基于碳足跡的傳統農業系統環境影響評價
——以青田稻魚共生系統為例

崔文超,焦雯珺,閔慶文,吳敏芳,孫業紅

1 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049 3 青田縣農作物管理站, 麗水 323900 4 北京聯合大學旅游學院, 北京 100101

現代農業以消耗大量資源和能源為基礎,在帶來糧食高產的同時也造成了生態系統退化、環境污染等生態環境問題的日益加劇,促使人類社會開始反思農業發展的模式和技術[1-2]。與之相比,傳統農業通過長期的農業生產實踐,實現了農業生態系統各種要素的優化組合,維持了農業生態系統的動態平衡,并促進了農業生態系統中物質能量的良性循環,體現了獨特的動態保護思想以及農業可持續發展的理念[3-4]。為了保護具有全球重要性的傳統農業系統,聯合國糧食及農業組織于2002年發起了“全球重要農業文化遺產(Globally Important Agricultural Heritage Systems, GIAHS)”保護倡議。截至2020年1月,全球共有21個國家的58個傳統農業系統被認定為全球重要農業文化遺產；中國有15項全球重要農業文化遺產,位居各國之首。

這些傳統農業系統由農民世代傳承并不斷發展而來,不僅具有顯著的經濟、社會和文化價值[5],而且具有生物多樣性保護[6]、土壤改良[7]、溫室氣體減排[8]、病蟲草害控制[9]等多種生態功能。在全球氣候變化背景下,傳統農業系統在固碳減排方面所發揮的作用,對于應對氣候變化、保障糧食安全、促進經濟社會可持續發展均具有重要意義[5]。然而,目前的研究多側重傳統農業生產過程中溫室氣體排放量的測算[10-12],并沒有從整個生產周期的角度出發對傳統農業系統的固碳減排能力進行測算,更沒有對其在固碳減排方面所產生的環境影響進行評價。

碳足跡(Carbon Footprint)是對某一活動引起的或某一產品生命周期內積累的直接和間接的溫室氣體排放總量,以CO2排放當量(CO2-eq)表示[13-14]。具體到農業生產系統,碳足跡由農業生產資料投入引起的間接溫室氣體排放和農業生產過程引起的直接溫室氣體排放兩部分組成[15]。生命周期評價(Life Cycle Assessment)是評價某生產過程或活動整個生命周期內的環境負荷的一種工具[16]。基于生命周期評價的碳足跡能夠量化農業生產系統的溫室氣體排放量,從而揭示農業生產活動及管理實踐的環境影響,在大尺度農業生產[17-18]、某一農作物生產[19-21]、不同田間管理措施[22]等的環境影響評價上均得到應用。

為了揭示傳統農業系統固碳減排能力的環境影響,本文以全球重要農業文化遺產地浙江省青田縣龍現村為研究區,采用生命周期評價法對區內稻魚共生系統和水稻單作系統的碳足跡進行量化,通過對比分析揭示青田稻魚共生系統的固碳減排能力及其環境影響,以期為基于碳足跡的傳統農業系統環境影響評價提供理論方法。

1 研究區概況

青田縣地處浙江東南部,甌江流域的中下游,1300多年來當地農民一直保持著稻田養魚的傳統農業生產方式。稻田養魚即稻魚共生,通過利用水稻與田魚之間的互生互惠關系,既能使水稻豐產,又能收獲田魚,還有效地保護了農田生態環境,同時實現了經濟、社會和生態效益[23]。2005年6月,聯合國糧食及農業組織將“青田稻魚共生系統”認定為首批全球重要農業文化遺產。

青田田魚屬鯉科,學名“甌江彩鯉”,俗稱“田魚”[24]。當地農民通常在水稻移栽4天左右將魚苗放入田里,水稻收割前約1個月收獲田魚,從魚苗到可食用或可出售的田魚一般需要2年。田魚吃食雜草、覓食害蟲,減少水稻病蟲害的發生,覓食時攪動水體,不但可以改善田間通風透氣狀況,而且可以增加水體的溶氧,促進水稻生長[25]；稻田為田魚的生長、發育、覓食、棲息提供了良好的生態環境,稻花以及稻田內豐富的水生生物可以為田魚提供餌料[26]。受到現代化生產技術的影響,如今部分農民也會施用適量化肥和有機肥、使用環保型低濃度農藥、投喂飼料以及利用小型機械,來提高稻田中水稻和田魚的產量。

龍現村位于青田縣城東南部的方山鄉,是全球重要農業文化遺產青田稻魚共生系統的核心保護區。全村華僑數量800多人,僑居世界30多個國家。2019年,龍現村戶籍人口為1560人,常住人口卻僅為160人,其中從事農業生產的有39戶、約60人,平均年齡在60歲左右。受到青壯年勞動力力流失、白鷺捕食田魚造成減產等影響,一些農民轉而進行水稻單一種植,使得當地出現稻魚共生和水稻單作兩種生產模式。

2 研究方法與數據來源

2.1 研究方法

稻魚共生系統的生命周期從水稻播種開始,以水稻收獲結束。在這一生命周期內,碳足跡主要由農業生產資料投入引起的間接溫室氣體排放和農業生產過程中引起的直接溫室氣體排放兩部分構成(圖1)。其中,農業生產資料投入主要包括化肥、有機肥、農藥、飼料、燃料等,農業生產過程中所產生的直接溫室氣體主要是指稻田排放的CH4和N2O。

圖1 稻魚共生系統碳足跡核算邊界 Fig.1 Carbon footprint accounting boundary of rice-fish culture system

相對于稻魚共生系統,水稻單作系統在農業生產資料中沒有飼料的投入,在生產過程中則因稻田中無魚而在稻田CH4和N2O排放上存在差異。

2.1.1農資投入溫室氣體排放計算

農業生產資料投入產生的溫室氣體排放(Carbon footprint of agricultural inputs,CFinput)計算公式為：

(1)

式中,CFinput是農業生產資料投入產生的溫室氣體排放量(kgCO2-eq/hm2),n為農業生產資料投入的種類,δi表示第i種農業生產資料的投入量(kg/hm2),mi表示第i種農業生產資料的溫室氣體排放因子(kgCO2-eq/kg)。

當地農民在稻田中投放的飼料以小麥、玉米為主,施用的化肥以氮肥、復合肥為主,耕地、收割、打谷過程中使用機器以消耗汽油為主。因此,對于稻魚共生系統,農業生產資料投入主要考慮了氮肥、復合肥、農藥、小麥飼料、玉米飼料和汽油6種；對于水稻單作系統,則主要考慮了氮肥、復合肥、農藥和汽油4種。由于有機肥難以進行相關排放因子的量化,故在本研究中暫未考慮。

2.1.2生產過程溫室氣體排放計算

生產過程溫室氣體排放(Carbon footprint in the field,CFfield)計算公式為：

CFfield=CFN2O+CFCH4

(2)

式中,CFfield是生產過程溫室氣體排放量(kgCO2-eq/hm2),CFN2O(Carbon footprint of N2O)是稻田積累的N2O的CO2排放當量(kgCO2-eq/hm2),CFCH4(Carbon footprint of CH4)是稻田積累的CH4的CO2排放當量(kgCO2-eq/hm2)。

IPCC報告顯示,N2O是影響全球氣候的主要溫室氣體之一,單位質量的N2O的全球增溫趨勢是CO2的265倍[27]。本研究僅考慮了由于施用氮肥造成的N2O排放,其他原因造成的N2O排放暫未考慮。因此,稻田積累的N2O的CO2排放當量(CFN2O)的計算公式可表示為：

(3)

式中,CFN2O是稻田積累的N2O的CO2排放當量(kgCO2-eq/hm2),N是施用化肥中氮的折純量(kgN/hm2),a是N投入引起的N2O排放的排放因子,取值為0.003 kgN2O-N/kgN[28]。

袁偉玲等[11]在2006—2007年進行了連續兩年的對照實驗,研究表明稻魚共生能有效抑制稻田CH4排放并顯著降低其溫室效應。根據該研究結論,本文選取2年實驗結果的平均值作為稻田積累的CH4的CO2排放當量,稻魚共生系統和水稻單作系統分別為4024.5 kgCO2-eq/hm2和5035.8 kgCO2-eq/hm2。

2.1.3農業生產碳足跡計算

農業生產碳足跡(Carbon footprint of agriculture,CFagriculture)計算公式可表示為：

CFagriculture=CFinput+CFfield

(4)

式中,CFagriculture為農業生產碳足跡(kgCO2-eq/hm2),CFinput為農業生產資料投入的間接溫室氣體排放量 (kgCO2-eq/hm2),CFfield為農業生產過程溫室氣體排放量(kgCO2-eq/hm2)。

2.1.4單位產值碳足跡計算

為了對經濟效益和環境效益進行綜合評價,本文還計算了單位農業產值碳足跡(Carbon footprint of agricultural output,CFoutput),計算公式可表示為：

CFoutput=CFagriculture/P

(5)

式中,CFoutput為單位農業產值碳足跡(kgCO2-eq/元),CFagriculture為農業生產碳足跡(kgCO2-eq/hm2),P為單位面積的農業產值(元/hm2)。

2.2 數據來源

研究團隊于2019年7月在浙江省青田縣龍現村開展實地調研,針對從事農業生產的39戶農戶進行問卷調查和深度訪談。調查采用封閉式問卷結構,內容涉及土地利用、生產方式、投入產出、勞動力結構、經濟收入等方面,共發放問卷36份,回收36份,其中有效問卷35份,占當地從事農業生產農戶總數的90%。利用EXCEL 2016和SPSS Statistics軟件對數據進行統計分析,得到農業生產資料投入量、水稻和田魚產量、農業產值等統計值。

各項農資投入的溫室氣體排放因子主要源于中國生命周期數據庫CLCD 0.7、Ecoinvent 2.2數據庫和相關研究結果(表1)。

表1 各項農資投入的溫室氣體排放因子

3 結果與分析

3.1 農業生產方式與生產資料投入

在調研的39戶農戶中,有2戶只種植水稻,有3戶既有水稻單作又有稻田養魚,其余均只進行稻田養魚。稻田養魚總面積為11.2 hm2,水稻單作總面積為2.3 hm2,分別占稻田總面積的83%和17%。稻魚共生系統和水稻單作系統的農資投入情況見表2。

表2 不同生產方式農資投入情況/(kg/hm2)

從表2中可以看出,稻魚共生系統的氮肥和復合肥施用量均明顯低于水稻單作系統,僅為水稻單作系統氮肥和復合肥施用量的60%和70%。就施肥結構而言,在稻魚共生系統和水稻單作系統中復合肥的施用量均高于氮肥,但是稻魚共生系統的復合肥比例(78%)略高于水稻單作系統(75%)。

除了化肥投入,稻魚共生系統的農藥投入也低于水稻單作系統,約為水稻單作系統的84%。相比之下,稻魚共生系統的汽油投入卻高出水稻單作系統的20%,這主要是因為稻魚共生農戶在收獲田魚時也需要進行運輸,對汽油的消耗高于水稻單作農戶。在農資投入中最大的差異莫過于飼料投入,小麥飼料(220.4 kg/hm2)和玉米飼料(336.1 kg/hm2)的投入對稻魚共生系統的農資投入溫室氣體排放具有重要影響。

3.2 農資投入溫室氣體排放

利用公式(1)計算得到稻魚共生系統和水稻單作系統的農資投入溫室氣體排放(表3)。從表3中可以看出,稻魚共生系統的農資投入溫室氣體排放量為2058.9 kgCO2-eq/hm2,低于水稻單作系統(2200.4 kgCO2-eq/hm2)。就具體農業生產資料投入而言,稻魚共生系統的化肥投入溫室氣體排放量明顯低于水稻單作系統,僅為水稻單作系統的68%；農藥投入溫室氣體排放量為43.2 kgCO2-eq/hm2,略低于水稻單作系統(51.5 kgCO2-eq/hm2)；燃料投入溫室氣體排放量高出水稻單作系統的20%；飼料投入溫室氣體排放量則高達488.1 kgCO2-eq/hm2。這與農業生產資料投入分析呈現出類似的規律。

表3 不同生產方式農資投入溫室氣體排放量/(kgCO2-eq/hm2)

化肥投入溫室氣體排放是農資投入溫室氣體排放的重要組成,在稻魚共生系統中占比為68%,而在水稻單作系統中占比高達93%(圖2)。其中,氮肥和復合肥投入溫室氣體排放量在稻魚共生系統分別占到14%和54%,在水稻單作系統中則為21%和72%。可見,化肥投入對于農資投入溫室氣體排放具有重要作用。農藥、燃料占比不高,在稻魚共生系統中為2%和6%,在水稻單作系統中為2%和5%,差異不大。飼料投入占比24%,對于稻魚共生系統的農資投入CO2排放具有重要影響。

圖2 稻魚共生系統和水稻單作系統農資投入溫室氣體排放比例Fig.2 Proportion of GHG emissions from agricultural production inputs of rice-fish culture system and rice monoculture system

3.3 生產過程溫室氣體排放

利用公式(2)和(3)計算得到稻魚共生系統和水稻單作系統的生產過程溫室氣體排放(表4)。從表4中可以看出,稻魚共生系統生產過程溫室氣體排放量為4207.8 kgCO2-eq/hm2,明顯低于水稻單作系統(5319.6 kgCO2-eq/hm2)。不論是稻田排放N2O的CO2排放當量還是稻田排放CH4的CO2排放當量,稻魚共生系統均低于水稻單作系統。

表4 不同生產方式生產過程溫室氣體排放量/(kgCO2-eq/hm2)

造成這種差異的原因,一方面是稻田排放N2O的CO2排放當量與化肥的施用量密切相關,而農資投入分析表明稻魚共生系統的化肥施用量僅為水稻單作系統的68%,另一方面,稻田排放CH4的CO2排放當量來自袁偉玲等[11]的實驗結果。研究表明,稻魚共生系統中由于魚的活動,增加了稻田土壤氣體的交換,增強了CH4通過水體擴散外排的途徑,因此稻魚共生系統CH4的CO2排放當量低于水稻單作系統。

就構成而言,CH4的CO2排放當量占比較大,在稻魚共生系統和水稻單作系統中分別占比96%和95%,對生產過程溫室氣體排放有主要貢獻；N2O的CO2排放當量則占比較少,在稻魚共生系統和水稻單作系統中僅占4%和6%,對生產過程溫室氣體排放的貢獻遠遠低于CH4的CO2排放當量。

3.4 碳足跡分析

利用公式(4)計算得到稻魚共生系統和水稻單作系統碳足跡(表5)。稻魚共生系統碳足跡為6266.7 kgCO2-eq/hm2,低于水稻單作系統(7520.0 kgCO2-eq/hm2),這說明相對于水稻單作系統稻魚共生系統環境影響更小,具有較好的環境效益。與王興等[15]對中國水稻生產的碳足跡的研究結果相比,研究區稻魚共生系統碳足跡(6266.7 kgCO2-eq/hm2)低于浙江省2004—2014年水稻生產的年均碳足跡(6627.6 kgCO2-eq/hm2),但高于全國水稻生產年均碳足跡(5804.9 kgCO2-eq/hm2),研究區水稻單作系統碳足跡同時超過了全國和浙江省的平均水平。

表5 不同生產方式碳足跡/(kgCO2-eq/hm2)

農業生產碳足跡的核算受到很多因素的影響,如數據來源、核算內容、核算方法等,因此研究結果之間的可比性受到一定影響。盡管如此,從比較結果依然可以看出,稻魚共生系統的碳足跡并不低,主要原因在于白鷺的捕食增多,導致稻魚共生系統自然生態協調機制受到干擾,這使得農戶不得不增加肥料投入和飼料投入。

在稻魚共生系統碳足跡中,生產過程溫室氣體排放與農資投入溫室氣體排放的貢獻比約為2∶1；而在水稻單作系統中,生產過程溫室氣體排放所占比例超過70%,農資投入溫室氣體排放所占比例不足30%(圖3)。就具體構成而言,農業生產過程積累的CH4和化肥投入在稻魚共生系統碳足跡中的比重最大,分別占比64%和22%,水稻單作系統碳足跡也表現出相似的規律。不同的是,稻魚共生系統中飼料投入引起的溫室氣體排放量在碳足跡中占比達8%,成為稻魚共生系統碳足跡的重要組成。

圖3 稻魚共生系統和水稻單作系統碳足跡構成 Fig.3 Composition of carbon footprint of rice-fish culture system and rice monoculture system

3.5 單位產值碳足跡

運用市場價格法,對稻魚共生系統和水稻單作系統單位面積經濟價值進行了計算。2018年當地稻谷市場平均價格為3.0 元/kg,當地田魚價格為100.0 元/kg,根據公式(5)可以計算出青田稻魚共生系統和水稻單作系統單位產值碳足跡(表6)。

表6 稻魚共生系統和水稻單作系統單位產值碳足跡

稻魚共生系統的水稻單位面積產量比水稻單作系統低43%,因此稻魚共生系統水稻單位面積產值較低。然而,稻魚共生系統中田魚產量為318.3 kg/hm2,為稻魚共生系統增加產值31830.0 元/hm2。由于額外增加了魚的經濟收入,稻魚共生系統單位面積產值(52323.6 元/hm2)比水稻單作系統(36225.0 元/hm2)高出44%。

從表6可以看出,稻魚共生系統單位產值碳足跡為0.12 kgCO2-eq/元,低于水稻單作系統(0.21 kgCO2-eq/元),這說明稻魚共生系統不僅產值更高,而且單位產值溫室氣體排放更少。可見,相對于水稻單作系統,稻魚共生系統具有更高的經濟效益和生態效益。

4 結論

本研究通過浙江省青田縣龍現村的農戶調查數據,利用生命周期評價法對稻魚共生和水稻單作兩種生產方式的碳足跡進行了核算。研究發現,稻魚共生系統碳足跡為6266.7 kgCO2-eq/hm2,單位產值碳足跡為0.12 kgCO2-eq/元,水稻單作系統碳足跡為7520.0 kgCO2-eq/hm2,單位產值碳足跡為0.21 kgCO2-eq/元。與水稻單作系統相比,稻魚共生系統排放的溫室氣體更少,環境影響更小,生態和經濟效益更高。

農業生產過程積累的CH4是碳足跡的主要來源,在稻魚共生系統和水稻單作系統的碳足跡中分別占比64%和67%。農資投入中的化肥投入是碳足跡的第二來源,在稻魚共生系統和水稻單作系統的碳足跡中分別占比22%和27%。農資投入中的飼料投入是稻魚共生系統碳足跡的另一重要來源,所占比例高達8%。盡管稻魚共生系統的溫室氣體排放比水稻單作系統低,然而與相關研究結果的比較反映出稻魚共生系統由于肥料和飼料投入的增加正面臨著生態環境風險的增加,不得不引起重視。

本文的創新點在于從農戶實地調研數據入手進行碳足跡分析,從而更為真實和有效地反映當地農業生產系統對環境產生的影響。農戶調研數據也為研究農戶行為對于碳足跡的影響提供了基礎,這也成為未來的研究方向。另一方面,通過碳足跡的方法對青田稻魚共生系統的環境影響進行量化,豐富了碳足跡在實際應用中的適用類型,對于其他傳統農業系統的環境影響評價也具有借鑒意義。

盡管如此,利用碳足跡方法評估農業生產的環境影響仍然存在局限性。首先,農業生產資料投入品的實際情況存在差異,使用數據庫或國外的參考數據會使核算結果產生一定偏差。再者,人力、畜力、土壤碳變化等也需要考慮,但是具體應用時往往會受到實際情況的限制[33]。另外,CH4和N2O排放量的核算很難做到準確,即使以某一可靠實驗數據作為標準,也會因實際差異導致結果出現偏差。