稻-虾(克氏原螯虾)综合种养模式的碳足迹分析

刘金根，杨 通，冯金飞

(1.苏州农业职业技术学院环境工程学院，江苏 苏州 215008；2.中国水稻研究所，浙江 杭州 310006)

自工业革命以来，人类活动导致的大气CO2、CH4和N2O浓度显著增加，由温室气体排放所导致的全球变暖效应正逐渐加剧[1]。农业生产是人类活动中重要的温室气体排放源，其温室气体排放占人为排放的12%[2]。减少农业温室气体排放，实行低碳、绿色生产是当前农业领域研究的热点问题。碳足迹(carbon footprint)是指某一产品、服务或活动在其生命周期内以CO2当量计算的直接或间接碳排放总量[3]。目前，碳足迹分析已经被广泛应用于我国农田碳排放评价系统中，众多学者分别从耕作方式[4-5]、种植制度[6-7]、水肥管理[8-9]和时空尺度[10-14]等方面对我国农田碳足迹开展了一系列研究。通过系统计算农业生产中直接或者间接碳排放，碳足迹方法能够用于有效分析农田碳足迹的产生和构成，从而为农田温室气体减排目标提供理论指导。

作为稻田综合种养的一种重要方式，稻田-克氏原螯虾(稻-虾)种养模式具有资源节约、稳粮增收的特点，近5 a来在全国范围内得到大面积推广应用。据统计，2019年全国稻-虾种养面积达110万hm2，小龙虾产量达177.25万t，占全国稻-渔综合种养总面积和总产量的60.46%和47.71%[15]。然而，目前关于稻-虾种养的研究主要集中在生产技术和经济效益等方面，鲜有研究从碳足迹角度对稻-虾种养模式进行碳排放分析。为此，笔者采用问卷调查法，对我国主要稻-虾种养大省(湖北省和江苏省)进行农户调查，系统分析稻-虾种养模式碳足迹构成及其影响因素，以期为稻-虾种养模式低碳生产提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 数据来源

以问卷调查方式，于2018年在江苏省和湖北省主要稻-虾种养地区对当地农户进行调查取样。调查内容主要包括稻田生产模式、生产规模、物料投入和农产品收益。其中生产模式主要分为稻-虾、稻-麦和单季稻3类。物料投入依据作用功能共分为7大类：饲料(主要包括商品饲料和粮食饲料)、消毒产品(主要包括石灰、改底、漂白粉、聚维酮碘和鱼药)、育苗(主要包括种子、农膜和秧盘)、化肥(主要包括N、P、K和有机肥)、农药(主要包括除草剂、杀虫剂和灭菌剂)、燃油(用于农业机械)和用电(用于灌溉和农业机械)，各物料投入产品碳排放系数见表1。农产品收益主要包括小龙虾、水稻产量和效益。共收到调查问卷66份，有效问卷64份，问卷合格率为97%。其中稻-虾种养模式问卷24份(江苏泗洪7份，江苏沛县5份，江苏浦口1份，湖北潜江5份，湖北监利3份，湖北洪湖3份)；稻-麦轮作模式问卷28份(江苏泗洪12份，江苏沛县8份，湖北襄阳2份，湖北枣阳2份，湖北随州4份)；单季稻生产模式12份(江苏浦口2份，江苏常州3份，江苏泰州2份，湖北潜江1份，湖北监利3份，湖北洪湖1份)。

1.2 研究边界

以1 a为研究界限，系统分析稻-虾、稻-麦和单季稻3种不同稻田生产模式下直接和间接温室气体排放变化。直接温室气体排放主要包括CH4和N2O等(农业生产过程中CO2排放影响因素复杂，故一般不纳入)；间接温室气体排放主要指农资物料投入，包括饲料、消毒、育苗、化肥、农药、燃油和用电7大类(表1)。

表1 农田生产物料投入及温室气体排放系数

1.3 碳足迹计算

依据调查数据，不同生产模式碳排放主要包括作物生长季(水稻季和小麦季)直接温室气体排放和农资物料投入间接排放，其计算公式[25-26]为

(1)

式(1)中，Fa为单位面积上所产生的温室气体总和， kg·hm-2(以CO2当量计)；n为投入资源的种类数；m为某种投入资源的质量， kg·hm-2；f为某种投入资源的温室气体排放系数， kg·kg-1(以CO2当量计)，具体系数见表1。物料投入温室气体排放参数优先选取中国本土化最新参数，其来源主要为中国生命周期数据库 (CLCD) 和中国本土学术论文，农药(除草剂、杀虫剂和灭菌剂)参数来源为欧洲Ecoinvent数据库；FCH4为单位面积上CH4排放量， kg·hm-2(以CO2当量计)；FN2O为单位面积上N2O排放量，kg·hm-2(以CO2当量计)。

由于水稻收获后采取排水晒田措施进行冬小麦生产或冬闲撂荒，在旱地条件下土壤CH4排放量很低，可以忽略不计[27]，因此稻田CH4排放主要计算水稻生长季温室气体CH4排放量。依据2006年IPCC国家温室气体清单，稻田CH4排放计算公式[28]为

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为单位面积CH4排放量，kg·hm-2(以CO2当量计)；Fijk为在i、j、k条件下CH4日排放量，kg·hm-2·d-1(以CO2当量计)；tijk为在i、j、k条件下水稻生长季时间，d；i、j、k条件分别为不同生态系统、水分管理和有机物料添加情况；Fc为无有机物添加并持续淹水条件下稻田CH4排放基准，取值为1.3 kg·hm-2·d-1；Fw和Fp为生长季内和生长季前水分管理参数，调查中发现稻田基本采取前期淹水、中期晒田和后期复水管理方式，分别取值0.6和1.0[29]；Fo为有机物料添加参数；CFOAi为有机物料添加修正转换因子，取值1.0；ROAi为有机物料添加率；Y为产量数据，kg·hm-2；0.623为谷草比；0.5为目前技术条件下秸秆还田比例；0.85为秸秆鲜重和干重的转换比；0.001为单位换算因素，t·kg-1[29]。

由于农田N2O排放主要是由于氮肥输入引起的，因此一般采用不同农田生态系统N肥N2O-N排放因子进行计算：

(6)

式(6)中，FN2O为水稻季或小麦季N2O温室气体排放，kg·hm-2(以CO2当量计)；Ninput为N肥施加量；∂为N肥在不同种植条件下N2O-N直接排放系数，水稻季和小麦季取值分别为0.007 3和0.01；44/28为N2转换为N2O系数；298为100 a尺度N2O增温潜势[28]。

单位产值碳足迹(Fv)和单位利润碳足迹(Fp)计算公式如下：

Fv=Fa/V，

(7)

Fp=Fa/P。

(8)

式(7)～(8)中，Fa为单位面积碳足迹，kg·hm-2(以CO2当量计)；V和P为单位面积总产值和总利润，元·hm-2。

1.4 数据处理

采用Excel 2010软件对问卷调查数据进行整理、汇总和分析， 采用SPSS 19.0软件进行方差分析，采用Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同稻田生产模式碳足迹大小及构成分析

研究发现，碳足迹大小在不同稻田生产模式下具有显著性差异(图1)。单位面积碳足迹(Fa)表现为稻-麦(10 650 kg·hm-2)>稻-虾(7 859 kg·hm-2)> 单季稻模式(5 483 kg·hm-2)(P< 0.05)。而单位产值碳足迹(Fv)表现为稻-虾模式(0.11 kg·元-1)显著低于稻-麦(0.31 kg·元-1)和单季稻模式(0.28 kg·元-1)。单位利润碳足迹(Fp)表现为稻-麦(0.78 kg·元-1)> 单季稻(0.46 kg·元-1)> 稻-虾模式(0.26 kg·元-1)(P<0.05)。

对不同稻田生产模式碳足迹的构成作进一步分析，结果表明稻田直接碳排放(CH4和N2O)和间接碳排放(农资物料投入)的大小和占比在不同生产模式下均产生显著变化(表2)。与稻-麦相比，稻-虾模式降低了直接碳排放(P< 0.05)和间接碳排放；与单季稻相比，稻-虾模式显著增加间接碳排放(P< 0.05)，但直接碳排放略有降低。稻-虾模式下水稻CH4、N2O排放量和化肥、柴油、育苗等物料投入碳排放均显著低于稻-麦模式，但与单季稻模式无显著性差异。此外，稻-虾模式显著降低了农药碳排放，但提高了用电碳排放(表2)。

对于碳足迹构成，单季稻和稻-虾生产模式中水稻生长季CH4排放是碳排放最大贡献来源；而在稻-麦生产模式下，尽管CH4排放仍是碳排放最大贡献来源，但水稻季和小麦季N2O排放贡献与CH4的排放贡献几乎相当(表2)。对于稻-虾生产模式，间接碳足迹中以用电为主，占比为19.64%；其次为柴油、化肥和饲料，占比分别为10.12%、9.70%和8.36%；而消毒、育苗和农药占比较小，分别为5.15%、1.71%和0.52%。在稻-麦生产模式下，间接碳足迹中化肥和柴油占比较高，为13.84%和13.66%；育苗、用电和农药占比较少，分别为7.40%、5.70%和4.45%。而在单季稻生产模式下，柴油在间接碳足迹中占比最高，为13.81%；其次为化肥，占比为8.79%；用电、农药和育苗占比较低，分别为6.46%、3.62%和1.08%。

表2 不同稻田生产模式下碳足迹构成及占比

2.2 稻-虾种养模式碳足迹与产量和效益关系分析

研究发现，在稻-虾生产模式下，随着碳足迹的增加小龙虾产量呈先增加后降低的抛物线型曲线变化趋势(图2)，当碳足迹为7 458 kg·hm-2时能够获得最大产量。相反，水稻产量与碳足迹大小呈显著正相关性关系，随着碳足迹的增加，水稻产量呈逐渐增加趋势。此外，稻-虾种养模式下单位面积产值和利润与碳足迹同样呈抛物线型曲线变化，随碳足迹增加先升高后降低；在碳足迹分别为7 855和7 363 kg·hm-2条件下分别达到产值和利润最大化。

2.3 稻-虾种养模式下生产规模对碳足迹影响分析

研究表明，生产规模对稻-虾种养模式碳足迹具有重要影响。无论是间接碳排放还是直接碳排放均表现为小规模和大规模低于中规模生产(表3)。对农资投入各项指标进行分析，结果表明中规模生产条件下，消毒、饲料、柴油、化肥和农药等物料投入均高于小规模和大规模生产方式，其中消毒产品碳足迹显著高于小规模和大规模种植，进而导致中规模总投入高于小规模和大规模(表3)。相反，从产出来看，中规模条件下小龙虾产量和产值均低于小规模和大规模。综合来看，中规模稻-虾种养增加了单位面积碳足迹和单位产值碳足迹，但不显著；而对于单位利润碳足迹，中规模显著高于小规模和大规模，分别提高150%和165%(P<0.05)。因此，小规模与大规模稻-虾种养更加有利于增效减排。

表3 不同稻-虾种养规模下养殖状况和碳足迹对比分析

3 讨论

3.1 生产模式对碳足迹大小和构成的影响

采用碳足迹理论系统分析了稻-虾、稻-麦和单季稻3种生产模式碳足迹排放情况。其中，稻-麦模式下农资投入碳足迹为10 650 kg·hm-2，高于陈中督等[30]研究结果(7 729 kg·hm-2)，与YAN等[31]研究结果相近(9 900 kg·hm-2)。单季稻生产模式碳足迹为5 483 kg·hm-2，略低于JIANG等[32]研究结果(6 481 kg·hm-2)。这可能主要是因为不同研究之间调查对象、系统边界和排放因子的差异。种植制度的多元化是我国农业的优良体现，有效保障了我国农业生产安全。农田种植制度或生产模式不仅受到自然区位的影响，同时也会受到市场需求和科技水平的影响。然而，不同生产模式下土地利用强度和物料投入的差异势必会对农业资源的构成和分配产生巨大影响，从而影响碳足迹大小。

作为新型稻田综合种养方式，稻-虾模式的农资投入和生产管理有别于传统稻-麦轮作和单季稻模式，其碳足迹大小和构成特征也发生了相应变化。由于要创造适宜小龙虾生长和繁殖的环境，稻-虾模式不仅增加了消毒产品和饲料产品，而且提高了对水分管理的要求。因此，与稻-麦和单季稻相比，稻-虾模式下排灌用电碳排放得到显著提高，为1 543 kg·hm-2，分别提高154%和336%。此外，新增加的消毒和饲料产品(1 063 kg·hm-2)也显著促进了稻-虾模式碳排放。但是，由于生产强度和生产资料的影响，稻-麦模式下化肥、柴油、育苗和农药等物料投入碳排放均显著高于稻-虾和单季稻模式；3种生产模式下单位面积碳足迹表现为稻-麦>稻-虾>单季稻模式(表2)。

总的来讲，相较于传统单季稻生产模式，稻-虾模式并没有显著改变稻田直接碳排放(CH4和N2O)大小；而农资物料投入的增加显著提高了稻田间接碳排放。但从经济效益角度来看，由于小龙虾产值和利润较高，稻-虾模式下单位产值和单位利润碳足迹均显著低于稻-麦和单季稻模式。因此，应该重点关注碳排放与经济效益之间的权衡问题，寻求稻-虾新型综合种养的高效低碳策略更是该领域的重中之重。

3.2 稻-虾种养模式高效低碳策略

研究发现，碳足迹大小与水稻产量呈正相关关系，这与前人研究结果[30]一致。但是，碳足迹与小龙虾产量、产值和利润呈先升高后降低的抛物线型曲线变化(图2)。这说明在稻-虾模式下单纯提高系统碳足迹(物料投入)可以获得水稻产量的提高，但并不能获得小龙虾产量和经济效益的最大化。研究发现，碳足迹为7 458、7 855和7 363 kg·hm-2时能分别获得产量、产值和利润最大化(图2)。

进一步分析表明，生产规模对稻-虾模式碳足迹和经济效益具有较大影响。单位面积、单位产值和单位利润碳足迹均表现为小规模和大规模生产低于中等规模生产(表3)。研究表明，生产利润最大化和生产风险最小化是农户对新型农业种养方式采纳的两大基本目标和原则[33]。调查发现，小规模生产农户平均年龄为54.45岁，显著高于中规模农户(45.29岁)和大规模农户(40.50岁)。由于年龄较大，可承受生产风险较小，因此稻-虾种养面积较小(平均3 hm2)且多采用精耕细作管理方式进行生产，饲料和消毒产品投入较低，而生产用电投入较高。由于精心管理，在小规模生产模式下产值和利润均处于较高水平(表3)。中等规模种养农户多追求以面积扩大来提高总利润，希望通过增加消毒、饲料和化肥等投入提高产量，但多由于种养技术较弱、管理水平不高导致单位面积产值和收益降低。相反，大规模生产农户年龄较小，知识水平较高，平均养殖面积为46.32 hm2，多为当地稻-虾种养带头人，负责当地虾苗生产和生产技术传授等工作，具有丰富的稻-虾种养经验。大规模生产模式各项物料投入均衡合理，在降低投入的同时能够获得最高产值和利润(表3)。因此，稻-虾种养切忌盲目扩大生产，单纯的物料投入增加并不能提高单位产值和利润，应在充分掌握科学、高效综合种养技术基础上适当扩大种养面积。

此外，与单季稻相比，稻-虾生产模式化肥使用量提高75.41%(表2)。同时不同生产规模下化肥碳排放表现为中规模>大规模>小规模。中规模稻-虾养殖户多期望通过增加化肥施加量来提高水稻产量，进而提高收益。而研究表明，稻-虾共作有利于提高土壤表层养分含量和加速深层土壤养分释放[34]，而适当减少化肥投入量并不会减产，反而能提高产品品质和经济效益[35-36]。因此，在稻-虾生产模式中采用科学施肥方法，减少化肥投入，不仅可以降低生产成本和碳排放，而且有利于产出和收益的提高。目前，关于稻-虾种养研究主要停留在生产技术和经济效益等方面，关于稻-虾种养模式下温室气体排放特征、土壤营养元素转化机理和最佳施肥、灌溉管理方式等方面鲜有涉及，今后应加强基础理论方面研究，为进一步促进稻-虾种养的低碳高效发展提供理论指导。

3.3 研究局限性

研究利用碳足迹理论系统分析了稻-虾、稻-麦和单季稻3种不同稻田生产方式碳足迹大小及构成，但仍存在一定的局限性和不足：首先，受限于人力、物力，以农户走访调查问卷方式主要调查了江苏泗洪、沛县和湖北潜江、监利、洪湖等主要稻田-小龙虾综合种养地区，共收获有效问卷64份，样本数量较少。但调查地区为我国目前主要稻田-小龙虾养殖区，稻-虾种养模式下小龙虾平均产量为1 751 kg·hm-2，与2018年当地平均产量(1 690 kg·hm-2)相近，但高于全国小龙虾平均产量(1 412 kg·hm-2)[37]，说明江苏与湖北的稻-虾种养模式较为成熟，因此该研究对了解稻-虾种养碳足迹概况具有较好的代表性。今后的研究应增加其他省份问卷调查，可以更加全面、详细地分析我国稻-虾种养碳足迹情况。其次，研究中农资投入碳排放参数优先选择中国本土化参数，但由于参数的缺乏，部分参数选择国外数据参数，所得结果与实际值具有一定差异。另外，该研究仅考虑了生产中机械燃油和电力等动力碳排放，没有计算畜力和人力能源消耗，对碳排放实际值评估有所降低。对于稻-虾种养模式下部分物料投入，如肥水产品(小球藻、肥水膏、光合细菌和腐殖酸)，首先缺乏物料具体碳排放系数。其次，该类型产品使用量很小，对稻-虾种养系统影响很小。该研究中肥水膏、小球藻、光合细菌和腐殖酸投入量均值分别为81.20、4.50、41.30和12.20 kg·hm-2，远低于其他具有肥水功能产品，如饲料(均值1 760 kg·hm-2)和有机肥(均值816 kg·hm-2)。因此，研究没有计算该部分碳足迹，导致稻-虾种养模式碳足迹估算与真实相比略有偏低，但对研究结果和结论无重要影响。最后，由于不同稻田生产方式和管理差异，该研究系统边界定义为1 a，对稻田间接碳排放(农资投入)具有很好的评估效果；但由于受气候条件、土壤条件、稻田管理措施等影响，直接碳排放(CH4和N2O)在不同稻田生产方式下与实际排放有所偏差，但趋势基本一致。

4 结论

基于问卷调查，利用碳足迹理论对比分析稻-虾(稻-虾)种养模式与传统稻-麦(稻-麦)轮作和单季稻(单季稻)模式的碳足迹大小及构成差异，并进一步分析和讨论稻-虾模式碳足迹的主要影响因素，得出以下结论：

(1)与传统稻-麦和单季稻生产模式相比，稻-虾生产模式碳足迹大小和构成发生显著改变。不同模式下稻田单位面积碳足迹具体表现为稻-麦> 稻-虾> 单季稻(P< 0.05)；但是，稻-虾生产模式单位产值和单位利润碳足迹显著低于稻-麦和单季稻生产模式。因此，发展稻-虾种养模式有助于稻田农业生产增收减排。

(2)稻-虾模式碳足迹与小龙虾产量、单位产值和单位利润呈抛物线型变化趋势，在碳足迹为7 458、7 855和7 363 kg·hm-2时能够分别获得产量、产值和利润最大化。稻-虾种养模式中物料投入的增加并不会一直提高产量和效益，过多的物料投入反而降低产量和效益。因此，适宜的物料投入可以实现减少碳排放和提高效益的双赢目标。

(3)生产规模对稻-虾碳足迹具有显著影响，小规模(< 5 hm2)和大规模(> 20 hm2)生产有利于降低碳足迹、提高利润。同时，减少施肥量和提高水分利用效率是降低其稻-虾生产模式碳排放的重要途径。