小农户生猪粪污处理不当的环境风险识别——基于Fuzzy DEMATEL和投影寻踪法

王晓莉 徐娜 吴林海

摘要：为识别小农户生猪粪污处理不当诱发的空气污染风险、水体污染风险、土壤污染风险等环境风险，本文利用层次分析法建立指标体系，分别于2016年1月即国家“水十条”颁布的10个月后和2017年2月即国家“土十条”颁布的9个月后，对同样的11位业内专家采用模糊决策实验室法（Fuzzy DEMATEL）和投影寻踪法进行评判。结果表明，两次专家评判认为小农户生猪粪污处理不当诱发的空气污染风险、水体污染风险、土壤污染风险权重分别是0.2424、0.3646、0.3930和0.2377、0.4485、0.3138。两次评判均认为空气污染风险最小，而由于“水十条”和“土十条”存在短暂、即时的政策效应，专家对水体污染风险和土壤污染风险的评判出现了分歧。本文据此给出政策建议。

关键词：小农户 生猪粪污处理 环境风险 Fuzzy DEMAATEL 投影寻踪法

一 引言

我国是生猪养殖大国，2015年生猪出栏量达到70825万头。但同时，我国生猪饲养仍然沿袭传统的农户小规模饲养方式，由小农户散养提供的商品猪占市场总量的80%以上，直接导致我国生猪规模饲养的管理水平不高。部分小农户可能基于自身的利益，过量使用添加剂、兽药等化学品，致使60%～90%的农用化学品因生猪自身无法吸收而随粪便排出体外成为影响环境的重要因素[1]。包括生猪粪污在内，我国农户处理畜禽粪便的方式主要是随意丢弃、粪肥还田、堆肥、沼气化、出售和制造有机肥等[2]，其中粪肥还田方式由于耕地数量和农田消纳能力有限，并不能广泛推广[3]，而沼气化的成本也较高，没有相应政策支持，小农户采用这类处理方式显然也不现实，因此小农户将生猪粪便和养殖污水随意排乱的现象较为严重[4]。

为防止小农户将生猪粪便和污水随意排放的不当行为所带来的环境风险，2014年1月，我国《畜禽规模养殖污染防治条例》首次明确了禁止建设畜禽养殖场、养殖小区的区域，即划定禁养区。2015年4月，国务院《水污染防治行动计划》（即“水十条”）提出了推进农业农村污染防治措施，其中着重强调了要防治畜禽养殖污染，实现粪便污水的资源化利用。随后，2016年5月又出台了《土壤污染防治行动计划》（即“土十条”），突出粪污处置不合理造成的土壤污染风险加剧，要严格规范兽药、饲料添加剂的使用，以期从源头上降低土壤风险。这些权威政策的颁布和实施，会产生一定的政策效应。

本文围绕小农户生猪粪污处理不当诱发的环境影响展开，通过业内专家评判，分析可能对空气、水体、土壤等造成的环境风险。两次专家评判间隔一年，分别适逢“水十条”颁布的10个月后和“土十条”颁布的9个月后，期望通过分析两次专家评判结果的差异，分析小农户生猪粪污处理不当的环境风险的分布状况，同时探究“水十条”和“土十条”两项政策的政策效应。

二 文献综述

目前国内外有关农户因生猪养殖粪便和污水处理不当造成环境风险的文献主要集中以下几个方面。

（一）空气污染风险

农户没有采取生猪粪污环保处理技术，对粪污处理不当，所造成的空气污染主要涉及大气恶臭、空气质量下降和温室效应等。生猪粪便中含有氨气（NH3）、硫化氢（H2S）、粪臭素（SK）、挥发性脂肪酸（VFA）、胺类物质、脂肪族的醛类物质和硫醇类物质等，是恶臭的主要来源[5]，此外，粪便中由病原微生物形成的生物气溶胶[6-7]，以及猪舍内外普遍含有的高浓度和高丰度的耐药菌都会随空气流动远距离传播[8]。这些气体不仅恶化舍内的环境和卫生，损害空气质量，还会降低生猪的抵抗力，更可能危害人体健康[9]。越干燥的环境，越有利于这些代谢物的雾化和传播[10]。

Weiss和Leip[11]曾经证实，25%的温室气体（GHGs）来源于生猪养殖，其中生猪粪便排放的温室气体“贡献”最大[12]。NH3的挥发是生猪粪便堆放过程中氮流失的主要表现形式[13]，由此造成GHGs排放，是形成雾霾的罪魁祸首[14]。据联合国粮食及农业组织（FAO）[15]预测，到2030年，农业中动物饲养将会增加60%的甲烷（CH4）排放。虽然生猪粪污的有机物厌氧分解会产生大量GHGs，但通过干清粪方式进行粪便处理，可以相应减少CH4等气体排放[16]。当然，也有学者并不以为然，认为增加粪便处理频度，采用干清粪处理方式只是治标不治本。只有减少生猪的蛋白质摄入，才能从源头上减少生猪粪便的GHGs排放[17]。

（二）水体污染风险

2010年，畜禽养殖污水排放量和化学需氧量（COD）排放量分别为同年工业生产所造成的污水排放量和COD排放量的3.23和2.3倍，分别占全国污染物排放总量的45%和25% [18]。研究显示，小农户对生猪粪便和污水处理不当，对水体造成的污染不仅包括氮（N）、磷（P）等微量元素超标导致的富营养化[19]和溶解氧量降低后的恶臭，还包括粪便中残留的抗生素等化学物质对水质的破坏。其中，生猪粪便对水体的污染最严重，且总氮（TN）在各污染物中贡献率最大，其后依次是总磷（TP）、氨氮（NH3-N）、生化需氧量（BOD）、COD等[20]。高浓度的N、P、NH3-N化合物会造成水体的富营养化，同时导致COD和BOD浓度升高，而且还会造成水体缺氧、水生动物窒息、水体变质腐臭等后果[21]。小农户出于防治疾病、提高饲料转化率和生猪生长率的考虑，会采取过量使用抗生素及兽药等化学合成药物的行为[22]。而包括生猪在内，畜禽本身无法吸收那么多药物，残留的大量药物、添加剂随着粪便的排泄而污染水源，其中残留的药物、病原微生物等在地表水中的污染期可长达两个月，并不断繁殖，从而进一步污染水源[23]，目前已经造成了严重的地表水和地下水质污染后果[24-25]。如果小农户持续使用抗生素，会使生猪粪便中富集的抗生素耐药基因（ARGs）长期处在养殖介质中，随着污水排放进入土壤、池塘水等介质中残留堆积，进一步破坏环境[26]。

（三）土壤污染风险

生猪粪污中含有的过量N、P等微量元素，钾（K）、钠（Na）等重金属，以及病原微生物等，均会增加土壤污染风险。2010年，我国畜禽粪便还田和直接废弃的比例分别高达49.5%和25.3% [27]，但土地的承载力是有限的。土壤对 P、N、K 的吸纳率分别只有10% ～15%、30% ～35%、35%～50% [28]。目前我国农村多数地区种养分离、农牧脱节的现实，致使畜禽养殖的粪便中含有的P、N、K等随意且过量流失渗透到土壤中，而部分营养元素如Na和K由于反聚作用造成土壤板结，降低土壤通透性，破坏耕地质量[29]。相较于其他畜禽粪便，生猪粪便更易造成土壤污染[30]。由于高剂量铜（Cu）、锌（Zn）、砷（As）等金属元素可以促进生猪生长，生猪养殖户常在饲料中高剂量使用铜、锌、砷等制剂，而生猪对这些重金属元素的吸收利用率低或者部分重金属元素无法被生猪的消化系统分解，大部分随粪便排出，经过食物链的长期累积，再次进入土壤等循环系统中[31]。如今，有机肥料、兽药等的滥用已经严重污染了土壤环境[32]。研究发现，猪粪直接还田，其重金属的含量以及富集系数都比普通的菌渣要高，对土壤和作物的破坏力更强[33-34]。另外，生猪粪污中不仅含有有害化学物质，还含有大量病菌微生物，如大肠杆菌以及寄生虫卵等[35]，这些微生物因其强大的繁殖能力有别于化学物质，如果直接进入土壤且不断繁殖，终将破坏生态平衡。

（四）相关文献评述

上述文献研究说明，小农户对生猪粪污的处理不当，将严重威胁空气、水体、土壤，造成环境污染。目前研究分别从空气、水体和土壤污染角度探讨不同区域生猪粪污对环境的影响，对于何种环境污染风险更大，国家相关政策出台后污染是否有所减轻等，并未得出明确研究结论。因此，本文利用专家评判方法，从空气污染、水体污染和土壤污染风险的角度，分析小农户生猪粪污处理不当造成的环境风险分布，并在“水十条”和“土十条”颁布后邀请相同的专家进行二次评判，分析相关政策的效应，最终为推广粪污环保处理技术提供政策建议。

三 评价方法与步骤

（一）指标体系的构建

层次分析法（AHP）模型一般可分为三层：目标层、准则层和指标层。目标层只有一个元素，一般为分析问题的预定目标或理想结果；准则层包含各种中间环节和需要考虑的准则、子准则，可以由若干个层次组成；指标层主要由可供选择的各种措施、决策方案等组成。在此基础上，本研究采用模糊德尔菲（Fuzzy Delphi）方法确定指标层的权重。

模糊德尔菲法的实质就是确定专家评判的共识值，而现有研究结论证实，专家评判的共识值中存在一定的函数关系[36]。本研究利用该方法让多位相关专家达成了共识，建立相关指标体系。

1．专家人数的确定

模糊德尔菲法的调查对象为专家，专家的选择将影响问卷的结果与说服力。而多数文献中专家选择的标准并不统一。参与本研究的评判专家由推广相关政策的国家机关工作人员、高校从事生猪粪污环境治理的科研人员，以及基层农技推广人员组成，除了熟悉生猪养殖环境污染风险评估，专家至少还满足以下条件之一：①从事与本研究相关或类似的研究；②曾发表与本研究类似的文章；③对本研究具有一定专业知识。而在专家人数的选择方面，为将群体判断的误差降至最低，且避免出现互补效应影响决策，选择11位满足以上条件的专家。

2．建立评价指标体系

将小农户对生猪粪污处理不当所涉及的环境风险分为空气污染风险、水体污染风险和土壤污染风险三大类，将与各环境污染风险相关的指标作为指标层。为避免遗漏，本研究采用半封闭式问卷，充分搜集专家意见。对于初步遴选的各个指标，请各专家匿名根据个人专业水平和知识经验按照不重要、不太重要、一般、较重要和重要5个等级（分别是1、2、3、4、5分）评判其对环境的影响程度。对指标层的各类指标均给出定义，以保证专家认知的一致性。问卷设置留白，并请专家做补充说明，以弥补原来初步遴选的指标可能存在的不足。

针对11位专家的问卷调查进行了两次，分别在2016年1月和2017年2月进行。第一次问卷采用四分位差，第二次问卷则以几何平均数分析专家群体对生猪粪污处理不当所引起环境风险的分布情况。确定门槛值后，两次问卷的调查结果显示，11位专家对表1中指标层的环境风险分布达成一致。

（二）评价指标权重的确定

1.“水十条”后利用决策实验室法确立环境风险权重分布

利用对专家的问卷调查确定各指标的权重。利用专家评判这些指标之间的相互影响程度，按照由弱到强分为1～5等级。对专家评判结果，进行标准化处理后，最终将量化得到专家群体的共识（见表2）。

具体计算过程如下。

（1）三角模糊数的标准化处理。按照表2将每位专家评判转换为三角模糊数，并按照公式进行标准化。

其中：

式中：xl、xm、xr分别为对应公式标准化后的三角模糊数的左值、中值、右值。k表示专家序号。

（2）计算左右的标准值。将标准化后的结果按照式（4）、式（5）计算。

（3）计算总的标准化值。

（4）获得第k个专家评判的i指标对j指标的影响程度。

（5）计算全部k个专家评判的i指标对j指标的平均影响程度wij。

然后利用决策实验室法（DEMATEL），步骤如下。

（1）利用三角模糊数标准化处理后的专家对各指标间平均影响程度的评判值wij，生成初始直接影响矩阵A= [aij]。其中，A是非负矩阵，aij代表指标i对指标j的直接影响，i=j时，aij=0。

（2）将直接影响矩阵A转换为标准化的影响矩阵D。

（3）获得总影响关系矩阵T。

T=D（I-D）-1

（4）计算T矩阵的各行和各列之和。

Ri、Cj分别为矩阵T的行、列之和。

（5）计算指标权重。根据上述步骤获得各指标的影响度和感应度，再按照式（11）和式（12）进一步确定这些指标在该指标体系中所对应的权重。

按照式（1）至式（12），最终11位专家选择的指标体系，其各级指标的权重见表3。

通过对表3的分析可以发现，利用Fuzzy DEMATEL方法，小农户对生猪粪污处理不当造成空气污染风险、水体污染风险和土壤污染风险的权重分别为0.2424, 0.3646和0.3930，土壤污染风险所占权重最大。

2.“土十条”后利用投影寻踪方法确定权重分布

为进一步检验专家评判的科学性，且适逢“土十条”颁布9个月，本研究再次做了问卷调查，采用投影寻踪方法确定权重，与表3中的结果进行对比分析。

首先，以表4中的梯形模糊数对专家评判语言进行模糊转换。

梯形模糊数一般记为：T=（l, m, n, r），其中：l, m, n, r分别代表梯形模糊数的下界值、左中值、右中值、下界值。根据定义，对于梯形模糊数T1=（l1, m1, n1, r1）, T2=（l2, m2, n2, r2）和确定数λ，定义加法和乘法：

T1+T2=（l1+l2, m1+m2, n1+n2, r1+r2）

当λ＞0时，λT=（λl, λm, λn, λr）；当λ＜0时，λT=（λr, λn, λm, λl）。

利用11位专家Em（m=1,2, …,11）进行模糊评判。用wmn表示专家Em对空气污染风险、水体污染风险和土壤污染风险Cn的影响程度所做出的模糊评价，最终得到语言评价矩阵W。

采用线性加权方式将11位专家的模糊评判进行综合。

其中，βm表示第m位专家在专家群体中的影响，本文取βm=1。

进一步采用Lee和Li方法将模糊数的重心作为梯形模糊数T=（l, m, n, r）的比较和排序指标[37]，利用模糊数均方差反映模糊数的不确定程度。重心c表达式为：

而均方差σ表达式为：

最终可以得如下次序：

其后，构建投影寻踪模型，投影寻踪模型可以通过优化投影指标函数Q（w），得到最佳投影方向即最佳权重，从而获得最佳方案。因此，定义投影向量w：

得到投影寻踪模型：

对投影函数Q（w, X）进行优化，得到最佳权重系数：

依据式（13）至式（20）和表5，得到最佳的投影方向w=[0.2377, 0.4485,0.3138]。评判结果显示，专家认为，2017年1月，我国小农户对生猪粪污处理不当造成水体污染风险最大，其次为土壤污染风险，空气污染风险排在最后。

四 结果与分析

本文利用专家评判的Fuzzy DEMATEL方法与投影寻踪方法，在“水十条”颁布10个月后及“土十条”颁布9个月后，对我国小农户生猪粪污处理不当对环境所造成的影响情况进行分析。其中，利用Fuzzy DEMATEL方法得到的结果显示，11位业内专家认为土壤污染风险最大，其次为水体污染风险，空气污染风险最小；而利用投影寻踪方法的结果却显示，同样11位业内专家，认为水体污染风险最大，其次为土壤污染风险，空气污染风险最小。可以确定的是，两次评判结果，11位专家对空气污染风险最小达成一致，而对水体污染风险和土壤污染风险的判断则出现了分歧，在一定程度上体现了“水十条”和“土十条”的政策效应。

第一，与工业污染相比，生猪养殖粪污所产生的恶臭人体易察觉，且可以较快采取措施以避免受到伤害。而温室气体排放周期相对较长，且排放基数非常小，所以两次专家评判结果均认为粪污处理不当对空气污染的风险最小。

第二，第一次专家评判时间实施于“水十条”颁布之后，其中明确规定科学划定畜禽养殖禁养区，2017年底前，依法关闭或搬迁禁养区内的畜禽养殖场（小区）和养殖专业户，京津冀、长三角、珠三角等区域提前一年完成。各地政府也纷纷颁布了地方性的水体污染防治条例，加大了水体污染惩处力度。我国政府加强了政策引导，一方面“堵”，另一方面“疏”，对小规模生猪养殖场所实行“关停并转”，逐步引导养殖户采用环保粪污处理技术和行为，水体污染大幅度减轻。显然，从专家视角分析，“水十条”存在明显的政策效应。专家一致认为，2016年1月期间，小农户生猪粪污处理不当对土壤污染的影响较水体污染更为严重。水体污染和土壤污染都具有一定时序性和累积性，且相较于土壤污染，发现水体污染的周期相对较短，可以较快采取应对措施。

第三，排除主观因素影响，结合我国生猪粪污治理现状分析发现，一是生猪养殖粪污环保处理设施运转成本高，二是由于规划不合理，养殖场扎堆建设，超出环境承载能力。“土十条”的颁布，意味着各地土壤污染防治工作正在推进，各地禁养区划定及禁养区内养殖场关闭提速。2016年全年，我国京津冀、长三角、珠三角等区域针对小农户加强整治。在短暂高压政策的整治下，原本专家认为较为严重的土壤污染风险反而在2016年下半年有了大幅降低。

第四，研究结果发现，尽管在“水十条”颁布之后，专家认为水体污染风险位居第二，而在“土十条”颁布之后，专家认为土壤污染风险次于水体污染风险，但相比于第一次专家评判结果，水体污染风险占比明显增大。这说明，两次政策的颁布实施只有短暂、即时的政策效应，随着不同政策的实施，反而陷入了一个被动循环状态，从长远来看，相关政策并没有得到很好落实，也不能切实降低小农户对生猪粪污处理不当造成的环境污染风险。

五 结论

本文通过业内专家评判，在“水十条”颁布10个月后和“土十条”颁布9个月后两个不同时间段分别采用Fuzzy DEMATEL方法与投影寻踪方法分析小农户对生猪粪污处理不当所造成的空气污染风险、水体污染风险和土壤污染风险，两次专家评判结果均认为空气污染风险最小，而对水体污染风险和土壤污染风险的评判出现差异。

相关的政策建议包括如下方面。第一，健全法律体系，多方听取专家意见，确保在养殖粪污治理中充分结合现状和专家学者的研究结论，最大限度地降低环境污染风险。对于小规模生猪养殖户的粪污处理行为，虽然我国《畜牧法》在第三十九条和第四十条中做了一些禁止性的规定，但法律责任一章中未出台相应的处罚措施。应根据专家意见和我国不同区域的实情，出台相应的实施细则或司法解释，避免出现政策颁布实施后的短期政策效应，通过对现有畜牧法律体系进行配套完善，降低环境污染风险。

第二，结合专家意见，合理规划不同规模生猪养殖场的建设。小农户往往集中一地养殖，而按照2014年出台的《畜禽养殖场污染防治条例》、《畜禽养殖业环境管理技术规范》（HJ/T81）和《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB18596）等法规和技术规范规定，养殖场要建设配套的粪污处理设施。结合各地实际，根据土地承载能力和社会发展规划，要对小规模生猪养殖场科学划定适养区、限养区和禁养区，减少对环境的影响。

第三，鼓励小农户选择种养结合。由于粪污环保处理设施运转成本高，对于小农户而言，粪污处理的最佳途径就是资源化利用。要根据小农户的特点和当地空气、水体和土壤的承载能力，克服粪污体积大、运输成本高、使用不便等障碍，确定合适的养殖规模，可以考虑采取“猪-沼-果”“猪-沼-菜”“猪-沼-苗”等多种形式，确定适合的种养结合模式，加大养殖业对粪污的消化能力，从根本上强化相关政策的长效性。

第四，探索小规模养殖户粪污处理产业化的试点工作。目前小农户对生猪粪污的处理没有经济动力，应通过政府引导和补贴，鼓励小规模养殖户通过集体建设沼气池、有机肥厂等，将市场运作与政府支持相结合，延长粪污处理的产业链条，减轻生猪养殖的现实环境压力。

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