姬亞航 李林葳 劉振宇

摘要 隨著近年來(lái)人口的增加，對(duì)生豬的需求量也不斷增加，因此在生豬養(yǎng)殖過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)低成本養(yǎng)殖、綠色養(yǎng)殖是現(xiàn)在生豬養(yǎng)殖的一個(gè)重要方向。選用生豬生產(chǎn)耗水作為研對(duì)象，計(jì)算生豬生產(chǎn)耗水，并運(yùn)用LMDI分解法比較和分析不同因素對(duì)生豬生產(chǎn)耗水的貢獻(xiàn)。研究的目標(biāo)包括不同體型和品種的生豬，以及其在不同時(shí)期的用水情況，從而建立一個(gè)使用簡(jiǎn)單并且開(kāi)放的生豬全生命周期的水足跡計(jì)算管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 LMDI模型;水足跡;生豬

中圖分類號(hào) S-058 ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）19-0211-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.19.055

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Calculation and Research on Water Footprint of Pig Based on LMDI Model

JI Ya-hang，LI Lin-wei，LIU Zhen-yu

（School of Information Science and Engineering， Shanxi Agricultural University， Jinzhong， Shandong 030600）

Abstract With the increase of population in recent years， the demand for pigs is also increasing， so how to achieve low-cost breeding and green breeding in the process of pig breeding is an important direction of pig breeding. In this research， the water consumption of pig production was selected as the research object. The water consumption of pig production was calculated， and the contribution of different factors to water consumption of pig production was compared and analyzed by LMDI decomposition method. The objectives of the study included pigs of different sizes and breeds， as well as their water use in different periods， so as to establish a simple and open water footprint calculation and management system for pig life cycle.

Key words LMDI model;Water footprint;Pig

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高壓脈沖電場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)失活封閉型畜禽舍空氣中病原體機(jī)制研究”（31772651）;山西省留學(xué)科技擇優(yōu)資助項(xiàng)目“高壓脈沖電場(chǎng)協(xié)同效應(yīng)失活封閉型畜禽舍空氣中病原體機(jī)制研究”（K271899003）。

作者簡(jiǎn)介 姬亞航（1996—），男，山西長(zhǎng)治人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)工程與信息技術(shù)。*通信作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)物料電磁特性研究。

收稿日期 2021-02-09

水資源是地球不可或缺的重要資源，是人們生產(chǎn)和生活的重要組成部分，也是人類生存與發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)水資源也提出了更高的要求，對(duì)水資源的需求量也日益增加。在全球水資源短缺情況下，節(jié)約用水、實(shí)現(xiàn)水資源的最大化利用率是目前需要解決的一個(gè)緊急問(wèn)題?？焖俚某擎?zhèn)化和工業(yè)化進(jìn)程正威脅著中國(guó)原本短缺的水資源，而不斷增加的畜產(chǎn)品消費(fèi)勢(shì)必會(huì)加重這一狀況[1]。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)農(nóng)畜牧產(chǎn)品的需求量也在不斷增加。然而在農(nóng)畜牧產(chǎn)品的生長(zhǎng)過(guò)程中都會(huì)消耗大量的水資源。近些年，畜牧業(yè)的快速發(fā)展中消耗水資源比例日漸增大，畜牧業(yè)占全國(guó)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的32%以上，在畜牧業(yè)當(dāng)中生豬的養(yǎng)殖又占較大的比例，因此生豬所造成的水資源消耗成為了畜牧業(yè)水足跡的重要來(lái)源。因此，科學(xué)評(píng)估生豬在養(yǎng)殖過(guò)程中的水足跡，科學(xué)、準(zhǔn)確地計(jì)算生豬水足跡對(duì)控制用水量，進(jìn)而尋求降低生豬的耗水量具有重要的科學(xué)和實(shí)用價(jià)值。

對(duì)生豬水足跡的研究和計(jì)算不僅可以豐富水足跡的理論研究知識(shí)，完善水足跡的理論體系，還可以為畜牧業(yè)的管理提供科學(xué)依據(jù)，增大畜牧業(yè)的生產(chǎn)效率，使水資源得到充分合理利用。

綜合目前對(duì)水足跡的定義，人們將生豬的水足跡定義為：?jiǎn)挝毁|(zhì)量豬的水足跡是指生豬從出生到出欄的整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)單位活體重量耗水，包括生活用水、豬飲用水、處理糞便污染耗水、沖洗欄位豬舍用水、防暑降溫用水的水足跡，不包括屠宰和加工耗水。鑒于此，筆者選用生豬生產(chǎn)耗水作為研對(duì)象，計(jì)算生豬生產(chǎn)耗水，并運(yùn)用LMDI分解法比較和分析不同因素對(duì)生豬生產(chǎn)耗水的貢獻(xiàn);研究的目標(biāo)包括不同體型和品種的生豬，以及其在不同時(shí)期的用水情況，從而建立一個(gè)使用簡(jiǎn)單并且開(kāi)放的生豬全生命周期的水足跡計(jì)算管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

1.1 平臺(tái)功能需求

1.1.1 技術(shù)人員自主操作功能。

基于生豬生活所產(chǎn)生的耗水問(wèn)題，選取6個(gè)豬場(chǎng)的夏季用水量，核算生豬的水足跡，運(yùn)用LMDI模型分析豬的水足跡的影響因素，并提出可行性設(shè)計(jì)方案。

平臺(tái)主要面向豬舍工人和養(yǎng)殖技術(shù)人員，提供輸入、輸出界面，方便養(yǎng)殖技術(shù)人員對(duì)水足跡進(jìn)行計(jì)算。

1.1.2 數(shù)據(jù)管理功能。計(jì)算出來(lái)的水足跡存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，作為歷史參考數(shù)據(jù)。相關(guān)人員可以查看歷史數(shù)據(jù)，對(duì)水足跡進(jìn)行核算和分析;管理人員可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除、修改等操作。

1.2 用戶類和特性 對(duì)水足跡進(jìn)行計(jì)算的豬舍工作人員可以調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)操作以及平臺(tái)資源的自動(dòng)擴(kuò)展。

該平臺(tái)的重要用戶類有：①豬舍工作人員。工作人員記錄不同時(shí)期生豬的耗水量，記錄數(shù)據(jù)。②養(yǎng)殖技術(shù)人員。通過(guò)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)填寫(xiě)、計(jì)算等操作，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行添加、刪除、修改等操作。

針對(duì)不用的豬舍建立不同的數(shù)據(jù)，圖1為用戶用例圖。

2 生豬水足跡算法分析

2.1 生豬水足跡的計(jì)算 單位質(zhì)量豬的水足跡是指生豬從出生到出欄的整個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)單位活體重量耗水，包括日常生活用水、生豬飲用水、糞便污水消耗水、豬舍沖洗用水、夏季降溫用水的水足跡，計(jì)算水足跡只在豬舍中進(jìn)行計(jì)算，不包括屠宰等過(guò)程中的耗水。單位質(zhì)量生產(chǎn)水足跡WF（m/kg）計(jì)算公式如下，

WF=WF life+WF drink+WF pollute+WF serve+WF cool

式中，WF life為日常生活用水的水足跡（m3/kg），WF drink為生豬飲用水的水足跡（m3/kg），WF pollute為糞便污水消耗水的水足跡（m3/kg），WF serve為豬舍沖洗用水的水足跡（m3/kg），WF cool為夏季降溫用水的水足跡（m3/kg）。

2.2 LMDI模型

LMDI模型是一種不產(chǎn)生殘差的因素分解法，它通過(guò)數(shù)學(xué)恒等式將目標(biāo)變量分解成為若干影響因素并進(jìn)行分析，從而考察各因素對(duì)目標(biāo)的作用方向和相對(duì)影響程度[2]。

將IPAT模型用于水足跡的變化，將豬的水足跡分解為生豬的數(shù)量、單位豬的耗水量、人口數(shù)量3個(gè)影響因素[3]。將該式用于豬的水足跡研究，分解得出以下公式：

Wm = Pm×Am×Tm

式中，Wm為第 m年 的豬的生產(chǎn)水足跡（m）;Pm為第 m年 的人口數(shù)量;Am為第 m年 人均豬肉產(chǎn)值（元/人），即富裕程度;Tm為第 m年 的單位生豬產(chǎn)值的耗水量（m/元），即生豬的技術(shù)效應(yīng)[4]。根據(jù) LMDI分解法[5]， W 0和W t分別 表示為在第1年和第 t 年豬的水足跡，則兩者之間的變化量Δ W 可以表示為：

Δ W=W t-W 0 =Δ W P +Δ W A +Δ W T

式中，Δ W P 、Δ W A 、Δ W T分 別表示人口數(shù)量變動(dòng)、人均生豬產(chǎn)值的變化、單位生豬耗水的變化[6]，3個(gè)變量所引起的水足跡的變化量（m3）如下所示：

Δ W = ?m （ W t - W? 0）×（ln P t -ln P? 0）ln W t -ln W? 0

Δ W A = ?m （ W t - W? 0）×（ln A t -ln A? 0）ln W t -ln W? 0

Δ W T = ?m （ W t - W? 0）×（ln T t -ln T? 0）ln W t -ln W? 0

式中， P t、P 0分別表示人口數(shù)量在第t年和第1年的變化;A t、A 0分別表示人均生豬產(chǎn)值在第t年和第1年的變化;T t、T 0分別表示單位生豬的耗水量第t年和第1 年的變化。

某一因素引起了生豬的水足跡的變化，且變化量為正值（Δ W P 、Δ W A 、Δ W T）， 表示生豬的水足跡為增量效應(yīng)，即正向驅(qū)動(dòng);反之為減量效應(yīng)，即負(fù)向驅(qū)動(dòng)。

2.3 生豬的水足跡數(shù)據(jù)分析

豬的飲水量受很多方面的影響，主要有周圍環(huán)境、飲食量以及喂養(yǎng)方式等，飲水量根據(jù)其體重來(lái)計(jì)算，大約是其體重的18%，夏季用水量偏多，大約是其體重的25%。

將豬場(chǎng)用水分為日常生活用水、生豬飲用水、糞便污水消耗水、豬舍沖洗用水、夏季降溫用水[7]五大類，分析并記錄五大類用水的比例、耗水量，為后續(xù)工作提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而做到節(jié)約用水、綠色養(yǎng)殖，各豬舍采取相應(yīng)措施，達(dá)到保護(hù)水資源的目的。

通過(guò)走訪調(diào)研了6個(gè)豬場(chǎng)的夏季用水量，如表1所示。

斷奶以后的幼豬和正在成長(zhǎng)過(guò)程中的豬的飲水量要與其飼料進(jìn)食量呈正相關(guān)，斷奶以后幼豬每日的飲水量為：每日飲水量（L） = 0.149+3.053×每日干飼料采食量（kg）; 成長(zhǎng)過(guò)程中的生豬飲水量大約為干飼料進(jìn)食量的2.5倍[8]。通過(guò)以上公式，可以計(jì)算出1 d中斷奶以后的幼豬和生長(zhǎng)過(guò)程中生豬的用水量。

哺乳母豬的飲水量比其他階段的生豬消耗量大，尤其是在進(jìn)食與引用水2方面，大約需要水20 L/d，其他方面與其他階段的生豬耗水量不大。

水簾降溫用水量占夏季日均用水量的29%，具體如表2所示。飲水量占夏季日均用水量的23%， 處理糞便污染耗水量占28%（有5%下降空間），水簾降溫水量占29%（有30%下降空間），沖洗用水量占18%（有5%下降空間），生活區(qū)用水量占2%（有11%下降空間）。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)后端采用Java[9]語(yǔ)言編寫(xiě)，Java是世界上使用最多的編程語(yǔ)言。Java語(yǔ)言的特點(diǎn)包括面向?qū)ο?、跨平臺(tái)、內(nèi)存自動(dòng)管理等。Java有簡(jiǎn)單容易學(xué)習(xí)、安全性高、可移植性強(qiáng)、健壯性等特點(diǎn)，Java語(yǔ)言還在Web應(yīng)用程序的編寫(xiě)上有著優(yōu)秀的表現(xiàn)，會(huì)自動(dòng)處理內(nèi)存垃圾，便于內(nèi)存管理，Java在運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)檢查錯(cuò)誤，檢查出錯(cuò)誤后會(huì)自動(dòng)消除錯(cuò)誤。后端框架基礎(chǔ)使用SpringBoot，數(shù)據(jù)層使用的是Mybatis，簡(jiǎn)單易上手，便于維護(hù)。用戶基本信息使用Mysql，保存用戶的信息，使用redis保存經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)來(lái)降低整個(gè)項(xiàng)目的響應(yīng)時(shí)間。

前端采用JavaScript[10]語(yǔ)言編寫(xiě)，采用比較流行的Vue框架。Vue的優(yōu)點(diǎn)在于可以自底向上應(yīng)用，是一種漸進(jìn)式的框架，而且簡(jiǎn)單易學(xué)，Vue只關(guān)注視圖層，并且還可以和其他以后的數(shù)據(jù)庫(kù)或者項(xiàng)目整合在一起。生豬水足跡計(jì)算界面如圖2所示。

平臺(tái)采取開(kāi)放使用的方式，讓更多的生豬養(yǎng)殖用戶與研究人員參與進(jìn)來(lái)，通過(guò)記錄用戶數(shù)據(jù)在經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益方面如何合理減少用水量，針對(duì)性提出改進(jìn)方案和措施;對(duì)豬舍進(jìn)行優(yōu)化改革，達(dá)到節(jié)約用水的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

該研究的目的是一個(gè)基于面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)技術(shù)的生豬水足跡應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以收集生豬水足跡數(shù)據(jù)與研究人員分析數(shù)據(jù)，為用戶提供一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)和共享的數(shù)據(jù)庫(kù)，為我國(guó)生豬水足跡計(jì)算提供一個(gè)專業(yè)、可靠、方便的計(jì)算機(jī)智能化系統(tǒng)。

該系統(tǒng)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了生豬水足跡的相關(guān)計(jì)算，為今后的進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，奠定了重要的基礎(chǔ)。但該系統(tǒng)仍存在一些有待改善與加強(qiáng)之處，比如針對(duì)一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)還不能夠很好地進(jìn)行處理和計(jì)算，針對(duì)類似問(wèn)題將會(huì)繼續(xù)研究和改進(jìn)，從而提高水足跡的準(zhǔn)確性，這是今后仍需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

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