常用減排政策在肉牛養殖業中的有效性分析
2016-10-21 16:47:53張曉彤董明
安徽農業科學 2016年4期
張曉彤 董明
摘要為分析常用減排政策在肉牛養殖業中的有效性，探討了肉牛飼喂過程中的溫室氣體減排問題。首先利用聯合國政府間氣候變化委員會（IPCC）提供的飼料成分排放因子測算方法，估算肉牛個體在育肥過程中的溫室氣體排放量；在此基礎3種減排手段，建立了考慮溫室氣體排放的飼喂決策模型。數值試驗表明，價格補貼最具可行性，且有助于降低養殖場運營成本；碳排放限額約束具有最優的單位減排成本，但需要制定完善的政策以避免權力尋租等不端行為；碳稅的減排效果最為明顯，但將極大地增加養殖場運營成本，可行性最差。
關鍵詞肉牛飼喂；減排政策；優化模型
中圖分類號S-9文獻標識碼A文章編號0517-6611（2016）04-262-06
Analysis of Common Greenhouse Gas Reduction Policies in the Cattle Breeding Industry
ZHANG Xiaotong1， DONG Ming2， ZHANG Yufeng3（1. SinoUS Global Logistics Institute， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200030； 2. Antai College of Economics and Management， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200030； 3. Birmingham Business School， University of Birmingham， Edgbaston， United Kingdom）
AbstractIn order to analyze the effectiveness of common greenhouse gas（GHG） reduction policies in the cattle breeding industry， the problem of reducing GHG emissions was discussed. The GHG emission factors of beef cattle were calculated based on the approach proposed by the Intergovernment Panel on Climate Change （IPCC）， then the total emissions during fattening was estimated. Furthermore， the optimization models of feeding decision considering GHG emission quota， carbon tax， and subsidy were built respectively. Numerical tests showed subsidy is the most practicable in reducing emissions and it would aid farms by reducing cost； GHG emission quota has the minimal unit cost of emission reduction； however， relative polices should be completed in order to avoid misconducts； carbon tax is not feasible because the overall cost of farms would increase significantly， even though its emission reduction is the most obvious.
Key wordsBeef cattle feeding； Polices of reducing GHG emissions； Optimization models
溫室氣體的過度排放將導致全球氣溫升高、海平面上升、耕地退化等一系列的全球性環境危機，2015年12月召開的第21屆聯合國氣候大會一致通過《巴黎協定》，為全球應對氣候變化行動做出了安排。據食品與農業組織統計，全球反芻動物每年產生的甲烷約占人為甲烷排放量的28%[1]，有效地減少反芻動物飼養過程中的溫室氣體排放具有重要意義。但以往的研究著重于對養殖業的溫室氣體排放總量或排放強度進行評估，或者從宏觀角度對減排策略進行探討，鮮有研究將二者統一起來。
常用的溫室氣體排放評估方法包括體外試驗法、IPCC法、生命周期評估法。趙一廣[2]通過試驗提出了日糧采食量、日糧營養組成對肉用綿羊溫室氣體排放量的回歸方程。IPCC[3]提供了一系列編制溫室氣體清單的參數和方法，是國際通用的溫室氣體排放評估方法。孫亞男等[4]利用IPCC參數對奶牛場的溫室氣體排放進行了評估。馬宗虎等[5]對規?；馀Ｓ蕡龅臏厥覛怏w排放進行了生命周期評估。
溫室氣體的減排措施主要包括技術手段、經濟或政策手段。技術手段主要包括：規?；B殖、改善飼養管理、提高動物的生產性能、在飼料中添加溫室氣體抑制劑、科學處理糞便等措施。常用的行政和經濟減排措施包括：碳排放限額、碳稅、碳產權交易等，國內這方面的研究還停留在介紹國外經驗[6-7]或者宏觀經濟學分析[8-9]方面，但運用運籌學的方法進行量化分析也逐漸成為研究的熱點。陳伯成等[10]設計了考慮政府補貼及懲罰的碳排放許可交易生產優化模型；施宏濤[11]研究了考慮多種碳排放約束的供應鏈網絡優化模型；李穎[12]設計了農業溫室氣體減排的補償機制。筆者利用IPCC方法對不同肉牛飼喂方案的直接溫室氣體（甲烷、氧化亞氮）排放進行測算，并將其轉化為等效二氧化碳排放量，在此基礎上利用運籌學方法對溫室氣體排放限額、碳稅及價格補貼3種減排手段進行分析評價。
1肉牛的溫室氣體排放機制及測算
肉牛飼喂過程中產生的溫室氣體主要包括二氧化碳、甲烷及氧化亞氮。其中二氧化碳可通過植物的光合作用吸收，因此一般假設凈二氧化碳排放為0而無需測算[3]。而甲烷的溫室效應是同體積二氧化碳的25倍，且無法被植物吸收，會在大氣中不斷積累，因此需單獨考慮。肉牛屬于反芻動物，在消化食物時，其腸道內的微生物將食物中的纖維素轉化為營養物質同時釋放出氫氣和二氧化碳，并由產甲烷菌將其最終轉化為甲烷經由牛的呼吸道或消化道排出體外，這一過程稱為腸發酵，是農業溫室氣體排放的主要途徑之一。此外肉牛的糞便處理主要有自然風干、堆放發酵、厭氧池或氧化塘處理，在糞便處理過程中由于微生物的作用同樣會產生一部分甲烷。氧化亞氮的溫室效應是同體積二氧化碳的298倍，其主要來源是糞便處理，據統計，全球動物糞便排放產生的氧化亞氮約占排放總量的7%。
該研究采用IPCC提供的溫室氣體排放評估方法，具體的排放量計算公式如下：
（1）腸發酵甲烷排放因子。
ECH4=GE×Ym55.65=Ym×DMI×18.4555.65（1）
式中，Ym為腸發酵中的甲烷轉化因子，取4.5%；GE表示肉牛的能量攝入總量，等于其干物質攝入總量DMI與干物質能量密度18.45 MJ/kg的乘積；55.6是甲烷的能量含量，單位為MJ/kg。
（2）糞便處理甲烷排放因子。
MCH4=VS×Bo×0.67×MCF（2）
式中，Bo為單位固體排泄物的甲烷含量，取0.1；MCF為糞便處理中的甲烷轉化因子，取0.01；0.67為甲烷換算系數；VS為固體排泄物總量，計算公式如下：
VS=[GE×（1-TDN%）+UE×GE]×1-ASH18.45（3）
式中，GE=DMI×18.45，表示能量攝入總量；TDN%為可消化營養素比例；UE=0.04，表示隨尿液散失的能量；ASH=0.08，表示固體排泄物中的灰分含量。
（3） 糞便處理氧化亞氮排放因子。
MN2O=（DMI-NEa18.45-NEm18.45）×CP%6.25×4428（4）
式中，DMI為干物質攝入總量；NEa、NEm分別表示肉牛用于生長和肉牛日常運動所消耗的能量；CP%表示粗蛋白含量；6.25為日糧蛋白與日糧氮之間的轉換參數；4428表示氧化亞氮的排放轉化參數。
由于甲烷、氧化亞氮的溫室效應強度分別是同體積二氧化碳的25倍、298倍，將3部分溫室氣體排放轉化為等效的二氧化碳排放，肉牛飼喂過程中的溫室氣體排放因子可表示為：
GHG=25×ECH4+25×MCH4+298×MN2O（5）
需要指出，部分參數如干物質攝入總量DMI、可消化營養素比例TDN%、粗蛋白含量CP%等均需要依據具體的飼料成分確定，因此肉牛生長過程中的溫室氣體排放總量受飼喂方案影響。換言之，優化飼喂決策可以達到控制溫室氣體排放的目的。
2考慮溫室氣體排放的飼喂決策模型
我國的規?；馀龆嗖捎脧霓r戶處收購成長期牛犢，集中育肥一段時間達到出欄標準后進行屠宰的經營模式。育肥期間以谷物、秸稈為基礎日糧，同時搭配以一定比例的精飼料（玉米、豆粕等）及礦物質；飼喂方案需不斷調整以滿足牛犢處于不同生長階段時的營養需求。該研究以肉牛個體為研究對象，以周為時間單位，假設每周內肉牛的營養需求相同，建立線性規劃模型用于確定本周的最優飼料搭配，進而可以確定每頭肉牛在育肥期間的飼喂方案及不同方案的溫室氣體排放總量，在此基礎上對不同減排策略的效果進行分析。
2.1基本飼喂決策模型假設T={t|t=1，2，…，k}表示肉牛的育肥周數，I={i|i=1，2，…，m}表示可用的飼料成分，且CI、RI分別表示精飼料成分（如高粱、玉米、豆粕等）與粗飼料成分（如秸稈、干草等），J={j|j=1，2，…，n}表示肉牛所需營養成分；aij為單位質量飼料i所含營養成分j的質量，bcj表示肉牛個體在第t周所需營養成分j的下限，di表示肉牛個體攝入飼料成分i的上限，ci為單位質量飼料成分i的價格；決策變量為xti，表示肉牛個體在第t周所需飼料成分i的質量。
若以飼料購置成本為優化目標，處于第t周的肉牛周飼喂方案可通過以下線性規劃模型P1確定：
P1：min i∈lci·xti（6）
s.t.i∈laij·xti≥bti，j∈J（Ⅰ）
i∈cxti-rt·i∈R，xti≤0（Ⅱ）
i∈cxti-rt·i∈R，xti≥0（Ⅲ）
0≤xti≤di，i∈I（Ⅳ）
一套合理的飼喂方案需滿足肉牛的營養攝入約束（約束條件Ⅰ），同時為保證飼料的適口性，需保證精粗飼料的比例處于適當的范圍內（約束條件Ⅱ、Ⅲ），并限制單一飼料成分的攝入量（約束條件Ⅳ）。顯然，模型P1完全沒有考慮飼喂過程中的溫室氣體排放，由此得到的飼喂方案雖然實現了經濟成本最優，但勢必造成一定的環境影響，不利于溫室氣體減排。因此，利用公式（4）所得溫室氣體排放因子GHG，引入新的參數ei（kgeCO2/kg），表示單位質量飼料成分i所產生的等效二氧化碳排放量，在此基礎上對模型Pi進行一系列改進，用于分析比較多種減排措施的效果。
2.2碳排放限額約束碳排放限額約束是一種常見的環境政策手段，其基本模式為政府對某個企業授予一定數量的排放配額，并對超出配額部分的溫室氣體排放量收取費用。假設肉牛個體在育肥期間每周的排放配額為qt，令st=max{i∈Ixti·ei-qt，0}表示第t周的超額排放量，fine（元/kg）表示超額排放量的單位價格，具有碳排放限額約束的飼喂決策模型P2可表示為：
P2：mini∈Ici·xti+st·fine（7）
s.t.st≥i∈Iei·xti-qt（Ⅴ）
st≥0（Ⅵ）
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
2.3碳稅一般認為碳稅是一種解決目前高碳環境的有效手段，已在部分歐洲國家推廣并取得了良好成效，已被我國明確為“十二五”期間需要開征的稅種。目前已征收碳稅的國家，如芬蘭、瑞典等，往往將化石能源的使用作為征稅對象，并依據能源產品的含碳量或者二氧化碳排放量制定碳稅稅率，其實質是將溫室氣體排放所造成的社會成本內化到產品價格中。目前已有研究提出通過對農業碳排放征收碳稅可以減少碳排放，并保證農產品供給和價格不產生明顯波動。該研究中，設ct（元/kg）表示碳稅稅率，對任意飼料成分i，其實際成本變化為ci+ei·ct，則考慮碳稅的飼喂決策模型P3可表示為：
mini∈Ixti（ci+ei·ct）（8）
s.t.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
2.4價格補貼如果將碳稅視為對溫室氣體排放的懲罰，則價格補貼可被視為對減排行為的鼓勵。假設對于任意飼料成分i，其價格補貼函數為s（ei），并令s（ei）具有以下性質：①若其溫室氣體排放因子ei=0，則s（ei）=0；②對任意ei>0，有0
s（ei）=0，ei=0
c2ici+α·θi，ei>0（9）
式中，α為補貼系數a>0。
若對飼料成分i根據其溫室氣體排放因子ei給予價格補貼s（ei），則其實際采購成本為ci-s（ei），相應的具有價格補貼的飼喂決策模型P4可表示為：
min i∈Ixei[ci-s（ei）]（10）
s.t.Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
3數值試驗
3.1基礎溫室氣體排放首先利用基礎飼喂決策模型P1分析不考慮溫室氣體排放時肉牛個體在育肥期間（t=1～40周）的甲烷、氧化亞氮及等效二氧化碳排放情況，將所得結果與已有的研究結果進行對比，證明模型P1的正確性，并作為下文減排策略分析的基礎?；A溫室氣體排放的基本假設為肉牛在育肥期間的營養攝入需求持續增長，飼料精粗比的取值為2∶8～3∶7且保持不變，飼料營養成分及育肥期間肉牛營養需求取自NRC（Nutrient Requirements of Beef Cattle），飼料價格取自網絡，具體數值見表1、2。
試驗結果表明：①肉牛個體育肥期間總飼喂成本為1 858.8元，平均每周的飼喂成本為46.5元，符合我國養殖業基本情況；②育肥期間個體肉牛的甲烷排放總量為55.34 kg，折合單位肉牛的年甲烷排放量為71.94 kgCH4，介于馬宗虎等[5]與董紅敏等[13]的估算結果之間；③育肥期間個體肉牛的氧化亞氮排放總量為29.54 kg，肉牛飼喂期間的平均體重取400 kg，折合單位體重氮排放因子為0.264 kgN/（t·d），略小于IPCC[3]提供的肉牛缺省氮排泄率0.340 kgN/（t·d），主要原因為該研究的估算對象為飼喂環節的直接排放，未將肉牛場可能的間接氮排放（如農作物殘留、牧草施肥等）計入。
育肥期間個體肉牛的甲烷、氧化亞氮及等效二氧化碳排放情況見圖1，隨著育肥時間增加，肉牛體重增長，等效二氧化碳排放近似呈線性增長，等效溫室氣體排放量GHG對育肥時間的回歸方程為：
GHG=4.843 7×t+155.21（11）
試驗結果顯示，若制定飼喂方案時不考慮溫室氣體排放，育肥期間個體肉牛的等效溫室氣體排放量為1.018萬kg，等效溫室氣體的平均周排放量為254.5 kgCO2。
3.2碳排放限額約束的減排效果考慮碳排放限額約束的飼喂決策模型P2中有2個關鍵參數，超額排放量的單位價格fine（元/kg）以及肉牛個體每周的排放限額qt（kgCO2），該研究采用試驗設計的方法確定最為有效的qt及fine取值。設r∈（0.1）為排放限額系數，排放限額qt依據回歸方程（11），考慮4 種水平，取值分別為：
qt=4.843 7×t+155.21×r，r=95%，90%，85%，80%（12）
超額排放的定價并沒有通用原則，該研究參考歐洲的碳稅稅率20～106歐元/t、 美國的農業碳稅稅率14美元/t及我國碳交易市場平均價格55.91元/t，取fine=0.05，0.1，0.2，0.4，…，0.8元/kg等9種水平。各參數組合下的減排效果見圖2。取fine=0.4元/kg，r取值80%和90%時的溫室氣體排放見圖3。
試驗結果表明：①降低排放限額系數、提高超額排放價格fine均有助于降低溫室氣體排放。②排放限額系數r一定時，若排放已到達限額水平，進一步提高超額排放價格是無效的。就該研究案例而言：①取fine=0.4元/kg時，不同限額水平的單位減排成本均達到最低水平，此時實際排放量達到限額水平。②取排放限額系數r=90%時，單位減排成本到達最低水平，為0.244元/kg，減排量為6.22%。③取排放限額系數r=80%時，可減排12.2%，效果最為顯著，此時的單位減排成本為0.254元/kg。
3.3碳稅的減排效果同樣參考歐美的碳稅實施經驗，考慮碳稅稅率ct變化時的減排效果。以“3.1”中的排放及飼喂成本為基準，當碳稅稅率ct從0.1元/kg增加至3元/kg時，減排水平及單位減排成本見圖4。由圖4可知，隨著碳稅稅率ct提高，實際減排水平呈階梯式增長，單位減排成本在快速下降至最小值后緩慢增長。
此例中適當的碳稅稅率應取ct=0.3～0.5元/kg，若碳稅稅率過低，減排效果不明顯；若稅率過高企業的碳稅負擔過重。當碳稅稅率ct=0.3元/kg時，實際減排10.36%，此時總成本增加2 976.6 元，其中飼喂成本上升239.04元，繳納碳稅2 737.5元，單位減排成本為2.82 元/kg；碳稅稅率ct=0.5元/kg時，單位排放成本最優，此時的實際減排量為7 164.5 kg/頭，較模型P1的排放下降70.38%，總成本增加4 018.5元/頭，其中飼喂成本上升2 510.7元/頭，繳納碳稅1 507.8元/頭，單位減排成本為0.56元/kg，此時育肥期間肉牛個體的溫室氣體排放見圖5。
3.4價格補貼的減排效果這里采用式（8）所示價格補貼函數，影響補貼幅度的關鍵參數是價格補貼系數α，對于任意飼料成分，若其排放系數ei>0，則α增加時，其價格補貼s（ei）減小。需要指出的是，價格補貼由政府承擔，育肥場實際承擔的成本為飼料購置成本減價格補貼，因此實際的減排成本為價格補貼加飼料購置成本變化量。
不同價格補貼系數α的減排效果見圖6。數據表明，隨著補貼系數α增大，實際補貼額度減小，減排效果逐漸消失。就該例而言，較為合理的補貼系數為α=6或α=14。α<6時，減排效果明顯但補貼額度較高，不具有可行性；當α>14時，補貼力度不足，減排效果不明顯。當α=6時，養殖場飼喂成本下降154.6元/年，政府補貼額為1 081.9元/年，排放下降26%，單位減排成本為0.35元/kg，或取α=14，此時飼喂成本下降32.5元/年，政府補貼144.4元/頭，排放下降4%，單位減排成本為0.26元/kg。相應的育肥期間肉牛個體溫室氣體排放如圖7所示。
4結論及建議
該研究在對飼料成分的溫室氣體排放因子測算的基礎上，通過運籌學方法，分別建立了考慮溫室氣體排放限額約束、碳稅、價格補貼的肉牛飼喂決策模型。通過數值試驗得到以下結論：
（1）限額約束、碳稅、價格補貼均可以實現降低溫室氣體排放的目的。就效果而言，征收碳稅的減排效果最為明顯，數值試驗表明取碳稅稅率ct=0.5元/kg，可減少溫室氣體排放70.38%，單位減排成本為0.56元/kg，若進一步提高碳稅稅率至ct=1.8元/kg可降低約90%的排放量。然而碳稅的可行性最低，主要的問題表現為碳稅稅額過高，將極大地增加養殖場的運營成本，該例中ct=0.5元/kg 時，碳稅總額達到1 507.8元/頭，總成本增加4 018.5元/頭，是原飼喂成本的3倍以上。顯然，如何科學地制定養殖業碳稅是一個仍需進一步研究的問題。
（2）就效益而言，碳排放限額約束具有最優的單位減排成本，數值試驗表明，若以目前排放水平的80%為限額，對超額排放量征收0.4元/kg的超額排放費用，可將實際的溫室氣體排放量降低12.2%，單位減排成本僅為0.254元/kg，且企業增加的飼喂成本為315.4元/頭，僅為原成本的17%。然而有研究指出[10]，碳排放限額約束作為一種行政手段，雖然易于實施，但同樣易于出現權力尋租等不端行為，此外如何設定排放額度及如何在育肥期間分配排放額度還有待進一步研究。
（3）相比之下依據飼料成分的溫室氣體排放因子提供價格補貼是一種極具可行性的減排手段。數值試驗表明，若采用該研究提出的價格補貼函數，當補貼系數α=14時，政府補貼額度為144.4元/頭，同時養殖場可降低飼喂成本32.5元/頭，此時可降低排放4%，單位減排成本為0.26 元/kg，與限額約束的單位減排成本0.254元/kg極為接近，若進一步提高補貼額度至1 081.9 元/頭，可減少溫室氣體排放26%，此時的單位減排成本為0.35元/kg，單位減排成本及肉牛飼喂成本仍優于碳稅。同時，價格補貼作為一種經濟手段具有公開透明的特點，并可以在降低溫室氣體排放的同時，降低養殖業成本，扶持養殖業發展。
綜上所述，對3種減排策略的綜合評價見表3。雖然數值試驗表明了價格補貼在降低肉牛養殖過程中降低直接溫室氣體排放的可行性，相關結論仍有待進一步研究論證。未來的研究可進一步探討以下問題：①不同補貼函數的減排效果；②對部分主要飼料成分進行補貼的可行性；③價格補貼與限額約束相結合以加強減排效果的可行性。
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