平衡生产力与环境绩效：基于技术效率的日本水稻生产中甲烷减排效果评估

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：Bridging productivity and environmental performance: A technical efficiency–based assessment of methane mitigation in Japanese rice production

　　

朱浩然

东京大学农业与生命科学研究生院，日本东京

摘要

农业生产对全球温室气体排放有显著贡献，其中甲烷是水稻种植的主要排放源。由于水稻是日本的主要农作物，了解其生产对环境的影响至关重要。本研究采用随机前沿分析方法，估算了1990年至2023年间日本七个主要农业区域的水稻生产技术效率。研究结果表明，较高的技术效率与每公顷甲烷排放量呈正相关，这表明生产力的提高可能会带来意想不到的环境后果。在此基础上，通过将实际排放量与全效率下的最优水平进行比较，计算了甲烷减排潜力。结果显示，全国平均减排潜力约为7.0%，但各地区之间存在显著差异。此外，还估算了甲烷的影子价格，以评估减排的经济成本。不同地区的甲烷影子价格范围为每千克CH₄ 0.07至0.30日元，凸显了边际减排成本的差异。本研究有助于在高质量农业发展与环境可持续性之间取得平衡，并为区域特定政策设计提供了框架。

引言

农业仍然是全球温室气体（GHG）排放的主要驱动因素，在更广泛的气候危机背景下尤为突出。自1970年以来，全球农业产量翻了一番多，农业和土地利用变化造成的排放现在约占人为温室气体总排放量的四分之一（Bennetzen等人，2016年）。仅在非洲，1994年至2014年间，农业温室气体排放量每年增长2.9%至3.1%（Tongwane和Moeletsi，2018年）。这些排放物包括二氧化碳（CO₂）、一氧化二氮（N₂O）和甲烷（CH₄），其中甲烷在淹水水稻系统中尤为显著（Kamyab等人，2024年）。在稻田中，甲烷是在持续淹水形成的厌氧条件下通过微生物分解有机物产生的（Le等人，2001年）。在许多地区，农业贡献了超过50%的甲烷总排放量——例如，在欧盟为54%（Pathak等人，2010年）。甲烷的全球变暖潜力远大于CO₂，尤其是在较短的时间尺度上，使其成为农业气候缓解和全球甲烷承诺等倡议的关键目标（Jeffry等人，2021年）。全球范围内，水稻种植占农业温室气体排放量的10%以上，以及总人为温室气体排放量的1.3%至1.8%（Maraseni等人，2018年）。研究表明，到2030年，农业和林业方面的措施具有7.2至10.6吉吨二氧化碳当量的减排潜力，其中约三分之一可以在每吨成本低于20美元的情况下实现（政府间气候变化专门委员会和IPCC第六次评估报告，2021年）。要实现这一重要的减排潜力，需要更深入地了解特定种植系统及其管理效率。

在日本，水稻仍然是最重要的主食作物之一，它同时面临着粮食安全和气候责任的双重挑战。根据日本农林水产省（2025年）的数据，2024年水稻种植面积为134万公顷，占日本总农业用地的31.5%，全国产量达到1014万吨（联合国粮食及农业组织，2025年）。然而，稻田也是甲烷排放的重要来源，2023年贡献了1292万吨二氧化碳当量的排放，占日本总温室气体排放量的1.2%（日本国立环境研究所，2025年）。具体来说，稻田土壤中的厌氧条件促进了有机基质的甲烷生成，CH₄通过植物介导的传输和扩散排放，而氧化过程部分缓解了这些排放（Fumoto等人，2010年）。鉴于这一影响，日本越来越重视通过水资源管理改革来缓解气候变化。政策努力和农艺指南现在优先考虑通过机械和自然手段提高排水能力（农林水产省，2003年）。研究表明，没有排水的田地排放的甲烷量可能是有排水田地的五倍以上（Kudo等人，2014年）。近年来，日本许多水稻农场采用了自动化机械来支持生产（农林水产省，2025年）。虽然技术和政策的进步旨在减少排放，但它们对生产效率的影响复杂，环境表现与经济结果之间存在微妙的关系。

历史数据显示，日本水稻种植的甲烷排放量呈下降趋势，但仍有人担心过于激进的减排策略可能会影响水稻产量和经济回报。正如Chataut等人（2023年）所指出的，有效的农业气候缓解措施必须谨慎平衡环境目标与经济可行性。这种平衡取决于技术效率，即从给定投入中获得最大产出的能力。技术效率是生产经济学中的一个核心概念，指的是生产单位从给定投入中获得最大可行产出的能力，或者等效地，为了达到给定的产出水平而最小化投入使用（Russell，1985年）。虽然传统观点认为低技术效率通常与更大的环境污染相关（Sherlund等人，2002年），但效率的提高并不一定带来更好的环境结果。在25个亚洲发展中国家中，技术效率不足以防止二氧化碳、甲烷和一氧化二氮排放的增加（Nugroho，2024年）。在中国，不同技术组的二氧化碳排放效率显示出仍有很大的改进潜力，尤其是在东部省份的农业地区（Fei，2017年）。同样，在苏格兰，技术效率较高、规模较大或产量较大的农场往往也有较高的温室气体排放效率（Shortall，2013年）。这些相互矛盾的发现强调了需要在日本水稻种植的具体背景下评估技术效率与环境表现之间的关系。

基于这一前提，本研究调查了1990年至2023年间日本水稻种植中技术效率与甲烷排放之间的关系。虽然之前的研究已经对日本的甲烷排放进行了建模或探讨了工程干预措施（Katayanagi，2016年），但很少有研究定量评估全效率下的减排潜力或估算甲烷的影子价格——即减少排放的边际经济成本，这反映了当地的权衡，并可能随排放变化规模的不同而变化。本研究量化了日本各农业区域的水稻生产技术效率和甲烷的影子价格，从而为区域改进和可持续发展提供了政策指导。为了解决这些已识别的差距，本研究的核心目标是：

(1)

量化1990年至2023年间日本各农业区域的水稻生产技术效率。

(2)

估算甲烷的影子价格以及与水稻种植相关的边际减排成本。

(3)

分析技术效率与甲烷排放之间的权衡，以制定可持续农业政策。

章节摘录

方法论

本研究调查了1990年至2023年间日本七个主要农业区域的水稻技术效率与甲烷排放之间的关系。采用四步实证策略来实现这一目标。首先，使用随机前沿分析估算技术效率得分，从而能够衡量每个区域相对于高效前沿的生产表现。这一综合框架同时考虑了生产力和可持续性

水稻生产的技术效率

表2展示了随机前沿生产模型的结果。水管理成本的对数系数为0.141，肥料成本为0.058，机械化成本为-0.048。温度的统计显著负系数为-0.015。应用了异方差稳健标准误差，对数似然函数值确认了模型的收敛性。水管理和肥料投入对水稻产量有积极影响，而

研究发现

生产效率的随机前沿估计显示，水管理和肥料成本对水稻产量有积极影响，其系数分别为0.141和0.058，这与现有文献基本一致（Liu等人，2019年）。各地区的技术效率得分普遍较高，平均为0.930。值得注意的是，各农业区域之间的技术效率存在差异。北海道（0.961）和东海-近畿（0.952）的技术效率最高

结论

本研究建立了1990年至2023年间日本水稻生产中技术效率与甲烷排放之间的关键联系。实证分析证实，较高的技术效率与每公顷甲烷排放量呈正相关。这表明生产力提升与环境结果之间存在权衡，效率的提高往往伴随着投入使用的增加，如延长淹水时间或增加肥料施用量，从而加剧了

数据可用性声明

本研究的支持数据可向相应作者索取。

资金

本研究没有获得任何资金支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。