粪污资源化利用视角下黑龙江省奶牛养殖业产业升级研究*

樊 斌，张乃夕，赵丽娟

（东北农业大学经济管理学院，哈尔滨 150030）

一、引 言

奶牛养殖业是黑龙江省支柱产业，为实现畜牧业现代化、优化经济增长方式，黑龙江省奶牛养殖业正逐步完善生产方式和产业结构（苏子超，2020）。规模化养殖推进和环境规制使大部分散养户和小规模养殖主体生产意愿降低并选择退出市场竞争，但规模养殖落实过程中也产生了新问题（张南等，2020）。《全国污染源普查公报》显示，畜禽养殖业排放化学需氧量1 268.3万吨、总氮102.5万吨、总磷16.0万吨，是农业污染源的首要排放源。其中，奶牛粪便日排放量显著高于其他畜禽，一头成母牛日粪便产生量分别是生猪、肉羊、肉鸡和蛋鸡的3.57倍、13.46倍、219倍和117倍。目前，黑龙江省大部分地区畜禽粪污处理方式传统、落后，依然以堆放和作为农家肥直接施用为主，与现代化畜牧生产标准存在一定差距，加之畜禽粪污资源化利用程度较低，导致土壤、水资源、空气和生活环境等多类型污染（樊斌等，2018）。

畜禽粪污合理化和资源化利用对奶牛养殖业现代化和集约化发展具有重要意义，资源合理利用及再利用的有机循环模式是实现畜牧经济绿色发展的基础（舒畅等，2019）。粪污资源化利用模式中长期可行的是农牧结合，其次是微生物分解与沼气发酵（耿维等，2018；田学斌等，2019）。微生物分解操作方式相对简便可行，经过专业技术指导即可在养殖生产的末端环节投入使用，但养殖补贴无法涵盖有机物质分解的经济成本导致其难以落实（崔姹等，2018）。事实上，每一种方法的落实都需要一定经济成本，我国区域分布复杂、差异性强，在制定粪污处理方案时，除坚持无害化粪污处理原则，还应将环境和区域分布等因素考虑在内，才能达到理想化粪污处理模式，实现绿色发展及促进区域经济有效提升的目标（安宁，2017；韩一军等，2017）。学者提倡从政府角度出发，将征收生产者排污税或政策补贴作为污染治理手段，发挥政策工具对环境规制的激励作用；特别是当前新冠疫情冲击全球畜牧产业链条的背景下，处于生产困境的生产者对可持续发展有了新认识，可通过适度规模化、农牧结合、延长产业链减轻运转不畅给养殖户造成的经济压力，从而获得更多经济效益与更成熟的生产体系（陈诗波，2009；徐卫涛等，2010；李后建，2012）。生态革命促成了生态产业新型互动关系，除基本的资金、劳动力和社会政策环境，如何利用当前技术手段改善奶牛养殖业产业结构和经济效益在各生产主体间的流动成为重要的现实问题，通过粪污资源化利用带动奶牛养殖业转型升级，促进畜牧产业绿色化，已形成广泛的生态化产业现象（李翠霞等，2017；赵俭等，2019；安达等，2020）。畜禽粪污资源化利用是奶牛养殖业升级的可行路径。本文测算黑龙江省奶牛养殖业产业升级系数和粪污资源化利用的潜在价值，采用随机效应模型将粪污资源化利用潜在价值等作为影响产业升级的主要因素实证分析，并提出促进黑龙江省奶牛养殖业产业升级建议。

二、奶牛养殖业产业升级测度

（一）产业升级系数

产业升级是各种生产要素不断累积，并根据供需变化调整经济结构实现产业链优化的过程，技术创新与提升是促进产业升级的关键。因此，本文选取固定资产的增量代表技术进步，采用产业升级系数测度黑龙江省奶牛养殖业产业升级水平，计算公式如下。

其中，Iit是i地在t时期的奶牛养殖业产业升级系数，I值越大，表明产业结构不断优化；pit是i地奶牛养殖业第t年产业增加值占总产值比重；fit是i地奶牛养殖业第t年实际增加值与固定资产投入之比，即实际固定资产有效产出率；nit是i地奶牛养殖业第t年固定资产投入；rit是i地奶牛养殖业第t年实际增加值。为削弱价格波动，以2005年产值为基础计算2005～2019年奶牛养殖业产值与总产值实际数值。

（二）奶牛养殖业产业升级测度结果

2005～2019年黑龙江省各地（除七台河和牡丹江外）奶牛养殖业产业升级系数均呈先升后降再升趋势，如表1所示。

表1 黑龙江省13市奶牛养殖业产业升级系数

黑龙江省13个地市奶牛养殖业产业升级系数差异显著，齐齐哈尔、双鸭山、伊春、佳木斯、绥化产业升级系数均值较高。除哈尔滨、双鸭山、牡丹江、绥化外，其他地区2019年产业升级系数均高于均值，说明黑龙江省多数地区奶牛养殖业产业结构逐步优化，产业趋向良性发展。存栏量较低的九个地市中，佳木斯和双鸭山产业升级系数相对较高，牡丹江和七台河产业升级系数相对较低；存栏量较高的四个地市中，绥化产业升级系数均值远高于其他地区，哈尔滨和大庆产业升级系数逐年递减，齐齐哈尔则相对平稳。

三、奶牛养殖业粪污潜在价值评估

奶牛养殖业污染源大致分为三类：废气、废水和固体污染物，均属于农业面源污染（姚升等，2016），严重影响原料奶质量和生产效率（Eric等，2015）。粪污资源化利用模式主要有五种：养殖污水肥料化利用、养殖污水达标排放（污水深度处理）、全量还田（农牧结合）、异位发酵床技术（粪便垫料回用）和粪污能源化利用。黑龙江省耕地面积广阔，但全年温度较低，全量还田、养殖污水肥料化利用和粪污能源化利用是相对有效的技术模式，将奶牛养殖粪污转化为农业所需的肥料及生产活动所需能源。本文以奶牛存栏量为基础估算粪污排放量和可回收利用量，进而测度黑龙江省奶牛养殖业粪污化肥替代潜力和能源替代潜力。

（一）奶牛养殖业粪污可收集利用量估算

1.粪污排放量

粪污是奶牛养殖业主要污染源，也是粪污资源化利用主体。计算粪污可回收利用量要以粪污实际排放量为基础，即实际生产活动中所有相关污染物的源头产量，具体计算方法如下。

其中，Q为奶牛养殖业粪污实际产生量（万吨）；N为奶牛存栏量（万头）；P表示奶牛日排泄系数，P1和P2分别表示奶牛粪便与尿液日排泄系数，系数参照《第一次全国污染源普查》；T为奶牛饲养周期。

2.粪污可收集利用量

粪污可收集利用量是能创造经济价值且未经处理的相关污染物总量，可回收利用量代表奶牛养殖业生态附加值，将奶牛粪便、尿液排放量分别乘以可回收利用系数，再进行单位换算和加总。本文借鉴陶君颖（2020）的研究，奶牛粪便与尿液的可收集利用系数分别设定为0.79、0.67。计算公式如下。

其中，Qit1为i地在t时期奶牛养殖业粪污可回收利用量（万吨）；Q为奶牛养殖业粪污实际产生量（万吨）；P3、P4分别为奶牛粪可收集系数与尿液可收集系数。

（二）粪污化肥替代潜力测度

粪污化肥替代潜力是指粪污可回收利用量中所含氮、磷、钾元素能替代氮、磷、钾肥施用的能力，结合黑龙江省13市氮、磷、钾肥施用量，测度奶牛养殖业粪污的化肥替代潜力，估算奶牛养殖粪污中所含有机质及氮磷钾元素的含量，公式如下。

其中，Qit2表示i地在t时期奶牛养殖业粪污的养分总量，Qit1表示i地粪污可收集利用量；f表示粪便和尿液有效成分比重，粪便中氮、磷、钾元素占比分别为0.45%、0.10%、0.23%，尿液中氮、磷、钾元素占比分别为0.80%、0.02%、0.92%（陶君颖，2020）。

由公式（5）计算得到黑龙江省13个地市2005～2019年可收集利用粪污总量中有效物质总量，进而计算2019年各地市奶牛养殖业粪污的化肥替代潜力，如表2所示。奶牛养殖粪污存在极大肥料替代潜力，但要借助农牧结合和污水肥料化模式发挥功效。

表2 奶牛养殖业粪污化肥替代潜力 （万吨）

（三）粪污能源替代潜力测度

除化肥替代潜力，奶牛养殖业粪污还有能源替代潜力。本文以奶牛养殖业粪污的沼气产量测度其能源替代潜力，具体计算公式如下。

其中，Qit3表示i地在t时期奶牛养殖业粪污沼气总产量；Qit1表示i地粪污可收集利用量；mi表示粪污中干物质比重，粪便与尿液中干物质比重分别为18.0%和0.6%；ai表示干物质沼气生成比率，粪便与尿液沼气生成率分别为0.3立方米/千克和0.2立方米/千克。

2019年黑龙江省奶牛养殖业污染能源替代潜力测算结果如表3所示。齐齐哈尔奶牛养殖业粪污能源化利用潜在价值最高，哈尔滨、绥化和大庆紧随其后，其余9市能源利用能力与前四个城市差距较大。

表3 2019年黑龙江省奶牛养殖业污染能源替代潜力

四、粪污资源化利用对奶牛养殖业产业升级影响的实证分析

（一）研究假设与模型构建

1.研究假设

作为奶牛养殖产业链的末端环节，粪污资源化利用不仅依赖产业内部生产要素改进，还受外界环境影响。粪污资源化利用是以循环经济理论为指导，将生产活动融入到农业生态循环系统，保障产业可持续发展的循环经济模式，是生态系统的能源流动与物质循环规律运用到产业经济发展中实现资源减量化、再循环、再利用和无害化处理的过程。粪污肥料化、能源化利用除降低环境压力外，还能减少温室气排放、提高农产品质量和丰富农业生产者消费市场。粪污资源化利用尽管有利于生态发展，但能否影响奶牛养殖业产业升级需进一步印证。基于此，提出如下两个假设：

H1：粪污资源化利用与产业升级存在正向交互作用；

H2：粪污能源化与肥料化利用对产业升级均具有正向影响，但各地奶牛养殖业差异显著，资源化利用模式对产业升级的正向影响也存在差异。

2.模型构建

奶牛养殖业产业升级受劳动力、机械、资金等多因素影响，为研究粪污资源化利用对奶牛养殖业产业升级的影响，构建如下计量模型：

其中，Iit为各地奶牛养殖业产业升级系数；Qit为奶牛养殖业粪污资源化利用总量；LA表示劳动力，TP表示机械总动力，FS代表财政支出，FI为外商投资，λit为个体固定效应，μi为误差项。

黑龙江省全年平均气温偏低，耕地面积广阔，具有较强粪污消纳能力。《畜禽粪污资源化利用行动方案（2017～2020年）》提出东北地区宜选用全量还田、养殖污水肥料化利用和粪污能源化利用这三种技术模式作为粪污资源化利用的主要途径。全量还田与污水肥料化利用着重发挥奶牛养殖业粪污的化肥替代潜力，能源化利用则发挥粪污的能源替代潜力，为对比分析能源化与肥料化对产业升级作用效果，进一步分解上述模型，得到基于肥料化利用与能源化利用的产业升级模型：

其中，公式（8）中Qit2为奶牛养殖业粪污所含氮、磷、钾元素总量，表示其化肥替代潜力；公式（9）中Qit3为奶牛养殖业粪污所能产生的沼气总量，表示其能源替代潜力。

（二）指标选取与模型检验

1.数据来源及指标选取

本文数据源自《黑龙江省统计年鉴（2006～2020）》，选取农业从业人数、农业机械总动力、财政支出、外商直接投资等指标作为控制变量，奶牛养殖业产业升级系数、粪污化肥替代潜力和能源替代潜力已在前文中计算得到，具体指标如表4所示。

表4 指标选取结果

2.模型检验

在实证分析前，先对相关解释变量进行多重共线性检验和模型检验。由于Qit2与Qit3检验结果相同，仅列出Qit2相关检验结果。

（1）多重共线性检验。VIF数值越大，解释变量间共线性越严重，粪污化肥替代潜力（Qit2）、劳动力（LA）、财政支出（FI）、外商直接投资（FS）的VIF值均小于10，表明解释变量间不存在多重共线性（见表5）。

表5 差膨胀因子检验结果

变量间相关系数值反映其相关关系与方向，解释变量的相关系数不超过0.8表示各解释变量间不存在显著的多重共线性问题。本文解释变量的相关系数均小于0.8，表明不存在模型估计失真或难以准确估计的问题。同时，相关系数值均为正数表明解释变量间存在正向相互关系（见表6）。

表6 相关系数检验

（2）模型检验。由式（8）分别建立双向固定效应模型和双向随机效应模型并进行豪斯曼检验，检验结果如表7所示，P值为0.0109，故分析粪污肥料化利用模式与能源化利用模式与奶牛养殖业产业升级的相关性问题均选用双向固定效应模型。

表7 模型检验结果

（三）实证结果分析

1.模型估计结果

为分析粪污肥料化与能源化利用对各地市奶牛养殖业产业升级的影响，根据公式（8）与（9）分别使用双向固定模型将解释变量与年度虚拟变量交互回归分析，模型估计结果如表8所示。

表8 模型估计结果

粪污肥料化利用与能源化利用的回归系数在1%水平上显著为正，说明粪污资源化利用正向促进黑龙江省奶牛养殖业产业升级，即全量还田、养殖污水肥料化利用、粪污能源化利用均有助于奶牛养殖业改善产业结构，完善产业链并提升产业附加值。

粪污能源替代潜力的回归系数明显小于化肥替代潜力的回归系数，说明奶牛养殖业粪污能源替代潜力对产业升级的促进作用优于化肥替代潜力。原因在于粪污能源利用的前期成本较高，除技术创新、搭建过氧化塘外，还需结合资源循环的覆盖范围铺设沼气管网。

劳动力、财政支出、外商直接投资的回归系数均为正数，说明产业升级是多因素共同作用的结果，需要内部因素与外部因素共同驱动；劳动力对奶牛养殖业产业升级影响在三者中最显著，说明产业升级需要有效劳动力为基础支撑，适当的政策倾斜与经济扶持依然能显著促进奶牛养殖业产业升级。

2.地区差异性分析

为进一步探究粪污资源化利用模式对黑龙江省各地区奶牛养殖业产业升级的影响差异，以哈尔滨的回归系数为标准参照，其他地区的回归系数的正负号仅表示优劣，若系数值为正，则该地区资源化利用模式对产业升级的促进作用优于哈尔滨，反之亦然。各地区回归结果如表9所示。

表9 各地区回归结果

在粪污肥料化利用方面，鸡西、鹤岗、大庆、伊春、七台河粪污肥料化利用对奶牛养殖业产业升级影响不显著，齐齐哈尔、双鸭山、佳木斯、牡丹江、黑河、绥化、大兴安岭粪污肥料化利用对奶牛养殖业产业升级影响显著，且粪污肥料化利用对产业升级的促进作用比哈尔滨更显著，其中齐齐哈尔的系数最高，最适宜采用粪污肥料化利用模式。除大庆与七台河外，其余10个地市的粪污能源替代潜力系数均为正数，表明这些地区更适合推行粪污肥料化利用，且对奶牛养殖业产业升级的促进效果优于哈尔滨。这归因于各地区农业耕地面积和环境承载力存在差异，粪污肥料化利用实质是农牧结合，需配套耕地消纳养殖粪污，耕地面积会影响粪污资源化利用模式选取。

在粪污能源化利用方面，除双鸭山、佳木斯、牡丹江、绥化外，粪污能源化利用对其他地区奶牛养殖业产业升级均作用显著。以哈尔滨的化肥替代潜力系数作为参照标准，其他地区的化肥替代潜力系数均为负值，表明哈尔滨是最适合推广粪污能源化利用模式的地区，其他地区粪污能源化利用对产业升级的促进作用均弱于哈尔滨。各地区奶牛养殖业粪污能源化利用回归结果的显著性明显高于粪污肥料化利用，原因在于粪污能源化利用是对区域内生产活动的全面规划，而粪污肥料化利用只改变种植方式。

综上，总结适宜采用粪污肥料化利用与能源化利用的地区，如表10所示。双鸭山、佳木斯、牡丹江、绥化适宜采用肥料化利用模式，鸡西、鹤岗、大庆、伊春、七台河适宜采用能源化利用模式，哈尔滨、齐齐哈尔、黑河、大兴安岭采用两种模式均可。

表10 黑龙江省粪污资源化利用模式选取结果

五、结论与政策建议

（一）结论

在测算黑龙江省奶牛养殖业产业升级系数基础上，以粪污资源化利用视角，将粪污资源化利用潜在价值作为重要因素，运用随机效应模型分析黑龙江省奶牛养殖业产业升级影响因素及地区性差异，结果表明，黑龙江省奶牛养殖粪污资源化利用能促进奶牛养殖业产业升级；能源化利用与肥料化利用对产业升级的影响存在差异，能源化利用对产业升级的促进作用优于肥料化利用；劳动力、财政支出、外商投资同样显著促进产业升级，虽然不同发展阶段要素比重有明显差异，但劳动力作为基础生产要素仍然发挥作用；粪污肥料化利用与能源化利用对各地区奶牛养殖业产业升级的作用效果也存在显著差异，能源化利用模式作用效果优于肥料化利用模式。

（二）政策建议

1.因地制宜推进奶牛养殖粪污资源化利用

各地区结合阶段性发展需求，通过源头减量、过程控制、末端利用，逐步落实、完善清洁化养殖技术与资源循环模式。源头减量是粪污资源化利用的首要环节，实质是在生产过程中降低养殖粪污的环境危害性，饲料科学配比、加强饲养管理能实现养殖污染源头减量。粪污资源化利用的过程控制与奶牛养殖各生产环节息息相关，养殖场应严格按照相关标准搭建舍圈、配备综合饲养设施以保障奶牛养殖粪污的可回收利用效率，保障饲喂、挤奶、加工、仓储、运输各环节有效衔接。在适宜肥料化利用的地区建立大型贮存式氧化塘，由第三方专业服务机构将其集中回收并提供专业运输及贮存设施；在哈尔滨、齐齐哈尔等适合采用能源化利用的地区进行试点运行，铺设沼气管以实现能源自循环。

2.提升产业资金吸引力

依托财政支出增加资金获取途径，各级政府按照奶牛养殖业产值比重调整资金补贴比例，拓宽产业资金获取途径，减少资金政策的局限性，各类养殖主体在允许范围内合理支配资金。利用外商投资激励技术创新、激发养殖主体的生产积极性，完善商业银行支持清洁畜产品模式，建立完整的资金渠道。加大政府对奶牛养殖业的资金支持力度，提高外商投资积极性。建立奖惩制度，在政府监管向行业监管的过渡中提升养殖主体的专业知识与能力，激励更多养殖主体参与粪污资源化利用，做好监管工作和防控任务，充分发挥粪污资源化利用效用。

3.增加奶牛养殖业劳动力储备

明确各类养殖主体的产业发展需求与其对专业化从业人员的需求程度，及养殖场周围的发展现状、从业人员数量；根据奶牛养殖场实际生产规模，对从业者专业培训，以满足产业升级实际需求。鼓励奶牛养殖场与当地或邻近地区的畜牧科研院所、畜牧协会、农业类高校开展产学研合作，为养殖人员与科研人员搭建沟通的桥梁，提高奶牛养殖技术交流；积极推进奶牛养殖粪污资源化利用相关机械和技术推广工作，充分了解奶牛养殖主体对机械和技术的需求情况，提高机械和技术市场供求信息对称性。