8000年前，人类开始从渔猎采集发展到驯养和种植动植物，开创了生产食物的农业。农业利用光温水气和土地等自然生产力，以植物体自身的光合作用，利用光能将吸收的二氧化碳和水合成富能和富营养的有机物。基于施用有机肥和牛耕人种的古老农业，是一种闭合式的物质与能量循环系统。

科技进步和社会发展，给古老农业不断带来变革。

农业的三次产业革命

18世纪的工业革命给农业送来了机械与能源、化肥与农药等外源性物质与能量，打开了闭合式循环，掀起了以工业化装备农业的第一次产业革命，生产效率与产量大幅提升。设施农业的兴起，将种植与养殖引入人为的自控环境中，使生产效率与产量再度提升。当代的大数据、智能化与无人机也开始装备农业。

农业的第二次产业革命兴起于20世纪中叶。沃森发现遗传物质脱氧核糖核酸的双螺旋结构和波耶实现基因重组，开创了分子生物学和生物技术的新纪元，引发了以基因工程为标志的第二次农业产业革命。主要农作物基因组学研究克隆了一批具有重要育种价值的农艺性状基因，基因编辑技术研发也取得了重要进展。继转基因抗虫棉产业化后，全球转基因玉米、大豆面积已超2亿公顷。生物合成是生命科学、工程学和信息科学等诸多学科的综合，通过合成生物技术可以构建具有独特功能的淀粉、蛋白质、抗体等，用于食物、生物质能源以及生物基材料等。

全基因组选择技术已成为畜禽品种改良的重要手段，动物一出生就进行选种；获诺贝尔奖的动物基因编辑技术已广泛用于畜禽品种改良；动物体细胞克隆技术走向产业化，自1996年多莉羊诞生以来，每年有数以万计的种用公猪被克隆。基因组选择在动物干细胞中进行，通过基因编辑创制的具有抗烈性传染病、高饲料转化率、低碳排放、抗逆优质等特性的动物成为当家品种。

农业的第三次产业革命萌发于20世纪70年代的世界石油危机。危机中，美国用玉米、巴西用甘蔗生产燃料乙醇替代石油；北欧国家用林地劣质材和枝丫材压制成型燃料供热发电；德国和瑞典将屠宰与肉类加工业废弃物及城市有机污泥，经厌氧发酵，生产沼气和提纯生物天然气，以替代汽油驱动公交车。在能源替代实践中，这些国家不约而同地选择了生物质能。

20世纪末，随着“全球气候变化”与“可持续发展”的“减碳”时代大潮掀起，世界再次将目光聚焦于生物质。1999年，时任美国总统克林顿在“发展和促进生物基产品和生物能源”总统令中说：“目前生物基产品和生物能源技术有潜力将可再生农林业资源转换成能满足人类需求的电能、燃料、化学物质、药物及其他物质的主要来源。这些领域的技术进步能在美国乡村给农民、林业者、牧场主和商人带来大量新的、鼓舞人心的商业和雇佣机会，为农林业废弃物建立新市场，给未被充分利用的土地带来经济机会，减少美国对进口石油的依赖和温室气体排放，改善空气和水的质量。”该总统令再次掀起世界性的生物质开发热潮，生物质能已经发展成为继煤炭、石油和天然气之后的第四大能源，欧洲国家的生物质能的产能和应用量已居可再生能源之首。

2005年，我国炼油催化应用科学奠基人闵恩泽院士说：“从长远看，石油终将枯竭，利用取之不尽、用之不竭的农林生物质资源的产业将会逐步兴起。石油碳氢化合物生产的化石燃料，终将被碳水化合物生产的生物质燃料逐渐部分替代。”

2004年，笔者提出“生物质经济已经浮出水面”。2016年，笔者著文指出：“农业发展的历史长河中，作为生产对象的作物籽实和畜禽肉蛋奶只占农田生物量产出的四成，而六成的作物秸秆和畜禽粪便等被当作了‘农业废弃物’。现代生物质转化技术则将这些‘农业废弃物’资源化，生产生物质能与生物基产品，将‘半生物质农业’发展为‘全生物质农业’。”

第一次农业产业革命是工业革命引发的外源性的农业产业革命，第二次是基因工程引发的内源性的农业产业革命，二者都是围绕食物性生产的科技革命。第三次则是在植物组分上由淀粉/糖扩展到纤维素/木质素的内源性的、围绕环保性生产的功能性革命。

农业的第三次产业革命正在发生哪些大事？

近年来，农业的功能性产业革命发生了哪些大事？

因生物质的“零碳”与“负碳”排放，政府间气候变化专门委员会于2011年正式提出：“为确保本世纪末全球温升控制在2℃乃至1.5℃，在提出的116个对策方案中，绝大多数都要依靠CO2的生物能源碳捕获和储存技术（BECCS）与碳净负排放技术。”“BECCS是极少有的、能将近几百年来被大气吸收积存的CO2吸出/移走的技术。”生物质能已经成为“双碳”时代的领军者与主力军。

生物质与煤耦合发电在丹麦等欧洲国家已成为替煤减碳的主力。我国煤电的发电量和碳排放量均占全国总量六成，是实现“双碳”目标的主战场。倪维斗院士曾指出：“‘去煤化’现在对中国而言不现实，关闭全部燃煤电厂也是不可能的。中国电力要从‘减煤’向最终‘去煤’的方向发展，火电燃料要用可再生的生物质取代，由部分替代到100%的生物质燃料替代。”

在“治霾”战役中，天然气一度告急，国家能源局等部门一年内连发六文，以“煤改生物质”救场，成型燃料年产量由2009年的50万吨迅速增加至2016年的900万吨。我国“压煤”的难点在于全国年消费量约7亿吨标煤的50多万台中小燃煤锅炉，其最佳替代也要靠生物质压缩成型燃料。

笔者曾对一个农业大县——吉林省梨树县做过典型调查。该县可用于能源的作物秸秆与畜禽粪便资源折标煤109万吨/年，相当于12亿立方米生物天然气，产值60亿元，接近于种植业或养殖业；净利润18亿元，是种植业和养殖业之和，可使农村人均净收入增加3300元。

发展风电和光伏发电的瓶颈是电力消纳与储能，电解水制氢一度呼声颇高，但成本、贮存、运输和安全性等难题不好解决。风电和光伏发电风生水起，消纳与储能还是离不开生物质。“绿色甲醇”2023年上马多个项目，投资1500亿元，估计今年规模会更大。

1998年，美国国家科学院提出：“生物基产品行业最终可以满足美国90%以上的有机化学产品的需求。”2013年，欧盟生物基产品市场已经超过2万亿欧元，为社会提供了2000万个就业岗位。当前，我国每年要花约4000亿美元进口乙烯、丙烯、乙二醇等石化基有机化学品，而这些都是可以逐渐被生物基替代的；导致“白色污染”的石化基塑料的唯一替代品是全生物降解塑料；未来清洁能源可以由核聚变等替代，而庞大的石化基产品唯有生物基产品能够替代。

我国可能源用生物质资源十分丰富，年产出约120亿吨，蕴藏于农田片、灌草片以及林地（三剩物）片。其中农田片面积1.35亿公顷，年产出生物质23亿吨。灌草片面积14.4亿公顷，按自然柠条植被的年生物量产出计算，灌草片的年生物量产出为60亿~70亿吨。林地三剩物的抚育材和杂材等木质废弃物约30亿吨，造纸业的木质废弃物约3亿吨，果木枝条约2亿吨，城市木质废弃物约7亿吨，累计约42亿吨。我国年产出可能源用生物质约120亿吨，这是一座巨量的、宝贵的国家绿色宝藏。

2022年，我国取得两项重大技术突破，将生物质技术由二代推进到三代。一是内蒙古新木集团采用热化学法，在数分钟内将初始生物质转化为性状同于煤而氢含量与热值高于煤的“煤化生物质”。煤化生物质是一个中间体平台，可由此转化为合成天然气，经费托反应合成汽油、柴油、航空煤油、甲醇、烯烃、乙二醇、合成氨和尿素等多种有机化工产品；其合成氢能零碳排放，热值比天然气高一倍，成本远低于煤基天然气制“灰氢”和水电解氢。

传统生物法生产沼气/生物天然气时，作物秸秆和高纤维素/木质素灌草原料的容积产气率低下。中国农业大学参照牛消化仿生学原理，设计了梯度厌氧发酵工艺设备和添加强力纤维素分解菌复合系，将作物秸秆容积产气率提高3倍多。这是第二个重大技术突破，其意义在于可用生物法开发巨量的作物秸秆和高纤维素/木质素灌草，使有机物大规模还田沃土储碳成为可能。

这两项技术突破，有望在“一带一路”沿线国家得到推广应用。“丝绸之路经济带”一半以上国家的化石能源生产-消费差额为负值，累计净负值为10.2亿吨标煤。“21世纪海上丝绸之路”沿线各国是全球净初级生产力的富产区，据欧盟专家估算，东南亚国家每年农林业有机剩余物达6.3亿吨以上。“一带一路”为生物质产业发展提供了广阔天地，生物质可以让“一带一路”“绿”起来。

2021年，国际海事组织和欧盟制定了航运燃料脱碳化目标和征收碳税政策，提出的替代燃料是生物基甲醇和生物天然气。2023年5月，法国达飞与马士基等世界海运巨头在中国农业大学召开“供需方交流会”，会上提出“绿色甲醇有多少，我们要多少”。欧洲是我国外贸重要进出口地，如不改用生物基甲醇，我国每年需缴碳税约40亿欧元。在电力难以替代的能源领域，生物基“绿色甲醇”将成为替代汽油、柴油和航空煤油的完美“零碳燃料”，世界性的狂购热潮已经掀起。

2023年12月13日，近200个国家代表参加的《联合国气候变化框架公约》第二十八次缔约方大会（COP28）通过了最终协议，呼吁各国“减少能源系统对化石燃料的依赖，在这关键的10年加快行动，以便在2050年实现与科学相符的净零排放”“呼吁在2030年前将全球可再生能源产能增加两倍，以及加快研发碳捕捉和碳储存等技术，以协助难以减排的产业实现目标”。

近年发生的这些大事，都将生物质能与生物基产品推向“双碳”时代“减碳”的“主要”与“唯一”，加快研发碳捕捉和碳储存技术，也被载入COP28协议史册。

生物质是自然进化之精华

生物质为何有如此优异的禀赋？因为能持续为地球提供能量的唯有太阳辐射，能将太阳辐射转化为化学态能量的唯有生物质。

38亿年前地球上出现光合作用产物，18亿年前出现可捕获太阳光能的叶绿体，是生命和生物质体将物理态能量转换为化学态能量并代代传承。4亿年前海洋生物登陆、高等植物大繁殖，大量植物残体在厌氧条件下以泥炭形式累积、在高温高压地质作用下脱氧聚能，由碳水化合物转化为碳氢化合物，方有今日之煤炭、石油与天然气。

富能的生物质为人类的生存繁衍和5000年农业文明提供了能量支持（食物）；化石能源为工业文明大厦提供了能量支撑，当代生物质因具有零碳/负碳排放、可再生和产品皆“绿”的环境功能，而成为化石能源替代的主力军和“双碳”时代的主力军。当代生物质还具有振兴乡村、强化农业与走向“一带一路”的强大社会功能。

我们不能只看到生物质的清洁能源功能，而忽视其赋存化学态能量等诸多优异禀赋；不能只看能源功能而不见强大的环境与“三农”功能，使它“混迹”于一般物理态清洁能源。

中国式现代农业

农业的第三次产业革命何以纳入中国式现代农业？因为我国是农业大国和生物质资源大国；因为我国“双碳”压力和提升农业弱势地位与农民收入压力沉重；因为我国有领先的三代生物质技术，能走向“一带一路”沿线的广阔天地。以开发纤维素/木质素组分为中心的农业的第三次产业革命，必将助力中国式现代农业大放异彩。农业的第三次产业革命是世界的，更是中国的。

中国式现代农业将一手继续提高机械化水利化水平和大数据智能化装备水平，继续推进基因工程育种和智能化栽培与养殖，提高粮食生产水平，把饭碗牢牢端在自己手上；一手开辟纤维素/木质素新领域，围绕生态和环保目标，大力开发农田片、灌草片和林地片三大片的生物质宝藏，大力推进以沼气/生物天然气为中心的沃土储碳，大力推进全生物质降解塑料等生物基合成材料的应用，为提前实现“双碳”目标与乡村振兴作出贡献。

中国式现代农业是生产全生物质和具有食物性生产与环保性生产双重功能、用现代科技装备的绿色高效农业；是一二三产融合、城乡一体、国内与国际互促互补的新型农业体系。

对此，笔者有以下建议：

一是农田片以农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工业及城镇有机废水废渣和厨余垃圾等为原料，以生物法和分布式生产沼气/生物天然气以及有机物还田沃土储碳。灌草片种植能源灌草、林区收集三剩物为原料，根据需要以热化学法生产生物基能源与有机化工产品。

二是开发灌草片作为国家能源战略储备基地。比如将1/3的边际性土地种上灌草，即相当于20个长庆油田，随用随转化为舰艇用燃料与航煤，或者民用于供热与发电。此乃国防民生之大计，且可提供大量就业岗位。

三是让我国的第三代生物质技术参与共建“一带一路”，东南亚巨量的橡胶、棕榈等热带植物废弃物可以就地转化为“煤化生物质”，非洲和西伯利亚无边际的泰加林的枝丫材也可以得到很好利用。

生产化学态能量载体生物质的中国式现代农业，一手托起“民以食为天”，一手托起“绿色发展”，重如千钧。

（作者系中国科学院院士、中国工程院院士，中国农业大学教授）