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減少氮排放推動循環經濟產業

台灣經濟研究院/蘇向豪 助理研究員

循環經濟是在一個經濟可行的前提下,所進行的產業變革,將影響經濟發展的環保議題,找到可共存的平衡點。有鑑於農業的施作過程中,氮肥使用施作型態、畜產動物的腸胃發酵、排泄物處理等,皆會促成氮氧化物的排放,然而在減氮的措施下,仍有機會維持經濟效益甚至創造新興產業之可行性。據此本文綜整我國呈現在農作領域中串聯減廢、再利用、封閉循環,甚至是導入畜牧產業剩餘資材的實際行動,帶領農畜牧業邁向減少氮排放的循環經濟產業。

農業生產與自然資源有著非常緊密的關係,現今講求高效率生產的農業,連帶所產生的廢棄物,已超過了自然環境所能承受的負荷。而近年講求減少廢棄物、廢棄物再利用、創造物質封閉循環的循環經濟概念,則帶給了農業在推動循環經濟時,創造附加價值且永續循環的機會。在各項農業生產的剩餘資源中,又以「氮素」為兼具降低排放的急迫性,且透過適當管理可獲得增額利潤的標的。

在農業的施作過程當中,氮肥的使用施作型態,以及畜產動物的腸胃發酵、排泄物處理等,皆會促成氮氧化物的排放,影響環境平衡。2017年我國最新氧化亞氮排放量數據中,全國2,895千公噸的氧化亞氮排放,農業部門占1,344千公噸(27.47%),僅次於工業製程及產品使用部門的1,895千公噸(38.74%,行政院環境保護署,2019),是第二大的氮排放產業。當過量的氮素累積於大氣當中,會促使酸雨的形成,導致水資源與生態系統的破壞,進而加劇全球氣候變遷與生態系異常的風險。惟氮素是農民控制農作生產重要的營養源之一,除了傳統的減少排放策略外,本文將介紹如何使氮素在具備產業利潤的前提下,在農業相關事業體內相互串聯,達到封閉循環的目標。

鑒於減少氮排放將連帶使得農民、肥料業者收入受到影響,因此本文列舉農業剩餘資材作為複合氮肥案例,以風倒木、菇類培植廢棄包作為生物炭燒製原料,配合台糖蔗渣堆肥進行緩釋肥之調整混合,為農民尋求經濟效益最適點。

減少氮排放之產業衝突與效益

Kanter等人(2020)以氮素的利用角度,呈現農業食品供應鏈(agri-food chain)中各環節的氮素損耗,歸納出農業食品鏈中主要的參與者有:肥料製造商、農民(包含作物與畜產)、加工商、貿易商、零售商、消費者與廢水處理業者,另外還有金融組織與社運組織,並認為此模型在作物與畜產的生產系統,或是不同國家政策制約上會略有不同,但大抵的組成模式不變。前者可透過民間商業行為,降低氮素的過量逸散,後者則透過金融消費與倡議,影響政府與產業上下游的決策。

而參考Kanter的農業食品供應鏈組成,會發現我國農業產業的減氮政策,主要集中於肥料製造商與農民兩種角色上,藉由合理化施肥的宣導,試圖降低氮肥的使用量。但減量政策本身與經濟利益存在著衝突,一旦在政策上持續規範降低氮肥的施用量,期望下降氮素的排放,農作物即有可能無法得到足夠的氮素,導致生長趨勢下降,連帶使得農民的產量與收入受到影響;同樣,若農民配合減少氮肥的施用(購買),肥料業者的收入亦會跟著減少。雖然肥料業者可以透過新型態的產品或服務,得到增額的利潤,但農民則需負擔較高額的施灌與服務費用。故顯而易見的是,單純以環境為出發點之政策,並不容易引起產業共鳴。

因此Kanter等人(2015)進行一項模型推估,試圖找到當農民購買由肥料廠提供效能較佳的增效肥料(Enhanced Efficiency Fertilizers, EEFs),例如緩釋(slow release)、控釋(controlled release)型肥料,並配合肥料最佳管理策略(Fertilizer Best Management Practices, FBMPs)進行施作,希望找到使用EEFs與FBMPs的肥料管理策略,有機會在農民營運成本與肥料廠利潤間尋求經濟效益的最適點(sweet spot),藉此達到循環經濟中減少廢棄物(氮氧化物)的第一階段目標。

該研究以美國與中國兩大玉米生產與農業氮素消費國家進行估計,假設農民採用EEFs,且在降低氮素利用的同時,產量增長速率保持不變(實際上採用EEFs+FBMPs的策略,將有機會以更少的氮提高產量,非僅維持產量),同時納入每公頃肥料製造成本、肥料施用成本、增效型肥料平均售價、土壤總氮量吸收等參數進行統計。

經模型試算結果發現,中國在肥料利用效率(Recovery Efficiency, RE) 20%時,採用FBMPs與EEFs 50%+FBMPs 50%之策略,農民與肥料業者平均20年因氮肥產生的收益,有機會達到經濟效益最適點(圖1)。另美國在RE 50%時,雖農民採用EEFs、FBMPs、EEFs 50%+FBMPs 50%時皆有獲利機會,但肥料業者之獲利表現卻比維持現況表現低落(圖1)。但事實是美國大型農業公司如John Deere與Monsanto,皆已輔導旗下農戶投入FBMPs生產策略與使用EEFs,表示此複合型商業模式,肥料業者應具有利潤前景。故Kanter等人再加入EEFs溢價估算,發現當EEFs較傳統氮肥價格高出33~52%時,即出現了農民與肥料業者的經濟效益最適點。

圖1 美、中農民與肥料業者在EEFs與FBMPs的獲利預估
▲ 圖1 美、中農民與肥料業者在EEFs與FBMPs的獲利預估。
資料來源:David Kanter (2015)。
注:1.此模型預估2015~2035年,計20年間農民與肥料業者在EEFs與FBMPs施用策略下之平均收益。
  2.淺灰色柱狀圖為肥料業者、深灰色柱狀圖為農民。
  3.此計算模型於:維持減氮目標氮不進行變革(No adoption)、EEFs、FBMPs、EEFs 50%+FBMPs 50%等四項策略,與未以減氮為目標且不進行變革(Business-As-Usual, BAU)進行比較。

上述的模型推估得以證明在氮肥過量施放(中國),與氮肥施放趨緩(美國),兩種不同類型的國家,採用減少氮排的產業策略,皆有機會達到最適點的獲利潛力。但循環經濟的應用不僅如此,誠如前述,循環經濟在減廢的概念下,應思考如何串聯產業間的物質流,達到封閉循環為目標。故在減氮策略實具經濟效益的前提下,本論文提出由農業剩餘資材製成的EEFs,可促使農作產業達到封閉循環,此新興產業可作為循環經濟:減廢、再利用及封閉循環的三階段產業串聯案例參考。

農業剩餘資材作為複合氮肥案例

提到欲將農業剩餘資材再製,形成具減氮與固碳效益的產品,「生物炭」(biochar)即是其中一種重要的材料。藉由於無氧環境、燒製溫度達700˚C條件下製成的固態物質:生物炭,具有高比表面積、高表面電荷密度等特性,在農業應用上可作為保肥、調節土壤酸鹼值、改善微生物生存環境及固碳的功用(蔡佳儒、吳耿東,2016),是極具發展潛力的循環經濟產品。

但若以改善作物生長肥料需求為目標,生物炭本身肥力並不佳,需與其他肥料原料混合,調和為複合型肥料產品進行土壤改良。因此屏東科技大學生物炭團隊(屏科大生物炭團隊)則藉由此特性,開發出「生物炭複合緩釋肥」之產品。如前述肥料業者在減氮政策中若要具備市場競爭力,應開發新型態商品或新服務模式,而此透過技術將農業剩餘資材開發為新興EEFs產品,可視為其中一項重要的策略。

於此技術中,屏科大生物炭團隊利用風倒木、菇類培植廢棄包作為生物炭燒製原料,配合台糖蔗渣堆肥(田寶11號)進行緩釋肥之調整混合。並以100%堆肥粒肥、1(生物炭):1(堆肥)、1(生物炭):3(堆肥)、及100%生物炭等,四種堆肥材料進行肥料試驗。得到1:3之生物炭複合緩釋肥,為最有效之堆肥分解與養分釋放率(圖2),具有減少氮肥施用、降低成本及增加產量之效果(簡士濠,2018)。

圖2 生物炭緩釋粒肥礦化效率
▲ 圖2 生物炭緩釋粒肥礦化效率。
資料來源:屏東科技大學(2018)。

在此案例中,特別的是將農業剩餘資材透過技術加值,開發為EEFs之肥料產品,透過活化農業剩餘資源創造封閉循環的可能,同時達到在農業產業鏈內,達到減廢、再利用、同時封閉循環的三階段目標,並且存在農民與肥料業者同時獲利的可能。但在2019年國家溫室氣體排放清冊報告中提到,我國農業部門氧化亞氮的排放,除了產生過量的化肥施放外,畜牧業的禽畜養殖排泄物,更是導致過量氮素外溢的產業環節。考量氮素是農業重要的營養元素之一,畜牧業外溢的氮素應有機會作為農作施灌使用,達到資源利用效率最大化,同時產生不同產業間的循環串聯機會。

瑞典、荷蘭等國已成功將厭氧發酵後之糞尿,施灌於農田作為肥料使用,且已發展為畜殖戶與專業農戶簽約合作;但作為推動我國畜牧廢水施灌產業,仍需考量《畜牧法》畜牧廢水排放之管理修正,以及畜牧廢水排放之經濟效益。

氮排放與畜牧產業之緊密關聯性

聯合國糧食與農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations, FAO)在農業相關產業之溫室氣體排放統計中顯示,全球畜牧產業因飼養與廢棄物處理所產生之溫室氣體,占全球總溫室氣體排放量的20%,其中包含二氧化碳(占所有產業排放量9%)、甲烷排放量(35~40%)、一氧化二氮(65%),對於溫室氣體占比的影響極為顯著。又我國因地處亞熱帶區域,農戶習慣使用大量的水沖洗畜舍以及替動物降溫,因此產生大量的糞尿水,對畜養周遭的環境產生極大的壓力。

故行政院農業委員會(農委會)於1990年代起,與畜產試驗所(畜試所)共同擬定及研發三段式廢水處理系統等相關配套政策,利用固液分離設備,將固形物(糞渣)與液體(糞尿水)分離,前者作為堆肥添加資材,於分離後送至堆肥場加工,製成有機質肥料;後者則透過厭氧、好氧、沉積等處理,待其符合放流水標準後排放。

此舉有效降低當時因畜牧廢水不當排汙造成的環境與水源汙染,惟糞尿水中實富含農作物所需之氮與磷等營養元素及有機物,經現行三段式廢水處理後不僅含量降低,不利於重新利用,亦於過程中產生新的能源耗損(如好氧階段的曝氣處理)。同樣的,畜牧產業在糞尿水的處理上,瑞典、荷蘭等國家,已成功推動將經厭氧發酵後之糞尿,施灌於農田作為肥料使用,且已發展為畜殖戶與專業農戶簽約合作,已是成熟的商業行為(行政院環境保護署,2020),但作為推動我國畜牧廢水施灌產業,仍需考量:

(一)《畜產法》畜牧廢水排放之管理修正

因我國畜牧戶慣用飼養方式與歐美國家不盡相同,為確認畜牧廢水施灌之安全性,畜試所於2006~2007年利用「畜牧處理廢水利用於農地對地下水質之影響」計畫,評估在三段式處理後排放廢水、厭氧發酵廢水,以及兼氣發酵排放水三種處理之施灌結果,是否會對地下水質產生影響。另外於2009年與行政院農業試驗所(農試所)合作提出「以槽車載運固液分離後養豬廢水再利用試驗計畫(芳苑與霧峰案)」、「平鎮養豬廢水農地再利用試驗計畫」,確認利用不同施灌方式(注入、噴灑、隨灌溉溝渠施灌等),是否有臭味溢散、人畜共通傳染疾病,以及寄生蟲散播等問題。呈上述研究成果發現,監測期間施灌流域內並未發現有地下水汙染情況發生,同樣在短期試驗中,並未發現土壤重金屬累積之現象(葉昇炎、鄭閔謙、程梅萍,2016)。

故經農委會與行政院環境保護署(環保署)及各相關產業公會協商下,於2015年修正發布《水汙染防治措施及檢測申報管理辦法》,訂定「沼液沼渣農地肥分使用」專章十條,擴大沼渣沼液於農地施用,簡化檢測項目並提高管理彈性。並於2019年簡化未滿200頭豬隻畜牧場沼渣沼液申請程序,以及後續監測頻率,擴大畜牧戶投入循環經濟之產業規模(行政院環境保護署,2020)。

(二)畜牧廢水排放之經濟效益

我國推動畜牧廢水作為農地肥糞使用,仍屬於起步階段,雖已確認其對於環境與疾病防治上並無明顯風險,但於實際的施灌方式、施灌量,以及施灌成本,畜牧戶與農戶尚不熟悉。故農試所與畜試所及大專院校合作,以槽車載運養豬廢水施灌農地再利用試驗(2018),針對管線、注入式、噴灑式、隨水漫灌、隨水溝灌等方式進行施灌測試,結果呈現在施灌策略上,以注入式肥分損失最低,其餘皆有10~20%的損失率。

又因我國畜牧場大多為沖水式畜舍,透過大量沖水清潔畜舍以及替動物降溫,使得其畜牧廢水肥分較國外不沖水的畜養高床,所產生出的廢水肥分濃度低(僅約20~25%),在肥分低、水體含量高的情況下,導致我國畜牧廢水施灌成本較高。因此農試所畜牧施灌再利用試驗團隊,再針對不同畜牧廢水與化學肥料,在相等肥分施用量下進行比較(附表)。與國內常用之台肥1、4、5、39及43號肥料比較,透過固液分離或厭氧發酵後之養豬廢水,利用十公噸沼肥,約等同施用一包(40kg)複合化肥。在整體施作成本上,以畜試所輔導的畜牧廢水施灌試作計畫中,在合計128公頃的農地施灌面積上,每年可減少氮肥施用至少五萬公噸、灌溉用水10.4萬公噸(葉昇炎、鄭閔謙、程梅萍,2016)。

附表 不同畜牧廢水與化學肥分與相等肥分施用量比較
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注:( )數據代表相等肥分施用量。
資料來源:農業試驗所(2018)。

同時配合環保署於2015年修正發布的「水汙染防治費收費辦法」,我國自2017年開徵畜牧業水汙染防治費(水汙費),並於2020年推動「行政院環境保護署補助地方政府推動畜牧糞尿收集處理回收氨氮示範計畫」,鼓勵地方政府推動設置畜牧糞尿資源化處理設施,協助集運處理不同畜牧場所產生出之糞尿,每收集200頭豬糞尿(或50頭牛糞尿),將獲得新台幣100萬元之補助獎勵(行政院環境保護署,2020)。在水汙費徵收與獎勵並行的策略下,大大提高原投入循環經濟成本較高之中小型畜牧場投入循環經濟產業的意願,更有機會延伸以畜牧廢水集運處理為核心之新興產業。

減氮政策的國際借鏡

循環經濟是在一個經濟可行的前提下,所進行的產業變革,將過去常認為影響經濟發展的環保議題,找到可共存的平衡點。而本文則整理了我國在農業領域與畜牧領域,在減氮的措施下,仍有機會維持經濟效益甚至創造新興產業之可行性,呈現在農作領域中如何串聯減廢、再利用、封閉循環,甚至是導入畜牧產業剩餘資材的實際行動。

在國際上,荷蘭政府亦於2020年2月公布了新的氮汙染解決措施,挹注1.72億歐元針對有意願投入農業、畜牧養殖循環化的農民,進行設備的更新與技術創新,同時也編列3.5億歐元買斷計畫停止生產的豬農資產,並提供其離農所需之必要資源,再設計「可交易的氮排放權」,藉此管理整體的氮素排放(荷蘭政府農業、食品部,2020)。放眼全球,循環經濟仍在蓬勃發展階段,尚有許多新興的機會等著去實現,我國應可持續透過不同的政策工具,協助各項跨產業的循環經濟串聯行動。

參考文獻

  1. David Kanter, Xin Zhang and Denise L. Mauzerall, "Reducing Nitrogen Pollution while Decreasing Farmers' Costs and Increasing Fertilizer Industry Profits", Environmental Quality, 44(2):325, 2015/03.
  2. David R. Kanter, Fabio Bartolini, Susanna Kugelberg, Adrian Leip, Oene Oenema and Aimable Uwizeye, "Nitrogen pollution policy beyond the farm", Nature Food, pp.27~32, 2020/01.
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  7. 蔡佳儒、吳耿東,“台灣農業廢棄物製備生物炭之未來與展望”,農業生技產業季刊,第46期,台灣經濟研究院生物科技產業研究中心,頁24~28,2016年7月。
  8. 簡士濠(2018),“生物炭複合緩釋肥的應用與建議施用步驟”,生物炭料源供應及應用管理平台,https://biochar.tfri.gov.tw/BiocharPortal
  9. 葉昇炎、鄭閔謙、程梅萍,“畜牧糞尿水資源化再利用之發展沿革”,農業生技產業季刊,第46期,台灣經濟研究院生物科技產業研究中心,頁29~32,2016年7月。