關(guān)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(hào)：X71；S181 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(chǎn)和消費(fèi)國，其產(chǎn)量約占全球產(chǎn)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(tǒng)水稻種植高產(chǎn)的關(guān)鍵[2]，但這也導(dǎo)致活性氮（Nr）大量排放到環(huán)境當(dāng)中，引發(fā)空氣污染、溫室效應(yīng)加劇、水體富營養(yǎng)化和平流層臭氧消耗等環(huán)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(yǎng)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(jìn)水稻生長，同時(shí)水稻的生長改善水質(zhì)為小龍蝦提供棲息地[6]，有效緩解了水體的富營養(yǎng)化，減少了化肥農(nóng)藥的施用[7]和溫室氣體排放[8]。稻蝦共作模式的經(jīng)濟(jì)效益也比水稻單作提升了約3倍[9]，推動(dòng)了其快速發(fā)展，隨著其規(guī)模的擴(kuò)大，其環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益也需要重點(diǎn)關(guān)注和優(yōu)化。

由于這些環(huán)境影響和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出主要是由含碳和含氮物質(zhì)在稻蝦共作中的流動(dòng)造成的，因此可以從碳和氮流動(dòng)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(dòng)或產(chǎn)品生命周期過程中以CO2當(dāng)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(dòng)或產(chǎn)品生命周期內(nèi)產(chǎn)生并積累的直接或間接Nr排放總量[11]。目前對(duì)于稻蝦共作模式的碳足跡研究較多[12–14]，但對(duì)于稻蝦共作模式氮足跡的相關(guān)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(huán)利用[15–17]，對(duì)于量化其生命周期內(nèi)氮足跡的關(guān)注較少。同時(shí)這些研究也主要是集中在與水稻單作的環(huán)境影響作對(duì)比研究，對(duì)于重點(diǎn)關(guān)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(shí)別碳氮足跡的主要影響因素，據(jù)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(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)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(gè)市轄區(qū)、2個(gè)縣，總面積為5533km²，常住人口為302.7萬人?；茨鲜袑儆谂瘻貛Ъ撅L(fēng)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(fā)布《安徽省稻漁綜合種養(yǎng)雙千工程實(shí)施意見》以來，淮南市便結(jié)合傳統(tǒng)稻區(qū)的實(shí)地條件積極推廣和發(fā)展稻漁綜合種養(yǎng)，且近年來規(guī)模不斷擴(kuò)大。政府部門相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2023年淮南市稻漁綜合種養(yǎng)面積為2.16萬hm²，主要分布在淮南市所轄的壽縣和鳳臺(tái)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?；茨鲜械疚r共作模式目前主要還是環(huán)形溝模式，為了不破壞基本農(nóng)田和保障水稻的產(chǎn)量，環(huán)溝開挖也嚴(yán)格遵守了《稻漁綜合種養(yǎng)技術(shù)規(guī)范》（SC/T 1135.1—2017）中的要求，即蝦溝面積要小于基本農(nóng)田面積的10%。

1.2 系統(tǒng)邊界

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

農(nóng)資子系統(tǒng)主要活動(dòng)是相關(guān)農(nóng)資的生產(chǎn)；農(nóng)作子系統(tǒng)主要活動(dòng)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(nóng)業(yè)機(jī)械活動(dòng)（挖溝、插秧、耕地和收割）。在農(nóng)資子系統(tǒng)中，農(nóng)資的生產(chǎn)會(huì)消耗水、土、能源和礦物等自然資源，在生產(chǎn)過程中會(huì)排放CO₂和Nr。在農(nóng)作子系統(tǒng)中，淹水稻田土壤排放CH₄；含氮復(fù)合肥、有機(jī)肥、飼料和秸稈的投入造成土壤N₂O的直接排放，同時(shí)NH₃和NO_x的揮發(fā)后沉降以及氮素徑流和淋溶過程也導(dǎo)致N2O的間接排放；田間農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油燃燒排放CO₂。田間氮素的輸入主要包括復(fù)合肥、有機(jī)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(dǎo)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?dú)怏w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(huán)境當(dāng)中，另外田間農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油燃燒也造成了Nr的排放。農(nóng)資子系統(tǒng)造成的碳氮排放被視作間接排放；農(nóng)作子系統(tǒng)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(chǎn)面積。

1.3 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來自實(shí)地調(diào)研、生命周期數(shù)據(jù)庫和文獻(xiàn)。研究于2023年7月對(duì)壽縣和鳳臺(tái)縣內(nèi)5家具有代表性的稻蝦共作合作社進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，調(diào)研的主要內(nèi)容包括稻蝦共作模式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入和農(nóng)產(chǎn)品收益情況。為避免龍蝦死亡，且其也以雜草和害蟲為食，農(nóng)戶選擇不投入農(nóng)藥，所以主要農(nóng)資投入包括稻種、蝦苗、龍蝦商品飼料（粗蛋白≥30%）、柴油（用于農(nóng)業(yè)機(jī)械）、電力（用于灌溉）、石灰（用于消毒）、復(fù)合肥（氮磷鉀比為15∶15∶15）、有機(jī)肥（含氮率為1.63%）和磷肥。相關(guān)農(nóng)資投入量、農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出及成本收益見表1。農(nóng)資子系統(tǒng)中農(nóng)資的生產(chǎn)碳排放系數(shù)和活性氮排放系數(shù)見表2。農(nóng)資子系統(tǒng)中農(nóng)資生產(chǎn)的碳排放系數(shù)和活性氮排放系數(shù)主要來自中國生命周期基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫Chinese Life Cycle Database 0.7（CLCD 0.7）和中國億科環(huán)境科技有限公司開發(fā)的生命周期評(píng)價(jià)軟件eBalance v3.0，部分系數(shù)來自瑞士生命周期研究中心開發(fā)的生命周期數(shù)據(jù)庫Ecoinvent3.9，以及公開發(fā)表的文獻(xiàn)。

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(gè)部分，即農(nóng)資投入導(dǎo)致的間接碳排放和農(nóng)作階段田間的直接碳排放。故其計(jì)算公式見公式（1）：

2.3 情景分析

2.3.1 情景設(shè)置

以上分析結(jié)果表明，田間CH4排放和灌溉電力的投入對(duì)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(duì)單位面積氮足跡影響較大。因此將原有生產(chǎn)模式作為基礎(chǔ)情景（BQ），并設(shè)置了4種新的優(yōu)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(nóng)業(yè)管理方面，采用秸稈不還田。因?yàn)榻斩掃€田會(huì)促進(jìn)CH₄的產(chǎn)生[38]，也正因此導(dǎo)致秸稈還田所提升的稻田土壤有機(jī)碳固定無法抵消溫室氣體排放所產(chǎn)生的負(fù)面環(huán)境效應(yīng)[38-39]，導(dǎo)致稻蝦田CH₄排放增加[40]，且水稻秸稈直接還田對(duì)水稻產(chǎn)量無顯著影響[41]，此措施也減少了稻田氮素的投入，對(duì)單位面積農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)值和利潤無影響。情景二（NY）：能源方面，采用光伏發(fā)電代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃煤發(fā)電，并采用免耕減少30%柴油用量，免耕降低了農(nóng)業(yè)機(jī)械成本，提高了單位面積農(nóng)產(chǎn)品總利潤。光伏發(fā)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(shù)據(jù)庫Ecoinvent 3.9，取0.092g Nr·kWh^-1，均低于燃煤發(fā)電的碳氮排放系數(shù)。情景三（DC）：農(nóng)業(yè)技術(shù)方面，采用機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)，可減少20%的化肥投入，提高氮素的利用效率，使水稻增產(chǎn)14.2%[43]，提高了單位面積農(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品總產(chǎn)值和利潤均有提高。情景設(shè)置的參數(shù)變化見表6。這5種情景下，單位面積、單位產(chǎn)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(chǔ)情景對(duì)比，各優(yōu)化情景對(duì)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(fā)電及免耕技術(shù)、機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)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(fā)電及免耕技術(shù)、機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)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(fā)電及免耕技術(shù)、機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)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(jié)果表明，綜合情景對(duì)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(chǔ)情景對(duì)比，各優(yōu)化情景對(duì)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(fā)電及免耕技術(shù)、機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)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(fā)電及免耕技術(shù)、機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)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(fā)電及免耕技術(shù)、機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)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(jié)果表明，綜合情景對(duì)于減少稻蝦共作模式的氮足跡最為有效。

3.2 氮足跡相關(guān)研究對(duì)比

本研究表明稻蝦共作模式中田間活性氮直接排放對(duì)單位面積氮足跡影響顯著，NH₃排放是最主要的貢獻(xiàn)者，其次是田間氮素的淋溶和徑流損失。該結(jié)果與陳中督等[45]對(duì)于稻田氮足跡的研究結(jié)果相似，其研究核算發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)NH₃排放在不同稻田耕作系統(tǒng)的單位面積氮足跡中占比均超過50%，是主要的氮足跡貢獻(xiàn)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(jié)果來看，稻蝦共作模式仍然沒有改變稻田氮素?fù)p失的主要途徑。在稻田氮足跡的研究中，眾多研究都強(qiáng)調(diào)了化肥是稻田主要的氮素投入，明確了在優(yōu)化氮足跡時(shí)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(fù)合肥氮和飼料氮投入占比較大，這與佀國涵等[16]的研究結(jié)果一致。關(guān)于稻蝦共作模式中化肥的利用，Yuan 等[15]研究發(fā)現(xiàn)由于土壤養(yǎng)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(chǎn)量不受影響，但是過高化肥的投入可能會(huì)降低稻蝦田水稻產(chǎn)量，造成氮素的損失。在稻蝦共作模式中飼料作為另一個(gè)氮素主要來源不會(huì)被完全利用，飼料殘?jiān)鼤?huì)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(fēng)險(xiǎn)，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(gè)重要手段。

3.3 不確定性分析結(jié)果

淮南市稻蝦共作模式單位面積碳氮足跡核算結(jié)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(shù)，通過消除這一點(diǎn)，可以有效降低單位面積碳足跡核算的總不確定性，同時(shí)也表明了權(quán)威數(shù)據(jù)庫和本土化文獻(xiàn)中換算系數(shù)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(shù)大多來自權(quán)威數(shù)據(jù)庫和本土化的文獻(xiàn)。雖然本研究中稻蝦共作單位面積碳氮足跡的核算結(jié)果具有一定的不確定性，但是相較于其他生命周期相關(guān)研究的不確定性分析結(jié)果[33，51]，本研究的不確定性較低，研究結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，具有一定參考性。

3.4 措施建議

根據(jù)情景分析的結(jié)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(rèn)為是增加水稻產(chǎn)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(chǎn)量[41]，并且在稻蝦模式中秸稈還田還會(huì)增加稻田土壤CH₄ 和N₂O 的排放[40]，進(jìn)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(shí)，也直接減少了田間氮素的投入，降低了活性氮損失的風(fēng)險(xiǎn)?？蓪⒉贿€田秸稈進(jìn)行出售或作為家禽飼料，提高收益的同時(shí)也起到了碳氮減排的積極環(huán)境效益。

（2）光伏電灌及免耕種植。2022年11月，淮南市發(fā)改委印發(fā)的《淮南市“十四五”節(jié)能減排實(shí)施方案》（https：//fgw. huainan. gov. cn / public / 118319839 /1259741610.html）中提到要發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)等清潔能源，減少傳統(tǒng)能源使用。光伏發(fā)電的碳氮排放系數(shù)均小于傳統(tǒng)燃煤發(fā)電，可以有效減少電力生產(chǎn)過程中的碳氮排放。Ruis等[52]研究發(fā)現(xiàn)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(shí)免耕也直接減少了柴油的用量和農(nóng)業(yè)機(jī)械費(fèi)用，有效提高了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

（3）采用機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)。2022年10月，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《農(nóng)業(yè)農(nóng)村部關(guān)于推進(jìn)稻漁綜合種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》（https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-11/01/content_5723093.htm）中強(qiáng)調(diào)稻漁綜合種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展要推進(jìn)稻田農(nóng)機(jī)作業(yè)通行條件改造，加快先進(jìn)適用農(nóng)機(jī)具示范推廣應(yīng)用。采用機(jī)插同步側(cè)深施肥技術(shù)的新型先進(jìn)農(nóng)機(jī)能很好地實(shí)現(xiàn)化肥一次深施和水稻插秧?；噬钍┯行p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(shí)現(xiàn)“高產(chǎn)低排”的一項(xiàng)有力措施。

3.5 研究的局限性

由于本土數(shù)據(jù)庫中缺乏一些農(nóng)資投入的碳氮排放因子，本研究選用了國外Ecoinvent 3.9 數(shù)據(jù)庫中的碳氮排放因子，可能會(huì)產(chǎn)生一定核算偏差，未來國內(nèi)數(shù)據(jù)庫的完善可使評(píng)價(jià)更為準(zhǔn)確。對(duì)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(shù)，但由于地區(qū)差異等原因其估算值與實(shí)際值會(huì)存在一定差異。目前針對(duì)龍蝦不同生長階段的專用型飼料的研發(fā)是缺乏數(shù)據(jù)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(yōu)化稻蝦共作的碳氮足跡時(shí)沒有涉及飼料這一重要投入，未來飼料相關(guān)數(shù)據(jù)的完善，可使評(píng)估結(jié)果更加全面。對(duì)于未和水稻單作環(huán)境影響進(jìn)行對(duì)比的原因在于，目前已有眾多研究開展了稻蝦共作與常規(guī)水稻種植的對(duì)比，主要集中在比較溫室氣體排放[8，12，14，56-57]、氮素循環(huán)[16-17，47-48]和經(jīng)濟(jì)效益[14，58]等多個(gè)方面，均表明稻蝦共作模式具有更好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，研究相對(duì)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(guān)鍵影響因素，評(píng)估其定量化減排潛力。另外，稻蝦共作模式的不同規(guī)模和管理差異也可能對(duì)其碳氮足跡產(chǎn)生影響[7，13]，這也是未來研究需要關(guān)注的重點(diǎn)。最后，考慮到數(shù)據(jù)可獲得性，研究區(qū)域僅選擇一個(gè)城市，未來需要開展更多區(qū)域和不同尺度的研究，進(jìn)一步規(guī)范分析框架和數(shù)據(jù)庫。

4 結(jié)論

（1）稻蝦共作模式的單位面積碳足跡、單位產(chǎn)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(xiàn)者。

（2）稻蝦共作模式的單位面積氮足跡、單位產(chǎn)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(jù)主導(dǎo)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(xiàn)者。

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