规模化立体生猪养殖系统环境影响评价

方志聪，呼和涛力，袁汝玲，吴 丹，黄 鑫，于自溪，雷廷宙，陈 勇

(1.常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164；2.常州大学城乡矿山研究院，江苏 常州 213164；3.河南金冠电力工程有限公司，河南 南阳 474350；4.中国科学院广州能源研究所，广东 广州 510651)

中国是养猪业大国，2020年全国生猪存栏量达到40 650万头[1]，约占世界存栏量的55.78%。按每头猪占2 m2养殖土地[2]估算，我国现有生猪养殖占地面积达8.13万hm2，同时每年排放的畜禽粪污量达48亿t[3]。基于我国人多地少的国情，有效提高土地利用效率，减少农业用地占用，同时，对大量养殖废物粪污进行集中处置并将其作为生物质资源加以高效利用已成为现代农业发展的重要方向[4]。规模化立体养殖模式可有效利用高层空间，充分挖掘土地潜力，提高单位土地面积养殖量[5]，且具有便于管理、疫病易于防控、节约资源等优点[6]。北京市采用智能化养猪模式，建设“5S智慧猪场”来提升生物安全等级[7]，年出栏生猪12万头(平均占地面积为0.81 m2·头-1)。河南省建立21栋6层楼房猪舍，打造“饲料-生猪-屠宰”一体化的全产业链，年生猪出栏量可达210万头[8]，平均占地为0.86 m2·头-1。为适应我国农业用地面临的新需求，2019年自然资源部和农业农村部联合印发《关于设施农业用地管理有关问题的通知》[9]，明确了养殖设施允许建设多层建筑，这为发展立体养殖模式提供了政策支持。

随着集约化、立体化养殖模式的推广，生猪养殖过程中所造成的环境影响逐渐成为关注的焦点[10]。目前，多采用生命周期评价(life cycle assessment，LCA)方法衡量生猪养殖潜在的环境影响，该方法是一种对产品、过程以及活动的环境影响和能源消耗进行评价的客观过程[11]。在生猪养殖的环境影响评价研究中，酸化潜力(acidification potential，AP)、富营养化潜力(eutrophication potential，EP)和全球变暖潜力(global warming potential，GWP)是最常用的环境影响评价指标。以往研究在识别生猪养殖全系统所引起的环境问题中，采取对比多种养殖模式的方法，如不同养殖规模的对比，以期寻找对环境影响最小的养殖系统[12-16]。如BAVA等[16]在意大利北部的 6 个集约化养猪场进行从摇篮到农场的生命周期评估。结果表明，规模最大、效率最高的农场(每头母猪的活重)每公斤活重的影响潜力远低于效率较低的农场产生的影响潜力。另有研究主要针对生猪养殖过程中饲料生产、生猪养殖、粪污处理等工序进行生命周期评价，分析得出高环境影响潜力的阶段，并对此机制进行优化提升以降低其环境影响[17-19]。如惠晓红等[19]利用 Eco-indicator99 生态指数法环境影响评价指标体系对湖北省集约化生猪养殖系统的环境影响进行评估。结果表明，重要环节对环境影响的大小依次为饲料消耗、仔猪生产、日常管理和粪污管理。上述研究主要集中于传统的平层规模化养殖，对规模化立体养殖的环境影响评价尚鲜见报道。然而，庞大的养殖规模以及大量粪污集中处理问题势必会制约规模化立体养殖的可持续发展。为此，笔者以典型规模化立体生猪养殖系统为研究对象，采用生命周期评价方法量化分析各子系统的能源消耗及环境排放，评估综合系统的环境影响潜力，并将其与传统的平层养殖方式进行比较，分析其优势并提出完善及优化方案，为立体化养殖的可持续发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 目标与范围

以某地规模化立体养殖场为研究对象，经现场调研、文献查阅、专家咨询等方式确定系统边界(图1)。

图1 规模化立体生猪养殖系统边界

该立体养殖场总占地面积为180 hm2，年产饲料量为72万t，年生猪出栏数可达210万头，日产污量为3 628 m3。饲料生产子系统考虑了化肥生产、作物种植及饲料加工等工序。生猪养殖与管理子系统考虑了楼房猪舍区域及生活管理区。楼房猪舍参考现场调研的实际情况，每栋共6层(每栋占地约1 hm2)，其中，5～6层为母猪舍，4层为保育舍，1～3层为育肥舍，每栋楼房猪舍配备36名员工进行生猪养殖日常管理。粪污处置与资源化利用子系统考虑了收集、固液分离、储存、厌氧发酵、好氧堆肥等处理及资源化工序。综合系统的全生命周期分析以饲养1头平均饲养周期为180 d(其中，0～24 d为哺乳仔猪期，>24～71 d为保育期，>71～180 d为育肥期)、均重约为100 kg的出栏猪作为功能单元(functional unit，FU)。综合系统的输入端包括用于生产加工所消耗的水电及燃料，燃料主要考虑柴油消耗。输出端包括各子系统排放的环境污染物，生猪养殖与管理子系统的出栏生猪，粪污处置与资源化过程中有机肥和电能等资源化产品，以及排出的沼液还田水和中水。由于所获取数据资料的缺乏，园区设施建设、加工设备及运输工具的制造、饲料运输过程中的能耗、农作物所使用的农药及饲料添加剂的制备等所造成的环境影响暂不考虑。

1.2 环境排放与能耗系数

根据文献资料和调研数据，列出规模化立体生猪养殖综合系统中涉及饲料生产、生猪养殖与管理以及粪污处置与资源化利用等各子系统的环境排放系数(表1[20-33])和能源消耗系数(表2[20-21，25，27，31-33])。

表1 环境排放系数[20-33]

1.3 清单分析

通过对立体养殖现场调研及专家咨询，结合环境排放系数和能源消耗系数，分别从饲料生产子系统、生猪养殖与管理子系统、粪污处置与资源化利用子系统3个方面对规模化立体养殖进行清单分析。具体环境排放及能源消耗计算公式如下：

环境排放计算公式为

EPi=Pi×Ei。

(1)

式(1)中，EPi为第i个子系统的功能单元污染物排放量，kg；P为产品或所需处理产物数量(如饲料生产中的功能单元饲料需求量、粪污处置中的粪污产生量等)，kg；E为环境排放系数；i为子系统类型。

能源消耗计算公式为

CEi=Pi×Fi。

(2)

式(2)中，CEi为第i个子系统的功能单元能源消耗量，MJ；P为产品或所需处理产物数量(如饲料生产中的功能单元饲料需求量、粪污处置中的粪污产生量等)，kg；F为能源消耗系数；i为子系统类型。

1.3.1饲料生产子系统

根据现场调研，该立体养殖场每头出栏猪消耗276.01 kg饲料，所用饲料原料为玉米(质量占比为66%)、豆粕(25%)及麦麸(5%)。参照2020年《中国统计年鉴》[34]，计算出玉米、大豆和小麦的单位面积产量分别为6 316.71、1 924.97和5 630.31 kg·hm-2，结合饲料配方、功能单元饲料用量、豆粕折算成大豆的系数1.19[35]和麦麸折算成小麦的系数6.67[36]，折算出功能单元的玉米、大豆和小麦用量，分别为182.17、82.11和92.05 kg，作物土地占用面积为878.43 m2。按照《全国农产品成本收益资料汇编2019》[37]计算出功能单元的各化肥(折纯)用量，氮肥、磷肥和钾肥分别为6.48、0.40和0.38 kg。

同时，化肥生产消耗能源主要是电能，参考表2及文献[38-41]计算得到耗电量为7.05 kW·h·FU-1。根据表1中化肥生产环境排放系数，可得出1 FU在化肥生产过程中的CO2、NOx、NH3和SOx排放量分别为37.91、0.09、0.37和0.01 kg。

表2 能源消耗系数[20-21,25,27,31-33]

作物种植中主要的能源消耗集中于灌溉阶段的电力消耗及耕作阶段的柴油消耗，而饲料加工主要是将饲料原料进行粉碎、混合、膨化和制粒。参照表1～2，作物种植中功能单元耗电量为19.75 kW·h[20]，柴油消耗量为4.94 L，CO2、NOx、CH4和SOx排放量分别为33.13、0.15、0.05和0.24 kg；饲料加工中功能单元耗电量为8.14 kW·h，CO2、NOx、CH4和SOx排放量分别为8.13、0.05、0.02和0.08 kg。

1.3.2生猪养殖与管理子系统

根据调研结果，该立体养殖园区每栋猪舍年耗电量为500万kW·h，折算到功能单元的耗电量为45.45 kW·h。粪污采用干清粪工艺，1个饲养期只冲圈1次，平均每头出栏猪的饮水量和冲洗量为1.50 m3。在土地占用方面，功能单元的土地占用面积为0.18 m2。依据文献[3]提供的排污系数，计算出功能单元的尿液量为525.51 kg，粪便量为318.49 kg，污水产生量为0.63 m3，在养殖过程中猪舍的有害气体主要为猪群呼吸所产生的CO2、肠道发酵排放的CH4、舍内粪尿挥发的NH3和N2O。同时，园区引进了高效空气过滤系统，在猪舍进风口设置三级空气过滤系统，前端过滤防疫病，后端过滤除臭、分解大分子物质，降低空气中颗粒物浓度，可使CO2、CH4和NH3浓度降低23%、33%和64%[42]。参照表1中生猪养殖与管理子系统的环境排放因子，功能单元的CO2、CH4、NH3和N2O排放量分别为193.59、0.50、0.31和0.04 kg。

1.3.3粪污处置与资源化利用子系统

由生猪养殖与管理子系统中输入的粪污经固液分离后，液粪进行厌氧发酵，所产沼气用于发电，按沼气发电系数2.3 kW·h·m-3[43]计算，功能单元发电量为11.95 kW·h。对固粪、沼渣及剩余污泥进行好氧堆肥，制成的有机肥可替代化肥使用，功能单元有机肥产量为79.62 kg。在沼液处理方面，该养殖场70%的沼液经处理后用于还田，剩余的30%沼液经深度处理技术制成中水并回用于生猪养殖与管理子系统中的洗消用水，其功能单元沼液还田量为0.81 m3，中水量为0.35 m3。根据表1～2中环境排放及能耗系数可得，功能单元耗电量为17.33 kW·h，CO2、CH4、NH3、N2O 和H2S排放量分别为144.84、4.71、2.35、0.08和7.07×10-4kg。

1.3.4立体养殖综合系统清单分析

根据以上3个子系统的清单分析内容，列出整个立体养殖综合系统从饲料生产到粪污处置与资源化利用各功能单元物料、资源、能源等方面的输入及输出汇总表(表3)。

表3 功能单元清单分析

1.4 影响评价

选取的环境影响类型为不可更新能源消耗(non-renewable energy consumption，NREC)、全球变暖潜力、酸化潜力和富营养化潜力，采用特征化、归一化及加权方法对4种环境影响类型进行评价，得出环境影响指数。

1.4.1特征化

各环境影响类型的当量系数见表4[44-45]，当量系数计算公式为

表4 环境影响当量系数[44-45]

Cj=xz×Xj。

(3)

式(3)中，C为特征化结果；x为功能单元污染物排放量，kg；X为当量系数；j为环境影响类型；z为归属于同一环境影响类型的不同物质。

1.4.2归一化与加权

为了更加方便地横向和纵向比较和分析每个子系统的环境影响贡献，通过归一化与加权的方法，使各系统的特征化结果成为无量纲的环境影响指数。

归一化计算公式为

Nj=Cj/Sj。

(4)

加权计算公式为

R=Nj×w。

(5)

式(4)～(5)中，N为归一化结果；C为特征化结果；S为基准值；R为环境影响指数；j为环境影响类型；w为权重系数。

采用 STRANDDORF等[46]发布的世界人均环境影响潜力作为环境影响基准值，权重系数参考王明新等[47]采用专家调查法所得结论，环境影响潜力与权重因子数值见表5。

表5 世界人均环境影响潜力与权重因子

2 结果与讨论

2.1 环境影响潜力

通过当量系数法计算得到各子系统的环境影响潜力(表6)，可以看出饲料生产子系统的不可更新能源消耗量最大，为1 177.70 MJ，占整个系统的83.89%。生猪养殖与管理子系统中酸化潜力(以SO2计)及富营养化潜力(以PO4计)最低，分别为0.58和0.11 kg，仅占整个系统的9.31%和10.09%。而粪污处置与资源化利用子系统是导致酸化及富营养化的关键阶段，其酸化及富营养化潜力分别为4.42和0.82 kg，分别占整个系统的70.95%和75.23%。

表6 各系统环境影响潜力

2.2 环境影响贡献分析

利用表6的特征化结果通过式(4)～(5)计算出各系统的环境影响指数(表7)，将其绘制成4种环境影响类型的各系统占比图(图2)，并对4种环境影响类型进行分析。

表7 各系统环境影响指数

NREC为不可更新能源消耗，GWP为全球变暖潜力，AP为酸化潜力，EP为富营养化潜力。替代电力指沼气发电避免了电力生产的污染物排放；替代化肥指该系统产生的有机肥替代化肥，避免了化肥生产造成的环境排放(以氮肥计算减排量)。

2.2.1全球变暖

该规模化立体养殖综合系统中，全球变暖潜力主要贡献来源于CO2(58.41%)和CH4(36.58%)的排放。生猪养殖与管理子系统及粪污处置与资源化利用子系统的全球变暖潜力较大，分别占总全球变暖潜力的32.95%和44.98%(图2)。通过清单分析发现，上述结果的原因在于该养殖园区利用大量智能机器人代替人工投入到生猪养殖全过程，电力的大量消耗导致CO2排放量增加；另外，粪污储存过程中CO2和N2O的挥发，以及沼气发电时排放的CO2及少量CH4逸出(由于厌氧发酵罐为全封闭式，逸出的少量CH4不予考虑)，这些都是导致全球变暖的主要影响因素。在减少温室气体排放应对全球变暖方面，规模化立体养殖的生猪养殖与管理子系统引进了新风系统，使得猪群由于呼吸所产生的CO2及肠道发酵产生的CH4排放量降低23%和33%。有研究表明沼气替代传统能源可减少CO2排放[48]，有机肥全部替代化肥后，农田变为典型的碳库，可显著减少温室气体排放量[49]。笔者研究中，功能单元沼气产量为5.19 m3，折合标准煤(ce)3.71 kg，按照替代煤炭计算(1 t ce排放CO22.74 t)，可减排10.17 kg CO2。功能单元有机肥产量为79.62 kg，按照同等化肥效力[21]计算，可避免8.65 kg化肥(以氮肥计)生产，从而可减排化肥生产中50.05 kg CO2。因此，有效利用沼气和有机肥的碳减排效益，能更好地减少规模化立体养殖温室气体的排放。

2.2.2酸化及富营养化

在4种环境影响类型中酸化潜力贡献最大，富营养化潜力贡献最小(表7)。其中，粪污处置与资源化利用子系统对酸化与富营养化的贡献最大，该子系统酸化潜力占总酸化潜力的58.59%，富营养化潜力占总富营养化潜力的63.78%(图2)。这主要是因为粪污储存过程中排放大量NH3，这是影响酸化及富营养化的主要污染物。粪污储存过程中NH3对酸化及富营养化的贡献约占整个粪污处置与资源化利用子系统的50%；其次是固粪好氧发酵堆肥过程中NH3的排放，其对酸化及富营养化的贡献约占整个粪污处置与资源化利用子系统的23%。其他研究[50-51]也表明，液体和固体粪污储存环节所挥发的NH3是影响酸化及富营养化的关键因素。

针对粪污处置与资源化利用子系统的酸化和富营养化潜力过高的情况，可采取以下减缓措施：(1)饲料采用低粗蛋白配方，从饮食源头上限制氮的摄入，可使排泄物中氮含量降低17.0%[52]，从而减少该子系统与氮相关的气体排放量。(2)在粪污储存环节在粪污表面覆盖一层稻草，可使粪污氨氮排放量降低7.3%[53]。(3)在固粪好氧堆肥中，使用堆肥添加剂可有效减少42%的NH3和32%的N2O排放量[52]，并可提高堆肥的营养价值。

2.2.3能源消耗

3个子系统中饲料生产子系统的能源消耗最大，占总能源消耗的79.58%(图2)，其原因在于我国可用耕地平均农资投入较多，尤其是化肥的过度施用导致其生产及使用过程中能源消耗量增加。生猪养殖与管理子系统主要是电力消耗，占总能源消耗的11.05%(图2)，这是因为该立体养殖园区配备了大量智能机器人和智能管道输送装置，在减少人力资源的同时也增加了电力消耗。通过对比文献[18-19]可知，立体养殖综合系统折算到功能单元的耗电量约为传统规模养殖的2倍。就粪污处置与资源化利用子系统而言，结合年出栏量计算，沼气发电量达2 509.50万kW·h，根据现场调研得知该立体养殖园区年耗电量约为1.3亿kW·h，因此，沼气发电对园区用电的自给率为19.30%。

另外，沼液的深度处理会带来能耗增高的问题，这也间接影响综合养殖系统环境影响指数的增大。通过设置100%沼液还田、100%沼液深度处理、30%沼液还田+70%沼液深度处理以及笔者研究所涉及园区的70%沼液还田+30%沼液深度处理4种情景对比环境影响指数，结果见表8。沼液还田及深度处理参照GB 18596—2001《畜禽养殖业污染物排放标准》和文献[54]，按每处理1 m3污水耗电量为0.6 kW·h进行计算，沼液经处理后全部用于还田的环境影响最小，其次是笔者研究所涉及园区采用的处理方式，其他比例的处理方式环境影响指数均较高。这主要是因为沼液在深度处理过程中能耗过高以及排放温室气体(以CH4和N2O为主)导致环境影响指数偏高。笔者研究涉及的规模化立体养殖场的沼液集中处理面临较大压力，如果100%还田又将受到周边土地消纳能力的影响，因此，该园区所采用的比例较为合适，既抑制了环境指数的增大，又使中水得到回用。

表8 不同沼液处理模式的环境影响指数

2.3 综合效益评价与对比

为分析规模化立体生猪养殖系统的综合效益，主要从生猪养殖与管理子系统功能单元的能源消耗、环境排放、土地占用和人工成本等方面进行比较分析(表9[2,6,19,55])。

表9 立体养殖与传统养殖相关指标比较[2,6,19,55]

由于传统养殖模式的饲料生产和粪污处置与资源化利用方面可参考数据相对缺乏，暂不做考虑。通过比较得出，除能源消耗外立体养殖系统其他指标均优于传统养殖系统。立体养殖的功能单元能耗量比传统养殖高68.38%，这主要是因为立体养殖系统投入了大量智能化系统进行智能饲喂、转运及清粪来代替人工生产，从而达到降低人力成本的目的。就每万头生猪管理人员数量而言，立体养殖比传统养殖减少72%，这也是现代农业发展的趋势。在环境影响方面，立体养殖系统的全球变暖潜力、酸化及富营养化潜力比传统养殖分别降低30.30%、40.82%和38.89%，这得益于规模化立体养殖综合系统配备的高效空气过滤系统，降低了猪舍的有害气体浓度。因此，对于传统养殖模式而言，可通过引进智能化的新风系统对养殖阶段的污染物排放量进行有效控制，降低由于猪群呼吸和肠道发酵，以及粪污挥发产生的有害气体浓度；也可通过运用智能化设备对生猪养殖进行日常管理，从而避免人力资源的浪费。另外，立体养殖最大的优势在于土地资源的高度集约化利用，每头生猪的土地占用面积仅为0.18 m2，比传统养殖节约91%，这些节省的土地未来可用作耕地、林地及草地等，能够间接产生较大的碳减排效益。

3 结论

通过上述评价分析，得到以下结论：

(1)环境影响指数大小依次为粪污处置与资源化利用子系统(2.36×10-2)、饲料生产子系统(9.48×10-3)、生猪养殖与管理子系统(5.99×10-3)，规模化立体养殖系统的综合环境影响指数为3.91×10-2。

(2)在饲料生产子系统中酸化潜力占该子系统环境影响潜力的51.90%，这是由于我国大量施用化肥、超过作物生长所需导致的。因此，增加粪污的肥料化利用率，以有机肥替代化肥来减少化肥生产对酸化潜力的影响。

(3)在生猪养殖与管理子系统中由温室气体排放导致的全球变暖潜力最大，占该子系统环境影响潜力的50.25%。但相比于传统养殖，立体养殖的温室气体排放降低30.30%，由此看出，发展立体化养殖对减缓全球变暖有着重要贡献。同时，推行立体化、智能化的生猪养殖模式可节约91%的养殖用地和72%的人力资源。

(4)在粪污处置与资源化利用子系统中酸化在4种环境影响类型中占主导地位，占比为75%，这主要来自粪污处理过程中大量NH3挥发所致。因此，可从减少NH3排放着手，通过合理调配生猪饮食、优化粪污储存设备和缩短贮存周期等手段降低该子系统的环境影响指数。同时，通过对所设置的4种沼液处理情景进行分析得出，该园区所采用的70%沼液还田+30%沼液深度处理方式既节省了能源消耗，又抑制了环境影响指数的增加，达到了较好的沼液处理与资源化利用效果。