集約化養殖場的適度規模分析
——基于環境成本內部化視角

陳 瑤， 薛晶晶

(南京工業大學經濟管理學院，江蘇南京 211816)

中國是生豬生產、消費和貿易大國，生豬飼養量和豬肉產量均占世界總量的50%左右，多年來生豬出欄量均保持在6億頭以上。但同時我國生豬養殖也面臨巨大挑戰：一是生豬發展方式落后。我國生豬年出欄50頭以下的散戶約97%的豬場數的生豬出欄量僅約占總出欄量的50%；二是豬肉價格波動加劇。由于生豬養殖集約化程度較低及生豬市場供求等因素的影響，豬肉價格一直處于波動態勢。中國生豬小戶散養方式帶來的生產粗放、信息不靈、防疫條件差、標準化程度低、良種化程度不高等問題嚴重制約了產業的持續健康發展。王俊能等認為，集約化養殖是畜牧業發展的必然趨勢，也是產業集中所釋放的規模經濟效益和未來發展的重要推動力[1]。另外，隨著生豬養殖規模不斷擴大，生產集約化程度不斷提高，生豬廢棄物帶來的污染越來越嚴重。由于畜禽養殖污染處理成本偏高，部分畜禽養殖者糞污處理意識薄弱，大部分集約化養殖場未能對生豬廢棄物進行有效處理和利用，專業化特征導致養殖業與傳統種植業日益分離，生豬糞便作為農田有機肥的比例大幅度下降，給生態環境造成了嚴重影響，養殖廢棄物污染也成為制約現代畜牧業發展的瓶頸。黃季焜等認為，隨著畜禽養殖集約化程度的提高，畜禽糞便的利用率逐漸下降，畜禽糞便對環境的污染有日益加重的趨勢[2-3]。由于飼料添加劑的廣泛使用，一些典型集約化養殖場附近存在潛在的空氣污染和水體污染[4-5])，而表層土壤中均存在重金屬污染[6]。散養方式下，農戶將畜禽養殖和種植業相結合，畜禽糞便的還田率較高；而當畜禽養殖業集約化程度不斷提高時，種、養分離成為普遍趨勢，加上近年來建設的專業養殖場主要分布在我國東部和城市郊區，這些都導致缺乏足夠的配套耕地循環利用集約化養殖場產生的畜禽糞便[7]。據2010年《全國第一次污染源普查公報》顯示，畜禽養殖業主要水污染物排放量中化學需氧量、總氮含量、總磷含量分別為 1 268.26 萬、102.48萬、16.04萬t，分別占排放總量的 41.87%、21.67%、37.9%[8]。Fischer等預測，2020年中國畜禽糞便排放量將會比2007年增加37%[9]。

1 文獻述評

1.1 環境成本的度量及環境成本內部化

國外很多學者從生豬廢棄物處理成本的角度分析生豬養殖的環境成本認為，加入環境成本的集約化養殖場(CAFOs)的生產成本高于小規模養殖場，并測算出每頭生豬的環境成本為10.19元(1.49美元)[10-11]。McBride等測算的環境治污費為0.55元/kg(0.08美元/kg)[12]，Ribaudo等認為大型規模化養殖場環境處理成本比不處理增加4%～5.5%[13]。國內學者對生豬養殖環境成本的評估差異較大，李樺認為環境成本占生豬總成本的比例不足1%[14]；但武深樹測出2006年湖南省洞庭湖地區生豬養殖的環境成本為25.60億元，相當于該區域當年畜牧業生產總值的14.07%[15]。環境成本內部化的核心是污染者付費原則，即污染者(包括生產者和消費者)應為他們的行為支付全部成本，這樣可以確保產品的價格反映出與其生產和消費相關的環境損害程度[16]。環境成本內部化的實現機制普遍接受的是種養結合，即對集約化養殖場按環境承載能力配套一定面積的種植業土地，利用種植業消納集約化養殖場排放的N、P等可能對環境構成威脅的營養元素。農業系統中集約化養殖場的環境成本內部化就是使畜禽養殖者將治理污染的成本或因排放污染物而產生的稅費記入企業的總成本中。基于這樣的情境，王會等構建了一個基于耕地氮磷承載力和運輸成本的數理模型[17]。模型將環境成本分為兩部分，一是生豬糞便處理成本，即固液分離、沼氣等處理的凈成本；二是處理剩余物的處置成本，設定有2種處理方式：一種為直接排放并向環境行政管理部門繳納排污費，另一種為自行運到農田中作還田處置。王會等認為，運輸成本是限制養殖規模的重要因素[17]，但該模型主要是理論分析，并沒有考慮到有機肥與化肥相比在施用環節需要很多的勞動力，而這正是當下制約有機農業發展和動物糞便資源化利用的重要因素。

1.2 集約化養殖場的適度規模

適度規模經營的研究實質是面對有限的農業要素資源條件和可供選擇的生產技術狀況，對農業各生產要素進行合理配置，使自己的經營規模達到最優，使農業生產的經濟效益和農業產出量最大化[18]。適度規模經營可以促進科技進步在農業生產中的推廣和應用、促進資金的投入、提高土地產出率、勞動產出率和經營效益。黃延廷認為，適度規模是一個動態、變化的數值，由多種因素決定，包括科學技術在農業生產中的應用，資本的不可分性，農業經營者的生產經營能力，土地面積、勞動、資本等要素之間的稀缺性差異等[19]。不同生產要素具有一定的替代效應，農戶可以根據要素相對價格和資源優勢合理選擇投入的要素水平，由于農業生產要素的“稀缺性”，不同生產要素存在最佳配置。本研究對于集約化養殖場的最適規模探討主要從利潤最大化指標考慮，農業生產要素的約束主要考慮資本、土地面積和勞動力數量因素。生豬生產發展受地理、科技、經濟等多因素制約，而生豬生產規模化的適度性和科學性也直接由規模效益的有效性決定[20]。學者對不同區域畜禽糞便的農田作物承載量開展了部分研究，以氮元素為基準，江蘇省所有農用地全部種植農田作物畜禽承載力為8 635萬豬當量值，全部種植蔬菜作物畜禽承載力為15 949萬豬當量值，其中南通市和徐州市畜禽實際承載量已超過耕地的承載[21]。而盛婧等通過研究糞污直接厭氧發酵處理模式下規模養殖場農牧結合適度規模配置，以沼渣和沼液全部在配套農田消解為目標，認為萬頭豬場須要配置的最少農田為糧油作物地272.5～285.4 hm2，或茄果類蔬菜149.4～188.2 hm2，或果樹苗木地599.4～1 248.8 hm2；該模式下糧油作物地、茄果類蔬菜地、果樹苗木地分別可承載35～37、53～67、8～17頭/hm2生豬排放糞便的沼渣和沼液[22]。

2 研究思路及模型構建

2.1 農業生態系統

模型建立是以集約化養殖場為核心，配套相應規模的有機肥廠及消解有機肥的種植業基地，形成種養結合的農業生態循環系統。過量的沼液、沼渣在農田施用將會引起N、P流失二次污染環境，因此，研究規模養殖場必須匹配周邊農田面積及農田對沼液、沼渣的適宜承載量至關重要[23]。農業生態系統中耕地氮磷承載量與生豬養殖糞便中氮磷的總量處于適度均衡狀態。農業生態系統的循環原理是集約化養殖場糞污處理技術的產物糞便、沼渣及墊料進入有機肥廠生產有機肥，沼液則作為種植業的液肥用于灌溉；產品中有機肥料提供給農戶作為種植業的肥料；種植業的秸稈作為有機肥原料由有機肥廠回收，種植的谷物和大豆則作為飼料產品提供給生豬養殖業(圖1)。

2.2 模型的構建

本研究的適度規模主要以模型建立的系統收益最大化為基礎，抵消有機肥廠的成本收益，農業生態系統的收益為生豬銷售收入和種植業收入的總和減去相關的成本費用。以集約化養殖場、有機肥廠和種植業結合的農業種養生態系統的規模收益在不同時間和空間上受到資金投入量、土地面積、勞動力數量的相應約束，在不同的生豬養殖規模水平上會產生不同的收益，通過設定不同的約束條件也會產生不同的適度規模結果。

建立適度規模的整數規劃模型，利用WinQSB軟件計算整數規劃。對于規模選擇問題中的“是-否”或“有-無”問題，可借助整數規劃中的0-1整數變量[24]。0-1變量也被稱為二進制變量、決策變量或邏輯變量，一般表示為：

(1)

只能選擇1種適度規模的含義就是多種決策方案中選1個方案，即

x1+x2+x3≤1。

(2)

表示規模選擇的2個決策變量相互排斥，稱類似的2個或多個互斥決策變量為互斥變量。若這些變量要求必須選擇1個時，則變量之和就等于1。

令Q為生豬出欄量，農業生態系統的凈收益(TR)=(不同規模水平下生豬銷售收入+種植業收入)-(養殖場總成本+有機肥料成本+種植業成本)；資金投入需求A為集約化養殖場與有機肥廠的資本投入之和；耕地需求S為規模生豬廢棄物氮磷養分的最大耕地承載量；勞動力需求L為農業生態系統中養殖場、有機肥廠及種植業所需要的勞動力總和。

同時，農業生態系統凈收益最大化的限制條件還有投入資金、耕地面積和勞動力數量，建立規模決策的整數規劃模型：

(3)

考慮環境因素下的生豬總成本由生產成本和環境成本組成，不同集約化養殖廢棄物處理方式下的環境成本也不一樣。本研究養殖場廢棄物處理主要采用沼氣方式和發酵床處理方式，對于養殖場廢棄物處理方式的探討主要分為2類：一類為產生污水并以沼氣工程為前提的廢棄物處理方式，另一類為污水零排放的發酵床處理方式。沼氣工程廢棄物處理主要以產生沼氣為主，沼氣工程涉及的廢棄物處理工藝主要包括固液機械分離、厭氧處理、好氧處理(堆肥)、氧化塘等[25-27]。發酵床養豬是一種環保型生態養豬實用技術，原理是通過發酵床有機墊料的物理吸收以及有益菌對豬糞尿廢棄物的降解、消化，豬舍無污水外排，實現生豬廢棄物的資源化利用[28-29]。其中，沼氣方式主要以干清糞為主，糞水和污水通過廢水處理系統產生沼氣，固體糞便和沼渣用于堆肥，其環境成本主要包括糞污處理凈成本、職能部門檢測成本和排污費；發酵床養殖方式的環境成本主要為發酵床的投入成本、墊料的翻耙和清理成本。假設系統中配套的有機肥廠的有機肥主要銷售給種植業農戶，總成本主要為有機肥生產的運營成本、肥料還田的運輸成本；農戶的收入主要為種植業收入和秸稈的收入，種植成本主要為有機肥購入成本；種植業耕地是以有機肥廠為中心的圓盤形，且有機肥料均勻分布在耕地上。因此對于TR進一步分解：

(4)

3 集約化養殖場的適度規模分析

3.1 沼氣方式下的適度規模

根據模型(3)和模型(4)，當j=1時，利用WinQSB軟件對資金投入量(A)、土地面積(S)、勞動力數量(L)約束條件測算，得出農業生態系統收益最大化的適度規模(表1)。

表1 沼氣方式處理下農業生態系統的生豬養殖適度規模單位

由表1構成的3個約束條件資金投入量、土地面積、勞動力數量可知，當A≤25萬元或S≤3 000 hm2或L≤16人時，農業生態系統凈收益最大化的適度規模為小規模生豬養殖(x1)。當25萬元3 000 hm2且L>16，3 000 hm2150萬元且L>16人時，農業生態系統凈收益最大化的適度規模為中規模生豬養殖(x2)。當A>150萬元、S>30 000 hm2且L>165人時，農業生態系統凈收益最大化的適度規模為大規模(x3)。不同規模生豬養殖的凈收益分別為28.96萬、401.70萬、4 340.55萬元。

3.2 發酵床方式下的適度規模

當j=2時，利用WinQSB軟件得出農業生態系統收益最大化的適度規模(表2)。

由表2可知，當A≤23.78萬元或S≤3 000 hm2或L≤8人時，農業生態系統凈收益最大化的適度規模為小規模生豬養殖(x1)。當23.78萬元3 000 hm2且L>18人，3 000600萬元且L>18人時，農業生態系統凈收益最大化的適度規模為中規模(x2)。當A>600萬元、S>3 000 hm2及L>185人時， 農業生態系統凈收益最大化的適度規模為大規模(x3)。不同規模生豬養殖的凈收益分別為35萬、395.24萬、3 868.95萬元。

表2 發酵床方式下農業生態系統的生豬養殖適度規模

將表1和表2中沼氣方式與發酵床方式在3種規模水平下的設備投入、土地面積、勞動力數量狀況對比分析發現，沼氣方式的總體投入和各規模的凈收益略大于發酵床處理方式。從農業系統單位凈收益看，沼氣方式不同規模的單位凈收益分別為579.17萬、803.41萬、868.11萬元；發酵床方式單位凈收益分別為700.14萬、790.48萬、773.79萬元。可見，小規模水平沼氣方式單位凈收益小于發酵床方式；中大規模水平沼氣方式單位凈收益均大于發酵床方式，且在發酵床方式系統中規模水平的單位凈收益最大。

3.3 某集約化養殖場——沼氣方式案例分析

3.3.1 集約化生態農業公司現狀 集約化生態農業公司位于江蘇省宜興市徐舍鎮，為首批通過農業部畜禽養殖標準化示范場的省級驗收的畜禽養殖場，該生態農業有限公司是一家集生豬生產、加工、豬糞綜合利用于一體的現代生態循環農業企業，也可看作是種養結合的農業生態循環系統。根據養殖場適度規模的選擇結果，某集約化養殖場廢棄物處理技術選擇運用沼氣處理實現規模經營。目前，公司總投資8 000多萬元，總占地面積40 hm2，已形成年出欄商品豬5萬頭、種豬5 000頭的生產規模。2004年該公司作為農業部首批環境能源利用項目，總投資150萬元建設綜合養殖場利用豬糞制取沼氣工程，年節約能源近20萬元，2006年又投入500萬元新建1套污水處理工程，包括1 500 m3沼氣塔、貯氣罐、日產沼氣500 m3供給200 kW的發電站，對生產污水凈化率達80%以上；2007年第2條年出欄5萬頭生豬的生產線、年產20 000 t的飼料廠以及一套新的污水處理工程投入使用。該集約化大型沼氣工程產生的沼液主要用于企業內部約 66.67 hm2蔬菜種植的液肥灌溉，大部分豬糞干物質在園區內部堆放或無償提供給蔬果、園藝種植園，未能完全利用的豬糞干物質形成有機肥，同時也造成一定的環境污染；通過養殖場、有機肥廠、種植業建立農業生態循環系統，在提高經濟效益的同時，還可以改善生態環境、促進社會就業。

3.3.2 集約化農業生態系統的最適養殖規模 根據徐舍地區2015年農村組織和從業人員情況統計表和農村實有從業人員表(資料來源于《徐舍鎮2016年統計年鑒》)，年末農村勞動力資源數約為12 000人，約70%～80%的勞動力外出打工；鎮區實際從業人員為部分外來人口加本地勞動力，由于國民經濟不同行業的需要，實際從事農業的農村勞動力僅約有6 000人。該公司農業循環生態園配套耕地約666.67 hm2，加上養殖場和有機肥廠，耕地約束約為733.33 hm2。其中規劃模型中的成本函數主要參考徐舍地區實地考察的代表性養殖場建立的生產成本趨勢線y=1 769.5x-0.075[30]。

根據徐舍地區的勞動力數量、耕地約束及某集約化農業生態循環系統中資金的投入現狀，以該集約化養殖場現有的生產能力為基礎，建立農業生態系統的非線性規劃模型：

maxTR=1 650Q-1 769.5Q-0.075+1 760S-0.000 7S3/2

利用WinQSB軟件計算得出測算結果。

由表3可知，在勞動力數量和土地面積資源約束條件下，以某集約化養殖場為核心的農業生態循環系統中養殖場的最適養殖規模約為25 115頭，配置耕地面積為666.57 hm2，最大化收益為5 903.635萬元。將生豬規模和耕地面積對凈收益作敏感性分析可知，生豬規模對凈收益的敏感性大于耕地面積影響(圖2)。生豬規模和耕地面積變動1%對凈收益的影響分別為0.7%、0.3%，變動5%的影響分別為3.51%、1.49%，因此變動5%以內生豬規模和耕地面積變動對凈收益的影響敏感性較弱，當生豬規模變動15%以上，即增減 3 700 頭以上時凈收益的變動大于10%。因此，在勞動力數量和土地面積資源的約束條件下，根據某集約化養殖場結果及其敏感性分析，農業生態循環系統中養殖場的最適養殖規模約為25 000頭，配置耕地面積666.67 hm2，最大化收益為 5 903.635萬元，即種養結合農業生態系統中生豬最佳配置為40頭/hm2，農業生態系統的凈收益可達9萬元/hm2。

4 小結

隨著經濟發展水平的提高，生豬養殖的集約化程度還將進一步提高，由此引起的經濟與環境保護協調發展問題已經成為全球畜禽養殖業發展的重要議題， 從生豬養殖的環境成本內部化視角考慮生豬產業的發展也是解決集約化養殖與環境保護的最佳手段。沼氣廢棄物處理剩余物仍然存在廢水和廢氣的排放，發酵床作為零污染排放的養殖模式則存在固體有機肥還田的運輸成本和施肥成本問題，本研究從循環農業視角建立種養結合農業生態系統，根據系統構建基于生豬集約化養殖技術選擇、完全成本、適度規模的生產者決策模型，分析既定廢棄物處理技術下農戶收益最大化時集約化養殖場的適度規模，進而實現農業生態系統的優化配置。

表3 WinQSB軟件非線性規劃測算結果

根據農戶決策規劃模型，利用WinQSB軟件整數規劃測算出資金投入量、勞動力數量、耕地不同限制下生豬養殖的適度規模。將沼氣方式與發酵床方式在3種規模水平下的設備投入、農業系統凈收益、系統單位凈收益進行對比分析發現，沼氣方式的總體投入略大于發酵床處理方式，從農業系統總體收益及單位凈收益看，小規模水平上沼氣方式小于發酵床方式；中大規模水平上，沼氣方式均大于發酵床模型，且在發酵床方式系統中規模水平的單位凈收益最大。然后通過某集約化養殖場的案例分析，利用WinQSB軟件非線性規劃測算出在勞動力數量和土地面積資源的約束條件下，種養結合農業生態系統中生豬最佳配置為40頭/hm2，農業生態系統的凈收益可達9萬元/hm2。