“稻薯豬”生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的設(shè)想

樊自堯，李奎，李家洋，黃三文，3

“稻薯豬”生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的設(shè)想

樊自堯1，李奎1，李家洋2，黃三文1，3

1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院（深圳）農(nóng)業(yè)基因組研究所，廣東深圳 518120；2崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室，海南三亞 527000；3中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院，海口 571101

在雜交馬鈴薯育種技術(shù)已獲突破和水稻育種進(jìn)入分子設(shè)計(jì)育種階段的背景下，筆者提出“春夏種稻、冬閑種薯、薯糠喂豬、糞尿肥田”的“稻薯豬”新型生態(tài)循環(huán)種養(yǎng)模式，以期緩解我國飼糧進(jìn)口壓力，助力破解種養(yǎng)脫節(jié)導(dǎo)致的資源浪費(fèi)、效益不高、環(huán)境危害等問題。文中分析了“稻薯豬”模式利用水稻冬閑田種植馬鈴薯并用于動(dòng)物蛋白生產(chǎn)的可行性，探討了該模式的運(yùn)行特點(diǎn)和落地形式。按照農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)原理，“稻薯豬”全系統(tǒng)可分為大田種植管理、馬鈴薯貯藏、馬鈴薯主飼化和豬飼養(yǎng)、糞尿處理和還田等4個(gè)子系統(tǒng)。通過對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行分頭優(yōu)化、集成和建模，探索在我國南方地區(qū)開展因地制宜、規(guī)模適中的“稻薯豬”生態(tài)循環(huán)種養(yǎng)模式的推廣。

水稻；雜交馬鈴薯；豬；冬閑田；生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)；農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

0 引言

我國自古有“豬糧安天下”的說法。世界存欄約10億頭生豬，超一半飼養(yǎng)在我國[1]。豬肉消費(fèi)量占我國肉品總消費(fèi)量的60%以上，生豬產(chǎn)業(yè)能否平穩(wěn)有序發(fā)展，關(guān)乎社會(huì)穩(wěn)定和人民生活質(zhì)量。然而，我國飼料原料自給率低，易受國際環(huán)境和全球氣候異常影響，飼糧進(jìn)口壓力異常嚴(yán)峻。2021年開始，我國大豆年進(jìn)口量已達(dá)近1億t規(guī)模，玉米年進(jìn)口量也高達(dá)3 000萬t以上。生豬飼養(yǎng)成本屢創(chuàng)新高，對(duì)生豬產(chǎn)業(yè)造成了嚴(yán)重沖擊。另一方面，因集約化養(yǎng)殖與種植脫節(jié)，豬排泄物常導(dǎo)致環(huán)境污染，而化肥等種植投入品需求不斷增加[2]，化肥過量施用導(dǎo)致的土壤板結(jié)、酸化問題日益嚴(yán)重。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要加快實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)我國主要農(nóng)產(chǎn)品穩(wěn)產(chǎn)保供，并發(fā)揮“固碳”優(yōu)勢，助力完成“雙碳”目標(biāo)[3-4]。

1 “稻薯豬”生態(tài)種養(yǎng)模式的提出

馬鈴薯生長喜冷涼，可在南方水稻冬閑田大面積種植，既不與水稻等主要作物爭時(shí)爭地，又能增加南方土地和光溫水氣等自然資源利用率[5]。南方很多地區(qū)已形成較成熟的冬閑田種植馬鈴薯的生產(chǎn)模式。據(jù)測算，南方適宜種植馬鈴薯的冬閑田約667萬hm2（1億畝），涵蓋廣東、廣西、湖南、湖北、江西、福建、云南、貴州、四川和重慶等10?。ㄊ小^(qū)），理論產(chǎn)量可達(dá)1.5億t，相當(dāng)于4 500萬t的標(biāo)準(zhǔn)玉米（含水量14%）的營養(yǎng)成分，折合節(jié)約種植季節(jié)土地面積至少447萬hm2，完成額外“固碳”至少1 000萬t。

在我國南方推廣“春夏種稻、冬閑種薯、薯糠喂豬、糞尿肥田”的“稻薯豬”生態(tài)循環(huán)種養(yǎng)模式，有助緩解“人畜爭糧”、飼糧進(jìn)口和環(huán)保壓力，有望對(duì)構(gòu)建中國特色新型可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供參考。

2 “稻薯豬”模式的可行性

水稻和馬鈴薯的育種技術(shù)取得的重要突破為“稻薯豬”模式實(shí)施提供了條件。一方面，通過分子設(shè)計(jì)育種培育出了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高抗、高效的水稻新品種，保障了水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[6-7]；此外，水稻脆稈基因等重要性狀挖掘和合理利用[8]，有助于進(jìn)一步改善秸稈的適口性以及家畜對(duì)秸稈纖維素的消化利用率，使水稻秸稈用于飼料原料，減少秸稈處理壓力。另一方面，研究人員相繼突破了馬鈴薯自交不親和與自交衰退的技術(shù)瓶頸，獲得了高純合度的二倍體自交系并培育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)雜交品系[9]，馬鈴薯育種周期有望大幅度縮短，利用雜種優(yōu)勢有助于快速提高產(chǎn)量、品質(zhì)和適應(yīng)性，擴(kuò)大冬閑田馬鈴薯的種植范圍，以培育專門化飼用馬鈴薯新品種。

2.1 馬鈴薯低成本飼料化

馬鈴薯為動(dòng)物營養(yǎng)和飼料學(xué)中經(jīng)典的塊根塊莖類原料[10]，但受限于馬鈴薯的含水量高（75%—80%）、富含抗性淀粉[11]的問題，與玉米等種子類飼料原料在儲(chǔ)運(yùn)、加工成本和代謝能值上存在不足[10]，難以適應(yīng)集約化養(yǎng)豬的固體日糧體系。馬鈴薯除了可在南方冬季種植，不與主糧爭地外，對(duì)標(biāo)玉米在蛋白含量上并不存在劣勢，鮮薯中干物質(zhì)的蛋白含量約為15%，不低于標(biāo)準(zhǔn)玉米干物質(zhì)中的蛋白含量（約為12%）；馬鈴薯蛋白是具有均衡的氨基酸組分的優(yōu)質(zhì)蛋白，無玉米中賴氨酸缺乏的短板。另外，馬鈴薯有助于提升豬肉品質(zhì)。相對(duì)于種子類原料，馬鈴薯在干物質(zhì)、淀粉、蛋白質(zhì)、維生素等營養(yǎng)成分以及種植成本方面，有更大的育種潛力和改良空間。

液態(tài)發(fā)酵飼喂模式，可規(guī)避馬鈴薯主飼化上述存在的問題，能夠利用發(fā)酵馬鈴薯，并根據(jù)生豬營養(yǎng)需求，混合其他原料制成全價(jià)日糧，用于生豬飼喂。主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：預(yù)消化抗性淀粉和纖維素，提高消化能值，提高飼料利用率[12]；發(fā)酵增加益生菌，減少腸道疾病發(fā)生；發(fā)酵改善飼料適口性，縮短出欄時(shí)間；取消飲水管，大量減少養(yǎng)殖用水和廢水處理；在配方中增加青綠莖稈、水產(chǎn)副產(chǎn)品和農(nóng)業(yè)加工副產(chǎn)品等地域特色原料，降低飼養(yǎng)成本；益生菌競爭抑制腸道和糞污臭氣菌，從源頭降低臭氣產(chǎn)生量；不添加抗生素，對(duì)糞污處理過程和還田后微生物菌群無影響；南方濕熱環(huán)境利于發(fā)酵貯藏，可避免塊莖發(fā)芽、綠化[13]和感病腐爛[14]等常見鮮薯貯藏問題。目前，適合不同生產(chǎn)規(guī)模的生豬液態(tài)飼喂設(shè)備日趨發(fā)展完善[15]，為鮮薯液態(tài)飼喂生豬提供了條件。

2.2 “稻薯豬”模式的落地形式

“就地就近”是“稻薯豬”模式推廣應(yīng)用的主要考量。規(guī)模適度的“稻薯豬”模式使飼料原料實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)胤N植、糞肥就地還田，降低了原料、飼料、排泄物和肥料的長距離運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)循環(huán)農(nóng)業(yè)中物質(zhì)準(zhǔn)確到位和均勻分配。此外，“稻薯豬”模式保留了原有種植和養(yǎng)殖的基本構(gòu)成，可在深度兼容傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上再優(yōu)化，更好地獲得傳統(tǒng)種植和養(yǎng)殖行業(yè)的接受，易于實(shí)現(xiàn)協(xié)同創(chuàng)新。

3 “稻薯豬”生態(tài)循環(huán)種養(yǎng)模式的系統(tǒng)工程設(shè)想

“稻薯豬”生態(tài)循環(huán)種養(yǎng)模式需要通過農(nóng)業(yè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，在多樣化模式下獲得不同目標(biāo)的最優(yōu)解決方案。系統(tǒng)周期可被描述為：每年3月施肥、插秧早稻，6月收獲水稻；7月施肥、插秧晚稻，10月收獲水稻；11月施肥、種植馬鈴薯，次年2月收獲馬鈴薯；大田種植以一年為周期進(jìn)行循環(huán)，不同地區(qū)可根據(jù)不同自然條件適當(dāng)調(diào)整。經(jīng)初步核算，66.7 hm2耕地按照兩季稻加一季馬鈴薯生產(chǎn)模式，可生產(chǎn)約720 t大米（按兩季10.8 t·hm-2），生產(chǎn)的米糠（按兩季1.2 t·hm-2）和馬鈴薯（按一季22.5 t·hm-2），在補(bǔ)充蛋白原料和預(yù)混料后，可供養(yǎng)殖120 kg標(biāo)準(zhǔn)出欄體重的外三元育肥豬約1 500頭，豬排泄物可產(chǎn)氮肥約4.2 t、磷肥約2.4 t，沼氣約41 000 m3。

全系統(tǒng)模型建立需要克服時(shí)間和空間兩個(gè)維度的約束。關(guān)于時(shí)間維度，可拆分為種植農(nóng)時(shí)（時(shí)間點(diǎn)）-全年貯藏（時(shí)間段）-全年養(yǎng)豬（時(shí)間段）-實(shí)時(shí)積肥（時(shí)間段）-定時(shí)施肥（時(shí)間點(diǎn)）。關(guān)于空間維度，可拆分為大田（開放大空間）-儲(chǔ)庫/窖（密閉小空間）-豬舍（密閉小空間）-沼氣裝置（密閉小空間）-大田（開放大空間）。相對(duì)于稻魚、稻蝦和稻鴨等低強(qiáng)度直接互作種養(yǎng)一體模式，“稻薯豬”系統(tǒng)是一種基于非接觸的獨(dú)立控制種植和養(yǎng)殖子系統(tǒng)的集成，子系統(tǒng)間能夠人為建立精準(zhǔn)的控制，完成子系統(tǒng)間物質(zhì)和能量傳遞，為子系統(tǒng)拆分提供了條件。

3.1 子系統(tǒng)拆分

對(duì)全系統(tǒng)合理分割是實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)分頭研發(fā)和全系統(tǒng)整合的基礎(chǔ)。拆分原則需要符合以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）子系統(tǒng)的硬件設(shè)備和工藝可不依賴其他子系統(tǒng)而獨(dú)立實(shí)施。例如，馬鈴薯液態(tài)飼料加工設(shè)備需要在豬場中建立中央廚房和飼喂管道，因此，飼料加工和生豬飼養(yǎng)兩個(gè)環(huán)節(jié)需要被設(shè)置在同一子系統(tǒng)內(nèi)。（2）子系統(tǒng)間能夠單一交割循環(huán)中的關(guān)鍵產(chǎn)品。系統(tǒng)中過程產(chǎn)品可分為3類：第一類是收獲的馬鈴薯、發(fā)酵后的馬鈴薯、豬的排泄物和糞尿處理后的肥料作為子系統(tǒng)間物質(zhì)交換的載體，可作為相鄰子系統(tǒng)間的關(guān)鍵交割物；第二類是大米和豬肉作為每個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行周期脫離系統(tǒng)的核心產(chǎn)出物；第三類是蛋白質(zhì)飼料原料和化肥等作為每個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行周期加入系統(tǒng)的投入品。（3）子系統(tǒng)間運(yùn)行時(shí)間周期能夠統(tǒng)一。如養(yǎng)殖周期與種植周期同步計(jì)算，商業(yè)豬種正常營養(yǎng)需求情況下6—7個(gè)月可出欄，而稻薯生產(chǎn)需要1年。基于上述原則，系統(tǒng)被分割成4個(gè)子系統(tǒng)，分別為大田種植管理子系統(tǒng)、馬鈴薯貯藏子系統(tǒng)、馬鈴薯主飼化和豬飼養(yǎng)子系統(tǒng)、糞尿處理和還田子系統(tǒng)。

3.2 子系統(tǒng)間交割物數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集

為了準(zhǔn)確采集子系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)并建立子系統(tǒng)模型，從碳元素和氮元素轉(zhuǎn)換的角度解析“稻薯豬”系統(tǒng)循環(huán)物質(zhì)轉(zhuǎn)換的本質(zhì)（圖1）。系統(tǒng)中的核心產(chǎn)出物可被粗略理解為以碳水化合物為主的大米和以含氮的動(dòng)物蛋白為主的豬肉。碳元素的轉(zhuǎn)換維持了整個(gè)“稻薯豬”循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)伴隨氮元素在不同物質(zhì)載體間轉(zhuǎn)換，人可按需從系統(tǒng)循環(huán)中獲取產(chǎn)品。循環(huán)中，稻米生產(chǎn)可被粗略分解成兩部分：一是固碳部分，通過光合作用將空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為大米形式的有機(jī)碳；二是氮元素轉(zhuǎn)化部分，土地中氮元素轉(zhuǎn)化到富含蛋白的米糠中，米糠蛋白形式的氮元素被加工成飼料在系統(tǒng)中繼續(xù)循環(huán)。馬鈴薯生產(chǎn)中，土壤氮元素轉(zhuǎn)換為蛋白和固碳產(chǎn)生的碳水化合物為主要構(gòu)成的馬鈴薯，被加工成飼料繼續(xù)循環(huán)。飼料中蛋白原料的添加是循環(huán)氮元素?cái)z取的主要入口之一。豬攝取飼料后，營養(yǎng)物質(zhì)的一部分被吸收，而未被吸收部分的氮元素和部分有機(jī)碳轉(zhuǎn)變?yōu)榧S便。消化后吸收的氮，則主要轉(zhuǎn)變?yōu)樨i肉蛋白質(zhì)和代謝產(chǎn)生的尿素。糞尿收集發(fā)酵后，厭氧產(chǎn)生沼氣被收集利用，含碳和氮的沼液和沼渣被還田。

圖1 “稻薯豬”循環(huán)系統(tǒng)

3.3 子系統(tǒng)需求

大田種植管理子系統(tǒng)屬于生產(chǎn)型子系統(tǒng)。以時(shí)間周期（一年）產(chǎn)生的豬糞尿等所有非游離氮含量為原料，滿足水稻、馬鈴薯正常生長的營養(yǎng)需求。大米為系統(tǒng)核心產(chǎn)出物脫離循環(huán)，只有馬鈴薯和米糠繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)。

馬鈴薯貯藏子系統(tǒng)是過渡型子系統(tǒng)。馬鈴薯貯藏子系統(tǒng)是將獲得的馬鈴薯營養(yǎng)成分為原料，完成發(fā)酵貯藏后所有碳水化合物、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分為產(chǎn)品；馬鈴薯發(fā)酵后的營養(yǎng)成分和與飼料配方能夠?qū)印?/p>

馬鈴薯主飼化和豬飼養(yǎng)子系統(tǒng)屬于生產(chǎn)型子系統(tǒng)。以馬鈴薯完成貯藏后馬鈴薯和米糠中所有碳水化合物和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分為原料，以對(duì)應(yīng)時(shí)間周期（一年）產(chǎn)生的豬糞尿中所含的非游離氮為產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)與種植周期同步，通過累積1.5—2個(gè)批次的肉豬育肥周期，使豬飼養(yǎng)子系統(tǒng)的生產(chǎn)周期調(diào)整為一年時(shí)間。飼養(yǎng)過程中盡量消耗掉所有系統(tǒng)生產(chǎn)的馬鈴薯和米糠，并選擇性加入當(dāng)?shù)氐统杀镜奶厣稀?/p>

糞尿處理和還田子系統(tǒng)屬于過渡型子系統(tǒng)。豬糞尿密閉厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，可直接燃燒或發(fā)電。發(fā)酵裝置排出的料液和沉渣中的較豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，作為優(yōu)質(zhì)肥料還田。

最終，采集多種實(shí)施條件和規(guī)模下“稻薯豬”中的各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)模型方程的建立，再通過相鄰子系統(tǒng)間的單一交割物，串聯(lián)成為整個(gè)“稻薯豬”系統(tǒng)，并以此衍生出經(jīng)濟(jì)投入和產(chǎn)出以及固碳和溫室氣體排放等數(shù)據(jù)指標(biāo)，用于實(shí)時(shí)評(píng)估和預(yù)測“稻薯豬”模式的實(shí)施。

4 “稻薯豬”系統(tǒng)的展望

“稻薯豬”系統(tǒng)工程因涉及種養(yǎng)循環(huán)多個(gè)生產(chǎn)場景，易受病害、市場和氣象環(huán)境的互作，結(jié)果精準(zhǔn)預(yù)測有一定難度?！暗臼碡i”系統(tǒng)工程與現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)可無縫鏈接，如大田種植管理子系統(tǒng)可以進(jìn)一步整合進(jìn)入智慧田間管理、氣象監(jiān)測和農(nóng)時(shí)提醒服務(wù)、氣象災(zāi)害預(yù)警、病蟲害預(yù)警、化肥價(jià)格監(jiān)測和糧價(jià)監(jiān)測等系統(tǒng)；馬鈴薯主飼化和豬飼養(yǎng)子系統(tǒng)可兼容智慧養(yǎng)豬、豬肉市場監(jiān)測和飼料市場監(jiān)測等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源最大化利用，并降低務(wù)農(nóng)和養(yǎng)殖成本及風(fēng)險(xiǎn)。此外，馬鈴薯液態(tài)發(fā)酵飼喂體系兼容低蛋白日糧技術(shù)[16]，充分利用現(xiàn)代生物技術(shù)研發(fā)稻種、薯種、豬種和菌種，推動(dòng)在保證口糧安全的前提下提高飼料糧自給率，助力構(gòu)建有中國特色新型可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

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The Conception of Eco-circular Agriculture of "Rice-Potato-Pig"

FAN ZiYao1, LI Kui1, LI JiaYang2, HUANG SanWen1,3

1Agricultural Genomics Institute at Shenzhen, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen 518120, Guangdong;2Yazhou Bay National Laboratory, Sanya 527000, Hainan;3Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101

Empowered by breakthroughs in hybrid potato breeding technology and the well-established molecular design breeding in rice cultivation, we propose a new eco-circular agricultural model, referred to as "rice-potato-pig (RPP)". This model involves planting rice in spring and summer, growing potatoes in winter, and using potatoes and bran as feed for pigs, while simultaneously utilizing pig manure and urine to fertilize the fields. RPP has the potential to alleviate the pressure of China's feed imports and address issues such as low efficiency, resource wastage, and environmental harm caused by the gap between planting and feeding. In this paper, we analyze the feasibility of the RPP model, which utilizes winter fields for potato cultivation to produce animal protein. We also discuss the operational characteristics and implementation of this model. Based on the design principles of agricultural system engineering, the entire RPP system is divided into four sub-systems, including field planting management, potato storage, pig feeding with potatoes, and manure and urine treatment followed by returning nutrients to the fields. Through stepwise optimization, integration, and modeling of these sub-systems, we explore the practical implementation of the eco-circular agricultural model of RPP according to local conditions and moderate scale in southern China.

rice; hybrid potato; pig; idle fields in winter; eco-circular agriculture; agricultural system

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.20.011

2023-06-26；

2023-08-30

廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目2021B0301030004

通信作者樊自堯，E-mail：fanziyao@caas.cn。通信作者李奎，E-mail：likui@caas.cn。通信作者李家洋，E-mail：jyli@genetics.ac.cn。通信作者黃三文，E-mail：huangsanwen@caas.cn

（責(zé)任編輯 李云霞）