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生态农业循环系统的江口模式

已有 10558 次阅读 2010-10-16 09:52 |个人分类:江口模式|系统分类:论文交流| 有机农业, 生态循环, 生态工程, 江口模式

生态农业循环系统的江口模式

曹志强

 

 

摘要

         为了推动中国农业的发展,本文提出了一个可以推广的,可以实现生态农业循环系统的结构模式,这个模式可以加快实现微生物农业在中国的普及,可以推动有机农业的迅速发展。

 

前言

       在中国,生物产业发展的重点首先是生物农业。生物农业的发展重点在微生物农业。微生物农业的大规模实现需要依靠大量的生态工程系统。实施这类生态工程系统需要有正确的结构模式。

 

       在对农产品加工企业长期研究的基础上,为了探索能够推动中国农业发展的生态工程系统的结构模式,2008716日,作者和他的同事们在山东德州经济开发区政府的帮助下,在德州巨嘴鸟工贸有限公司的支持下设立了山东江口生物科技有限公司,在德州开发区建设了一个小麦面粉的深加工厂,目的是以它作为一个实例,实现一个完整的、有推广价值的生态农业循环系统实例。20109月江口公司的谷朊粉工厂试生产成功,它的微生物工程系统正在陆续启动,微生物产品已经开始送往养殖业和农业试用,一个具体的生态农业循环系统实例诞生了。这个系统的结构就是本文将要介绍的“江口模式”。

 

系统结构的图示方法

     为了让大家容易理解并正确使用系统科学的研究方法,先介绍一下系统结构的图示方法。

       系统科学的研究对象是系统,在它来看,一个工厂就可以看作是一个系统,所有送进这个工厂的东西都叫做这个系统的输入,工厂里出来的所有东西都叫做这个系统的输出。系统科学的书上常常用图示的方法来表示一个系统,例如下面的图一:

 

 

    图一、系统的图示方法

 

在这里,需要强调一下,为了不造成混淆,在画图的时候只允许把系统画成一个方框,任何输入和输出都不要采用方框来表示。方框里可以写上系统的名字。一个系统可以有多个输入和多个输出,输入和输出都是有方向的,采用箭头来表示它从哪里来和到哪里去,可以在箭头的边上写上这个输入或输出的名字,以资区分。一个系统的输出往往是另一个系统的输入,因此,可以通过输入和输出把多个系统连接在一起,它们在一起共同构成了一个规模更大的系统。

 

       在山东江口公司的这个例子中,农产品深加工系统是一个对面粉进一步深加工的工厂。它把谷朊粉和淀粉从面粉中分离出来。谷朊粉,俗称面筋粉,是小麦特有的一种植物蛋白,主要用途是添加到面粉中,生产出质量高和口感好的面包。把谷朊粉分离出来的同时,小麦中的淀粉也被分离出来了,可以有广泛的用途。除了谷朊粉和小麦淀粉以外,剩下的副产品一般都作为饲料的原料,供给饲料生产企业。生产过程中有许多废水产生,全世界的谷朊粉厂家对于污水都是把废水处理达到允许排放的标准。图二表示的就是传统的谷朊粉生产厂的系统结构,其中虚线部分是通常的谷朊粉厂。


                                                                      

 

图二、通常的谷朊粉生产厂的系统结构 

 

江口模式(一):改变传统农产品加工厂的系统结构

       我们在设计山东江口生物科技有限公司谷朊粉厂的系统结构时,没有采用图二所示的结构,而是改变传统的谷朊粉工厂的系统结构,把它设计成为图三所示的结构。图三中虚线围成的框框就是山东江口生物科技有限公司的谷朊粉厂系统。如果实现了这个结构,系统就没有废水输出,江口工厂就可能成为世界上第一个没有废水排放的谷朊粉厂。从图中可以看到,同普通的谷朊粉厂一样,江口系统内部是有废水出现的,但这些废水在系统内获得了加工,发生了变化。更具体地説,江口谷朊粉厂的第一个子系统输出的废水成为第二个子系统(微生物工程系统)的输入,通过微生物工程系统,把废水和其他副产品一起加工成为一种或多种微生物产品,例如:微生物菌剂、微生物肥料和微生物饲料。

      

  

 


 

图三、江口公司的谷朊粉工厂系统结构 

 

       任何一个农产品加工企业,为了实现图三所示的系统结构,有两点必须特别注意:

(一)对于废水和副产品,不是采取把废水处理干净达到排放要求这样的思路,而是,把废水和副产品看作为资源,当作为原料,认真研究它的营养成分、含量和品质特点,让它成为原料或原料的一部分用于生产微生物饲料,微生物肥料和微生物菌剂。

(二)必须精心选择菌种,精心选择相应的微生物工程工艺和设备,只有正确地做好这个选择,才能把低成本的废水和副产品加工成为具有很高价值的微生物饲料和微生物肥料。

 

       图三中的微生物工程系统所需要的菌种和图二中污水处理所需要的菌种是完全不同的。正因为这些实质性区别,系统最后的输出也是完全不同的。在山东江口工厂这个例子中,采用的是日本ETS研究所通过ETS(天津)生物科技发展有限公司提供的菌种。在设计和建设山东江口生物科技有限公司谷朊粉工厂的微生物工程系统的过程中,日本ETS研究所和他们在天津的公司为江口项目进行了大量的研究工作,仔细地研究生产过程中每一种工艺水的成分、性质和数量,根据这些数据分析选择了合适的菌种,提供了恰当的微生物工艺。我们选择ETS的菌种是基于国家有关部门对它已经审定和批准,对于采用ETS菌种生产出来的微生物菌剂和肥料的使用情况,进行了近二年的跟踪调查。了解到它们对土壤改良、治理重茬、提高农作物的产量、改善农产品的质量和口感、提高秸秆还田的速度和肥效、减少化肥用量、减少农药用量和治理盐碱地等许多方面都有非常显著的效果。

 

       江口模式不是仅仅为谷朊粉厂设计的,它是针对所有的农产品深加工系统的,应用范围很广。不同的农产品深加工系统涉及到的物料性质千差万别,可能会需要不同的微生物,随着越来越多的人理解了江口模式的实质,了解了应用江口模式的意义,会有许多微生物学家和生物工程技术人员加入到这个领域里来,会针对不同的对象提出丰富多彩的优秀菌种、更多的微生物工程新工艺、更多的先进设备,让它们在各种各样的农产品加工系统中获得应用,创造出丰富多彩的新模式和新案例。

 

江口模式(二):构造一个完整的生态农业循环系统

       当谷朊粉厂有了图三所示的结构,就可以构造一个完整的循环系统了。为了构成一个完整的循环,不妨把小麦磨成面粉的系统放进虚线包含的框图中和谷朊粉系统放在一起,共同组成下面图四中的“江口小麦加工系统”;这时候,只要能够把谷朊粉厂输出的微生物产品应用到养殖业和种植业中去,就形成了图四所示的结构,它展示了一个清清楚楚的生态农业循环系统。

 

 

 

 

图四、山东江口的谷朊粉厂和它所在的生态农业循环系统 

 

       在图五这个实例中涉及到的微生物产品一共有五个,其中四个组成了具有ETS和江口特色“肥料套餐”:液体菌剂A(黑液),液体菌剂B(白液),固体有机菌肥,秸秆腐熟剂。液体菌剂AETS(天津)生产的,液体菌剂B由江口生产的,这两个菌剂必须一起使用,农民很喜欢菌剂AB,根据菌剂的颜色,农民给它们起了容易称呼的名字,叫做“黑白液”,这两种菌剂对于促进植物根的发育和抑制土传病虫害效果非常好,使用后植物苗壮、根长、茎壮、叶绿、果实丰满口感好。黑白液配合一定数量的固体有机菌肥,在农作物增产和质量提高方面展示了非常显著的效果。和这三种产品同时使用的秸秆腐熟剂的用途是帮助农田中的粪肥和秸秆转化成优质有机肥,可以降低肥料成本,提高产量。以这四件肥料产品配成的“肥料套餐”,既方便农民使用,又提高了整体的肥效。这些套餐中的固体有机菌肥不是江口公司自己生产的,是江口公司把微生物饲料提供给饲养场的同时,也把粪肥腐熟剂带给了饲养场,ETS菌为菌种的腐熟剂非常适合把畜禽粪便加工成为优质有机肥,它可以很快地进行除臭和腐熟。通过这个结构,一个农产品加工厂就可以成为一个生态工程系统的重要组成部分,可以和养殖业种植业一起共同实现生态循环。

 

图四介绍的是一个实际例子。实际上,我们可以把这个例子推广到许多农产品加工系统,实现图五所示的结构,这个结构模式就叫做江口模式。它是生态工程系统的一种结构模式,它可以帮助许多农产品加工系统成为实现生态农业循环的动力。

     图五中的农产品加工系统的左边和右边各有一个微生物工程系统,它们是功能是不同的,左边的微生物工程系统是为了处理农产品原料、水和其他辅助原材料,右边的系统是为了处理农产品深加工系统的输出。不是所有的系统都需要左右两个微生物工程系统,应该根据实际需要来决定。

                                                                                  

 

  

图五、江口模式:(含农产品加工系统的)生态农业循环系统的一种结构模式

 

       江口模式的基本的思路和理念:

       一个正确的农产品加工系统必须承担两个功能:一、为消费者提供优质的食品、食品原料或其他主副产品;二、把生产中的废弃物和废水,利用微生物工程转化成为对种植业和养殖业有益的微生物,以微生物饲料、微生物菌剂和微生物肥料等形式输出,最终回到农田,构成一个良性循环的生态工程系统(生态农业循环系统)。

       大规模地推广和实现江口模式,将会给中国农业带来深刻的变化。

 

江口模式的应用范围

       (一) 江口模式是从小麦面粉深加工企业这个具体例子开始的,人们很自然可以联想到玉米、大豆等其他农产品深加工企业。也就是说,它们中有很多系统可以和江口一样发展成一个生态农业循环系统,它们都可能采用图五所示的系统结构,成为生态农业循环系统的一个组成部分。

全世界每天都有大量的玉米、大豆、大麦、油料作物在不停地运往工厂加工。目前,这些工厂的废水处理方法绝大多数都是在走“处理→排放”的路。建议这些工厂一起来研究江口模式,看看自己原来的工艺能不能改一改,使得生产工艺中的废水能够通过“(选择合适的菌种进行)发酵→(加工成为)微生物产品”走出一条新路子。不论人们对于江口模式是否相信,有一件规律无法改变:任何一个农产品的加工过程中产生的废弃物和废水,如果不被强制焚烧,都是会被微生物包围起来,逐渐分解消化掉的。不管人类能否主动地介入和利用这个微生物作用过程,这些废弃的有机物最终都会回到土壤中去,完成它们的循环。

 

(二)江口模式的应用远远不限于基本农产品的加工行业,也可以适用于更加复杂的农产品深加工系统,例如图六所示的谷氨酸生产系统,它需要首先将小麦或玉米加工成为葡萄糖浆,然后通过谷氨酸菌把葡萄糖浆加工成为谷氨酸。这样的系统我们也做了研究,并完成

了一些实验,实验采用的是图六所示的结构。采用谷氨酸厂的高浓度废水生产出来的固体微生物有机肥品质非常好。由此可以看出,应用江口模式时可以有多种变化的方式,图六所示的是一个嵌套式的结构。


 

图六、复杂的农产品深加工系统也可以应用江口模式 

 

(三)江口模式中农产品加工系统的含义非常广泛,任何一个餐厅和家庭的厨房实际上也是一个农产品加工系统,它们每天在加工大量的农产品的同时产生了大量的有机废弃物和废水,它们合起来数量是巨大的,由于不能正确地处理它们,结果只能花费更大的代价去处理生活垃圾。因此,江口模式可以应用到这些系统中去,从数量上来说,这将是数以亿万计的。在日本等一些国家已经可以看到家庭用的小型生活废弃物收集、处理和发酵设备。对于中国,应该鼓励城市居民把自己的废弃有机物专门集中在一起,及时施加适当的微生物菌剂,既可以防止发臭,又可以提前使微生物开始工作,最后收集和运送到微生物工程系统进行处理。对于小型的、数量众多的农产品加工系统应该立法,要求它们必须把废弃有机物分离出来送到就近的各种规模的微生物工程系统。系统把这些废弃物加工成为微生物肥料后,送往附近的菜田、花圃或果园,最后回到大自然早已为它们规定好的循环之路。

 

(四)现在,越来越多的城市管理者开始认识到自己城市的蔬菜供应主要应该由位于自己城市周边的蔬菜种植基地来承担,这样做有效地减少了运输成本和相应的浪费,同时,保证了蔬菜供应的安全性。城市的管理者应该考虑运用江口模式:接收城市输出的大量的有机废弃物,把它们作为资源利用起来,建设多种形式的微生物工程系统,把这些有机废弃物转化成为微生物有机肥料,就近提供给自己的蔬菜生产基地。与此同时,城市周围的运用江口模式的农产品加工厂不但有可能为这些微生物工程系统提供有机废弃物,而且有可能生产处理这些有机废弃物的腐熟剂和其他菌剂,建设类似图六所示的坎套式结构,让这些农产品深加工厂为处理城市有机废弃物提供菌剂,可以有效地降低处理成本。

 

所有狭义的和广义的农产品“深加工”系统能够利用好自己造成的、数量巨大的废弃有机物和有机物废水,让它们最终成为有机农业需要的优秀微生物肥料回到农田,完成大自然的良性循环,整个地球才有美好的未来。

 

对有机农业发展的影响

       《生态工程 原理及应用》(白晓慧主编)一书在介绍有机农业的发展历程时讲到,“有机农业始于中国”,“我国有着较好的有机农业生产传统”,“较成功地做到了(耕种)数千年而土壤肥力不减”。但是,改革开放之后,化肥大量涌入,这个传统被打破了。农产品的产量是提高了,但是土壤中的有机质含量却日益下降。土壤在化肥的支撑下,产出越来越多的农产品,温饱问题是解决了,但是,随之而来的农产品质量的下降,已经影响到了人们的身体健康,甚至造成了严重的化肥污染。今天的中国,熟悉传统种植方法的这一代农民还活着,享用过传统有机农产品的这一代人还活着,人们越来越怀念过去农产品的口感和质量。这一切都使有机农业在中国有深厚的历史基础。改革开放初期,中国人多耕地少的现状,极大地约束了中国有机农业的发展,因为,人们担心有机农业的产量会下降。事实也是如此,落后的科学技术使用传统农业模式,必然导致农业的产量是非常低的。正确的理念和先进的科学技术将会改变这种状况,江口模式就是在这样的推动下诞生的一个例子。当强有力的土壤有益菌通过微生物工程系统进入农田的时候,情况就开始发生变化了,例如前面讲到的“ETS肥料套餐”,它可能打破农民对于化肥的迷信。使用这样的套餐不仅有可能使单位面积农田的产量超过使用化肥,大大减少了病虫害,而且,农产品的质量显著上升,使农民的收入大幅提高。关键的问题在于降低有机肥料的成本和提高有机肥料的质量。江口模式的大规模推广,将会大幅度降低有机肥生产成本,选择优秀的微生物(菌种)和正确的微生物工程系统,有机肥的质量一定会升上去,这时候,人多地少特点就成了中国特殊的优势,农业劳动力的成本优势会推动高质量的有机瓜果蔬菜种植业大规模发展,中国农业总产值和出口总额增加势头一定会非常迅猛,中国在生态农业循环系统方面的成功必将引起全世界的关注和震惊。

 

注记一

       推广江口模式是一个复杂的系统工程。

       中国对于农产品加工企业污水排放的管理经过了十几年的努力,才逐步走上规范。如果采用江口模式,农产品加工企业输出的不再是污水,而是各种各样的微生物菌剂和微生物肥料,那该如何监督和管理呢?当然,我们不会因噎废食,需要建设相应的系统来管理,防止有害的微生物肆意扩散。在这方面,中国会很好地借鉴其他国家的经验和教训,也一定会创造出自己先进有效的新模式。

 

注记二

       江口模式不是主观臆造出来的。

       生态循环是大自然固有的规律。绝大多数的动物归根结底是依靠植物提供能量,动植物的残骸通过微生物的帮助终究是回到土壤,成为植物生长的养分,这样的生态循环结构本身与人类的活动无关。

       人类进入大自然之后,尊重和模仿这样生态循环使人类获得了发展,形成了以中国为代表几千年发达的农业,形成了东方的繁荣。西方国家的工业革命发展了对能量的利用方法,从蒸汽机到火车和汽车,后来的原子弹与核电站都是沿着这个方向,形成了西方的强盛,也导致了西方对于工业的片面地依赖。片面地依赖工业化的典型例子之一就是化肥,造成了今天全世界的农业不得不依赖化肥,造成了全球严重的化肥污染和食品质量的严重损害;典型例子之二就是对石油的过度使用,造成了今天全世界不得不研究如何降低碳排放。他们也研究循环和生态,但是,工业和农业之间的循环不是他们的研究重点。

       在中国,有十亿以上人的生命和生活同农业有着密切的联系,这个数量在全世界人口中占的比例是重大的。这股力量迸发起来对世界产生的影响,已经可以在中国改革开放后的突飞猛进中展现得清清楚楚。中国深厚的文化积累是不会被西方模式同化的,尊重大自然的传统理念一定会引导出中国特色的发展道路,中国经济会在这条道路上继续突飞猛进。

     江口模式讲的实际上已经不仅是农产品加工业,生态农业循环系统包括了农产品加工业,微生物工业、养殖业和种植业等等。把这些相关的领域结合在一起(而不是把它们分开来)发展正是中国文化的特色。对于人少地多的那些国家,衣食需求的数量容易得到满足,使他们不可能从农业的角度出发研究世界的发展。而中国却必须下功夫研究循环农业、研究微生物农业;必然会下功夫普及生态农业循环系统,大规模地发展包括农业和工业在内的生态工程,引领全世界走出片面发展工业化的误区,走向各种行业之间的和谐发展,走向自然和人类的和谐发展。

 

致谢

       作者用系统科学的方法研究生态系统起始于1984年,是在马世骏先生指导下合作研究“京津地区生态系统特征和污染防治”的过程中逐步入门的。从具体的实际现象研究出发,去发现抽象的数学理论是受益于关肇直先生从1962年入大学至1983年获得博士学位,跨越整整20年的直接教授。谨以本文表达对这两位导师的怀念。

       作者1993年回到中国,在胡启恒院士的指点下,直接深入到改革开放的最前沿,研究农业地区的农产品加工企业,谨以本文表达对她的感谢。

       旅日华侨刘长生先生为了推动中国微生物农业发展把日本ETS研究所的菌种和研究成果引进中国。他为江口模式的实现做出了重要贡献。谨以本文对他表示感谢。

2010105 山东德州)

 

 

 



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