稻蝦共作模式碳氮足跡分析

關鍵詞：碳足跡；氮足跡；生命周期；稻蝦共作；情景分析

中圖分類號：X71；S181 文獻標志碼：A 文章編號：1672-2043（2024）12-3022-12 doi：10.11654/jaes.2024-0387

我國作為世界最大的水稻生產和消費國，其產量約占全球產量的28.6%，CH₄ 排放約占全球排放的29%[1]。另外，氮肥的大量施用是傳統水稻種植高產的關鍵[2]，但這也導致活性氮（Nr）大量排放到環境當中，引發空氣污染、溫室效應加劇、水體富營養化和平流層臭氧消耗等環境問題[3-4]。近年來，稻蝦共作模式在我國得到大力推廣，占全國稻漁綜合種養面積的54.7%[5]。該模式通過小龍蝦捕食害蟲和糞便還田促進水稻生長，同時水稻的生長改善水質為小龍蝦提供棲息地[6]，有效緩解了水體的富營養化，減少了化肥農藥的施用[7]和溫室氣體排放[8]。稻蝦共作模式的經濟效益也比水稻單作提升了約3倍[9]，推動了其快速發展，隨著其規模的擴大，其環境和經濟效益也需要重點關注和優化。

由于這些環境影響和經濟產出主要是由含碳和含氮物質在稻蝦共作中的流動造成的，因此可以從碳和氮流動的角度來分析稻蝦共作造成的綜合效益。碳足跡定義為某種活動或產品生命周期過程中以CO2當量為單位的直接或間接溫室氣體排放總量[10]。

氮足跡是指某種活動或產品生命周期內產生并積累的直接或間接Nr排放總量[11]。目前對于稻蝦共作模式的碳足跡研究較多[12–14]，但對于稻蝦共作模式氮足跡的相關研究比較缺乏，目前的研究主要集中于稻蝦共作模式田間氮的循環利用[15–17]，對于量化其生命周期內氮足跡的關注較少。同時這些研究也主要是集中在與水稻單作的環境影響作對比研究，對于重點關注稻蝦共作模式本身碳氮足跡的研究較少，且缺少定量化的碳氮減排潛力分析。

本研究以淮南市稻蝦共作模式作為案例，基于碳氮足跡方法，從生命周期的角度分析稻蝦共作模式的碳氮足跡，識別碳氮足跡的主要影響因素，據此通過情景分析量化淮南市稻蝦共作模式碳氮足跡的減排潛力，為減少稻蝦共作模式的碳氮足跡并促進當地農業可持續發展提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 研究區域

淮南市地處安徽省中北部，淮河流域的中心地帶。2022年，全市轄5個市轄區、2個縣，總面積為5533km²，常住人口為302.7萬人。淮南市屬于暖溫帶季風氣候，四季分明，雨量充沛，水資源較為豐富，光照充足，且土壤類型多樣，適宜水稻和小龍蝦的生長。自2016年安徽省發布《安徽省稻漁綜合種養雙千工程實施意見》以來，淮南市便結合傳統稻區的實地條件積極推廣和發展稻漁綜合種養，且近年來規模不斷擴大。政府部門相關數據顯示，2023年淮南市稻漁綜合種養面積為2.16萬hm²，主要分布在淮南市所轄的壽縣和鳳臺縣，其面積分別為1.31 萬hm² 和0.35萬hm²，其中90%為稻蝦共作模式。淮南市稻蝦共作模式目前主要還是環形溝模式，為了不破壞基本農田和保障水稻的產量，環溝開挖也嚴格遵守了《稻漁綜合種養技術規范》（SC/T 1135.1—2017）中的要求，即蝦溝面積要小于基本農田面積的10%。

1.2 系統邊界

基于生命周期視角設定稻蝦共作模式碳氮足跡分析的系統邊界，即將系統分為農資子系統和農作子系統（圖1）。

農資子系統主要活動是相關農資的生產；農作子系統主要活動包括化肥施用、田間消毒（石灰）、飼料投喂、水稻種植、蝦苗投放、電力灌溉和農業機械活動（挖溝、插秧、耕地和收割）。在農資子系統中，農資的生產會消耗水、土、能源和礦物等自然資源，在生產過程中會排放CO₂和Nr。在農作子系統中，淹水稻田土壤排放CH₄；含氮復合肥、有機肥、飼料和秸稈的投入造成土壤N₂O的直接排放，同時NH₃和NO_x的揮發后沉降以及氮素徑流和淋溶過程也導致N2O的間接排放；田間農業機械柴油燃燒排放CO₂。田間氮素的輸入主要包括復合肥、有機肥、飼料、稻種、蝦苗和秸稈的投入，以及生物固氮、大氣沉降和田間灌溉導致的氮素輸入；氮素的輸出主要包括水稻、龍蝦、田間土壤氮素侵蝕、氮素的徑流和淋溶、含氮氣體的排放（NH₃、N₂O、NO_x等），其中除了水稻和龍蝦，其他輸出途徑均是將氮素排放到了環境當中，另外田間農業機械柴油燃燒也造成了Nr的排放。農資子系統造成的碳氮排放被視作間接排放；農作子系統造成的碳氮排放被視作直接排放，稻蝦共作模式的碳氮足跡即為間接和直接碳氮排放的和。基本功能單位為1 hm²的稻蝦田生產面積。

1.3 數據來源

數據主要來自實地調研、生命周期數據庫和文獻。研究于2023年7月對壽縣和鳳臺縣內5家具有代表性的稻蝦共作合作社進行了實地調研，調研的主要內容包括稻蝦共作模式的農業生產資料投入和農產品收益情況。為避免龍蝦死亡，且其也以雜草和害蟲為食，農戶選擇不投入農藥，所以主要農資投入包括稻種、蝦苗、龍蝦商品飼料（粗蛋白≥30%）、柴油（用于農業機械）、電力（用于灌溉）、石灰（用于消毒）、復合肥（氮磷鉀比為15∶15∶15）、有機肥（含氮率為1.63%）和磷肥。相關農資投入量、農產品產出及成本收益見表1。農資子系統中農資的生產碳排放系數和活性氮排放系數見表2。農資子系統中農資生產的碳排放系數和活性氮排放系數主要來自中國生命周期基礎數據庫Chinese Life Cycle Database 0.7（CLCD 0.7）和中國億科環境科技有限公司開發的生命周期評價軟件eBalance v3.0，部分系數來自瑞士生命周期研究中心開發的生命周期數據庫Ecoinvent3.9，以及公開發表的文獻。

1.4 核算方法

1.4.1 碳足跡

由于本研究中稻蝦共作模式的碳足跡包括兩個部分，即農資投入導致的間接碳排放和農作階段田間的直接碳排放。故其計算公式見公式（1）：

2.3 情景分析

2.3.1 情景設置

以上分析結果表明，田間CH4排放和灌溉電力的投入對淮南市稻蝦共作單位面積碳足跡影響較大；田間階段NH3排放和氮素的淋溶及徑流損失對單位面積氮足跡影響較大。因此將原有生產模式作為基礎情景（BQ），并設置了4種新的優化情景，分析淮南市稻蝦共作模式碳氮足跡的減排潛力。情景一（MG）：農業管理方面，采用秸稈不還田。因為秸稈還田會促進CH₄的產生[38]，也正因此導致秸稈還田所提升的稻田土壤有機碳固定無法抵消溫室氣體排放所產生的負面環境效應[38-39]，導致稻蝦田CH₄排放增加[40]，且水稻秸稈直接還田對水稻產量無顯著影響[41]，此措施也減少了稻田氮素的投入，對單位面積農產品總產值和利潤無影響。情景二（NY）：能源方面，采用光伏發電代替傳統燃煤發電，并采用免耕減少30%柴油用量，免耕降低了農業機械成本，提高了單位面積農產品總利潤。光伏發電的碳排放因子為0.038 kg CO₂e·kWh^-1 [42]，活性氮排放因子來自數據庫Ecoinvent 3.9，取0.092g Nr·kWh^-1，均低于燃煤發電的碳氮排放系數。情景三（DC）：農業技術方面，采用機插同步側深施肥技術，可減少20%的化肥投入，提高氮素的利用效率，使水稻增產14.2%[43]，提高了單位面積農產品總產值和利潤。情景四（ZH）：綜合以上3種情景建立的情景，單位面積農產品總產值和利潤均有提高。情景設置的參數變化見表6。這5種情景下，單位面積、單位產值和單位利潤的碳足跡和氮足跡分析如下。

2.3.2 碳足跡情景分析

如圖4所示，與基礎情景對比，各優化情景對稻蝦共作模式碳足跡都起到了減緩作用。采用秸稈不還田、光伏發電及免耕技術、機插同步側深施肥技術分別使CF_A 降低6.9%、18.4%、1.3%，綜合采用以上3種情景能使CF_A降低27.5%。采用秸稈不還田、光伏發電及免耕技術、機插同步側深施肥技術分別使CF_V降低6.9%、18.4%、5.2%，綜合采用以上3種情景能使CF_V降低30.4%。采用秸稈不還田、光伏發電及免耕技術、機插同步側深施肥技術分別使CF_P降低6.9%、22.9%、11.9%，綜合采用以上3種情景能使CFP 降低38.5%。結果表明，綜合情景對于減少稻蝦共作模式的碳足跡最為有效。

2.3.3 氮足跡情景分析

如圖5所示，與基礎情景對比，各優化情景對稻蝦共作模式氮足跡都起到了減緩作用。采用秸稈不還田、光伏發電及免耕技術、機插同步側深施肥技術分別使NF_A 降低9.2%、1.6%、13.6%，綜合采用以上3種情景能使NF_A降低25.8%。采用秸稈不還田、光伏發電及免耕技術、機插同步側深施肥技術分別使NF_V降低9.2%、1.6%、17.1%，綜合采用以上3種情景能使NF_V降低28.7%。采用秸稈不還田、光伏發電及免耕技術、機插同步側深施肥技術分別使NF_P降低9.2%、7%、22.9%，綜合采用以上3種情景能使NF_P 降低37%。結果表明，綜合情景對于減少稻蝦共作模式的氮足跡最為有效。

3.2 氮足跡相關研究對比

本研究表明稻蝦共作模式中田間活性氮直接排放對單位面積氮足跡影響顯著，NH₃排放是最主要的貢獻者，其次是田間氮素的淋溶和徑流損失。該結果與陳中督等[45]對于稻田氮足跡的研究結果相似，其研究核算發現田間NH₃排放占稻田單位面積氮足跡約95%，其次是淋溶和徑流損失。同樣季國軍等[46]的研究也發現NH₃排放在不同稻田耕作系統的單位面積氮足跡中占比均超過50%，是主要的氮足跡貢獻者。雖然有研究表明稻蝦共作模式可以有效減少稻田NH₃排放、氮素的淋溶以及徑流損失，提高氮的利用效率[47-48]，但從本研究的結果來看，稻蝦共作模式仍然沒有改變稻田氮素損失的主要途徑。在稻田氮足跡的研究中，眾多研究都強調了化肥是稻田主要的氮素投入，明確了在優化氮足跡時首先要考慮的是減少化肥的施用和提高化肥的利用效率[49-50]。而在本研究氮素的投入中，復合肥氮和飼料氮投入占比較大，這與佀國涵等[16]的研究結果一致。關于稻蝦共作模式中化肥的利用，Yuan 等[15]研究發現由于土壤養分的積累，隨著稻蝦田種植年限的增加，減少化肥的利用仍然可以保證水稻的產量不受影響，但是過高化肥的投入可能會降低稻蝦田水稻產量，造成氮素的損失。在稻蝦共作模式中飼料作為另一個氮素主要來源不會被完全利用，飼料殘渣會為水稻提供氮素，有利于水稻的生長[15]，但是也增加了水稻田活性氮損失的風險，所以提高龍蝦商品飼料的利用率，也是減少活性氮排放的一個重要手段。

3.3 不確定性分析結果

淮南市稻蝦共作模式單位面積碳氮足跡核算結果的不確定性如表7所示。稻蝦共作模式單位面積碳足跡的總不確定性為6.7%，其中直接碳排放的不確定性是主要影響因素，主要原因是采用較多國際換算系數，通過消除這一點，可以有效降低單位面積碳足跡核算的總不確定性，同時也表明了權威數據庫和本土化文獻中換算系數的重要性。稻蝦共作模式單位面積氮足跡的總不確定性為6%，間接和直接活性氮排放的不確定性與其相差較小，主要原因是換算系數大多來自權威數據庫和本土化的文獻。雖然本研究中稻蝦共作單位面積碳氮足跡的核算結果具有一定的不確定性，但是相較于其他生命周期相關研究的不確定性分析結果[33，51]，本研究的不確定性較低，研究結果相對準確，具有一定參考性。

3.4 措施建議

根據情景分析的結果，本研究提出以下減少淮南市稻蝦共作模式碳氮足跡的措施建議：

（1）秸稈不還田。水稻秸稈還田一直被認為是增加水稻產量的一種有效途徑，但是目前已有研究表明秸稈直接還田并不能有效增加水稻產量[41]，并且在稻蝦模式中秸稈還田還會增加稻田土壤CH₄ 和N₂O 的排放[40]，進一步加劇溫室氣體排放。采用秸稈不還田減少了田間溫室氣體排放的同時，也直接減少了田間氮素的投入，降低了活性氮損失的風險。可將不還田秸稈進行出售或作為家禽飼料，提高收益的同時也起到了碳氮減排的積極環境效益。

（2）光伏電灌及免耕種植。2022年11月，淮南市發改委印發的《淮南市“十四五”節能減排實施方案》（https：//fgw. huainan. gov. cn / public / 118319839 /1259741610.html）中提到要發展光伏產業等清潔能源，減少傳統能源使用。光伏發電的碳氮排放系數均小于傳統燃煤發電，可以有效減少電力生產過程中的碳氮排放。Ruis等[52]研究發現采用少耕或者免耕種植可以有效減少田間CO₂排放，增加土壤固碳。同時免耕也直接減少了柴油的用量和農業機械費用，有效提高了經濟和環境效益。

（3）采用機插同步側深施肥技術。2022年10月，農業農村部發布的《農業農村部關于推進稻漁綜合種養產業高質量發展的指導意見》（https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-11/01/content_5723093.htm）中強調稻漁綜合種養產業的高質量發展要推進稻田農機作業通行條件改造，加快先進適用農機具示范推廣應用。采用機插同步側深施肥技術的新型先進農機能很好地實現化肥一次深施和水稻插秧。化肥深施有效減少了化肥和大氣、地表的直接接觸從而提高了利用率[53]，與直接施肥相比，化肥深施也能有效減少溫室氣體的排放[54]，是稻蝦共作模式實現“高產低排”的一項有力措施。

3.5 研究的局限性

由于本土數據庫中缺乏一些農資投入的碳氮排放因子，本研究選用了國外Ecoinvent 3.9 數據庫中的碳氮排放因子，可能會產生一定核算偏差，未來國內數據庫的完善可使評價更為準確。對于田間溫室氣體的排放估算，本研究采用了IPCC國家溫室氣體清單指南中的方法和參數，但由于地區差異等原因其估算值與實際值會存在一定差異。目前針對龍蝦不同生長階段的專用型飼料的研發是缺乏數據支持的，無法明確具體的利用效率提升比例[55]，所以本研究優化稻蝦共作的碳氮足跡時沒有涉及飼料這一重要投入，未來飼料相關數據的完善，可使評估結果更加全面。對于未和水稻單作環境影響進行對比的原因在于，目前已有眾多研究開展了稻蝦共作與常規水稻種植的對比，主要集中在比較溫室氣體排放[8，12，14，56-57]、氮素循環[16-17，47-48]和經濟效益[14，58]等多個方面，均表明稻蝦共作模式具有更好的環境和經濟效益，研究相對豐富，因此本研究選擇聚焦于稻蝦共作模式的碳氮足跡分析，旨在揭示其關鍵影響因素，評估其定量化減排潛力。另外，稻蝦共作模式的不同規模和管理差異也可能對其碳氮足跡產生影響[7，13]，這也是未來研究需要關注的重點。最后，考慮到數據可獲得性，研究區域僅選擇一個城市，未來需要開展更多區域和不同尺度的研究，進一步規范分析框架和數據庫。

4 結論

（1）稻蝦共作模式的單位面積碳足跡、單位產值碳足跡和單位利潤碳足跡分別為16 137.92 kg CO₂e·hm^-2、0.19 kg CO₂e·元^-1和0.48 kg CO₂e·元^-1，其中CH₄排放和灌溉電力投入是碳足跡的主要貢獻者。

（2）稻蝦共作模式的單位面積氮足跡、單位產值氮足跡和單位利潤氮足跡分別為104.85 kg Nr·hm^-2、1.24×10^-3 kg Nr·元^-1和3.15×10^-3 kg Nr·元^-1，其中田間活性氮排放占據主導地位，NH3排放、田間氮素的淋溶和徑流損失是主要的氮足跡貢獻者。

（3）綜合采用秸稈不還田、光伏發電及免耕技術、機插同步側深施肥技術可以有效減少稻蝦共作模式的碳氮足跡。