稻-蝦(克氏原螯蝦)綜合種養模式的碳足跡分析

劉金根，楊 通，馮金飛

(1.蘇州農業職業技術學院環境工程學院，江蘇 蘇州 215008；2.中國水稻研究所，浙江 杭州 310006)

自工業革命以來，人類活動導致的大氣CO2、CH4和N2O濃度顯著增加，由溫室氣體排放所導致的全球變暖效應正逐漸加劇[1]。農業生產是人類活動中重要的溫室氣體排放源，其溫室氣體排放占人為排放的12%[2]。減少農業溫室氣體排放，實行低碳、綠色生產是當前農業領域研究的熱點問題。碳足跡(carbon footprint)是指某一產品、服務或活動在其生命周期內以CO2當量計算的直接或間接碳排放總量[3]。目前，碳足跡分析已經被廣泛應用于我國農田碳排放評價系統中，眾多學者分別從耕作方式[4-5]、種植制度[6-7]、水肥管理[8-9]和時空尺度[10-14]等方面對我國農田碳足跡開展了一系列研究。通過系統計算農業生產中直接或者間接碳排放，碳足跡方法能夠用于有效分析農田碳足跡的產生和構成，從而為農田溫室氣體減排目標提供理論指導。

作為稻田綜合種養的一種重要方式，稻田-克氏原螯蝦(稻-蝦)種養模式具有資源節約、穩糧增收的特點，近5 a來在全國范圍內得到大面積推廣應用。據統計，2019年全國稻-蝦種養面積達110萬hm2，小龍蝦產量達177.25萬t，占全國稻-漁綜合種養總面積和總產量的60.46%和47.71%[15]。然而，目前關于稻-蝦種養的研究主要集中在生產技術和經濟效益等方面，鮮有研究從碳足跡角度對稻-蝦種養模式進行碳排放分析。為此，筆者采用問卷調查法，對我國主要稻-蝦種養大省(湖北省和江蘇省)進行農戶調查，系統分析稻-蝦種養模式碳足跡構成及其影響因素，以期為稻-蝦種養模式低碳生產提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 數據來源

以問卷調查方式，于2018年在江蘇省和湖北省主要稻-蝦種養地區對當地農戶進行調查取樣。調查內容主要包括稻田生產模式、生產規模、物料投入和農產品收益。其中生產模式主要分為稻-蝦、稻-麥和單季稻3類。物料投入依據作用功能共分為7大類：飼料(主要包括商品飼料和糧食飼料)、消毒產品(主要包括石灰、改底、漂白粉、聚維酮碘和魚藥)、育苗(主要包括種子、農膜和秧盤)、化肥(主要包括N、P、K和有機肥)、農藥(主要包括除草劑、殺蟲劑和滅菌劑)、燃油(用于農業機械)和用電(用于灌溉和農業機械)，各物料投入產品碳排放系數見表1。農產品收益主要包括小龍蝦、水稻產量和效益。共收到調查問卷66份，有效問卷64份，問卷合格率為97%。其中稻-蝦種養模式問卷24份(江蘇泗洪7份，江蘇沛縣5份，江蘇浦口1份，湖北潛江5份，湖北監利3份，湖北洪湖3份)；稻-麥輪作模式問卷28份(江蘇泗洪12份，江蘇沛縣8份，湖北襄陽2份，湖北棗陽2份，湖北隨州4份)；單季稻生產模式12份(江蘇浦口2份，江蘇常州3份，江蘇泰州2份，湖北潛江1份，湖北監利3份，湖北洪湖1份)。

1.2 研究邊界

以1 a為研究界限，系統分析稻-蝦、稻-麥和單季稻3種不同稻田生產模式下直接和間接溫室氣體排放變化。直接溫室氣體排放主要包括CH4和N2O等(農業生產過程中CO2排放影響因素復雜，故一般不納入)；間接溫室氣體排放主要指農資物料投入，包括飼料、消毒、育苗、化肥、農藥、燃油和用電7大類(表1)。

表1 農田生產物料投入及溫室氣體排放系數

1.3 碳足跡計算

依據調查數據，不同生產模式碳排放主要包括作物生長季(水稻季和小麥季)直接溫室氣體排放和農資物料投入間接排放，其計算公式[25-26]為

(1)

式(1)中，Fa為單位面積上所產生的溫室氣體總和， kg·hm-2(以CO2當量計)；n為投入資源的種類數；m為某種投入資源的質量， kg·hm-2；f為某種投入資源的溫室氣體排放系數， kg·kg-1(以CO2當量計)，具體系數見表1。物料投入溫室氣體排放參數優先選取中國本土化最新參數，其來源主要為中國生命周期數據庫 (CLCD) 和中國本土學術論文，農藥(除草劑、殺蟲劑和滅菌劑)參數來源為歐洲Ecoinvent數據庫；FCH4為單位面積上CH4排放量， kg·hm-2(以CO2當量計)；FN2O為單位面積上N2O排放量，kg·hm-2(以CO2當量計)。

由于水稻收獲后采取排水曬田措施進行冬小麥生產或冬閑撂荒，在旱地條件下土壤CH4排放量很低，可以忽略不計[27]，因此稻田CH4排放主要計算水稻生長季溫室氣體CH4排放量。依據2006年IPCC國家溫室氣體清單，稻田CH4排放計算公式[28]為

FCH4=Fijk×tijk×25，

(2)

Fijk=Fc×Fw×Fp×Fo，

(3)

(4)

ROAi=Y×0.623×0.5×0.85×0.001。

(5)

式(2)～(5)中，FCH4為單位面積CH4排放量，kg·hm-2(以CO2當量計)；Fijk為在i、j、k條件下CH4日排放量，kg·hm-2·d-1(以CO2當量計)；tijk為在i、j、k條件下水稻生長季時間，d；i、j、k條件分別為不同生態系統、水分管理和有機物料添加情況；Fc為無有機物添加并持續淹水條件下稻田CH4排放基準，取值為1.3 kg·hm-2·d-1；Fw和Fp為生長季內和生長季前水分管理參數，調查中發現稻田基本采取前期淹水、中期曬田和后期復水管理方式，分別取值0.6和1.0[29]；Fo為有機物料添加參數；CFOAi為有機物料添加修正轉換因子，取值1.0；ROAi為有機物料添加率；Y為產量數據，kg·hm-2；0.623為谷草比；0.5為目前技術條件下秸稈還田比例；0.85為秸稈鮮重和干重的轉換比；0.001為單位換算因素，t·kg-1[29]。

由于農田N2O排放主要是由于氮肥輸入引起的，因此一般采用不同農田生態系統N肥N2O-N排放因子進行計算：

(6)

式(6)中，FN2O為水稻季或小麥季N2O溫室氣體排放，kg·hm-2(以CO2當量計)；Ninput為N肥施加量；?為N肥在不同種植條件下N2O-N直接排放系數，水稻季和小麥季取值分別為0.007 3和0.01；44/28為N2轉換為N2O系數；298為100 a尺度N2O增溫潛勢[28]。

單位產值碳足跡(Fv)和單位利潤碳足跡(Fp)計算公式如下：

Fv=Fa/V，

(7)

Fp=Fa/P。

(8)

式(7)～(8)中，Fa為單位面積碳足跡，kg·hm-2(以CO2當量計)；V和P為單位面積總產值和總利潤，元·hm-2。

1.4 數據處理

采用Excel 2010軟件對問卷調查數據進行整理、匯總和分析， 采用SPSS 19.0軟件進行方差分析，采用Origin 9.0軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同稻田生產模式碳足跡大小及構成分析

研究發現，碳足跡大小在不同稻田生產模式下具有顯著性差異(圖1)。單位面積碳足跡(Fa)表現為稻-麥(10 650 kg·hm-2)>稻-蝦(7 859 kg·hm-2)> 單季稻模式(5 483 kg·hm-2)(P< 0.05)。而單位產值碳足跡(Fv)表現為稻-蝦模式(0.11 kg·元-1)顯著低于稻-麥(0.31 kg·元-1)和單季稻模式(0.28 kg·元-1)。單位利潤碳足跡(Fp)表現為稻-麥(0.78 kg·元-1)> 單季稻(0.46 kg·元-1)> 稻-蝦模式(0.26 kg·元-1)(P<0.05)。

對不同稻田生產模式碳足跡的構成作進一步分析，結果表明稻田直接碳排放(CH4和N2O)和間接碳排放(農資物料投入)的大小和占比在不同生產模式下均產生顯著變化(表2)。與稻-麥相比，稻-蝦模式降低了直接碳排放(P< 0.05)和間接碳排放；與單季稻相比，稻-蝦模式顯著增加間接碳排放(P< 0.05)，但直接碳排放略有降低。稻-蝦模式下水稻CH4、N2O排放量和化肥、柴油、育苗等物料投入碳排放均顯著低于稻-麥模式，但與單季稻模式無顯著性差異。此外，稻-蝦模式顯著降低了農藥碳排放，但提高了用電碳排放(表2)。

對于碳足跡構成，單季稻和稻-蝦生產模式中水稻生長季CH4排放是碳排放最大貢獻來源；而在稻-麥生產模式下，盡管CH4排放仍是碳排放最大貢獻來源，但水稻季和小麥季N2O排放貢獻與CH4的排放貢獻幾乎相當(表2)。對于稻-蝦生產模式，間接碳足跡中以用電為主，占比為19.64%；其次為柴油、化肥和飼料，占比分別為10.12%、9.70%和8.36%；而消毒、育苗和農藥占比較小，分別為5.15%、1.71%和0.52%。在稻-麥生產模式下，間接碳足跡中化肥和柴油占比較高，為13.84%和13.66%；育苗、用電和農藥占比較少，分別為7.40%、5.70%和4.45%。而在單季稻生產模式下，柴油在間接碳足跡中占比最高，為13.81%；其次為化肥，占比為8.79%；用電、農藥和育苗占比較低，分別為6.46%、3.62%和1.08%。

表2 不同稻田生產模式下碳足跡構成及占比

2.2 稻-蝦種養模式碳足跡與產量和效益關系分析

研究發現，在稻-蝦生產模式下，隨著碳足跡的增加小龍蝦產量呈先增加后降低的拋物線型曲線變化趨勢(圖2)，當碳足跡為7 458 kg·hm-2時能夠獲得最大產量。相反，水稻產量與碳足跡大小呈顯著正相關性關系，隨著碳足跡的增加，水稻產量呈逐漸增加趨勢。此外，稻-蝦種養模式下單位面積產值和利潤與碳足跡同樣呈拋物線型曲線變化，隨碳足跡增加先升高后降低；在碳足跡分別為7 855和7 363 kg·hm-2條件下分別達到產值和利潤最大化。

2.3 稻-蝦種養模式下生產規模對碳足跡影響分析

研究表明，生產規模對稻-蝦種養模式碳足跡具有重要影響。無論是間接碳排放還是直接碳排放均表現為小規模和大規模低于中規模生產(表3)。對農資投入各項指標進行分析，結果表明中規模生產條件下，消毒、飼料、柴油、化肥和農藥等物料投入均高于小規模和大規模生產方式，其中消毒產品碳足跡顯著高于小規模和大規模種植，進而導致中規模總投入高于小規模和大規模(表3)。相反，從產出來看，中規模條件下小龍蝦產量和產值均低于小規模和大規模。綜合來看，中規模稻-蝦種養增加了單位面積碳足跡和單位產值碳足跡，但不顯著；而對于單位利潤碳足跡，中規模顯著高于小規模和大規模，分別提高150%和165%(P<0.05)。因此，小規模與大規模稻-蝦種養更加有利于增效減排。

表3 不同稻-蝦種養規模下養殖狀況和碳足跡對比分析

3 討論

3.1 生產模式對碳足跡大小和構成的影響

采用碳足跡理論系統分析了稻-蝦、稻-麥和單季稻3種生產模式碳足跡排放情況。其中，稻-麥模式下農資投入碳足跡為10 650 kg·hm-2，高于陳中督等[30]研究結果(7 729 kg·hm-2)，與YAN等[31]研究結果相近(9 900 kg·hm-2)。單季稻生產模式碳足跡為5 483 kg·hm-2，略低于JIANG等[32]研究結果(6 481 kg·hm-2)。這可能主要是因為不同研究之間調查對象、系統邊界和排放因子的差異。種植制度的多元化是我國農業的優良體現，有效保障了我國農業生產安全。農田種植制度或生產模式不僅受到自然區位的影響，同時也會受到市場需求和科技水平的影響。然而，不同生產模式下土地利用強度和物料投入的差異勢必會對農業資源的構成和分配產生巨大影響，從而影響碳足跡大小。

作為新型稻田綜合種養方式，稻-蝦模式的農資投入和生產管理有別于傳統稻-麥輪作和單季稻模式，其碳足跡大小和構成特征也發生了相應變化。由于要創造適宜小龍蝦生長和繁殖的環境，稻-蝦模式不僅增加了消毒產品和飼料產品，而且提高了對水分管理的要求。因此，與稻-麥和單季稻相比，稻-蝦模式下排灌用電碳排放得到顯著提高，為1 543 kg·hm-2，分別提高154%和336%。此外，新增加的消毒和飼料產品(1 063 kg·hm-2)也顯著促進了稻-蝦模式碳排放。但是，由于生產強度和生產資料的影響，稻-麥模式下化肥、柴油、育苗和農藥等物料投入碳排放均顯著高于稻-蝦和單季稻模式；3種生產模式下單位面積碳足跡表現為稻-麥>稻-蝦>單季稻模式(表2)。

總的來講，相較于傳統單季稻生產模式，稻-蝦模式并沒有顯著改變稻田直接碳排放(CH4和N2O)大小；而農資物料投入的增加顯著提高了稻田間接碳排放。但從經濟效益角度來看，由于小龍蝦產值和利潤較高，稻-蝦模式下單位產值和單位利潤碳足跡均顯著低于稻-麥和單季稻模式。因此，應該重點關注碳排放與經濟效益之間的權衡問題，尋求稻-蝦新型綜合種養的高效低碳策略更是該領域的重中之重。

3.2 稻-蝦種養模式高效低碳策略

研究發現，碳足跡大小與水稻產量呈正相關關系，這與前人研究結果[30]一致。但是，碳足跡與小龍蝦產量、產值和利潤呈先升高后降低的拋物線型曲線變化(圖2)。這說明在稻-蝦模式下單純提高系統碳足跡(物料投入)可以獲得水稻產量的提高，但并不能獲得小龍蝦產量和經濟效益的最大化。研究發現，碳足跡為7 458、7 855和7 363 kg·hm-2時能分別獲得產量、產值和利潤最大化(圖2)。

進一步分析表明，生產規模對稻-蝦模式碳足跡和經濟效益具有較大影響。單位面積、單位產值和單位利潤碳足跡均表現為小規模和大規模生產低于中等規模生產(表3)。研究表明，生產利潤最大化和生產風險最小化是農戶對新型農業種養方式采納的兩大基本目標和原則[33]。調查發現，小規模生產農戶平均年齡為54.45歲，顯著高于中規模農戶(45.29歲)和大規模農戶(40.50歲)。由于年齡較大，可承受生產風險較小，因此稻-蝦種養面積較小(平均3 hm2)且多采用精耕細作管理方式進行生產，飼料和消毒產品投入較低，而生產用電投入較高。由于精心管理，在小規模生產模式下產值和利潤均處于較高水平(表3)。中等規模種養農戶多追求以面積擴大來提高總利潤，希望通過增加消毒、飼料和化肥等投入提高產量，但多由于種養技術較弱、管理水平不高導致單位面積產值和收益降低。相反，大規模生產農戶年齡較小，知識水平較高，平均養殖面積為46.32 hm2，多為當地稻-蝦種養帶頭人，負責當地蝦苗生產和生產技術傳授等工作，具有豐富的稻-蝦種養經驗。大規模生產模式各項物料投入均衡合理，在降低投入的同時能夠獲得最高產值和利潤(表3)。因此，稻-蝦種養切忌盲目擴大生產，單純的物料投入增加并不能提高單位產值和利潤，應在充分掌握科學、高效綜合種養技術基礎上適當擴大種養面積。

此外，與單季稻相比，稻-蝦生產模式化肥使用量提高75.41%(表2)。同時不同生產規模下化肥碳排放表現為中規模>大規模>小規模。中規模稻-蝦養殖戶多期望通過增加化肥施加量來提高水稻產量，進而提高收益。而研究表明，稻-蝦共作有利于提高土壤表層養分含量和加速深層土壤養分釋放[34]，而適當減少化肥投入量并不會減產，反而能提高產品品質和經濟效益[35-36]。因此，在稻-蝦生產模式中采用科學施肥方法，減少化肥投入，不僅可以降低生產成本和碳排放，而且有利于產出和收益的提高。目前，關于稻-蝦種養研究主要停留在生產技術和經濟效益等方面，關于稻-蝦種養模式下溫室氣體排放特征、土壤營養元素轉化機理和最佳施肥、灌溉管理方式等方面鮮有涉及，今后應加強基礎理論方面研究，為進一步促進稻-蝦種養的低碳高效發展提供理論指導。

3.3 研究局限性

研究利用碳足跡理論系統分析了稻-蝦、稻-麥和單季稻3種不同稻田生產方式碳足跡大小及構成，但仍存在一定的局限性和不足：首先，受限于人力、物力，以農戶走訪調查問卷方式主要調查了江蘇泗洪、沛縣和湖北潛江、監利、洪湖等主要稻田-小龍蝦綜合種養地區，共收獲有效問卷64份，樣本數量較少。但調查地區為我國目前主要稻田-小龍蝦養殖區，稻-蝦種養模式下小龍蝦平均產量為1 751 kg·hm-2，與2018年當地平均產量(1 690 kg·hm-2)相近，但高于全國小龍蝦平均產量(1 412 kg·hm-2)[37]，說明江蘇與湖北的稻-蝦種養模式較為成熟，因此該研究對了解稻-蝦種養碳足跡概況具有較好的代表性。今后的研究應增加其他省份問卷調查，可以更加全面、詳細地分析我國稻-蝦種養碳足跡情況。其次，研究中農資投入碳排放參數優先選擇中國本土化參數，但由于參數的缺乏，部分參數選擇國外數據參數，所得結果與實際值具有一定差異。另外，該研究僅考慮了生產中機械燃油和電力等動力碳排放，沒有計算畜力和人力能源消耗，對碳排放實際值評估有所降低。對于稻-蝦種養模式下部分物料投入，如肥水產品(小球藻、肥水膏、光合細菌和腐殖酸)，首先缺乏物料具體碳排放系數。其次，該類型產品使用量很小，對稻-蝦種養系統影響很小。該研究中肥水膏、小球藻、光合細菌和腐殖酸投入量均值分別為81.20、4.50、41.30和12.20 kg·hm-2，遠低于其他具有肥水功能產品，如飼料(均值1 760 kg·hm-2)和有機肥(均值816 kg·hm-2)。因此，研究沒有計算該部分碳足跡，導致稻-蝦種養模式碳足跡估算與真實相比略有偏低，但對研究結果和結論無重要影響。最后，由于不同稻田生產方式和管理差異，該研究系統邊界定義為1 a，對稻田間接碳排放(農資投入)具有很好的評估效果；但由于受氣候條件、土壤條件、稻田管理措施等影響，直接碳排放(CH4和N2O)在不同稻田生產方式下與實際排放有所偏差，但趨勢基本一致。

4 結論

基于問卷調查，利用碳足跡理論對比分析稻-蝦(稻-蝦)種養模式與傳統稻-麥(稻-麥)輪作和單季稻(單季稻)模式的碳足跡大小及構成差異，并進一步分析和討論稻-蝦模式碳足跡的主要影響因素，得出以下結論：

(1)與傳統稻-麥和單季稻生產模式相比，稻-蝦生產模式碳足跡大小和構成發生顯著改變。不同模式下稻田單位面積碳足跡具體表現為稻-麥> 稻-蝦> 單季稻(P< 0.05)；但是，稻-蝦生產模式單位產值和單位利潤碳足跡顯著低于稻-麥和單季稻生產模式。因此，發展稻-蝦種養模式有助于稻田農業生產增收減排。

(2)稻-蝦模式碳足跡與小龍蝦產量、單位產值和單位利潤呈拋物線型變化趨勢，在碳足跡為7 458、7 855和7 363 kg·hm-2時能夠分別獲得產量、產值和利潤最大化。稻-蝦種養模式中物料投入的增加并不會一直提高產量和效益，過多的物料投入反而降低產量和效益。因此，適宜的物料投入可以實現減少碳排放和提高效益的雙贏目標。

(3)生產規模對稻-蝦碳足跡具有顯著影響，小規模(< 5 hm2)和大規模(> 20 hm2)生產有利于降低碳足跡、提高利潤。同時，減少施肥量和提高水分利用效率是降低其稻-蝦生產模式碳排放的重要途徑。