基于情景分析的猪粪管理温室气体减排效应研究

卜楚洁，秦 军*，王 灿

(1.贵州大学 喀斯特重点实验室，贵州 贵阳 550025；2.清华大学 环境学院，北京 100089)

畜禽粪便管理会产生大量的温室气体并导致一系列严重的环境问题。目前中国养殖着全球近一半的生猪[1]，猪粪管理产生的CH4和N2O分别占到全国畜禽粪便管理产生CH4和N2O的76%和32%[2]，因此猪粪管理的温室气体减排成为当前重要问题。

猪粪管理方式主要包括堆肥、沼气池、散施等。有研究表明，将全国落后的猪粪管理方式全部进行改进后将产生巨大的温室气体减排效益，因此技术进步成为当前猪粪管理温室气体减排的重要手段[2]。文献调研结果显示[3,4]，不同养殖规模的养殖户倾向于选择不同粪便管理方式，传统农户散养模式中猪粪基本作为有机肥还田，而规模户大多使用沼气工程管理猪粪。由于不同规模养殖户猪粪管理方式有明显区别，而不同猪粪管理方式带来的温室气体排放差异显著，因此生猪规模化程度会直接影响猪粪管理规模效应进而影响温室气体排放。很多学者通过构建模型，识别出一系列影响生猪养殖规模化程度的因素。研究者利用生猪规模养殖指数和计量模型[5]、Logistic模型[6]和基于DEA的Manquist指数[7]等方法分析影响生猪规模化因素。结果显示资源禀赋状况、经济发展水平、散户个体特征、人口增长、技术进步等因素对生猪规模化均有不同程度的影响。然而目前对猪粪管理规模化趋势的预测，以及分析规模效应和技术进步带来的温室气体减排的研究尚不多见。

本文选取湖北省的猪粪管理数据进行分析。湖北省是中国重要的生猪养殖基地，根据相关政策要求，该地区需要加快生猪粪便综合利用进程，尽快推进生猪养殖的转型升级，因此分析湖北省规模效应和技术进步对猪粪管理减排效应的影响十分重要。在规模效应方面，本文根据文献调研结果选取城市化率、农村居民高中文化占比、生猪出栏比和环境规制系数，并结合湖北省规模化猪粪管理系数在全国的具体情况，选用了相关统计数据进行实证分析，预测了湖北省在2025年猪粪管理规模化程度。在技术进步方面，本文在现有猪粪管理排放因子的基础上，将猪粪在猪舍内收集过程、运输过程、还田过程和避免过程产生的温室气体排放纳入考虑，核算了更完善的猪粪管理排放因子。最后，本文通过情景分析来研究猪粪管理的规模效应和技术进步对温室气体的影响，以期为湖北省相关政府部门制定生猪养殖粪便污染治理政策提供理论支持。

1 研究方法及数据来源

1.1 规模化猪粪管理预测模型

由于人口增长与经济社会发展对猪粪管理规模有不可忽视的作用，因此本文选取城市化率(a)作为解释变量，城市化率代表当地人口增长与经济社会发展指标。农户个人基本特征会影响生猪养殖规模进而影响规模化猪粪管理，其中拥有较高文化水平的养殖户更愿意进行规模化生猪养殖提高财富收益[8]，因此本文选取农村劳动力高中文化占比(b)代表当地居民个体特征。稳定的省域生猪产业基础对扩大生猪养殖规模有一定的优势，通常生猪出栏比高的地区具有较成熟饲养体系，本文选取生猪出栏量占比(c)代表当地生猪市场及产业基础[9]。环境规制是影响猪粪管理规模扩大的重要原因，因此本文选取环境规制系数(d)代表当地环境规制强度，环境规制系数参考周建军等[10]研究方法，计算公式为：

(1)

式中Enviro为环境规制系数；GDP地区生产总值；area表示地区面积。

本文借鉴《中国畜牧业年鉴》的分类方式，将生猪养殖的猪粪管理分为年出栏1～49头的散户猪粪管理和年出栏50头以上的规模户猪粪管理。为了表征猪粪管理的规模变化，本研究将当年规模化猪粪管理系数作为被解释变量并记为y。计算公式如下：

(2)

根据影响因素分析，城市化率(a)、农村居民高中文化占比(b)、生猪出栏比(c)和环境规制系数(d)对规模化猪粪管理系数(γ)在一定程度上有影响。利用以下模型检验假设:

lnγ=α+β1lna+β2lnb+β3lnc+β4lnd+ε

(3)

由于湖北省规模化猪粪管理系数在全国排名较为靠后，在考虑数据可得性的情况下，本研究选用了2007～2012年规模化猪粪管理系数排名后15个省市的面板数据进行实证分析，并使用实证分析结果构建的模型预测湖北省2006～2016年规模化猪粪管理系数并与实际情况进行比较，若拟合效果较好，使用该模型预测湖北省在2017～2025年猪粪管理规模化程度。

1.2 温室气体减排估算模型

猪粪管理中的温室气体减排潜力用优化前后温室气体排放量的差值表示：

Ζt=ΖAt-ΖBt

(4)

式中Ζt为t年猪粪管理优化带来的温室气体减排量(万吨/年)；ΖAt为t年猪粪管理优化前温室气体排放量；ΖBt为t年猪粪管理优化后温室气体排放量，其中：

Ζt=DSt×EFSt+DGt×EFGt

(5)

式中Ζt为猪粪管理温室气体排放量(万吨/年)；EFSt为t年散户猪粪管理温室气体排放因子(CO2-eqkg/头·年)，EFGt为t年规模户猪粪管理温室气体排放因子(CO2-eqkg/头·年)；DSt为t年散户生猪出栏量(万头)，DGt为t年规模户生猪出栏量(万头)。

(6)

(7)

式中Ht为t年生猪养殖户总数(户)；IS为t年单个散户生猪出栏量(万头)，IG为t年单个规模养殖户生猪出栏量(万头)；γ为规模化猪粪管理系数，则有：

Dt=DSt+DGt

(8)

式中Dt为t年生猪出栏数。

EF=34×EFCH4+298×EFN2O

(9)

式中EF为猪粪管理温室气体排放因子(CO2-eqkg/头·年),EFCH4为猪粪管理甲烷排放因子，EFN2O为生猪粪便管理氧化亚氮排放因子，IG和IS根据历史数据进行估计,分别取值为0.027 9和0.000 3。

1.3 情景设定

猪粪管理的规模效应以及技术进步均能降低温室气体排放，据此本文设定如下四种情景研究规模效应与技术进步对温室气体的减排潜力：不考虑猪粪规模效应和养殖户猪粪技术进步的情景Ⅰ，仅考虑猪粪管理规模效应情景Ⅱ，仅考虑养殖户猪粪管理技术进步情景Ⅲ，以及综合考虑猪粪管理规模效应和养殖户猪粪管理技术进步情景Ⅳ，未来上述四种情景的组合如表1所示。

表1 四种情景组合Tab.1 Four scenario combinations

1.4 数据来源

不同规模养殖场户数及生猪出栏能力数据主要来自于《中国畜牧兽医年鉴》，地区生产总值、城市化率数据来自《中国统计年鉴》，农村居民高中及以上文化程度劳动力占比数据来源于《中国农村住户调查年鉴》和《湖北农村统计年鉴》。所有数据结果由统计软件Stata15.0分析而成。

2 结果分析与讨论

2.1 规模效应对猪粪管理的影响分析

由规模化猪粪管理系数预测模型估计结果可知，社会发展方面，城市化率(lna)与生猪养殖规模化系数正相关，其每升高10%会导致养殖规模扩大3.89%；省域环境规制强度方面，环境规制系数(lnd)与生猪养殖规模化系数正相关，其每升高10%会导致养殖规模扩大0.23%；生猪出栏占比(lnc)和农村劳动力高中文化占比(lnb)均与生猪养殖规模化系数无明显相关性。

本文使用实证分析结果构建模型，预测了湖北省2006～2016年规模化猪粪管理系数并与实际值进行比对分析，结果如图1所示，除2015年以外，拟合值与实际值的相对误差基本随着时间的增长逐渐减少。由于实证分析预测值与实际的历史数据拟合程度较好，因此本文采用该计量模型预测2017～2025年湖北省生猪养殖规模化系数。

图1 2007～2016年湖北省规模化猪粪管理系数实际值及拟合值对比Fig.1 Comparison of actual and fitted values of scale pig manure management coefficient in Hubei province from 2007 to 2016

2017～2025年湖北省城市化率采用李善同等[11]设计的研究方法进行预测，环境规制系数采用ZHANGl研究结果[12]进行计算，2017～2025年农村劳动力高中文化占比则根据湖北省历史数据趋势进行预测。本文2017～2025的生猪出栏量占比以湖北省2016年生猪实际出栏量为基础，运用孙振等[13]预测的全国生猪出栏量进行计算。通过(3)式得出2017～2025年湖北省规模化猪粪管理系数预测值后，可计算出湖北省每年不同规模养殖户的生猪出栏量，结果如图2所示。

规模效应预测结果显示，到2025年湖北省规模化猪粪管理系数预计达到0.06左右，此系数在2016年全国规模化猪粪管理系数中可排名第17位，这表明到2025年湖北省猪粪管理规模化进程依然具有较大的增长潜力。假设湖北省规模效应排名每年往前推进一位，则湖北省2017～2025年规模化猪粪管理系数可由全国排名第17位推进到第9位，推进规模化后2017～2025年湖北省不同规模养殖户生猪出栏量变化如图2所示。

2.2 技术进步对猪粪管理的影响分析

2.2.1常规猪粪管理现状及其排放因子核算

2016年湖北省不同规模猪粪管理方式选用杨璐等[4]调研结果，根据IPCC(2006年)中粪便管理甲烷与氧化亚氮排放因子计算方法，分别计算散户猪粪管理与规模户猪粪管理的甲烷及氧化亚氮排放因子，并与《低碳发展及省级温室气体清单编制》[14]的中南地区猪粪管理甲烷与氧化亚氮排放因子推荐值进行比较。比较结果显示两种方法核算出的排放因子差别不大。鉴于使用IPCC方法可以将2016年湖北省猪粪管理实际情况纳入考虑，因此本研究采用IPCC方法对其温室气体排放量进行估算。结果显示，在不考虑猪舍内处理、运输、及避免过程的情况下，湖北省2016年猪粪管理产生的温室气体排放量在11 776.2万吨，如表2所示。

图2 推进规模化前后2017～2025年湖北省不同规模养殖户生猪出栏量对比Fig.2 Comparison of pig output from different scale farmers in Hubei province between 2017 to 2025 before and after the promotion of scale

表2 2016年IPCC方法和省级温室气体清单方法核算的排放因子及温室气体排放Tab.2 Emission factors and greenhouse gas emissions calculated by IPCC method and provincial greenhouse gas inventory method in 2016

2.2.2HTE过程的猪粪管理现状及其排放因子核算

本文在IPCC核算方法基础上，将猪舍内粪便收集过程、运输过程、避免无机肥(硝酸铵)使用过程及避免能源(热能和电能)生产过程纳入核算，将这一系列过程简称为“HTE”过程(House-to-Energy)纳入温室气体排放因子的核算。猪舍内处理过程分为固液分离和深坑储存，其中，采用堆肥及固体储存的养殖户猪舍内处理过程为固液分离，其余养殖户猪舍内处理过程为深坑储存。本文假设运输路线为3 km，还田避免的无机肥量采用无机肥同效当量(MFE)进行核算，固态粪便、沼渣沼液和堆肥的无机肥同效当量分别为65%、75%和45%。能源生产过程产生的环境效益参考YUAN等[15]研究结果。本文以1吨猪粪经传统堆放还田产生无机肥环境效益作为其他猪粪管理方式产生无机肥环境效益的参考，完善其他过程后的2016年湖北省温室气体排放因子结果如表4所示。将HTE过程纳入核算后，湖北省2016年猪粪管理产生的温室气体排放量为2 517.25万吨，与不考虑其他过程的猪粪管理温室气体排放量相比其排放量增加了1 341.05万吨。

表3 2016年ETH过程的排放因子及温室气体排放Tab.3 Considers emission factors of other processes and greenhouse gas emissions in 2016

2.2.3技术进步前后的猪粪管理及其排放因子核算

随着规模户生猪出栏量在未来逐渐提升，猪粪综合利用的比例也逐步提高。根据《发展规划》的相关要求，本文假设猪粪管理技术进步前，未来散户和规模户猪粪综合利用比例在2016年基础上分别以每年5%和1%的速度增加，预计到2023年所有散户和规模户都将实现100%猪粪综合利用。

根据《发展规划》的分类，处于中南地区的湖北省属于约束生猪养殖发展的地区及南方水网地区，该地具有耕地面积小、环境负荷高、生猪养殖规模化程度高、区域经济发达等特点。《畜禽粪污资源化利用行动方案(2017～2020年)》对湖北省猪粪管理中的技术进步提出了更高的要求，本文针对技术进步后的规模户设计了“粪便能源化利用”和“污水肥料化利用” 相结合的猪粪综合处理模式。该综合模式对生猪规模养殖场粪便集中收集后，通过固液分离、沼气工程、有机肥还田和热电联产过程对猪粪进行管理。如图3所示，养殖户首先将猪舍内的粪便收集并固液分离，其中固体粪便采用室外储存，液态粪便流入厌氧发酵池进行反应并产生沼气、沼渣和沼液。通过热电联产，沼气产生的热能和电能供生猪养殖场日常使用，沼渣和沼液经过好氧发酵后连同固态粪便可作为有机肥再次还田利用，本文在YUAN等[15]相关处理模式研究的基础上核算其排放因子，并假设该技术以每年10%的速度在规模户中增长。

结果显示，规模户猪粪管理技术进步后，考虑其他过程的猪粪管理温室气体排放因子可由原来437.6(CO2-eqkg/头·年)降至122.9(CO2-eqkg/头·年)。其中N2O排放因子技术进步后明显上升，主要是由于固态粪便堆放及大规模还田导致的，规模户猪粪管理CH4排放因子在技术进步后有明显下降，这是由于技术进步后的粪便管理方式均采用固液分离的方法收集猪舍内粪便，而固液分离方式相较于目前大规模应用的深坑储存方式能显著降低猪舍内CH4排放。此外，避免过程(沼气产生的热能和电能以及沼渣沼液的无机肥同效当量)对于猪粪管理排放因子核算有显著影响。在不考虑避免过程的情况下，规模户技术进步后猪粪管理CH4排放因子为42.4(CO2-eqkg/头·年)，N2O排放因子为117.5(CO2-eqkg/头·年)。而充分考虑避免过程情况下，规模户技术进步后猪粪管理CH4排放因子无显著变化，但是沼渣沼液的还田避免了一部分无机肥的使用，因此N2O排放因子降为46.3(CO2-eqkg/头·年)。

2.3 规模效应、技术进步及其协同效应减排潜力情景分析

在上述核算了常规猪粪管理以及ETH过程猪粪管理产生的温室气体排放基础上，本文选择ETH猪粪管理方式产生温室气体的结果，分析2017～2025年间不同情景下湖北省猪粪管理产生的温室气体排放量，结果如图4～6所示。

表4 2025年ETH过程猪粪管理技术进步前后的排放因子Tab.4 Emission factors before and after the improvement of pig manure management technology in 2025

图3 规模户技术进步后猪粪综合处理模式(ETH视角)Fig.3 Farming scale comprehensive treatment mode of pig manure after technical progress

图4 湖北省2016～2025情景Ⅱ猪粪管理温室气体排放Fig.4 Greenhouse gas emission management of pig manure in the 2016 to 2025Ⅱscenario in Hubei province

在情景Ⅰ下，未来湖北省生猪粪便管理产生的温室气体将从2016年2517.25万吨CO2-eq减少到2020年1822.78万吨CO2-eq，并继续减少到2025年1 589.91万吨CO2-eq。相比于情景Ⅰ，2020和2025年在情景Ⅱ中温室气体排放分别减少了3.59%和1.04%，未来散户生猪出栏量逐渐递减，是温室气体排放减少的主要原因，在不改变猪粪管理技术的

图5 湖北省2016～2025情景Ⅲ猪粪管理温室气体排放Fig.5 Greenhouse gas emissions from pig manure management under the 2016 to 2025 scenario Ⅲ in Hubei province

图6 湖北省2016～2025情景Ⅳ下猪粪管理温室气体相对于情景Ⅰ的减排量Fig.6 Hubei province 2016 to 2025 under the scenario Ⅳ pig to regulate greenhouse gases relative to the scenarioⅠemission reductions

前提下，规模效应对减少温室气体排放有正向作用。相比于情景Ⅰ情景，2020年和2025年的情景Ⅲ情景中温室气体排放分别减少了23.28%和56.19%，规模户猪粪管理改进后减排CH4是温室气体排放减少的主要原因，技术进步对温室气体排放的减少有正向作用。相比于情景Ⅰ情景，2020年和2025年的情景Ⅳ情景中温室气体排放分别减少了29.94%和63.79%，规模户出栏量的增加以及其猪粪管理的改进，共同促进了温室气体的减排。很显然，规模效应与技术进步的协同效应要优于单独推行一种政策。

不同温室气体减排潜力的构成存在差异。情景Ⅰ情景下，基年到2025年CH4占据了绝大部分温室气体排放，但其中散户的CH4排放在CH4总排放的占比从36.33降到了30.33%，这是由于规模户CH4排放因子较小，而规模效应逐渐增大导致的。情景Ⅱ情景下的规模效应增加得更加明显， 2025年情景Ⅱ情景下散户CH4排放量在CH4总排放的占比降到了11.02%。在情景Ⅲ情景下，通过规模户猪粪管理的技术进步，特别是对猪舍内粪便处理的改进，使2025年规模户CH4排放量降到了基年的10.81%。技术进步后的猪粪管理在室外储存及还田过程在中产生了较多的N2O，导致2025年情景Ⅲ下规模户N2O排放量是基年N2O排放量绝对值的6.31倍，但由于规模户CH4排放量占其基年温室气体排放量远大于N2O，因此情景Ⅲ情景下温室气体减排效应明显。相比于情景Ⅱ和情景Ⅲ，情景Ⅳ的猪粪管理在规模效应和技术进步的协同作用下，规模户猪粪管理的减排效应明显增大，最终得到了良好的温室气体减排效果。

3 结论

猪粪管理的温室气体减排是畜牧业温室气体减排的重要组成部分，其中猪粪规模效应和猪粪管理技术会产生极大的影响，本文通过研究发现：

(1)城市化率和环境规制系数的提升对规模效应有正向作用，随着湖北省城市化的推进和环境规制的提升，2017～2025年猪粪管理规模化程度预计会继续扩大。

(2)猪舍内处理过程产生的温室气体排放量会极大地影响猪粪管理排放因子，所以这部分温室气体排放量在核算猪粪管理产生的温室气体时不能忽略。避免过程通过避免使用无机肥和避免生产热能电能达到温室气体减排的目的，减排效果明显。以规模户技术进步后的猪粪综合处理模式为例，避免过程的温室气体减排量在其温室气体排放总量中占比高达30%，因此在温室气体排放核算中必须考虑避免过程对温室气体的影响。

(3)湖北省2025年规模效应预计能实现约1.04%的温室气体减排，技术进步在2025年预计能实现56.19%的温室气体减排，规模效应和技术进步叠后加在2025年预计能实现约63.79%的温室气体协同减排。结果表明，猪粪管理技术进步的减排效果高于规模效应，未来应重点改进养殖户的粪便管理技术，特别是在猪舍粪便收集阶段，应大规模普及固液分离系统。