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中国生猪生产耗水及影响因素分析

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

刘晓磊¹^,, 栾一博¹, 胡科¹, 崔雪锋¹^,

1. 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院地表过程与资源生态国家重点实验室,北京100875

2. 中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心,北京 100029

Water requirements within the pig industry in China and factor analysis

LIUXiaolei¹^,, LUANYibo¹, HUKe¹, ReshmitaNath², CUIXuefeng¹^,

1. State Key Laboratory of Earth Surface Process and Resources Ecology,College of Global Change and Earth System Science,Beijing Normal University,Beijing 100875,China

2. Center for Monsoon System Research,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China

通讯作者:崔雪锋,E-mail：xuefeng.cui@bnu.edu.cn
收稿日期:2015-06-6
修回日期:2015-10-12
网络出版日期:2016-01-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:

基金项目：国家全球变化专项课题（2011CB952001）

国家自然科学基金（ 41271542）

作者简介:
-->作者简介：刘晓磊,男,河北张家口人,硕士生,研究方向为粮食安全。E-mail：liuxiaolei333@126.com

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摘要
随着城市化的发展和人均收入的提高,中国居民对猪肉的需求日益增长。猪肉生产耗水量大,其包括饲料作物生长所消耗的水,也包括生猪生产过程所消耗的水。本文从生猪生产的角度计算了2001-2012年生猪生产耗水,结果表明生猪生产水足迹由2001年的3.39m³/kg下降到2012年的3.31m³/kg,但生猪生产耗水却从2001年的1 910亿m³上升到2012年的2 650亿m³,增长了38.95%。运用对数平均迪氏指数法（Logarithmic Mean Divisia Index,LMDI）对影响生猪生产耗水的因素进行了分析。在影响生猪生产耗水的3个因素中,人口的增长和猪肉消费量的增加导致生猪生产耗水的增加,而生猪生产水足迹的降低则会降低生猪生产耗水,三者中,猪肉消费量对生猪生产耗水的贡献最大。同时,农场耗水所占比例不断增加。本研究第一次揭示了长时间尺度,中国大、中、小规模化及散养养殖情况下,生猪生产水足迹的变化以及生产耗水。这有助于处理中国生猪产业的快速发展和耗水量不断增加的关系,促进生猪产业的可持续发展。

关键词：水足迹;生猪生产;规模化;粮食安全
Abstract
Due to rapid urbanization and increases in per capita income,China is experiencing a drastic increase in pig meat production in order to meet the growing demand of per capita meat consumption. The water requirements for livestock products is much higher than vegetal counterparts. The water requirements for pig production （composed of water requirement of feed crops growth and pig farming）are increasing to satisfy the development of China’s pig industry. From the perspective of pig production,we estimated water requirements for the pig industry from 2001 to 2012. The results indicate that the water footprint （WF）of pig production has decreased from 3.39 in 2001 to 2012,but during the same time total water requirements within the pig industry increased from 191 000×10⁶m³ to 265 000×10⁶m³,an increase by 38.95%. By applying the logarithmic mean divisia index method,we found that increasing consumption and population have positive effects on increasing water requirements in pig production. In contrast,an advancement in water footprint for pig production has promoted water saving. Among these three factors,the largest contributor to water requirements is consumption. Simultaneously,the scale of water requirement has increased. This study reveals changes in the pig farming water footprint under pig farming cultivation over a long time scale. These findings will help optimizing relationships between limited water resources and the sustainable development of the pig industry.

Keywords：water footprint;pig production;intensive farming;food security

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刘晓磊, 栾一博, 胡科, 崔雪锋. 中国生猪生产耗水及影响因素分析[J]. , 2016, 38(1): 110-118 https://doi.org/10.18402/resci.2016.01.12
LIU Xiaolei, LUAN Yibo, HU Ke, Reshmita Nath, CUI Xuefeng. Water requirements within the pig industry in China and factor analysis[J]. 资源科学, 2016, 38(1): 110-118 https://doi.org/10.18402/resci.2016.01.12

1 引言

随着中国城市化和市场的发展以及居民收入的增加,中国居民对畜产品的消费逐渐增多^[1-3]。相较于植物产品,单位质量、单位营养的动物产品均消耗更多的水^[4,5]。快速的城镇化和工业化进程正威胁着中国原本短缺的水资源^[6-10],而不断增加的畜产品消费势必会加重这一状况^[10]。
水足迹表示生产链所消耗的全部水资源^[11,12],包括绿水（降水的使用）,蓝水（地表水和地下水的使用）和灰水（用于消除污染的水的使用）^[10]。关于畜产品水足迹的研究,Gerbens-Leenes等指出饲料的组成、转化率以及来源决定了动物产品的水足迹的大小^[10]。Liu等指出畜产品消费的增加是中国居民食物用水增加的主要原因^[6]。Gerbens-Leenes等、Mekonnen等发现相同畜产品在工业化饲养条件下的水足迹小于在散养和混合养殖条件下的水足迹^[10,12]。上述研究没有阐述随着时间、生产方式的改变对畜产品水足迹的影响以及饲料转化率的提高对畜产品整体耗水的影响;其次,水足迹数据通过实验或者根据模型模拟计算得到^[7,10,12,13],但由于实验范围有限及模型的不完善,应用于庞大的畜牧业,往往可靠性较差,相反畜牧业的社会经济统计数据拥有更广的覆盖面,更能反映中国的真实情况。
在中国,猪肉消费占全部肉类消费的2/3,是最主要的畜产品,因此本文选择生猪生产耗水作为研究对象。研究范围为中国大陆,不包括香港、澳门和台湾。针对上述这些问题,本研究依据各级价格主管部门和行业主管部门对全国农户的典型调查汇编而成的《全国农产品成本收益资料汇编》^[14]中的关于生猪的统计数据,计算生猪生产耗水,并运用LMDI分解法比较和分析不同因素对生猪生产耗水的贡献。

2 数据来源和研究方法

2.1 数据来源

具体数据见表1。但并非所有的统计数据都十分完备。《全国农产品成本收益资料汇编》^[14]只提供了2001-2003年粗饲料用量,缺少2004-2012年粗饲料消耗量,但提供了2001-2012年的粗饲料费用。通过粗饲料的主要成分之一的青玉米生产价格的变化对粗饲料的使用量进行了估算。为了验证估算方法,比较了2001-2003年的青玉米生产价格指数和同期粗饲料单价所得到的粗饲料的价格指数,二者存在10%的误差。
目前的文献没有提供中国粗饲料和精饲料的水足迹大小,因此采用Gerbens-Leenes等^[10]计算的世界平均的粗饲料和精饲料的水足迹来代替。然而不同地区的作物水足迹因气候和水资源利用效率的不同而存在差异^[10],不同区域的粗饲料和精饲料组成也相差很大^[12,15],因此这种代替必然存在着不确定性。
《中国畜牧业年鉴》^[16]提供了不同生产方式的出栏量,而《全国农产品成本收益资料汇编》^[14]对散养、小规模、中规模、大规模的定义是根据存栏量。根据出栏量和存栏量比值在1.27~1.50之间,用表2所示的出栏量范围来定义不同规模的生产方式。
Table 1
表1
表1文章数据及来源
Table 1Data used and data source

来源	项目
《全国农产品成本资料汇编》^[14]	生猪粗饲料、精饲料消耗以及耗水费用
《中国畜牧业年鉴》^[16]	生猪活重、存栏量、出栏量、繁育间隔以及不同生产方式比例
畜禽粪便排泄系数^[17]	生猪污染物排泄系数
“畜禽养殖业污染物排放标准”^[18]	污染物排放标准
中国国家统计局^[19]	中国人口
Gerbens-Leenes等^[10]	粗饲料和精饲料的水足迹
陆亚雄^[20]	农业用水的价格

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Table 2
表2
表2生猪不同生产方式范围
Table 2Discipline of stock and slaughtered in different types of farming

项目	大规模	中规模	小规模	散养
存栏量（头）	Q>1 000	100<Q≤1 000	30<Q≤100	Q≤30
出栏量（头）	Q≥3 000	100≤Q<3 000	50≤Q<100	Q<50

注：Q为生猪数量,存栏量指在调查期内的畜群数量,出栏量指在调查期内出栏和净增的数量。

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2.2 研究方法

畜产品的水足迹是饲料、饮水、农场耗水以及屠宰和加工过程耗水的总和^[21],以畜产品所需的饲料为开始到为消费者提供的畜产品终止。生猪生产水足迹包括两部分,一部分是饲料水足迹,另一部分是农场水足迹,不包括屠宰和加工耗水。其中饲料水足迹包括粗饲料和精饲料加工,农场耗水包括饮水、混合饲料、服务耗水以及清理粪尿耗水。
（1）饲料水足迹：

\begin{matrix} W F_{feed} = \frac{W F_{r} ? \sum (C_{(r, i)}^{} ? R_{i}) + ? \sum (C_{(c, i)}^{} ? R_{i})}{\sum (C_{(r, i)}^{} ? R_{i}) + \sum (C_{(c, i)}^{} ? R_{i})} \end{matrix}

（1）
式中

W F_{feed}

为饲料水足迹（m³/kg）;

W F_{r}

为粗饲料水足迹（m³/kg）;

W F_{c}

为精饲料水足迹（m³/kg）;

C_{(r, i)}^{}

为生产方式所消耗的粗饲料（kg）;

(C_{(c, i)}^{}

为生产方式所消耗的精饲料（kg）;

R_{i}

为生产方式的比例（%）。
（2）农场水足迹：

\begin{matrix} W F_{farm} = \sum \frac{W_{(c, i)}^{}}{W_{p}^{} ? A_{i}} ? R_{i} \end{matrix}

（2）
式中

W F_{farm}

为生猪的农场水足迹（m³/kg）;

W_{(c, i)}^{}

为生产方式消耗水的费用（元/头）;

W_{p}^{}

为农业耗水的价格（元/kg）;

A_{i}

为生产方式的生猪体重（kg/头）。
（3）总耗水量：

\begin{matrix} W_{anaimal} = (W F_{farm} + W F_{feed}) ? A ? N_{slaughter} \end{matrix}

（3）
式中

W_{anaimal}

为总耗水量（m³）;

A

为单头生猪平均体重（kg/头）;

N_{slaughter}

为生猪出栏量（头）。
（4）消除污染物的水足迹：

\begin{matrix} = \frac{E_{粪} ? H_{粪} + E_{尿} ? H_{尿} ? d}{S ? W_{活}} \end{matrix}

（4）
式中

W_{污}

为消除污染物的水足迹（m³/kg）;

E_{粪}

为生猪每天的排粪量（kg/d）;

H_{粪}

为生猪粪便中的COD含量（kg/t）;

E_{尿}

为生猪每天的排尿量（kg/d）;

H_{尿} ?

为生猪尿液中的COD含量（kg/t）;

d

为繁育间隔（d）;

S

为生猪粪尿排放标准（mg/L）;

W_{活}

为生猪活重（kg）。COD是以化学方法测量水样中需要被氧化的还原性物质的量,反映了水中受还原性物质污染程度。生猪养殖中,废水的有机物浓度高,故采用COD指标^[22]。
（5）LMDI （Logarithmic Mean Divisia Index）^[23]方法。LMDI是指数分解法IDA （Index Decomposition Analysis）中的一种分解方法,可以对多个因素进行分解。因为该方法分解之后的残差为0,因此也运用于残差数据集的分解上。不同因素对生猪耗水量的影响根据耗水量公式进行计算：

（5）

式中T为生猪生产耗水（m³）;P为人口（人）; C为人均猪肉产量（kg/人）;W为生猪生产水足迹（m³/kg）。运用“乘积分解”对公式（5）的各因素进行计算和分析^[23]。
人口的影响效应：

\begin{matrix} ΔP = \ln (\frac{P_{1}^{}}{P_{2}^{}}) ? (\frac{T_{1}^{} - T_{2}^{}}{\ln (T_{1}^{}) - \ln (T_{2}^{})}) \end{matrix}

（6）
人均猪肉产量的影响效应：

\begin{matrix} ΔC = \ln (\frac{C_{1}^{}}{C_{2}^{}}) ? (\frac{T_{1}^{} - T_{2}^{}}{\ln (T_{1}^{}) - \ln (T_{2}^{})}) \end{matrix}

（7）
生猪生产水足迹影响效应：

\begin{matrix} ΔW = \ln (\frac{W_{1}^{}}{W_{2}^{}}) ? (\frac{T_{1}^{} - T_{2}^{}}{\ln (T_{1}^{}) - \ln (T_{2}^{})}) \end{matrix}

（8）
式中

P_{1}^{}

为时期

T_{1}^{}

的人口数量（人）;

C_{1}^{}

为时期

T_{1}^{}

的人均猪肉产量（kg/人）;

W_{1}^{}

为时期

T_{1}^{}

的生猪生产水足迹（m³/kg）;

P_{2}^{}

为时期

T_{2}^{}

的人口数量（人）;

C_{2}^{}

为时期

T_{2}^{}

的人均猪肉产量（kg/人）;

W_{2}^{}

为时期

T_{2}^{}

的生猪生产水足迹（m³/kg）。

3 结果分析

3.1 生猪生产水足迹

根据上述方法计算得到生猪生产水足迹,结果见图1。生猪生产水足迹由2001年3.39m³/kg下降到2012年3.31m³/kg,这与饲料组成的变化有关^[10]。在图1的三类组成中,精饲料所占比例最高,并且所占比例由2001年的72.24%上升到2012年的82.14%。相反,粗饲料所占比例则急剧下降,2001年生猪生产中粗饲料的水足迹为0.48m³/kg,在2012年仅为0.04m³/kg,仅为同期生猪生产水足迹的1.24%。农场的水足迹保持稳定。

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图1生猪生产水足迹及组成
-->Figure 1WF of pig production （m³/kg）and its composition
-->

3.2 生猪产业耗水量

根据生猪生产水足迹、生猪活重和出栏量可以计算得到生猪产业耗水量。如表3所示,生猪生产水足迹在降低,但生猪活重由2001年的105.38kg上升到2012年的114.48kg,生猪出栏量也由5.33亿头增长到6.98亿头。但生猪生产水足迹的降低小于其余两项的增长,导致生猪产业耗水量由2001年的1 910亿m³上升到2012年的2 650亿m³。
Table 3
表3
表3生猪生产耗水量
Table 3Water requirement statistics for pig industry

	生猪生产水足迹 /（m³/kg）	单头生猪活重 /kg	出栏量 /亿头	耗水量 /亿m³
2001年	3.39	105.38	5.33	1 910
2012年	3.31	114.48	6.98	2 650

注：生猪活重,根据《全国农产品成本资料汇编》^[14]中的指标解释指调查期内出栏畜（包括出售畜和自食畜）和净增畜的平均活体重量。

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3.3 不同因素对生猪耗水量的影响

前文分析,生猪耗水量的主要影响因素时有3个：人口、消费量和生猪生产水足迹。用人均猪肉产量代替人均猪肉消费量是因为从生产到消费的中间环节中会有损耗,而生产数据包含中间的损耗,因此更为准确。本文应用LMDI^[23]分解法分析上述3个因素在2002-2012年,2002-2007年和2007-2012年3个时期的贡献,结果如表4所示。人口的增长和消费量的增加导致生猪生产耗水的增加,而生猪生产生产水足迹的降低则会降低生猪生产耗水,三者中,消费量对生猪生产耗水的贡献最大。同时生猪生产耗水在2007-2012年的增加量要高于2002-2007年,并且后期消费的贡献也更高。同时人口的增长不是耗水增加的主要因素。

Table 4
Table 4Water requirement statistics of different contributed factors in pig industry （亿m³）

	△P	△C	△W	△T
2002-2012年	121	702	-141	682
2002-2007年	57	107	-57	107
2007-2012年	57	595	-77	575

注：△P、△C、△W分别表示人口、消费量和生猪生产水足迹对生猪生产耗水量△T的影响。

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3.4 生产方式对生猪生产水足迹的影响

近年来,中国畜牧业的规模化、集约化发展迅速^[24]。从图2中可以看到,大规模农场所占比例从2001年的5%上升到2012年的18%,同期的中等规模农场也由12%上升到42%,小规模农场的比例保持不变,而散养则由72%迅速地下降到26%。下文将对讨论规模化发展对生猪耗水量所带来的影响。

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图22001-2012年不同生猪生产方式比例的变化
-->Figure 2The change in composition of different types of pig farming from 2001 to 2012
-->

图3显示,4类生产方式的生猪生产水足迹均随时间的发展呈现下降的趋势,2012年大规模、中规模、小规模和散养的生猪生产水足迹分别为3.27m³/kg、3.35m³/kg、3.33m³/kg、3.27m³/kg。4类生产方式中,中规模和小规模分别下降了7.73%和10.99%,大规模下降了3.59%,而散养仅下降了1.47%。中规模和小规模生猪生产水足迹的下降源于粗饲料被精饲料所取代。散养也经历着这样的过程,但生产过程耗水量的快速增长降低了下降程度。大规模农场则因为前期粗饲料的使用量已经很少,不存在精饲料替代粗饲料的过程,因此降幅偏低,生猪生产水足迹的下降主要来自饲料转化率的进步。同时,从图4中可以看出,在中等规模、小规模和散养的生产方式中,饲料转化率的上升伴随着精饲料取代粗饲料的过程十分明显。而大规模农场,精饲料转换率的进步则更为明显。
规模化过程中,精饲料代替粗饲料会降低生猪生产水足迹,这同Mekonnen^[12]的研究结果相同。饲料转化率对于生猪生产水足迹有着重要的影响;同时,农场耗水变得越来越重要,这不仅因为农场耗水主要来自蓝水,也因为其所占比例越来越大。

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图3不同生产方式的生猪生产水足迹及组成
-->Figure 3WF of pig production in different pig farming systems and its composition
-->

3.5 农场水足迹

根据上述分析,农场水足迹已经成为生猪生产水足迹的重要组成部分,这不同于之前的研究。Mekonnen等的研究结果表明,猪肉的水足迹中98%来自饲料,饮水、服务耗水和饲料混合分别占总体水足迹的1.1%、0.8%和0.03%^[12]。事实上,该研究结果忽视了清理粪便和尿液所需的水。表5为清理粪便和尿液所需水足迹,计算结果为0.43m³/kg,远大于整体耗水量的0.8%。同时饮水、服务耗水、混合饲料和清理污染物所需的水小于根据价格计算的水量,这可能因为农场用水的花费中包含了农场工作人员的耗水。

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图4不同生产方式的饲料转换率
-->Figure 4Feed conversion ratios in different types of pig farming
-->

Table 5
表5
表5清理生猪消除污染物所需的水足迹
Table 5WF for the elimination of pollutants

	粪便 /（kg/d）	尿液 /（kg/d）	粪便COD含量 /（kg/t）	尿液COD含量 /（kg/t）	繁育间隔 /d	活重 /kg	排放标准 /（mg/L）	水足迹 /（m³/kg）
	2.00	3.30	52.00	9.00	147.80	114.48	400.00	0.43

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4 结论

随着中国城市化和市场的发展以及居民收入的增加,中国的肉类消费不断增长。猪肉生产消耗大量的水,既包括饲料作物生长所消耗的水,也包括生猪生产过程所消耗的水。本文从生猪生产的角度出发计算了生猪生产水足迹及生猪生产耗水,并运用LMDI分解法对影响生猪生产耗水进行了分析。研究得出以下主要结论：
（1）生猪生产水足迹由2001年的3.39m³/kg下降到2012年的3.31m³/kg,同时在生猪生产水足迹组成中,精饲料所占比例最高。
（2）同期,生猪生产耗水由2001年的1 910亿m³上升到2012年的2 650亿m³。运用LMDI分解法比较人口、消费量和生猪生产水足迹对生猪生产耗水的影响,人口的增长和消费量的增加导致生猪生产耗水的增加,而生猪生产水足迹的降低则会降低生猪生产耗水。3个因素中,消费量起着决定性作用。
（3）在规模化的过程中,精饲料代替粗饲料的过程会降低生猪生产水足迹,同时农产耗水在生猪生产耗水中所占比例越来越大。
表6是前人关于中国猪肉水足迹的研究结果,这些结果差别较大。尽管本文的生猪生产水足迹忽视了肉类在加工过程中的耗水,但因为此部分含量较低,对最终结果没有太大影响^[25],所以可以与现有的研究进行比较。国外的研究中,Chapagain的结果明显小于实际值,因为中国的饲料转化率远未达到如此高的水平^[26]。而Liu^[6]的结果是根据Zhang^[27]的结果得到,即1kg猪肉需要4.6kg的玉米和1.2kg的粗饲料,不同于《全国农产品成本资料汇编》^[14]中1kg猪肉需要2.36kg的精饲料和2.35kg的粗饲料。因此Liu忽视了饲料的组成以及变化^[6]。对于Mekonnen^[12],他选择了Bouwman^[13]的结果即6.3m³/kg,高于《全国农产品成本资料汇编》^[14]给定的饲料转化率。其次,上述的研究均设定固定的饲料转化率,忽视了中国畜牧业规模化发展及科技进步所带来的饲料转化率的进步。国内的研究中,徐中民^[28]借鉴了Chapagain^[25]根据联合国粮农组织（FAO）和世界贸易组织（WTO）提供的数据资料,按照贡献度大小对世界100多个国家单位重量动物产品的虚拟水含量估算有关中国部分,在此基础上计算甘肃省的虚拟水含量。班荣舶^[29]等和韩舒^[30]等在研究重庆和新疆的居民水足迹的过程中,均参照Chapagain^[25]的结果。秦文彦^[31]等和秦丽杰^[32]等在计算长春居民饮食对水足迹的影响时,选择了联合国粮农组织的FAOSTAT数据库中有关中国动物虚拟水含量数据。比较不同的研究结果,本文的生猪生产水足迹数据（2001年3.39m³/kg,2012年3.31m³/kg）接近徐中民的数据（2004年3.56m³/kg）,在所有的结果中处于中间的位置,具有较高的可靠性。
Table 6
表6
表6猪肉水足迹的不同研究结果
Table 6Previous studies on WF of pig meat in China

项目	作者	水足迹/（m³/kg）
国外	Chapagain and Hoektra^[26]	2.211
	Liu等^[6]	4.460
	Mekonnen等^[12]	6.103
国内	徐中民等^[28]	3.561
	班荣舶等^[29],韩舒等^[30]	2.211
	秦文彦等^[31],秦丽杰等^[32]	4.848

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本文只计算了生猪生产过程耗水,如果将其他畜产品也考虑在内,则畜产品的耗水总量会更大,同时未来畜产品消费的增加将给中国原本匮乏的水资源带来更大的压力。目前,由于大豆和玉米的大量进口,中国已成为世界上最大的“虚拟水”进口国,而大豆、玉米主要被用作动物的饲料^[13]。考虑到“虚拟水”贸易,中国畜产品消费的增加给世界的水资源也带来了巨大的压力。
本文也存在一些不足。目前,不同统计年鉴对规模化和散养的定义还没有形成统一的标准,这对最终结果造成了一定的误差。同时,中国对规模化的定义还存在缺陷,即只关注数量,其他诸如养殖场基础设施,养殖和育种技术未被考虑在内^[11,24]。其次,本文用世界的粗饲料和精饲料的水足迹代表中国粗饲料和精饲料的水足迹,实则由于气候以及水资源利用效率的差异,不同地区的粗饲料和精饲料的水足迹存在着差异^[10,25]。同时,本文只计算了生猪生产耗水,忽视了加工过程的耗水^[25]。这些不足也是未来深入研究中必须要改进的部分。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

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中国生猪生产耗水及影响因素分析

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

Water requirements within the pig industry in China and factor analysis

1 引言