【摘要】生物經(jīng)濟已根植于當前能源、運輸和工業(yè)的深遠轉(zhuǎn)型之中,國家《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》把生物農(nóng)業(yè)和生物質(zhì)替代應(yīng)用列為優(yōu)先重點發(fā)展領(lǐng)域。推動2060年前實現(xiàn)碳中和目標,促進生物經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展,要樹立“大食物觀”,依靠自主技術(shù)創(chuàng)新,重點構(gòu)建生物食源與生物能源“雙源”產(chǎn)業(yè)體系。利用我國7.2億畝可開發(fā)邊際土地,調(diào)整種植結(jié)構(gòu),可生產(chǎn)滿足2.4億頭肉奶牛需求的粗飼料和2億噸乙醇,創(chuàng)造2800萬個工作機會,從而幫助解決“就業(yè)”“飯碗”“能源”問題。
【關(guān)鍵詞】生物經(jīng)濟? 生物食源產(chǎn)業(yè)? 生物能源產(chǎn)業(yè)? 邊際土地? 甜高粱
【中圖分類號】? F323/Q819? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標識碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2022.14.002
生物經(jīng)濟是由生命科學(xué)和生物技術(shù)的科研與創(chuàng)新驅(qū)動,建立在工程、計算機和信息科學(xué)技術(shù)進步基礎(chǔ)上的經(jīng)濟活動,包括將可再生生物資源生產(chǎn)和加工為食品、飼料、生物基產(chǎn)品和生物能源等商品。[1]生物經(jīng)濟發(fā)展迅猛,[2]被認為與前三次工業(yè)革命中發(fā)明蒸汽機、科技和規(guī)?;a(chǎn)、數(shù)字技術(shù)興起一樣,是第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵[3]。生物經(jīng)濟已根植于當前能源、運輸和工業(yè)的深遠轉(zhuǎn)型之中,[4]《巴黎協(xié)定》(The Paris Agreement)締約以來,生物經(jīng)濟從起步時的生物醫(yī)藥[5]到現(xiàn)在更聚焦于可持續(xù)利用生物資源生產(chǎn)能源和生物基產(chǎn)品的全球工業(yè)轉(zhuǎn)型,促進了經(jīng)濟增長、能源安全和環(huán)境改善,[6]推動2030年全球可持續(xù)發(fā)展目標和《巴黎協(xié)定》氣候目標的實現(xiàn)[7]。美國已把發(fā)展生物經(jīng)濟上升到與中國競爭,[8]保持國家全球領(lǐng)導(dǎo)地位的高度,[9]生物經(jīng)濟對美國GDP的貢獻為5.1%,其中一多半來自生物醫(yī)藥以外的農(nóng)業(yè)和工業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域[10]。2021年7月,美國農(nóng)業(yè)部發(fā)布《美國生物基產(chǎn)品行業(yè)的經(jīng)濟影響分析(2019年)》,該報告顯示:美國生物基產(chǎn)品行業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟增加值4700億美元,提供460萬個工作崗位,每個生物基工作崗位可在其他經(jīng)濟部門創(chuàng)造2.79個工作崗位。[11]歐盟27國的生物經(jīng)濟占GDP的4.7%,提供了1750萬個就業(yè)機會。[12]俄烏沖突導(dǎo)致全球糧食、油氣市場供應(yīng)緊張和價格上漲,[13]發(fā)展生物農(nóng)業(yè)和用生物質(zhì)替代化石燃料已成當務(wù)之急、重中之重。2022年6月21日,李克強總理在河北考察時強調(diào),扛穩(wěn)保障糧食和能源安全責(zé)任。
2022年5月,國家發(fā)展改革委印發(fā)的《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》(以下簡稱《規(guī)劃》)明確提出面向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的生物農(nóng)業(yè)、面向綠色低碳的生物質(zhì)替代應(yīng)用等4大優(yōu)先重點發(fā)展領(lǐng)域。糧食和能源是支撐國民經(jīng)濟健康有序運行的最基礎(chǔ)生產(chǎn)生活資料。2021年,我國進口石油5.13億噸,占石油消費的72%,支出2573.31億美元;進口肉類產(chǎn)品938萬噸,占國內(nèi)產(chǎn)量的12.28%,折合糧食3737萬噸,支出321.58億美元。[14]《規(guī)劃》提出培育壯大生物農(nóng)業(yè)和生物能源支柱產(chǎn)業(yè),不僅關(guān)乎經(jīng)濟轉(zhuǎn)型,而且關(guān)乎守住國家發(fā)展生命線。
生物農(nóng)業(yè)就是貫徹習(xí)近平總書記的“大食物觀”,即“向植物動物微生物要熱量、要蛋白”,“全方位、多途徑開發(fā)食物資源,開發(fā)豐富多樣的食物品種,實現(xiàn)各類食物供求平衡,更好滿足人民群眾日益多元化的食物消費需求”[15]的生物食源產(chǎn)業(yè);同時,依托生物農(nóng)業(yè)提供的原料,通過自主技術(shù)創(chuàng)新把作物生產(chǎn)成食物后的其他組分或能源作物加工轉(zhuǎn)化為替代石油的燃料、化學(xué)品和材料等商品能源載體,[16]又可發(fā)展生物能源產(chǎn)業(yè)。筆者認為,利用我國可開發(fā)邊際土地資源和調(diào)整種植結(jié)構(gòu),重點建設(shè)生物食源和生物能源“雙源”產(chǎn)業(yè),把“綠色飯碗”和“綠色油槍”都端在自己手里,是高質(zhì)量發(fā)展生物經(jīng)濟的關(guān)鍵。
生物食源產(chǎn)業(yè):面向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的生物農(nóng)業(yè)重要發(fā)展路徑
農(nóng)業(yè)是國家之根本,是國民經(jīng)濟的命脈。隨著我國經(jīng)濟發(fā)展與人民生活水平的提高,國民的膳食結(jié)構(gòu)更加趨于合理,全國人均糧食消費量從1978年的248公斤下降到目前的130公斤左右。即便如此,我國人均肉奶消費水平也只有發(fā)達國家的1/3,甚至與同是發(fā)展中國家的印度相比也有很大差距,其根本原因就是耕地資源緊缺,無法滿足畜牧業(yè)發(fā)展的飼料需求。[17]
2022年3月全國兩會期間,習(xí)近平總書記參加全國政協(xié)十三屆五次會議的農(nóng)業(yè)界、社會福利和社會保障界委員聯(lián)組會時指出:“要樹立大食物觀,從更好滿足人民美好生活需要出發(fā),掌握人民群眾食物結(jié)構(gòu)變化趨勢,在確保糧食供給的同時,保障肉類、蔬菜、水果、水產(chǎn)品等各類食物有效供給,缺了哪樣也不行。”[18]因此,順應(yīng)“解決溫飽”轉(zhuǎn)向“營養(yǎng)多元”的新趨勢,發(fā)展面向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的生物農(nóng)業(yè),就是建立大食物觀下的生物食源產(chǎn)業(yè),向植物動物微生物要熱量、要蛋白。
我國飼料糧消費已超過谷物總消費量的40%,保障糧食安全,主要壓力在飼料糧。[19]我國進口高粱以替代玉米作為飼料糧,2021年進口了942萬噸,支出30.26億美元;進口干草199.24萬噸,支出7.53億美元。[20]早在2014年,中國工程院院士任繼周就擔(dān)憂我國飼料缺乏會影響肉蛋奶供應(yīng),指出飼料需求已是口糧需求的2.5倍。[21]而且,牛羊消化纖維素獲得的能量遠多于淀粉。[22]因此,國家實施“糧改飼”方案,[23]調(diào)整部分耕地以種植全株青貯玉米、甜高粱、苜蓿、飼用燕麥等飼草作物。2015年以來的“糧改飼”實踐表明,發(fā)展優(yōu)質(zhì)飼草產(chǎn)業(yè),不但可以提高牛羊生產(chǎn)性能和養(yǎng)殖效率,還可以減少牛羊養(yǎng)殖過程中玉米和豆粕等精飼料用量,實現(xiàn)“化草為糧”“以草代糧”[24]。
飼料糧壓力大、飼料短缺問題可通過提高耕地使用效率來解決。在營養(yǎng)價值不變的前提下,種植更高效的飼料——新型飼用甜高粱,畝產(chǎn)干物質(zhì)最高可達3噸,是全株青貯玉米的2~3倍;干物質(zhì)消化率為71.8%,比青貯玉米高15.2%。[25]甜高粱青貯飼料的適口性、消化率均優(yōu)于青貯玉米,飼喂中國荷斯坦奶牛,比飼喂青貯玉米產(chǎn)奶量提高13.19%、[26]12.16%、[27]9.8%,[28]或日均產(chǎn)奶量略高于飼喂青貯玉米對照組,但差異不顯著(P>0.05)[29];同時,可以降低牛奶中體細胞數(shù)目,對預(yù)防泌乳奶牛乳房炎起到一定積極作用;奶牛日糧中添加甜高粱還能增加牛奶中亞麻酸的含量,這表明青貯甜高粱可以代替青貯玉米安全高效地飼喂奶牛[30]。飼喂青貯甜高粱比飼喂全株青貯玉米的肉牛日增重提高8.82%、[31]1.68%,[32]或比全株青貯玉米對照組牛日增重低0.09公斤,但無顯著性差異(P>0.05),這表明飼喂青貯甜高粱后肉牛的增重效果與飼喂全株青貯玉米相當。因此,青貯甜高粱能替代全株玉米飼喂肉牛,并因生物產(chǎn)量大而滿足肉奶牛對優(yōu)質(zhì)飼草料的需求,降低畜牧業(yè)飼料成本,提高經(jīng)濟效益[33]。此外,甜高粱莖稈中富含糖,可通過固體發(fā)酵工藝轉(zhuǎn)化為乙醇,蒸餾分離乙醇后的酒糟最適宜作為粗飼料使用,[34]直接喂養(yǎng)肉牛日可增重1.26公斤。[35]研究人員還利用酒糟與其它飼料復(fù)配,開發(fā)出適口性好、價格低廉、具有一定飼用價值的復(fù)合飼料[36]。
甜高粱是高粱的變種,耐鹽堿、抗旱、耐澇,不僅產(chǎn)高粱米,而且莖稈生物量大、含糖豐富,是優(yōu)質(zhì)反芻動物飼料來源,其莖稈中的糖還能用來生產(chǎn)替代石油的能源、材料與化學(xué)品,因此,種植甜高粱一種作物就能同時滿足糧食、飼料、能源需求,從而減少爭糧爭地的矛盾。[37]美國種子公司NexSteppe總裁兼首席執(zhí)行官Anna Rath高度評價甜高粱,認為其和玉米一樣具有相對明了的遺傳學(xué)、相對較短的育種和產(chǎn)品開發(fā)周期等可成為成功農(nóng)作物的特性,并且在水肥投入和在更惡劣環(huán)境或邊際土地上生長的能力更勝一籌,在生物經(jīng)濟對大規(guī)模、可靠、可持續(xù)、穩(wěn)定和具有成本效益的原料日益增長的需求中可發(fā)揮重要作用。[38]由于農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的進步,美國的玉米畝產(chǎn)在1980年到2010年的30年間提高了1倍。甜高粱在提高產(chǎn)量、含糖量等生物過程中的調(diào)控相對更容易實現(xiàn),調(diào)整現(xiàn)有飼料地種植結(jié)構(gòu),改種甜高粱,可以增加飼料供應(yīng),將我國人均肉奶消費量提高1倍,達到發(fā)達國家2/3的水平。
2021年10月,習(xí)近平總書記在考察黃河入??诓⒅鞒终匍_深入推動黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展座談會時指出:“18億畝耕地紅線要守住,5億畝鹽堿地也要充分開發(fā)利用。如果耐鹽堿作物發(fā)展起來,對保障中國糧倉、中國飯碗將起到重要作用?!盵39]甜高粱耐鹽濃度高達0.9%,在pH值5.0~8.5的土壤上均能正常生長[40]。澳亞牧場在山東省東營市鹽堿地上種植甜高粱以作奶牛的青貯飼料。這里的鹽堿地沒有灌溉條件,完全靠天然降雨,土壤pH值大于9,含鹽量為0.35%~0.5%,土壤的有機質(zhì)含量幾乎為零,曾經(jīng)種過玉米,但顆粒無收。2015年以來,該地連續(xù)種植甜高粱,產(chǎn)量已從剛開始時的4噸/畝,提高到現(xiàn)在的5噸/畝,種植面積也從10000畝增加到16000畝。甜高粱固體發(fā)酵生產(chǎn)乙醇后的酒糟亦是優(yōu)異的鹽堿地改良劑,將其施用于鹽堿地1年后,土壤含鹽量下降36%,pH值降低13.6%,孔隙度上升20%,有機質(zhì)和氮含量分別增加75%和56%,微生物含量提高2~17倍[41],改良后土壤可以種植高粱、玉米等作物。
通過在中輕度鹽堿地上種植甜高粱,用生產(chǎn)乙醇后的部分酒糟改良重度鹽堿地,可以逐步利用11416萬畝可開發(fā)鹽堿地,[42]提供飼料和乙醇,滿足食源和能源需求。中國近一半國土的降水量在400毫米以下,沒有灌溉就沒有樹,只有草;還有一些沙漠和草原,連草都不長。如果種植耐鹽耐旱植物,植被一旦覆蓋上這些土地,沙塵暴的問題就解決了。[43]高粱是少數(shù)能夠應(yīng)對氣候變暖和隨之而來的水資源短缺問題的作物之一,對鹽更有抵抗力。[44]美國能源部已資助丹佛斯植物科學(xué)中心,研究將高粱改良為生物能源作物。[45]我國依托生物育種技術(shù)和節(jié)水技術(shù),開發(fā)可用于非牧業(yè)農(nóng)用土地,但未利用的可改造沙漠的8%,以及部分干旱低效利用草原,分別形成47318萬畝和13263萬畝可利用耕地和園地,[46]再加上可改造的11416萬畝鹽堿地,當前可以改造利用的土地共計約7.2億畝。種植甜高粱發(fā)展生物食源產(chǎn)業(yè),既可使我國人均肉奶消費達到發(fā)達國家水平,又能為生物能源產(chǎn)業(yè)提供原料,生產(chǎn)2億噸乙醇,替代3億噸進口原油。使“四只蹄子”(牛羊)與“四個輪子”(汽車)并駕齊驅(qū),相得益彰地保持我國經(jīng)濟發(fā)展速度。
農(nóng)業(yè)已不僅是供應(yīng)糧食、蔬果和肉蛋奶,以及提供輕工業(yè)原料的產(chǎn)業(yè),而且要成為替代化石燃料生產(chǎn)能源和化工產(chǎn)品的重要原料來源。我們應(yīng)在繼續(xù)發(fā)展種植業(yè)的同時,加快林業(yè)和畜牧水產(chǎn)業(yè)發(fā)展,更加集約地利用各種農(nóng)業(yè)資源。同時,發(fā)展新型能源作物,拓展農(nóng)業(yè)發(fā)展新空間,[47]構(gòu)建生物食源與生物能源“雙源”產(chǎn)業(yè)體系。
生物能源產(chǎn)業(yè):面向綠色低碳的生物質(zhì)替代應(yīng)用
生物質(zhì)不僅能吸碳聚能,還可通過現(xiàn)代技術(shù)轉(zhuǎn)化為可再生清潔能源,替代化石能源以減排二氧化碳[48]。燧人氏鉆木取火,人類最早使用的能源就是生物能源,隨著社會進步和經(jīng)濟發(fā)展,煤炭、石油、天然氣成為能源主體,也導(dǎo)致氣候變暖和大氣污染。生物能源結(jié)合碳捕集與封存(Bioenergy with carbon capture and storage, BECCS)被認為是控制全球平均升溫在1.5℃之內(nèi)(21世紀末控制在2℃之內(nèi))的主要負排放技術(shù)(negative emission technology, NET)[49]。到2050年,生物能源具有年替代68.25億噸標煤[50]到102.37億噸標煤的潛力[51],最高可減排230億噸CO2/年[52]。俄烏沖突暴露了歐洲對化石燃料進口的嚴重依賴,針對歐洲如何擺脫對化石燃料進口的嚴重依賴和扭轉(zhuǎn)氣候變化趨勢,國際能源署生物質(zhì)能執(zhí)行委員會(IEA Bioenergy Executive Committee)主席Paul Bennett指出:“生物能源是能源轉(zhuǎn)型中被忽視的巨人。沒有生物能源,邁向無化石能源、提高能源安全和碳中和的步驟將不會成功?!?/p>
生物能源是世界上使用最廣泛的可再生能源,約占全球能源供應(yīng)的10%,約占歐洲可再生能源約60%。生物能源既是歐洲能源安全的重要組成部分,也是全球能源安全的重要組成部分。[53]生物能源與其他可再生能源相比,最大的優(yōu)勢是其物質(zhì)屬性,生物能源能以燃料、材料(塑料、橡膠、纖維)等形式替代石油和天然氣;價格比化石燃料穩(wěn)定;資源生產(chǎn)、供應(yīng)穩(wěn)定,沒有風(fēng)能、太陽能那樣的晝夜及季節(jié)性波動;還與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施兼容,可滿足當前替代石油天然氣的迫切需求。
一個常見的關(guān)于清潔能源轉(zhuǎn)型的響亮口號是“把一切都電動化”,但并非所有交通工具都能電動化。[54]如在難以實現(xiàn)電動化和降低碳密度的商用車、海運和航空領(lǐng)域,就只能依靠生物燃料。[55]2021年7月,歐盟委員會發(fā)布的歐盟綠色新政的核心政策“Fit for 55”減排一攬子方案承諾,歐盟在2030年比1999年減排55%的溫室氣體,在交通領(lǐng)域主要還是依靠基于作物的生物燃料來實現(xiàn)。[56]有類似政策取向的還有印度,該國已開始用乙醇做農(nóng)機和建筑設(shè)備的替代燃料。[57]
生物燃料是目前唯一大規(guī)模取代石油的可再生燃料,[58]包括燃料乙醇和生物柴油,全球年產(chǎn)量約1.2億噸。其中燃料乙醇9143萬噸。[59]全球64個國家和地區(qū)使用乙醇汽油,摻混比例從5%(E5)到85%(E85)不等。2019年,美國的玉米乙醇產(chǎn)量為4740萬噸,[60]占汽油消耗的10.11%,創(chuàng)造430億美元GDP、35萬個就業(yè)崗位,增加居民收入230億美元,替代5億桶原油。[61]為應(yīng)對俄烏沖突所造成的高油價,美國環(huán)保署(U.S. Environmental Protection Agency, EPA)于2022年4月發(fā)布了一項緊急燃料豁免令,暫時取消對E15汽油——含有15%乙醇的汽油的季節(jié)性銷售限制,允許其在夏季銷售。[62]此外,美國國會眾議院于2022年6月通過了《降低食品和燃料成本法》,該法案包括為生物燃料基礎(chǔ)設(shè)施提供資金以及允許全年銷售E15乙醇汽油條款,授權(quán)2022~2023財年2億美元用于支持生物燃料基礎(chǔ)設(shè)施升級,以適應(yīng)乙醇含量15%的汽油銷售和分銷。[63]巴西的甘蔗乙醇產(chǎn)量為2586萬噸,[64]超過汽油消耗的46%,同時帶動了汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展;目前巴西全國銷售的汽車全部是既可使用乙醇又能以汽油為燃料的“靈活燃料”汽車,已占汽車保有量的75%。[65]同樣在生物燃料領(lǐng)域發(fā)展迅速的還有印度。印度總理辛格在2022年世界環(huán)境日之際宣布印度提前5個月實現(xiàn)全國汽油摻混10%乙醇的目標,并用甘蔗和糖蜜生產(chǎn)148萬噸乙醇,節(jié)省11.6億美元外匯,辛格稱這是印度的一項重大成就,因為在2013~2014財年,印度汽油中的乙醇摻混比例不到1.5%,在2019~2020財年也僅約5%。[66]2022年5月,印度聯(lián)邦內(nèi)閣通過《2018年國家生物燃料政策》修訂案,把汽油摻混20%乙醇的時間從2030年提前到2025年。[67]
然而,用玉米和甘蔗大規(guī)模生產(chǎn)生物能源可能會對全球饑餓和食物供應(yīng)產(chǎn)生負面影響,在非洲薩哈拉沙漠以南和南亞等糧食安全敏感地區(qū)更甚,[68]而利用秸稈等木質(zhì)纖維素生產(chǎn)的第2代生物燃料——纖維素乙醇生產(chǎn)成本又太高。杜邦、Poet-DSM和Abengoa等公司在2010年代中期均建成了商業(yè)規(guī)模的纖維素乙醇工廠,由美國能源部分攤資金和貸款擔(dān)保,但現(xiàn)在沒有一個工廠正常運行,其中1個被封存,另外2個被出售并轉(zhuǎn)為生產(chǎn)沼氣。[69]現(xiàn)在的情況正如美國大湖環(huán)境研究實驗室Bruce Dale教授在雜志Biofuels Bioproducts & Biorefining編者按中所述:纖維素生物燃料的船已經(jīng)起航,但尚未出港。[70]
甜高粱作為既不會引起糧食與燃料矛盾,又能滿足食物、燃料和飼料需求的多功能作物,被國際公認為是新時代生物燃料的主要原料之一。[71]我國自主創(chuàng)新的“連續(xù)固體發(fā)酵生產(chǎn)甜高粱稈乙醇技術(shù)”[72]日臻成熟,已示范成功。甜高粱稈乙醇發(fā)酵時間僅不到24小時(玉米乙醇發(fā)酵時間為50小時),乙醇收率達91%;生產(chǎn)過程無發(fā)酵廢水排放;分離乙醇后的酒糟營養(yǎng)成分與青貯玉米相同,替代全株青貯玉米喂牛,牛日增重1.08公斤。生產(chǎn)乙醇后的酒糟除了做牛羊飼料外,還可用于機械法造紙,能耗比機械磨漿法低31%;或可生產(chǎn)納米纖維素,分離出的木質(zhì)素可用來生產(chǎn)生物瀝青、沙漠改良劑;或可用于改造鹽堿地,實驗結(jié)果顯示重度鹽堿地每畝年施用4噸酒糟,三年后其上種植玉米產(chǎn)量與普通耕地相同;亦可利用其生產(chǎn)沼氣、纖維素乙醇、發(fā)電等,從而形成從種植甜高粱到飼料、能源、材料產(chǎn)品的內(nèi)循環(huán)產(chǎn)業(yè)體系,滿足乙醇的巨大市場需求,并具有與60美元/桶油價競爭的優(yōu)勢。乙醇不僅能直接與汽油混合作為清潔替代燃料,實現(xiàn)全國使用E10乙醇汽油的目標,而且可以生產(chǎn)生物航煤、氫,以及高分子聚合物,替代石油、天然氣。
乙醇不僅能直接與汽油混合作為清潔替代燃料,實現(xiàn)全國使用E10乙醇汽油的目標,而且可以生產(chǎn)生物航煤、氫、以及高分子聚合物,替代石油、天然氣。歐盟確定了2050年實現(xiàn)航空碳中和的目標。[73]美國國家公務(wù)航空協(xié)會及80個相關(guān)公司致函美國國會,呼吁盡快通過《可持續(xù)天空法案》(The Sustainable Skies Act),[74]該法案對生物航煤予以每加侖1.5美元的稅收減免,到2030年占航煤消耗的10%。事實上,世界主要航空公司正在競相通過支持和使用生物航煤來實現(xiàn)脫碳。[75]例如,美聯(lián)航購買3億加侖(90萬噸)生物航煤作為其實施零碳戰(zhàn)略的一部分;[76]道達爾、[77]殼牌、[78]英國石油[79]等石油巨頭紛紛開始生產(chǎn)生物航煤,生物航煤市場價格從每噸2000美元到3000美元不等,甚至更高;[80]殼牌、埃森哲和美國運通全球商務(wù)旅行公司還共同推出了基于區(qū)塊鏈的數(shù)字生物航煤商務(wù)旅行預(yù)訂和索賠解決方案[81]。
目前,生物航煤主要是以脂肪酸甲酯加氫脫氧得到的氫化生物柴油為主,但生物柴油以油脂為原料,生產(chǎn)規(guī)模受到資源制約。目前,歐洲生物柴油的原料34%來自中國的地溝油、19%是東南亞的棕櫚油,[82]其余是歐洲自產(chǎn)的菜籽油或葵花籽油。因此,以生物乙醇為原料生產(chǎn)的生物航煤EtJ(Ethanol to Jet-fuel)被業(yè)界認為最有可能大規(guī)模替代化石航煤。2018年,EtJ技術(shù)已被列入美國實驗材料協(xié)會標準ASTM D7566 Annex 15。用乙醇生產(chǎn)生物航煤有乙醇脫水/齊聚、加氫的兩步法和乙醇脫水/齊聚的一步法兩條技術(shù)路線。前者技術(shù)成熟,產(chǎn)品收率為95%,與化石航煤摻混比例為50%,加工成本為0.11~0.26美元/升[83];后者是新技術(shù),產(chǎn)品收率為90%,與化石航煤摻混比例為10%,加工成本為0.065美元/升。[84]美國乙醇巨頭ADM公司計劃從2025年起,用34億升乙醇生產(chǎn)19億升航煤。[85]
氫能被認為是未來能源系統(tǒng)的重要組成部分。然而,其發(fā)展面臨兩個瓶頸:一是加氫站成本高,我國還須進口高壓加氫站裝備;二是氫主要來自化石能源。在低成本的甜高粱乙醇基礎(chǔ)上,用46%乙醇水溶液在線重整制氫解決了“綠氫”來源和加氫基礎(chǔ)設(shè)施問題。利用現(xiàn)有加油站,僅把汽油、柴油換成46%乙醇水溶液,車載重整反應(yīng)器即可在線制氫為燃料電池或氫發(fā)動機提供燃料,無需像現(xiàn)在某些日本車那樣背負著低溫、700kg/cm2高壓氫氣罐行駛,更不需建設(shè)昂貴、復(fù)雜的加氫站和貯運設(shè)施。乙醇重整制氫收率達90%,[86]作為氫能源車燃料,其成本顯著低于汽油、柴油,再與氫發(fā)動機或燃料電池結(jié)合,就可使交通能源和汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)低成本轉(zhuǎn)型。巴西的乙醇行業(yè)與汽車工業(yè)合作,開發(fā)乙醇氫燃料電池汽車,應(yīng)對電動車的挑戰(zhàn), 原型乙醇制氫燃料電池汽車用30升乙醇可以行駛 700 公里。[87]
乙烯是基礎(chǔ)化工原料,也是衡量石化行業(yè)水平的標志。用生物乙醇可以生產(chǎn)乙烯、聚乙烯、順丁橡膠等高分子材料。例如,巴西Braskem公司用甘蔗乙醇生產(chǎn)乙烯,還在世界上首次推出可再生聚乙烯石蠟,用乙醇生產(chǎn)可再生乙烯比傳統(tǒng)石油基乙烯節(jié)能80%,[88]構(gòu)建了從甘蔗種植到超市貨架產(chǎn)品的整個生產(chǎn)過程和人們?nèi)粘I畹目沙掷m(xù)性鏈條。[89]我國安徽豐原集團、中石化等公司亦在生產(chǎn)生物基乙烯。雀巢公司推出主要由甘蔗乙醇制成的生物聚乙烯蓋子和勺子,用于嬰兒和兒童營養(yǎng)產(chǎn)品系列,旨在減少對化石基塑料的使用。其新包裝使用的蓋子和勺子分別由66%和95%的甘蔗制成,已于2020年在香港推出,2021年在全球其他市場上市。[90]
我國通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)以及在7.2億畝可開發(fā)邊際土地[91]上種植甜高粱,發(fā)展生物“雙源”產(chǎn)業(yè),能很好地平衡發(fā)展生物能源、控制氣候變化與糧食安全之間的關(guān)系,從而促進生物經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展,為實現(xiàn)2030年全球可持續(xù)發(fā)展目標和21世紀中葉碳中和目標作出示范。
生物“雙源”產(chǎn)業(yè)的意義與優(yōu)勢
面對百年未有之大變局,在抗疫和為實現(xiàn)“雙碳”目標進行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的大背景下,我國的就業(yè)形勢更加復(fù)雜、嚴峻。受疫情影響,一些農(nóng)民工選擇留鄉(xiāng)返鄉(xiāng),農(nóng)村就業(yè)問題關(guān)涉社會安全穩(wěn)定大局;2022年應(yīng)屆大學(xué)畢業(yè)生首次突破1000萬人,其中許多人面臨擇業(yè)困難。
發(fā)展生物經(jīng)濟,特別是生物“雙源”產(chǎn)業(yè),能創(chuàng)造更多工作崗位。在英國脫歐后的歐盟27國,生物經(jīng)濟貢獻了1750萬個就業(yè)崗位,其中農(nóng)業(yè)占53%、食品和生物能源及生物基產(chǎn)品合計約27%,與生物“雙源”產(chǎn)業(yè)相關(guān)的崗位共約1400萬個。[92]美國發(fā)展燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的初衷就是為了解決農(nóng)村發(fā)展問題,就地創(chuàng)造工作機會,防止農(nóng)村社區(qū)崩潰。2019年,美國玉米年產(chǎn)量3.7億噸,其中1.43億噸玉米生產(chǎn)了4740萬噸燃料乙醇,既維持了玉米價格穩(wěn)定,又減少了10.11%的汽油消耗,創(chuàng)造了35萬個就業(yè)崗位。[93]2022年6月,印度總理辛格宣布,印度提前5個月實現(xiàn)全國使用E10乙醇汽油計劃,減少了270萬噸的碳排放,更重要的是在2013到2021年推廣乙醇汽油的8年間,該產(chǎn)業(yè)為農(nóng)民增加收入51.4億美元。[94]
多年來,我國糧食一直存在既“多”又“少”的現(xiàn)象,未能從根本上解決農(nóng)產(chǎn)品的價格和市場波動問題。經(jīng)濟學(xué)家周天勇對農(nóng)民外出打工和種糧收入進行了對比。2021年外出農(nóng)民工月均收入4868元,假定外出農(nóng)民工年工作11個月,則年收入為53548元;而按15億畝種植糧食用地計算,樂觀估計農(nóng)民平均凈收入為每畝500元左右,假定平均每人種植5畝地,年收入僅為2500元,每位農(nóng)民需種植107畝耕地才能達到外出務(wù)工的收入水平。農(nóng)業(yè)(特別是糧食種植)收益低,農(nóng)民增收難,留住青壯年工作機會少,興村富農(nóng)任務(wù)艱巨。[95]相對于種植玉米,種植甜高粱的水肥用量、人工投入都較少,種植成本較低;而產(chǎn)出包括高粱米、飼料和乙醇,農(nóng)民每畝凈收入比種植玉米、小麥、水稻、棉花等作物高1倍以上。因此,在重要農(nóng)作物種植面積要保持相對穩(wěn)定,重點農(nóng)產(chǎn)品要保持一定價位且要滿足基本供應(yīng)量的前提下,其余耕地及可開發(fā)邊際土地,可針對肉奶(消費水平低)和進口石油(比例高)這兩個巨大的市場,種植耐鹽堿、耐干旱的多功能作物甜高粱,進而發(fā)展生物“雙源”產(chǎn)業(yè),給農(nóng)村、農(nóng)業(yè)和農(nóng)民進入二產(chǎn),包括相關(guān)的三產(chǎn)服務(wù),創(chuàng)造機會,提供更多工作崗位、提高農(nóng)民收入,防止返貧,實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興。
生物“雙源”產(chǎn)業(yè)是適合農(nóng)村發(fā)展的普適性產(chǎn)業(yè),其產(chǎn)業(yè)體系涵蓋育種、種植、養(yǎng)殖、農(nóng)機、乙醇生產(chǎn)、機電裝備、汽車制造、化工、能源、工程設(shè)計與建設(shè)、物流等十幾個行業(yè),每3萬畝甜高粱可生產(chǎn)1萬頭牛所需飼料和1萬噸乙醇,拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)4.6億元產(chǎn)值,可創(chuàng)造1400個就業(yè)機會。利用7.2億畝邊際土地種植甜高粱可生產(chǎn)飼養(yǎng)2.4億頭牛的青貯飼料、2億噸乙醇,創(chuàng)造2800萬個就業(yè)崗位,可謂“一石三鳥”。
生物“雙源”產(chǎn)業(yè)的國際影響
俄烏沖突對大宗商品市場造成重大沖擊,[96]2022年5月,世界原油平均價格和硬質(zhì)紅色冬小麥HRW價格比年初分別上漲13.6%、25.3%。[97]世界銀行在2022年4月底發(fā)布的當期《大宗商品市場展望》報告預(yù)測,2022年世界能源價格漲幅將超過50%,小麥價格漲幅將超過40%。[98]俄烏沖突觸發(fā)歐洲能源危機,也會引爆非洲饑荒。我國向“一帶一路”沿線國家輸出技術(shù)、裝備,發(fā)展生物“雙源”產(chǎn)業(yè),可使相關(guān)的“能源”“饑餓”兩個難題迎刃而解;亦可從容應(yīng)對美國主導(dǎo)的“全球基礎(chǔ)設(shè)施與投資伙伴關(guān)系”(PGII)倡議。
歐盟特別峰會于2022年5月就石油問題達成一致,將于2022年年底前削減石油進口總量的至少90%。這表明歐盟下決心結(jié)束對俄羅斯的能源依賴,不再從俄羅斯進口煤炭、石油、天然氣。這也是歐洲能源轉(zhuǎn)型的機遇。歐盟有6500萬公頃未利用農(nóng)地,并在“歐洲地平線”(Horizon Europe)工作計劃中專門資助研究如何利用其種植工業(yè)作物,生產(chǎn)替代石油的燃料和化學(xué)品,現(xiàn)已從68種作物中篩選出37個適宜品種,其中高粱排名第4。[99]甜高粱生物量大且莖稈含糖,作為能源作物比高粱的優(yōu)勢更顯著,而且我國已有近20年的技術(shù)積累。作為政策選擇之一,我國可以出口技術(shù)、裝備,幫助歐盟開發(fā)其邊際農(nóng)地,種植甜高粱生產(chǎn)乙醇和生物天然氣(沼氣),可替代5億噸石油、2000億立方米天然氣,實現(xiàn)其能源自主目標。
“絲綢之路經(jīng)濟帶”上的中亞國家油氣儲量充裕、礦產(chǎn)資源豐富,但過度開采導(dǎo)致其生態(tài)退化和氣候變化,并且這些國家普通民眾收益有限,社會隱患重重,因而對我國的油氣資源供應(yīng)并不穩(wěn)定。中亞各國與新疆氣候土壤條件相似,適合種植甜高粱發(fā)展生物經(jīng)濟,例如,甜高粱在塔里木盆地一年能收獲兩季,畝產(chǎn)含糖13%的莖稈18噸、高粱米598公斤[100]。中亞各國可通過種植甜高粱生產(chǎn)乙醇、肉奶,改變經(jīng)濟發(fā)展模式,合理利用水資源和現(xiàn)有土地資源,同時治理和修復(fù)鹽堿化、沙漠化耕地以恢復(fù)生態(tài),解決生態(tài)和經(jīng)濟發(fā)展問題。向中亞輸出生物“雙源”產(chǎn)業(yè)所需的技術(shù)、裝備,可幫助中亞國家發(fā)展生物經(jīng)濟、改善民生,轉(zhuǎn)移我國高能耗產(chǎn)業(yè)并出口大型機械設(shè)施,掌控能源動脈,實現(xiàn)海外囤油、囤氣。
“海上絲綢之路”沿線國家基本上為發(fā)展中國家,缺乏能源,也缺少糧食和飼料。高粱原產(chǎn)于非洲,根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織的報告《生物能源與糧食安全》,坦桑尼亞可種植甜高粱的土地面積有6949萬公頃,而適合種甘蔗的土地僅為90萬公頃。[101]非洲國家迫切需要建立生物“雙源”產(chǎn)業(yè)解決能源和民生問題。埃塞俄比亞總統(tǒng)和總理,津巴布韋總統(tǒng)分別邀請中國專家到訪洽談。甜高粱在東南亞一年能種三季,印度尼西亞政府希望引進中國技術(shù),在離散島嶼上種植甜高粱,建立“1萬噸乙醇/3兆瓦電廠”分布式能源模式,以解決能源問題。我國向“海上絲綢之路”沿線國家輸出生物“雙源”技術(shù)和產(chǎn)業(yè),幫助其發(fā)展生物經(jīng)濟,有利于實現(xiàn)海外屯田、屯礦。
我國過往在海外以對外援助換取能源、礦產(chǎn)資源的合作模式現(xiàn)面臨巨大困難,深入其中的企業(yè)也入不敷出、難以為繼;當前,完全可以通過技術(shù)和資本達成合作。輸出生物“雙源”產(chǎn)業(yè)體系,既可破解我國海外企業(yè)面臨的難題,又能把“一帶一路”沿線不同信仰、不同文化、不同經(jīng)濟發(fā)展階段的國家連接起來,使其和睦共處、合作共贏,最終有望在歐洲大陸匯合,用中國的技術(shù)、裝備助力全球生物經(jīng)濟轉(zhuǎn)型并實現(xiàn)碳中和目標。
對推進我國生物經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的幾點建議
發(fā)展生物“雙源”產(chǎn)業(yè),高質(zhì)量發(fā)展生物經(jīng)濟是一個事關(guān)全局的系統(tǒng)性工程,產(chǎn)品種類多,且附加值高,涉及部門多、協(xié)調(diào)任務(wù)重,為落實好《“十四五”生物經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》,我國應(yīng)采取綜合性措施加以謀劃和推進,簡要建議如下。
可在國家層面設(shè)立“生物食源與生物能源產(chǎn)業(yè)辦公室”,協(xié)調(diào)各部門制定扶持政策,落實資金支持、市場準入等激勵措施;設(shè)立國家科技專項,重點突破關(guān)鍵核心技術(shù),建立生物“雙源”產(chǎn)業(yè)化技術(shù)體系;全方位支持從甜高粱種植、改造鹽堿、沙荒地、生產(chǎn)乙醇、飼料、牛羊養(yǎng)殖,到乙醇和后續(xù)的制氫、生產(chǎn)航煤,以及氫動力車船的全產(chǎn)業(yè)體系示范工程;規(guī)劃實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)集群式快速發(fā)展。
鑒于生物食源與生物能源產(chǎn)業(yè)橫跨農(nóng)業(yè)、能源等領(lǐng)域,涉及育種、種植、養(yǎng)殖、發(fā)酵、分離、燃料、動力等諸多創(chuàng)新內(nèi)容,生物“雙源”國家科技專項應(yīng)重點支持從采用全基因組設(shè)計育種、合成育種等策略,開發(fā)更加耐旱、耐鹽堿、含糖量高和高生物量的甜高粱等多功能作物新品種,到加工轉(zhuǎn)化為乙醇和飼料,再到后續(xù)采用甜高粱飼料的牛羊養(yǎng)殖、乙醇制備氫和生產(chǎn)航煤、綠色動力系統(tǒng)的研發(fā),實現(xiàn)工程技術(shù)突破。
科技成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力需先有示范;種植甜高粱改造鹽堿地、沙荒地,需所在地區(qū)廣大農(nóng)民的配合,國家農(nóng)業(yè)和農(nóng)村主管部門可選擇合適的區(qū)域,投入充足資金組織實施“甜高粱改造鹽堿、沙荒地生產(chǎn)飼料、乙醇、優(yōu)質(zhì)肉奶,以及基于乙醇的綠色動力農(nóng)機”示范項目,為大面積開展鹽堿地和沙荒地改造利用奠定基礎(chǔ)。
甜高粱適合在“一帶一路”沿線國家種植。我國擁有生物“雙源”產(chǎn)業(yè)技術(shù)自主知識產(chǎn)權(quán)并在全球推動可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢。相關(guān)部門可優(yōu)先考慮將發(fā)展生物“雙源”產(chǎn)業(yè)列入中非“十大合作計劃”和“八大行動”方案;在中歐投資協(xié)定談判中加入生物“雙源”技術(shù)、裝備、工程進入歐洲市場的內(nèi)容;與上合組織國家加強發(fā)展生物“雙源”產(chǎn)業(yè)和生態(tài)建設(shè)方面的務(wù)實合作;并予以政策、資金支持。
注釋
[1]The Organization for Economic Cooperation and Development (OECD), The Bioeconomy to 2030: Designing a Policy Agenda, April 15, 2009; European Commission, A Sustainable Bioeconomy for Europe: Strengthening the Connection between Economy, Society and the Environment-Updated Bioeconomy Strategy, Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2018.
[2]The Organization for Economic Cooperation and Development, Meeting Policy Challenges for a Sustainable Bioeconomy, April 19, 2018.
[3][9]Hodgson, A.; Alper, J.; Maxon, M. E., "The U.S. Bioeconomy: Charting a Course for a Resilient and Competitive Future", Schmidt Futures, April, 2022.
[4]The Organization for Economic Cooperation and Development (OECD), "The Next Production Revolution Implications for Governments and Business", May 10, 2017.
[5]The White House, National Bioeconomy Blueprint, https://obamawhitehouse.archives.gov/sites/default/files/microsites/ostp/national_bioeconomy_blueprint_april_2012.pdf.
[6]The Biomass Research and Development (BR&D) Board, The Bioeconomy Initiative: Implementation Framework, https://biomassboard.gov/sites/default/files/pdfs/Bioeconomy_Initiative_Implementation_Framework_FINAL.pdf.
[7]European Commission, A Sustainable Bioeconomy for Europe: Strengthening the Connection between Economy, Society and the Environment- Updated Bioeconomy Strategy, Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2018.
[8]Report to Congress of the U.S. China Economic and Security Review Commission, https://www.uscc.gov/sites/default/files/2021-11/2021_Annual_Report_to_Congress.pdf.
[10]National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, Safeguarding the Bioeconomy, Washington, DC: The National Academies Press.
[11]Daystar, J.; Handfeld, R. B.; Pascual-Gonzalez, J.; McConnell, E. and Golden, J. S., An Economic Impact Analysis of the U.S. Biobased Products Industry: 2019 Update, Volume IV, A Joint Publication of the Supply Chain Resource Cooperative at North Carolina State University and the College of Engineering and Technology at East Carolina University.
[12][92]Tévécia, R.; Stephan, P.; Saulius, T., et al., "Developments of Economic Growth and Employment in Bioeconomy Sectors across the EU", Sustainability, 2020(12), p. 4507.
[13][96][98]World Bank, "The Impact of the War in Ukraine on Commodity Markets", https://openknowledge.worldbank.org/bitstream/handle/10986/37223/CMO-April-2022-special-focus.pdf.
[14]國家統(tǒng)計局:《中國統(tǒng)計年鑒2022年》,北京:中國統(tǒng)計出版社,2022年。
[15][18]《把提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力放在更加突出的位置 在推動社會保障事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展上持續(xù)用力》,《人民日報》,2022年3月7日,第1版。
[16]International Energy Agency, IEA-Bioenergy, Developing the Global Bioeconomy – technical, Market and Environmental Lessons from Bioenergy,? May 2016.
[17][22][25]蘇都莫日根:《充分利用有限的農(nóng)田實現(xiàn)我國畜牧業(yè)的第二次增長》(內(nèi)部交流資料)。
[19][24]譙仕彥:《推進飼料糧減量替代助力糧食安全》,糧農(nóng)智庫內(nèi)參,2021年第21期,第50、51頁。
[20]《2022年1–4月中國高粱進口數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析》,中商情報網(wǎng),https://www.askci.com/news/data/maoyi/20220527/1131151869772.shtml;《2021年中國牧草及飼料原料進口情況分析:干草進口量增長17.6%》,中商情報網(wǎng),https://baijiahao.baidu.com/s?id=1724064571504772450&wfr=spider&for=pc。
[21]《任繼周院士:我國飼料需求已是口糧需求2.5倍》,科學(xué)網(wǎng),https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2014/7/299338.shtm,2014年7月21日更新。
[23]《農(nóng)業(yè)部關(guān)于印發(fā)〈糧改飼工作實施方案〉的通知》,http://www.moa.gov.cn/nybgb/2017/dlq/201712/t20171231_6133718.htm,2017年6月20日更新;《農(nóng)業(yè)部關(guān)于印發(fā)2017年推進北方農(nóng)牧交錯帶農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整工作方案的通知》,http://www.moa.gov.cn/govpublic/FZJHS/201707/t20170727_5762005.htm,2017年7月27日更新。
[26]李春喜、馮海生、李永仁等:《青貯甜高粱與青貯玉米飼喂奶牛、羊及奶品質(zhì)的比較研究》,《青海農(nóng)林科技》,2014年第2期。
[27]王占鎖、李波、李建峰等:《甜高粱青貯與玉米秸稈青貯喂奶牛對比試驗》,《黃牛雜志》,2004年第5期。
[28]王永慧、陳建平、張培通等:《甜高梁和玉米青貯質(zhì)量及其對奶牛的飼喂效果》,《安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)》,2015年第14期。
[29]段軍紅、于天明、王吉成等,《青貯飼用型甜高粱飼喂奶牛試驗報告》,《中國奶?!罚?014年第14期;何周瑞:《飼用甜高粱青貯營養(yǎng)價值和飼用價值的評定》,新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2017年。
[30]何周瑞:《飼用甜高粱青貯營養(yǎng)價值和飼用價值的評定》,新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2017年;李珊珊:《甜高粱營養(yǎng)價值評定及其在奶牛生產(chǎn)中的應(yīng)用研究》,蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文,2018年。
[31]趙通、王延飛:《飼用甜高粱青貯飼喂肉牛的增重試驗》,《甘肅畜牧獸醫(yī)》,2015年第2期。
[32]馬淑梅、楊曉、余小亮等:《飼用甜高粱青貯飼料對平?jīng)黾t牛肥育效果的研究》,《甘肅畜牧獸醫(yī)》,2019年第3期。
[33]邰發(fā)紅、魏永紅、陳福斌:《飼用甜高粱與全株玉米青貯飼喂肉牛對比試驗》,《中國草食動物科學(xué)》,《中國草食動物科學(xué)》,2016年第4期。
[34]付妍、田瑞華、段開紅等:《不同發(fā)酵工藝對甜高粱秸稈酒糟基本營養(yǎng)成分的影響》,《畜牧與飼料科學(xué)》,2010年第2期。
[35]馬文健、劉洪貴、楊廣營:《飼用甜高粱引種及其飼喂肉牛效果試驗》,《第三屆全國甜高粱會議暨第一屆甜高粱產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇論文集》,2007年,第479~482頁。
[36]邊文祥、田瑞華、段開紅等:《甜高粱秸稈酒糟復(fù)合飼料的初步研制》,《畜牧與飼料科學(xué)》,2010年第1期。
[37]Umakanth, A. V.; Kumar, A. A.; Wilfred, V., et al., "Sweet Sorghum for Biofuel Industry", in Aruna, C.; Visarada, K. B. R. S, et al. (eds.), Breeding Sorghum for Diverse End Uses, Cambridge: Woodhead Publishing,? United Kingdom, 2018, p. 255.
[38]Helena, T. K., "No Boredom for Sorghum– Sorghum Reaches Stardom Status with Huge $16 Million Grant", Biofuels Digest, October 8, 2017.
[39]張曉松、朱基釵、杜尚澤:《大河奔涌,奏響新時代澎湃樂章》,《人民日報》,2021年10月24日,第1版。
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責(zé) 編/桂 琰