應對畜禽養殖跨界污染的流域水資源生態補償量研究
——以國家生態補償示范區九洲江流域為例

趙素芹,孫 翔,*, 侯東林,朱 燚

1 廣西大學資源環境與材料學院, 南寧 530004 2 生態環境部環境與經濟政策研究中心, 北京 100029

隨著九洲江流域生豬等養殖業的迅猛發展,畜禽養殖污染日趨嚴重,對當地流域水環境造成巨大壓力,畜禽養殖業成為流域污染的主要來源之一。流域水資源生態補償是平衡上下游發展與保護關系、解決跨區域污染的有效途徑,亦是環境經濟學、環境管理學領域研究的熱點問題。自20世紀90年代末生態補償理論被引入到流域管理領域,國內外專家、學者對流域生態補償進行了積極的研究探索[1- 3]。目前,國內外學者針對流域生態補償的研究主要集中在生態補償理論內涵[4- 6]、補償模式[7- 9]、補償標準[10- 13]、支付意愿[14- 19]等方面。流域生態補償機制理論的研究主要從跨省流域生態補償、省內跨市流域生態補償、市域內跨縣流域生態補償等3個層次展開,剖析涵義、原則、標準、驅動力與障礙、政策服務等[20]。在補償模式與途徑設計方面,主要提出政府主導型和市場交易型模式,且提出了各自應用的條件與準則,剖析了現有模式的局限問題,建立了生態補償制度選擇和操作范式[21]。現階段,流域生態補償標準的測算主要從投入成本、環境效益、補償意愿等角度切入[22],主要方法包括條件價值法、機會成本法、價值和費用分析法等[23],這些核算方法為流域生態補償標準的確定提供依據。而有關養殖污染主控流域管理方面研究主要集中在養殖污染治理成本效益、養殖戶偏好、管理模式、養殖模式、受償意愿等[24- 26]。有些學者探討了畜禽養殖治理和管理模式優化相結合的定量研究[27]；孫若梅[28]探討了畜禽養殖業生態補償內涵的界定,并提出具體的生態補償措施；張郁等[29]分析了生態補償情景下家庭資源稟賦對養豬戶的環境行為影響；賓幕容等[24]以湘江流域367位生豬養殖戶的實地調查數據為基礎,對農戶生豬養殖污染治理意愿的影響因素及層次結構進行了分析；昌苗苗和陳洋[30]對九洲江流域生態補償實踐進展進行了介紹；王西琴等[31]以九洲江為研究區域,計算了限制生豬養殖的機會成本與環境效益,建立了基于畜禽養殖模式轉變的生態補償空間優化模型；唐潥等[32]以九洲江流域生豬養殖戶為研究對象,采用意愿調查法分別給出禁養與升級改造受償意愿。這些理論與實踐成果為本研究的開展奠定了很好的方法學基礎,但在養殖污染主控流域水資源生態補償量的分析框架與技術方法上仍有較大的發展空間。本文以國家生態補償示范區九洲江流域作為典型案例,基于Ⅲ類水質目標要求計算污染物削減目標量,設置禁養區關閉拆遷養豬場、高架床養殖模式改造、養殖糞尿廢水集中處理三種典型控制方式,以污染物削減目標為約束條件,基于費效比構建線性規劃模型,求算用于水污染控制的最小政府補償總額,并以取水量、用水量、GDP為主要約束條件,建立上下游地方政府及中央政府生態補償金額分配模型。以期為流域生態補償政策的制定提供參考和借鑒,對其他流域生態補償量的確定提供方法學參考。

1 研究區域概況

九洲江是一條跨粵桂兩省(區)的獨流入海河流,發源于廣西陸川縣沙坡鎮秦鏡村的文龍徑,流經廣西玉林市陸川、博白兩縣共10個鎮進入廣東湛江市的鶴地水庫,最后注入北部灣,全長168 km,總集雨面積3396 km2。鶴地水庫位于湛江廉江市河唇鎮,是九洲江流域下游湛江市重要的飲用水源地,水面面積共122 km2。近年來,以生豬養殖主控的畜禽養殖業是流域上游廣西玉林市的主要發展產業,養殖源成為九洲江流域水體污染的主要來源,養殖污染排放中化學需氧量、氨氮、總氮、總磷占總量比例分別為60.69%、57.83%、66.00%、78.51%[25]?；浌饍墒?區)黨委、政府和社會各界高度重視九洲江流域水環境安全,2015年3月,粵桂兩省聯合出臺《九洲江流域水環境補償實施方案》；同年9月,中共中央、國務院明確將九洲江流域環境綜合治理列為國家《生態文明體制改革總體方案》跨地區生態補償三個試點之一。2016年3月,兩省簽訂《九洲江流域上下游橫向生態補償協議》,在兩省及中央的共同努力下,流域水環境已經得到初步改善。基于流域各鄉鎮生豬養殖現狀,欲通過3個方面進行流域畜禽污染治理工作(圖1)：一是根據《粵桂兩省九洲江水污染防治規劃》,劃定禁養區(干流沿岸500 m及支流沿岸200 m范圍內)、限養區(干流500—2000 m及支流沿岸200—2000 m范圍內)及適養區(其他區域),實施生豬養殖精細化分區管理；二是推廣生態養殖新模式,實現高架床養殖；三是進行養殖廢棄物處理設施建設,實現廢棄物集中處理。因此,如何用最小的生態補償穩定達到水質要求,取得環境效益目標的同時兼顧九洲江上游廣西玉林片區為保護水質所作的經濟犧牲,是九洲江流域畜禽養殖污染治理和生態補償政策制定面臨的重要問題。

圖1 九洲江流域養殖區域劃分及主要污染處理管控方式Fig.1 Spatial distribution of pig farms, and major pollution treatment methods for livestock and poultry in Jiuzhou River Basin

2 流域生態補償量計算方法

流域生態補償額度的研究,從最初定性確定補償理論機制,到定量研究具體補償量,方法逐漸明確科學,也更加具有合理性。當前,投入、效益、補償意愿等3方面是絕大多數流域生態補償額度測算的主題方向。在投入方面,通過計算為保護或改善水資源環境狀況,所進行的各項投入,包括保護環境而喪失的機會成本。主要方法包括機會成本法[33]、生態重建成本分攤法[34]、損失價值核算法[35]等；在效益方面,通過估算保護環境投入在經濟、社會、生態等方面產生的外部效應來確定補償值,主要有生態系統服務價值法、水質水量法、污染權等[36]方法；在補償意愿方面,通過對消費者進行直接調查和詢問,了解消費者的對于改善或保護環境的支付意愿,主要有條件價值法、博弈法等[37- 38]。

補償資金額度的測算是實現生態補償的前提,也是生態補償的關鍵環節。基于現有研究成果,本研究基于水質水量的跨界區域生態補償量計算方法,結合九洲江流域的主要特點,建立上下游地區及中央生態補償標準,推動流域生態補償具體實施與貫徹執行。

2.1 水環境目標約束下的流域生態補償量

2.1.1流域水環境污染物削減目標總量計算

水環境容量是在特定水環境目標約束下,綜合考慮水體自凈能力下能夠容納的最大排污量[34- 35]。模型選取COD、總磷、總氮為指標,在Ⅲ類水質要求下,基于水環境容量為約束條件計算畜禽污染物削減目標總量。以下為削減目標總量模型函數：

Q削=Q入河-W

(1)

Q入河=365Ciq1(T1r1+T2r2)

(2)

W=Q0(Cs-C0)+KVCs

(3)

式中,Q削為污染物削減目標量；Q入河為畜禽養殖污染物現狀排放入河量；W為水環境容量；Ci為畜禽污水污染物濃度(見表1),mg/L；T1、T2為禁養區、限養區生豬存欄量,頭；q1為傳統養殖模式日排水量,0.03 t 頭-1d-1(實地養殖場調研求均值所得,方差δ2為0.001)；r1、r2為禁養區、限養區污染物入河系數(根據文獻查閱[39-41],流域內禁養區范圍污染物入河系數在0.60—0.70,限養區范圍內污染物入河系數在0.30—0.60?；诰胖藿饔驅嵉卣{查(圖2),禁養區范圍內養殖密度大,取最大入河系數0.70,限養區范圍內取均值0.50)；Q0為流域多年平均徑流量,9.28億m3/a；Cs為污染物的環境標準值(Ⅲ類)；C0為污染物的環境背景值,這里忽略本底值的影響,假設C0= 0；V為流域水資源體積,11.05億m3；K為降解系數,根據文獻現有研究[42-43],確定COD降解系數為0.20 d-1；TP、TN降解系數為0.10 d-1。

表1 生豬養殖廢水中污染物質量濃度

備注：數據來源于《畜禽養殖業污染治理工程技術規范(HJ497—2009)》; COD:化學需氧量, Chemical Oxygen Demand; TP: 總磷, Total Phosphorus; TN: 總氮, Total Nitrogen

圖2 九洲江流域調研路線圖Fig.2 Survey roadmap in Jiuzhou River Basin

2.1.2污染物削減分配優化模型構建

在污染物削減目標確定的基礎上,總削減量的分配采取整型規劃及優先次序遞推法,禁養區內禁養清拆為第一步；限養區處理方式為第二步,并設高架床養殖模式改造和污染物集中處理兩種情景。按照先后順序對禁養區、限養區進行可削減量估算,比較總目標削減量和各部分可削減量,若禁養區可滿足總削減量要求,則完成削減目標；若禁養區不能滿足總削減量要求,則遞推至限養區,直到累積可削減量達到總目標削減量值為止[44](圖3)。

圖3 污染物削減量分配模型Fig.3 Optimization model of pollutant reduction allocation

2.1.3生態補償量計算

限養區內有兩種畜禽養殖污染治理方案,不同治理方案的治理成本存在差異,因此本文基于限養區不同污染治理方案設置不同成本計算情景,從而選取最小生態補償量。根據玉林市環保局出臺的《粵桂兩省九洲江水污染防治規劃》,其限養區污染治理分高架床養殖模式改造、養殖糞污集中式處理點建設兩種方案,因此生態補償成本計算可設置兩種情景,即“禁養+高架床生態養殖改造”為情景一,“禁養+集中式處理設施建設”為情景二,以最小生態補償金額為目標函數,以污染物削減目標量為主要約束條件,得到目標函數如下：

MinY={Y1,Y2}

(4)

(5)

情景二：Y2=F1T1+(Q削-Q禁)F3/Ci

(6)

Q禁=365T1q1Cir1

(7)

Q高架床=365(q1-q2)Cir2

(8)

式中,Y為最小目標生態補償量,元；Y1、Y2為不同情景下的生態補償成本,元；Q禁為禁養區內可削減污染物量,t；Q高架床為高架床養殖模式改造可削減污染物量,t 頭-1a-1;M為高架床養殖模式豬舍容積比,1.10 m2/頭(兩次實地調研取均值所得,方差δ2為0.11)；q2為高架床養殖模式下生豬養殖排水量,0.0018 t 頭-1d-1(兩次調研取均值所得,方差δ2為0.0002)；F1、F2分別為禁養區內清拆禁養、限養區內高架床養殖改造治理策略下的補償金額,分別為500.00、440.00元/ m2,數據參考于當地政府治理規劃文本報告[45],且實地調查進行驗證；F3為集中式養殖糞污處理模式下補償金額,100.00元/t,數據來自博世科陸川縣固廢新能源項目實地考察,此項目是流域上游地區唯一的養殖糞污資源化處理的項目點,數據參考于當地政府對此項目的補償標準。

2.2 九洲江流域生態補償量分擔模型構建

圍繞九洲江水環境污染的現狀和特點,粵桂雙方多次協商。2014年8月,廣東省人民政府和廣西壯族自治區人民政府聯合簽署《九洲江流域跨界水環境保護合作協議》；2016年3月21 日,在環保部、財政部的指導下,廣東、廣西兩省區在福建省簽訂了《九洲江流域上下游橫向生態補償協議》。兩省雖有較好的合作基礎,然而九洲江流域上下游及中央補償比例還是存在紛爭。本研究結合流域上下游用水量以及經濟承受能力,引入中央政府財政縱向轉移支付,建立地區及中央生態補償成本分攤模型,以期為九洲江養殖水污染生態補償的實施提供科學建議。具體模型如下：

(9)

(10)

Y廣東=Y-Y中央-Y廣西

(11)

式中,Y為流域生態補償量,元；Y中央為中央政府縱向財政轉移支付,元；Y廣西為廣西省生態補償成本分攤量,元；Y廣東為廣東省生態補償成本分攤量,元；Q廣西為上游廣西取水量,m3；Q供水量為九洲江流域供水量,m3；G上游為廣西玉林市GDP總值(2016年),億元；G上下游為上下游(廣西玉林、廣東湛江)GDP總值,億元。

2.3 參數靈敏度計算

考慮到模型參數的取值容易受到外界環境的影響,且具有不確定性。本文利用Crystal Ball軟件進行模型參數的靈敏度分析。首先采用蒙特卡羅模擬方法對模型參數的概率分布函數進行大量的重復抽樣,代入式(2)、式(3)、式(5)、式(6)建立生態補償量的分布函數,從而獲得模型中重要的數學特征,如數學期望、方差、區間估計等。在此步驟基礎上,利用方差分析法對參數進行方差分析,根據參數輸入對生態補償量輸出的秩相關系數的平方歸一化后所占的比例來確定參數的靈敏度[46]。具體公式如下所示：

(12)

(13)

式中,γk為k參數變量的方差貢獻率；αk0表示k參數變量對生態補償量的秩相關系數；n表示樣本數；Rik表示參數變量k第i次抽樣在樣本中的排序；Ri0表示第i次抽樣對應的生態補償量的結果排序。

3 結果分析

3.1 污染物削減目標總量

根據公式(3)計算可知,COD、TP、TN水環境容量分別為20682.00、186.93、934.65 t/a。2016年九洲江流域生豬養殖頭數為311.00萬頭,其中禁養區范圍內有66.90萬頭,限養區生豬存欄量為244.10萬頭。在Ⅲ類水質要求下,流域COD、TN、TP污染物削減目標總量分別為378752.98、13951.70 t和2161.60 t。

3.2 生態補償量及分攤比例

根據公式(5)、(6)計算可知,其情景一(“禁養+高架床生態養殖改造”模式)測算出生態補償金額為15.03億元；情景二(“禁養+集中式污水處理設施建設”模式)測算出生態補償金額為15.55億元。按照成本最小化補償原則確定流域生態補償量為15.03億元。九洲江流域多年平均總供水量為13.97億m3,其向廣西、廣東境內供水量分別為3.00億m3和10.97億m3。據2016年統計公報顯示,廣西玉林市GDP為1553.91億元,廣東湛江市GDP為2584.78億元。經計算,中央、廣西、廣東分擔率分別為0.25、0.22和0.53,中央、廣西、廣東生態補償分擔金額分別為3.76、3.31、7.96億元。

3.3 參數靈敏度分析

本文采用Crystal Ball軟件進行蒙特卡羅模擬和靈敏度分析,模型的輸入設置了高架床養殖容積比(k1)、限養區污水入河系數(k2)、高架床養殖模式日排水量(k3)及傳統養殖模式日排水量(k4)等4個參數變量。預測變量為生態補償量。采用蒙特卡羅法進行5000次重復抽樣,得到生態補償量預測值得直方圖。95%置信區間水平下,情景一生態補償量置信區間為12.51—17.42億元,平均值為14.95億元(圖4)；情景二生態補償量置信區間為9.34—21.93億元,平均值為15.53億元(圖4)。生態補償量預測值的置信區間包含了上述計算結果,代表了4個模型參數不確定條件下的所有可能結果。情景一下的生態補償量大于15.00億元的確定性內概率為45.95%；情景二下的生態補償量大于15.00億元的確定性內概率為52.66%(圖5)。說明情景一下的流域水污染治理在大部分情況下較情景二的方案更為經濟,與本文上述生態補償量具體化計算結果一致。

圖4 蒙特卡羅模擬生態補償量直方圖Fig.4 The histograms of ecological compensation by Monte Carlo simulation

圖5 兩種情景下生態補償成本對比圖Fig.5 Contrast figure of ecological compensation with two scenarios

情景一下引起生態補償量變化的靈敏參數為高架床養殖容積比(k1)、限養區污水入河系數(k2)、高架床養殖模式日排水量(k3),方差貢獻率分別為79.50%、18.90%和1.60%；情景二下引起生態補償量變化的靈敏參數為限養區污水入河系數(k2)、傳統養殖模式日排水量(k4),方差貢獻率依次為88.80%、11.20%(圖6)?？傮w來看,情景一下的高架床養殖容積比(k1)參數對流域生態補償量最敏感,其余參數影響較少。情景二模型中涉及兩個參數,其限養區污水入河系數(k2)為主要影響生態補償量的參數因子。

圖6 參數敏感性分析Fig.6 The Monte Carlo sensitivity analysis for parameters

綜上所述,不同流域水污染治理方案的選擇下,其需要的生態補償成本存在差異,影響其生態補償成本的參數貢獻率也各有不同。本文通過模擬計算不確定條件下的生態補償量的所有可能值以及進行模型參數靈敏度分析,為決策者提供了更全面的信息。

4 結論與展望

4.1 結論

流域生態補償是一個跨行政區域的綜合生態環境問題。生態補償量的計算和測定是流域生態補償的前提,也是決定能否順利實施補償的關鍵環節。針對九洲江流域水生態補償政策的問題與不足,本文嘗試構建以水質達標為前提的、以最小投入為目標的、兼顧責任與公平的跨區域流域上下游政府水環境資源生態補償量計算模型,主要結論如下：

在Ⅲ類水質目標要求下,計算得出水環境治理生態補償資金最小投入為15.03億元。其禁養區內生豬養殖拆遷補償為3.35億元,限養區內高架床生態養殖模式改造補償為11.68億元。中央及廣西廣東地方政府生態補償分攤金額分別為3.76、3.30億元及7.96億元。此外,模型參數的蒙特卡羅模擬和靈敏度分析結果顯示,95%置信水平下,情景一生態補償量置信區間為12.51—17.42億元,平均值為14.95億元；情景二生態補償量置信區間為9.34—21.93億元,平均值為15.53億元。情景一模型中高架床養殖容積比(k1)、限養區污水入河系數(k2)、高架床養殖模式日排水量(k3)等參數對生態補償量具有一定的影響,方差貢獻比分別為79.50%、18.90%和1.60%；情景二模型中限養區污水入河系數(k2)參數對生態補償量最敏感,方差貢獻率達到88.80%,其傳統養殖模式日排水量(k4)參數對生態補償量影響較小,方差貢獻率為11.20%?？梢婌`敏度分析結果代表了模型中參數不確定條件下生態補償量的所有可能值,為決策者提供了更全面的信息。

4.2 不足與展望

通過上文研究分析可以看出,該文以保持水質投入的成本為補償金額,構建了基于水質水量的生態補償量測算模型,使得補償量得到了合理量化,但如何形成一整套完備的評價理論、指標體系、實施原則與計算方法等許多科學問題依然存在模糊和不確定性,生態補償成本構成方面仍然有待更深入的探討和分析,以避免統計的不完全。此外,養殖規模,養殖空間差異等也是生態補償研究中重要內容,生態補償標準在不同地區,不同養殖規模與方式存在差異性,與地區養殖特點有一定的相關性,在今后補償標準制定中還應考慮到此異質性。

對于未來還可開展的研究工作,一方面,本文未考慮生態補償方式的可行性,本文生態補償模式是資金的縱向轉移和橫向支付,由于存在諸多的制度限制與障礙,現實中單一的資金補償模式無法滿足實際需要,也不容易操作,因此,還可考慮到補償方式的不同,采取多種方式優勢互補,將產業扶持、生態旅游、綠色農業等新式產業納入到生態補償機制中。另一方面,畜禽養殖過程中會使用到一定比例的抗生素藥劑,畜禽糞便污水中會攜帶一部分抗生素殘留,未來的生態補償研究還應適當的考慮到抗生素等難降解污染物的控制。因此該研究的生態補償模型根據實際情況還需要進一步的修正。建立適合我國流域的生態補償還需各利益相關方的共同參與,各種制度的完善,還有待進一步的研究。