn)種。目前已發(fā)現(xiàn)并報(bào)道的食用菌有710多種，其中能進(jìn)行人工栽培的約有50種，已經(jīng)形成規(guī)模的商業(yè)栽培有15種左右。

三是可以改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。21世紀(jì)人類社會(huì)發(fā)展的首要問(wèn)題是生態(tài)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題。農(nóng)藥、化肥的大量投入，給生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，對(duì)大氣、土壤和水體造成了不同程度的污染。為了促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，微生物在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中必將扮演更為重要的角色。發(fā)展微生物農(nóng)業(yè)，一方面減少農(nóng)業(yè)廢棄物污染，將有機(jī)廢物變廢為寶，有利于生態(tài)環(huán)境保護(hù)；另一方面，微生物農(nóng)業(yè)中的生態(tài)環(huán)境保護(hù)劑，還可直接清除空氣中的廢氣、污水和土壤中的有害化學(xué)物質(zhì)，是國(guó)際上正在興起的一項(xiàng)新產(chǎn)業(yè)。

發(fā)展微生物農(nóng)業(yè)不僅可以滿足人們對(duì)食品數(shù)量增加、質(zhì)量改善和食品安全的需求，而且可以有效地提高動(dòng)、植物資源利用率，改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。2013年，美國(guó)出版了《微生物養(yǎng)活世界》一書(shū)，強(qiáng)調(diào)通過(guò)調(diào)控土壤微生物區(qū)系能夠增產(chǎn)20%，減少20%的化肥與農(nóng)藥，是未來(lái)環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)高效農(nóng)業(yè)的新出路。

我國(guó)高度重視生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，出臺(tái)了一系列戰(zhàn)略規(guī)劃，研發(fā)投入持續(xù)增加，取得了一批標(biāo)志性科技成果，在世界上首次解析葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白晶體結(jié)構(gòu)，治療T細(xì)胞淋巴瘤新藥西達(dá)本胺上市，人工角膜“艾欣瞳”投產(chǎn)。微生物的開(kāi)發(fā)產(chǎn)業(yè)前景也是十分廣闊。以食藥用菌為例，現(xiàn)在我們對(duì)于食用菌的消費(fèi)非常有限?，F(xiàn)在全國(guó)人均只有60克。營(yíng)養(yǎng)專家說(shuō)每人每天應(yīng)該消費(fèi)250克以上，那就是半斤多，如果按這個(gè)數(shù)量去計(jì)算，那么就需要1.2億噸?，F(xiàn)階段中國(guó)每年的食藥用菌產(chǎn)量3000多萬(wàn)噸，產(chǎn)值是2000多億元，這也就意味著，整個(gè)產(chǎn)業(yè)的的產(chǎn)值規(guī)模，差不多在這個(gè)基礎(chǔ)上要翻3倍以上，達(dá)到一個(gè)萬(wàn)億級(jí)的產(chǎn)業(yè)。

高營(yíng)養(yǎng)的價(jià)值使得微生物的開(kāi)發(fā)成為時(shí)代的寵兒。中國(guó)共產(chǎn)黨人已經(jīng)向全世界承諾兩個(gè)百年目標(biāo)。第一個(gè)百年目標(biāo)是全面建成小康社會(huì)。建成小康社會(huì)之后就是要建設(shè)健康中國(guó)，而健康的核心就是首先要把吃的東西解決好。微生物營(yíng)養(yǎng)的豐富和轉(zhuǎn)化，是未來(lái)人類營(yíng)養(yǎng)鏈的重要一環(huán)。以食用菌為例，現(xiàn)代科學(xué)研究的最新成果表明，食用菌不僅具有很高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且有極好的藥用效果。特別是食用菌中的真菌多糖、抗菌素、核酸、核苷酸、有機(jī)鍺、有機(jī)硒等許多藥用成分，對(duì)人體細(xì)胞的修復(fù)作用和在治療肝炎、心血管性疾病、特殊疑難病癥、抗衰老等方面已顯示出極大的優(yōu)越性，成為人類篩選新的抗癌藥物、抗艾滋病藥物、抗菌素藥物的一條重要途徑。