构建新兴产业“环链”结构 “黑色农业”助力生态循环

刘玉升

（山东农业大学植物保护学院/新农村发展研究院，山东 泰安 271018）

我国农业正在由传统农业进入农业4.0模式，这也是农业长期发展、机械化程度达到一定水平、智能化与无人机技术逐步应用的必然趋势。中国是世界上农业最早兴起的国家，千百年来形成了一条虽然生产效率较低但十分完整的传统农业产业链；由于传统农业生产水平长期远低于当时社会的综合利用需求水平，在农业产业化、规模化、专业化发展之前，物资处于贫乏状态，任何物质都被视为资源，根本不会造成资源浪费，因而也就不存在环境污染。例如，农作物秸秆要在粮食收获后被随即保存起来作为牲畜饲料、薪柴、房屋建设、生活工具（如编织菜篮子）等原料；畜牧业发展产生的畜禽粪便与秸秆、杂草、落叶等混杂物堆腐积肥，以“绿肥”或“沤肥”的形式又重返农田，形成“种养转”三结合的完善循环模式；因此，中国传统的农业产业链是自古以来形成的最科学的循环生产方式，对当下发展现代生态循环农业具有十分重要的启示。

20世纪80年代以来，中国只用40年的时间基本完成了发达国家300多年的工业化和城市化发展进程，取得了举世瞩目的经济增长成就；但是，在大约30年内就“集聚”和“爆发”了发达国家100多年出现的环境问题。有机废弃物的产生是导致农业环境污染的重要原因之一，在农业生产过程中，有机废弃物的形成并不可怕，可怕的是无人监管及没有适用技术。农业废弃物循环利用的关键在于探索和创新“腐屑”资源的理论与技术。有机废弃物的产生既是“工业化”农业大量生产、造成“产能过剩”的必然结果，也是目前没有针对有机废弃物资源化适用技术的必然结局；积极探索开拓性的新理论、新技术已成为当务之急；因此，“黑色农业”应运而生。“黑色农业”是继绿色农业、蓝色农业、白色农业后在生态循环农业领域兴起的一个新概念，“黑色农业”可实现生物质资源全物质循环利用，其可持续发展的生态循环技术体系将助力形成农业生态系统高效生产的循环经济闭合环，值得大力推广。

黑色农业是什么

黑色农业破茧而出

“黑色农业”一词伴随着有机废弃物资源化的推进力度及其在污染防治攻坚战中显示的作用越来越大而逐渐为人们所熟知，“黑色农业”概念形成是一个逐步完善的过程。

◎“黑色农业”概念的萌芽时期

“黑色农业”萌芽时期主要是以环境昆虫为主要技术依托，探索其对有机废弃物的转化处理效果，并组织鉴定了一系列的科技成果。一是通过黄粉虫生产转化处理蔬菜尾菜废弃物，分别在山东省和甘肃省进行了验证和示范推广，例如1999年11月通过山东省农业厅鉴定的“黄粉虫新品种选育、繁育、工厂化生产及产业化开发”项目、2003年8月28日通过鉴定的农业部丰收计划项目“黄粉虫工厂化生产技术的示范应用”及甘肃省的“利用黄粉虫规模化处理尾菜技术”项目等。二是针对玉米秸秆资源化，建立了农业有机废弃物资源化的虫菌复合技术，例如“农业有机废弃物资源化利用的虫菌复合技术示范研究”项目。三是在对废弃秸秆、菌糠等转化处理技术研究中，构建了生物系统技术，例如天津的“废弃秸秆处理及资源化生物系统技术引进与示范”项目、山东的“农村生活垃圾转化处理的生物系统工程技术研究与开发”项目等。四是利用黄粉虫转化处理有机蔬菜田间及加工厂废弃物，丰富和完善了有机蔬菜生产技术，例如山东的“万亩有机蔬菜生产技术研究与开发”项目等。以上有关成果，虽然在技术研究及示范区域获得了成功，但是并未引起较大的社会效应。

中国网络电视台和中央电视台分别于2011年5月30日[1]和10月25日[2]报道利用腐食昆虫黄粉虫处理生活垃圾，并形成了一条黄粉虫深加工的循环产业链。2015年7月29日，《大众日报》再次报道了黄粉虫具有吃进垃圾、产出财富的神奇功能[3]。这些科技成果和媒体报道为“黑色农业”奠定了发展基础。

◎“黑色农业”概念的雏形时期

“黑色农业”是与微生物转化处理有机废弃物的“白色农业”相对应的概念，并且与绿色农业、蓝色农业一起共同构成了“四色农业”结构。“黑色农业”概念最早明确提出于2016年3月2日新华网的新华微视评节目《带“色儿”的农业》[4]；2016年10月12日，《中国科学报》中《黑色农业，使厨余垃圾变废为宝》[5]一文中提出“黑色农业是有机废弃物资源的全物质循环利用”，并介绍了在山东省莒南县磐龙湖农业生态园的实践情况；但是，在“黑色农业”概念提出的初期，其内涵尚不明确和完善。

◎“黑色农业”概念的确定

“黑色农业”概念与“白色农业”及“三色农业”概念密切相关（表1），包建中于1999年提出了“白色农业”概念，将“绿色农业”“蓝色农业”和“白色农业”并称为“三色农业”[6]。笔者最初于2000年提出“构建腐屑生态系统、开辟农业生产新战场”[7]；2018年4月，笔者首次明确“黑色农业”概念为“黑色农业是对应于绿色农业、蓝色农业、白色农业而建立的一个概念，其内涵是：以有机废弃物资源为物质基础，以昆虫生产学技术、虫菌复合技术和生物系统技术为核心技术支撑，以昆虫资源产品、产业链为目标的新兴农业产业领域”。

由此，将“三色农业”完善为“四色农业”。“四色农业”可以概括为：绿色农业，即以土地、水资源为基础，开发植物、动物资源，形成的传统种植业、养殖业。蓝色农业，即由陆地向水域空间拓展，开发海洋及淡水域生物资源的产业。白色农业，即以有机废弃物为资源基础，利用微生物学技术，开发微生物产品的产业领域。黑色农业，即以有机废弃物为资源基础，利用昆虫学技术，开发昆虫产品的产业领域（表1）。

“黑色农业”提出的意义

◎理论意义

“黑色农业”的发展和完善，对于丰富现代生态循环农业的理论体系具有重要意义[8-14]。在自然界中，存在生物小循环和地质大循环的循环原则，并存着生食食物链和腐屑食物链两条食物链（图1）以及植物、动物、微生物三大生物资源。

其中，“黑色农业”就是基于“腐屑食物链”的产业化而形成的新兴农业领域。时至今日农业面临的困境，包括经济效益低下、生态严重破坏、环境污染泛滥，其根本原因在于历经一万年的传统农耕史中，仅仅围绕单一的“生食食物链”进行开发了传统蛋白质的获得途径，而没有对两条食物链进行对等开发。“黑色农业”的发展可以为现代生态循环农业实现“双链互动、跨链循环”、构建“双六产”和产业“环链”结构（图1）提供科学依据。

◎生态意义

“黑色农业”发展极大地开拓了现代生态循环农业发展的思路。物质在自然界的生生不已和循环不息，是大自然永续发展的基础。由植物、动物、微生物和环境容纳量所进行的生产—加工—分解—转化过程，是生态系统的基本代谢功能，也是生态学基本规律之一。正由于自然界具有这种性能，人类才有可能根据生态规律，合理利用再生资源，做到取之不尽、用之不竭。

在大多数陆地生态系统和淡水生态系统中，生物量的大部分不是被取食，而是死亡后被环境微生物和环境昆虫所分解；因此，能流以通过腐屑食物链运行为主。腐屑食物链可能有3个去向，也就是微生物、环境昆虫或大型食碎屑动物，这些生物类群对能量的最终消散所起的作用已经引起了生态学家的重视。“黑色农业”的发展和完善，有助于深入、全面地了解和掌握环境昆虫的生态转化功能和产业价值，扩展了对于生态系统分解转化角色的认识。在21世纪之前，对于自然界中生物生产—消费—分解转化者的角色理解，使人们更多、更深刻地理解了微生物的分解转化功能，而对于环境昆虫的分解转化功能严重忽略，微生物在自然界中的分解转化功能得到充分的关注，微生物科技得到快速发展；昆虫学研究则偏重于有害种类的防控，对环境昆虫的分解转化功能没有得到应有的重视。推进黑色农业，强化环境昆虫对有机废弃物的转化处理功能，可以助推生态系统中物质流和能量流强度更庞大、更顺畅的流转。

◎生产实践意义

“黑色农业”的发展和完善，已经在现代生态循环农业、人居环境整治等领域中得到了验证、应用和拓展。

“黑色农业”在生活垃圾分类、人居环境治理领域中的应用。城乡生活垃圾治理的难点在于“混合”状态和“湿垃圾”治理。对“混合”状态的垃圾，可以通过推进垃圾分类予以逐步解决，而环境昆虫对于水分的吸收、代谢和排泄具有与脊椎动物完全不同的途径和机制，因此“湿垃圾”中的水分可以被充分吸收而排泄出干燥的虫砂颗粒。

黑色农业产物——昆虫源蛋白，可以在无抗饲料开发领域中得到广泛应用。在无抗饲料开发领域中，昆虫蛋白粉是无脊椎动物源，与脊椎动物源蛋白存在异源性，同时昆虫源蛋白粉中还含有甲壳素、抗菌肽、溶菌酶等一列抗菌物质，可以和中草药、药用植物一起作为无抗饲料的原料。

黑色农业另一产物——虫砂，可以用于研制人工土壤，将在土壤改良领域做出巨大贡献。虫砂本身就是生物产品，而且具有干燥性强、颗粒性均匀的特点，可以直接作为生物有机肥使用或经微生物发酵、与植物源物质混合制作成人工土壤。

黑色农业做什么？

黑色农业技术体系介绍

黑色农业技术体系可以分为3个层次：一是环境昆虫单一种类的研究与利用；二是微生物与环境昆虫的结合利用，即虫菌复合技术；三是以环境昆虫为主体的多种环境生物的组合技术，即环境生物系统技术。

在环境昆虫单一种类研究与利用领域，黄粉虫是研究最成熟和产业化程度最高的种类，主要用于蔬菜尾菜废弃物、餐厨废弃物和生活垃圾湿垃圾的转化处理[15-17]；东亚飞蝗对于禾本科杂草具有极大的转化处理能力，也是由“大害”变“大利”的典型案例[18]。其他研究较为充分的种类还有白星花金龟、黑水虻、中华真地鳖、美洲大蠊。麻蝇和羽芒宽盾食蚜蝇是近3年才逐渐研发的种类，麻蝇具有取食腐肉物质的特点，可以转化处理餐厨废弃物和病死动物尸体；羽芒宽盾食蚜蝇的幼虫为腐食性，成虫具有访花行为，因而具有环境昆虫和授粉昆虫的双重功能，具有极大的开发潜力；昆虫种类多、分布广、食性杂，对于单一种类的发掘还需投入更多的精力。随着环境昆虫研究种类的不断增多、研究内容的不断深入和应用领域的不断拓展，昆虫生产学也逐步得到完善和成熟[19]。

在虫菌复合技术领域，对于环境微生物的研究与利用已经做了大量的工作，可以将有机废弃物转化为有机肥、单细胞蛋白以及制备沼气；但是，对于同样具有“大自然清道夫”之称的环境昆虫研究及利用极少。今后的研究方向是如何将微生物对有机废弃物的分解作用作为环境昆虫利用的预处理技术，并极大地提高综合转化处理效率。

昆虫环境生物系统技术研究尚处于初期阶段。在自然界中，任何一种生态功能的行使，都不是单一物种所能完成的。无脊椎昆虫可以和微生物、藻类、植物和脊椎动物等整合成生物系统，发挥更大的生态环境效益与产业经济效益。

环境昆虫可以取食消化反刍动物所不能消化代谢的老化、腐败秸秆以及各类有机废弃物。对于脊椎动物不能取食利用、植物不能直接吸收利用的有机物料，可以通过无脊椎动物的转化、微生物的分解予以解决。微生物的转化作用，对前端有机物料具有分解作用，但其后端的产物产品产业化尚需完善。蚯蚓的终端产物产品产业化初具形态，前景广阔，但其前端对于有机物料的破碎能力差，造成转化效率低，生产能力差，生物量小；因此可见，蚯蚓往前不可迈进，微生物往后不可跨越。而环境昆虫，自身能力强大，可充分利用水分，在前端可以破碎有机物料，为微生物分解创造有利条件；在后端可为蚯蚓提供有机物料碎屑和虫砂。

黑色农业技术体系研究现状

“黑色农业”技术体系研究，目前正处于单项技术成熟并逐渐融合系统化的发展初期。

◎国外相关技术研究现状

纵观全球，国际上总体对于环境昆虫的重视程度不高。从环境昆虫种类来看，黑水虻研究的国际化程度最高，黄粉虫其次，其他种类几乎没有涉及。

美国佐治亚大学谢泼德教授[20]领导的研究小组于1994年在墨西哥成功开发了世界上第1个水虻粪肥管理系统，用于处理集约化经营的鸡场产生的大量粪便。1997年，美国环保工程技术公司的奥利弗博士[21]首次将黑水虻技术应用于城市生活垃圾的处理，经过长期探索和研究，发明了一种适用于家庭的黑水虻有机垃圾生物转化器[21]。美国德克萨斯农工大学昆虫学系研究人员在黑水虻的人工养殖技术、处理后粪便的肥料价值和昆虫蛋白的饲料价值等研究方面取得了重要的成果[22]。澳大利亚墨尔本的卡尔玛3（Karma3）生物科技公司建立了黑水虻培育转化处理有机废弃物系统，其主要特点是利用计算机软件实现全自动控制，不断优化饲养环境条件、饲料配方，提高生产效率[22]。南非的AgriProtein基地是一家利用黑水虻生产饲料的公司，是全球市值最高的黑水虻养殖公司，已在欧洲，南、北美洲以及亚洲地区扩大投资生产，产品能够满足动物饲料产业对天然和低成本的鱼粉替代物不断增长的需求，可广泛应用于家禽和鱼类养殖行业[23]。西班牙阿利坎特大学桑托斯·罗霍教授[24]所在的研究小组利用黑水虻幼虫，以可持续的方式处理动物粪尿。

◎国内相关技术研究现状

在世界上出现“畜禽公害”，特别是我国发起“环保风暴”以后，“黑色农业”发展的潜力在我国得到重视和挖掘，在各类有机废弃物转化处理及资源化方面的作用也日渐引起政府、科技界和社会的广泛关注。

在“黑色农业”技术体系的3个层次中，我国在一、二层次的技术已经完全成熟，目前正在推进第三层次技术的研发与应用，特别在有机废污水净化和资源化领域最为突出。在生活垃圾分类领域，环境昆虫可以“过腹转化”“湿垃圾”，成熟技术已有黄粉虫、中华真地鳖、美洲大蠊的应用；在作物秸秆资源化利用领域，环境昆虫技术可促进“三高（高速、高效、高值）”转化，其中最成熟的技术就是白星花金龟和东亚飞蝗的应用；在畜禽粪污治理领域，固废处理技术有黑水虻和白星花金龟应用，液废则需要环境生物系统技术。

如何打造“黑色农业”产业链？

“黑色农业”产业链就是以有机废弃物资源为物质基础，采用昆虫学技术，形成昆虫产品并构建的新兴产业链。

打造黑色农业产业链的基本过程为：首先对区域性有机废弃物资源进行调研，确定需求。第二，“黑色农业”以纯净的有机废弃物为资源基础，对生活垃圾进行三元二级分类[12]，获取纯净的“湿垃圾”；对有机废弃物资源进行分类、组织分离，如玉米秸秆可以分为叶片、上部茎秆、下部茎秆、根茬4个部分，采取针对性技术进行预处理；畜禽粪污进行固液分离，分别对固体废弃物和有机废污水采取对应技术措施。第三，选择与有机废弃物资源对应的环境昆虫种类，建立昆虫生产学技术系统；建立环境昆虫与微生物结合的虫菌复合技术系统，发挥微生物预处理作用；构建以环境昆虫为主体的环境生物系统，充分利用昆虫、微生物、藻类、植物等的综合生态转化力。第四，构建昆虫资源现代产业体系。环境昆虫“过腹转化”有机废弃物资源，已经形成了一些模式，如黄粉虫、白星花金龟—瓜果蔬菜类废弃物[12]，黑水虻、白星花金龟—畜禽粪污，羽芒宽盾食蚜蝇、白星花金龟—作物秸秆，东亚飞蝗、白星花金龟—单子叶杂草，美洲大蠊、白星花金龟—餐厨废弃物[13]等。目前产业规模最大的种类为黄粉虫、白星花金龟和黑水虻。

黑色农业发展中存在的问题

技术研发力度有待扩大

“黑色农业”作为一个冉冉升起的新兴农业产业领域，发展时期短，基础积累薄弱，科技力量投入少，很多横向范围和纵深领域均存在空白。例如，昆虫种类愈百万种，以20%的腐食性种类计，即有20余万种之多，但是目前研究的种类仅有30余种，其种质资源、生物学、生态学、生产学的研究任务十分艰巨；虫菌复合技术和生物系统技术尚处于初级研究阶段；昆虫资源产品开发仅限于虫体和虫砂，今后应将对虫体蛋白、脂肪以及其他功能成份进行深度开发，形成系列化产品，并推进在不同领域中的应用。

政策覆盖社会关注度较低

虽然政府十分强调科技创新的重要性，但是将环境昆虫作为创新技术应用于生活垃圾处理方面还是没有提到和垃圾焚烧、填埋、堆肥同等重要的层面。长期以来，由于对粮食的重大社会需求，科技界对昆虫学的研究偏于害虫的防控领域，对于环境昆虫、授粉昆虫在生态环境治理领域的贡献没有全面、深透的认识。昆虫研究被普遍认为是雕虫小技，没有什么大作为，不及对传统畜牧养殖对象的认知度高。

展望

农业资源环境是农业生产的物质基础，也是农产品质量安全的源头保障。随着人口增长、膳食结构升级和城镇化的不断推进，我国农产品需求呈持续刚性增长，对保护农业资源环境提出了更高要求。目前，我国农业资源环境遭受着外源性污染和内源性污染的双重压力，已成为制约农业健康发展的瓶颈。一方面，工业和城市污染向农业农村转移排放，农产品产地环境质量安全令人堪忧；另一方面，化肥、农药等农业投入品过量使用，畜禽粪便、农作物秸秆和农田残膜等农业废弃物不合理处置，导致农业面源污染日益严重，加剧了土壤和水体污染风险。打好农业面源污染防治攻坚战，确保农产品产地环境安全，是实现我国粮食安全和农产品质量安全的现实需要，是促进农业资源永续利用、改善农业生态环境、实现农业可持续发展的内在要求；同时，农业是高度依赖资源条件、直接影响自然环境的产业，加强农业面源污染防治，可以充分发挥农业生态服务功能，把农业建设成为美丽中国的“生态屏障”，为加快推进生态文明建设做出更大贡献[25-31]。

“黑色农业”针对有机废弃物资源，应用昆虫学技术，产出昆虫蛋白、虫砂及其他新资源，实现了生物质资源全物质循环利用，是一项战略性新兴产业，是知识技术密集、物质资源消耗少、成长潜力大、综合效益好的产业，未来应以重大技术突破和重大发展需求为基础全面拓展，将对经济社会全局和长远发展具有重大引领带动作用。“黑色农业”的发展，与突破我国农业现阶段发展瓶颈具有密切的关系。