基于空間優(yōu)化的九洲江流域畜禽養(yǎng)殖生態(tài)補(bǔ)償

王西琴,劉維哲,張馨月,高 偉

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基于空間優(yōu)化的九洲江流域畜禽養(yǎng)殖生態(tài)補(bǔ)償

王西琴1,劉維哲1,張馨月1,高 偉2*

(1.中國人民大學(xué)農(nóng)業(yè)與農(nóng)村發(fā)展學(xué)院,北京 100872；2.云南大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650091)

以生態(tài)補(bǔ)償試點(diǎn)區(qū)九洲江流域?yàn)槔?基于調(diào)研數(shù)據(jù)和相關(guān)資料,以最小的政府生態(tài)補(bǔ)償金額為目標(biāo),以水環(huán)境容量、耕地承載力、養(yǎng)殖戶經(jīng)濟(jì)收益為主要約束,建立基于畜禽養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變的生態(tài)補(bǔ)償空間優(yōu)化模型.結(jié)果表明,九洲江流域生豬養(yǎng)殖最小生態(tài)補(bǔ)償金為5.83億元,其中2.92億元用于55.47萬頭的生豬禁養(yǎng),1.94億元用于補(bǔ)助適養(yǎng)區(qū)內(nèi)新建47.99萬頭高架網(wǎng)床模式養(yǎng)殖,0.97億元用于18.57萬頭的養(yǎng)殖模式升級改造.優(yōu)化后全流域養(yǎng)殖總規(guī)模為121.18萬頭,比現(xiàn)狀減少約4萬頭.可實(shí)現(xiàn)污染物削減率73.66%,COD、總氮、總磷分別削減13980,2545,995t.其中,傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式全部被禁養(yǎng)或升級改造,高架網(wǎng)床養(yǎng)殖模式為流域最主要養(yǎng)殖模式,占比達(dá)到81.19%.10個(gè)鎮(zhèn)的補(bǔ)償資金及污染物削減情況存在顯著差異,補(bǔ)償金占比較高的是文地、良田、古城鎮(zhèn),合計(jì)占總補(bǔ)償資金的56.78%,COD削減量占總削減量的55.35%.通過優(yōu)化后的補(bǔ)償方案,同時(shí)實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏.

畜禽養(yǎng)殖；生態(tài)補(bǔ)償；水環(huán)境容量；耕地承載力；空間優(yōu)化；九洲江流域

畜禽養(yǎng)殖業(yè)是我國環(huán)境污染的主要來源之一.2010年全國畜禽養(yǎng)殖業(yè)的COD、NH3-H排放量分別占全國水體污染物總量的45%、25%[1].隨著養(yǎng)殖規(guī)模的不斷擴(kuò)大,畜禽養(yǎng)殖污染日趨嚴(yán)重,對地區(qū)水環(huán)境和耕地造成巨大壓力[2].有學(xué)者預(yù)測,到2020年全國畜禽糞便排放量將比2010年增長26.9%,單位耕地面積的畜禽糞便污染量增長32.8%[3].因此,控制畜禽污染對我國水環(huán)境質(zhì)量改善具有重要意義.隨著我國畜禽養(yǎng)殖生態(tài)補(bǔ)償政策的出臺(tái),生態(tài)補(bǔ)償成為解決畜禽污染問題的重要途徑.圍繞畜禽養(yǎng)殖生態(tài)補(bǔ)償主題,目前相關(guān)學(xué)者從畜禽養(yǎng)殖污染治理的成本效益[4]、養(yǎng)殖戶偏好[5]、管理模式[6]、養(yǎng)殖模式升級改造[7]等角度開展了相關(guān)研究,對養(yǎng)殖污染治理的思路也逐漸從傳統(tǒng)的末端治理轉(zhuǎn)向源頭治理,通過由政府和養(yǎng)殖戶共同出資對養(yǎng)殖模式升級改造的方式將治污外部成本“內(nèi)部化”,取得了一定的環(huán)境效果.然而,政府的生態(tài)補(bǔ)償資金有限,如何在有限的生態(tài)補(bǔ)償資金投入下獲得最大的環(huán)境效益,同時(shí)不影響?zhàn)B殖戶的收入,是值得關(guān)注和研究的問題.目前研究大多未充分考慮流域內(nèi)的地區(qū)差異性問題.實(shí)際上,由于流域內(nèi)不同空間單元在養(yǎng)殖模式、養(yǎng)殖規(guī)模等方面存在顯著差異,畜禽養(yǎng)殖污染物排放量也隨之具有空間差異特點(diǎn).因此,基于地區(qū)的環(huán)境容量和養(yǎng)殖特點(diǎn)差異,對生態(tài)補(bǔ)償投入有所優(yōu)先和傾斜,最大限度的實(shí)現(xiàn)環(huán)境效益目標(biāo),對于生態(tài)補(bǔ)償政策實(shí)踐具有重要的指導(dǎo)意義.空間優(yōu)化作為一種重要的資源配置方式,被廣泛應(yīng)用于污水處理設(shè)施布局[8]、區(qū)域水資源配置[9]、產(chǎn)業(yè)集聚[10]、土地利用[11-12]等領(lǐng)域.近年來國內(nèi)一些學(xué)者開始探討污染治理情景下的畜禽養(yǎng)殖業(yè)布局問題[13-14],以期在一定環(huán)境承載力下科學(xué)合理布局.然而,從生態(tài)補(bǔ)償角度將畜禽養(yǎng)殖治理和空間優(yōu)化相結(jié)合定量研究,還比較缺乏.本文以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元,建立生態(tài)補(bǔ)償空間優(yōu)化模型,以政府補(bǔ)償資金為目標(biāo)函數(shù),以水環(huán)境承載力、耕地承載力、養(yǎng)殖戶收入等為主要約束條件,基于九洲江流域養(yǎng)殖戶調(diào)研數(shù)據(jù),進(jìn)行實(shí)證研究,獲得生態(tài)補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化方案,以期為該流域生態(tài)補(bǔ)償政策的實(shí)施提供依據(jù)和參考.

1 研究區(qū)背景

九洲江發(fā)源于廣西省陸川縣,是跨越廣西、廣東兩省的獨(dú)流入海河流,在古城鎮(zhèn)匯入廣東鶴地水庫,該水庫是廣東省湛江市的重要飲用水水源.上游廣西省境內(nèi)流經(jīng)陸川縣、博白縣的溫泉、沙坡等10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(東經(jīng)110°04￠~110°25￠,北緯21°53￠~22°58￠).近年來,由于畜禽養(yǎng)殖規(guī)模的發(fā)展,污染物排放量增加,對下游飲用水安全保障造成了巨大的壓力.基于此,2016年3月,廣西、廣東兩省簽訂了《九洲江流域上下游橫向生態(tài)補(bǔ)償協(xié)議》,協(xié)議規(guī)定由中央、廣西和廣東共同出資設(shè)立為期三年的生態(tài)補(bǔ)償資金共15億元,用于流域內(nèi)開展畜禽養(yǎng)殖、工業(yè)、生活、農(nóng)業(yè)面源污染治理以及生態(tài)修復(fù)等,已經(jīng)收到了一定的環(huán)境效果.然而,2017年仍有2個(gè)月斷面水質(zhì)未達(dá)標(biāo),給未來生態(tài)補(bǔ)償政策提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).陸川、博白兩縣一直是廣西重要的生豬養(yǎng)殖大縣,其中九洲江流域內(nèi)10個(gè)鎮(zhèn)是2縣養(yǎng)殖業(yè)最集中的地區(qū),生豬養(yǎng)殖在流域畜禽養(yǎng)殖中占據(jù)絕對比重,是流域農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入和產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)體系的重要支柱.2016年全流域10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生豬養(yǎng)殖總存欄量達(dá)125萬頭,流域生豬養(yǎng)殖排放的COD、氨氮、總氮和總磷分別占到流域污染物總量的60.69%、57.83%、66.00%、78.51%[15].各鎮(zhèn)生豬養(yǎng)殖污染物排放量表現(xiàn)出明顯的地區(qū)差異(圖1),其中污染物排放量最多的是文地鎮(zhèn),COD排放量達(dá)4468t,占全流域排放總量的23.54%,是排放量最小的溫泉鎮(zhèn)的6.47倍.因此,生態(tài)補(bǔ)償政策中優(yōu)先和傾斜于污染物排放量占比較高的鄉(xiāng)鎮(zhèn),對于污染物削減具有積極作用.

圖1 2016年流域各鎮(zhèn)生豬養(yǎng)殖污染物排放量

造成九洲江流域養(yǎng)殖污染嚴(yán)重的原因主要來自兩個(gè)方面:一是養(yǎng)殖模式.九洲江流域養(yǎng)殖模式包括傳統(tǒng)模式、氧化塘模式和高架網(wǎng)床模式.不同養(yǎng)殖模式在污染物排放方面存在較大差異.其中,傳統(tǒng)模式對污染物不進(jìn)行任何處理,該模式對環(huán)境污染較大;氧化塘模式是在傳統(tǒng)模式基礎(chǔ)上,配備儲(chǔ)糞屋、儲(chǔ)液池、反應(yīng)池和氧化塘等配套設(shè)施,對污染物進(jìn)行初步處理;高架網(wǎng)床模式包括對養(yǎng)殖欄舍進(jìn)行改造和污染物處理兩部分,污染物經(jīng)微生物發(fā)酵后進(jìn)入配套設(shè)施進(jìn)行處理.2017年流域傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式下的養(yǎng)殖規(guī)模占總養(yǎng)殖規(guī)模的31%,氧化塘模式占45%,高架網(wǎng)床養(yǎng)殖模式僅占24%.二是養(yǎng)殖場的空間布局.具體表現(xiàn)在2個(gè)方面:一是養(yǎng)殖規(guī)模與養(yǎng)殖模式的空間分布未考慮各單元環(huán)境承載力的差異;二是養(yǎng)殖場位置的不合理,部分養(yǎng)殖場建在九洲江近岸和各種敏感地區(qū),對水環(huán)境造成極大的威脅.2016年,由廣西、廣東兩省共同制定的《粵桂兩省區(qū)九洲江水污染防治規(guī)劃》中,將廣西九洲江干流沿岸500m內(nèi)以及支流沿岸200m內(nèi)范圍劃定為禁養(yǎng)區(qū);干流沿岸500~2000m內(nèi)以及支流沿岸200~2000m內(nèi)范圍劃定為限養(yǎng)區(qū);其他區(qū)域?yàn)檫m養(yǎng)區(qū).原則上對所有禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖舍進(jìn)行關(guān)閉并拆除相關(guān)設(shè)施,限養(yǎng)區(qū)不準(zhǔn)新建、擴(kuò)建養(yǎng)殖場,并對部分養(yǎng)殖場進(jìn)行拆除,在適養(yǎng)區(qū)內(nèi)新建配備相應(yīng)的污染物處理措施的養(yǎng)豬場,用以供禁養(yǎng)區(qū)、限養(yǎng)區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖戶搬遷養(yǎng)殖.上述措施需要通過生態(tài)補(bǔ)償?shù)募?lì)政策實(shí)施.因此,如何用最小的生態(tài)補(bǔ)償達(dá)到最優(yōu)的環(huán)境效應(yīng),并鼓勵(lì)養(yǎng)殖戶向環(huán)保養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)型,同時(shí)保證養(yǎng)殖戶收入不降低,是九洲江流域畜禽養(yǎng)殖污染治理和生態(tài)補(bǔ)償政策需要考慮和解決的問題.

2 畜禽養(yǎng)殖生態(tài)補(bǔ)償空間優(yōu)化模型

2.1 建模思路

基于流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的養(yǎng)殖規(guī)模和模式現(xiàn)狀,以及空間環(huán)境承載力的差異,本文構(gòu)建了畜禽養(yǎng)殖生態(tài)補(bǔ)償空間優(yōu)化模型,具體思路如下:(1)目標(biāo)函數(shù)為最小政府生態(tài)補(bǔ)償資金,補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)采用養(yǎng)殖戶受償意愿調(diào)查結(jié)果,兼顧補(bǔ)償者和受償者雙方利益.(2)環(huán)境約束選取水環(huán)境容量和耕地承載力2個(gè)指標(biāo),其中,水環(huán)境容量以分配給畜禽養(yǎng)殖的COD容量為標(biāo)準(zhǔn);耕地承載力選擇各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地能容納的氮、磷2種污染物,保證各區(qū)域畜禽養(yǎng)殖污染排放量小于耕地承載力.(3)以養(yǎng)殖戶凈收益為主要經(jīng)濟(jì)約束,確保養(yǎng)殖戶凈收益不降低.(4)將生態(tài)補(bǔ)償政策的引導(dǎo)作用納入約束,具體包括禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖場全部拆除,只允許在高架網(wǎng)床模式下增加養(yǎng)殖規(guī)模.基于以上思路求解在滿足流域水環(huán)境容量和各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地承載力、養(yǎng)殖戶經(jīng)濟(jì)收益情況下的生態(tài)補(bǔ)償優(yōu)化方案,包括各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的補(bǔ)償資金、禁養(yǎng)規(guī)模、養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變、污染物削減量等,為九洲江流域生態(tài)補(bǔ)償提供依據(jù)和參考.

2.2 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)為最小政府生態(tài)補(bǔ)償資金.假定養(yǎng)殖戶有3種選擇:減少養(yǎng)殖量、升級養(yǎng)殖模式、增加高架網(wǎng)床模式的養(yǎng)殖頭數(shù),政府分別對上述3種選擇進(jìn)行補(bǔ)償,補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)采用養(yǎng)殖戶的受償意愿,即單位面積補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn).目標(biāo)函數(shù)如下:

Min

C

=

S

i

S

j

2

S

k

[RR

ijk

×

SC

j

×

ESI

jk

]

(Tr

ijk

+ FR

ijk

)

×

SC

j

×

TSI

jk

(1)

式中:為政府對全流域生豬養(yǎng)殖補(bǔ)償總資金,元;RR為禁養(yǎng)區(qū)與限養(yǎng)區(qū)減少的養(yǎng)殖數(shù)量,頭;TR為轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒芫W(wǎng)床養(yǎng)殖頭數(shù),頭;FR為適養(yǎng)區(qū)內(nèi)新增頭數(shù),頭;SC為單位生豬占欄舍面積,m2/頭,根據(jù)實(shí)地調(diào)研,傳統(tǒng)和氧化塘模式下介于1.2~1.5m2/頭之間,取均值1.35m2/頭,高架網(wǎng)床模式下介于0.8~1m2/頭,取均值0.9m2/頭;ESI為禁養(yǎng)受償意愿標(biāo)準(zhǔn),元/m2,TSI為轉(zhuǎn)向高架網(wǎng)床養(yǎng)殖模式受償意愿標(biāo)準(zhǔn),元/m2,由問卷調(diào)研數(shù)據(jù)確定,具體見3.1.1節(jié),其中新建高架網(wǎng)床受償意愿假定等同于傳統(tǒng)模式養(yǎng)殖戶升級為高架網(wǎng)床的受償意愿.=1,2,…,10代表空間單元的個(gè)數(shù),本文指九洲江流域10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn);=1,2,3表示傳統(tǒng)、氧化塘和高架網(wǎng)床養(yǎng)殖模式;=1,2,3分別代表小、中、大3種養(yǎng)殖規(guī)模,養(yǎng)殖規(guī)模的劃分標(biāo)準(zhǔn)參考廣西省《玉林市九洲江流域養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展規(guī)劃》標(biāo)準(zhǔn):200頭以下為小規(guī)模養(yǎng)殖,200~499頭為中等規(guī)模養(yǎng)殖,500頭以上為大規(guī)模養(yǎng)殖.

2.3 約束條件

2.3.1 耕地承載力約束 基于Troug[16]提出的養(yǎng)分平衡法,主要考慮耕地對生豬養(yǎng)殖排放的氮、磷2種污染物承載能力.模型設(shè)定各空間單元生豬養(yǎng)殖氮、磷排放量小于其耕地氮、磷承載力:

S

j

S

k

(CR

ijk

-RR

ijk

-TR

ijk

+FR

ijk

)

×

FDN

j

￡

LDN

i

(2)

S

j

S

k

(CR

ijk

-RR

ijk

-TR

ijk

+FR

ijk

)

×

FDP

j

￡

LDP

i

(3)

式中:CR為現(xiàn)狀養(yǎng)殖生豬數(shù)量,頭;FR為新增養(yǎng)殖生豬數(shù)量,頭;FDN為單位生豬總氮排放系數(shù),kg/頭/a;LDN為耕地氮承載力,kg;FDP為單位生豬總磷排放系數(shù),kg/頭/a;LDP為耕地磷承載力,kg;排放系數(shù)及承載力計(jì)算與取值見3.1.2節(jié).

2.3.2 水環(huán)境容量約束 模型選取COD為指標(biāo),各區(qū)域生豬養(yǎng)殖COD排放量之和小于流域允許的最大生豬養(yǎng)殖COD排放量:

S

i

S

j

S

k

(CR

ijk

-RR

ijk

-TR

ijk

+FR

ijk

)

×

FDC

j

￡

MOJ (4)

式中:FDC為不同模式下單位生豬COD排放系數(shù),kg/頭/a;MOJ為流域允許的最大生豬養(yǎng)殖COD排放量,kg;本文MOJ取值參考文獻(xiàn)[17],選取水質(zhì)達(dá)到地表水III類要求時(shí),在90%保證率下九洲江全流域允許的生豬養(yǎng)殖COD排放量,為4979.85t/a.

2.3.3 經(jīng)濟(jì)效益約束 模型以養(yǎng)殖戶的養(yǎng)殖凈收益為指標(biāo),約束各鎮(zhèn)養(yǎng)殖業(yè)凈收益不降低:

S

j

S

k

CA

ijk

×

IC

jk

￡

(CA

ijk

-RR

ijk

-TR

ijk

+ FR

ijk

)

×

IC

jk

-

(TR

ijk

+ FR

ijk

)

×

SC

j

×

(GC-TSI

jk

)

×

d

+ RR

ijk

×

SC

j

×

ESI

jk

×

d

(5)

式中:CA為現(xiàn)狀養(yǎng)殖量,頭;IC為單位生豬養(yǎng)殖量的經(jīng)濟(jì)凈收益,元/頭;GC為轉(zhuǎn)為高架網(wǎng)床模式實(shí)際建造成本,為十年期折現(xiàn)均攤系數(shù),其他參數(shù)含義同前.其中優(yōu)化后經(jīng)濟(jì)凈效益由3部分組成, (CA- RR-TR+ FR)×IC為優(yōu)化后的養(yǎng)殖凈收益, (TR+ FR)×SC×(GC-TSI)代表升級或新建高架網(wǎng)床模式總成本中養(yǎng)殖戶分擔(dān)部分, (RR×SC×ESI)代表養(yǎng)殖戶由于禁養(yǎng)獲得的補(bǔ)償,由于后兩者均為一次性,因此按十年期進(jìn)行折現(xiàn)均攤.

2.3.4 禁養(yǎng)約束 各空間單元養(yǎng)殖頭數(shù)減少量不小于其禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)養(yǎng)殖規(guī)模:

S

j

S

k

RR

ijk

3

MRA

i

(6)

式中:MRA為各空間單元?jiǎng)澏ㄔ诹饔蚪B(yǎng)區(qū)內(nèi)生豬養(yǎng)殖數(shù)量,頭;根據(jù)當(dāng)?shù)匦竽辆纸y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),九洲江流域禁養(yǎng)區(qū)總規(guī)模約為26萬頭.

2.3.5 政策引導(dǎo)約束 相比于傳統(tǒng)和氧化塘模式,高架網(wǎng)床模式是當(dāng)?shù)卣膭?lì)和引導(dǎo)的模式.因此設(shè)定公式(7)以約束傳統(tǒng)養(yǎng)殖和氧化塘模式不在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加,僅允許適養(yǎng)區(qū)高架網(wǎng)床養(yǎng)殖頭數(shù)增加,設(shè)定約束(8)保證現(xiàn)狀高架網(wǎng)床模式的養(yǎng)殖頭數(shù)不減少:

S

j

=1

FR

ijk

=0;

S

j

=2

FR

ijk

=0 (7)

S

j

=

3

RR

ijk

=0 (8)

2.3.6 非負(fù)約束 對高架網(wǎng)床養(yǎng)殖模式(=3)而言,TR代表由其他兩種模式升級為高架網(wǎng)床模式總規(guī)模,所以此時(shí)令TR為負(fù)數(shù).除TR外其他所有參數(shù)非負(fù):

S

j

=3

TP

ijk

=-

S

j

2

TR

ijk

(9)

X

ijk

S

j

=3

TP

ijk

3

0 (10)

3 研究區(qū)生豬養(yǎng)殖生態(tài)補(bǔ)償優(yōu)化分析

3.1 關(guān)鍵參數(shù)確定

上述優(yōu)化模型涉及到的養(yǎng)殖戶受償意愿、養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)收益、污染物排放量、耕地承載力等關(guān)鍵參數(shù),通過問卷調(diào)研或根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算獲得.

3.1.1 養(yǎng)殖戶受償意愿 2017年7月~8月,采用隨機(jī)抽樣的方法,在流域10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中抽取7個(gè)鎮(zhèn),每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)抽取4~6個(gè)村,每個(gè)村抽取10~15個(gè)生豬養(yǎng)殖戶,進(jìn)行一對一深度訪談.問卷設(shè)計(jì)內(nèi)容除養(yǎng)殖戶受償意愿外還包括詳細(xì)的養(yǎng)殖成本投入等數(shù)據(jù),調(diào)研共收集問卷457份,其中,傳統(tǒng)和氧化塘模式下的養(yǎng)殖戶禁養(yǎng)、升級改造的受償意愿見表1,本文選取意愿調(diào)查結(jié)果均值作為補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn).

表1 九洲江流域養(yǎng)殖戶受償意愿均值統(tǒng)計(jì)

3.1.2 養(yǎng)殖戶經(jīng)濟(jì)收益 生豬養(yǎng)殖戶成本投入主要包括固定資本的一次性投入和正常運(yùn)營費(fèi)用,其中一次性投入為養(yǎng)殖廠房及配套設(shè)施建設(shè)成本,采用年限平均法計(jì)提折舊;運(yùn)營成本包括租入土地量、仔豬購買成本、人工、肥料、電費(fèi)、防疫投入,均為實(shí)地調(diào)研獲取,統(tǒng)一處理為實(shí)際支出費(fèi)用.養(yǎng)殖收入為出售生豬量乘以當(dāng)年平均市場價(jià)格,據(jù)此可計(jì)算養(yǎng)殖戶養(yǎng)殖凈收益.表2為不同養(yǎng)殖模式和規(guī)模單位養(yǎng)豬的成本收益情況.

3.1.3 污染物排放量 生豬養(yǎng)殖污染物排放量核算一般以排污系數(shù)乘以生豬出欄量,本文養(yǎng)殖規(guī)模以存欄量為基準(zhǔn),故在計(jì)算污染物排放量時(shí)乘以出欄率系數(shù),根據(jù)實(shí)地調(diào)研,出欄率系數(shù)取1.5.產(chǎn)污系數(shù)參照《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)手冊》[18]確定單位存欄量生豬污染物COD、氨氮、總磷、總氮產(chǎn)生量分別為26.61kg/(a×頭),2.07kg/(a×頭),1.7kg/(a×頭),4.51kg/(a×頭).不同養(yǎng)殖模式對污染物的削減率存在差異.經(jīng)過實(shí)地調(diào)研及參考國務(wù)院印發(fā)的《“十二五”主要污染物總量減排核算細(xì)則》,進(jìn)一步計(jì)算各養(yǎng)殖模式下污染物削減率及削減后排放量(表3).

表2 九洲江流域養(yǎng)殖成本收益均值統(tǒng)計(jì)(元/頭)

表3 九洲江流域不同養(yǎng)殖模式下生豬污染物年排放量

3.1.4 耕地承載力 根據(jù)養(yǎng)分平衡理論[16],當(dāng)區(qū)域達(dá)到種養(yǎng)平衡狀態(tài)時(shí),農(nóng)作物生長所需養(yǎng)分扣除耕地土壤供應(yīng)量后即為農(nóng)田外部輸入量,來源為一定比例組合的化肥和生豬糞便.本文選取耕地主要養(yǎng)分元素氮、磷作為衡量指標(biāo),根據(jù)九洲江生豬糞便使用比例及各鎮(zhèn)的作物產(chǎn)量和耕地面積計(jì)算氮、磷承載力,計(jì)算公式如下:

式中:為區(qū)域耕地氮(磷)承載量,t;Y為區(qū)域農(nóng)作物的產(chǎn)量,t;m為單位產(chǎn)量作物所需氮(磷)養(yǎng)分量,t/t,參考邱樂豐等[19]研究成果確定;為區(qū)域耕地土壤有效氮(磷)含量測定值,mg/kg,參考相關(guān)文獻(xiàn)[20]中對陸川縣耕地養(yǎng)分測量結(jié)果,氮為1200mg/kg,磷為11.78mg/kg;2.25為土壤養(yǎng)分換算系數(shù);為土壤有效養(yǎng)分矯正系數(shù),根據(jù)曹連福等[21]對土壤有效氮(磷)與校正系數(shù)關(guān)系的回歸結(jié)果,土壤氮(磷)養(yǎng)分矯正系數(shù)計(jì)算公式分別為N=N-0.7728′11.831、P=p-0.9563′22.726;為生豬糞便替代化肥比例,需要說明的是,替代比例越高意味著耕地承載力越大,優(yōu)化后最小生態(tài)補(bǔ)償資金越小.本文按九洲江流域中期規(guī)劃50%替代率計(jì)算.根據(jù)耕地和作物情況計(jì)算得到九洲江流域各鎮(zhèn)氮、磷承載力,氮、磷總承載力分別為1287.05t、966.23t.

3.2 模型優(yōu)化結(jié)果

依據(jù)第2節(jié)優(yōu)化模型,以及本文給出的參數(shù)數(shù)據(jù),采用LINGO 9.0軟件對模型進(jìn)行編程和求解,得到優(yōu)化方案.

3.2.1 生態(tài)補(bǔ)償資金 優(yōu)化結(jié)果顯示九洲江流域生豬養(yǎng)殖生態(tài)補(bǔ)償資金總投入為5.83億元,其中用于禁養(yǎng)補(bǔ)償資金為2.92億元,占總補(bǔ)償金比例50.09%;用于升級高架網(wǎng)床補(bǔ)償資金為0.97億元,占比為16.64%;用于新增高架網(wǎng)床養(yǎng)殖補(bǔ)償投入共計(jì)1.94億元,占比33.28%.從各鎮(zhèn)補(bǔ)償金額來看,文地鎮(zhèn)生態(tài)補(bǔ)償資金最多,為1.54億元,主要原因是文地鎮(zhèn)在流域內(nèi)10個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)中養(yǎng)殖數(shù)量最多,污染物排放量位居第一,是各鎮(zhèn)平均養(yǎng)殖規(guī)模的2.38倍,而耕地氮、磷承載力僅為各鎮(zhèn)平均水平的1.44倍和1.5倍,因此面臨較大的環(huán)境壓力,生態(tài)補(bǔ)償應(yīng)該優(yōu)先考慮.良田、古城、烏石、大橋、寧潭5個(gè)傳統(tǒng)養(yǎng)殖大鎮(zhèn)所需補(bǔ)償資金均在5000萬元以上.從補(bǔ)償資金用途來看,禁養(yǎng)補(bǔ)償資金在各鎮(zhèn)所占比例均在45%以上,為最主要生態(tài)補(bǔ)償資金;用于新建高架網(wǎng)床養(yǎng)殖補(bǔ)償金在各鎮(zhèn)中所占比例均介于30%~40%之間;用于升級高架網(wǎng)床資金所占比例僅在良田、文地、大橋3鎮(zhèn)超過20%,其余各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均在10%以內(nèi).具體各鎮(zhèn)生態(tài)補(bǔ)償資金見圖2:

圖2 九洲江流域各鄉(xiāng)鎮(zhèn)生態(tài)補(bǔ)償資金優(yōu)化結(jié)果

3.2.2 禁養(yǎng)與養(yǎng)殖模式轉(zhuǎn)變 優(yōu)化結(jié)果顯示,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上,需要禁養(yǎng)生豬55.47萬頭,大于禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)26萬頭生豬養(yǎng)殖存量(表4).意味著除禁養(yǎng)區(qū)全部禁養(yǎng)外,仍需在限養(yǎng)區(qū)內(nèi)禁養(yǎng)約28萬頭.其中傳統(tǒng)模式的小規(guī)模、中規(guī)模全部要求禁養(yǎng),大規(guī)模的傳統(tǒng)養(yǎng)殖全部保留;氧化塘模式的小規(guī)模要求6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)禁養(yǎng),中規(guī)模全部要求禁養(yǎng),大規(guī)模養(yǎng)殖全部保留.其中禁養(yǎng)總頭數(shù)最多的文地鎮(zhèn)共禁養(yǎng)13.02萬頭,禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)6.09萬頭,限養(yǎng)區(qū)內(nèi)6.93萬頭.溫泉鎮(zhèn)由于現(xiàn)狀養(yǎng)殖量較小,禁養(yǎng)規(guī)模為各鎮(zhèn)中最小,僅2.21萬頭,其中禁養(yǎng)區(qū)內(nèi)0.93萬頭,限養(yǎng)區(qū)1.28萬頭.從禁養(yǎng)比例來看,全流域總禁養(yǎng)量占現(xiàn)狀養(yǎng)殖總量的44.31%,禁養(yǎng)比例最高的沙坡鎮(zhèn)達(dá)到67.24%,最少的大橋鎮(zhèn)為27.76%.需要說明的是,這里的禁養(yǎng)比例僅就現(xiàn)狀養(yǎng)殖模式而言,各鎮(zhèn)除禁養(yǎng)的數(shù)量減少外,還有高架網(wǎng)床養(yǎng)殖模式的新增頭數(shù).

需升級改造為高架網(wǎng)床模式的頭數(shù)為18.57萬頭,占現(xiàn)狀養(yǎng)殖規(guī)模的14.83%.其中,傳統(tǒng)模式5.01萬頭,氧化塘模式13.56萬頭.傳統(tǒng)模式由于小規(guī)模和中規(guī)模全部被禁養(yǎng),需升級改造的全部為大規(guī)模養(yǎng)殖,且各鎮(zhèn)傳統(tǒng)模式中大規(guī)模養(yǎng)殖的升級改造比例為100%.氧化塘模式下,小規(guī)模和中規(guī)模均不進(jìn)行升級改造,僅有大橋、良田等4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大規(guī)模養(yǎng)殖進(jìn)行升級改造.流域新增養(yǎng)殖頭數(shù)共49.77萬,所有新增頭數(shù)均為高架網(wǎng)床模式,且優(yōu)化結(jié)果顯示升級改造后全部為小規(guī)模養(yǎng)殖.在實(shí)踐中意味著政府在禁養(yǎng)區(qū)、限養(yǎng)區(qū)內(nèi)禁養(yǎng)55.47萬頭生豬的同時(shí),需在適養(yǎng)區(qū)新建可以總共容納49.77萬頭生豬的小規(guī)模高架網(wǎng)床養(yǎng)殖場,實(shí)現(xiàn)九洲江流域養(yǎng)殖的“異地升級改造”.

表4 九洲江流域生豬養(yǎng)殖模式變化量

3.2.3 優(yōu)化后流域養(yǎng)殖規(guī)模 優(yōu)化后流域生豬養(yǎng)殖總量為121萬余頭,相對現(xiàn)狀125萬頭養(yǎng)殖存量減少4萬頭,各鎮(zhèn)養(yǎng)殖規(guī)模相比現(xiàn)狀均有所減少,但減少幅度較小,介于1500~9000頭之間.從地區(qū)經(jīng)濟(jì)效益角度出發(fā),在不大幅度削減流域養(yǎng)殖總量情況下進(jìn)行養(yǎng)殖模式優(yōu)化調(diào)整,能夠較好保證養(yǎng)殖戶經(jīng)濟(jì)效益,因此該結(jié)果較為合理.此外,表5顯示,優(yōu)化后九洲江流域?qū)⒉淮嬖趥鹘y(tǒng)養(yǎng)殖模式,僅保留氧化塘模式和高架網(wǎng)床模式.盡管高架網(wǎng)床模式建造和升級改造的生態(tài)補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)高,但具有較好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益.優(yōu)化后高架網(wǎng)床模式養(yǎng)殖頭數(shù)93.38萬頭,占流域總養(yǎng)殖規(guī)模的81.19%,氧化塘模式占18.81%.從養(yǎng)殖規(guī)模變化來看,小規(guī)模的養(yǎng)殖頭數(shù)由35.68萬頭增加至54.38萬頭,在氧化塘模式和高架網(wǎng)床模式中分別占20.24%、50.59%;大規(guī)模的養(yǎng)殖頭數(shù)仍維持在64.5萬頭,在氧化塘模式和高架網(wǎng)床模式中分別占比79.76%、47.08%;中規(guī)模則由原來的25萬頭下降為2.29萬頭.可見小規(guī)模和大規(guī)模養(yǎng)殖將成為九洲江流域主要養(yǎng)殖規(guī)模選擇,主要原因在于小規(guī)模由于勞動(dòng)投入少具有成本低的優(yōu)勢,大規(guī)模則具有規(guī)模效益,因此中等規(guī)模效益相對最低.

表5 優(yōu)化后各鎮(zhèn)養(yǎng)殖模式與規(guī)模

圖3 九洲江流域各鎮(zhèn)COD削減量及削減率

3.2.4 優(yōu)化前后環(huán)境效果對比 優(yōu)化后COD削減量將達(dá)到13980t,削減后總排放量為4977t,小于水環(huán)境容量4979t的約束.同時(shí)能實(shí)現(xiàn)總氮、總磷削減2545t、995t,優(yōu)化后總氮、總磷排放量分別為1023.84t、394.71t,均滿足耕地氮、磷承載力1287.05t、966.23t約束.由于生豬糞便污染物中COD、總氮、總磷的含量為固定比例,因此以污染物COD為代表對各鎮(zhèn)削減情況進(jìn)行比較(圖3).各鎮(zhèn)中,COD總削減量最大的3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)依次是文地鎮(zhèn)、良田鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn),削減量分別為3568.25,2284.34, 1884.96t;占總削減量的55.35%.橫山鎮(zhèn)、溫泉鎮(zhèn)、灘面鎮(zhèn)削減總量較小,分別為498.32t、533.21t、607.85t.優(yōu)化后各鎮(zhèn)COD削減率均介于62.63%~81.84%之間,流域平均削減率為73.66%.

4 結(jié)語

4.1 基于畜禽養(yǎng)殖污染物排放量的空間差異,建立以生態(tài)補(bǔ)償資金最小為目標(biāo)函數(shù),以水環(huán)境容量、污染物耕地承載力、養(yǎng)殖戶收益為主要約束的空間優(yōu)化模型,主要結(jié)論如下:

以九洲江流域養(yǎng)殖戶受償意愿標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù),政府在生態(tài)補(bǔ)償資金投入5.83億元的情況下,可同時(shí)達(dá)到水環(huán)境容量與耕地承載力的要求,并保證養(yǎng)殖戶的經(jīng)濟(jì)收益不降低.在該優(yōu)化方案下,需要對養(yǎng)殖規(guī)模和養(yǎng)殖模式等進(jìn)行調(diào)整,優(yōu)化后養(yǎng)殖規(guī)模將維持在121萬頭,比現(xiàn)狀125萬頭養(yǎng)殖規(guī)模減少4萬頭;且養(yǎng)殖規(guī)模以小規(guī)模和大規(guī)模為主,小規(guī)模、中規(guī)模、大規(guī)模占比分別為44.48%、1.89%、53.23%;養(yǎng)殖模式以高架網(wǎng)床為主,占比81.19%,氧化塘模式占18.81%,傳統(tǒng)模式全部不再保留.小規(guī)模的養(yǎng)殖頭數(shù)在氧化塘模式和高架網(wǎng)床模式中分別占20.24%、50.59%;大規(guī)模的養(yǎng)殖頭數(shù)在氧化塘模式和高架網(wǎng)床模式中分別占比79.76%、47.08%.10個(gè)鎮(zhèn)在上述幾個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)出較大的空間差異,生態(tài)補(bǔ)償資金投入最多的三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別是文地、良田、古城鎮(zhèn),這三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)也是需要升級改造最多、新增高架床養(yǎng)殖頭數(shù)最多的鎮(zhèn).通過上述10個(gè)鎮(zhèn)差別性的生態(tài)補(bǔ)償,以及相應(yīng)的養(yǎng)殖模式和養(yǎng)殖頭數(shù)的優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)用最小的生態(tài)補(bǔ)償資金達(dá)到環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益雙贏的目標(biāo).

4.2 養(yǎng)殖規(guī)模不能無限制地?cái)U(kuò)大,在考慮地區(qū)差異的前提下,滿足水環(huán)境容量和耕地承載力要求的最優(yōu)養(yǎng)殖規(guī)模為121萬頭;建議除禁養(yǎng)區(qū)生豬養(yǎng)殖全部禁養(yǎng)外,限養(yǎng)區(qū)內(nèi)約27萬頭規(guī)模的生豬需要禁養(yǎng),重點(diǎn)是污染排放較為嚴(yán)重的傳統(tǒng)模式下的小規(guī)模和中規(guī)模養(yǎng)殖場,以及部分氧化塘模式下的小規(guī)模和中規(guī)模養(yǎng)殖場.同時(shí),為保障養(yǎng)殖戶經(jīng)濟(jì)收益,建議政府選擇適宜養(yǎng)殖地區(qū),幫助被禁養(yǎng)的養(yǎng)殖戶建造高架網(wǎng)床養(yǎng)殖場,實(shí)現(xiàn)異地升級改造.未來九洲江流域的養(yǎng)殖模式應(yīng)以高架網(wǎng)床模式為主,建議對現(xiàn)有的傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式和氧化塘養(yǎng)殖模式有計(jì)劃分步驟的逐漸升級改造.鑒于10個(gè)鎮(zhèn)養(yǎng)殖業(yè)污染物排放的區(qū)域差異,根據(jù)本文的優(yōu)化結(jié)果,建議生態(tài)補(bǔ)償資金應(yīng)該體現(xiàn)優(yōu)先性和差異性,優(yōu)先補(bǔ)償?shù)逆?zhèn)分別是文地鎮(zhèn)、良田鎮(zhèn)、古城鎮(zhèn)等,補(bǔ)償資金分別為1.54億元、0.96億元、0.81億元,合計(jì)占總補(bǔ)償資金的56.78%.

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WANG Xi-qin1, LIU Wei-zhe1, ZHANG Xin-yue1, GAO Wei2*

(1.School of Agricultural Economics and Rural Development, Renmin University of China, Beijing 100872, China；2.School ofEcology and Environmental Science, Yunnan University, Kunming 650091, China)., 2018,38(11)：4361~4368

Pollution fromlivestock breeding is a key emphasis of pollution control ofChina. Ecological compensation policy has great significance both in encouraging farmers to change traditional breeding mode andin reducing pollutant emissions.Using Jiuzhou River Basin as a case study, this paper set up a space optimization model for ecological compensation of pig-breedingbasedon large-scale survey data and related documents. The modeltook minimum amount of ecological compensationasthe objective, constrained by the capacity of water environmental capacity and cultivated landcarryingvapacity, at the same time ensuring nodeclinein the economic incomefrompig-breeding. The results showed that the minimum amount of ecological compensation in Jiuzhou River Basin is 583 million yuan, of which 292 million yuan is used for prohibitingthebreedingofabout 554 thousandpig-breeding, 194 million yuan is used to build environmentally-friendly breedinghouses insuitable area whichcanaccommodate the breeding of 479 thousand pigs, 97 million yuanis used for the transformation of breeding mode which about 185 thousands. After the optimization, the reduction of COD, TN and TP in the Jiuzhou River Basin would be 13980 t, 2545 t and 995 t.The total scale of livestock cultivation in the whole basin would be 1.2 million, with no traditionallivestock breeding modeand 81.19% using an environmentally-friendly model. There is a significant difference between the 10towns both in compensation amount and pollutant reduction.Those towns with high compensation amounts are Wendi, Liangtian and Gucheng, accounting for 56.78% of the total compensation funds, and the COD reduction accounts for 55.35% of the total reduction. Through the optimized compensation plan, both environmental benefits and economic benefits can be achieved at the same time.

livestock breeding；ecological compensation；water environmental capacity；capacity of cultivated land；space optimization；Jiuzhou River Basin

X321

A

1000-6923(2018)11-4361-08

王西琴(1965-),女,陜西西安人,教授,博士,主要從事資源經(jīng)濟(jì)與環(huán)境管理研究.發(fā)表論文80余篇.

2018-04-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41701631)

* 責(zé)任作者, 講師, gaoweird@163.com