“稻薯猪”生态循环农业的设想

2023-11-18樊自尧李奎李家洋黄三文

中国农业科学 2023年20期

樊自尧，李奎，李家洋，黄三文，3

“稻薯猪”生态循环农业的设想

樊自尧1，李奎1，李家洋2，黄三文1，3

1中国农业科学院（深圳）农业基因组研究所，广东深圳 518120；2崖州湾国家实验室，海南三亚 527000；3中国热带农业科学院，海口 571101

在杂交马铃薯育种技术已获突破和水稻育种进入分子设计育种阶段的背景下，笔者提出“春夏种稻、冬闲种薯、薯糠喂猪、粪尿肥田”的“稻薯猪”新型生态循环种养模式，以期缓解我国饲粮进口压力，助力破解种养脱节导致的资源浪费、效益不高、环境危害等问题。文中分析了“稻薯猪”模式利用水稻冬闲田种植马铃薯并用于动物蛋白生产的可行性，探讨了该模式的运行特点和落地形式。按照农业系统工程设计原理，“稻薯猪”全系统可分为大田种植管理、马铃薯贮藏、马铃薯主饲化和猪饲养、粪尿处理和还田等4个子系统。通过对子系统进行分头优化、集成和建模，探索在我国南方地区开展因地制宜、规模适中的“稻薯猪”生态循环种养模式的推广。

水稻；杂交马铃薯；猪；冬闲田；生态循环农业；农业系统

0 引言

我国自古有“猪粮安天下”的说法。世界存栏约10亿头生猪，超一半饲养在我国[1]。猪肉消费量占我国肉品总消费量的60%以上，生猪产业能否平稳有序发展，关乎社会稳定和人民生活质量。然而，我国饲料原料自给率低，易受国际环境和全球气候异常影响，饲粮进口压力异常严峻。2021年开始，我国大豆年进口量已达近1亿t规模，玉米年进口量也高达3 000万t以上。生猪饲养成本屡创新高，对生猪产业造成了严重冲击。另一方面，因集约化养殖与种植脱节，猪排泄物常导致环境污染，而化肥等种植投入品需求不断增加[2]，化肥过量施用导致的土壤板结、酸化问题日益严重。农业生产需要加快实现可持续生态循环农业的转型升级，对我国主要农产品稳产保供，并发挥“固碳”优势，助力完成“双碳”目标[3-4]。

1 “稻薯猪”生态种养模式的提出

马铃薯生长喜冷凉，可在南方水稻冬闲田大面积种植，既不与水稻等主要作物争时争地，又能增加南方土地和光温水气等自然资源利用率[5]。南方很多地区已形成较成熟的冬闲田种植马铃薯的生产模式。据测算，南方适宜种植马铃薯的冬闲田约667万hm2（1亿亩），涵盖广东、广西、湖南、湖北、江西、福建、云南、贵州、四川和重庆等10省（市、区），理论产量可达1.5亿t，相当于4 500万t的标准玉米（含水量14%）的营养成分，折合节约种植季节土地面积至少447万hm2，完成额外“固碳”至少1 000万t。

在我国南方推广“春夏种稻、冬闲种薯、薯糠喂猪、粪尿肥田”的“稻薯猪”生态循环种养模式，有助缓解“人畜争粮”、饲粮进口和环保压力，有望对构建中国特色新型可持续农业系统提供参考。

2 “稻薯猪”模式的可行性

水稻和马铃薯的育种技术取得的重要突破为“稻薯猪”模式实施提供了条件。一方面，通过分子设计育种培育出了高产、优质、高抗、高效的水稻新品种，保障了水稻高产稳产[6-7]；此外，水稻脆秆基因等重要性状挖掘和合理利用[8]，有助于进一步改善秸秆的适口性以及家畜对秸秆纤维素的消化利用率，使水稻秸秆用于饲料原料，减少秸秆处理压力。另一方面，研究人员相继突破了马铃薯自交不亲和与自交衰退的技术瓶颈，获得了高纯合度的二倍体自交系并培育出高产优质杂交品系[9]，马铃薯育种周期有望大幅度缩短，利用杂种优势有助于快速提高产量、品质和适应性，扩大冬闲田马铃薯的种植范围，以培育专门化饲用马铃薯新品种。

2.1 马铃薯低成本饲料化

马铃薯为动物营养和饲料学中经典的块根块茎类原料[10]，但受限于马铃薯的含水量高（75%—80%）、富含抗性淀粉[11]的问题，与玉米等种子类饲料原料在储运、加工成本和代谢能值上存在不足[10]，难以适应集约化养猪的固体日粮体系。马铃薯除了可在南方冬季种植，不与主粮争地外，对标玉米在蛋白含量上并不存在劣势，鲜薯中干物质的蛋白含量约为15%，不低于标准玉米干物质中的蛋白含量（约为12%）；马铃薯蛋白是具有均衡的氨基酸组分的优质蛋白，无玉米中赖氨酸缺乏的短板。另外，马铃薯有助于提升猪肉品质。相对于种子类原料，马铃薯在干物质、淀粉、蛋白质、维生素等营养成分以及种植成本方面，有更大的育种潜力和改良空间。

液态发酵饲喂模式，可规避马铃薯主饲化上述存在的问题，能够利用发酵马铃薯，并根据生猪营养需求，混合其他原料制成全价日粮，用于生猪饲喂。主要优势表现在：预消化抗性淀粉和纤维素，提高消化能值，提高饲料利用率[12]；发酵增加益生菌，减少肠道疾病发生；发酵改善饲料适口性，缩短出栏时间；取消饮水管，大量减少养殖用水和废水处理；在配方中增加青绿茎秆、水产副产品和农业加工副产品等地域特色原料，降低饲养成本；益生菌竞争抑制肠道和粪污臭气菌，从源头降低臭气产生量；不添加抗生素，对粪污处理过程和还田后微生物菌群无影响；南方湿热环境利于发酵贮藏，可避免块茎发芽、绿化[13]和感病腐烂[14]等常见鲜薯贮藏问题。目前，适合不同生产规模的生猪液态饲喂设备日趋发展完善[15]，为鲜薯液态饲喂生猪提供了条件。

2.2 “稻薯猪”模式的落地形式

“就地就近”是“稻薯猪”模式推广应用的主要考量。规模适度的“稻薯猪”模式使饲料原料实现当地种植、粪肥就地还田，降低了原料、饲料、排泄物和肥料的长距离运输成本，实现循环农业中物质准确到位和均匀分配。此外，“稻薯猪”模式保留了原有种植和养殖的基本构成，可在深度兼容传统工艺基础上再优化，更好地获得传统种植和养殖行业的接受，易于实现协同创新。

3 “稻薯猪”生态循环种养模式的系统工程设想

“稻薯猪”生态循环种养模式需要通过农业系统工程设计，在多样化模式下获得不同目标的最优解决方案。系统周期可被描述为：每年3月施肥、插秧早稻，6月收获水稻；7月施肥、插秧晚稻，10月收获水稻；11月施肥、种植马铃薯，次年2月收获马铃薯；大田种植以一年为周期进行循环，不同地区可根据不同自然条件适当调整。经初步核算，66.7 hm2耕地按照两季稻加一季马铃薯生产模式，可生产约720 t大米（按两季10.8 t·hm-2），生产的米糠（按两季1.2 t·hm-2）和马铃薯（按一季22.5 t·hm-2），在补充蛋白原料和预混料后，可供养殖120 kg标准出栏体重的外三元育肥猪约1 500头，猪排泄物可产氮肥约4.2 t、磷肥约2.4 t，沼气约41 000 m3。

全系统模型建立需要克服时间和空间两个维度的约束。关于时间维度，可拆分为种植农时（时间点）-全年贮藏（时间段）-全年养猪（时间段）-实时积肥（时间段）-定时施肥（时间点）。关于空间维度，可拆分为大田（开放大空间）-储库/窖（密闭小空间）-猪舍（密闭小空间）-沼气装置（密闭小空间）-大田（开放大空间）。相对于稻鱼、稻虾和稻鸭等低强度直接互作种养一体模式，“稻薯猪”系统是一种基于非接触的独立控制种植和养殖子系统的集成，子系统间能够人为建立精准的控制，完成子系统间物质和能量传递，为子系统拆分提供了条件。

3.1 子系统拆分

对全系统合理分割是实现子系统分头研发和全系统整合的基础。拆分原则需要符合以下标准：（1）子系统的硬件设备和工艺可不依赖其他子系统而独立实施。例如，马铃薯液态饲料加工设备需要在猪场中建立中央厨房和饲喂管道，因此，饲料加工和生猪饲养两个环节需要被设置在同一子系统内。（2）子系统间能够单一交割循环中的关键产品。系统中过程产品可分为3类：第一类是收获的马铃薯、发酵后的马铃薯、猪的排泄物和粪尿处理后的肥料作为子系统间物质交换的载体，可作为相邻子系统间的关键交割物；第二类是大米和猪肉作为每个系统运行周期脱离系统的核心产出物；第三类是蛋白质饲料原料和化肥等作为每个系统运行周期加入系统的投入品。（3）子系统间运行时间周期能够统一。如养殖周期与种植周期同步计算，商业猪种正常营养需求情况下6—7个月可出栏，而稻薯生产需要1年。基于上述原则，系统被分割成4个子系统，分别为大田种植管理子系统、马铃薯贮藏子系统、马铃薯主饲化和猪饲养子系统、粪尿处理和还田子系统。

3.2 子系统间交割物数据的准确采集

为了准确采集子系统运行数据并建立子系统模型，从碳元素和氮元素转换的角度解析“稻薯猪”系统循环物质转换的本质（图1）。系统中的核心产出物可被粗略理解为以碳水化合物为主的大米和以含氮的动物蛋白为主的猪肉。碳元素的转换维持了整个“稻薯猪”循环系统运转，同时伴随氮元素在不同物质载体间转换，人可按需从系统循环中获取产品。循环中，稻米生产可被粗略分解成两部分：一是固碳部分，通过光合作用将空气中的二氧化碳转化为大米形式的有机碳；二是氮元素转化部分，土地中氮元素转化到富含蛋白的米糠中，米糠蛋白形式的氮元素被加工成饲料在系统中继续循环。马铃薯生产中，土壤氮元素转换为蛋白和固碳产生的碳水化合物为主要构成的马铃薯，被加工成饲料继续循环。饲料中蛋白原料的添加是循环氮元素摄取的主要入口之一。猪摄取饲料后，营养物质的一部分被吸收，而未被吸收部分的氮元素和部分有机碳转变为粪便。消化后吸收的氮，则主要转变为猪肉蛋白质和代谢产生的尿素。粪尿收集发酵后，厌氧产生沼气被收集利用，含碳和氮的沼液和沼渣被还田。

图1 “稻薯猪”循环系统

3.3 子系统需求

大田种植管理子系统属于生产型子系统。以时间周期（一年）产生的猪粪尿等所有非游离氮含量为原料，满足水稻、马铃薯正常生长的营养需求。大米为系统核心产出物脱离循环，只有马铃薯和米糠继续进行循环。

马铃薯贮藏子系统是过渡型子系统。马铃薯贮藏子系统是将获得的马铃薯营养成分为原料，完成发酵贮藏后所有碳水化合物、蛋白质等营养成分为产品；马铃薯发酵后的营养成分和与饲料配方能够对接。

马铃薯主饲化和猪饲养子系统属于生产型子系统。以马铃薯完成贮藏后马铃薯和米糠中所有碳水化合物和蛋白质等营养成分为原料，以对应时间周期（一年）产生的猪粪尿中所含的非游离氮为产品。为了实现与种植周期同步，通过累积1.5—2个批次的肉猪育肥周期，使猪饲养子系统的生产周期调整为一年时间。饲养过程中尽量消耗掉所有系统生产的马铃薯和米糠，并选择性加入当地低成本的特色原料。

粪尿处理和还田子系统属于过渡型子系统。猪粪尿密闭厌氧发酵产生沼气，可直接燃烧或发电。发酵装置排出的料液和沉渣中的较丰富的营养物质，作为优质肥料还田。

最终，采集多种实施条件和规模下“稻薯猪”中的各子系统数据，用于系统模型方程的建立，再通过相邻子系统间的单一交割物，串联成为整个“稻薯猪”系统，并以此衍生出经济投入和产出以及固碳和温室气体排放等数据指标，用于实时评估和预测“稻薯猪”模式的实施。

4 “稻薯猪”系统的展望

“稻薯猪”系统工程因涉及种养循环多个生产场景，易受病害、市场和气象环境的互作，结果精准预测有一定难度。“稻薯猪”系统工程与现代智慧农业可无缝链接，如大田种植管理子系统可以进一步整合进入智慧田间管理、气象监测和农时提醒服务、气象灾害预警、病虫害预警、化肥价格监测和粮价监测等系统；马铃薯主饲化和猪饲养子系统可兼容智慧养猪、猪肉市场监测和饲料市场监测等系统，实现资源最大化利用，并降低务农和养殖成本及风险。此外，马铃薯液态发酵饲喂体系兼容低蛋白日粮技术[16]，充分利用现代生物技术研发稻种、薯种、猪种和菌种，推动在保证口粮安全的前提下提高饲料粮自给率，助力构建有中国特色新型可持续农业系统。

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The Conception of Eco-circular Agriculture of "Rice-Potato-Pig"

FAN ZiYao1, LI Kui1, LI JiaYang2, HUANG SanWen1,3

1Agricultural Genomics Institute at Shenzhen, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Shenzhen 518120, Guangdong;2Yazhou Bay National Laboratory, Sanya 527000, Hainan;3Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Haikou 571101

Empowered by breakthroughs in hybrid potato breeding technology and the well-established molecular design breeding in rice cultivation, we propose a new eco-circular agricultural model, referred to as "rice-potato-pig (RPP)". This model involves planting rice in spring and summer, growing potatoes in winter, and using potatoes and bran as feed for pigs, while simultaneously utilizing pig manure and urine to fertilize the fields. RPP has the potential to alleviate the pressure of China's feed imports and address issues such as low efficiency, resource wastage, and environmental harm caused by the gap between planting and feeding. In this paper, we analyze the feasibility of the RPP model, which utilizes winter fields for potato cultivation to produce animal protein. We also discuss the operational characteristics and implementation of this model. Based on the design principles of agricultural system engineering, the entire RPP system is divided into four sub-systems, including field planting management, potato storage, pig feeding with potatoes, and manure and urine treatment followed by returning nutrients to the fields. Through stepwise optimization, integration, and modeling of these sub-systems, we explore the practical implementation of the eco-circular agricultural model of RPP according to local conditions and moderate scale in southern China.

rice; hybrid potato; pig; idle fields in winter; eco-circular agriculture; agricultural system