专题调研
2017年第40期:关于我省加快发展农业微生物生物技术及应用的研究报告
2017年12月14日 点击 [1197]


省科顾委生物技术专家组

我省是全国耕地面积最大的省份,土壤有机质含量高,具有开发绿色食品和有机食品的良好自然条件。在此基础上如何用循环经济理念引领农牧业发展,创新构建经济与环境的良性互动、人与自然和谐统一的最佳发展模式是建设资源节约型和环境友好型社会,实现经济效益、社会效益和生态效益良性协调发展的战略选择。为此,省科顾委生物技术专家组开展了专题研究并提出了相关对策建议。

我省农牧业循环生产中微生物技术及应用现状

微生物技术是沟通传统农业与现代农业的重要桥梁,是发展环保农业的重要依托,将微生物技术应用于农牧业循环生产是有效解决当前我省土壤退化和水体污染等诸多农牧业生产安全和食品安全问题的重要手段。

(一)促进农业可健康持续生产的微生物技术。

1. 微生物农药微生物农药最大的优势在于其能克服化学农药对生态环境的污染和减少在农副产品中农药残留量,对环境友好,对作物病虫害可起到持续防控的作用,同时在示范推广微生物农药应用的过程中,农副产品的品质和价格将大幅度上升,有利地促进农村经济增长和农民增收针对化学农药对果蔬和人体健康带来的严重危害的突出问题和绿色农业发展的需要,由哈尔滨工业大学生物工程研究所与东北农业大学、黑龙江大学、省应用微生物研究所等联合研制、开发具有自主知识产权的生物农药生产新方法和生物农药新产品,对蔬菜植物进行杀虫、杀菌。实现了植物病虫害防治方法的新突破,并对缓解乃至解决社会发展面临的健康、食品、资源、环境等重大问题具有重要促进作用。由于微生物农药产品登记条件严格,只有农药定点企业才有资格申报,目前我省微生物农药产品主要从微肥角度进行研发和推广应用,有10多家小型企业获得枯草芽孢杆菌登记证,已在大豆、玉米等作物和番茄、黄瓜等蔬菜上推广应用。据企业介绍我省在相关政策扶持方面落后于全国,造成生物农药企业发展速度难以提高。

 2. 微生物肥料微生物肥料是一类含有微生物活体的特定制品,主要包括细菌肥料、真菌肥料(外生菌根菌剂和内生菌根菌剂)以及放线菌肥料三大类,其应用于农业生产中,能够获得具有“养分供应、生长调节、病虫害防控”三重功效的肥料效应。通过施用微生物肥料能有效解决因大量使用化肥而造成的耕地酸化板结,土壤退化、化肥利用率降低,连作和病虫害等农业生产问题,同时,微生物肥料的研发和应用为绿色农业、有机农业、循环农业的发展创造了条件,对农业的可持续发展具有特别重要的意义。

省现有60多家微生物肥料生产企业,占全国的7.7%,远低于华北、华东和山东等地。截至目前,有63项正式登记产品,占全国的5.7%54项临时登记产品,占全国的6. 8%年生产能力20万~50万,占全国产能的2%~5%。我省微生物肥料企业以注册资金200万元以下的小型企业居多,注册资金大于500万的中型企业较少,缺少大型企业。其中,规模较大的企业主要有黑龙江绥化农垦辰环生物科技、我省庆东集团等。真正具有菌株发酵设备和颗粒剂生产设备的企业较少,约有30%的企业具备自行生产能力,多数企业不具备菌剂生产能力,只是购买菌剂或菌粉混配加工,产品质量难以保证,批次间质量差异较大。

微生物肥料被列入国家“十三五” 生物产业发展重点产品,“药肥双减” 、“化肥零增长” 、“农业可持续发展” 和“生态农业” 等国家政策为微生物肥料行业发展注入新的活力。2014年我省有机肥与生物肥料的销售量约6~10万吨,与化肥相比,应用面积上仍存在巨大差距,市场占有率还“微乎其微”。我省是农业大省,肥料需求量较大,同时也是全国最大的绿色食品基地,农业绿色化发展进程较快,微生物肥料作为保障绿色食品生产的重要生产资料,市场需求较大,目前省的微生物肥料产量较小,满足不了市场需求。从成本、地域性和本省经济发展等角度综合考量,扩大我省微生物肥料产能是解决本省微生物肥料缺口的有效途径。

(二)促进农业废弃物资源化利用的微生物技术。

1. 微生物技术与畜禽粪便综合利用近年来我省集约化养殖业迅猛发展,产生了巨大的社会效益和经济效益,同时也产生了大量的畜禽粪便废弃物。一方面畜禽粪便中固液混杂,有机质浓度高,含有大量的有害病菌和NH3H2S等有害气体。畜禽粪便的乱堆乱放不仅浪费资源,而且会对周围的空气、土壤和地表、地下水造成污染,如地下水氮的含量增加,养殖场周围蚊蝇滋生,臭气四溢,雨季时污水沿泄洪渠顺流而下将会污染水源,若缺乏妥善处理,必将破坏生态平衡,影响畜禽的安全生产和人类的食品安全。另一方面畜粪便还是有机肥料和能源的宝贵原料。因此,畜禽粪便的资源化、无害化处理和综合利用是我省畜禽粪便处理利用的方向,将促进我省农牧业可持续发展和农产品质量、品质的提高及农业环境污染的治理。一是利用有效微生物群(EM)对畜禽粪便进行无害化处理有效微生物群(EM)是一种新型的复合微生物制剂, 是由光合细菌、乳酸菌、酵母菌、放线菌等10余个属80多种微生物复合而成的多功能菌群,它可以促进动植物生长、提高畜禽抗病能力、去除粪便异味、净化和改善生态环境。此技术是将EM原液按一定比例用水直接稀释,牛粪、猪粪等牲畜粪便掺入秸杆、稻壳、锯木屑等吸水材料后,可发酵制作堆肥。通过调节粪便中的碳氮比,控制适当的水分、温度、酸碱度进行发酵。这样一来可以使最终产物臭气减少,二来比较干燥,容易包装、撤施,利于作物的生长发育。此种技术将农村常用堆肥法普遍存在的问题通过集中处理和资源循环再生利用于一体,将清洁思想和可持续发展理念应用到废弃物资源的循环利用上,实现生态的良性循环和资源的可持续发展利用厌氧微生物技术综合利用畜禽排泄物沼气综合利用利用粪便生产沼气,能量转换率高达87%,经厌氧发酵后的粪便80%~90%的有机物被去除,达到了粪便减量化、无害化、生态化和资源化的目的。畜禽粪便在密闭的环境中形成厌氧状态,适宜产甲烷细菌的生存与活动,最终生成可燃性气体沼气。沼气是一种很好的清洁燃料。沼气除用作生活燃料外,燃烧发电也是有效利用沼气的一种重要方式。沼气发电具有广泛的应用前景,有助于减少温室气体的排放,为农村地区能源利用开辟新途径。除了取暖照明外,沼气还可以用来进行粮食储存、水果保鲜,效果非常明显。沼液沼渣综合再利用微生物厌氧发酵法的核心技术是微生物厌氧固氮发酵,这种方法可以将畜禽粪便在通过厌氧发酵提取沼气生物质能后,其中的N、P、K等诸多营养物质仍留存在沼渣、沼液中,沼液、沼渣营养成分复杂,含有丰富的蛋白质,氮、磷、钾和矿物盐,一定数量的激素、维生素等,养分全面含有丰富的有机质,其中还有一部分被转化成的腐殖酸类物质,可制成农业生产的肥料,能增加土壤有机质、碱解氮、速效磷含量及土壤酶活性,使作物病害减少,降低农药使用量,提高农作物产量和品质。长期施用沼液、沼渣肥料,可促进土壤团粒结构的形成,使土壤疏松,增强土壤保水保肥能力,改善土壤理化性状,提高土温,使土壤有机质、全氮、全磷及有效磷等养分均有不同程度的提高,而且减少污染,降低用肥成本。可为作物补充养分,对蔬菜、瓜果的病虫害防治效果非常明显。沼液、沼渣还可作为饲料添加剂,用于养猪、养鱼等。其特点是养分全面,含有必需的微量元素,饲喂方法简单、取料方便、效果明显、生长速度快、育肥期缩短、提高出栏率、降低成本、减少病害传染。沼渣可以用作栽培蘑菇等食用菌原料,增产效果十分明显;沼液也可用于叶面施肥、根施、浸种。

 总之,利用微生物技术综合处理畜禽粪便方法具有生物多功能性,既能够提高农产品的产量与质量,减少化肥用量,降低农业生产成本,又能够开发新能源,营造良性的生态环境、治理环境污染,这不仅可以将循环农业战略思想以高科技为依托,采用新的发展方式,依赖和谐的价值观和发展观,实现废弃物资源的循环流动。但这项技术还有待于在我省进一步推广应用。

2. 微生物技术与农作物秸秆资源综合利用我省作为全国著名的大粮仓10年来,全省秸秆量随着粮食产量不断提升同幅增长,截至目前,我省农作物秸秆实际产量在1亿吨以上,其中玉米、水稻和大豆秸秆约占全省秸秆总量的93%,秸秆年利用率为40%左右,剩余60%左右均被废弃或焚烧。每年大量就地焚烧的秸秆,不仅浪费了宝贵的资源,同时也加剧了秋冬季大气污染程度。

 农作物秸秆富含多种高分子、多糖和矿质元素,可被应用到许多工农业生产和科研领域。我省作为秸秆产量大省,秸秆利用仍处于粗放的初级阶段,未来深度开发综合利用提升空间很大。一是秸秆生物液化纤维素乙醇秸秆中富含大量纤维素和半纤维素,可为微生物提供充足的养分,除了发酵产生甲烷,亦可利用纤维素、半纤维素降解菌和酵母菌不同微生物发酵产生乙醇等生物燃料。目前,我省在秸秆纤维素乙醇领域取得很大进步,其双连能源有限公司为我国首家以纯秸秆为原料的纤维素乙醇生产企业,目前每年处理高粱秸和玉米秸已达到 1.2×106,纤维素乙醇年生产量1.0×105我省建业燃料公司兴建的以玉米秸为原料的纤维素纤维素乙醇项目,可年产纤维素乙醇 3.0×105;黑龙江帅亿集团采用国际领先酶解技术以玉米、高粱等农作物秸秆为原料兴建了年产 1.5×105吨的纤维素乙醇工程;黑龙江华润酒精有限公司年产 2.5×105乙醇,并承担年产1.0×105以上纤维素乙醇的任务,生产的纤维素乙醇主要用于满足本省的需求;中粮集团肇东有限公司也开发出了利用作物以及废弃南瓜壳为燃料的纤维素乙醇技术,且实际运行效果较好。二是秸秆生物气化秸秆沼气秸秆发酵产沼气是在发酵罐内,将经过预处理的秸秆在完全无氧条件及特定的温度、湿度和酸碱度等条件下,通过特殊微生物的厌氧消化释放可燃的气体混合物的过程。我省年均温度在4℃左后,冬季气候寒冷也制约了其秸秆资源化应用,受气候条件的限制,我省沼气工程正处于起步阶段,现有针对寒冷地区秸秆沼气工程的研究已经初步开展,包括:沼气池冬季保温问题、低温沼气发酵菌群的驯化、低温发酵原料添加剂和沼气循环经济系统的研究。我省沼气发酵多是以户用沼气池为主,存在管理不到位、产率低、工艺技术落后的现实问题;近年来,国家和我省政府大力推进秸秆沼气工程的发展,通过建立具有示范作用的龙头企业,带动了秸秆资源化产业的整体发展。我省已建立了多项秸秆沼气示范工程,如:宾县采用碧普公司生产的智能过程控制技术(IPAS)建立了秸秆沼气集中供气工程,沼气日产量可达50003,工程可达到生产和管理的智能及现代化,为我省首个小城镇可更新能源供热联产示范工程;海林农场30003稻秸及麦秸的秸秆沼气厌氧消耗罐;甘南县及青龙山农场等也均建立了秸秆沼气供应试点项目。三是秸秆基料栽培食用菌农作物秸秆含有丰富的纤维素和木质素等有机物,是栽培食用菌的良好材料。秸秆作为食用菌栽培中最主要碳源,经食用菌菌丝的生长和子实体的发育转化为优质、味美的蛋白质。每人每日摄食300 的食用菌,从中能获得大约l0的优质蛋白,这对于解决因人口增加与气候变化引发的食物危机会起到重要作用。一般秸秆粉碎后可占食用菌栽培料的75%~85%。以秸秆为原料生产食用菌,不仅能提高食用菌的产量、品质,还可以充分利用我省丰富的秸秆资源,其培养基使用后还可用作优质的有机肥还田。如以秸秆为原料栽培食用菌形成的菇渣密布菌丝体,具有较高的营养价值,加工后可制成菌体蛋白饲料喂养家畜,从而形成“秸秆→蘑菇→饲料→粪便→回田”的能量多级利用、物质链式循环生态农业模式。同时,生产鲜菇后剩余的蘑菇糠是一种带菇香味的富含营养的菌体蛋白饲料,也可作为优质有机肥还田。目前秸秆基料化利用技术仍有待提高,生产工艺与流程尚不规范,对秸秆基料化应用比例较低,尚未建立健全管理制度和实施方案,我省仅在尚志市、牡丹江市、东宁市和伊春市等食用菌产业带进行秸秆基料应用生产。在未来发展过程中应拓宽黑木耳、猴头菇、香菇、杏鲍菇、白灵菇和姬松茸等珍稀食药用菌的多元开发利用,大力发展蘑菇、草菇等以秸秆为主要基料的食用菌生产,培育壮大食用菌基料龙头企业、专业合作组织、种植大户,推广应用秸秆基料生产食用菌技术,依托现有基础较好、应用技术较成熟、市场需求较大的行业,进一步招商引资,广泛吸引社会资本,扩大对秸秆基料的利用途径,示范带动秸秆基料产业快速发展。四是秸秆生物饲料作物秸秆作为牧畜动物主要饲料之一,因富含不易消化的粗纤维素及木质素等非淀粉类物质,蛋白含量很低,例如一般禾本科的秸秆类资源中蛋白的含量大概在3%~5%之间这一含量值与反刍家畜的饲料蛋白含量要求的不低于8%相差很多。髙纤维含量低蛋白含量的配比就导致其作为饲料使用时产生牧畜采食量小、消化率低、营养价值低适口性差等问题,所以秸秆作为饲料其在畜牧产业中发展受到极大的限制。秸秆生物饲料作为一种新型的无毒无残留、高营养、高效能的生物饲料,是将农作物的秸秆粉碎后接种微生物发酵剂进行微生物处理从而借助生物和化学方面的双重作用把秸秆中含量丰富的纤维素等物质部分降解转化为可被动物所利用的低分子多糖或单糖、脂类和蛋白质等营养物质增加了一些秸秆原本没有的营养因子同时也可以向秸秆中引入菌体蛋白这样不仅提升了秸秆中的蛋白含量值也能使其中的维生素矿物质等的含量水平上升就可提高秸秆作为畜禽饲料的营养价值和饲用价值,使动物更易吸收发酵秸秆中的营养,有效拓展秸秆饲喂范围。秸秆生物饲料是作物秸秆饲料化利用重点发展方向,对标准化规模养殖,解决“人畜争粮”,保障国家粮食安全产能具有重要意义。

我省发展秸秆综合利用,向秸秆产业化方向转变,要坚持因地制宜、农用优先、政府引导、市场运作,以玉米秸秆处理利用为重点,扶持国家级、省级、地市级秸秆产业化企业用榜样的作用大力推动秸秆产业化发展,这对于提高我省农业资源综合利用水平保护生态环境加快农业循环经济和低碳农业发展具有重要意义。

二、我省农牧业循环生产发展中的主要问题

    “十二五”以来,我省农牧业总体规模不断扩大,农牧业增长率逐年提高。虽然丰富自然资源为发展现代化农业提供了良好的物质基础,但是我省农业改革和发展仍落后于全国其他省区农业经济结构不尽合理,农业循环经济发展滞后,严重地制约农业可持续发展。

(一)土地资源破坏严重,总体生态环境恶化长期以来由于重视农业生产、轻视资源保护,过度垦荒、我省土地资源遭到破坏,土地退化加剧,耕地质量下降,耕地有机质含量和黑土耕层全氮含量均呈持续下降趋势。2014年我省的水土流失总面积达1378万公顷,约为全省土地总面积的28.5%。我省约有275万公顷的土地沙区面积,其中有沙漠化土地面积约117万公顷,潜在沙漠化土地面积约90万公顷,主要分布在大庆、齐齐哈尔等地,草原碱化退化趋势明显。全省分布约200万公顷盐碱地,其中174万公顷分布在松嫩平原,盐碱化耕地面积逐年递增发展。

近些年我省的森林覆盖率有所增加,呈现逐年上升趋势,但由于曾经长时间处在采育失调情况下,林业建设水平不高,致使林分质量下降,生态功能减弱。成熟林和过熟林占比较小,幼龄林和中龄林占比较大,林业结构不平衡和生态功能退化的局面仍旧存在。

(二)农业生态环境污染尚未得到有效遏制工业“三废”生活污水和生活垃圾向农业区蔓延,导致农业面源污染严重,且污染范围不断扩大。每年近90%的工业废水未经处理排入全省水域,除五大连池、兴凯湖、乌苏里江、黑龙江干流水质较好外,其它水域均不同程度受到了污染,因污水灌溉农田,导致农田土壤污染现象时有发生。长期不合理使用或过度使用化学肥料、农药,以及畜禽排泄物的不合理处置造成农业面源污染也呈现加重趋势,我省每年约250万吨(折纯量)的化肥、8万吨(折纯量)的农药以及未经设施处理的农业污水和畜禽粪便直接排入农业环境,污染水资源、农田土地以及大气环境,直接威胁到土壤质量和农产品质量安全。另外农作物秸杆等可再生资源开发利用率低,因农民焚烧秸秆导致的大气环境污染问题普遍存在。

(三)农业基础设施建设滞后,缺乏技术和资金支持我省农业基础设施脆弱,农业循环经济技术开发和推广力度不够,制约了循环经济的发展。农业循环经济发展资金缺乏、融资渠道不畅、投资效率不高,需求与投入之间还有较大差距,农业基础设施使用不尽合理,导致先进农业环保技术未得到充分运用,循环农业生产规模小,生产效率较低,农产品质量难以满足市场需求,龙头企业少且带动能力较弱,对农业循环经济发展的支撑和拉动乏力,发展机制不健全,在一定程度上也制约了农业循环生产的发展。

(四)农业生产者生态环保意识淡薄目前,我省城市化正在快速发展阶段,很多地方政府片面追求经济增长而忽视了农业生态环境保护重要性,只追求短期效益,未考虑农业生态环境的承载力,出台各种优惠政策引进涉及污染产业的企业。看上去这些企业为农村提供了一些就业,一定程度上带动了地区的经济增长,但从长远来看,农业生态环境将受到严重破坏,进而会制约当地的进一步发展,不仅如此,还有可能牺牲一些利益去弥补生态环境损失。而农民的知识水平有限,又具有很强的依赖政府的特性,忽视环境保护的重要性。

 总之,我省土地退化、植被破坏以及污染范围扩大的农业生态环境状况已经严重制约我省社会和经济的可持续发展。所以,一定要重点关注,一切从实际出发选择合理有效的对策,切实保护与建设我省农业生态环境,推进我省经济、社会、生态协调发展的进程。

我省加快发展农业微生物技术应用与示范对策建议

(一)提高农业生产者生态环保意识,合理利用农业资源我省各级政府应大力实施科技兴农战略,树立和落实科学发展观,以技术创新和制度创新为动力,利用现代科学和信息技术改造传统农业,强化业生产者生态环保意识。以优化资源利用方式为核心,减少废弃物排放鼓励使用有机肥、微生物肥料和微生物农药,强化节约资源和保护环境意识逐步建立与我省经济发展相适应的农牧业循环经济宏观调控体系和运行机制。

(二)多举措筹资,加大农牧业循环经济基础设施投入

有关方面应不断增加对农业循环经济发展的投入,依法安排并落实对农业和农村的预算支出,重点建设水利、农机、道路和仓储等农业基础设施,完善大中型农林水气工程,建立有效的农业生态资源预警体系,鼓励企业资金、民间资金和外资等社会资金流向农牧业循环经济,形成多元化投资格局。

(三)加快成果转化,提高推广应用企业是自主创新和科技成果转化的主体,如何提高企业的自主创新能力和加强科技成果转化是我省微生物肥料产业、微生物农药产业以及秸秆、畜便等农业废弃物资源利用发展的重中之重。应以区域内优势企业为引领并聚集相关企业群,加强与高校和科研院所的合作,并结合当地的气候条件、土壤类型、主栽作物,逐步形成产品新品种、生产过程新工艺、技术转化新体系三位一体的发展格局。在微生物肥料、微生物农药推广过程中除应增加产品的科技含量、提高产品质量外,更要提高产品的针对性和适应性。根据当地的气候状况、土壤类型、作物种类、耕作方式、施用方法及化肥施用量等,筛选适应的菌种、选择合适的剂型、选在特定的时期、采用合适的施用方法等,以达到最佳的应用效果,达到进一步扩大推广面积的目的。在当前国内粮食安全、生态环保大发展的背景下,优化我省农业的施肥、施药结构,健全推广体系,加大监管力度,使微生物肥料和微生物农药产业更快更健康地发展,为我省农业可持续发展起到更加积极的促进作用。

(四)加强理论研究,积极推进科技创新加大对微生物肥料、微生物农药、秸秆和畜便资源综合利用研发的科技投入,增加立项,调动相关科技人员对基础理论和应用技术研究的积极性,积极开展微生物功能资源和微生物先导活性产物的研究促进原创性、引领性自主知识产权的微生物新资源和新品种发展开展微生物活性成分的结构与功能关系的研究进行微生物药物的分子设计突破微生物农药发酵新工艺和关键技术加强对现有的主要微生物药物类型发酵关键技术的研究、降低生产成本、提高生物活性突破基因工程与发酵工程关键技术瓶颈促进大规模微生物药物的发展与满足农业生产以保障人民健康生活的需要实现农业生产的可持续发展开展农田土壤修复微生物肥料创制大棚蔬菜土壤质量调控与修复微生物肥料创制高效固氮、溶磷、解钾菌株及其突变株的筛选畜禽粪快速腐熟、秸秆快速腐解工程菌构建与菌群组建以及生物肥料核心材料保护剂、助剂技术研究开展应用于沼气的厌氧微生物基础研究尤其是涉及分子生物学层次的研究和技术开发研究开发高效纤维素酶、木酶及产生菌技术和产酶工艺技术纤维素原料制取乙醇的高效菌株筛选和重组微生物构建及发酵工艺等。使研究工作真正引领我省农牧业循环产业的健康发展。

(五)创新建立农作物秸秆等废弃物综合管理与资源化利用模式利用种植业、养殖业互补循环发展机理构建物质能量大循环生产体系,在生产经营过程中,以农作物秸秆资源化利用和畜禽粪便能源化利用为重点,通过食用菌生产优质保健食品,以及菌渣生产饲料、肥料或燃料,延伸农业生态产业链,提高资源的利用率,扭转农业资源浪费、污染的局面,提升了农业生产运行的质量和效益。在生产组织方式上采取“企业+农户”的方式,把从事食用菌生产的大量分散农户,以技术、信息交流和销售服务为纽带联合组织起来,靠专业化服务推动产业化经营。在生产上深入探索农业废弃物资源的创新利用技术,通过物理转化、化学转化、生物转化生物质转化途径,实现农业废弃物的高效资源化利用。

作者:黑龙江大学生命科学学院教授  宋福强

                               

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