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微生物肥料科技创新与产业发展
发布者:时间:2016-04-27浏览次数:1422

李俊,姜昕,沈德龙,马鸣超,关大伟,曹凤明, 李力

(农业部微生物产品质量安全风险评估实验室(北京),100081;

中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京100081)

    作者简介:李俊,男,研究员、博士,农业部微生物产品质量安全风险评估实验室和农业部微生物肥料质检中心主任,中国微生物学会常务理事和农业微生物专业委员会主任委员。主要从事微生物肥料产业化技术研发、标准化研制、质检新技术方法和相关机理的研究。主持国际合作、863、支撑项目和产业体系等40余项,发表论文70余篇,主编专著4部,获得6项国家发明专利和5项省部级科技成果;主持制定了22个微生物肥料国家和行业标准,建立了国际首创的行业标准体系。

 

   科技创新是原创性科学研究和技术创新的总称,是指创造和应用新知识和新技术、新工艺,采用新的生产方式和经营管理模式,开发新产品,提高产品质量,提供新服务的过程。从国家层面来讲,科技创新是推动科学技术进步,推动国民经济发展,构建和谐社会的关键所在。科技创新也是一个国家提高其核心竞争力不可或缺的重要方面,因此,它已成为世界上主要国家的基本战略。2006年初在全国科学技术大会上提出“到2020年把我国建设成为创新型国家”,科技创新已成为决定和影响综合国力的基本要素受到了空前的重视。对产业或企业来说,鉴于目前步入了一个科技飞速发展、经济结构调整、市场竞争加剧的重要时期,使得科技创新在企业中的重要性日益突出,企业技术创新能力的提高已成为增强企业核心竞争力、推动企业发展和进步的重要途径和手段。

    我国的微生物肥料产业经过近20年的稳定快速发展,已跨入到科技创新最为渴望、极为迫切的时期。我国农业可持续发展对微生物肥料产业提出了新的要求,研发新产品、新工艺、新菌种、新功效等已成为“十三五”乃至未来更长时期的产业战略目标。这一目标实现的关键在于科技支撑,重视和推进科技创新才能为我国微生物产业发展提供原动力,是下一步产业发展的核心因素。本文在分析微生物肥料产业存在问题的基础上,从科技创新概念与创新链条、创新中的角色定位、产业发展现状与产品特点、创新需求和科技创新方向与内容等5个方面进行阐述。

    1、科技创新概念与创新链条

    要理解科技创新的本质,就需要厘清其中的几个基本概念。“创新”是一个外来语,在英语里,创新是innovation, 发现是discovery, 发明是invention,创造是creation,这是四个不同的词汇,不能从直觉上简单地就认为“创新”就是“创造新东西”,“创新”是有其特殊涵义。其实,科学和技术更不是一回事,尽管科学和技术总是被大家一起使用为“科技”。科学是“发现”原理和规律,回答的是“是什么”(what)和“为什么”(why);而技术是被“发明”和“创造”出来的,回答的是“怎么做”(how)。技术包括设计技术、制造技术和试验技术在内的完整技术。科学是技术的基础和根基,科学的发展为技术进步提供源泉。从技术的本质来讲,除了新诞生的技术之外,其实大量的技术是在现有元素重新组合的过程中产生的。从目的来看,技术是人类实现目的之手段。从手段来看,技术的本质内涵就是一种方法、流程或装置。

    由此可见,科学则是发现自然界的原理和规律;科学没有排他性,是由人类共享的,来自于对自然界的探索,具有普适意义。而技术则不是,它是‘人类创造’的,拥有所属权,所以它是有专利的。在科学向技术转化的过程中,掌握核心技术的多少是关键。

    将“科学、技术”紧密相连的“创新”一词,其实是出自经济学家而非科学家之口。这证明创新一词从出现之始,就被赋予了经济学意义。1912年,奥地利经济学家熊彼特(Joseph Schumpeter)虽然没有关注技术的组合,但他关注了在经济中生产要素的组合。熊彼特意识到,在经济系统中存在着一个能量之源,这个能量之源就是组合。创新就是实现生产要素的新组合,即包括设计、制造和市场销售等在内的所有要素的重新组合。创新的最终目标是实现更大的价值,从而促进经济的增长。所以创新一定要完成从概念、设计,到产品,从产品再到商品并在市场上销售的全过程,即在经济学意义上通常所说的从投资到回报的全过程。即创新链条应包括:科学——技术——产品——商品。对应科技创新的几个概念,就是“发现——发明——创造——创新”的全过程。理解科技创新的相关概念和创新链条将有利于我们把握微生物肥料产业的创新发展的完整内容与关键。

    2、微生物肥料产业科技创新中的角色定位

    通过以上对科技创新的相关概念及创新链条“科学——技术——产品——商品”的阐述,应用到微生物肥料产业,就是由大专院校等为主体的研究单位承担微生物肥料机理的揭示、新功能菌种选育、新工艺和新产品等上游源头创新任务;企业则主要承担技术工艺的集成、产品规模化生产技术形成、推广应用技术等中下游技术组合(集成)创新工作;政府通过政策、资金等扮演行业支持和引导的角色。通过完整创新链条的实施,实现我国微生物肥料产业技术升级和产品的更新换代,为我国耕地质量与健康的维护、农业可持续发展和农产品质量安全保障提供基础。这就是微生物肥料科技创新体现出的国家战略价值所在。

    在科技创新链条的角色分工中,企业是科技创新的主力。这是因为与纯粹的科研院所和高校相比,只有企业覆盖从技术到生产产品,并将其推向市场变成商品,实现了创新投资回报的全过程。高校和科研院所不生产产品,并不直接面对市场和消费者。但高校和科研院所位于创新这个链条的前端,负责提供技术输入。所以,科学合理的分工应该是科研院所进行前端的研究,大学、企业以及工程技术研究所把科学转换成技术,然后由企业负责进行制造和销售,最终完成创新的全过程。因此,国家提出了以企业为创新的主体的创新体系,下一步将以企业为主进行决策、组织的创新、成果的转化和资金的投入。在创新体系建设中,要求企业不能只从利益角度考虑,要有社会责任感和使命感。大型微生物肥料企业及企业集团的使命就是成为把科学原理转化成应用技术,成为新产品和产业发展的核心力量;中型的企业是技术应用、产品生产与推广中的骨干力量;小微企业以生产常用微生物肥料商品和推广普及为主,是微生物肥料普及推广的重要力量。

    3、微生物肥料产业面临科技创新的问题与机遇(挑战)

    尽管在过去的十几年间,我国微生物肥料产业取得了快速稳定的发展,然而由于长期以来,从国家层面对生物肥料的基础和应用基础研究项目支持不足,技术支撑已严重制约产业的进一步发展;尤其是产业创新人才严重匮乏。生物肥料企业也极少出资在生物肥料的关键技术方面研究投入,使得我国的生物肥料产业依然存在整体水平低,技术创新不足,在功能机理、优良菌种、高效优质产品及其相关应用的关键技术仍未有重大突破等,都是影响行业发展的瓶颈难题。当前,生物技术及其相关产业的发展日新月异,相对于国际生物肥料的研发应用,目前我国生物行业中存在以下6方面的主要问题:

    一是科技创新基础薄弱,产业发展支撑不足。我国的微生物肥料产业是在先天不足的情况下形成和发展起来的,所谓“先天不足”是指产业发展的基础-相关的科学和技术的基础研究、应用基础研究和应用研究薄弱,一直是制约产业发展的瓶颈。由于从国家层面对生物肥料的基础和应用基础研究支持不足,涉及微生物肥料产品中微生物本身,如作用机理、产品制造过程中最佳、最合理的工艺,微生物肥料施用后在土壤和植物根部的定居、存活和数量消长,以及影响微生物肥料作用发挥的其它制约因素等研究得极少,深度也远不够。使得生物肥料生产及应用中出现的一些问题,如应用效果不稳定、保质期相对较短等关键问题仍未根本解决。近10多年来,虽然情况有所改善,但仍然是基础和应用基础研究明显落后于生产需求,需进一步加强。目前普遍缺乏推动产业技术革新的集成创新的能力,原始创新能力几乎空白。

    二是多数企业对科技创新认识不够。近10年中虽有一批企业对科技创新的认识走在了行业的前面,但是真正建立了创新机制的企业甚少。多数企业未把科技创新当作自身发展的战略,缺少必要的硬件和软件,表明企业距离技术创新能力的形成还有相当长的路要走。企业目前的规模和效益对科技创新的支撑处于乏力状态。可喜的是,已有一部分企业建立了自己的工程技术中心,专责科技创新。有的运行良好,但也应看到,在硬件和软件方面还有改善的空间;有的有设备,缺人才和经费;还有的是缺少激励政策和管理目标。对于企业应是科技创新的主体角色的认识不足,也缺乏创新的文化氛围。这些显然不难以支撑微生物肥料行业科技创新目标的实现。

    三是缺乏高端创新人才。人才本身就是一种战略资源,高端创新人才是微生物产业发展的决定性因素之一。目前,我国的微生物产业科技人才队伍结构不合理,高层次创新人才、掌握新兴学科的人才、复合型人才均匮乏,特别缺乏具有全球眼光的高端领军人才。在全国950家左右的生物肥料企业中,50%以上没有微生物学硕士以上学历的研发人员。

    四是缺乏促进微生物肥料产业跨越式发展的新技术(颠覆性技术)和创新产品。目前我国微生物肥料产品存在较多的质量与稳定功效问题,如:菌种的有效性筛选差,生产菌种组合缺乏依据,工艺配方不合理,包装材料简陋,造成产品的有效活菌含量低,杂菌率偏高,有效期短。在农业生产中有时表现出应用效果不稳定,适用作物或适用地区不尽合理,以致于微生物肥料的综合效益难以充分表现或发挥。总之,这些问题的解决有待国家通过加强生物肥料创新平台建设,集中产学研各方的力量联合攻克,推进行业发展。

    五是缺少具有引领作用的龙头企业和旗舰集团。目前国内微生物肥料生产企业普遍存在规模小、产量低、研发投入不足、创新能力弱等问题,迄今为止还没有一家跨国企业或集团,严重制约了产业的发展和产品的国际化。即使有新产品研制成功,也因为相应的能力建设投入少和集成创新技术不配套等原因而难以进行剂型和生产工艺优化,导致产品难以投入规模化生产。

    六是缺乏稳定、可操作性强的政策支撑和完善的产业服务体系。如前所述,尽管国家近几年十分重视微生物肥料产品等生物产业的发展,但是,由于没有专门的、针对性强的政策支持,特别是缺少市场培育、销售利润低、没有得到农业技术推广体系的有力支持,产品的销售主要局限于企业自身,加上农民对产品的效果没有充分的认识,产品的销售网络没有真正形成,严重影响了产品的推广和应用,制约了产业的发展。

    研发新产品、提高产品质量、降低生产成本、稳定应用效果仍是微生物肥料行业面临并且是急需解决的课题。克服这些问题与困难的根本在于科技支撑,出路靠科技创新。可喜的是,自2009年起,国家提出了发展微生物肥料的产业发展的战略,将全方位支持微生物产业发展,为我国微生物肥料产业提供了前所未有的发展机遇。同时,强调了企业在产业的科技创新主体地位。因此,谁抓住了机遇,谁做了充分的准备,谁就会走在前面,否则将会被淘汰。

    4、微生物肥料科技创新的产业基础

    4.1国家的需求促进了微生物肥料产业快速稳定的发展

    过去的十年是我国微生物肥料产业快速稳定发展的时期,更是产业培育壮大和产业基本形成的关键时期。我国已有微生物肥料企业950余家、产能达1000万吨、登记产品2299个、产值200亿的产业规模,标志我国微生物肥料产业基本形成。这些微生物肥料企业遍布我国的30个省、自治区、直辖市。从企业数量上看,2010年以前以山东、河北、北京的企业最多,但此后微生物肥料企业逐步向南(江苏、福建、广东、广西)和中部(湖南、湖北、四川)等地域发展。近几年我国微生物肥料产能以年增长10%以上的速度快速稳定发展,产业规模不断扩大,产业呈现不断提速的发展态势。

    据相关部门统计,截至2012年底,中国各类新型肥料企业共计约2300家,其中中小企业占95%以上。2012年新型肥料总产值约为649亿元,同比增长27.0%;销售额605亿元,同比增长25.0%;其中新型肥料销售额仅占我国肥料总销售额的7%左右。2012年新型肥料总产能约1600-1700万吨,其中微生物肥料和缓控释肥料产能分别为930万吨和350万吨,占新型肥料总产能的56.4%和21.2%;新型肥料总产能仍仅占我国肥料总产能的5%左右。微生物肥料已成为新型肥料中年产量最大、应用面积最广的品种(中国农资,2013年)。

    4.2 微生物肥料在农业可持续发展中的应用

    微生物肥料已成为植物营养与肥料中的重要组成部分,在提高养分转化利用率、维护生物健康成长、增产提质和保证可持续生产能力等方面具有不可替代的作用。微生物肥料独特功能的体现,正是由于其产品的特点所决定的。

   (1)微生物肥料特点满足我国农业可持续发展的需求,即其具备国家战略需求的特征。微生物肥料作为“十二五”以来生物农业中的战略性新兴产业,是由我国特定的国情所决定的。一是人多地少的可耕地资源短缺,要立足自身解决13亿人吃饭问题和各种农产品需求,就必须在现有的耕地尽可能高产,尽可能提高利用土地,导致耕地的复种指数高,土壤得不到应有的休养和自我修复,耕地长期只用不养已威胁到其持续的生产能力;二是近几十年的农业生产中,化肥、农药、除草剂等农业投入品的不合理地使用等问题,已造成了各种有毒有害物质积累,破坏了土壤的物理结构,土壤酸化日益严重和有机质的下降,引起了土壤中的功能微生物的失衡与土壤肥力的下降,肥料利用率不高,作物病害频发,农业效益下降;三是土壤健康问题日益严重,农产品质量安全日益突出。要解决这些我国农业生产的障碍,实现农业可持续发展,正好与微生物肥料的功能相吻合,也正是微生物肥料的特点和专长。从这个角度来说,微生物肥料是实现我国农业可持续发展不可或缺的产品;我国比世界上任何国家都更需要发展微生物肥料。我们研发和使用的微生物产品,就是要通过产品中的功能微生物的作用,解决我国农业中存在的障碍问题。离开微生物肥料的应用,就不可能解决目前这些迫切的农业现实问题,更无法实现农业的可持续发展。可见,与传统肥料相比,微生物肥料在保护生态、农业废弃物资源利用、提高肥料利用率和作物产量质量等方面具有明显优势。也有人将微生物肥料称之为新一代的“环境友好型肥料”。

   (2)我国的微生物肥料具有品种种类多、应用范围广的特点。国际上,至少有80多个国家在研究,生产和使用微生物肥料。主要集中在美国、巴西、阿根廷、欧盟国家、印度、泰国、澳大利亚等,产品以根瘤菌、PGPR促生菌剂和微生物修复菌剂为主。与其他国家相比,我国的微生物肥料具有品种种类多、应用范围广的特点,龙其是在研制开发微生物与有机营养物质、微生物与无机营养物质的复合而成的新产品方面,处于领先的地位。这些产品目前在我国已形成较大生产规模,在降低化肥使用量、提高化肥利用率和减少化肥过量使用导致环境污染方面已取得了较好的效果;未来产业发展前景广阔。目前,在农业部登记的产品种类有三大类11个品种。在登记产品中,各种功能菌剂产品约占登记总数的40%左右,复合微生物肥料和生物有机肥类产品各占大约30%;使用的菌种超过150个,涵盖了细菌、放线菌、真菌和酵母菌。按现在的发展势头,今后5年我国的微生物肥料总产量可望达到1500万吨,成为肥料家族中的重要成员之一。可以预料,我国微生物肥料产业正在开始步入良性循环,并向健康、有序方向发展,在新的科技革命兴起的形势下,将会在农业生产中发挥更大的作用。

   (3)微生物肥料具有的多功能特点。在总结近几年的研究成果的基础上,我们将微生物肥料作用机理归纳为提供或活化养分功能、产生促进作物生长活性物质能力、促进有机物料腐熟功能、改善农产品品质功能、增强作物抗逆性功能、改良和修复土壤功能等6个方面,并以标准NY/T1847-2010 《微生物肥料生产菌株质量评价通用技术要求》正式颁布实施。标准中对微生物肥料生产菌株的功能表述为,该标准是我们对微生物肥料产品包装标识、技术培训和广告宣传的依据。2013年,美国出版了《微生物养活世界》一书,强调通过调控土壤微生物区系能够增产20%,减少20%的化肥与农药,是未来环境友好、经济高效的农业新出路。

     综上分析可知,我国微生物肥料产业近10年的快速稳定发展和在农业可持续发展中的独特地位,是下一步产业科技创新的动力和源泉,也是创新发展的基础。

    5、微生物肥料产业科技创新方向与内容

    树立正确的微生物肥料产业科技创新发展思路,才能做到事半功倍。总结近十年来的成功经验与存在问题,厘清未来发展思路及优先发展方向,对加强科技创新能力建设和引领生物肥料产业持续发展至关重要。在此基础上,我们提出的生物肥料产业科技创新发展思路是,以生物肥料产业发展目标和国家需求为导向,以源头的基础创新与重点新产品创制为核心内容,形成以重点龙头企业为创新主体、产学研相结合交融的创新技术平台,推动新技术产品在农业可持续发展中的应用和引领产业的健康快速发展。

     在微生物肥料产业科技创新实践中,应关注基本面,抓住主要矛盾,进行必要的梳理,可以先易后难,先做引进后做创新,条件成熟时再做集成创新。突出在未来5~10年间的生物肥料产业科技创新的方向,首先是挖掘、筛选、拓展新的功能菌种,选育具有作物亲和性、地域性针适应性、生产性能优良的菌株;二是优化生物肥料产品的组合和活性保持技术,使不同功能菌株互补、菌株与载体功能叠加的组合产品,实现应用效果的稳定;三是生物肥料的产品效果评价体系、质量安全(风险评估)监督检测体系和市场推广体系的建立;四是创新平台、创新意识与文化的形成。

    在创新技术产品上,集中力量突破微生物和生物功能物质筛选与评价、高密度高含量发酵与智能控制、新材料配套增效、土壤根际微生物区系结构与功能调控技术、功能菌与微生态因子互作机制及其调控、障碍因子生物修复等关键技术,研发应用高效稳定的新产品,是产业升级的技术保障;研究建立微生物与作物及养分间的互作及其调控技术,是实现肥料增效、减量、环保的核心基础。采用高通量筛选与评价技术获得与作物匹配性强、环境适应性广和高效活化养分的优良菌株,结合高密度发酵智能控制、新材料配套增效等技术,创制绿色高效生物肥料新产品。重点是高效营养促生增效类产品、主要作物高效固氮解磷、土壤修复和连作障碍克服类产品、秸秆高效腐解类产品、新型复合及专用等的生物肥料的研发与产业化;尤其是生物、有机、无机的复合的“全元”产品将在未来有广阔的应用前景。

    在生物肥料产业创新发展目标上,经过5~10年发展,应建立支撑生物肥料行业健康稳定发展的技术创新体系、新产品研发与应用技术体系,形成行业龙头企业为主体、产学研结合的创新平台;提升生物肥料主导品种的使用效果及生产质量,优化生物肥料产品结构,结合我国可持续农业及农业耕地土壤质量面临的新挑战,发展新型功能的生物肥料产品。扩大生物肥料使用规模,力争到十三五结束时,我国生物肥料达到肥料总量的15%左右,应用面积达4亿亩以上,使我国农田化肥利用率比目前提高5-8个百分点,明显提升我国耕地质量及农产品品质。通过“十三五”期间的产业培育发展,实现我国生物肥料研究及产业化进入国际前沿水平。

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