基于LMDI模型對生豬水足跡的計算與研究

姬亞航 李林葳 劉振宇

摘要 隨著近年來人口的增加，對生豬的需求量也不斷增加，因此在生豬養(yǎng)殖過程中如何實現低成本養(yǎng)殖、綠色養(yǎng)殖是現在生豬養(yǎng)殖的一個重要方向。選用生豬生產耗水作為研對象，計算生豬生產耗水，并運用LMDI分解法比較和分析不同因素對生豬生產耗水的貢獻。研究的目標包括不同體型和品種的生豬，以及其在不同時期的用水情況，從而建立一個使用簡單并且開放的生豬全生命周期的水足跡計算管理系統(tǒng)。

關鍵詞 LMDI模型;水足跡;生豬

中圖分類號 S-058 ??文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）19-0211-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.19.055

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Calculation and Research on Water Footprint of Pig Based on LMDI Model

JI Ya-hang，LI Lin-wei，LIU Zhen-yu

（School of Information Science and Engineering， Shanxi Agricultural University， Jinzhong， Shandong 030600）

Abstract With the increase of population in recent years， the demand for pigs is also increasing， so how to achieve low-cost breeding and green breeding in the process of pig breeding is an important direction of pig breeding. In this research， the water consumption of pig production was selected as the research object. The water consumption of pig production was calculated， and the contribution of different factors to water consumption of pig production was compared and analyzed by LMDI decomposition method. The objectives of the study included pigs of different sizes and breeds， as well as their water use in different periods， so as to establish a simple and open water footprint calculation and management system for pig life cycle.

Key words LMDI model;Water footprint;Pig

基金項目 國家自然科學基金項目“高壓脈沖電場協同效應失活封閉型畜禽舍空氣中病原體機制研究”（31772651）;山西省留學科技擇優(yōu)資助項目“高壓脈沖電場協同效應失活封閉型畜禽舍空氣中病原體機制研究”（K271899003）。

作者簡介 姬亞航（1996—），男，山西長治人，碩士研究生，研究方向：農業(yè)工程與信息技術。*通信作者，教授，博士，碩士生導師，從事農業(yè)物料電磁特性研究。

收稿日期 2021-02-09

水資源是地球不可或缺的重要資源，是人們生產和生活的重要組成部分，也是人類生存與發(fā)展的物質基礎。隨著社會的發(fā)展，人們對水資源也提出了更高的要求，對水資源的需求量也日益增加。在全球水資源短缺情況下，節(jié)約用水、實現水資源的最大化利用率是目前需要解決的一個緊急問題。快速的城鎮(zhèn)化和工業(yè)化進程正威脅著中國原本短缺的水資源，而不斷增加的畜產品消費勢必會加重這一狀況[1]。隨著社會的發(fā)展，人們對農畜牧產品的需求量也在不斷增加。然而在農畜牧產品的生長過程中都會消耗大量的水資源。近些年，畜牧業(yè)的快速發(fā)展中消耗水資源比例日漸增大，畜牧業(yè)占全國農業(yè)總產值的32%以上，在畜牧業(yè)當中生豬的養(yǎng)殖又占較大的比例，因此生豬所造成的水資源消耗成為了畜牧業(yè)水足跡的重要來源。因此，科學評估生豬在養(yǎng)殖過程中的水足跡，科學、準確地計算生豬水足跡對控制用水量，進而尋求降低生豬的耗水量具有重要的科學和實用價值。

對生豬水足跡的研究和計算不僅可以豐富水足跡的理論研究知識，完善水足跡的理論體系，還可以為畜牧業(yè)的管理提供科學依據，增大畜牧業(yè)的生產效率，使水資源得到充分合理利用。

綜合目前對水足跡的定義，人們將生豬的水足跡定義為：單位質量豬的水足跡是指生豬從出生到出欄的整個生長周期內單位活體重量耗水，包括生活用水、豬飲用水、處理糞便污染耗水、沖洗欄位豬舍用水、防暑降溫用水的水足跡，不包括屠宰和加工耗水。鑒于此，筆者選用生豬生產耗水作為研對象，計算生豬生產耗水，并運用LMDI分解法比較和分析不同因素對生豬生產耗水的貢獻;研究的目標包括不同體型和品種的生豬，以及其在不同時期的用水情況，從而建立一個使用簡單并且開放的生豬全生命周期的水足跡計算管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

1.1 平臺功能需求

1.1.1 技術人員自主操作功能。

基于生豬生活所產生的耗水問題，選取6個豬場的夏季用水量，核算生豬的水足跡，運用LMDI模型分析豬的水足跡的影響因素，并提出可行性設計方案。

平臺主要面向豬舍工人和養(yǎng)殖技術人員，提供輸入、輸出界面，方便養(yǎng)殖技術人員對水足跡進行計算。

1.1.2 數據管理功能。計算出來的水足跡存入數據庫中，作為歷史參考數據。相關人員可以查看歷史數據，對水足跡進行核算和分析;管理人員可以對數據進行添加、刪除、修改等操作。

1.2 用戶類和特性 對水足跡進行計算的豬舍工作人員可以調用接口，實現各項操作以及平臺資源的自動擴展。

該平臺的重要用戶類有：①豬舍工作人員。工作人員記錄不同時期生豬的耗水量，記錄數據。②養(yǎng)殖技術人員。通過平臺進行數據填寫、計算等操作，并對數據進行添加、刪除、修改等操作。

針對不用的豬舍建立不同的數據，圖1為用戶用例圖。

2 生豬水足跡算法分析

2.1 生豬水足跡的計算 單位質量豬的水足跡是指生豬從出生到出欄的整個生長周期內單位活體重量耗水，包括日常生活用水、生豬飲用水、糞便污水消耗水、豬舍沖洗用水、夏季降溫用水的水足跡，計算水足跡只在豬舍中進行計算，不包括屠宰等過程中的耗水。單位質量生產水足跡WF（m/kg）計算公式如下，

WF=WF life+WF drink+WF pollute+WF serve+WF cool

式中，WF life為日常生活用水的水足跡（m3/kg），WF drink為生豬飲用水的水足跡（m3/kg），WF pollute為糞便污水消耗水的水足跡（m3/kg），WF serve為豬舍沖洗用水的水足跡（m3/kg），WF cool為夏季降溫用水的水足跡（m3/kg）。

2.2 LMDI模型

LMDI模型是一種不產生殘差的因素分解法，它通過數學恒等式將目標變量分解成為若干影響因素并進行分析，從而考察各因素對目標的作用方向和相對影響程度[2]。

將IPAT模型用于水足跡的變化，將豬的水足跡分解為生豬的數量、單位豬的耗水量、人口數量3個影響因素[3]。將該式用于豬的水足跡研究，分解得出以下公式：

Wm = Pm×Am×Tm

式中，Wm為第 m年 的豬的生產水足跡（m）;Pm為第 m年 的人口數量;Am為第 m年 人均豬肉產值（元/人），即富裕程度;Tm為第 m年 的單位生豬產值的耗水量（m/元），即生豬的技術效應[4]。根據 LMDI分解法[5]， W 0和W t分別 表示為在第1年和第 t 年豬的水足跡，則兩者之間的變化量Δ W 可以表示為：

Δ W=W t-W 0 =Δ W P +Δ W A +Δ W T

式中，Δ W P 、Δ W A 、Δ W T分 別表示人口數量變動、人均生豬產值的變化、單位生豬耗水的變化[6]，3個變量所引起的水足跡的變化量（m3）如下所示：

Δ W = ?m （ W t - W? 0）×（ln P t -ln P? 0）ln W t -ln W? 0

Δ W A = ?m （ W t - W? 0）×（ln A t -ln A? 0）ln W t -ln W? 0

Δ W T = ?m （ W t - W? 0）×（ln T t -ln T? 0）ln W t -ln W? 0

式中， P t、P 0分別表示人口數量在第t年和第1年的變化;A t、A 0分別表示人均生豬產值在第t年和第1年的變化;T t、T 0分別表示單位生豬的耗水量第t年和第1 年的變化。

某一因素引起了生豬的水足跡的變化，且變化量為正值（Δ W P 、Δ W A 、Δ W T）， 表示生豬的水足跡為增量效應，即正向驅動;反之為減量效應，即負向驅動。

2.3 生豬的水足跡數據分析

豬的飲水量受很多方面的影響，主要有周圍環(huán)境、飲食量以及喂養(yǎng)方式等，飲水量根據其體重來計算，大約是其體重的18%，夏季用水量偏多，大約是其體重的25%。

將豬場用水分為日常生活用水、生豬飲用水、糞便污水消耗水、豬舍沖洗用水、夏季降溫用水[7]五大類，分析并記錄五大類用水的比例、耗水量，為后續(xù)工作提供數據支撐，進而做到節(jié)約用水、綠色養(yǎng)殖，各豬舍采取相應措施，達到保護水資源的目的。

通過走訪調研了6個豬場的夏季用水量，如表1所示。

斷奶以后的幼豬和正在成長過程中的豬的飲水量要與其飼料進食量呈正相關，斷奶以后幼豬每日的飲水量為：每日飲水量（L） = 0.149+3.053×每日干飼料采食量（kg）; 成長過程中的生豬飲水量大約為干飼料進食量的2.5倍[8]。通過以上公式，可以計算出1 d中斷奶以后的幼豬和生長過程中生豬的用水量。

哺乳母豬的飲水量比其他階段的生豬消耗量大，尤其是在進食與引用水2方面，大約需要水20 L/d，其他方面與其他階段的生豬耗水量不大。

水簾降溫用水量占夏季日均用水量的29%，具體如表2所示。飲水量占夏季日均用水量的23%， 處理糞便污染耗水量占28%（有5%下降空間），水簾降溫水量占29%（有30%下降空間），沖洗用水量占18%（有5%下降空間），生活區(qū)用水量占2%（有11%下降空間）。

3 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)后端采用Java[9]語言編寫，Java是世界上使用最多的編程語言。Java語言的特點包括面向對象、跨平臺、內存自動管理等。Java有簡單容易學習、安全性高、可移植性強、健壯性等特點，Java語言還在Web應用程序的編寫上有著優(yōu)秀的表現，會自動處理內存垃圾，便于內存管理，Java在運行時會自動檢查錯誤，檢查出錯誤后會自動消除錯誤。后端框架基礎使用SpringBoot，數據層使用的是Mybatis，簡單易上手，便于維護。用戶基本信息使用Mysql，保存用戶的信息，使用redis保存經常用到的數據來降低整個項目的響應時間。

前端采用JavaScript[10]語言編寫，采用比較流行的Vue框架。Vue的優(yōu)點在于可以自底向上應用，是一種漸進式的框架，而且簡單易學，Vue只關注視圖層，并且還可以和其他以后的數據庫或者項目整合在一起。生豬水足跡計算界面如圖2所示。

平臺采取開放使用的方式，讓更多的生豬養(yǎng)殖用戶與研究人員參與進來，通過記錄用戶數據在經濟效益和環(huán)境效益方面如何合理減少用水量，針對性提出改進方案和措施;對豬舍進行優(yōu)化改革，達到節(jié)約用水的目的。

4 結語

該研究的目的是一個基于面向對象設計技術的生豬水足跡應用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以收集生豬水足跡數據與研究人員分析數據，為用戶提供一個開放的平臺和共享的數據庫，為我國生豬水足跡計算提供一個專業(yè)、可靠、方便的計算機智能化系統(tǒng)。

該系統(tǒng)已經初步實現了生豬水足跡的相關計算，為今后的進一步研究開發(fā)積累了寶貴經驗，奠定了重要的基礎。但該系統(tǒng)仍存在一些有待改善與加強之處，比如針對一些復雜的數據還不能夠很好地進行處理和計算，針對類似問題將會繼續(xù)研究和改進，從而提高水足跡的準確性，這是今后仍需要解決的一個重要問題。

參考文獻

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