综合稻蟹养殖的生命周期环境影响：混养与轮作系统的比较研究

《Journal of Environmental Management》：Life cycle environmental impacts of integrated rice-crayfish farming: A comparative study of coculture and rotation systems

　　

葛安冉|金晨轩|刘欣|吴丹

中国江苏省河海大学地理与遥感学院流域水土过程重点实验室，南京，211100

摘要

由于高经济效益、高效的养分利用和低污染物排放，水产养殖与农业结合的复合种植模式在中国越来越受欢迎。然而，其生命周期的环境影响取决于所选择的功能单位（FU），这些功能单位定义了用于比较不同产品系统的基准。本研究采用生命周期评估（LCA）方法，使用四种功能单位（每公顷面积、每100千卡的能量含量、每营养密度单位（NDU）和每人民币的收入）来评估两种典型系统的环境影响：稻蟹轮作（RCR）和稻蟹共养（RCC）。结果表明，当仅按每公顷面积评估时，RCC的环境影响大于RCR，这主要是由于饲料和肥料等额外物质的投入。但在其他三种功能单位下，RCC的环境影响比RCR低5.8-76.9%。饲料、肥料、电力和柴油是主要的环境负担来源，分别占全球变暖潜能（GWP）的63.4-72.0%等。对于RCC系统，GWP主要来源于田间排放和饲料，而电力的影响相对较小。因此，减少饲料浪费和开发替代蛋白质来源有助于提升稻蟹系统的可持续性。

引言

中国的水产养殖与农业结合的复合种植模式持续发展，当前的农业发展方向是提高标准化和大规模应用。到2023年，稻水养殖的总面积超过了2994千公顷，比1982年增加了130千公顷，增长了4.5%（中国渔业协会，2024年）。由于这种模式具有积极的社会经济效益（Berg，2002年），复合稻水养殖系统内部的物质循环减少了化学肥料（Ahmed和Garnett，2011年）、饲料和农药（Berg和Tam，2018年）的投入，从而显著增加了农民收入（Berg等人，2023年）并提高了生活水平（Xie等人，2011年）。此外，许多田间实验研究和实证研究表明，这种复合种植模式可以提高养分利用效率（Hou等人，2021年）、改善生态环境（Si等人，2018年）、减少污染物排放（Oehme等人，2007年）、降低重金属污染风险（Mo等人，2022年）、减轻环境污染（Fang等人，2021年）以及减少灌溉用水需求（Frei和Becker，2005年）。

在各种稻水养殖系统中，稻蟹养殖系统目前应用最为广泛，约占中国复合稻水养殖总面积的56.4%（Yu等人，2023年）。该系统被认为传统水稻种植与小龙虾（Procambarus clarkii）养殖之间存在互利关系（Li等人，2025年）。它利用浅水稻田环境（包括水、光、热和土壤）促进水稻和小龙虾生产的相互收益（Wang等人，2024年）。传统的稻蟹养殖模式是RCR，在这个模式下，先进行一个季节的小龙虾养殖（稻蟹前阶段），然后在水稻收获后进行另一个季节的小龙虾养殖（稻蟹后阶段），从而生产小龙虾苗。RCC系统是在RCR基础上新开发的（Liu等人，2019年）。在RCC系统中，同一块田地可以种植一个季节的水稻和最多三个季节的小龙虾，包括一个与水稻同时养殖的小龙虾季节（稻蟹中阶段）（Zhang等人，2019年），从而实现了水资源的有效利用和多次收获。与RCR系统相比，RCC系统在稻蟹中阶段需要额外投入幼体，从而提高了小龙虾产量和经济效益。因此，推广RCC系统的地区通常更注重增加小龙虾产量和提高生产效率。然而，这也可能导致环境负担增加。基于这种情况，有必要全面评估这两种代表性稻蟹系统的环境影响，确定影响环境的关键因素，并为支持复合稻蟹养殖的可持续发展提供系统的政策建议。

根据国际标准化组织（ISO 14040和ISO 14044）标准（ISO 14040，2006a，2006b），采用生命周期评估（LCA）方法来评估这两种稻蟹系统的环境影响。LCA是一种结构化的方法，用于量化产品系统在其生命周期内的输入、输出和潜在环境负担。分析包括四个阶段：目标和范围定义、生命周期清单（LCI）分析、生命周期影响评估（LCIA）和解释。在本研究中，使用这一框架比较了不同功能单位下RCR和RCC的环境绩效。该方法可以定量估计产品或活动在其生命周期内的潜在环境影响，并为可持续生产和消费决策提供支持（Guinée等人，2011年；Fan等人，2018年）。近年来，越来越多的LCA研究比较了复合稻水养殖系统与传统水稻单一种植系统的环境绩效。Jiao等人（2023年）报告称，当以每公顷面积为功能单位（FU）评估稻鱼养殖时，其碳足迹仅为水稻单一种植的77.8%。Ji等人（2024年）表明，稻蟹和稻蟹共养系统显著减少了CH₄排放，从而降低了系统的全球变暖潜能（GWP）。Yang等人（2024年）报告称，在相同的土地面积下，RCC的碳足迹比水稻单一种植低2.3%。Jiang等人（2022年）也得出了类似的结果。

尽管先前的研究初步证明了复合稻水养殖系统的减排潜力，但RCR和RCC系统之间的系统生命周期比较仍然有限，且结论往往相互矛盾。例如，关于酸化潜力，Hu等人（2021年）认为饲料投入是RCR系统的主要影响因素，而Xu等人（2022b）则报告称田间排放占RCC酸化潜力的51%。此外，不同研究中功能单位的选择不一致也使得比较变得复杂。Hu等人（2021）以每公顷面积为功能单位（FU）比较了水稻单一种植（RM）和RCR，发现小龙虾子系统显著增加了资源消耗和污染物排放，其中饲料生产和喂养是主要的环境影响因素。对于多输出农业系统，通常使用能量含量（千卡）作为功能单位。因此，Sun等人（2022）同时使用每公顷面积和每单位能量来比较RM和RCC的环境影响。Dooren（2016）使用其他功能单位发现，与水稻单一种植相比，RCC的碳足迹每单位经济产出减少了81.4%，每单位营养密度减少了49.3%，这归因于其更高的经济价值和营养密度（以产品重量中的营养素计）。Xu等人（2022a）使用营养密度单位（NDU）和经济产出作为功能单位来比较RM、RCC和其他稻水养殖系统。同样，也使用每公顷面积（ha）和NDU来比较RM、小龙虾单一种植（CM）和RCR（Xu等人，2022b）。

为了解决这些研究空白，本研究的三个关键目标是：（1）通过实地调查、文献回顾和专家咨询构建复合稻蟹养殖的生命周期清单（LCI），从而区分RCR和RCC系统；（2）定量评估RCR和RCC系统在其生命周期各阶段的环境影响，并在不同功能单位下比较差异；（3）识别对每个环境影响类别有显著贡献的关键过程和物质，并探索可行的环境影响缓解策略。

章节片段

目标、范围和功能单位

本研究的目标是使用不同的功能单位评估RCR和RCC的环境影响，并识别这两种系统中的环境热点。基于广泛的文献回顾和系统分析，在江苏省进行了实地调查。江苏省是中国主要的稻蟹养殖区之一。

生命周期环境影响

所有类别的每公顷面积（ha）的环境影响见表S7。对于RCR和RCC系统，表2总结了四个关键环境影响类别的生命周期影响，即TAP、GWP、TETP和FEP。结果按四种功能单位表示：每公顷、每100千卡、每NDU和每人民币。如上所述，RCC系统每公顷面积的小龙虾产量更高，且小龙虾的能量含量和营养密度高于水稻。因此，RCC系统

结论

RCR和RCC是能够增加农民收入并减轻环境影响的复合养殖系统。本研究对其环境绩效进行了全面比较评估，解决了功能单位选择带来的局限性。使用每公顷面积（ha）作为功能单位时，RCC系统的环境影响略高于RCR系统。然而，当按能量含量、营养密度或收入进行标准化后，RCC系统的产出更高

CRediT作者贡献声明

葛安冉：数据整理、正式分析、调查、方法论、可视化、初稿撰写。金晨轩：数据整理、正式分析、调查、撰写——审阅与编辑。刘欣：概念构思、资金获取、方法论、监督、验证、撰写——审阅与编辑。吴丹：数据整理、调查。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：刘欣报告获得了中央高校基本研究基金的财政支持；刘欣报告获得了江苏省自然科学基金的财政支持；刘欣报告获得了国家自然科学基金的财政支持；刘欣与河海大学存在关联

致谢

本研究得到了江苏省自然科学基金（BK20240191）、中央高校基本研究基金和国家自然科学基金（编号：42171273）的支持。作者感谢所有协助进行调查的合作伙伴。