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本文发表于2022年第六期《中国科学院院刊》，原标题《创制现代草产品加工科技体系 保障大粮食安全》。
王天威1钟 瑾1,2*
1中国科学院微生物研究所微生物资源早期开发国家重点实验室
2中国科学院生命科学学院
我国饲草加工和贮藏存在损耗大、营养提升有限、草产品质量安全难以控制等一系列重要瓶颈，以及草产业发展中标准化、商品化、产业化、市场化、智能化不足等问题，制约了优质草产业的健康发展，造成了草畜两张皮的局面，极大影响了生态草畜牧业核心产业链的形成和健康发展。
植草制草养畜是贯穿生态草牧业的核心产业链，制草是关键环节，可以有效衔接前端植草和后端养畜，让草牧业真正形成产业链。因此，研究科学制草原理和技术，建立草产品精细加工技术体系，不仅有助于全面提升我国草产品加工技术水平，提高草产品质量，支撑草产业健康发展，也将有效促进畜牧业提质增效，支撑我国生态草畜牧业高质量绿色发展。
科技创新是中国草业转型升级最根本、最核心的新动力。特别是在优质草产业发展中，科技创新是解决草产品在加工和贮藏过程中损耗大、营养改善有限、质量安全控制难等一系列重要瓶颈问题的利剑。
同时，在经济新常态下，迫切需要草产品走向成熟的商品化、产业化、市场化。草产业发展必须面向市场需求，开发多元化草产品，建立草产品评价体系和标准，建立智能草库，搭建信息化草产品交易平台，完善和规范草产业市场，为生态草产业健康持续发展提供重要支撑。
党的十九大报告指出，中国特色社会主义进入了新时代。中国& # 039；目前，美国农业发展已经进入高质量绿色发展阶段，农产品生产已经从满足数量需求转向质量和效益需求。发展生态草畜是我国农业高质量绿色发展的重要需求，也是新时期粮食安全理念和生态优先、绿色发展国家战略的新支撑，更是立足国内循环的迫切需要。
1草产业高质量发展是战略需求
优质草产业符合国家大粮食安全和生态优先，绿色发展的战略需求
1我国饲料粮安全已经影响到了国家大粮食安全
从1980年到2022年，我国牛羊肉总产量增长了15.7倍(从71.4万吨/年增长到1119万吨/年)。2022年底中国牛羊数量将达到7.5亿羊单位。牛羊是草食家畜的代表。按照每只羊单位每天消耗1.8公斤干草计算，相当于每年消耗5亿吨干草。然而，我国天然草地每年干草产量约3亿吨，每年缺少2亿多吨优质饲草。据统计，中国& # 039；我国饲料用原粮产量已达3亿多吨/年，占粮食总产量的50%。
2发展饲草产业是缓解我国粮食安全压力的有效措施之一
目前，我国牛羊肉人均消费量约为世界平均水平的2/3。根据我国牛羊肉消费增速，并参考亚洲其他国家发展路径，保守预测10年后我国牛羊肉消费量将达到1987万吨。由于国内产能不足和国际市场的不确定性，中长期内我国仍将面临巨大的牛羊肉供需缺口。
作为最重要的原材料之一
草原资源是中国的重要组成部分& # 039；美国的自然生态系统，在维护生态安全和促进农民& # 039；收入。中国草地超载严重。2022年，全国重点天然草原牲畜超载率为10.2%，对草原生态造成巨大压力。迫切需要加强草原保护和合理利用，解决牲畜超载等生态环境问题。目前我国草畜结合不紧密，还没有建立起兼顾生产生态的种植、养殖、加工一体化的绿色发展模式。人工草在产量和质量上都优于天然草，3。同时，不种植被，国家就穷；种植物，国富民强，释放天然草地也符合尊重自然、顺应自然、保护自然的原则。
保护生态环境需要释放天然草场
目前，除了肉、奶等产品每年需要大量进口外，我国的草产品，尤其是高端草产品也在很大程度上依赖进口。国外的草产品研发体系比较完善，包括饲草种植、田间管理、割草、青贮或干草制备、商品化等流程都比较成熟，专业人员配备齐全，国内草产品质量也比较高。
以被称为饲草之王的苜蓿为例，由于美国等主要苜蓿生产国自然环境良好，设备和技术成熟，其生产的优质苜蓿干草产品得到了国际认可并大量出口，中国进口的苜蓿干草75%以上来自美国。
2017年、2022年和2019年，中国从美国进口苜蓿干草131万吨(占苜蓿干草进口总量的93%)，分别为140.6万吨(83.8%)和101.5万吨(75%)；2020年，即使受疫情影响，中国& # 039；美国苜蓿干草进口量达到135.91万吨。
我国苜蓿依赖进口的主要原因是自身加工技术的限制。苜蓿干草干燥过程中，翻堆、打捆等操作会导致苜蓿叶片脱落严重，造成优质蛋白质损失，极大影响饲草的营养价值和价格。特别是二、三季收割苜蓿准备干草时，正处于雨热同期，导致苜蓿收割困难，甚至霉变，损失很大。这必然会影响种植者的经济利益和积极性，降低产能，扩大进口。
除了苜蓿，2020年中国进口燕麦33.47万吨，同比增长39%，可见中国对国外高端饲草的依赖程度很高。与此相比，我国草产品年出口总量不足30万吨，说明我国牧草进出口国内国际流通严重不畅。
发展优质人工饲草有助于释放天然草场，恢复生态环境
优质饲草产品是草业和畜牧业的纽带。草产业的健康良性发展，可以弥补我国畜牧业快速发展和草产业发展缓慢造成的草牧脱节，从而更好地保障和促进草畜牧业的健康发展。然而，我国草产品分布不均，饲草资源开发不足，秸秆利用率低，企业生产能力不足，导致我国草畜供需失衡，内部循环动力严重不足。
优质草产业是减少饲草进口依赖的战略需求优质草产业是解决草畜失衡及增强内循环动力的战略需求
我国北方大部分牧区只是依靠天然草地喂草，获取牲畜维持生命、发育和繁殖所需的养分。夏秋季节，饲草供大于求，牛羊供应充足；但在冬春寒冷季节，天然草枯萎，供应严重不足，牛羊体重下降甚至死亡。草食家畜陷入夏季肥、秋季壮、冬季瘦、春季死的怪圈，给农民造成巨大经济损失。此外，在空间上，我国牛羊肉产业布局已基本成熟，形成东北、西北、西南、华东四大优势产区
中国有广阔的草原面积和丰富的自然资源。天然草地平均净初级生产力为每天每平方米89-320克有机碳，但草地资源严重利用不足。我国虽有近4亿公顷草原，但人均天然饲草生产能力仅为世界前20位国家平均水平的10.16%，世界平均水平的27.12%。我国北方草原牧区约2000万公顷草地按50%天然草地改良，即1000万公顷；我国南方约有6680万公顷草坡，可利用面积约为25%，即1670万公顷。中国& # 039；美国农业区有3330万公顷低产田，按1/3面积轮作计算，约有830万公顷休耕田。上述面积(3500万公顷)按照适合我国南北方种植的饲草料和年均产量20吨/公顷计算，相当于每年增加饲草料约7亿吨，是我国目前饲料缺口的3倍。因此，天然草地的开发利用还有很大的提升空间。
1草产品时空分布不均衡
人造草在产量和质量上都优于天然草。大力发展优质人工草，对缓解饲草供应短缺、保护小保护生态草原具有重要作用。紫花苜蓿人工草年产量可达22.5吨/公顷，是天然草地的11倍；青贮玉米年干物质产量可达45吨/公顷，是天然草地的23倍。粮改饲政策实施后，按照《全国种植业结构调整规划（2016—2020年）》的要求，我国青贮玉米种植面积已达167万公顷，基本保证了农区草食家畜吃上优质粗饲料。但由于我国牧区环境气候差异较大，在种质资源、高效种植培育、草产品加工贮藏等方面存在技术瓶颈，需要大力推进牧区人工草产品的开发利用。
2天然草原资源利用不够
中国作为一个农业大国，秸秆资源丰富。2017年，我国农作物秸秆可回收资源量为8.27亿吨。其中，玉米、水稻和小麦秸秆是主要作物，占我国秸秆资源总量的84.8%。此外，还有油菜、花生、豆类等其他农作物秸秆。秸秆供给呈现出阶段性、结构性和区域性过剩的现象。秸秆资源利用时有利，废弃时有害。虽然秸秆作为粗饲料具有应用潜力，但秸秆饲养存在三低一高一残留问题，影响其在生产中的应用。
3人工草的发展及开发利用不足:反刍动物对玉米和小麦秸秆的消化率为30%-50%。
4秸秆等资源的饲用化利用率低:粗蛋白含量只有4%-5%。
1.消化率低:特别是磷和硫的含量很低。
2.粗蛋白含量低:被纤维素和半纤维素包裹，制约了家畜的消化利用。
3.矿物质元素含量低:除草剂残留影响牲畜生产以及妊娠和生殖。
此外，秸秆利用过程中还存在一些技术障碍。比如：缺乏秸秆还田的配套设备和关键技术；秸秆利用的技术标准和规范不完善；秸秆饲料加工的收集、储存和运输体系不完善；收集成本与劳动力资源不匹配等。导致了产业链上的各个环节无法有效有序的衔接。
4.木质素含量高
我国草产业发展相对落后，草产品加工业发展存在企业规模小、产品结构不合理、缺乏国家战略规划等问题。中国& # 039；目前尚未形成产业规模的饲料产品加工企业包括：
5.启动资金高，但投入不足，发展乏力。
农药残留企业形式单一，大多以种植、加工、销售饲草产品为主，盈利形式单一，发展空间不大。
5产品种类少，56%以干草包为主，青贮饲料、草粉等草产品开发有限。
草产品加工企业数量及规模有限的生产力可以& # 039；不满足预期
上述原因也导致我国草产品加工企业生产能力不足。据统计，2017年我国各类草产品总产量仅为520万吨，难以弥补我国2亿吨饲草料的缺口& # 039；美国牛羊养殖业。
1.2.
草产业是大农业高质量绿色发展的重要需求之一。然而，我国饲草加工、贮藏、转化的理论基础薄弱，加工技术水平落后，导致我国优质草产品短缺，影响和制约了我国草产业的高质量发展。
3.
4.5.
微生物发酵是导致牧草贮藏和加工过程中干物质损失的最重要因素。如酵母发酵造成的底物干物质损失为48.9%，梭菌发酵造成的为51.1%。霉菌引起的腐败最为严重，使草产品整体干物质损失高达20%。而且由不健康微生物引起的蛋白质等重要营养物质的损失尤为关键，不仅降低了碳氮利用率，还影响了家畜的干物质采食量和反刍效率。目前，造成牧草加工过程中干物质和营养损失的具体微生物菌株尚不清楚，微生物演替与牧草干物质代谢的关系也尚未阐明，急需在相关理论上有所突破。
2草产品加工理论与技术瓶颈制约草产业高质量发展
草产品加工的目的是全面保存饲草的营养成分。然而，我国草产品加工技术比较粗放，对草产品的理化性质和加工工艺造成草产品品质和干物质损失的机理研究不够深入，没有建立起科学、精密、完整的加工技术体系。
饲草加工、贮藏、转化理论研究薄弱1
我国传统草产品在加工和贮藏过程中，存在有毒真菌及其毒素的协同污染，存在严重的安全问题。目前国内对草产品中真菌毒素的研究很少，草产品的安全性也没有得到足够的重视。草产品的安全问题得不到有效解决，下游畜产品的安全也受到威胁。有毒真菌及其毒素的快速检测技术体系尚未建立，难以准确了解其动态变化和代谢调控规律，也缺乏对草产品中有毒真菌和毒素控制的系统研究。
饲草加工中微生物演替规律及转化机制不明晰2
目前，对关键营养素(如粗蛋白质、碳水化合物等)的研究。)和营养元素(如磷和钙等。)的研究仅停留在含量检测的层面，而秸秆和牧草加工过程中营养元素的转化路径尚不明确。例如，秸秆中纤维素的消化和利用受到木质素、酚酸含量、硅(形成结晶形式)和氮的影响。此外，元素(如磷等。)也会影响家畜的生长、发育和健康。
饲草加工干物质损失机制有待深入研究3
我国草畜转化效率为1%-2%，仅为世界发达国家平均水平的12.5%。提高草产品的饲用价值是提高草畜转化效率的关键。饲料价值低不仅造成日粮利用效率低、畜产品质量差的问题，还导致碳氮环境污染。影响草产品饲用价值的因素包括碳水化合物、粗蛋白、微生物和生物活性物质。目前，上述影响因素如何改善草食家畜营养代谢的机制尚不清楚，这也阻碍了畜牧业的高质量发展。
饲草贮存加工过程中毒素产生及积累规律的研究未引起足够重视
4饲草加工过程中养分转化规律需进一步研究
现代草产品加工是利用物理、化学或生物加工方法将饲草制备成干草(青干草、草捆)、成型草(草颗粒、草块)和青贮饲料(半干青贮、高水分青贮)等多种形式的草产品。目前我国采用的饲草加工和储存方式还比较传统和粗放，造成饲草浪费。
5草产品效应因子提升草食家畜营养代谢机理要进一步明晰
家用饲料加工机械不仅
我国自主研发的能够完整保存养分、减少霉变等损失和毒性、改善适口性、提高养分转化效率的相关生物制剂(如高效青贮接种剂、防霉脱毒剂、纤维素高效利用酶制剂等)均不足，或质量和功能混杂，不能满足高效生产优质草产品的要求。
草产品加工技术体系不健全1
制草作为生态草牧业整个产业链中不可或缺的一环，是种草养畜的重要桥梁。科学制草，打破草产品加工的理论和技术瓶颈，提高草产品质量，打通上下游链条，打造优质草产业，是实现草畜产业链高度耦合，加快草畜产业高质量发展，保障大粮安全的必由之路。
草产品加工工艺落后
2草产品配套机械设备技术不过关
牧草加工和贮藏是不同植物材料和复杂微生物菌群之间，以及各种微生物菌群之间相互作用和演替的过程(图1)。针对牧草贮藏加工中霉变损失大、饲用价值提高有限、产品质量安全难以控制等重要瓶颈问题，将牧草品质和饲用价值分析与微生物学相结合，重点研究干物质损失机理、关键营养元素转化途径、秸秆高效利用机理、真菌毒素积累转化规律、饲用产品饲用价值影响因素和草食家畜营养调控机理，以期建立有效的降耗、提质、增效措施。
青贮发酵过程中微生物的相互作用和演替。
3自主知识产权生物制剂匮乏
在突破草类加工理论的基础上，研发相应的高效功能生物制剂，包括青贮高效微生物制剂、减毒脱毒生物制剂和效应因子生物制剂，可减少草产品损失，提高秸秆利用率，保障草产品安全，提升饲草饲用价值；结合配套的加工技术(图2)，可以生产加工出优质安全的草产品，降低生产成本，提高经济效益，从而全面提升我国草产品的质量和市场竞争力。
图2高效复合生物制剂是加工优质草产品的重要保证。
3打破瓶颈，打通链条，打造优质草产业
突出我国北方草原区、农牧交错区、南方草山草坡区、农业区等不同区域的独特优势，因地制宜发挥各自在地形、光热、气候、资源等方面的优势；实现草产品的差异化生产，提高加工精细化水平，形成适合不同地区的草产品加工方案，建立相应的加工技术体系，提升草产品的价值和效益。比如紫花苜蓿、羊草适合东北地区种植，利用深秋初冬的低温干燥气候可以制备冻干草；在雨热同季的苜蓿种植区，可以通过地窖贮藏或包裹青贮来制备高质量的青贮苜蓿产品。
打破草产品加工理论与技术的瓶颈1
针对草产品供给在时空和营养上的不平衡，结合地源性饲草资源和养殖需求的实际情况，合理发展多样化的优质人工草产品、天然草产品、混合发酵草产品和全价草产品。开展鲜草颗粒和草粉加工技术及植物功能添加剂研究，同时开展秸秆、尾叶等农副产品饲喂技术研究。不同营养类型的混合青贮产品还可以平衡营养，实现优势互补，如高蛋白豆科牧草和高糖禾本科牧草的混合青贮。不同的草产品具有不同的特点，如：青贮产品具有适口性好、消化率高的特点；诸如草捆和草颗粒的成形草产品具有
评价体系和标准的建立对草产品形成商品和产业化至关重要。在建立和完善主要草产品发酵指标、营养指标、微生物组成等数据库和评价体系的基础上，建立草产品快速检测平台，制定相应的采收、运输、加工、生产和检测标准，严格控制草产品质量。此外，草产品的质量安全是确保畜产品质量安全的第一道坎。随着人们对饲料产品质量安全的日益关注，迫切需要系统地建立安全卫生标准。例如，危害分析和关键控制点(HACCP)是建立质量保证体系的基础，得到了国际组织的认可。
解析饲草加工、贮藏、转化机制2
草产品附加值的进一步提升和草产业的优质高效发展有赖于草产品的深加工和草产业生产领域的拓展。从饲草中提取蛋白质、叶绿素、-胡萝卜素等有效物质，通过多层次加工和综合利用，提高草产品的附加值。
研发高效功能生物制剂3
研发适合国内使用的中小型草产品加工机械，在不同地区因地制宜有序推进草产品加工机械化、自动化、智能化，促进草产品加工机械化和畜牧业产业化联动发展。随着5G通信在中国的大规模使用，物联网技术的逐渐成熟将快速推动无人收割-加工-储存-运输设备的发展和应用。
因地制宜，发挥区域资源优势
4研发多元化草产品
在以粮为纲的时代，粮库在保障粮食安全方面发挥了巨大作用。同样，建立一个智能化的草产品储备库，对中国草产业的可持续发展具有重要意义(图3)。持续稳定的草产品供应不仅可以解决草畜供应在时间和空间上的不均衡问题，还可以保证草产品的快速高效流通，保证畜牧业的健康稳定发展。进一步，针对我国牛羊肉产业布局和草产业发展布局的季节性和区域性差异，合理布局和建设智能化草产品储备库；协调全国草畜平衡，保证草畜及其产品的稳定供应。
图3智能草产品仓库建设蓝图
5建立草产品快速评价技术体系与标准
搭建饲草产品网上交易平台，完善信息管理系统，推进饲草产品商品化进程，让饲草产品更加高效、便捷、精准地服务于养殖业。通过集成信息技术、智能技术等技术，实现草产品和草产业的数字化，推动草产品加工和生产管理方式的创新，有效服务草业生产发展，提升草产品在国际市场的竞争力。依靠完善的评估技术和标准，规范饲草市场，全力建设饲草库。借助草产品加工信息网络平台，推动草产品期货发展，实现数字化交易，实时掌控草产业市场动态。
6开发高附加值等草产品
建立健全草产品绿色通道制度，降低运费标准，保证运输时间和效率。加强市场监管，降低交易成本，实现全国草畜联通，缓解企业竞争压力，提升区域草产业竞争力。同时建立智能运输配送物流系统，保证草产品的合理规划和精准运输。
7集成机械化、智能化收获—加工—贮藏—运输设备
政府可以利用农村财政资金建立草畜保险基金，或者鼓励保险公司拓展草畜保险业务，以减少草畜生产中各种自然灾害和意外伤害造成的经济损失
由政府或大型科研机构牵头，围绕草畜龙头企业需求，聚集和覆盖多学科专业人才，特别是草业科学、微生物学、动物营养学、农业机械化及其自动化和信息管理，打造一支有知识、有技能、有志向、能吃苦的科技战斗队，努力解决阻碍草畜发展的一系列科技瓶颈，实现科技推动企业和行业发展。
打通上下游链条，打造优质草产业
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