0 前言

粮食是世界各国人民赖以生存、繁衍的蛋白质、淀粉、脂肪和维生素等营养物质的重要资源｡21世纪初,人们所指粮食是通过农业种植业所生产的谷物种实和薯类的块根、块茎,如稻谷、小麦、玉米和多种杂粮、薯类｡没有包括利用其它可食用资源,通过现代的技术(如提取、膨化、压制、成形等),制成的可以充饥和满足人们营养、口感需要的粮食替代物｡

当前世界上存在着令人注目的严重现象,一是世界范围内粮食极大短缺;一是世界范围内粮食产后存在极大损失和浪费｡据有关文章介绍“根据美国农业部(USDA)统计和预测2006/07年(7月到次年6月)世界粮食(包括小麦、粗粮和大米三种主要谷物,下同)产量19.92亿吨,比上年度减产1.2%;消费量20.45亿吨,比上年度增长0.7%;期末库存量3.36亿吨,比上年度减少13.57%;贸易量2.55亿吨,比上年度增长0.7%”｡

“据美国农业部1月预测2007/08年度世界粮食产量、消费量、期末库存量、贸易量分别为20.75亿吨、21.03亿吨、3.09亿吨、2.53亿吨,与上年相比产量、消费量都会有所增加,但库存量继续下降｡”

据我国专家介绍,近几年来,受全球气候因素、生物能源原料消费等因素导致产量下降和需求强劲的影响,国际粮食价格出现较大幅度上升,并持续在高位运行｡2007年以来,小麦价格飞涨112%,大豆猛涨75.1%,玉米上扬47.3%,大米升高3.1%｡进入2008年,国际市场大米价格几乎翻了一倍,价格已达20年最高点｡4月18日主产地东南亚大米超过1000美元/吨｡在国际市场上作为价格基准的泰国大米报价,3月27日涨幅甚至超过30%,达到20年来的最高点｡当前全球的大米库存降至1976年以来的最低点,全球大麦库存降至42年来最低水平,全球油籽库存预计减少22%｡全世界正在经受着一场涨幅大、范围广的粮价暴涨的考验｡

粮食产后损失是世界性的重大问题｡据1992年中国农业大学在我国22个省574个县粮食产后损失抽样调查,我国粮食在收获、储藏、调运、加工、销售、消费中的总损失高达18.12%｡1984年国家粮食储备局成都粮食储藏科研所在8个省、17个县、70余个乡、260户农户调查表明,其虫霉鼠害损失:北方为7%,南方为9%,平均为8%｡1995年四川农业部门对21个县312户农户调查,稻谷、小麦、玉米、豆类虫霉鼠造成的危害率分别为19.49%,40.53%,37.40%,32.60%;重量损失率分别为2.62%,12.72%,10.50%,15.40%｡2008年以来,在国家粮食局的组织下,成都粮食储藏科学研究所又开始了新一轮的农户储粮损失调查工作,本次调查按七个储粮生态区域,采用分层三阶段不等概率PPS系统抽样法及线性系统随机抽样法,共调查全国28个省386个县6176个农户,确定的相对误差为3%,置信概率为95%,本次调查是历届调查中方法最科学、调查范围最广、调查样本最多的一次,目前,调查工作已基本结束,数据正在复核之中｡

据埃及专家A.Tantani Badawi报道,发展中国家收获后损失是一个重要问题,不仅是稻谷,而且包括所有粮食作物收获、打谷、干燥、储藏运输损失达30%至40%｡

据报道,在印度,粮食总产量的70%储藏在农户家中,主要用于口粮,以利用麻袋储藏为主,平均损失率超过6%｡在阿富汗,农户储粮一般采用地下储粮,损失率平均为15%｡

粮食储藏损失是粮食收获后损失的重要组成部分｡不论在我国,还是其它国家,确保粮食安全的根本出路是增加粮食产量｡但是,由于生态环境恶化、土地资源退化、水资源严重短缺、水土流失严重、耕地肥力下降,所以增加粮食总产量和单位面积产量已相当困难｡因此,减少粮食产后损失,特别是减少储粮损失已成为确保粮食安全的重要途径｡以中国为例,粮食总产量以10000亿斤计,若减少产后损失5%计算,每年可少损失500亿斤,超过了陕西、甘肃、青海、宁夏四个西部省区粮食年产量的总和｡以全世界粮食总产量20亿吨计算,若按减少粮食产后损失5%计算,则为2000亿斤,相当于我国粮食总产量的五分之一｡数字警人,触目惊心｡

1 开展世界范围储粮生态系统网络体系研究的必要性

粮食储藏科学是研究在储藏期间,粮食与生态因子(生物因子、非生物因子,下同)相互关系及其变化规律的科学｡粮食储藏技术是为了确保储粮安全,根据粮食储藏科学规律,所采取的措施与方法｡粮食生态学是研究粮食与生态因子关系的科学｡粮堆生态学是研究粮堆与生态因子关系及物质、能量变化规律的科学｡储粮生态学是研究粮食围护结构及其内外有限空间生态因子与粮堆互相关系及物质、能量变化规律的科学｡生态系统概念始于1866年德国海克尔(Erst Haeckel),1965年哥本哈根国际生态会议将生态系统的结构定义为:生态系统=生物群落+环境因素｡我国著名仓库害虫与螨类专家李隆术先生,从1940年代开始从事仓虫生态研究,研究结果已有报道,1970年代以来,又陆续发表《储粮害虫生态》(1979)、《粮堆生态系统》(1982)、《再谈粮堆生态系统》(1986)、《储藏物昆虫生态学》(2000)等著述｡他认为粮堆是一个由多种生物和非生物有机结合,相互联系,具有一定功能的封闭型生态系统,必须全面研究系统内矛盾的多个方面及其联系,包括粮堆内生物群落(虫、螨、霉等)的一般结构、数量特征和分类;它们与其它因子的相互关系;系统的物质转换和能量流动规律等｡通过综合分析、协调管理,才能控制粮堆向有利方向发展｡在我国,利用和控制低温、低湿、低氧等生态条件进行粮食储藏早有研究报道｡但是,将储粮生态系统作为专门学科进行系统研究还是近20年的事｡在借鉴国内《安全学》概念基础上,我国提出“粮食储藏安全学”的概念:主体(粮食)、客体(包括生物的、非生物的)和社会学(技术、管理、成本、效益经济学评价),三者相互联系、互相制约,在其他必要条件支撑下,三者相互协调粮食可以安全储藏｡如图1所示｡

我国专家在借鉴国内外粮堆生态系统研究成就基础上,提出储粮生态系统｡它是一个以粮堆生态系统研究为基础,而又区别于粮堆生态系统新概念｡国外专家认为:“储粮生态系统研究应包括粮堆中各种变量之间的相互关系,以便预计害虫种群动态和发展,及对环境和防治的反应｡”我国专家认为,研究储粮生态系统不仅要考虑围护结构内粮堆中变化规律,还应考虑围护结构外一定空间内生态因子、储藏工艺和管理措施等对围护结构、粮堆及其内部各种生态因子的影响｡基于上述考虑,结合我国大规模建设储备粮库和储粮的成功经验,我国提出建立“中国储粮生态系统理论体系”,它包括6个方面:①中国储粮生态地域合理划分;②不同地域围护结构(仓型)合理选择与设计;③不同地域、不同仓型粮仓机械和确保储粮安全专用机械合理配置;④不同地域、不同仓型储存不同粮食合理的储藏工艺和最佳的经济运行模式;⑤合理的管理、成本、效益的经济学评价;⑥合理的储粮安全的技术评价体系｡这里所指系统是指若干相互联系、相互制约的要素组成的具有一定结构和功能的有机整体｡所指理论是指通过实践概括出有系统的结论｡所指体系是指有关事物互相联系、相互支撑构成的整体｡储粮生态系统理论体系是指相互联系、相互支撑六个方面从理论和应用上的整体集成｡我国在“十五”期间,南京财经大学、河南工业大学、国家粮食储备局成都粮食储藏科学研究所,广东、辽宁等省粮食科研所几十位专家一道开展储粮生态系统研究,取得一批有价值的研究成果｡实践证明,储粮生态系统理论是指导我国不同地域安全储粮的科学依据｡2008年发布的《粮油储藏技术规范》就是以此作为依据制定的｡储粮生态系统理论体系在我国提出时间毕竟尚短,有待进一步完善｡但是,它在指导粮食储藏、减少储粮损失方面已经开始发挥应有作用｡

在世界范围内研究储粮生态系统是一个十分紧迫、十分复杂的技术问题｡我们要认真总结一万年以来人类储藏粮食的宝贵经验;认真借鉴人类近百年来,特别是近40年来粮食储藏科研成就;认真借鉴中国、加拿大等国粮堆生态系统研究成果,通过开展“世界范围储粮生态系统网络体系研究”,各国储粮生态系统专家、学者,群策群力努力工作,才能为世界降低粮食产后损失,特别是储粮损失做出应有贡献｡如前所述,当今世界粮食总产量增长迟缓、粮食库存下降、消费量增加、粮价飞涨、损失严重｡因此开展该项目研究“救世界饥民于水火、解世界既粮食严重匮乏,又损失十分惊人之倒悬｡”具有十分迫切的重要意义｡

2 关于世界储粮生态系统网络体系研究的构想

2.1 目的

建立世界储粮生态系统网络体系的根本目的在于运用人类已有粮堆生态系统研究成就,更好地认识世界储粮生态地域合理区划、不同生态地域围护结构合理设计、不同地域、仓型储藏不同粮种合理储藏工艺和专用设备的合理配置,更好地认清世界不同储粮生态地域造成粮食产后和储藏过程中数量损失和质量损失的关键,为减少上述损失提供有价值的实用方法和途径,为世界粮食安全做出贡献｡

2.2 功能

建立世界储粮生态系统网络体系主要功能:

1、建立储粮生态系统研究信息库、积累研究成果,资源共享;

2、建立储粮生态系统研究合作和学术交流平台,充分发挥参加网络的有关国家研究部门和团体等智力资源;

3、开展远程咨询、服务和示教;

4、寻求各国政府、世界上有关粮食储藏团体、机构和个人对开展粮食产后减损研究经费上给予有力支持｡

2.3 框架

世界储粮生态系统网络体系的搭建是内容浩繁、技术复杂的系统工程,既包括技术又包括经济;既包括应用基础探讨,又包括应用技术实践｡我们认为该体系框架至少应包括以下四个板块:粮食生态学研究板块,粮堆生态学研究板块,储粮生态学研究板块,储粮生态学远期研究板块｡

上述四个板块研究工作,在已有基础上,由简到繁、由近到远、循序渐进｡现将四个板块研究设想分别介绍于后:

2.3.1 粮食生态学研究板块(粮食的特性、品质+生态因子)

2.3.1.1 揭示不同生态因子对粮食特性、品质的影响｡现以表格形式概略地描述研究内容架构(见表1)｡

(1)不同粮种、类别散落特性,粮食中杂质种类、形状、大小、轻重、含量与自动分级关系;

(2)粮粒大小、形状、光滑程度与静止角关系,与仓壁侧压力关系;

(3)不同粮种、不同含水量对静止角影响;

(4)不同粮种、不同水分、不同温度在不同材料上的滑动性能(自流角);

(5)不同粮种、类别的比重、容重和孔隙度;

(6)不同粮种导热速度、生态条件对其影响;

(7)不同粮种导热系数(W/m·K)、导温系数(m²/h)、比热(kJ/kg·K)和热容量;

(8)不同粮种吸附性能(比表面、表面活性),不同温度、压力对吸附与解吸的影响;

(9)不同粮种籽粒组织结构、化学成分对吸附能力、速度影响,被吸附气体的性质、压力、温度对总吸附量的影响;

(10)不同粮种吸湿与水分活度的关系;

(11)不同粮种呼吸强度、呼吸系数与储粮温度、水分关系,对储粮稳定性的影响;

(12)不同粮种籽粒休眠原因和控制籽粒休眠机理的探讨;

(13)不同粮种后熟期测定,籽粒在后熟期间生理、生化变化,影响后熟的生态因子及控制途径;

(14)不同储藏生态条件对不同粮种几种主要营养成分,在储藏过程变化的影响;

(15)不同储藏生态条件对不同粮种几种生理活性物质,在储藏期间变化的影响｡生理活性物质变化与储粮稳定性的关系;

(16)不同粮种在不同储藏条件下,不同技术措施处理后,品质(工艺品质、食用品质、种用品质、饲用品质)变化研究,品质评价体系的完善、提高;

(17)粮食籽粒结构与抵御虫霉为害;

(18)某种化学成分缺失与耐储性的关系;

(19)应用生物技术揭示储粮品质劣变机理,探讨提高耐储性的可行途径｡

2.3.2 粮堆生态学研究板块(粮堆+生态因子)

揭示粮堆特性,不同生态因子、不同技术处理与管理措施对粮堆特性和粮食品质影响;揭示粮堆物质、能量传递过程｡

2.3.2.1 粮堆特性包括粮堆力学特性,粮堆热特性(传导传热、对流传热、辐射传热),粮堆吸附特性(物理吸附、化学吸附),粮堆吸湿特性(吸附与解吸),粮堆声学特性,粮堆电磁特性,粮堆湿热气体扩散和其它气体流散特性,粮堆中储粮害虫、螨类区系、分布和种群消长特性,粮堆中储粮微生物区系、分布和演替特性,粮堆中真菌毒素发生、为害和去除特性｡

2.3.2.2 不同生态因子和技术处理、管理措施对粮堆与粮食品质影响,如示意图2所示｡

2.3.2.3 基于对上述粮堆特性和不同技术处理对粮食品质影响分析,现列举题例如下｡

(1)研究粮食籽粒和粮堆摩擦特性,研究粮仓动、静荷载与粮堆力学特性的关系;

(2)研究粮堆中生物因子(某些有害生物发生、繁育、为害)与非生物因子的关系;

(3)研究粮食在生长期间受到虫霉侵害对储藏期间品质变化的影响;

(4)研究粮堆中热量、水分、气体传递的数学模型;

(5)研究粮堆中各种气体扩散、循环和化学熏蒸剂扩散、降解模型;

(6)研究粮堆热杀虫的热传递方式;

(7)研究粮堆中防治储粮害虫和控制霉菌生长气体组成、气体结合压力突变对虫霉防治效果影响;

(8)研究粮堆迅速冷却、非迅速冷却和不冷却对储粮害虫抗性发展的影响;

(9)研究缺氧对品质变化的影响,为防止气调仓启封后品质迅速劣变,研究控制粮仓温度、粮食水分和气体浓度的方法;

(10)在不同储粮生态条件下,粮堆施用化学熏蒸剂、化学保护剂、植物性杀虫剂对粮食品质的影响;

(11)电离辐射杀虫,不同剂量和不同剂量率对粮食品质的影响,我国主要储粮害虫防治的有效剂量,某些鳞翅目储粮害虫不孕剂量、不完全不孕剂量的研究;

(12)不同烘干技术对玉米、稻谷等粮种食用品质、工艺品质、种用品质、饲用品质的影响｡热力干燥造成的籽粒损伤对粮堆稳定性的影响｡过度干燥对粮食食用品质、工艺品质的影响;

(13)不同粮种、不同通风技术(通风降温、降水速度等)对粮堆稳定性和品质的影响｡粮堆合理通风降温、降水数学模型;

(14)现代化技术管理措施对粮堆稳定性的影响;

(15)不同储粮生态条件,粮种、仓型使用谷物冷却系统对储粮品质的影响｡

2.3.3 储粮生态学研究板块

2.3.3.1 研究储粮围护结构外的有限空间环境生态、实施的处理技术与管理措施对储粮围护结构及其粮堆、生态因子的影响,如示意图3｡

根据储粮安全学理论, 绘制出储粮安全技术控制体系, 如图4所示。

2.3.3.2 研究世界范围储粮生态系统,前无古人｡我们建议参考、借鉴中国已建立“储粮生态系统理论体系”的思路,率先开展以下研究工作｡

(1)世界储粮生态区域合理划分的研究

要根据世界各洲气候、水文、地质,特别是年积温、年平均气温、年平均相对温度,每年最高、最低温度,最高、最低相对湿度,主要种植作物种类、种植期、收获期、当地耕作制度,风能、太阳能可利用情况,主要储粮害虫、螨类、储粮微生物为害状况进行科学合理区划,为储粮和建仓提供有价值的参考｡

(2)世界不同储粮生态地域围护结构的合理选择与设计

要根据世界不同储粮生态地域特点;根据围护结构使用材料的力学和湿热传导特性;根据常年储藏的主要粮食种类;根据其主要功能和用途对围护结构种类、类型、使用材料等作出合理、科学的分析判断｡当然还应包括储粮围护结构合理布局,现代粮食物流技术与装备合理配置｡

(3)同储粮生态地域,不同围护结构中储藏不同

粮种合理储粮工艺的选用和相应专用技术装备配置事实上世界各洲各个国家综合技术、经济实力各异,物质条件各不相同,怎样就地取材、因地制宜做出储藏工艺合理设计与选择,最佳经济运行模式等均需深入研究思考｡

(4)不同储粮生态地域储粮安全的技术与经济评价体系

评价体系应有所创新｡各洲、各国不拘一格,充分运用已有经验和研究成就不断积累完善｡通过世界各国专家共同不懈努力,为创建“世界粮食储藏工艺学”、“世界粮食储藏经济学”奠定基础｡

2.3.3.3 设想的题例:

(1)世界储粮生态地域划分的依据和结果;

(2)世界湿热地带、干热地带、温带储粮害虫区系、分布、种群演替规律;

(3)世界不同储粮生态地域危害粮食微生物(真菌、细菌、放线菌、酵母菌)区系调查、消长规律的研究;

(4)世界不同储粮生态地域真菌毒素及次级代谢物的种类、为害程度及毒素去除技术;

(5)世界不同储粮生态地域危害储粮的鼠类调查;

(6)世界不同储粮生态地域主要粮种收获时粮食水分含量,当地高水分粮种类、数量;

(7)世界不同储粮生态地域平均气温、平均相对湿度,各地每年内低于0℃和低于5℃日数,常年平均温度、平均相对湿度;

(8)世界不同储粮生态地域热力干燥设备的种类和配置情况;

(9)世界不同储粮生态地域防治储粮害虫化学熏蒸剂、保护剂研究应用情况;

(10)世界不同储粮生态地域几种主要储粮害虫对几种主要化学杀虫剂抗性增长情况,交互抗性发生情况;

(11)世界不同储粮生态地域应用物理方法(热、冷、气调、高CO₂或低O₂、辐射、惰性粉、干燥、撞击、筛理、阻隔等)研究应用情况;

(12)不同储粮地域防治储粮害虫植物性活性物质触杀、趋避、拒食等研究应用情况;

(13)不同地域、不同仓型防治储粮害虫化学信息物质研究应用情况;

(14)不同储粮生态地域防治储粮害虫专家系统、储粮虫霉检索查询系统、储粮技术与管理咨询服务系统、粮食运输虫霉为害远程监测系统、远程示教系统研究应用情况等;

(15)应用氮气和二氧化碳等气调储粮效果、成本、效益全面评价;

(16)世界不同储粮地域围护结构合理设计,工程力学和工程材料特性研究情况;

(17)中国不同储粮生态地域适度规模经营农户储粮装备研究设计,怎样实现清理、检斤、储存杀虫、通风、运输组合配套;

(18)中国不同储粮生态地域储粮围护结构如何防止极端自然灾害(地震、雪灾、风灾、水灾)和重大生物灾害(鼠害、外源毁灭性储粮害虫、外源毁灭性粮食真菌侵入);

(19)成品粮低温运输、储藏、加工、销售链接;

(20)世界不同国家粮食绿色生产、加工、储藏、运输、消费一体化(绿色一条龙)研究应用｡

2.3.4 储粮生态学远期研究板块

根据未来粮食储藏发展需要(特别是数量安全、质量安全、卫生安全、生态安全)和国际相关研究动向,从最大限度保护和利用人类食物资源、最大限度保护和改善人类生存环境、最大限度改善和提高人类生存质量出发,站在人类“生物圈层”和“技术圈层”相协调的高度,必须重视“自然生态系统与工程技术系统相协调”｡粮食储藏科学必须以可持续发展战略为指导,坚持正确的科技发展方向｡根据储粮生态系统理论发展“生态储粮”(利用和控制对储粮品质有利生态条件,达到安全储粮目的)将是长期研究战略任务｡为此,今后世界储粮生态系统网络体系首先任务是创立“世界储粮生态系统理论体系”,为世界粮食产后减少损失做出贡献｡此外,我们设想在以下四个方面开展研究工作｡

2.3.4.1 储粮化学生态学研究｡研究储粮生态系统中粮食与其它生物因子之间、生物因子之间(生物种内和种间)关系,发挥作用的天然化学物质结构、功能及其对储粮安全影响的科学｡

2.3.4.2 储粮数学生态学研究｡研究储粮生态系统中粮食与生态因子之间关系、各生态因子之间关系以及在储藏过程中物质与能量变化关系,以数学形式表达的科学｡

2.3.4.3 储粮工程生态学基础研究｡工程生态学与生态工程学是两个不同概念｡1989年俄罗斯N.N.Ma3yP著有《工程生态学概论》,后者创建时间较早,1962年美国的H.T.Odum首先使用生态工程(Ecological Engineering)概念｡我国生态工程的概念是已故生态学家马世骏先生1979年首先倡导的｡定义为:“生态工程是应用生态系统中物种共生与物质循环再生原理,结构与功能协调原则,结合系统分析的最优化方法,设计的促进多层多级利用物质的生产工艺系统”｡

根据胡孟春等著《工程生态学》介绍,“工程生态学是生态学在工程规划、建设、管理领域的具体应用,是属应用生态学范畴,是生态学的一门技术应用学科｡研究对象是自然-技术系统｡研究自然生态系统与工程技术系统的协调性｡”

储粮工程生态学是国内外尚未创建的学科,是工程生态学的一个分支,在储粮工程的规划、建设、管理领域应用｡它重点研究储粮自然生态系统与工程技术系统的协调性,使工程技术系统与储粮生态系统相协调,以确保储粮的稳定性｡大约五十年前,我国由于缺乏储粮工程生态学指导,将适用于寒冷地带苏式很矮平房仓由黑龙江一直向南建到海南岛,是一个值得吸取的历史教训｡现介绍N.N.Ma3yP工程生态学的学科体系构成框图(见图5),以作参考｡

2.3.4.4 储粮生态与营养健康｡储粮生态系统研究不仅是探明储粮与生态因子的关系,物质和能量流动规律,减少粮食产后损失包括储藏损失,最重要任务是保障人类营养与健康,要通过对生态因子的控制和工程生态实施管理,促使自然生态系统与工程技术系统的协调,更多地利用自然能源,增强粮食储藏稳定性,延缓粮食品质劣变,保持粮食应有品质和口感,保障人类的营养与需要｡

3 世界储粮生态系统网络体系搭建和开展合作研究的设想

本节主要针对如何搭建储粮生态网络体系和开展合作的具体措施等进行阐述,经权衡暂略｡