生物经济背景下我国农业高质量发展路径研究

蒲阿庆 罗 洁 冷 燕 郭松豪 张宏翔 吴锁伟 万向元*， 魏 珣**，

（1.北京科技大学生物与农业研究中心，北京 100083；2.中国科学院文献情报中心，北京 100190）

2020年12月28日，习近平总书记在中央农村工作会议上指出：“在向第二个百年奋斗目标迈进的历史关口，在脱贫攻坚目标任务已经完成的形势下，在新冠肺炎疫情加剧世界动荡变革的特殊时刻，巩固拓展脱贫攻坚成果，全面推进乡村振兴，加快农业农村现代化，是需要全党高度重视的一个关系大局的重大问题。”新时期农业的功能正在从原来的仅向下游产业链提供农产品和原料，逐步扩展至休闲观光和生态涵养等方面，并在未来有望成为一个包含营养健康、资源能源和生态环境等生物相关子系统在内的新型农业体系［1，2］，其高质量发展亟需以生物技术为代表的科技支撑。

截至2021年，全球已有超过60个国家和地区出台了促进生物经济发展的宏观战略和实施方案［3］。2022年5月，我国首部生物经济五年规划——《“十四五”生物经济发展规划》正式发布，对我国生物经济发展形势、目标等提出了总体研判。生物经济在全球范围内并无统一定义，从生产力角度来看，主要以生命科学与生物技术的研究开发及应用为基础，是一种区别于工业经济和信息经济的新经济形式；从生产关系角度来看，则是以实现可持续发展为目标，以生物技术产品的生产、分配、消费为基础，联结各行业产业链的复合型经济形式［4，5］。在美国、欧盟等国家／地区的实践中，生物经济已被证明可产生显著的经济、社会以及环境效益［6］。

本文立足我国农业高质量发展及转型升级的迫切需求，分析提出农业既是重要生物资源的初级生产部门，也是生物技术未来应用的广阔天地，将是我国未来生物经济的重要应用场景之一，也将成为生物经济的核心支柱之一。本文梳理了国际上代表性国家及地区的生物经济发展脉络，从相关政策、主导技术到社会经济环境效益评估等方面总结相关经验，为我国正处于快速起步阶段的农业生物经济发展提供参考。

1 农业是生物经济的重要应用场景

农业是我国国民经济中的基础性产业。据统计，2020年我国农业及相关产业的增加值达到了16.69万亿元，占GDP总值的16.47%［8］。生物技术极大地提高了农业育种效率、种质资源保护和利用水平，传统育种逐渐被生物技术育种取代，生物育种技术通过改善农作物产量、品质与抗逆等性状，在保障粮食、饲料等重要农产品供给上扮演了重要角色［7］。截至2020年，我国已培育新型抗虫棉品种188个，占据国内市场份额99%以上，创造超500亿元的经济效益［8］。同时，新时代农业的发展目标发生了历史性转折，转向以生物技术为核心的生物农业。生物农业是指将生物技术广泛应用于农业领域，并生产新型作物品种和生物制品。根据生物技术所应用的不同领域，我国生物农业可划分为生物育种、生物肥料、生物饲料、生物农药等领域。生物农业虽没有生物能源和生物医药等领域发展迅速［9］，但在美国、欧盟的生物经济中已占据重要地位，美国农业系统每年生产超十亿吨的生物质，欧盟注重与包括《共同农业政策》在内的其他政策联动，推动生物经济在农业农村地区的发展［10］。我国生物农业的发展仍处于起步阶段，接下来需要顺应我国从“解决温饱”到“营养多元”的需求转换新趋势，满足人民群众对食品消费更高层次的新期待。最后，我国农业高质量发展面临众多卡脖子问题。我国近年来陆续出台政策以减少农药化肥的施用量，从2013年的峰值180.77万吨持续下降至2019年的139.17万吨（下降23.01%），化肥施用量从2015年的峰值6022.6万吨逐年下降至2019年的5403.6万吨（下降10.28%）［11］。然而我国农药化肥的施用量仍旧远高于美国、巴西等农业大国2～3倍。农产品加工产值占农业总产值的比重很低，农业产业链延长仍处于初级阶段［12］。为应对和解决以上我国农业面临的发展难题，在农业生产中应用生物技术并发展生物经济，能够切实可行地从源头上解决作物产量不足、农药化肥污染以及资源不可持续等问题。同时，生物经济的增长能够促进农业农村的技术创新和产业培育并创造大量就业机会［13］，例如德国生物农业目前已实现一个农民养活上百人，为整条产业链创造超100万个的就业岗位［14］。

2 世界主要国家／地区生物农业发展概况

美国在本世纪初率先提出发展生物经济，欧盟紧随其后（表1）。美国和欧盟由于起步早，生物农业发展程度相对成熟。美国生物农业发展主要侧重于经济的快速增长，欧盟以德国为代表的发达国家则更注重环境的可持续发展。生物育种方面，自1996年转基因作物商业化种植以来，截至2019年，共有29个国家和地区种植转基因作物，42个国家和地区批准进口转基因作物，总种植面积1.904亿公顷。转基因大豆、玉米以及油菜在美国、巴西、印度等农业大国的平均应用率均已达到90%以上，使得农业生物技术成为实际生产中应用速度最快的技术［24］。生物农药方面，国际上已有30余种生物农药投入市场，2017年全球生物农药销售总额达到33亿美元，预计到2025年将以13.9%的复合年增长率达到95亿美元的市值。生物肥料方面，2020年全球生物肥料市场规模达到了11.7亿美元，发达国家例如美国和欧盟成员国的生物肥料施用率占比20%以上。生物饲料方面，发达国家的使用占比已达到50%以上，预计到2025年，全球生物饲料的总产值将达到200亿美元［43］。

表1 各国／地区主要生物经济战略发布时间表Tab．1 Timeline of Major Bioeconomy Strategy Releases by Countries／Region

2.1 顶层设计

2.1.1 欧盟

2005年，欧盟出台了第一部生物经济战略政策——《以知识为基础的生物经济新视角》，首次将生物经济定义为将生命科学知识转化为新的、可持续、生态高效并具竞争力的产品，能够描述在能源和工业原料方面不再完全依赖于化石能源的未来社会［15］。随后2007年、2010年、2011年、2012欧盟分别出台了《迈向基于知识的生物经济》《构建欧洲生物经济2020》《2030年的欧洲生物经济：应对巨大社会挑战实现可持续增长》以及《为可持续增长的创新：欧洲生物经济》。2018年，欧盟委员会更新了生物经济战略——《欧洲可持续的生物经济：加强经济、社会和环境之间的联系》，将生物经济定义为涵盖依赖生物资源及其功能和原则的所有部门和系统［16］，将农业作为生物质生产最重要的有机初级部门产业之一，并将重点发展农村农业作为欧盟的优先政策。欧盟的生物农业将根据共同农业政策（The Common Agricultural Policy，CAP）制定具体干预措施，支持农村地区的包容性生物经济的发展。

2.1.2 美国

2022年4月，美国智库Schmidt Futures发布的《美国生物经济：为灵活和竞争性的未来规划路线》，将生物经济定义为由生命科学和生物技术的研究和创新驱动，并由工程、计算和信息科学的技术进步推动的经济活动［22］。预计未来的全球生物经济价值将在4万亿～30万亿美元之间［23］。美国能源部（Department of Energy，DOE）计划，美国每年通过农业、林业可持续生产至少13亿吨生物质，而不会对食品、动物饲料、出口需求和环境产生负面影响，同时向低碳投入的农业和林业过渡，培育土壤健康甚至增加土壤中的碳固存。2016年，美国生物经济至少创造了5.1%的GDP，其中超过一半的GDP产生于农业和工业生物技术部门［22］。

2.1.3 德国

德国作为欧盟成员国，其生物经济战略在欧盟框架下仍显得独具特色。在《国家生物经济研究战略2030：通向生物经济之路》中承诺，要创造一个建立在自然物质循环基础上的可持续生物经济。随后，德国《国家生物经济战略》于2013年出台，将生物经济定义为：生物经济是工业和经济的新模式，在可持续经济系统的框架内，实现可再生资源的可持续与创新利用，以提供食品、原料和具有增强性能的工业产品［27］。2020年7月，德国联邦政府更新了《国家生物经济战略》，提出利用生物经济来加强农村地区的发展［28］。德国大部分的生物质是在农村地区生产和加工的，用作食品、饲料、材料或能源用途［29］。农业是生物经济的核心支柱之一，生物经济的基本条件之一是农业和工业能够实现生物原料和产品的可持续生产。德国生物经济的扩张在农村地区的价值创造、就业和生活质量方面具有巨大的潜力［27］。德国将特别支持新型、循环和低投入种植和生产系统的发展，包括有机农业、智能农业以及垂直农业［14］。

2.1.4 中国

中国最早于2007年由科技部提出生物经济“三步走”战略以及推进生物经济发展的十大科技行动，同时部分生物资源相对丰富、创新能力较强的省份，如浙江、吉林以及黑龙江等，陆续出台生物经济相关战略、行动计划或生物产业发展规划［31］。中国第一部关于生物产业的全面战略部署是2017年国家发改委颁布的《“十三五”生物产业发展规划》［32］。2022年5月，中国正式颁布了《“十四五”生物经济发展规划》（简称《规划》），作为我国首部生物经济五年规划，也是我国生物经济领域的首个顶层设计，《规划》将农业作为五大应用领域之一，强调要重点围绕生物育种、生物肥料、生物饲料、生物农药等方向，推出一批新一代农业生物产品，建立生物农业示范推广体系，完善种质资源保护、开发和利用产业体系，更好地保障国家粮食安全、满足居民消费升级和支撑农业可持续发展，构建更加完善的全链条食品安全监管制度，确保人民群众“舌尖上的安全”［33］。

2.2 主导技术与产业

2.2.1 欧盟

欧盟生物经济将生命科学和生物技术与信息通信技术、机器人、遥感、新材料等技术融合，促使生物资源及其制品有效替代化石能源并成为经济的新增长点。欧盟有机公司通过开发新的高附加值产品，形成多样化的业务模式、产品和服务组合模式。2015年，欧盟生物经济的营业额为2.3万亿欧元，占欧盟劳动力产值的8.2%［17］。预计到2030年，欧盟的生物技术将为欧洲经济贡献575亿～995亿欧元，相关生物产业将创造100万个新的工作岗位［18］。生物能源目前提供了欧盟三分之二的可再生能源，预计到2030年仍将是能源结构的关键组成部分，支撑着欧盟2030年实现可再生能源占总能源32%的目标［16］。与热能和电力相关的生物能源途径越来越重要，基于粮食作物的第一代生物燃料将逐渐转向第二代非粮食生物燃料［19］。

2.2.2 美国

美国越来越多的农业生物技术从实验室走向市场，并取得了良好的效益。比如基因编辑CRISPR技术，开发出具有抗虫抗除草剂性状的玉米、大豆、棉花等作物，其商业化种植大大提高了作物产量和品质，并减少了农药化肥的施用，在养活更多人的同时创造了巨大的环境生态效益［24］。在此技术上，开始扩展现有的DNA研究方法，包括开发基因编辑工具，在多个位点同时精确编辑动物、植物和微生物基因组，以改善现有的代谢途径，甚至创建新的代谢途径［25］。再如，美国国家科学基金会（National Science Foundations，NSF）1996年发起了全球植物基因测序计划（Plant Genome Research Program，PGRP）并取得了系列成果，其中组装、注释和比较26个不同的玉米基因组的工作取得了成功，相关创新成果可以提高粮食和饲料作物的生产力，并开发出可以在资源匮乏的边际土地上种植的植物新品种。鉴于生物质在生物经济的重要作用，美国非常重视植物基因组学的研究，以及对植物基因组进行高通量的基因组编辑；此外通过生物测序、建模、机器学习和人工智能、创建各种分子的强大生物合成平台等提高生物生产能力［22］。美国农业部的“生物优先计划（BioPreferred）”通过实施生物基的产品标签制度，以强制性联邦采购和自愿性标签倡议增加对生物基产品的购买和使用。截至2017年，美国部分生物基产品在一些领域的竞争力已经超过了石油化工产品，每年产生至少1250亿美元的收入，占美国精细化工产业的17%～25%［26］。

2.2.3 德国

德国生物技术在生物育种、精准农业等领域位于欧盟各国前列。德国的生物农业也正在积极地与其他未来技术结合。例如，在农业和林业领域使用数字创新提高生产的精准性，可以大幅节省土壤、农药、化肥和能源等投入，由此带来的成本降低和效率提高赋予农业部门更大的竞争力和环境友好性。在生物原料的生产加工以及精准农业领域使用传感器技术、大数据、快速数据连接和机器人技术也具有巨大潜力［28］。在微电子、纳米技术、材料和工艺工程等技术学科进步的推动下，德国的生物农业发展迅速，在生物技术育种研究、生物聚合物研究、植物原料的酶分解、基于微藻优质原料的开发、有机和常规农业等方面，甚至于在生物精炼直接使用工业过程中的二氧化碳作为碳源生产生物质等方面均取得了不错的进展。生物经济中，农业和林业对农村发展的意义是巨大的，德国有超过30万家公司活跃在包括精准农业、动植物育种、短轮作林业、水产养殖领域，为超过100万人提供就业岗位；2015年，德国农业和林业的销售额为320亿欧元，一个农民平均可以养活147个人［14］。

2.2.4 中国

我国农业育种创新的进步和农业生物技术的应用将会加速推动农业生物经济的发展。在“十四五”期间，我国将以发展农作物分子育种创新服务和鉴定平台、畜禽育种创新平台、水产联合育种平台等为重点，发展原创育种技术，支持建设一批育繁推一体化企业，着力打造具有国际水平的基础性科研和商业化育种体系，改善科研创新条件，推动产研深度融合，促进创新要素高效配置。高通量基因测序、合成生物学、生物计算、DNA存储等新技术也将加速突破，有序推动生物技术在农业生产、物质合成、环境保护等领域的应用，同时强化“产学研用”协同联动，加快相关技术产品转化和产业化应用［33］。

2.3 效益评估

欧盟生物技术的快速发展促进了生物基相关部门和整个生物经济的循环，能够使来自农场、森林、城市以及食品加工的生物废物和残留物转化为生物基产品（化学品、有机肥料、生物燃料）。可持续的生物经济可以将生物垃圾、残留物和废弃物转化为宝贵的可再生资源，通过生物技术的创新可以将食物废物安全地转化为动物饲料，预计2030年欧盟能够减少50%的食物浪费，而全球用于畜牧业养殖的土地节省下来能够多养活30亿人口［20］。以荷兰首都阿姆斯特丹市为例，全面回收高价值的生物有机残渣，每年可创造1.5亿欧元的附加值、1200个新就业机会，同时每年还可减少60万吨二氧化碳排放［21］。

美国生物经济有助于增加获取和改善食物的营养价值，改善土壤健康，同时减少农业的温室气体足迹、氮径流和农药使用。综合利用免耕农业、生物来源作物养分、特定和选择性虫害管理以及能够增加土壤碳含量的作物基因型，能够改善土壤健康和生物多样性。通过基因工程改造的农田作物可以在土壤中吸收更多的碳，同时生产能够适应气候变化以及耐盐耐旱作物。除此之外，用木薯和马铃薯淀粉制成的可堆肥餐具和食品存储容器、以大豆为基础的屋顶涂层等，都将有助于减少城市碳排放。生物经济将减少美国对化石燃料的依赖，振兴美国的制造业和就业，改善国家健康和环境，并对创建净零碳经济的目标做出重大贡献。美国目前每年生产的10亿吨生物质将转化为25%的液体燃料以及500亿磅生物基化学品，并减少4.5亿吨二氧化碳排放，接近全国排放量的10%，同时创造美国110万个就业岗位［22］。

德国生物经济政策强调要减少土地使用压力、确保生物原料的可持续生产和供应、扩大和发展生物经济的供应链和网络，最后利用数字技术发展生物经济，为农村发展提供机遇。到2050年，德国生物质潜力可以节省6900万吨二氧化碳当量，相较于1990年能源、建筑、运输和工业部门的温室气体排放水平减少6%，未来30年将累计减少17.2亿吨温室气体排放量［30］。

中国现阶段生物经济政策主要侧重于经济发展和产业规模的提升，其中生物农业顺应我国国情，接下来需要从解决温饱转向满足更高层次的食品消费需求。我国生物农业总产值在2015年达到了3000亿元，其中生物饲料占20%。目前我国生物农药产品研发已达3000余个，但生物农药企业规模小盈利底，生物农药市场份额小。而生物肥料企业数量和规模则呈现快速增长态势，但生物肥料普遍应用仍旧任重道远。

3 我国生物农业高质量发展需求

目前我国农业-食物系统的投入端、生产过程、排放端及食品制造等环节的高质量发展存在着种质资源保护利用率低、农业生产效率低、农业排放较高以及农产品质量与安全堪忧等几大问题，可从生物经济中找到相应的解决方案。我国农业未来将会发展成为一个低排放、高效率、环境友好并贯通整个生物经济产业链的基础性支柱产业，同时在生物经济背景下优化的农业-食物系统可以更有效地支持可持续发展目标的实现（图1）。

图1 生物经济提供农业高质量发展途径Fig．1 Bioeconomy Provides a Path to High-quality Agricultural Development

3.1 种质资源收集与利用

种质资源是现代种业的核心，在现代生物农业中发挥着“芯片”的作用。目前国家作物种质资源保存体系中保存了约2300个物种的45万份种质资源［34］。但在种质资源保护上远不如美国等发达国家，导致农作物品种丧失数量逐年递增，种质资源利用率不高。以小麦为例，我国栽培小麦的种质资源利用率仅为10%～15%。截至2018年，美国农作物的种质资源利用率已达到28%［2］。我国种质资源利用率仅为美国的50%左右，大部分农业新品种仍旧停留在实验室和试验田，并没有像以美国为代表的发达国家那样迅速进入产业化阶段实现盈利增收。分子标记、全基因组选择、基因组编辑、高通量测序和SNP芯片等生物技术的发展将开启我国种质资源保护和利用的新里程［34］。《规划》提出，以国家农作物种质资源长期库和中期库、畜禽基因库和保护场、水产种质资源库和资源场等为重点，我国将着力打造具有国际先进水平的种质资源保护体系，为科研育种提供优质资源材料［33］。

3.2 农业生产效率的提高

由于地形复杂多山、环境气候、病虫害问题以及育种效率不高等原因，我国农业生产效率较低。研究表明，2008—2012年，我国农业育种技术提升的年均增长率为7.1%，而农业育种技术应用效率为-4.7%［36］，生物育种技术的进步与实际应用出现严重脱节现象。我国的农业生产模式主要以小农经营为主［37］，生产效率较低，不同经营主体的生产效率差异较大。以玉米为例，农业企业的玉米生产效率最高（0.804），其次是农民专业合作社（0.759）、家庭农场（0.522），专业大户（0.409）的平均生产效率相对最低［38］。基于高通量测序从开发农作物基因组图谱到优质基因资源挖掘、分子标记辅助育种等，能够使得农作物育种效率提升千百倍，育种周期缩短到原来的三分之二，快速选育出优质、绿色、营养高效的新品种［39］。

3.3 农业排放的控制

我国农业碳排放一直居高不下，从1961年2.49亿吨增长到2018年的8.7亿吨，增长量超过2倍［11］。当前，农业温室气体排放量占我国总排放的10%，其中农用地氧化亚氮排放、动物肠道发酵、水稻甲烷以及动物粪便等直接排放占70%左右，农业用水耗电、化肥农膜、柴油消耗等间接排放占农业排放的30%左右［40］。2020年的农业生产耗能为8680.69万吨标煤，占全国煤炭总消耗量的1.8%。此外，药肥过量施用造成的农业面源污染加剧了土地贫瘠、资源匮乏和环境污染等问题。生物肥料、生物饲料以及生物农药等生物经济中的技术解决方案提供了低排放和可持续再生的新思路。目前我国河北安平县“气电热肥”联产生物质能近零碳利用模式，已实现年处理畜禽粪污30万吨，发电收入达到1134万元。同时减少CO2排放10.8万吨，生物质沼气发电剩余的沼液沼渣做为基质，用以制备生物有机肥料。

3.4 农产品质量与安全

随着经济社会的发展和生活水平的提高，人民群众对食品安全质量、营养健康的期待也越来越高。然而我国农产品质量与安全方面仍旧存在一系列尚未解决的问题，如农药残留超标、土壤重金属污染、各种激素类催熟剂滥用、监管技术难以满足需求等。一些农户或商家为了提高农作物产量，违规过量使用化肥、高毒和高残留的农药，滥用含激素类的药物以及使用违禁的添加剂，导致频频出现如“毒豇豆”“速生鸡”等农产品安全问题事件［41］。近年来，生物技术的发展带来了我国食品产业升级转型的新机遇。如利用合成生物学技术研发的人造蛋白能够减少人类对传统畜牧业供给的需求，给农牧业减负的同时带动食品产业更新换代，同时区块链技术能够对农产品质量安全监管进行追踪溯源［42］。

4 生物经济支撑我国农业高质量发展的途径

4.1 提升生物农业科技综合实力

发展生物农业，首先需要加强生物科学相关的基础研究，以创新作为生物科技综合实力提升的核心驱动力，通过全方位、跨学科联动实现核心技术突围。生物育种方面，通过基因工程、基因编辑等生物技术加大新品种研发力度，同时创建生物育种资源管理技术平台，建立种植资源数据库，使我国农业向生物育种4.0现代分子农业过渡。生物农药方面，广泛应用微生物源和植物源进行研发推广，利用基因工程、转基因、基因编辑等生物技术对天然菌株进行筛选改造，将多抗霉素、白僵菌、赤霉素等生物农药产品纳入生物农药企业的技术研发和生产计划中。生物肥料方面，筛选能够高效降解农田污染物、解决作物连作障碍和加速秸秆腐解的优良菌株，同时利用优良菌种研制新型生物肥料如光合细菌肥料、乳酸菌有机肥料等。生物饲料方面，利用微生物发酵技术发展酵母源的高活性生物饲料，大力开发寡聚糖、植酸酶、复合酶等新型饲料添加剂和酶制剂。

4.2 推动生物农业产业快速发展

生物农业的高质量发展离不开农业双循环格局的构建，需要积极开发市场，扩大生物农业产业内需，同时打通行业壁垒，延长生物农业产业链，以提高生物技术产品的流通效率。我国生物农业产业企业大多以中小型规模为主，缺乏龙头企业引领，需要国家出台相关政策扶持生物农业各行业的龙头企业，先正达、隆平高科等种子企业目前已在国际上崭露头角。同时市场转型还需要设立相应的市场准入机制，明确生物农业产业的行业标准，例如生物技术新产品的准入门槛以及产品质量检测制度。税收减免、贷款融资、监管批准等生物农业产业发展的配套制度建设也需要同步发展。我国生物产业研发与应用严重脱节，需要在企业、研究机构和高校、风投机构三方搭建合作桥梁，促进产学研的快速转化，同时根据不同地域特色进行宏观产业布局调控，形成区域特色产业聚集，建立区域性生物农业创新与产业化示范基地。

4.3 为生物农业发展营造良好政策环境

《“十四五”生物经济发展规划》指出要努力优化生物领域的政策环境，为生物经济提供一个良好的政策基础和发展环境。生物经济大背景下，生物育种已发展成为实现农业高质量发展、保障我国粮食安全的重要途径。我国农业发展需要在《规划》的总领下，进一步细化行业规则和市场政策，牢牢把握种业竞争的核心就是生物育种技术这一要义，有序开放并推动生物技术作物商业化。我国生物育种领域已初步实现了自主技术、自主基因以及自主品种的创新局面，接下来需要加速生物技术创新、优质基因挖掘、新品种选育，进一步完善法律法规，加强知识产权保护，建立自己的核心种质资源库、优质功能基因资源库以及关键育种技术平台。同时社会舆论和公众态度也是生物技术作物商业化的主要影响因素，政府宣传部门和主流媒体对于生物技术及相关成果的科普宣传，是提高群众对于生物技术作物的认知和接受水平的主要途径。我国对转基因和基因编辑等生物技术作物的监管体系较为严格，商业化种植的生物技术作物种类少、面积小、应用范围狭窄，未来需要逐步开放生物技术作物的安全审批和商业化种植，为我国农业高质量发展注入新的活力。