稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式碳足跡評價

摘要： 【目的】開展稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式碳足跡系統(tǒng)性研究，為該模式的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)和優(yōu)化建議?！痉椒ā坎捎蒙芷谠u價法，對常規(guī)水稻種植 （Traditional rice monoculture， TR ） 、綠色稻蛙種養(yǎng)（Green rice-frogcoculture， GF） 和有機(jī)稻蛙種養(yǎng) （Organic rice-frog coculture， OF） 模式進(jìn)行碳足跡評價。【結(jié)果】GF 和OF 的單位面積碳足跡分別為5 985.20 和5 632.99 kg CO2e·hm?2，相比TR 分別降低5.98% 和11.51%，單位利潤碳足跡分別下降45.10% 和45.87%，單位營養(yǎng)密度碳足跡分別下降14.63% 和12.17%。GF 和OF 凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益提高了50% 以上，其中GF 的高達(dá)71.77%。與TR 相比，GF 的產(chǎn)量差異不顯著，OF 的產(chǎn)量降低了16.73%；GF 和OF 的CH4 排放分別增加了58.13% 和131.18%，N2O 排放分別降低了41.06% 和63.12%；GF 和OF 具有更高的全球增溫潛勢和溫室氣體排放強(qiáng)度，其中，OF 的影響更為顯著。GF 和OF 中，有機(jī)物料如紫云英、菜籽餅和有機(jī)肥的投入表現(xiàn)為凈碳固定效應(yīng)。碳足跡構(gòu)成和敏感性分析顯示， TR 的碳足跡構(gòu)成中溫室氣體排放（57.07%） 和化肥施用（32.88%） 占比較高；OF 的碳排放和固定均高于GF，CH4 排放和尼龍防護(hù)網(wǎng)使用對GF 和OF 的貢獻(xiàn)最大。不確定性分析表明，GF 和OF 的單位面積碳足跡分別為5 907.29 和5 647.25 kg CO2e·hm?2，低于TR，變異系數(shù)小于7.5%。【結(jié)論】稻蛙共作模式（GF 和OF） 相較于TR 模式具有更低的碳足跡以及更突出的碳固定效應(yīng)和環(huán)境友好等特點，為氣候變化背景下我國水稻產(chǎn)業(yè)的綠色低碳發(fā)展提供了新的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 稻田生態(tài)系統(tǒng)；碳足跡；生命周期評價；綠色稻蛙；有機(jī)稻蛙

中圖分類號： S966.3；S511；X82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1001-411X（2024）06-0939-10

氣候變化引發(fā)的全球性生態(tài)環(huán)境災(zāi)難正受到越來越多關(guān)注。全球農(nóng)田在支持人口爆炸性增長的同時，也排放了大量的溫室氣體 （Greenhouse gas，GHG）。水稻作為一種重要的糧食作物，維持了世界約一半人口的生存，同時稻田的氣體排放貢獻(xiàn)了農(nóng)田溫室氣體排放的50% [1]。在水稻種植過程中，甲烷 （CH4） 通過淹水稻田中的厭氧發(fā)酵釋放，在溫室氣體排放中占據(jù)主導(dǎo)地位，而氧化亞氮 （N2O） 則源于氮肥的施用。我國作為水稻種植和稻米消費(fèi)大國，稻田排放的CH4 約為全球稻田CH4 排放的1/5[2]。未來受到氣候變化和土地擴(kuò)張的雙重影響，預(yù)計水稻種植的溫室氣體排放強(qiáng)度將超過現(xiàn)有強(qiáng)度的2 倍[3]。因此，控制稻田溫室氣體排放對于減緩全球氣候變化至關(guān)重要，科學(xué)評估稻田生態(tài)系統(tǒng)的碳排放，并開發(fā)稻田溫室氣體減排措施，對我國應(yīng)對氣候變化、實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

稻蛙生態(tài)種養(yǎng)是一種將水稻種植和蛙類養(yǎng)殖相結(jié)合的綜合農(nóng)業(yè)模式，利用稻田作為蛙的棲息地，通過蛙的活動來減少農(nóng)藥和化肥的施用，實現(xiàn)生態(tài)位互補(bǔ)。稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式因其突出的經(jīng)濟(jì)效益在我國具有一定的規(guī)模，2022 年稻蛙、稻鱉、稻鰍、稻螺4 種模式的應(yīng)用面積達(dá)到8×104 hm2[4]。近年來，稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式逐漸發(fā)展出集成有機(jī)肥替代、綠肥施用和生物農(nóng)藥施用的有機(jī)稻蛙共作模式，在綠色生產(chǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了環(huán)境承載力[5]。以往研究表明，稻蛙生態(tài)種養(yǎng)相比于單一的水稻種植具有多種優(yōu)勢，包括控制稻田病蟲害、促進(jìn)養(yǎng)分累積和抑制氨揮發(fā)[6-8]。Fang 等[9] 的研究表明，稻蛙種養(yǎng)最多可以降低水稻生長季51% 的CH4 排放，并協(xié)同促進(jìn)水稻的生長。另一項研究發(fā)現(xiàn)，稻蛙種養(yǎng)可以減少1.84%～22.33% 的N2O 排放[10]。因此稻蛙生態(tài)種養(yǎng)具有減緩稻田溫室氣體排放的潛力，可以為水稻生產(chǎn)的環(huán)境效益和可持續(xù)性提供解決方案。

碳足跡通常指活動或產(chǎn)品在生命周期中直接或間接產(chǎn)生的溫室氣體的總排放量，是系統(tǒng)性衡量某種碳減排方案在特定應(yīng)用場景下各階段固碳減排表現(xiàn)的重要工具。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜，除了作物生產(chǎn)過程中的直接碳排放外，農(nóng)資生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)活動帶來的能源消耗引起的間接碳排放也不容忽視，基于排放因子估算法的生命周期評估 （Lifecycle assessment， LCA） 方法被普遍應(yīng)用于估算農(nóng)業(yè)碳源或碳匯[11]。國際上一般采用單位面積和單位產(chǎn)量二氧化碳當(dāng)量 （CO2e） 作為作物種植和生產(chǎn)的碳足跡評估單位，而在針對稻田生態(tài)種養(yǎng)模式的碳足跡研究中，單位利潤和單位營養(yǎng)密度單元 （Nutrientdensity unit， NDU） 二氧化碳當(dāng)量則可以被用來反映動物產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)屬性和食物屬性[12]。雖然稻田碳足跡核算已被廣泛應(yīng)用于評估各種水稻生態(tài)種植模式和技術(shù)，然而目前的研究仍然存在碳固存不明確和數(shù)據(jù)來源不確定性較大的問題，將農(nóng)資投入中對土壤有機(jī)碳影響較大的有機(jī)物料的碳固定納入碳足跡計算并采取敏感性分析和不確定性分析可以進(jìn)一步改善評估結(jié)果的準(zhǔn)確性[13-14]。

目前針對水稻與其他水生養(yǎng)殖動物共作的碳足跡研究結(jié)果都表現(xiàn)出較好的碳減排潛力。Ling 等[15]比較了稻蝦模式和不同稻田復(fù)種模式的碳足跡，發(fā)現(xiàn)無論是否結(jié)合飼料投入和秸稈還田，稻蝦模式的碳足跡、直接碳排放和間接碳排放均維持在較低的水平。Feng 等[16] 的研究結(jié)果顯示，稻鴨共作的單位面積碳足跡相比單一水稻種植降低9%，其中對CH4 排放近22% 的抑制可能導(dǎo)致了較低的碳足跡。崔文超等[17] 計算了青田稻魚共生系統(tǒng)的碳足跡，發(fā)現(xiàn)不同經(jīng)營模式的單位面積碳足跡和單位產(chǎn)值碳足跡之間存在博弈，為稻魚模式經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益的協(xié)同實現(xiàn)提供了理論依據(jù)。一項針對稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式的綜合性分析顯示，相較于雙季稻和稻鴨共作，稻蛙種養(yǎng)承受環(huán)境壓力更小，能值可持續(xù)指標(biāo)表現(xiàn)良好，可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ骩18]。不少研究都表明稻蛙種養(yǎng)可以有效抑制溫室氣體排放，然而現(xiàn)階段仍然缺乏生命周期框架下不同稻蛙種養(yǎng)模式的碳足跡及其組成研究。

綜上，本研究以上海青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)發(fā)展有限公司不同種植模式的田間試驗為案例，采用LCA 方法，結(jié)合產(chǎn)量、利潤和營養(yǎng)密度單元，分析不同模式的碳足跡及其組成。通過敏感性分析和不確定性分析，探究影響稻蛙種養(yǎng)碳足跡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以進(jìn)一步優(yōu)化稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式，探索我國稻田生態(tài)系統(tǒng)低碳管理策略，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點位于上海青浦現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū) （121°01′E，30°08′N） ，氣候類型為亞熱帶濕潤型季風(fēng)氣候，年平均氣溫15.5 ℃，年平均降雨量1 056 mm。試驗?zāi)攴轂?018 年，水稻品種為‘青角307’。試驗地土壤類型為青紫泥水稻土，基本土壤理化性質(zhì)如下：土壤pH 為6.53；土壤容重為1.06 g·cm?3；土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.46 g·kg?1；土壤全氮、全磷和全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.60、0.81 和11.18 g·kg?1；土壤速效氮、速效磷和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為9 0 . 0 0 、52.60 和166.70 mg·kg?1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共設(shè)3 個處理，分別為常規(guī)水稻種植 （Traditional rice monoculture，TR）、綠色稻蛙種養(yǎng)（Green rice-frog coculture， GF）、有機(jī)稻蛙種養(yǎng)（Organic rice-frog coculture， OF） 模式，每處理均設(shè)置3 個重復(fù)。所有處理冬季種植紫云英Astragalus sinicus，夏季種植水稻Oryzasativa，不同模式的紫云英和水稻種植密度一致。水稻生長季氮肥總施用量為300 kg·hm?2，TR 處理施用尿素75 kg·hm?2 和復(fù)合肥225 kg·hm?2，GF 處理施用紫云英22.5 kg·hm?2、菜籽餅127.5 kg·hm?2、尿素75 kg·hm?2 和復(fù)合肥75 kg·hm?2，OF 處理施用紫云英22.5 kg·hm?2、菜籽餅127.5 kg·hm?2 和生物有機(jī)肥150 kg·hm?2 （均以施氮量計）。詳細(xì)的試驗設(shè)計和田間管理措施參見文獻(xiàn)[19]。

供試蛙為虎紋蛙Rana rugulosa，GF 和OF 處理的蛙投放密度分別為每公頃6 000 和13 500 只，每只蛙投入時為 15～25 g。放蛙前使用尼龍網(wǎng)制作圍網(wǎng)和天網(wǎng)，以防止鳥類捕食及蛙逃逸。在水稻分蘗期將蛙放入稻田的固定區(qū)域進(jìn)行馴化，第1 周內(nèi)設(shè)置餌料臺給蛙喂食，適應(yīng)后散養(yǎng)在水稻田中。GF 和OF 處理蛙生長期飼料總投入量分別為66.67和150.00 kg·hm?2。水稻收割后，GF 和OF 處理分別收獲投入量一半的成品蛙。

1.3 碳足跡分析

1.3.1 系統(tǒng)邊界

本研究基于ISO14067 框架，采用LCA 方法，參考ISO14040 生命周期評價標(biāo)準(zhǔn)，并運(yùn)用排放因子計算水稻生長季生命周期中的碳排放和碳固定，單位折算為CO2e。核算邊界包括種植前各投入品生產(chǎn)中的碳排放、種植過程中能源消耗引起的碳排放、溫室氣體直接排放和投入品碳固定，以及收獲后的運(yùn)輸和加工階段能源消耗引起的碳排放。投入品生產(chǎn)中的碳排放包括綠肥 （紫云英）、菜籽餅、復(fù)合肥、尿素、有機(jī)肥、化學(xué)除草劑、化學(xué)除蟲劑、生物農(nóng)藥、水稻種子、尼龍網(wǎng)、蛙飼料、木板飼料臺的生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的碳排放。種植過程中和收獲后的能源消耗包括柴油使用、電力消耗、工人勞動和汽油消耗。溫室氣體主要包括CH4 和N2O。碳固定指的是生物質(zhì)投入后當(dāng)年保留在土壤中的碳，包括紫云英、菜籽餅、有機(jī)肥和蛙糞。各模式的詳細(xì)碳足跡核算邊界如圖1 所示。

1.3.2 核算公式

本研究中全球增溫潛勢 （Globalwarming potential， GWP） 、溫室氣體排放強(qiáng)度（Greenhouse gas emission intensity， GHGI） 和凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益 （Net ecosystem economic benefits，NEEB） 的計算公式為：

GWP = 27.2ECH4 +298EN2O， （1）

GHGI = GWP=Y， （2）

NEEB = I +S-C -GWP×TaxC。（3）

式 （1） 中：ECH4為 CH4 排放量，kg·hm?2；EN2O為N2O 排放量，kg·hm?2；27.2 和298 為IPCC 第六次報告中CH4 和N2O 的GWP[20]。

式（2） 中：Y 為稻米產(chǎn)量，kg·hm?2。

式（3） 中：I 為收入，元；S 為補(bǔ)貼，元；C 為成本，元。經(jīng)調(diào)查，本案例中，TR、GF 和OF 模式的收入分別為48 551.58、73 125.99 和77 261.72 元，補(bǔ)貼分別為17 280、20 130 和20 130 元，成本分別為41 400.0、51 412.5 和59 550.0 元。TaxC 為碳交易市場價，取值0.103 7 元·（kg CO2e）?1 [21]。

單位面積碳通量的計算公式為：

式（4） 中：CF、CE 和CS 分別為單位面積碳足跡、碳排放和碳固定，kg CO2 e·hm?2。

式（5） 中：IAi 為第i 項農(nóng)事操作的強(qiáng)度；EFi為第i 項農(nóng)事操作對應(yīng)的碳排放因子。尿素、紫云英肥、菜籽餅的碳排放因子分別為7.48、8.01、15.43 kg CO2e·kg?1（基于氮含量計算），復(fù)合肥、有機(jī)肥、化學(xué)除草劑、化學(xué)除蟲劑、生物農(nóng)藥、水稻種子、尼龍網(wǎng)、木板飼料臺、飼料的碳排放因子分別為1.77、0.10、23.10、18.70、4.30、1.84、6.50、0.20、0.41 kg CO2 e·kg? 1 ，柴油的碳排放因子為2.74kg CO2e·L?1，電的碳排放因子為0.79 kg CO2e·kWh?1，人工的碳排放因子為0.86 kg CO2e·人?1·d?1，汽油的碳排放因子為0.35 kg CO2e·km?1 [15， 22-27]。

式（6） 中：IAj 為涉及到碳固定的第j 項農(nóng)事操作的強(qiáng)度，F(xiàn)IXj 為涉及到碳固定的第j 項農(nóng)事操作對應(yīng)的碳固定因子。紫云英、菜籽餅、有機(jī)肥、蛙糞的碳固定因子分別為0.273、1.534、0.570 和0.268kg CO2e·kg?1 [24， 28-30]。

由于各模式利潤和營養(yǎng)產(chǎn)出不一，采用多類型碳足跡指標(biāo)，其計算公式為：

CFP = CF=（I +S -C）， （7）

CFN = CF= （NDUr×Y +NDUf ×Sell）。（8）

式（7） 中：CFP 為單位利潤碳足跡，kg CO2e·元?1。

式（ 8 ） 中： C F N 為單位營養(yǎng)密度碳足跡，kg CO2e·NDU?1；NDUr 為稻米營養(yǎng)密度單元；NDUf為蛙營養(yǎng)密度單元；Sell 為蛙出售量，kg·hm?2。稻米和蛙營養(yǎng)密度的計算方法建立在蔣榕等[14] 的基礎(chǔ)上，即食物可食部蛋白質(zhì)、脂肪和膳食纖維含量除以日攝入量后除以所含熱量，每100 g 稻米、蛙肉計算出的NDU 分別為0.231 4、1.028 2，數(shù)據(jù)來源為國家食物與營養(yǎng)咨詢委員會。

1.4 敏感性分析

對參與GF 和OF 模式單位面積碳足跡計算的尿素、復(fù)合肥、紫云英、菜籽餅、有機(jī)肥、化學(xué)除草劑、化學(xué)除蟲劑、生物農(nóng)藥、水稻種子、尼龍網(wǎng)、木制飼料臺材料、柴油、電力、勞動力、汽油用量，CH4、N2O 排放量和蛙糞產(chǎn)量共18 個參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，令其在基線基礎(chǔ)上變化±20% 和±40%，比較單位面積碳足跡結(jié)果的變化，使其變化幅度越大的參數(shù)越敏感。

1.5 不確定性分析

蒙特卡洛法是一種廣泛應(yīng)用于評估特定變量的不確定性影響的方法[31]。假設(shè)各農(nóng)事操作強(qiáng)度參數(shù)符合三角分布，采用蒙特卡洛隨機(jī)抽樣模擬進(jìn)行100 000 次迭代，計算3 種模式單位面積碳足跡的不確定性結(jié)果，形成碳足跡頻數(shù)分布直方圖，計算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。

1.6 統(tǒng)計分析

利用Microsoft Excel 3.0.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總和碳足跡計算，使用R4.2.1 進(jìn)行不確定性分析，使用IBM SPSS Statistics 24 進(jìn)行方差分析，顯著性檢驗為T u k e y 檢驗，利用G r a p h P a d P r i s m 9 . 0 . 0 、R4.2.1 和Microsoft Powerpoint 3.0.0 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式的水稻產(chǎn)量及溫室氣體排放量

TR 和GF 模式的水稻產(chǎn)量分別為8 827.56 和8 650.38 kg·hm?2，OF 模式的水稻產(chǎn)量相對較低，為7 350.69 kg·hm? 2 （圖2A）。3 種模式的CH4 和N 2O 累積排放量呈相反的趨勢 （圖2B 和2 C ） ，GF 和OF 模式的平均CH4 排放量相比TR 模式分別顯著增加58.13% 和131.18%，達(dá)到170.81 和249.73 kg·hm?2，而平均N2O 排放量相比TR 模式分別顯著降低41.06% 和63.12%，達(dá)到1.37 和0.86 kg·hm?2。OF 模式的GWP 和GHGI 均最高，相比TR 模式分別增加94.03% 和133.01%，達(dá)到7 048.71 kg CO2e·hm?2 和0.96 kg CO2e·kg?1，GF 模式其次，GWP 和GHGI 相比TR 模式分別增加39.16% 和42.01%，分別達(dá)到5 055.46 kg CO2e·hm?2和0.58 kg CO2e·kg?1。

2.2 不同種植模式的稻田系統(tǒng)碳通量及組成

G F 和O F 模式的單位面積碳足跡分別為5 985.20 和5 632.99 kg CO2e·hm?2，相比TR 模式（ 6 365.64 kg CO2 e·hm? 2 ） ，分別下降5.98% 和11.51% （圖3A）。TR 模式的單位利潤碳足跡為0.26kg CO2e·元?1，而GF 和OF 模式的單位利潤碳足跡分別為0.14 和0.15 kg CO2e·元?1 （圖3B）。TR 模式的單位營養(yǎng)密度碳足跡為3.12 kg CO2e·NDU?1，而GF 和OF 模式的單位營養(yǎng)密度碳足跡分別為2.74和2.66 kg CO2e·NDU?1 （圖3C）。GF 模式的凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)預(yù)算最高，為41 319.24 元·hm?2，OF 模式緊隨其后，為37 110.77 元·hm?2，TR 模式最低，為24 054.85 元·hm?2 （圖3D）。

表1 顯示了3 種種植模式的單位面積碳通量構(gòu)成。TR 模式的總碳排放低于2 種稻蛙種養(yǎng)模式，其中，CH4 排放和復(fù)合肥施用的碳排放最多，分別為2 938.16 和1 531.73 kg CO2e·hm?2。GF 模式的總碳排放低于OF 模式，總碳固定相比OF 模式也較少。對于GF 模式，CH4 排放、菜籽餅施用和尼龍網(wǎng)使用引起的碳排放最多，分別為4 646.00、1 967.61 和1 162.39 kg CO2e·hm?2，菜籽餅施用后帶來的碳固定較高，為3 690.12 kg CO2e·hm?2。對于OF 模式，甲烷排放、菜籽餅施用和尼龍網(wǎng)使用引起的碳排放最多，分別為6 792.52、1 967.61 和1 162.39 kg CO2 e·hm? 2 ，菜籽餅施用和有機(jī)肥施用后帶來的碳固定較高，分別為3 690.12 和1 379.79 kg CO2e·hm?2。

在所有的農(nóng)事操作中，2 種稻蛙模式的紫云英綠肥、菜籽餅肥和有機(jī)肥施用同時具有碳排放和碳固定作用，而這3 項農(nóng)事操作的凈碳足跡皆表現(xiàn)為碳固定。由于2 種稻蛙模式的紫云英和菜籽餅施用量相同，2 項操作分別可以帶來98.77 和1 722.51 kg CO2e·hm?2 的凈碳固定。有機(jī)肥施用為OF 模式貢獻(xiàn)了1 147.53 kg CO2e·hm?2 的凈碳固定。

剔除了紫云英綠肥、菜籽餅肥和有機(jī)肥施用后的碳排放構(gòu)成如圖4 所示。TR 模式中，對于碳排放相對貢獻(xiàn)較大的CH4 排放和復(fù)合肥施用分別占比46.16% 和24.06%，N2O 排放和尿素施用緊隨其后，分別占比10.91% 和8.81%，能源消耗也具有一定的貢獻(xiàn)，電力消耗占比5 . 7 1 % ，柴油消耗占比3.58%。GF 模式中，對于碳排放貢獻(xiàn)最大的分別為CH4 排放和尼龍網(wǎng)使用，占比58.22% 和14.57%，尿素施用、復(fù)合肥施用和N2O 排放其次，分別占比7.03%、6.40% 和5.13%，能源消耗也具有一定的貢獻(xiàn)，電力消耗占比4.51%，柴油消耗占比3.30%。OF 模式中，對于碳排放貢獻(xiàn)最大的分別為CH4 排放和尼龍網(wǎng)使用，占比75.58% 和12.93%，電力消耗、柴油消耗和N2O 排放其次，分別占比為3.70%、3.40% 和2.85%。

2.3 不同種植模式碳足跡的敏感性分析

不同稻蛙種養(yǎng)模式單位面積碳足跡的敏感性分析結(jié)果如圖5 所示。在18 個輸入?yún)?shù)中，CH4 排放最為敏感。當(dāng)CH4 排放量在±40% 范圍內(nèi)變動時，GF 模式的單位面積碳足跡的變化范圍為4 126.80～7 843.60 kg CO2e·hm?2，OF 模式的變化范圍更高，達(dá)到2 915.98～8 350.00 kg CO2e·hm?2。在GF 模式中，菜籽餅肥施用量和尼龍網(wǎng)使用量也較為敏感，當(dāng)這2 個參數(shù)在±40% 范圍內(nèi)變動時，單位面積碳足跡的變化范圍分別為5 296.19～6 674.21 和5 520.24～6 450.15 kg CO2e·hm?2。在OF 模式中，菜籽餅肥施用量、尼龍網(wǎng)使用量和有機(jī)肥施用量較為敏感，當(dāng)這3 個參數(shù)在±40% 范圍內(nèi)變動時，單位面積碳足跡的變化范圍分別為4 943.98～6 321.99、5 168.03～6 097.94和5 173.97～6 092.00 kg CO2e·hm?2。其余參數(shù)對于2種稻蛙種養(yǎng)模式的碳足跡核算結(jié)果的影響均較小。

2.4 不同種植模式碳足跡的不確定性分析

不確定性分析的結(jié)果如圖6 所示。TR 模式的單位面積碳足跡最高，為6 311.48 kg CO2e·hm?2，GF 模式其次，為5 907.29 kg CO2e·hm?2，OF 模式最低，為5 647.25 kg CO2e·hm?2。TR、GF 和OF 模式的變異系數(shù)分別為5.73%、7.16% 和7.26%，均小于10%，表明本案例中3 種模式的單位面積碳足跡結(jié)果的不確定性較低。

3 討論與結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，OF 模式的產(chǎn)量相比TR 模式顯著下降16.73%，這可能是由于綠肥和有機(jī)肥的輸入相比化肥的養(yǎng)分釋放更慢，且不利于水稻偏好的銨態(tài)氮累積，OF 模式中更大量的蛙帶來了更多動物源有機(jī)質(zhì)的輸入，考慮到研究區(qū)域的土壤為青紫泥，基底有機(jī)質(zhì)為31.83 g·kg?1，較為肥沃，對于有機(jī)質(zhì)輸入的反應(yīng)較為遲鈍；也可能是有機(jī)肥相比化肥，在水稻分蘗期氮素供應(yīng)不足，導(dǎo)致有效分蘗數(shù)減少，這一系列因素可能導(dǎo)致對產(chǎn)量的負(fù)面影響[32]。

Fang 等[9] 的研究發(fā)現(xiàn)，在水稻生長季節(jié)，稻蛙種養(yǎng)可以使CH4 排放量減少21.68%～51.21%。而本研究發(fā)現(xiàn)，GF 和OF 模式分別使得CH4 排放量增加58.13% 和131.18%。Yuan 等[33] 對比了化肥施用、有機(jī)肥部分替代和有機(jī)肥完全替代化肥施用對稻田CH4 排放的影響，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥完全替代處理的CH4 排放量最高，可能源自有機(jī)肥對土壤碳底物有效性的提高。雖然蛙游、爬、跳等活動可能會通過增強(qiáng)稻田水體擾動、提高稻田水體溶解氧濃度而促進(jìn)CH4 氧化[34]，但是蛙通過排泄向稻田中輸入的新鮮有機(jī)質(zhì)對CH4 產(chǎn)生也有一定的貢獻(xiàn)[35]。結(jié)合2種稻蛙種養(yǎng)模式中不同量級的有機(jī)肥輸入，可能是導(dǎo)致1.5～2.0 倍CH4 增排的原因。本研究還發(fā)現(xiàn)，GF和OF 模式分別顯著抑制了41.06% 和63.12% 的N2O 排放，這與一項關(guān)注稻田生態(tài)種養(yǎng)的meta 研究中稻蛙種養(yǎng)可以顯著降低67% 的N2O 排放的結(jié)論[36] 相一致。值得注意的是，有機(jī)肥施用可能也有利于N2O 排放的減少，如Kong 等[37] 研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代通過抑制硝化過程中的氨氧化活性和反硝化過程中的亞硝酸鹽還原活性，加強(qiáng)稻田反硝化過程中N2O 的還原。雖然化學(xué)農(nóng)藥對于N2O 排放的影響還不甚清晰，Das 等[38] 的研究提示，在有利于反硝化的潮濕田地中，部分化學(xué)農(nóng)藥的施用 （如異硫氰酸甲酯） 有可能會貢獻(xiàn)N2O 排放。由于稻田溫室氣體排放中CH4 占據(jù)了主要地位，本研究中2 種稻蛙種養(yǎng)模式的GWP 都高于TR 模式，同時GHGI 都高于TR 模式，不過GF 模式相對具有更低的GWP 和GHGI 增長。

在過去的30 年中，隨著物資投入和能源消耗的增加，中國稻米生產(chǎn)的碳足跡大幅增加，增長幅度位列所有類型食物中的第1 位[39]，亟需發(fā)展水稻低碳生產(chǎn)技術(shù)。本研究發(fā)現(xiàn)，在稻田中投入蛙并集成綠肥還田、有機(jī)肥施用、生物農(nóng)藥替代等生態(tài)技術(shù)可以降低5.98%～11.51% 的單位面積碳足跡，蛙的出售可以帶來一定的經(jīng)濟(jì)收入，應(yīng)用稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式可以降低45.10%～42.87% 的單位利潤碳足跡，即使具有GWP 增長的風(fēng)險，稻蛙生態(tài)種養(yǎng)對NEEB 的促進(jìn)作用仍然超過了50%。研究表明，稻蛙模式的經(jīng)濟(jì)效益在各復(fù)合種養(yǎng)模式中位列第2，如果將蛙皮、蛙分泌物進(jìn)行二次開發(fā)利用，可以帶來更多經(jīng)濟(jì)效益[40]。OF 模式的NEEB 低于GF 模式，可能是因為其GWP 相對較高，另外本研究未考慮有機(jī)稻蛙種養(yǎng)可能對稻米品質(zhì)的正面影響以及有機(jī)蛙稻米的溢價效應(yīng)，因此OF 模式的經(jīng)濟(jì)效益還有提升的空間。由于蛙肉是優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)來源，考慮到稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式的營養(yǎng)效益，本研究發(fā)現(xiàn)GF 和OF 模式的單位營養(yǎng)密度產(chǎn)出碳足跡相比TR模式降低12.17%～14.63%，相比文獻(xiàn)中稻蝦共作模式也更低[14]，這可能是因為蛙肉的綜合營養(yǎng)含量略高于小龍蝦。總之，不同維度的碳足跡指標(biāo)的結(jié)果表明，稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式在可以實現(xiàn)固碳減排的基礎(chǔ)上還有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和食品營養(yǎng)產(chǎn)出功能。

從碳足跡構(gòu)成來看，本研究發(fā)現(xiàn)，2 種稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式的碳排放都高于TR 模式，但約占碳排放量一半的碳固定使得2 種模式的凈碳排放較低，尤其是OF 模式。本研究的碳足跡核算邊界內(nèi)考慮了有機(jī)物料的投入帶來的碳固定，這在其他計算農(nóng)業(yè)碳足跡的文獻(xiàn)中是有例可循的[41]，具體表現(xiàn)在紫云英還田、菜籽餅施用、有機(jī)肥施用和蛙糞輸入后對土壤有機(jī)碳的增加，雖然紫云英、菜籽餅和有機(jī)肥的生產(chǎn)過程產(chǎn)生了間接碳排放，但與它們的碳固定量相互抵消后，表現(xiàn)出凈碳固定的效應(yīng)，這些生態(tài)技術(shù)的固碳作用對于稻田生態(tài)種養(yǎng)模式碳足跡的降低具有較大貢獻(xiàn)。需要注意的是，本研究中碳固定的估算基于有機(jī)物料的碳含量，未考慮到降解速率，因此存在一定程度上的高估，然而已有的不少證據(jù)都表明綠肥和有機(jī)肥的輸入對稻田土壤中碳固存的潛力巨大[42-43]。就碳排放構(gòu)成而言，水稻種植期間的溫室氣體排放，尤其是CH4 排放，無論在TR 模式還是在稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式中都占主導(dǎo)地位（gt;45%）。TR 模式中另一大碳排放較高的項目是化肥的施用，這符合曹黎明等[44] 關(guān)于上海市水稻生產(chǎn)碳足跡的研究結(jié)果，可能與我國化肥的平均溫室氣體排放系數(shù)較高有關(guān)[45]。在2 種稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式中，除了CH4 排放和菜籽餅施用的間接碳排放較高（這部分被碳固定所抵消） 外，蛙配套設(shè)施的建造也帶來了一定的碳排放，例如為了防備蛙被鳥類或黃鼠狼吃掉所搭建的尼龍材質(zhì)圍網(wǎng)和天網(wǎng)，形成的間接碳排放在2 種模式的碳足跡中占比均超過10%，這可能與尼龍這種化工產(chǎn)品的排放系數(shù)較高有關(guān)，另一方面可能是因為對網(wǎng)的網(wǎng)眼大小和分布面積有較高的需求，會導(dǎo)致材料用量較大。

綜上所述，稻蛙生態(tài)種養(yǎng)增加了CH4 排放，但對N2O 排放具有抑制效果。GF 和OF 模式的單位面積、單位利潤和單位營養(yǎng)密度碳足跡相比常規(guī)水稻種植分別降低了超過5%、40% 和12%，且NEEB較高，這表明稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式具有顯著的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和營養(yǎng)效益。稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式中有機(jī)物料的施用帶來了顯著的碳固定，約占碳排放量的40.91%～50.45%，因此其碳足跡相比常規(guī)模式更低。相比GF 模式，OF 模式的CH4 排放增加了46.20%，但有機(jī)肥施用的碳固定使其單位面積碳足跡降低5.88%。由于CH4 排放仍然是碳足跡中重要的組成成分 （48.22%～75.58%），蛙管理過程中如尼龍網(wǎng)使用造成了較多的間接碳排放（12.93%～14.57%），未來稻蛙生態(tài)種養(yǎng)模式需要引入更多的CH4 減排措施和更為綠色環(huán)保的蛙管理措施，以降低碳排風(fēng)險。

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【責(zé)任編輯 莊 延】

基金項目：上海市水稻產(chǎn)業(yè)體系項目（滬農(nóng)科產(chǎn)字（2022） 第3 號）