基于碳足迹的传统农业系统环境影响评价——以青田稻鱼共生系统为例

崔文超,焦雯珺,闵庆文,吴敏芳,孙业红

1 中国科学院地理科学与资源研究所, 北京 100101 2 中国科学院大学, 北京 100049 3 青田县农作物管理站, 丽水 323900 4 北京联合大学旅游学院, 北京 100101

现代农业以消耗大量资源和能源为基础,在带来粮食高产的同时也造成了生态系统退化、环境污染等生态环境问题的日益加剧,促使人类社会开始反思农业发展的模式和技术[1-2]。与之相比,传统农业通过长期的农业生产实践,实现了农业生态系统各种要素的优化组合,维持了农业生态系统的动态平衡,并促进了农业生态系统中物质能量的良性循环,体现了独特的动态保护思想以及农业可持续发展的理念[3-4]。为了保护具有全球重要性的传统农业系统,联合国粮食及农业组织于2002年发起了“全球重要农业文化遗产(Globally Important Agricultural Heritage Systems, GIAHS)”保护倡议。截至2020年1月,全球共有21个国家的58个传统农业系统被认定为全球重要农业文化遗产；中国有15项全球重要农业文化遗产,位居各国之首。

这些传统农业系统由农民世代传承并不断发展而来,不仅具有显著的经济、社会和文化价值[5],而且具有生物多样性保护[6]、土壤改良[7]、温室气体减排[8]、病虫草害控制[9]等多种生态功能。在全球气候变化背景下,传统农业系统在固碳减排方面所发挥的作用,对于应对气候变化、保障粮食安全、促进经济社会可持续发展均具有重要意义[5]。然而,目前的研究多侧重传统农业生产过程中温室气体排放量的测算[10-12],并没有从整个生产周期的角度出发对传统农业系统的固碳减排能力进行测算,更没有对其在固碳减排方面所产生的环境影响进行评价。

碳足迹(Carbon Footprint)是对某一活动引起的或某一产品生命周期内积累的直接和间接的温室气体排放总量,以CO2排放当量(CO2-eq)表示[13-14]。具体到农业生产系统,碳足迹由农业生产资料投入引起的间接温室气体排放和农业生产过程引起的直接温室气体排放两部分组成[15]。生命周期评价(Life Cycle Assessment)是评价某生产过程或活动整个生命周期内的环境负荷的一种工具[16]。基于生命周期评价的碳足迹能够量化农业生产系统的温室气体排放量,从而揭示农业生产活动及管理实践的环境影响,在大尺度农业生产[17-18]、某一农作物生产[19-21]、不同田间管理措施[22]等的环境影响评价上均得到应用。

为了揭示传统农业系统固碳减排能力的环境影响,本文以全球重要农业文化遗产地浙江省青田县龙现村为研究区,采用生命周期评价法对区内稻鱼共生系统和水稻单作系统的碳足迹进行量化,通过对比分析揭示青田稻鱼共生系统的固碳减排能力及其环境影响,以期为基于碳足迹的传统农业系统环境影响评价提供理论方法。

1 研究区概况

青田县地处浙江东南部,瓯江流域的中下游,1300多年来当地农民一直保持着稻田养鱼的传统农业生产方式。稻田养鱼即稻鱼共生,通过利用水稻与田鱼之间的互生互惠关系,既能使水稻丰产,又能收获田鱼,还有效地保护了农田生态环境,同时实现了经济、社会和生态效益[23]。2005年6月,联合国粮食及农业组织将“青田稻鱼共生系统”认定为首批全球重要农业文化遗产。

青田田鱼属鲤科,学名“瓯江彩鲤”,俗称“田鱼”[24]。当地农民通常在水稻移栽4天左右将鱼苗放入田里,水稻收割前约1个月收获田鱼,从鱼苗到可食用或可出售的田鱼一般需要2年。田鱼吃食杂草、觅食害虫,减少水稻病虫害的发生,觅食时搅动水体,不但可以改善田间通风透气状况,而且可以增加水体的溶氧,促进水稻生长[25]；稻田为田鱼的生长、发育、觅食、栖息提供了良好的生态环境,稻花以及稻田内丰富的水生生物可以为田鱼提供饵料[26]。受到现代化生产技术的影响,如今部分农民也会施用适量化肥和有机肥、使用环保型低浓度农药、投喂饲料以及利用小型机械,来提高稻田中水稻和田鱼的产量。

龙现村位于青田县城东南部的方山乡,是全球重要农业文化遗产青田稻鱼共生系统的核心保护区。全村华侨数量800多人,侨居世界30多个国家。2019年,龙现村户籍人口为1560人,常住人口却仅为160人,其中从事农业生产的有39户、约60人,平均年龄在60岁左右。受到青壮年劳动力力流失、白鹭捕食田鱼造成减产等影响,一些农民转而进行水稻单一种植,使得当地出现稻鱼共生和水稻单作两种生产模式。

2 研究方法与数据来源

2.1 研究方法

稻鱼共生系统的生命周期从水稻播种开始,以水稻收获结束。在这一生命周期内,碳足迹主要由农业生产资料投入引起的间接温室气体排放和农业生产过程中引起的直接温室气体排放两部分构成(图1)。其中,农业生产资料投入主要包括化肥、有机肥、农药、饲料、燃料等,农业生产过程中所产生的直接温室气体主要是指稻田排放的CH4和N2O。

图1 稻鱼共生系统碳足迹核算边界 Fig.1 Carbon footprint accounting boundary of rice-fish culture system

相对于稻鱼共生系统,水稻单作系统在农业生产资料中没有饲料的投入,在生产过程中则因稻田中无鱼而在稻田CH4和N2O排放上存在差异。

2.1.1农资投入温室气体排放计算

农业生产资料投入产生的温室气体排放(Carbon footprint of agricultural inputs,CFinput)计算公式为：

(1)

式中,CFinput是农业生产资料投入产生的温室气体排放量(kgCO2-eq/hm2),n为农业生产资料投入的种类,δi表示第i种农业生产资料的投入量(kg/hm2),mi表示第i种农业生产资料的温室气体排放因子(kgCO2-eq/kg)。

当地农民在稻田中投放的饲料以小麦、玉米为主,施用的化肥以氮肥、复合肥为主,耕地、收割、打谷过程中使用机器以消耗汽油为主。因此,对于稻鱼共生系统,农业生产资料投入主要考虑了氮肥、复合肥、农药、小麦饲料、玉米饲料和汽油6种；对于水稻单作系统,则主要考虑了氮肥、复合肥、农药和汽油4种。由于有机肥难以进行相关排放因子的量化,故在本研究中暂未考虑。

2.1.2生产过程温室气体排放计算

生产过程温室气体排放(Carbon footprint in the field,CFfield)计算公式为：

CFfield=CFN2O+CFCH4

(2)

式中,CFfield是生产过程温室气体排放量(kgCO2-eq/hm2),CFN2O(Carbon footprint of N2O)是稻田积累的N2O的CO2排放当量(kgCO2-eq/hm2),CFCH4(Carbon footprint of CH4)是稻田积累的CH4的CO2排放当量(kgCO2-eq/hm2)。

IPCC报告显示,N2O是影响全球气候的主要温室气体之一,单位质量的N2O的全球增温趋势是CO2的265倍[27]。本研究仅考虑了由于施用氮肥造成的N2O排放,其他原因造成的N2O排放暂未考虑。因此,稻田积累的N2O的CO2排放当量(CFN2O)的计算公式可表示为：

(3)

式中,CFN2O是稻田积累的N2O的CO2排放当量(kgCO2-eq/hm2),N是施用化肥中氮的折纯量(kgN/hm2),a是N投入引起的N2O排放的排放因子,取值为0.003 kgN2O-N/kgN[28]。

袁伟玲等[11]在2006—2007年进行了连续两年的对照实验,研究表明稻鱼共生能有效抑制稻田CH4排放并显著降低其温室效应。根据该研究结论,本文选取2年实验结果的平均值作为稻田积累的CH4的CO2排放当量,稻鱼共生系统和水稻单作系统分别为4024.5 kgCO2-eq/hm2和5035.8 kgCO2-eq/hm2。

2.1.3农业生产碳足迹计算

农业生产碳足迹(Carbon footprint of agriculture,CFagriculture)计算公式可表示为：

CFagriculture=CFinput+CFfield

(4)

式中,CFagriculture为农业生产碳足迹(kgCO2-eq/hm2),CFinput为农业生产资料投入的间接温室气体排放量 (kgCO2-eq/hm2),CFfield为农业生产过程温室气体排放量(kgCO2-eq/hm2)。

2.1.4单位产值碳足迹计算

为了对经济效益和环境效益进行综合评价,本文还计算了单位农业产值碳足迹(Carbon footprint of agricultural output,CFoutput),计算公式可表示为：

CFoutput=CFagriculture/P

(5)

式中,CFoutput为单位农业产值碳足迹(kgCO2-eq/元),CFagriculture为农业生产碳足迹(kgCO2-eq/hm2),P为单位面积的农业产值(元/hm2)。

2.2 数据来源

研究团队于2019年7月在浙江省青田县龙现村开展实地调研,针对从事农业生产的39户农户进行问卷调查和深度访谈。调查采用封闭式问卷结构,内容涉及土地利用、生产方式、投入产出、劳动力结构、经济收入等方面,共发放问卷36份,回收36份,其中有效问卷35份,占当地从事农业生产农户总数的90%。利用EXCEL 2016和SPSS Statistics软件对数据进行统计分析,得到农业生产资料投入量、水稻和田鱼产量、农业产值等统计值。

各项农资投入的温室气体排放因子主要源于中国生命周期数据库CLCD 0.7、Ecoinvent 2.2数据库和相关研究结果(表1)。

表1 各项农资投入的温室气体排放因子

3 结果与分析

3.1 农业生产方式与生产资料投入

在调研的39户农户中,有2户只种植水稻,有3户既有水稻单作又有稻田养鱼,其余均只进行稻田养鱼。稻田养鱼总面积为11.2 hm2,水稻单作总面积为2.3 hm2,分别占稻田总面积的83%和17%。稻鱼共生系统和水稻单作系统的农资投入情况见表2。

表2 不同生产方式农资投入情况/(kg/hm2)

从表2中可以看出,稻鱼共生系统的氮肥和复合肥施用量均明显低于水稻单作系统,仅为水稻单作系统氮肥和复合肥施用量的60%和70%。就施肥结构而言,在稻鱼共生系统和水稻单作系统中复合肥的施用量均高于氮肥,但是稻鱼共生系统的复合肥比例(78%)略高于水稻单作系统(75%)。

除了化肥投入,稻鱼共生系统的农药投入也低于水稻单作系统,约为水稻单作系统的84%。相比之下,稻鱼共生系统的汽油投入却高出水稻单作系统的20%,这主要是因为稻鱼共生农户在收获田鱼时也需要进行运输,对汽油的消耗高于水稻单作农户。在农资投入中最大的差异莫过于饲料投入,小麦饲料(220.4 kg/hm2)和玉米饲料(336.1 kg/hm2)的投入对稻鱼共生系统的农资投入温室气体排放具有重要影响。

3.2 农资投入温室气体排放

利用公式(1)计算得到稻鱼共生系统和水稻单作系统的农资投入温室气体排放(表3)。从表3中可以看出,稻鱼共生系统的农资投入温室气体排放量为2058.9 kgCO2-eq/hm2,低于水稻单作系统(2200.4 kgCO2-eq/hm2)。就具体农业生产资料投入而言,稻鱼共生系统的化肥投入温室气体排放量明显低于水稻单作系统,仅为水稻单作系统的68%；农药投入温室气体排放量为43.2 kgCO2-eq/hm2,略低于水稻单作系统(51.5 kgCO2-eq/hm2)；燃料投入温室气体排放量高出水稻单作系统的20%；饲料投入温室气体排放量则高达488.1 kgCO2-eq/hm2。这与农业生产资料投入分析呈现出类似的规律。

表3 不同生产方式农资投入温室气体排放量/(kgCO2-eq/hm2)

化肥投入温室气体排放是农资投入温室气体排放的重要组成,在稻鱼共生系统中占比为68%,而在水稻单作系统中占比高达93%(图2)。其中,氮肥和复合肥投入温室气体排放量在稻鱼共生系统分别占到14%和54%,在水稻单作系统中则为21%和72%。可见,化肥投入对于农资投入温室气体排放具有重要作用。农药、燃料占比不高,在稻鱼共生系统中为2%和6%,在水稻单作系统中为2%和5%,差异不大。饲料投入占比24%,对于稻鱼共生系统的农资投入CO2排放具有重要影响。

图2 稻鱼共生系统和水稻单作系统农资投入温室气体排放比例Fig.2 Proportion of GHG emissions from agricultural production inputs of rice-fish culture system and rice monoculture system

3.3 生产过程温室气体排放

利用公式(2)和(3)计算得到稻鱼共生系统和水稻单作系统的生产过程温室气体排放(表4)。从表4中可以看出,稻鱼共生系统生产过程温室气体排放量为4207.8 kgCO2-eq/hm2,明显低于水稻单作系统(5319.6 kgCO2-eq/hm2)。不论是稻田排放N2O的CO2排放当量还是稻田排放CH4的CO2排放当量,稻鱼共生系统均低于水稻单作系统。

表4 不同生产方式生产过程温室气体排放量/(kgCO2-eq/hm2)

造成这种差异的原因,一方面是稻田排放N2O的CO2排放当量与化肥的施用量密切相关,而农资投入分析表明稻鱼共生系统的化肥施用量仅为水稻单作系统的68%,另一方面,稻田排放CH4的CO2排放当量来自袁伟玲等[11]的实验结果。研究表明,稻鱼共生系统中由于鱼的活动,增加了稻田土壤气体的交换,增强了CH4通过水体扩散外排的途径,因此稻鱼共生系统CH4的CO2排放当量低于水稻单作系统。

就构成而言,CH4的CO2排放当量占比较大,在稻鱼共生系统和水稻单作系统中分别占比96%和95%,对生产过程温室气体排放有主要贡献；N2O的CO2排放当量则占比较少,在稻鱼共生系统和水稻单作系统中仅占4%和6%,对生产过程温室气体排放的贡献远远低于CH4的CO2排放当量。

3.4 碳足迹分析

利用公式(4)计算得到稻鱼共生系统和水稻单作系统碳足迹(表5)。稻鱼共生系统碳足迹为6266.7 kgCO2-eq/hm2,低于水稻单作系统(7520.0 kgCO2-eq/hm2),这说明相对于水稻单作系统稻鱼共生系统环境影响更小,具有较好的环境效益。与王兴等[15]对中国水稻生产的碳足迹的研究结果相比,研究区稻鱼共生系统碳足迹(6266.7 kgCO2-eq/hm2)低于浙江省2004—2014年水稻生产的年均碳足迹(6627.6 kgCO2-eq/hm2),但高于全国水稻生产年均碳足迹(5804.9 kgCO2-eq/hm2),研究区水稻单作系统碳足迹同时超过了全国和浙江省的平均水平。

表5 不同生产方式碳足迹/(kgCO2-eq/hm2)

农业生产碳足迹的核算受到很多因素的影响,如数据来源、核算内容、核算方法等,因此研究结果之间的可比性受到一定影响。尽管如此,从比较结果依然可以看出,稻鱼共生系统的碳足迹并不低,主要原因在于白鹭的捕食增多,导致稻鱼共生系统自然生态协调机制受到干扰,这使得农户不得不增加肥料投入和饲料投入。

在稻鱼共生系统碳足迹中,生产过程温室气体排放与农资投入温室气体排放的贡献比约为2∶1；而在水稻单作系统中,生产过程温室气体排放所占比例超过70%,农资投入温室气体排放所占比例不足30%(图3)。就具体构成而言,农业生产过程积累的CH4和化肥投入在稻鱼共生系统碳足迹中的比重最大,分别占比64%和22%,水稻单作系统碳足迹也表现出相似的规律。不同的是,稻鱼共生系统中饲料投入引起的温室气体排放量在碳足迹中占比达8%,成为稻鱼共生系统碳足迹的重要组成。

图3 稻鱼共生系统和水稻单作系统碳足迹构成 Fig.3 Composition of carbon footprint of rice-fish culture system and rice monoculture system

3.5 单位产值碳足迹

运用市场价格法,对稻鱼共生系统和水稻单作系统单位面积经济价值进行了计算。2018年当地稻谷市场平均价格为3.0 元/kg,当地田鱼价格为100.0 元/kg,根据公式(5)可以计算出青田稻鱼共生系统和水稻单作系统单位产值碳足迹(表6)。

表6 稻鱼共生系统和水稻单作系统单位产值碳足迹

稻鱼共生系统的水稻单位面积产量比水稻单作系统低43%,因此稻鱼共生系统水稻单位面积产值较低。然而,稻鱼共生系统中田鱼产量为318.3 kg/hm2,为稻鱼共生系统增加产值31830.0 元/hm2。由于额外增加了鱼的经济收入,稻鱼共生系统单位面积产值(52323.6 元/hm2)比水稻单作系统(36225.0 元/hm2)高出44%。

从表6可以看出,稻鱼共生系统单位产值碳足迹为0.12 kgCO2-eq/元,低于水稻单作系统(0.21 kgCO2-eq/元),这说明稻鱼共生系统不仅产值更高,而且单位产值温室气体排放更少。可见,相对于水稻单作系统,稻鱼共生系统具有更高的经济效益和生态效益。

4 结论

本研究通过浙江省青田县龙现村的农户调查数据,利用生命周期评价法对稻鱼共生和水稻单作两种生产方式的碳足迹进行了核算。研究发现,稻鱼共生系统碳足迹为6266.7 kgCO2-eq/hm2,单位产值碳足迹为0.12 kgCO2-eq/元,水稻单作系统碳足迹为7520.0 kgCO2-eq/hm2,单位产值碳足迹为0.21 kgCO2-eq/元。与水稻单作系统相比,稻鱼共生系统排放的温室气体更少,环境影响更小,生态和经济效益更高。

农业生产过程积累的CH4是碳足迹的主要来源,在稻鱼共生系统和水稻单作系统的碳足迹中分别占比64%和67%。农资投入中的化肥投入是碳足迹的第二来源,在稻鱼共生系统和水稻单作系统的碳足迹中分别占比22%和27%。农资投入中的饲料投入是稻鱼共生系统碳足迹的另一重要来源,所占比例高达8%。尽管稻鱼共生系统的温室气体排放比水稻单作系统低,然而与相关研究结果的比较反映出稻鱼共生系统由于肥料和饲料投入的增加正面临着生态环境风险的增加,不得不引起重视。

本文的创新点在于从农户实地调研数据入手进行碳足迹分析,从而更为真实和有效地反映当地农业生产系统对环境产生的影响。农户调研数据也为研究农户行为对于碳足迹的影响提供了基础,这也成为未来的研究方向。另一方面,通过碳足迹的方法对青田稻鱼共生系统的环境影响进行量化,丰富了碳足迹在实际应用中的适用类型,对于其他传统农业系统的环境影响评价也具有借鉴意义。

尽管如此,利用碳足迹方法评估农业生产的环境影响仍然存在局限性。首先,农业生产资料投入品的实际情况存在差异,使用数据库或国外的参考数据会使核算结果产生一定偏差。再者,人力、畜力、土壤碳变化等也需要考虑,但是具体应用时往往会受到实际情况的限制[33]。另外,CH4和N2O排放量的核算很难做到准确,即使以某一可靠实验数据作为标准,也会因实际差异导致结果出现偏差。