“稻薯豬”生態循環農業的設想

樊自堯，李奎，李家洋，黃三文，3

“稻薯豬”生態循環農業的設想

樊自堯1，李奎1，李家洋2，黃三文1，3

1中國農業科學院（深圳）農業基因組研究所，廣東深圳 518120；2崖州灣國家實驗室，海南三亞 527000；3中國熱帶農業科學院，海口 571101

在雜交馬鈴薯育種技術已獲突破和水稻育種進入分子設計育種階段的背景下，筆者提出“春夏種稻、冬閑種薯、薯糠喂豬、糞尿肥田”的“稻薯豬”新型生態循環種養模式，以期緩解我國飼糧進口壓力，助力破解種養脫節導致的資源浪費、效益不高、環境危害等問題。文中分析了“稻薯豬”模式利用水稻冬閑田種植馬鈴薯并用于動物蛋白生產的可行性，探討了該模式的運行特點和落地形式。按照農業系統工程設計原理，“稻薯豬”全系統可分為大田種植管理、馬鈴薯貯藏、馬鈴薯主飼化和豬飼養、糞尿處理和還田等4個子系統。通過對子系統進行分頭優化、集成和建模，探索在我國南方地區開展因地制宜、規模適中的“稻薯豬”生態循環種養模式的推廣。

水稻；雜交馬鈴薯；豬；冬閑田；生態循環農業；農業系統

0 引言

我國自古有“豬糧安天下”的說法。世界存欄約10億頭生豬，超一半飼養在我國[1]。豬肉消費量占我國肉品總消費量的60%以上，生豬產業能否平穩有序發展，關乎社會穩定和人民生活質量。然而，我國飼料原料自給率低，易受國際環境和全球氣候異常影響，飼糧進口壓力異常嚴峻。2021年開始，我國大豆年進口量已達近1億t規模，玉米年進口量也高達3 000萬t以上。生豬飼養成本屢創新高，對生豬產業造成了嚴重沖擊。另一方面，因集約化養殖與種植脫節，豬排泄物常導致環境污染，而化肥等種植投入品需求不斷增加[2]，化肥過量施用導致的土壤板結、酸化問題日益嚴重。農業生產需要加快實現可持續生態循環農業的轉型升級，對我國主要農產品穩產保供，并發揮“固碳”優勢，助力完成“雙碳”目標[3-4]。

1 “稻薯豬”生態種養模式的提出

馬鈴薯生長喜冷涼，可在南方水稻冬閑田大面積種植，既不與水稻等主要作物爭時爭地，又能增加南方土地和光溫水氣等自然資源利用率[5]。南方很多地區已形成較成熟的冬閑田種植馬鈴薯的生產模式。據測算，南方適宜種植馬鈴薯的冬閑田約667萬hm2（1億畝），涵蓋廣東、廣西、湖南、湖北、江西、福建、云南、貴州、四川和重慶等10省（市、區），理論產量可達1.5億t，相當于4 500萬t的標準玉米（含水量14%）的營養成分，折合節約種植季節土地面積至少447萬hm2，完成額外“固碳”至少1 000萬t。

在我國南方推廣“春夏種稻、冬閑種薯、薯糠喂豬、糞尿肥田”的“稻薯豬”生態循環種養模式，有助緩解“人畜爭糧”、飼糧進口和環保壓力，有望對構建中國特色新型可持續農業系統提供參考。

2 “稻薯豬”模式的可行性

水稻和馬鈴薯的育種技術取得的重要突破為“稻薯豬”模式實施提供了條件。一方面，通過分子設計育種培育出了高產、優質、高抗、高效的水稻新品種，保障了水稻高產穩產[6-7]；此外，水稻脆稈基因等重要性狀挖掘和合理利用[8]，有助于進一步改善秸稈的適口性以及家畜對秸稈纖維素的消化利用率，使水稻秸稈用于飼料原料，減少秸稈處理壓力。另一方面，研究人員相繼突破了馬鈴薯自交不親和與自交衰退的技術瓶頸，獲得了高純合度的二倍體自交系并培育出高產優質雜交品系[9]，馬鈴薯育種周期有望大幅度縮短，利用雜種優勢有助于快速提高產量、品質和適應性，擴大冬閑田馬鈴薯的種植范圍，以培育專門化飼用馬鈴薯新品種。

2.1 馬鈴薯低成本飼料化

馬鈴薯為動物營養和飼料學中經典的塊根塊莖類原料[10]，但受限于馬鈴薯的含水量高（75%—80%）、富含抗性淀粉[11]的問題，與玉米等種子類飼料原料在儲運、加工成本和代謝能值上存在不足[10]，難以適應集約化養豬的固體日糧體系。馬鈴薯除了可在南方冬季種植，不與主糧爭地外，對標玉米在蛋白含量上并不存在劣勢，鮮薯中干物質的蛋白含量約為15%，不低于標準玉米干物質中的蛋白含量（約為12%）；馬鈴薯蛋白是具有均衡的氨基酸組分的優質蛋白，無玉米中賴氨酸缺乏的短板。另外，馬鈴薯有助于提升豬肉品質。相對于種子類原料，馬鈴薯在干物質、淀粉、蛋白質、維生素等營養成分以及種植成本方面，有更大的育種潛力和改良空間。

液態發酵飼喂模式，可規避馬鈴薯主飼化上述存在的問題，能夠利用發酵馬鈴薯，并根據生豬營養需求，混合其他原料制成全價日糧，用于生豬飼喂。主要優勢表現在：預消化抗性淀粉和纖維素，提高消化能值，提高飼料利用率[12]；發酵增加益生菌，減少腸道疾病發生；發酵改善飼料適口性，縮短出欄時間；取消飲水管，大量減少養殖用水和廢水處理；在配方中增加青綠莖稈、水產副產品和農業加工副產品等地域特色原料，降低飼養成本；益生菌競爭抑制腸道和糞污臭氣菌，從源頭降低臭氣產生量；不添加抗生素，對糞污處理過程和還田后微生物菌群無影響；南方濕熱環境利于發酵貯藏，可避免塊莖發芽、綠化[13]和感病腐爛[14]等常見鮮薯貯藏問題。目前，適合不同生產規模的生豬液態飼喂設備日趨發展完善[15]，為鮮薯液態飼喂生豬提供了條件。

2.2 “稻薯豬”模式的落地形式

“就地就近”是“稻薯豬”模式推廣應用的主要考量。規模適度的“稻薯豬”模式使飼料原料實現當地種植、糞肥就地還田，降低了原料、飼料、排泄物和肥料的長距離運輸成本，實現循環農業中物質準確到位和均勻分配。此外，“稻薯豬”模式保留了原有種植和養殖的基本構成，可在深度兼容傳統工藝基礎上再優化，更好地獲得傳統種植和養殖行業的接受，易于實現協同創新。

3 “稻薯豬”生態循環種養模式的系統工程設想

“稻薯豬”生態循環種養模式需要通過農業系統工程設計，在多樣化模式下獲得不同目標的最優解決方案。系統周期可被描述為：每年3月施肥、插秧早稻，6月收獲水稻；7月施肥、插秧晚稻，10月收獲水稻；11月施肥、種植馬鈴薯，次年2月收獲馬鈴薯；大田種植以一年為周期進行循環，不同地區可根據不同自然條件適當調整。經初步核算，66.7 hm2耕地按照兩季稻加一季馬鈴薯生產模式，可生產約720 t大米（按兩季10.8 t·hm-2），生產的米糠（按兩季1.2 t·hm-2）和馬鈴薯（按一季22.5 t·hm-2），在補充蛋白原料和預混料后，可供養殖120 kg標準出欄體重的外三元育肥豬約1 500頭，豬排泄物可產氮肥約4.2 t、磷肥約2.4 t，沼氣約41 000 m3。

全系統模型建立需要克服時間和空間兩個維度的約束。關于時間維度，可拆分為種植農時（時間點）-全年貯藏（時間段）-全年養豬（時間段）-實時積肥（時間段）-定時施肥（時間點）。關于空間維度，可拆分為大田（開放大空間）-儲庫/窖（密閉小空間）-豬舍（密閉小空間）-沼氣裝置（密閉小空間）-大田（開放大空間）。相對于稻魚、稻蝦和稻鴨等低強度直接互作種養一體模式，“稻薯豬”系統是一種基于非接觸的獨立控制種植和養殖子系統的集成，子系統間能夠人為建立精準的控制，完成子系統間物質和能量傳遞，為子系統拆分提供了條件。

3.1 子系統拆分

對全系統合理分割是實現子系統分頭研發和全系統整合的基礎。拆分原則需要符合以下標準：（1）子系統的硬件設備和工藝可不依賴其他子系統而獨立實施。例如，馬鈴薯液態飼料加工設備需要在豬場中建立中央廚房和飼喂管道，因此，飼料加工和生豬飼養兩個環節需要被設置在同一子系統內。（2）子系統間能夠單一交割循環中的關鍵產品。系統中過程產品可分為3類：第一類是收獲的馬鈴薯、發酵后的馬鈴薯、豬的排泄物和糞尿處理后的肥料作為子系統間物質交換的載體，可作為相鄰子系統間的關鍵交割物；第二類是大米和豬肉作為每個系統運行周期脫離系統的核心產出物；第三類是蛋白質飼料原料和化肥等作為每個系統運行周期加入系統的投入品。（3）子系統間運行時間周期能夠統一。如養殖周期與種植周期同步計算，商業豬種正常營養需求情況下6—7個月可出欄，而稻薯生產需要1年。基于上述原則，系統被分割成4個子系統，分別為大田種植管理子系統、馬鈴薯貯藏子系統、馬鈴薯主飼化和豬飼養子系統、糞尿處理和還田子系統。

3.2 子系統間交割物數據的準確采集

為了準確采集子系統運行數據并建立子系統模型，從碳元素和氮元素轉換的角度解析“稻薯豬”系統循環物質轉換的本質（圖1）。系統中的核心產出物可被粗略理解為以碳水化合物為主的大米和以含氮的動物蛋白為主的豬肉。碳元素的轉換維持了整個“稻薯豬”循環系統運轉，同時伴隨氮元素在不同物質載體間轉換，人可按需從系統循環中獲取產品。循環中，稻米生產可被粗略分解成兩部分：一是固碳部分，通過光合作用將空氣中的二氧化碳轉化為大米形式的有機碳；二是氮元素轉化部分，土地中氮元素轉化到富含蛋白的米糠中，米糠蛋白形式的氮元素被加工成飼料在系統中繼續循環。馬鈴薯生產中，土壤氮元素轉換為蛋白和固碳產生的碳水化合物為主要構成的馬鈴薯，被加工成飼料繼續循環。飼料中蛋白原料的添加是循環氮元素攝取的主要入口之一。豬攝取飼料后，營養物質的一部分被吸收，而未被吸收部分的氮元素和部分有機碳轉變為糞便。消化后吸收的氮，則主要轉變為豬肉蛋白質和代謝產生的尿素。糞尿收集發酵后，厭氧產生沼氣被收集利用，含碳和氮的沼液和沼渣被還田。

圖1 “稻薯豬”循環系統

3.3 子系統需求

大田種植管理子系統屬于生產型子系統。以時間周期（一年）產生的豬糞尿等所有非游離氮含量為原料，滿足水稻、馬鈴薯正常生長的營養需求。大米為系統核心產出物脫離循環，只有馬鈴薯和米糠繼續進行循環。

馬鈴薯貯藏子系統是過渡型子系統。馬鈴薯貯藏子系統是將獲得的馬鈴薯營養成分為原料，完成發酵貯藏后所有碳水化合物、蛋白質等營養成分為產品；馬鈴薯發酵后的營養成分和與飼料配方能夠對接。

馬鈴薯主飼化和豬飼養子系統屬于生產型子系統。以馬鈴薯完成貯藏后馬鈴薯和米糠中所有碳水化合物和蛋白質等營養成分為原料，以對應時間周期（一年）產生的豬糞尿中所含的非游離氮為產品。為了實現與種植周期同步，通過累積1.5—2個批次的肉豬育肥周期，使豬飼養子系統的生產周期調整為一年時間。飼養過程中盡量消耗掉所有系統生產的馬鈴薯和米糠，并選擇性加入當地低成本的特色原料。

糞尿處理和還田子系統屬于過渡型子系統。豬糞尿密閉厭氧發酵產生沼氣，可直接燃燒或發電。發酵裝置排出的料液和沉渣中的較豐富的營養物質，作為優質肥料還田。

最終，采集多種實施條件和規模下“稻薯豬”中的各子系統數據，用于系統模型方程的建立，再通過相鄰子系統間的單一交割物，串聯成為整個“稻薯豬”系統，并以此衍生出經濟投入和產出以及固碳和溫室氣體排放等數據指標，用于實時評估和預測“稻薯豬”模式的實施。

4 “稻薯豬”系統的展望

“稻薯豬”系統工程因涉及種養循環多個生產場景，易受病害、市場和氣象環境的互作，結果精準預測有一定難度。“稻薯豬”系統工程與現代智慧農業可無縫鏈接，如大田種植管理子系統可以進一步整合進入智慧田間管理、氣象監測和農時提醒服務、氣象災害預警、病蟲害預警、化肥價格監測和糧價監測等系統；馬鈴薯主飼化和豬飼養子系統可兼容智慧養豬、豬肉市場監測和飼料市場監測等系統，實現資源最大化利用，并降低務農和養殖成本及風險。此外，馬鈴薯液態發酵飼喂體系兼容低蛋白日糧技術[16]，充分利用現代生物技術研發稻種、薯種、豬種和菌種，推動在保證口糧安全的前提下提高飼料糧自給率，助力構建有中國特色新型可持續農業系統。

[1] FAO. Crops and livestock products. 2022.https://www.fao.org/faostat/zh/#data/QCL.

[2] 劉紅南, 印遇龍. 以種養結合模式推進養殖氨減排的治理. 中國科學院院刊, 2021, 36(1): 93-96.

LIU H N, YIN Y L. Establish integrated crop-livestock production to promote ammonia reduction in livestock industry. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2021, 36(1): 93-96. (in Chinese)

[3] FANG J Y, YU G R, LIU L L, HU S J, CHAPIN F S. Climate change, human impacts, and carbon sequestration in China. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2018, 115(16): 4015-4020.

[4] WANG R, BAI Z H, CHANG J F, LI Q S, HRISTOV A N, SMITH P, YIN Y L, TAN Z L, WANG M. China’s low-emission pathways toward climate-neutral livestock production for animal-derived foods. The Innovation, 2022, 3(2): 100220.

[5] STOKSTAD E. The new potato. Science, 2019, 363(6427): 574-577.

[6] JIAO Y Q, WANG Y H, XUE D W, WANG J, YAN M X, LIU G F, DONG G J, ZENG D L, LU Z F, ZHU X D, QIAN Q, LI J Y. Regulation of OsSPL14 by OsmiR156 defines ideal plant architecture in rice. Nature Genetics, 2010, 42(6): 541-544.

[7] QIAN Q, GUO L B, SMITH S M, LI J Y. Breeding high-yield superior quality hybrid super rice by rational design. National Science Review, 2016, 3(3): 283-294.

[8] LI Y H, QIAN Q, ZHOU Y H, YAN M X, SUN L, ZHANG M, FU Z M, WANG Y H, HAN B, PANG X M, CHEN M S, LI J Y. BRITTLE CULM1, which encodes a COBRA-like protein, affects the mechanical properties of rice plants. The Plant Cell, 2003, 15(9): 2020-2031.

[9] ZHANG C Z, YANG Z M, TANG D, ZHU Y H, WANG P, LI D W, ZHU G T, XIONG X Y, SHANG Y, LI C H, HUANG S W. Genome design of hybrid potato. Cell, 2021, 184(15): 3873-3883.

[10] WHITTEMORE C T, TAYLOR A G, MOFFAT I W, SCOTT A. Nutritive value of raw potato for pigs. Journal of the Science of Food and Agriculture, 1975, 26(3): 255-260.

[11] NAZARIAN-FIROUZABADI F, VISSER R G F. Potato starch synthases: functions and relationships. Biochemistry and Biophysics Reports, 2017, 10: 7-16.

[12] HENNESSY R C, J?RGENSEN N O G, SCAVENIUS C, ENGHILD J J, GREVE-POULSEN M, S?RENSEN O B, STOUGAARD P. A screening method for the isolation of bacteria capable of degrading toxic steroidal glycoalkaloids present in potato. Frontiers in Microbiology, 2018, 9: 2648.

[13] TANIOS S, EYLES A, CORKREY R, TEGG R S, THANGAVEL T, WILSON C R. Quantifying risk factors associated with light-induced potato tuber greening in retail stores. PLoS One, 2020, 15(9): e0235522.

[14] DOAN C H, DAVIDSON P M. Microbiology of potatoes and potato products: a review. Journal of Food Protection, 2000, 63(5): 668-683.

[15] O’ MEARA F M, GARDINER G E, O’ DOHERTY J V, CLARKE D, CUMMINS W, LAWLOR P G. Effect of wet/dry, fresh liquid, fermented whole diet liquid, and fermented cereal liquid feeding on feed microbial quality and growth in grow-finisher pigs. Journal of Animal Science, 2020, 98(6): skaa166.

[16] WANG Y M, ZHOU J Y, WANG G, CAI S, ZENG X F, QIAO S Y. Advances in low-protein diets for swine. Journal of Animal Science and Biotechnology, 2018, 9: 60.

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

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.20.011

2023-06-26；

2023-08-30

廣東省基礎與應用基礎研究重大項目2021B0301030004

通信作者樊自堯，E-mail：fanziyao@caas.cn。通信作者李奎，E-mail：likui@caas.cn。通信作者李家洋，E-mail：jyli@genetics.ac.cn。通信作者黃三文，E-mail：huangsanwen@caas.cn

（責任編輯 李云霞）