【摘要】生物經(jīng)濟(jì)已根植于當(dāng)前能源、運(yùn)輸和工業(yè)的深遠(yuǎn)轉(zhuǎn)型之中，國家《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)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(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。推動2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)，促進(jìn)生物經(jīng)濟(jì)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(diǎn)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(jī)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(jì) 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(xiàn)標(biāo)識碼】A
【DOI】10.16619/j.cnki.rmltxsqy.2022.14.002
【作者簡介】李十中，清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院教授，北京市生物燃料工程技術(shù)研究中心主任，香港科技大學(xué)兼職教授，聯(lián)合國發(fā)展計(jì)劃署UNDP中國氫能項(xiàng)目顧問。研究方向?yàn)橄冗M(jìn)生物能源與材料，在固體生物反應(yīng)工程領(lǐng)域獨(dú)有建樹。主要著作有《中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究叢書：生物質(zhì)能卷》（編著）、《Cellulose Nanofibers Preparation Combined with Bioethanol Production from Fermented Sweet Sorghum Bagasse》（論文）等。
生物經(jīng)濟(jì)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(jì)算機(jī)和信息科學(xué)技術(shù)進(jìn)步基礎(chǔ)上的經(jīng)濟(jì)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(jì)發(fā)展迅猛，[2]被認(rèn)為與前三次工業(yè)革命中發(fā)明蒸汽機(jī)、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(jì)已根植于當(dāng)前能源、運(yùn)輸和工業(yè)的深遠(yuǎn)轉(zhuǎn)型之中，[4]《巴黎協(xié)定》（The Paris Agreement）締約以來，生物經(jīng)濟(jì)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(jìn)了經(jīng)濟(jì)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(biāo)和《巴黎協(xié)定》氣候目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[7]。美國已把發(fā)展生物經(jīng)濟(jì)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(jì)對美國GDP的貢獻(xiàn)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(jì)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(jì)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(jì)部門創(chuàng)造2.79個工作崗位。[11]歐盟27國的生物經(jīng)濟(jì)占GDP的4.7%，提供了1750萬個就業(yè)機(jī)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(dāng)務(wù)之急、重中之重。2022年6月21日，李克強(qiáng)總理在河北考察時強(qiáng)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(jì)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(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。糧食和能源是支撐國民經(jīng)濟(jì)健康有序運(yùn)行的最基礎(chǔ)生產(chǎn)生活資料。2021年，我國進(jìn)口石油5.13億噸，占石油消費(fèi)的72%，支出2573.31億美元；進(jìn)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(jì)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(shí)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(fèi)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(rèn)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(diǎn)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(jì)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(jì)的命脈。隨著我國經(jīng)濟(jì)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(fèi)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(fèi)水平也只有發(fā)達(dá)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(fèi)已超過谷物總消費(fèi)量的40%，保障糧食安全，主要壓力在飼料糧。[19]我國進(jìn)口高粱以替代玉米作為飼料糧，2021年進(jìn)口了942萬噸，支出30.26億美元；進(jìn)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(yuǎn)多于淀粉。[22]因此，國家實(shí)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(shí)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(shí)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(dá)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(xì)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(dāng)。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(jì)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(rèn)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(jì)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(jìn)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(shí)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(fèi)量提高1倍，達(dá)到發(fā)達(dá)國家2／3的水平。
2021年10月，習(xí)近平總書記在考察黃河入海口并主持召開深入推動黃河流域生態(tài)保護(hù)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。”[39]甜高粱耐鹽濃度高達(dá)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(jī)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(jī)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(dāng)前可以改造利用的土地共計(jì)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(fèi)達(dá)到發(fā)達(dá)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(jìn)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(jì)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(jìn)步和經(jīng)濟(jì)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(rèn)為是控制全球平均升溫在1.5℃之內(nèi)（21世紀(jì)末控制在2℃之內(nèi)）的主要負(fù)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(biāo)煤[50]到102.37億噸標(biāo)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(jìn)口的嚴(yán)重依賴，針對歐洲如何擺脫對化石燃料進(jìn)口的嚴(yán)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。”
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?xì)W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(dāng)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(shí)現(xiàn)電動化和降低碳密度的商用車、海運(yùn)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(shí)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(jī)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)全國汽油摻混10%乙醇的目標(biāo)，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(xiàng)重大成就，因?yàn)樵?013～2014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(fù)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?jǐn)傎Y金和貸款擔(dān)保，但現(xiàn)在沒有一個工廠正常運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(rèn)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(dá)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(jī)械法造紙，能耗比機(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)全國使用E10乙醇汽油的目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)全國使用E10乙醇汽油的目標(biāo)，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(shí)現(xiàn)航空碳中和的目標(biāo)。[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(shí)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(shí)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(shí)施零碳戰(zhàn)略的一部分；[76]道達(dá)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(yùn)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(rèn)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(shí)驗(yàn)材料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)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(jì)劃從2025年起，用34億升乙醇生產(chǎn)19億升航煤。[85]
氫能被認(rèn)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(jìn)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(jī)提供燃料，無需像現(xiàn)在某些日本車那樣背負(fù)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(yùn)設(shè)施。乙醇重整制氫收率達(dá)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(jī)或燃料電池結(jié)合，就可使交通能源和汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)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?xì)淙剂想姵仄嚕瑧?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(biāo)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(tuán)、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(jìn)生物經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)2030年全球可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)和21世紀(jì)中葉碳中和目標(biāo)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(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)進(jìn)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(yán)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(jì)，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(jì)貢獻(xiàn)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(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)全國使用E10乙醇汽油計(jì)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(jì)學(xué)家周天勇對農(nóng)民外出打工和種糧收入進(jìn)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(jì)算，樂觀估計(jì)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(dá)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(jī)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(diǎn)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(fèi)水平低）和進(jìn)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(jìn)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(jìn)入二產(chǎn)，包括相關(guān)的三產(chǎn)服務(wù)，創(chuàng)造機(jī)會，提供更多工作崗位、提高農(nóng)民收入，防止返貧，實(shí)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(jī)、乙醇生產(chǎn)、機(jī)電裝備、汽車制造、化工、能源、工程設(shè)計(jì)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(jī)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(dāng)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(jī)，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(dá)成一致，將于2022年年底前削減石油進(jìn)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(jìn)口煤炭、石油、天然氣。這也是歐洲能源轉(zhuǎn)型的機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)其能源自主目標(biāo)。
“絲綢之路經(jīng)濟(jì)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(jì)，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(jì)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(jì)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(jì)、改善民生，轉(zhuǎn)移我國高能耗產(chǎn)業(yè)并出口大型機(jī)械設(shè)施，掌控能源動脈，實(shí)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(jìn)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(jì)，有利于實(shí)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(dāng)前，完全可以通過技術(shù)和資本達(dá)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(jì)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(jì)轉(zhuǎn)型并實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
對推進(jìn)我國生物經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的幾點(diǎn)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(jì)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(shí)好《“十四五”生物經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，我國應(yīng)采取綜合性措施加以謀劃和推進(jìn)，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(shí)資金支持、市場準(zhǔn)入等激勵措施；設(shè)立國家科技專項(xiàng)，重點(diǎn)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(shí)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(xiàng)應(yīng)重點(diǎn)支持從采用全基因組設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)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(jī)”示范項(xiàng)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(jì)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(jìn)入歐洲市場的內(nèi)容；與上合組織國家加強(qiáng)發(fā)展生物“雙源”產(chǎn)業(yè)和生態(tài)建設(shè)方面的務(wù)實(shí)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(jì)局：《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2022年》，北京：中國統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)我國畜牧業(yè)的第二次增長》（內(nèi)部交流資料）。
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Trends in Bioeconomic Development: Building a Biofood Industry
and Bioenergy Industry System
Li Shizhong
Abstract:Bioeconomy has been rooted in the far-reaching transformation of the energy, transportation and industrial sectors, and the 14th Five-Year Plan for Bioeconomic Development has listed bioagriculture and biomass alternative applications as priority areas for development. To promote the achievement of the carbon neutrality target by 2060 and the high-quality development of the bioeconomy, we should establish a "big food concept", rely on independent technological innovation, and focus on building a "dual source" industry of biofood and bioenergy. Using 720 million mu of exploitable marginal land in China and adjusting the planting structure, we can produce roughage to meet the needs of 240 million cows , 200 million tons of ethanol, and create 28 million jobs, that will help to solve the problems of unemployment, food security and energy shortage.
Keywords: bioeconomy, biofood industry, bioenergy industry, marginal land, sweet sorghum
責(zé) 編／桂 琰
