生物质能、材料的问世为农业生态产业发展提供了千载难逢的机遇
20世纪90年代起,中国快速小康而后又正在富裕起来的国民(主要是城市居民),开始遭遇到“发展通病”的种种困扰。严重依靠化石能源发展重、化工业的传统工业化模式,还有掠夺式和粗放经营的农业模式,使生态质量迅速恶化,水和能源、矿物等资源过量消耗;“暴发户”式的奢侈消费模式,又造成“富营养化”、“沙尘暴”、“垃圾围城”等环境困局。我们都陷入了一种尴尬的局面:在环境保护和污染治理方面,得到发达国家经济学界公认的所谓“环境库兹涅茨倒U型曲线”规律开始起作用。在生态和环境迅速恶化及人均GDP尚未达到可使环境质量由恶化变为好转的“拐点”之前,中、低收入的中国人要“被迫”提前“享受”优美环境这一“奢侈品”。其具体表现在生态建设方面是植树造林和退耕还林草等大规模项目的推出，但因其只有生态效益、很少甚至没有经济效益而难以为继。“循环经济”理论以及农业上“生态农业”实践的出现,使人们看到了走出以上悖论和怪圈的希望。而基于有机物废弃物高效利用的生态产业——生物能源产业的崛起,更为中国的“循环经济”和“生态农业”提供了坚实的生态经济基础。
1、农业是我国最早提出并实践循环经济原理的部门
应该说,由于有几千年传统农业精华的传承和眷顾,以物质循环利用和能量多层次利用为基本特色的“中国生态农业”,在国内外都是最早提出并实践循环经济原理的。早在20世纪70年代末,当“四个现代化”目标重新提出后,在围绕“中国农业应如何现代化”长达数年的争论中,有识之士开始意识到,以高投入(尤其是化石能源)、高产出为核心的西方传统农业现代化模式,在中国是行不通的。惟一正确的道路,是继承带有朴素循环经济思想的中国传统农业的精华,以发扬人才和智力之长,避资源和投入不足之短,才可能走出有中国特色的可持续农业的道路。为此,西南农业大学(现西南大学)叶谦吉教授等最先正式提出了“生态农业”的概念[1],并得到广泛地响应。
“中国生态农业”的定义是:“在生态学和生态经济学指导下,将中国传统农业的精华同现代科学技术结合,依据整体、协调、循环、再生的原则,运用生态工程的手段因地制宜地改进或优化设计的农业生态—经济—社会系统,实现生态效益、经济效益和社会效益的统一”。“中国生态农业”与西方那种完全回归自然、摒弃现代投入的“生态农业”主张完全不同。它强调的是继承中国传统农业的精华——废弃物质循环利用;规避常规现代农业的弊病(单一连作,大量使用化肥、农药等化学品,大量使用化石能源等);通过用系统学和生态学规律指导农业和农业生态系统结构的调整与优化(如推行立体种植,病虫害生物防治),改善其功能;以及推进农户庭院经济等。在从村到县的各级生态农业的试点上,曾普遍取得良好的效果[2]。
2“中国生态农业”已暴露出不能回避的缺陷
然而“中国生态农业”经历了近三十年的试点试验和示范,虽然有了很大成绩,涌现出若干创造性的生态工程模式,但也暴露出不能回避的缺陷或瓶颈,以致出现了某种被“边缘化”的趋势。具体表现是:经济活力严重不足,难以在当今条件下被农民及基层干部广泛接受,距离在全国农业中占到主导地位还差得很远很远。根本原因在于,它缺乏富有生命力的“生态产业“的支撑,生态与经济结合得不理想。
[拜泉县案例]
黑龙江省拜泉县曾是全国生态农业最著名的典型之一。该县地处小兴安岭与松嫩平原的过渡地带,是典型的旱作农业区。20世纪50年代曾经列入黑龙江省松花江流域的“黑土粮仓带”。但从20世纪60年代起,粮食产量却节节下降,“呼海克拜,拜泉在外”。经过县领导和生态农业专家们一起多次研究,最后找到了根本性的原因:土地退化(“破皮黄”)/小气候恶化是粮产大降的主因。而土地退化及肥力下降则源于土壤侵蚀。该县广泛分布的是漫坡度地形,沟壑密布;由于多年来农民砍伐木材出卖和无休止地收集薪材燃料而使植被遭受严重破坏,森林覆盖率一度降至3.7%。加上滥垦滥伐和广种薄收,使黑土表层厚度从垦殖初期的1m左右,锐减到0.3m。不少地方甚至已冲刷完,露出黏质的黄色底土,群众称之为不打粮的“破皮黄”和“火烧云”地。粮、豆产量大幅度下降。1986年起,县领导抓住主要矛盾,通过适当补贴多能互补、农牧结合增施有机肥改良土壤以及精耕细作等措施,遏制住滥垦滥伐的势头;实施小流域综合治理,共治沟上万条,修梯田3.6万hm2;并大力营造多圈防护林带和梯田,建造十大生态工程。经10余年坚持不懈地努力,终于彻底扭转了水土严重流失局面,重新回到粮豆产量大县的行列;生态和环境也有了很大改观。
但是,进入21世纪之后,拜泉县生态农业突然销声匿迹,名声不再。而有关“黑土地正在被吞噬”、“拯救黑土地”的呼吁却仍经年不绝。这说明,拜泉县以生态农业治理黑土地的经验并未能得到推广。个中原因究竟何在？
首先是生态环境治理的机/体制和政策上存在很大漏洞。生态建设完全依靠连年的、在某种程度上是强制性和无偿的群众性义务出工;地方也得不到应有的(中、下游受益地区)的生态补偿。根本的问题则是,生态农业一直未能实现产业化,生态农业产业未成为增加农民收入和地方财政的重要支柱。例如曾经大力推行的农牧结合、发展肉牛、奶牛和奶山羊等,均未形成大的产业。到2000年时,全县农民人均收入只有千余元,县财政年收入还不到1亿元。两项指标均大大低于周边经济较发达的县。
3、、生态与经济的结合是一切变革传统经济模式主张成功的前提
生态与经济脱节,是国内外始终普遍存在的严重顽症。联合国环境与发展委员会(WCED,即著名的布伦特兰委员会)在1987年划时代的文件“OurCommonFuture”(引导了全世界可持续发展运动)扉页上就令人注目地呼吁“生态学与经济学的联姻”(marriage)。国际生态学权威E.P.Odum和H.T.Odum(1981),以及其后的Costanza(1989)、Daly(1991)等[3],都一直不遗余力地宣扬生态学与经济学“联姻”的重大意义。在E.P.Odum晚年(1997年)出版的最后一部著作——《生态学:连接科学与社会的桥梁》(ECOLOGY—ABridgeBetweenScienceandSociety)[4]中,他把“人类社会从年轻转向成熟”(TheTransitionfromYouthtoMaturity)作为总结一章的标题。精辟地指出,对人类社会的未来,可以有多种预测,从最悲观的直到最乐观的。但只有将3个“E”(对“家事的研究”即生态学,Ecology;对“管理家事的研究”即经济学,Economy;以及环境伦理观即Environmentalethics)紧密结合(tomerge)起来,才有可能使人类社会变得成熟起来,也才可能有真正令人乐观的未来。国际生态界在20世纪90年代派生出多学科交叉的生态经济学,也是旨在从宏观角度为决策者提供符合生态学和经济学双原则的建议和运作模式[5]。
这些年在国内外风靡一时的所谓“生态城”建设,出现了一批规模不等的试点。虽然也取得了若干进展,但迄今为止,并未真正走出一条全新的、可行的路子来。当前,世界银行面对发展中国家汹涌而来的城市化浪潮(全球90%的城市化发生在发展中国家)所引发的一系列严峻的挑战,又不得不开始另一轮新的探索。据2010年世行发表的题为《生态经济城市》的报告(Eco2Cities:EcologicalCitiesasEco-nomicCities)[6],到2030年,发展中国家城市面积将达到2000年的3倍。生态经济城市着眼于通过综合城市规划及管理强化市民的福祉,进而充分发挥生态系统的优势,为子孙后代扶植和保护生态资产。它通过高效使用有形资产和无形资产,为市民、企业和社区创造价值和机会,实现经济活动的高产、包容和可持续。建设“生态经济城市”的理念(paradigm)是,充分发挥和“放大”十分有限的(城市域内)资源的多重效益和价值(此点对发展中国家特别重要),并大幅度减少有害污染物及没有必要的废弃物。说到底,不仅要有生态效益,更要有经济和社会效益,创造更多的就业岗位,为脱贫作出贡献。
被视为“生态经济城市”典范的瑞典斯德哥尔摩市(老工业港区)的最大成就是:1)大幅度拓展郊区的面积(因为根据生态经济城市建设的原则,城市规模须依据生态承载力,以及城市密度须符合“高度复合原则”,即密度高处非常密集,低处完全没有建筑来确定);2)减少水资源用量41%;3)通过可再生能源的替代,减少化石能源消耗量30%。对照发展中国家特别是中国的国情,第一条是学不了的。但在节水和发展可再生能源尤其是生物能源方面则大有可为。
总之,生态与经济的结合乃至“双赢”,已被大量的实践证明是非常困难的。而开发高效生态产业,无疑提供了一条可行的途径。
4、、生物质能/材料的问世为农业生态产业发展提供了千载难逢的机遇
几十年的实践已经反复证明,在中国,农业也罢,“三农”问题也罢,最难最难的事,莫过于如何为广大的粮食主产区的农民找到粮棉油以外、大宗的、高价值的和能够长久居“卖方市场”的新产品(商品),并藉以显著地增加就业和收入;同样,中国环境保护(包括农业环保)最难的事,就是如何在人均GDP水平离“环境库兹涅茨倒U曲线”的拐点还很远的前提下,破除“环保事业”单纯“公益性”的束缚,获得环境和经济“双赢”。用这两个大标准来衡量,目前各类形形色色、冠以“生态农业”名号的“有机农业”、“绿色/无公害农业”、“观光农业”、“特色产品农业”、“休闲农业”等等,都只能是市场容量有限、能受益的农民数量不多的中、小产业,难以成为支柱型生态产业,也不可能对整个农村经济和全国生态与环境起到全局性的推动作用。而迄今为止,只有生物质能(材料)有望真正符合上两条非常苛刻的要求。
以我国华南地区的两大支柱性经济作物——甘蔗和木薯为例。两者的单产潜力都很高(一般产量分别为60t•hm2和22.5t•hm2,但高者可分别达600t•hm2和75t•hm2),但实际生产和销售中存在的问题,却从根子上制约着潜力的发挥和种植面积的扩大。甘蔗种植主要受国际及国内市场糖价控制,糖价低的年份“糖贱伤农”严重;木薯则因用途十分有限(制淀粉,但淀粉需求量有限,价格低),收购价长期低迷(100~150t•元1),农民种植积极性很低。该地区还有不少用制蔗糖的下脚料糖蜜及木薯直接制酒精的中、小企业,但一则酒精的需求量(工业用、食用、卫生用)也有限且价格不理想,更糟糕的是在生产酒精的同时,会形成十几倍于酒精量的高COD(化学需氧量)浓度的酒精废液,是严重的污染物,一直缺少有效的治理方法。
经过中机院近年来的研究和开发,发现用糖蜜及木薯制出的酒精经脱水,可获得生物燃料乙醇;用特定技术,可从高COD浓度酒精废液中转化出沼气,同时又使有机污染物COD浓度大幅下降,便于进一步治理到达标排放。沼气经过净化和提纯,可以获得与天然气品质完全相同的生物天然气。而燃料乙醇和天然气在我国都是大宗稀缺商品,需要大量进口,几乎永远是“卖方市场”产品[7]。
除利用有机废弃物和下脚料之外,从长远看,“能源农业”即在边际土地种植能源作物作为原料生产生物能源,在我国也有光明的前景。仍以生物天然气为例,根据欧盟国家的实践,每1hm2地种植沼气专用能源作物,收获期制成青贮供厌氧沼气发酵之用,可获得4500~7500m3的生物天然气。如此,在我国每1hm2地的纯收入可过万元甚至达30000元;而种植粮食作物则只有此收入水平的1/4至1/5。随着全世界化石能源资源的逐步枯竭,作为可再生能源、特别是惟一能提供最稀缺液体燃料的生物能源,其市场潜力无限,而且价格只升不降。这就为生态农业的高经济效益提供了根本性的保障。
5、、成长中的中国生物能源产业已显示出其作为生态与经济结合理想载体的潜力
只有生态效益而没有(缺乏)经济效益,只有环境效益而没有(缺乏)经济效益,……这样的尴尬局面在中国已存在多年,严重地阻碍了可持续发展原则的实际贯彻,也使很多所谓的“生态××”完全流于形式。
若干案例已经表明,特别符合中国国情的、以有机废弃物利用和边际性土地利用为中心的中国生物能源产业,不仅有助于国家的能源安全,还能够使物质循环利用和能量多层次利用,打破以往只在农户和小规模经营体实行的局限,真正发挥出生物质经济在缓解我国土地、矿产和能源等方面存在的对农业的巨大制约的重大作用,社会效益巨大。
以化肥为例。当前我国农业特别是粮食生产过于依赖化肥的局面已很难收拾。化肥生产需要的磷、钾矿资源非常不足。然而化肥的浪费却十分严重。几乎无处不在的水体“富营养化”本身,就表明了大量的养分不但无谓地流失,而且造成严重的污染问题。除了化肥施用上有许多不当外,秸秆等废弃物和畜禽粪便中含有的氮、磷、钾等植物矿质养分,相当于年化肥施用量的一半以上,都绝大部分白白地流失掉。而发展以这些废弃物为原料的规模化先进沼气生物能源产业,不但可获得高价值的生物天然气,还能使几乎全部的残留态氮、磷、钾以及部分有机质(木质素)真正实现还田(目前一般的传统沼气工程,大量沼渣液只有理论上的好处,但无法实现;甚至还成为难以“处理”的沉重“包袱”)。发展生物能源还能收到有效治理“三废“污染、治理沙地及增加绿色植被覆盖率等生态效益。此外,生物燃料比化石燃料的大气污染物及温室气体排放量要低得多[8]。因此,以农业为基础的生物能源真正实现了中国生态农业的理想:即经济效益、社会效益和生态效益的完美统一。
[案例1]毛乌素生物热电厂
我国北方毛乌素、浑善达克、科尔沁、呼伦贝尔四大沙地的面积为155万hm2,其中固定、半固定沙丘及丘间农田约占2/3,约100万hm2。四大沙地处在我国北方的东部半湿润季风区向西部干旱气候区过渡的森林草原、典型草原和荒漠草原地带,年降水量由500mm渐减到200mm,是我国东西部地区间的一道重要生态屏障。如果四大沙地治理好了,便可以在我国东西部地区建立一道绿色的生态屏障,及经济、社会和民族和谐发展的繁荣走廊。
四大沙地中,库布其沙地有近333.33万hm2沙荒地。在治理和发展上有不少有利条件。一是它处在400~500mm年降水量的草原地带,其沙化的可逆条件显著优于西部的干旱荒漠地带;二是拥有相当丰富的潜在土地和光热资源,其资源人均占有量显著高于东部地区;三是它紧邻东部经济发达区,交通方便,市场广大[9]。
然而多年来,沙地的治理一直是政府行为而非农、牧民自发的行为。政府年年用大量补贴款买树苗和整地、雇农牧民栽种。结果却是年年见种,独不见林。问题恰恰出在生态效益和经济效益、社会效益的完全脱节。
近年来,在以鄂尔多斯市毛乌素生物热电厂成功经验的带动下,出现了新的态势。即由民营企业牵头和投资,大规模种植固沙灌木和建生物电厂。利用沙柳等灌木3~5年必须平一次茬(如不平茬,长到第5、6年就开始枯萎)的特点,将所产生的枝条用于发电,实现治理沙地生态效益、企业及地方经济效益和农民增收“三赢”。在打好沙障的前提下,每公顷插条1500多株,成活率可达60%~70%。到第2、3次平茬(6~8年)时,枝条产量可达15~22.5t•hm2,每吨售出价150元。沙柳能生长几十年。当地牧民人均有150hm2左右的沙荒地,种沙柳是一条很好的脱贫致富的途径。沙柳的此种利用方式与欧盟国家当前盛行的种植能源作物蒿柳(Salixspp),每3年收割(平茬)1次的所谓“短轮伐期灌木”(short-rotationcoppice,SRC)方式,有异曲同工之妙。
毛乌素生物热电厂通过几年的成功运作,迄今已经治理了2.2万hm2沙地。发电1.8万kW•h,消耗了原料25万t,当地农牧民年增收7000多万元,获得了约7000个劳动岗位,还减排CO220万t。[
案例2]、林木剩余物制颗粒生物燃料
案例2]、林木剩余物制颗粒生物燃料
2011年国家决定,在2011—2020年期间,投资2195亿元,实施1.4亿hm2的天然林资源保护二期工程。力争使森林蓄积量净增11亿m3,森林碳汇增加4.16亿t,林区民生进一步改善。主要措施除继续停止商品采伐外,加强森林资源培育特别是中幼林的抚育是关键。这些年来,天然林保护区面临很困难的局面。停止木材商品采伐后,由于没有接续产业,林业职工收入锐减;其次,封山育林后次生林及人工造林面积虽然增加不少,但大量进入急需抚育的中、幼林阶段后,密度过大、郁闭度高,抚育跟不上,相当一部分林木生长不良,树势弱。而抚育的核心环节——间伐与清林,由于过于费工、报酬低(林地抚育至少需要劳务费4500元•hm2,而国家仅补贴1500元•hm2)而基本上流于形式。据估计,人工间伐与清林能够达标(指在集材道两侧5km区域内完成间伐与清林,并且把清、伐下的枝条运至集材道拉运下山)的,一般只占天然林面积的5%左右。因此,很多地方天然林地的平均蓄积量只有每公顷几十立方米,比国际先进水平低5~7倍。此外,即使清、伐下的枝条拉下了山,也没有什么价值,这些年来林区建起的人造板厂由于质次大多赔钱、倒闭。
显然,研发出高效、低成本的清林手段和“三剩物”(采伐剩余物、清林剩余物和林木加工剩余物)的高值化,是解决上述生态与经济矛盾的根本出路。近年来,一些林业局开发了用锯末为主的“三剩物”养殖食用菌,成效显著,有的林业局一年就有上亿袋之多。然而,新的问题又出现:巨量的培养基袋使用后被丢弃,连同塑料袋造成严重的污染。
吉林宏日新能源公司在充分利用“三剩物”制备生物质成型燃料方面取得了成功。通过对生物质颗粒燃料准确定位和开辟分布式能源服务的新市场,避免了一般的成型燃料企业的失败教训。即依靠出售颗粒(块)间接进入市场(产品销售无保障,资金链极易断裂;总体的流通成本也过大)。其次,通过成功研制特别设计的机械和设备,包括造价比进口设备大幅降低的颗粒成型设备,生物质燃料专用锅炉以及能够开上山、高效收集处理清林/间伐剩余物的机动设备,使充分利用吉林省资源极丰富(资源量为每年数千万吨)、但实际利用极差的林业“三剩物”(包括废弃木耳菌培养基)以及作物秸秆成为可能。上述模式延长了产业链条。项目投产后,“三剩物”要经过两次加工过程。第1次是加工成木质颗粒,销售给木耳种植户;木耳收获以后,生物燃料厂再将木质颗粒收回,进行第2次加工,生产出成型颗粒燃料,向社会提供生物质节能供热服务,实现二次增值,创造新的就业岗位。全国有几十万台燃煤中小锅炉,年耗5亿t标准煤,急需替代能源,成型颗粒生物燃料市场广阔。
[案例3]高有机浓度的酒精废液制取生物天然气
沼气在我国已有几十年的推广应用史。它也是公认的中国生态农业物质循环和能量多层利用的纽带。但多年来,传统的使用方式,包括农户炊事用能自给式的小型农户沼气，以及与规模化畜禽场配套、为其处理厩粪的沼气工程,“事业”的性质都极为突出。表现在离不开对国家或地方政府补贴的依靠。不同于农户沼气小型、自给和沼气就地利用,“产业沼气”是大规模、商品化的产业;沼气经净化、提纯成为生物天然气后,还可以高压气或液化天然气(LNG)形态长距离输送,进入天然气管网或加气站。有望引发中国沼气利用领域的一场深刻变革。
广西盛产甘蔗和木薯,甘蔗糖厂、糖蜜(蔗糖生产的下脚料)酒精厂,木薯淀粉和酒精厂遍布各地。由于生产淀粉和酒精的污水排放量很大,且污水中残留有机物非常多,COD浓度为2~20万mg•L1,成为巨大的环境污染源,而且这类污水的治理难度高。这就使得广西自治区的年COD排放总量,多年来一直居于各省(市、区)之首。
中国农业大学生物质工程中心在对国内外沼气研发以及广西天然气(燃气)市场调研的基础上,2006年提出了通过“高效、快速沼气生物发应器”开发“产业沼气”,并引入沼气净化提纯技术,使沼气的甲烷含量从60%提高到95%以上,生产出“生物天然气”的新产品,替代在广西和南宁市资源非常紧缺的天然气或液化石油气(即开辟新的民用燃气市场)。成功的关键,一是创新了原料——开发高有机浓度酒精废液为制沼气的“富矿”(而不是传统的、产气率低的沼气原料畜禽粪便),二是创新了生产方法——能有效对付酒精废液COD浓度过高、过酸和含硫过多难题的厌氧发酵技术UASB-TLP[10]。从而可形成环境保护和生物能源开发“双赢”的生态产业。
中国农业大学生物质工程中心与广西武鸣县安宁淀粉公司合作,由后者承担沼气净化、提纯设备的风险资金,提高该公司淀粉/酒精废液的发酵产沼气率,成功地生产出生物天然气。改变了以往废液环保处理只投入而无产出的局面,在价格完全市场化及完全无国家补贴的条件下仍能赢利甚丰,市场前景光明。目前此项技术正在广西推广。事实上,近5~6年来由于包括非粮乙醇等在内的木薯生物能源用途的开发,广西的木薯面积扩大,收购价已翻了两番,这对农民来说无疑是个福音。
总之,作为“低碳”乃至“零碳”农业的突出代表,生物能源的开发将对重振中国生态农业、实现中国生态农业的转型即生态经济型产业化作出历史性的贡献。
当然,高度评价以生物能源产业为中心的新型生态农业,不等于否定或轻视小规模的农户沼气、“庭院生态经济”和农户型循环农业等。两者应可以是并行不悖的。
6结语
生态学原理和原则的指导作用,关键要靠生态工程去落实,并体现于生态经济之中。几十年来,中国生态农业在生态工程的设计和应用上有很多创造。但随着农村经营方式的演变,以往的中国生态农业模式当今已显现出若干不适应之处。核心问题是,一直未能及时形成一批对农村经济能起到重大作用的支柱型生态产业。现代生物能源产业的出现和崛起,提供了难得的机遇。生态与经济如何联姻、环保如何产业化以实现环境效益与经济效益的“双赢”等,在任何国家都是“两难”问题,而在中国当前人均GDP水平远未达到相当高度的条件下,更是极其困难的。现代生物能源产业在我国的实践已初步表明,完全有可能得到“双赢”的答案。它对重新振兴中国的生态农业乃至推行“绿色经济”,都具有不可忽视的意义。