Carbon footprint assessment of rice-frog coculture system
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摘要:目的
开展稻蛙生态种养模式碳足迹系统性研究，为该模式的可持续发展提供科学依据和优化建议。
方法采用生命周期评价法，对常规水稻种植 (Traditional rice monoculture, TR ) 、绿色稻蛙种养(Green rice-frog coculture, GF) 和有机稻蛙种养 (Organic rice-frog coculture, OF)模式进行碳足迹评价。
结果GF和OF的单位面积碳足迹分别为
5985.20 和5632.99 kg CO2e·hm−2，相比TR分别降低5.98%和11.51%，单位利润碳足迹分别下降45.10%和45.87%，单位营养密度碳足迹分别下降14.63%和12.17%。GF和OF净生态系统经济效益提高了50%以上，其中GF的高达71.77%。与TR相比，GF的产量差异不显著，OF的产量降低了16.73%；GF和OF的CH4排放分别增加了58.13%和131.18%，N2O排放分别降低了41.06%和63.12%；GF和OF具有更高的全球增温潜势和温室气体排放强度，其中，OF的影响更为显著。GF和OF中，有机物料如紫云英、菜籽饼和有机肥的投入表现为净碳固定效应。碳足迹构成和敏感性分析显示，TR的碳足迹构成中温室气体排放(57.07%)和化肥施用(32.88%)占比较高；OF的碳排放和固定均高于GF，CH4排放和尼龙防护网使用对GF和OF的贡献最大。不确定性分析表明，GF和OF的单位面积碳足迹分别为5907.29 和5647.25 kg CO2e·hm−2，低于TR，变异系数小于7.5%。结论稻蛙共作模式(GF和OF)相较于TR模式具有更低的碳足迹以及更突出的碳固定效应和环境友好等特点，为气候变化背景下我国水稻产业的绿色低碳发展提供了新的科学依据。
Abstract:ObjectiveThe carbon footprint of rice-frog ecological breeding model was systematically studied in order to provide scientific basis and optimization suggestions for the sustainable development of this model.
MethodThe carbon footprints of traditional rice monoculture (TR), green rice-frog coculture (GF) and organic rice-frog coculture (OF) modes were evaluated by life cycle assessment.
ResultThe carbon footprints per unit area of GF and OF were
5985.20 and5632.99 kg CO2e·hm−2, which reduced by 5.98% and 11.51% compared with TR, the carbon footprints per unit profit decreased by 45.10% and 45.87%, and the carbon footprints per unit nutrient density decreased by 14.63% and 12.17%, respectively. GF and OF increased the net ecosystem economic benefits by above 50%, with 71.77% in GF. Compared with TR, the production of GF had no significant difference, while that of OF decreased by 16.73%. The CH4 emission of GF and OF increased by 58.13% and 131.18%, and the N2O emission decreased by 41.06% and 63.12% respectively. GF and OF had higher global warming potential and greenhouse gas emission intensity, among which the effect of OF was more significant. In GF and OF, the input of organic materials such as milk vetch, rapeseed cake and organic fertilizer showed net carbon fixation effect. The carbon footprint composition and sensitivity analysis showed that greenhouse gas emission (57.07%) and fertilizer application (32.88%) accounted for the highest carbon footprint composition of TR. The carbon emission and fixation of OF were higher than those of GF, and the CH4 emission and use of nylon protective net contributed the most to GF and OF. Uncertainty analysis showed that the carbon footprints per unit area of GF and OF were5907.29 and5647.25 kg CO2e·hm−2, respectively, which was lower than that of TR, and the coefficient of variation was less than 7.5%.ConclusionThe rice-frog coculture modes (GF and OF) show a more significant carbon fixation and environment friendliness than TR mode, which provides a new scientific basis for green and low carbon development of rice industry in our country under the background of climate change.
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气候变化引发的全球性生态环境灾难正受到越来越多关注。全球农田在支持人口爆炸性增长的同时，也排放了大量的温室气体 (Greenhouse gas, GHG)。水稻作为一种重要的粮食作物，维持了世界约一半人口的生存，同时稻田的气体排放贡献了农田温室气体排放的50% [1]。在水稻种植过程中，甲烷 (CH4) 通过淹水稻田中的厌氧发酵释放，在温室气体排放中占据主导地位，而氧化亚氮 (N2O) 则源于氮肥的施用。我国作为水稻种植和稻米消费大国，稻田排放的CH4约为全球稻田CH4排放的1/5[2]。未来受到气候变化和土地扩张的双重影响，预计水稻种植的温室气体排放强度将超过现有强度的2倍[3]。因此，控制稻田温室气体排放对于减缓全球气候变化至关重要，科学评估稻田生态系统的碳排放，并开发稻田温室气体减排措施，对我国应对气候变化、实现“双碳”目标具有重要意义。
稻蛙生态种养是一种将水稻种植和蛙类养殖相结合的综合农业模式，利用稻田作为蛙的栖息地，通过蛙的活动来减少农药和化肥的施用，实现生态位互补。稻蛙生态种养模式因其突出的经济效益在我国具有一定的规模，2022年稻蛙、稻鳖、稻鳅、稻螺4种模式的应用面积达到8×104 hm2[4]。近年来，稻蛙生态种养模式逐渐发展出集成有机肥替代、绿肥施用和生物农药施用的有机稻蛙共作模式，在绿色生产的基础上进一步提高了环境承载力[5]。以往研究表明，稻蛙生态种养相比于单一的水稻种植具有多种优势，包括控制稻田病虫害、促进养分累积和抑制氨挥发[6-8]。Fang等[9]的研究表明，稻蛙种养最多可以降低水稻生长季51%的CH4排放，并协同促进水稻的生长。另一项研究发现，稻蛙种养可以减少1.84%~22.33%的N2O排放[10]。因此稻蛙生态种养具有减缓稻田温室气体排放的潜力，可以为水稻生产的环境效益和可持续性提供解决方案。
碳足迹通常指活动或产品在生命周期中直接或间接产生的温室气体的总排放量，是系统性衡量某种碳减排方案在特定应用场景下各阶段固碳减排表现的重要工具。由于农业生产过程复杂，除了作物生产过程中的直接碳排放外，农资生产及农业活动带来的能源消耗引起的间接碳排放也不容忽视，基于排放因子估算法的生命周期评估 (Life cycle assessment, LCA) 方法被普遍应用于估算农业碳源或碳汇[11]。国际上一般采用单位面积和单位产量二氧化碳当量 (CO2e) 作为作物种植和生产的碳足迹评估单位，而在针对稻田生态种养模式的碳足迹研究中，单位利润和单位营养密度单元 (Nutrient density unit, NDU) 二氧化碳当量则可以被用来反映动物产品的经济属性和食物属性[12]。虽然稻田碳足迹核算已被广泛应用于评估各种水稻生态种植模式和技术，然而目前的研究仍然存在碳固存不明确和数据来源不确定性较大的问题，将农资投入中对土壤有机碳影响较大的有机物料的碳固定纳入碳足迹计算并采取敏感性分析和不确定性分析可以进一步改善评估结果的准确性[13-14]。
目前针对水稻与其他水生养殖动物共作的碳足迹研究结果都表现出较好的碳减排潜力。Ling等[15]比较了稻虾模式和不同稻田复种模式的碳足迹，发现无论是否结合饲料投入和秸秆还田，稻虾模式的碳足迹、直接碳排放和间接碳排放均维持在较低的水平。Feng等[16]的研究结果显示，稻鸭共作的单位面积碳足迹相比单一水稻种植降低9%，其中对CH4排放近22%的抑制可能导致了较低的碳足迹。崔文超等[17]计算了青田稻鱼共生系统的碳足迹，发现不同经营模式的单位面积碳足迹和单位产值碳足迹之间存在博弈，为稻鱼模式经济效益和环境效益的协同实现提供了理论依据。一项针对稻蛙生态种养模式的综合性分析显示，相较于双季稻和稻鸭共作，稻蛙种养承受环境压力更小，能值可持续指标表现良好，可持续发展潜力大[18]。不少研究都表明稻蛙种养可以有效抑制温室气体排放，然而现阶段仍然缺乏生命周期框架下不同稻蛙种养模式的碳足迹及其组成研究。
综上，本研究以上海青浦现代农业园区发展有限公司不同种植模式的田间试验为案例，采用LCA方法，结合产量、利润和营养密度单元，分析不同模式的碳足迹及其组成。通过敏感性分析和不确定性分析，探究影响稻蛙种养碳足迹的关键环节，以进一步优化稻蛙生态种养模式，探索我国稻田生态系统低碳管理策略，促进农业可持续发展。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
研究地点位于上海青浦现代农业园区 (121°01′E，30°08′N) ，气候类型为亚热带湿润型季风气候，年平均气温15.5 ℃，年平均降雨量
1056 mm。试验年份为2018年，水稻品种为‘青角307’。试验地土壤类型为青紫泥水稻土，基本土壤理化性质如下：土壤pH为6.53；土壤容重为1.06 g·cm−3；土壤有机碳质量分数为18.46 g·kg−1；土壤全氮、全磷和全钾质量分数分别为1.60、0.81和11.18 g·kg−1；土壤速效氮、速效磷和速效钾质量分数分别为90.00、52.60和166.70 mg·kg−1。1.2 试验设计
试验采用单因素随机区组设计，共设3个处理，分别为常规水稻种植 (Traditional rice monoculture, TR)、绿色稻蛙种养(Green rice-frog coculture, GF)、有机稻蛙种养(Organic rice-frog coculture, OF)模式，每处理均设置3个重复。所有处理冬季种植紫云英Astragalus sinicus，夏季种植水稻Oryza sativa，不同模式的紫云英和水稻种植密度一致。水稻生长季氮肥总施用量为300 kg·hm−2，TR处理施用尿素75 kg·hm−2和复合肥225 kg·hm−2，GF处理施用紫云英22.5 kg·hm−2、菜籽饼127.5 kg·hm−2、尿素75 kg·hm−2和复合肥75 kg·hm−2，OF处理施用紫云英22.5 kg·hm−2、菜籽饼127.5 kg·hm−2和生物有机肥150 kg·hm−2 (均以施氮量计)。详细的试验设计和田间管理措施参见文献[19]。
供试蛙为虎纹蛙Rana rugulosa，GF和OF处理的蛙投放密度分别为每公顷
6000 和13500 只，每只蛙投入时为 15~25 g。放蛙前使用尼龙网制作围网和天网，以防止鸟类捕食及蛙逃逸。在水稻分蘖期将蛙放入稻田的固定区域进行驯化，第1周内设置饵料台给蛙喂食，适应后散养在水稻田中。GF和OF处理蛙生长期饲料总投入量分别为66.67 和150.00 kg·hm−2。水稻收割后，GF和OF处理分别收获投入量一半的成品蛙。1.3 碳足迹分析
1.3.1 系统边界
本研究基于ISO14067框架，采用LCA方法，参考ISO14040生命周期评价标准，并运用排放因子计算水稻生长季生命周期中的碳排放和碳固定，单位折算为CO2e。核算边界包括种植前各投入品生产中的碳排放、种植过程中能源消耗引起的碳排放、温室气体直接排放和投入品碳固定，以及收获后的运输和加工阶段能源消耗引起的碳排放。投入品生产中的碳排放包括绿肥 (紫云英)、菜籽饼、复合肥、尿素、有机肥、化学除草剂、化学除虫剂、生物农药、水稻种子、尼龙网、蛙饲料、木板饲料台的生产过程中所产生的碳排放。种植过程中和收获后的能源消耗包括柴油使用、电力消耗、工人劳动和汽油消耗。温室气体主要包括CH4和N2O。碳固定指的是生物质投入后当年保留在土壤中的碳，包括紫云英、菜籽饼、有机肥和蛙粪。各模式的详细碳足迹核算边界如图1所示。
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图 1 不同模式碳足迹核算边界Figure 1. Boundary of carbon footprint accounting for different systems1.3.2 核算公式
本研究中全球增温潜势 (Global warming potential, GWP) 、温室气体排放强度 (Greenhouse gas emission intensity, GHGI) 和净生态系统经济效益 (Net ecosystem economic benefits, NEEB) 的计算公式为：
$$ {\mathrm{GWP}}=27.2{E}_{{{\mathrm{CH}}}_{4}} +298{E}_{{{\mathrm{N}}}_{2}{\mathrm{O}}}， $$ (1) $$ {\mathrm{GHGI}}={\mathrm{GWP}}/Y， $$ (2) $$ {\mathrm{NEEB}}=I+S-C-{\mathrm{GWP}} \times {{\mathrm{Tax}}}_{{\mathrm{C}}}。 $$ (3) 式(1)中：
$E_{{\mathrm{CH}}_{4}} $ 为CH4排放量，kg·hm−2；${E}_{{{\mathrm{N}}}_{2}{\mathrm{O}}} $ 为N2O排放量，kg·hm−2；27.2和298为IPCC第六次报告中CH4和N2O的GWP[20]。式(2)中：Y为稻米产量，kg·hm−2。
式(3)中：I为收入，元；S为补贴，元；C为成本，元。经调查，本案例中，TR、GF和OF模式的收入分别为
48551.58 、73125.99 和77261.72 元，补贴分别为17280 、20130 和20130 元，成本分别为41400.0 、51412.5 和59550.0 元。TaxC为碳交易市场价，取值0.1037 元·(kg CO2e)−1 [21]。单位面积碳通量的计算公式为：
$$ {\mathrm{CF}}={\mathrm{CE}}-{\mathrm{CS}}， $$ (4) $$ {\mathrm{CE}}={\mathrm{GWP}}+\displaystyle\sum _{n}^{i}{{\mathrm{IA}}}_{i}\times {{\mathrm{EF}}}_{i} ，$$ (5) $$ {\mathrm{CS}}=\displaystyle\sum _{n}^{j}{{\mathrm{IA}}}_{j}\times {{\mathrm{FIX}}}_{j}。 $$ (6) 式(4)中：CF、CE和CS分别为单位面积碳足迹、碳排放和碳固定，kg CO2 e·hm−2。
式(5)中：IAi为第i项农事操作的强度；EFi为第i项农事操作对应的碳排放因子。尿素、紫云英肥、菜籽饼的碳排放因子分别为7.48、8.01、15.43 kg CO2e·kg−1(基于氮含量计算)，复合肥、有机肥、化学除草剂、化学除虫剂、生物农药、水稻种子、尼龙网、木板饲料台、饲料的碳排放因子分别为1.77、0.10、23.10、18.70、4.30、1.84、6.50、0.20、0.41 kg CO2e·kg−1，柴油的碳排放因子为2.74 kg CO2e·L−1，电的碳排放因子为0.79 kg CO2e·kWh−1，人工的碳排放因子为0.86 kg CO2e·人−1·d−1，汽油的碳排放因子为0.35 kg CO2e·km−1 [15, 22-27]。
式(6)中：IAj为涉及到碳固定的第j项农事操作的强度，FIXj为涉及到碳固定的第j项农事操作对应的碳固定因子。紫云英、菜籽饼、有机肥、蛙粪的碳固定因子分别为0.273、1.534、0.570和0.268 kg CO2e·kg−1 [24, 28-30]。
由于各模式利润和营养产出不一，采用多类型碳足迹指标，其计算公式为：
$$ {{\mathrm{CF}}}_{{\mathrm{P}}}={\mathrm{CF}}/(I+S-C)， $$ (7) $$ {{\mathrm{CF}}}_{{\mathrm{N}}}={\mathrm{CF}}/\left({{\mathrm{NDU}}}_{{\mathrm{r}}}\times Y+{{\mathrm{NDU}}}_{{\mathrm{f}}}\times {\mathrm{Sell}}\right)。 $$ (8) 式(7)中：CFP为单位利润碳足迹，kg CO2e·元−1。
式(8)中：CFN为单位营养密度碳足迹，kg CO2e·NDU−1；NDUr为稻米营养密度单元；NDUf为蛙营养密度单元；Sell为蛙出售量，kg·hm−2。稻米和蛙营养密度的计算方法建立在蒋榕等[14]的基础上，即食物可食部蛋白质、脂肪和膳食纤维含量除以日摄入量后除以所含热量，每100 g稻米、蛙肉计算出的NDU分别为
0.2314 、1.0282 ，数据来源为国家食物与营养咨询委员会。1.4 敏感性分析
对参与GF和OF模式单位面积碳足迹计算的尿素、复合肥、紫云英、菜籽饼、有机肥、化学除草剂、化学除虫剂、生物农药、水稻种子、尼龙网、木制饲料台材料、柴油、电力、劳动力、汽油用量，CH4、N2O排放量和蛙粪产量共18个参数进行敏感性分析，令其在基线基础上变化±20%和±40%，比较单位面积碳足迹结果的变化，使其变化幅度越大的参数越敏感。
1.5 不确定性分析
蒙特卡洛法是一种广泛应用于评估特定变量的不确定性影响的方法[31]。假设各农事操作强度参数符合三角分布，采用蒙特卡洛随机抽样模拟进行
100000 次迭代，计算3种模式单位面积碳足迹的不确定性结果，形成碳足迹频数分布直方图，计算平均值、标准差和变异系数。1.6 统计分析
利用Microsoft Excel 3.0.0进行数据汇总和碳足迹计算，使用R4.2.1进行不确定性分析，使用IBM SPSS Statistics 24进行方差分析，显著性检验为Tukey检验，利用GraphPad Prism 9.0.0、R4.2.1和Microsoft Powerpoint 3.0.0绘图。
2. 结果与分析
2.1 不同种植模式的水稻产量及温室气体排放量
TR和GF模式的水稻产量分别为
8827.56 和8650.38 kg·hm−2，OF模式的水稻产量相对较低，为7350.69 kg·hm−2 (图2A)。3种模式的CH4和N2O累积排放量呈相反的趋势 (图2B和2C)，GF和OF模式的平均CH4排放量相比TR模式分别显著增加58.13%和131.18%，达到170.81 和249.73 kg·hm−2，而平均N2O排放量相比TR模式分别显著降低41.06%和63.12%，达到1.37 和0.86 kg·hm−2。OF模式的GWP和GHGI均最高，相比TR模式分别增加94.03%和133.01%，达到7048.71 kg CO2e·hm−2和0.96 kg CO2e·kg−1，GF模式其次，GWP和GHGI相比TR模式分别增加39.16%和42.01%，分别达到5055.46 kg CO2e·hm−2和0.58 kg CO2e·kg−1。![]()
图 2 不同种植模式的产量和温室气体排放现状TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养；各图中，柱子上方的不同小写字母代表差异显著 (P<0.05, Tukey检验)。Figure 2. Yield and greenhouse gas emissions in different planting systemsTR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture; In each figure, different lowercase letters on bars indicate significant differences (P<0.05, Tukey test) .2.2 不同种植模式的稻田系统碳通量及组成
GF和OF模式的单位面积碳足迹分别为
5985.20 和5632.99 kg CO2e·hm−2，相比TR模式（6365.64 kg CO2e·hm−2），分别下降5.98%和11.51% (图3A)。TR模式的单位利润碳足迹为0.26 kg CO2e·元−1，而GF和OF模式的单位利润碳足迹分别为0.14 和0.15 kg CO2e·元−1 (图3B)。TR模式的单位营养密度碳足迹为3.12 kg CO2e·NDU−1，而GF和OF模式的单位营养密度碳足迹分别为2.74 和2.66 kg CO2e·NDU−1 (图3C)。GF模式的净生态系统经济预算最高，为41319.24 元·hm−2，OF模式紧随其后，为37110.77 元·hm−2，TR模式最低，为24054.85 元·hm−2 (图3D)。![]()
图 3 不同种植模式碳足迹和经济效益TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养。Figure 3. Carbon footprints and economic benefits of different planting systemsTR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture.表1显示了3种种植模式的单位面积碳通量构成。TR模式的总碳排放低于2种稻蛙种养模式，其中，CH4排放和复合肥施用的碳排放最多，分别为
2938.16 和1531.73 kg CO2e·hm−2。GF模式的总碳排放低于OF模式，总碳固定相比OF模式也较少。对于GF模式，CH4排放、菜籽饼施用和尼龙网使用引起的碳排放最多，分别为4646.00 、1967.61 和1162.39 kg CO2e·hm−2，菜籽饼施用后带来的碳固定较高，为3690.12 kg CO2e·hm−2。对于OF模式，甲烷排放、菜籽饼施用和尼龙网使用引起的碳排放最多，分别为6792.52 、1967.61 和1162.39 kg CO2e·hm−2，菜籽饼施用和有机肥施用后带来的碳固定较高，分别为3690.12 和1379.79 kg CO2e·hm−2。表 1 不同种植模式农事操作强度及单位面积碳足迹1)Table 1. Intensity of farm operations and carbon footprints per unit area of different planting systems碳管理
Carbon management农事操作及强度
Farm operation and intensity单位面积碳通量/(kg CO2e·hm−2)
Carbon flux per unit area农事操作 TR GF OF TR GF OF 碳排放
Carbon emission尿素2)/(kg·hm−2) 75.00 75.00 0.00 561.00 561.00 0.00 复合肥/(kg·hm−2) 865.38 288.46 0.00 1531.73 510.58 0.00 紫云英2)/(kg·hm−2) 0.00 22.50 22.50 0.00 180.26 180.26 菜籽饼2)/(kg·hm−2) 0.00 127.50 127.50 0.00 1967.61 1967.61 有机肥/(kg·hm−2) 0.00 0.00 2419.35 0.00 0.00 232.26 化学除草剂/(kg·hm−2) 0.84 0.00 0.00 19.40 0.00 0.00 化学除虫剂/(kg·hm−2) 0.84 0.33 0.00 15.71 6.17 0.00 生物农药/(kg·hm−2) 0.00 0.00 4.46 0.00 0.00 19.20 水稻种子/(kg·hm−2) 0.12 0.12 0.12 0.23 0.23 0.23 尼龙网/(kg·hm−2) 0.00 178.83 178.83 0.00 1162.39 1162.39 木板饲料台/(kg·hm−2) 0.00 4.86 9.72 0.00 0.97 1.94 饲料/(kg·hm−2) 0.00 66.67 150.00 0.00 27.33 61.50 柴油/(L·hm−2) 83.34 96.42 111.75 227.91 263.68 305.60 电力/(kWh·hm−2) 457.83 453.11 418.50 363.38 359.63 332.16 劳动力/(人·d·hm−2) 15.00 37.50 60.00 12.90 32.25 51.60 CH4/(kg·hm−2) 108.02 170.81 249.73 2938.16 4646.00 6792.52 N2O/(kg·hm−2) 2.33 1.37 0.86 694.73 409.45 256.19 汽油/(km·hm−2) 1.41 1.70 12.10 0.49 0.59 4.21 总和 6365.64 10128.15 11367.67 碳固定
Carbon fixation有机肥/(kg·hm−2) 0.00 0.00 2419.35 0.00 0.00 1379.79 紫云英/(kg·hm−2) 0.00 1022.73 1022.73 0.00 279.03 279.03 菜籽饼/(kg·hm−2) 0.00 2405.66 2405.66 0.00 3690.12 3690.12 蛙粪/(kg·hm−2) 0.00 649.30 1441.12 0.00 173.79 385.74 总和 0.00 4142.95 5734.69 1) TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养；2)该项农事操作强度以施氮量计。
1) TR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture; 2) The intensity of this farm operation is calculated based on the amount of nitrogen applied.在所有的农事操作中，2种稻蛙模式的紫云英绿肥、菜籽饼肥和有机肥施用同时具有碳排放和碳固定作用，而这3项农事操作的净碳足迹皆表现为碳固定。由于2种稻蛙模式的紫云英和菜籽饼施用量相同，2项操作分别可以带来98.77 和
1722.51 kg CO2e·hm−2的净碳固定。有机肥施用为OF模式贡献了1147.53 kg CO2e·hm−2的净碳固定。剔除了紫云英绿肥、菜籽饼肥和有机肥施用后的碳排放构成如图4所示。TR模式中，对于碳排放相对贡献较大的CH4排放和复合肥施用分别占比46.16%和24.06%，N2O排放和尿素施用紧随其后，分别占比10.91%和8.81%，能源消耗也具有一定的贡献，电力消耗占比5.71%，柴油消耗占比3.58%。GF模式中，对于碳排放贡献最大的分别为CH4排放和尼龙网使用，占比58.22%和14.57%，尿素施用、复合肥施用和N2O排放其次，分别占比7.03%、6.40%和5.13%，能源消耗也具有一定的贡献，电力消耗占比4.51%，柴油消耗占比3.30%。OF模式中，对于碳排放贡献最大的分别为CH4排放和尼龙网使用，占比75.58%和12.93%，电力消耗、柴油消耗和N2O排放其次，分别占比为3.70%、3.40%和2.85%。
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图 4 不同种植模式碳排放组成TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养；由于菜籽饼、紫云英和有机肥的碳固定大于碳排放，因此图中剔除了这3项。Figure 4. The composition of carbon emissions of different planting systemsTR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture; Because the carbon sequestration of rapeseed cake, Chinese milk vetch, and organic fertilizer exceeds their carbon emissions, these three items have been excluded in the figure.2.3 不同种植模式碳足迹的敏感性分析
不同稻蛙种养模式单位面积碳足迹的敏感性分析结果如图5所示。在18个输入参数中，CH4排放最为敏感。当CH4排放量在±40%范围内变动时，GF模式的单位面积碳足迹的变化范围为
4126.80 ~7843.60 kg CO2e·hm−2，OF模式的变化范围更高，达到2915.98 ~8350.00 kg CO2e·hm−2。在GF模式中，菜籽饼肥施用量和尼龙网使用量也较为敏感，当这2个参数在±40%范围内变动时，单位面积碳足迹的变化范围分别为5296.19 ~6674.21 和5520.24 ~6450.15 kg CO2e·hm−2。在OF模式中，菜籽饼肥施用量、尼龙网使用量和有机肥施用量较为敏感，当这3个参数在±40%范围内变动时，单位面积碳足迹的变化范围分别为4943.98 ~6321.99 、5168.03 ~6097.94 和5173.97 ~6092.00 kg CO2e·hm−2。其余参数对于2种稻蛙种养模式的碳足迹核算结果的影响均较小。![]()
图 5 绿色稻蛙种养(GF)和有机稻蛙种养(OF)模式单位面积碳足迹敏感性分析Figure 5. Sensitivity analysis of carbon footprints per unit area of green rice-frog coculture(GF) and organic rice-frog coculture (OF) modes2.4 不同种植模式碳足迹的不确定性分析
不确定性分析的结果如图6所示。TR模式的单位面积碳足迹最高，为
6311.48 kg CO2e·hm−2，GF模式其次，为5907.29 kg CO2e·hm−2，OF模式最低，为5647.25 kg CO2e·hm−2。TR、GF和OF模式的变异系数分别为5.73%、7.16%和7.26%，均小于10%，表明本案例中3种模式的单位面积碳足迹结果的不确定性较低。![]()
图 6 基于蒙特卡洛模拟的不同种植模式单位面积碳足迹频数直方图TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养。Figure 6. Histogram of carbon footprints per unit area for different planting systems based on Monte Carlo simulationsTR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture.3. 讨论与结论
本研究发现，OF模式的产量相比TR模式显著下降16.73%，这可能是由于绿肥和有机肥的输入相比化肥的养分释放更慢，且不利于水稻偏好的铵态氮累积，OF模式中更大量的蛙带来了更多动物源有机质的输入，考虑到研究区域的土壤为青紫泥，基底有机质为31.83 g·kg−1，较为肥沃，对于有机质输入的反应较为迟钝；也可能是有机肥相比化肥，在水稻分蘖期氮素供应不足，导致有效分蘖数减少，这一系列因素可能导致对产量的负面影响[32]。
Fang等[9]的研究发现，在水稻生长季节，稻蛙种养可以使CH4排放量减少21.68%~51.21%。而本研究发现，GF和OF模式分别使得CH4排放量增加58.13%和131.18%。Yuan等[33]对比了化肥施用、有机肥部分替代和有机肥完全替代化肥施用对稻田CH4排放的影响，发现有机肥完全替代处理的CH4排放量最高，可能源自有机肥对土壤碳底物有效性的提高。虽然蛙游、爬、跳等活动可能会通过增强稻田水体扰动、提高稻田水体溶解氧浓度而促进CH4氧化[34]，但是蛙通过排泄向稻田中输入的新鲜有机质对CH4产生也有一定的贡献[35]。结合2种稻蛙种养模式中不同量级的有机肥输入，可能是导致1.5~2.0倍CH4增排的原因。本研究还发现，GF和OF模式分别显著抑制了41.06%和63.12%的N2O排放，这与一项关注稻田生态种养的meta研究中稻蛙种养可以显著降低67%的N2O排放的结论[36]相一致。值得注意的是，有机肥施用可能也有利于N2O排放的减少，如Kong等[37]研究发现，有机肥替代通过抑制硝化过程中的氨氧化活性和反硝化过程中的亚硝酸盐还原活性，加强稻田反硝化过程中N2O的还原。虽然化学农药对于N2O排放的影响还不甚清晰，Das等[38]的研究提示，在有利于反硝化的潮湿田地中，部分化学农药的施用 (如异硫氰酸甲酯) 有可能会贡献N2O排放。由于稻田温室气体排放中CH4占据了主要地位，本研究中2种稻蛙种养模式的GWP都高于TR模式，同时GHGI都高于TR模式，不过GF模式相对具有更低的GWP和GHGI增长。
在过去的30年中，随着物资投入和能源消耗的增加，中国稻米生产的碳足迹大幅增加，增长幅度位列所有类型食物中的第1位[39]，亟需发展水稻低碳生产技术。本研究发现，在稻田中投入蛙并集成绿肥还田、有机肥施用、生物农药替代等生态技术可以降低5.98%~11.51%的单位面积碳足迹，蛙的出售可以带来一定的经济收入，应用稻蛙生态种养模式可以降低45.10%~42.87%的单位利润碳足迹，即使具有GWP增长的风险，稻蛙生态种养对NEEB的促进作用仍然超过了50%。研究表明，稻蛙模式的经济效益在各复合种养模式中位列第2，如果将蛙皮、蛙分泌物进行二次开发利用，可以带来更多经济效益[40]。OF模式的NEEB低于GF模式，可能是因为其GWP相对较高，另外本研究未考虑有机稻蛙种养可能对稻米品质的正面影响以及有机蛙稻米的溢价效应，因此OF模式的经济效益还有提升的空间。由于蛙肉是优质蛋白质来源，考虑到稻蛙生态种养模式的营养效益，本研究发现GF和OF模式的单位营养密度产出碳足迹相比TR模式降低12.17%~14.63%，相比文献中稻虾共作模式也更低[14]，这可能是因为蛙肉的综合营养含量略高于小龙虾。总之，不同维度的碳足迹指标的结果表明，稻蛙生态种养模式在可以实现固碳减排的基础上还有着良好的经济效益和食品营养产出功能。
从碳足迹构成来看，本研究发现，2种稻蛙生态种养模式的碳排放都高于TR模式，但约占碳排放量一半的碳固定使得2种模式的净碳排放较低，尤其是OF模式。本研究的碳足迹核算边界内考虑了有机物料的投入带来的碳固定，这在其他计算农业碳足迹的文献中是有例可循的[41]，具体表现在紫云英还田、菜籽饼施用、有机肥施用和蛙粪输入后对土壤有机碳的增加，虽然紫云英、菜籽饼和有机肥的生产过程产生了间接碳排放，但与它们的碳固定量相互抵消后，表现出净碳固定的效应，这些生态技术的固碳作用对于稻田生态种养模式碳足迹的降低具有较大贡献。需要注意的是，本研究中碳固定的估算基于有机物料的碳含量，未考虑到降解速率，因此存在一定程度上的高估，然而已有的不少证据都表明绿肥和有机肥的输入对稻田土壤中碳固存的潜力巨大[42-43]。就碳排放构成而言，水稻种植期间的温室气体排放，尤其是CH4排放，无论在TR模式还是在稻蛙生态种养模式中都占主导地位 (>45%)。TR模式中另一大碳排放较高的项目是化肥的施用，这符合曹黎明等[44]关于上海市水稻生产碳足迹的研究结果，可能与我国化肥的平均温室气体排放系数较高有关[45]。在2种稻蛙生态种养模式中，除了CH4排放和菜籽饼施用的间接碳排放较高 (这部分被碳固定所抵消) 外，蛙配套设施的建造也带来了一定的碳排放，例如为了防备蛙被鸟类或黄鼠狼吃掉所搭建的尼龙材质围网和天网，形成的间接碳排放在2种模式的碳足迹中占比均超过10%，这可能与尼龙这种化工产品的排放系数较高有关，另一方面可能是因为对网的网眼大小和分布面积有较高的需求，会导致材料用量较大。
综上所述，稻蛙生态种养增加了CH4排放，但对N2O排放具有抑制效果。GF和OF模式的单位面积、单位利润和单位营养密度碳足迹相比常规水稻种植分别降低了超过5%、40%和12%，且NEEB较高，这表明稻蛙生态种养模式具有显著的环境、经济和营养效益。稻蛙生态种养模式中有机物料的施用带来了显著的碳固定，约占碳排放量的40.91%~50.45%，因此其碳足迹相比常规模式更低。相比GF模式，OF模式的CH4排放增加了46.20%，但有机肥施用的碳固定使其单位面积碳足迹降低5.88%。由于CH4排放仍然是碳足迹中重要的组成成分 (48.22%~75.58%)，蛙管理过程中如尼龙网使用造成了较多的间接碳排放(12.93%~14.57%)，未来稻蛙生态种养模式需要引入更多的CH4减排措施和更为绿色环保的蛙管理措施，以降低碳排风险。
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图 1 不同模式碳足迹核算边界
Figure 1. Boundary of carbon footprint accounting for different systems
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图 2 不同种植模式的产量和温室气体排放现状
TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养；各图中，柱子上方的不同小写字母代表差异显著 (P<0.05, Tukey检验)。
Figure 2. Yield and greenhouse gas emissions in different planting systems
TR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture; In each figure, different lowercase letters on bars indicate significant differences (P<0.05, Tukey test) .
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图 3 不同种植模式碳足迹和经济效益
TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养。
Figure 3. Carbon footprints and economic benefits of different planting systems
TR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture.
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图 4 不同种植模式碳排放组成
TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养；由于菜籽饼、紫云英和有机肥的碳固定大于碳排放，因此图中剔除了这3项。
Figure 4. The composition of carbon emissions of different planting systems
TR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture; Because the carbon sequestration of rapeseed cake, Chinese milk vetch, and organic fertilizer exceeds their carbon emissions, these three items have been excluded in the figure.
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图 5 绿色稻蛙种养(GF)和有机稻蛙种养(OF)模式单位面积碳足迹敏感性分析
Figure 5. Sensitivity analysis of carbon footprints per unit area of green rice-frog coculture(GF) and organic rice-frog coculture (OF) modes
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图 6 基于蒙特卡洛模拟的不同种植模式单位面积碳足迹频数直方图
TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养。
Figure 6. Histogram of carbon footprints per unit area for different planting systems based on Monte Carlo simulations
TR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture.
表 1 不同种植模式农事操作强度及单位面积碳足迹1)
Table 1 Intensity of farm operations and carbon footprints per unit area of different planting systems
碳管理
Carbon management农事操作及强度
Farm operation and intensity单位面积碳通量/(kg CO2e·hm−2)
Carbon flux per unit area农事操作 TR GF OF TR GF OF 碳排放
Carbon emission尿素2)/(kg·hm−2) 75.00 75.00 0.00 561.00 561.00 0.00 复合肥/(kg·hm−2) 865.38 288.46 0.00 1531.73 510.58 0.00 紫云英2)/(kg·hm−2) 0.00 22.50 22.50 0.00 180.26 180.26 菜籽饼2)/(kg·hm−2) 0.00 127.50 127.50 0.00 1967.61 1967.61 有机肥/(kg·hm−2) 0.00 0.00 2419.35 0.00 0.00 232.26 化学除草剂/(kg·hm−2) 0.84 0.00 0.00 19.40 0.00 0.00 化学除虫剂/(kg·hm−2) 0.84 0.33 0.00 15.71 6.17 0.00 生物农药/(kg·hm−2) 0.00 0.00 4.46 0.00 0.00 19.20 水稻种子/(kg·hm−2) 0.12 0.12 0.12 0.23 0.23 0.23 尼龙网/(kg·hm−2) 0.00 178.83 178.83 0.00 1162.39 1162.39 木板饲料台/(kg·hm−2) 0.00 4.86 9.72 0.00 0.97 1.94 饲料/(kg·hm−2) 0.00 66.67 150.00 0.00 27.33 61.50 柴油/(L·hm−2) 83.34 96.42 111.75 227.91 263.68 305.60 电力/(kWh·hm−2) 457.83 453.11 418.50 363.38 359.63 332.16 劳动力/(人·d·hm−2) 15.00 37.50 60.00 12.90 32.25 51.60 CH4/(kg·hm−2) 108.02 170.81 249.73 2938.16 4646.00 6792.52 N2O/(kg·hm−2) 2.33 1.37 0.86 694.73 409.45 256.19 汽油/(km·hm−2) 1.41 1.70 12.10 0.49 0.59 4.21 总和 6365.64 10128.15 11367.67 碳固定
Carbon fixation有机肥/(kg·hm−2) 0.00 0.00 2419.35 0.00 0.00 1379.79 紫云英/(kg·hm−2) 0.00 1022.73 1022.73 0.00 279.03 279.03 菜籽饼/(kg·hm−2) 0.00 2405.66 2405.66 0.00 3690.12 3690.12 蛙粪/(kg·hm−2) 0.00 649.30 1441.12 0.00 173.79 385.74 总和 0.00 4142.95 5734.69 1) TR：常规水稻种植，GF：绿色稻蛙种养，OF：有机稻蛙种养；2)该项农事操作强度以施氮量计。
1) TR: Traditional rice monoculture, GF: Green rice-frog coculture, OF: Organic rice-frog coculture; 2) The intensity of this farm operation is calculated based on the amount of nitrogen applied.
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