不同灌溉模式下農(nóng)業(yè)水能消耗及碳排放研究

張慧芳，趙榮欽，肖連剛，魏義長(zhǎng)，朱瑞明，馮夢(mèng)雨，羅慧麗，李汭詩(shī)

不同灌溉模式下農(nóng)業(yè)水能消耗及碳排放研究

張慧芳，趙榮欽*，肖連剛，魏義長(zhǎng)，朱瑞明，馮夢(mèng)雨，羅慧麗，李汭詩(shī)

（華北水利水電大學(xué) 測(cè)繪與地理信息學(xué)院，鄭州 450046）

【】從“水-能”關(guān)聯(lián)的視角揭示不同灌溉模式下水能消耗和碳排放的差異。通過(guò)收集河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)（原陽(yáng)）節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)不同灌溉模式下的面積、產(chǎn)量、水資源及能源消耗等數(shù)據(jù)，分析了不同灌溉模式下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放強(qiáng)度的差異，并探討了水能消耗及碳排放的關(guān)聯(lián)關(guān)系。灌溉碳排放是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要碳排放源。傳統(tǒng)漫灌模式下水能消耗及碳排放強(qiáng)度均較高，滴灌模式下水能消耗及碳排放強(qiáng)度明顯下降，其中水資源、能源消耗及碳排放強(qiáng)度較漫灌模式分別減少60.00%、19.47%和33.21%；在漫灌模式下，冬小麥全生長(zhǎng)期內(nèi)的碳排放強(qiáng)度高于夏玉米19.67%；而在微噴灌與滴灌模式下，夏玉米灌溉碳排放強(qiáng)度比冬小麥高43.75%和40.81%；夏玉米在滴灌模式下的產(chǎn)量略高于微噴灌，明顯高于漫灌模式（12.05%），遠(yuǎn)高于雨養(yǎng)模式（43.13%）；不同灌溉模式下耕作方式和水能消耗強(qiáng)度是導(dǎo)致碳排放差異的主要原因。不同灌溉模式下農(nóng)業(yè)水能消耗及碳排放強(qiáng)度差異明顯，在考慮區(qū)域水資源狀況及土壤條件的基礎(chǔ)上，規(guī)?；捎玫喂?、微噴灌等節(jié)水灌溉措施可以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的能源消耗強(qiáng)度，推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的低碳發(fā)展。

農(nóng)業(yè)；灌溉模式；碳排放；水能消耗

0 引言

【研究意義】農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中各種能源和物資投入導(dǎo)致的碳排放約占全球碳排放總量的20%～35%[1-2]。作為世界上第二大灌溉農(nóng)業(yè)國(guó)，中國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水量約占全國(guó)總用水量的65%[3]，僅華北平原2010年用于農(nóng)業(yè)灌溉的用水量占可再生農(nóng)業(yè)用水量的4倍多[4]，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)導(dǎo)致的碳排放量占全國(guó)碳排放總量的17%～20%[5-6]，其中灌溉過(guò)程碳排放約占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放總量的22%[7]，水資源開(kāi)發(fā)利用過(guò)程導(dǎo)致的碳排放是農(nóng)業(yè)碳排放的重要組成部分[8-9]。河南作為華北平原典型的農(nóng)業(yè)大省，其73%的耕地為灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)[10]，灌溉農(nóng)業(yè)糧食產(chǎn)量是全國(guó)糧食總產(chǎn)量的重要組成部分，是我國(guó)糧食安全的重要基礎(chǔ)保障，因此，開(kāi)展不同灌溉模式下的水能消耗和碳排放研究對(duì)于揭示農(nóng)業(yè)水-能-碳關(guān)系機(jī)理，探索資源協(xié)同節(jié)約和碳減排的農(nóng)業(yè)優(yōu)化生產(chǎn)方式具有重要意義。

【研究進(jìn)展】不同灌溉模式下農(nóng)業(yè)水能消耗及碳排放強(qiáng)度差異明顯。與傳統(tǒng)漫灌模式相比，微噴灌和滴灌處理下冬小麥生育期的耗水總量分別減少41.64%和43.88%，水分利用效率分別提高了77.09%和83.15%[11]，且在各個(gè)生育時(shí)期冬小麥的日耗水強(qiáng)度隨灌水量的增加而逐漸增加[12]；河南省灌溉農(nóng)業(yè)能源消耗強(qiáng)度整體上呈北高南低，西高東低的態(tài)勢(shì)[13]；在碳排放強(qiáng)度方面，滴灌模式下冬小麥農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的固碳量、土壤碳排放總量分別比漫灌模式下高出15.38%和11.43%[14]。傳統(tǒng)漫灌模式下，水能資源消耗浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重[15]。微噴灌模式下能源消耗強(qiáng)度明顯降低，且水資源利用效率顯著提高[16]。滴灌模式在微噴灌模式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了水能資源配置[17]，實(shí)現(xiàn)了更高水平的資源利用率及生產(chǎn)效率[18]。雨養(yǎng)模式下，作物水能資源消耗強(qiáng)度較低，生產(chǎn)效率提升空間較大[19]。

灌溉是提高作物對(duì)全球氣候變化適應(yīng)能力的重要適應(yīng)策略。在水資源有限的地區(qū)，灌溉在維持作物生產(chǎn)方面起著至關(guān)重要的作用[20]?！厩腥朦c(diǎn)】近年來(lái)，關(guān)于灌溉模式對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放影響的研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，一些學(xué)者從灌溉方式對(duì)土壤呼吸[21-24]、土壤溫度敏感性[19,24-25]及其中微生物活性[26-27]的影響等不同視角開(kāi)展了農(nóng)業(yè)灌溉碳排放的研究，但多為國(guó)家[5,28-30]、區(qū)域[7,31]或省域[11,32]等宏觀尺度，而從區(qū)域微觀尺度上揭示農(nóng)業(yè)水能消耗強(qiáng)度及其對(duì)碳排放影響的研究還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，特別是結(jié)合傳統(tǒng)漫灌、微噴灌、滴灌和雨養(yǎng)等不同灌溉模式，從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程“水-能”資源耦合角度開(kāi)展碳排放研究的相對(duì)較少?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本文基于河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)（原陽(yáng)）節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)各項(xiàng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從“水-能”關(guān)聯(lián)的視角開(kāi)展微觀尺度下傳統(tǒng)漫灌、微噴灌、滴灌和雨養(yǎng)4種灌溉模式下農(nóng)業(yè)水能消耗及碳排放研究，進(jìn)一步深化農(nóng)業(yè)碳排放機(jī)理研究，推動(dòng)灌溉農(nóng)業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型及生產(chǎn)效率的提升。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)位于河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園區(qū)（原陽(yáng)）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“科教園區(qū)”），處于35°6'18''—35°48'43''N、113°56'28''—114°34'53''E之間，屬典型的豫北黃河沖積平原。該區(qū)域多年平均降水量580 mm，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，光熱充沛，土壤類(lèi)型為潮土，質(zhì)地為砂壤土，土質(zhì)肥沃，耕作條件良好。

本研究數(shù)據(jù)來(lái)自科教園區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)2016年10月—2019年10月農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程相關(guān)水肥、電力和柴油等物資投入的監(jiān)測(cè)和記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)4種灌溉模式分別為傳統(tǒng)漫灌、微噴灌、滴灌及雨養(yǎng)空白對(duì)照，總面積8 000 m2，每種灌溉模式的田塊規(guī)格為25 m×80 m，中間以寬度為40 cm的地壟分隔開(kāi)（圖1）。其中，漫灌是在田間不做任何溝埂，灌水時(shí)任其在地面漫流，借重力作用浸潤(rùn)土壤，是一種比較粗放的灌水方法；微噴灌選擇借助于微噴帶，帶間距離2.5 m，帶上每組有4個(gè)出水孔，孔口間距20 cm，水壓0.04 MPa，流速4 L/h；滴灌是采用內(nèi)鑲貼片式滴灌帶，帶間距離0.5 m，滴頭間隔10 cm，水壓0.02 MPa，滴頭流速2.5 L/h；雨養(yǎng)是指不進(jìn)行人工灌溉，僅利用天然降水為水源發(fā)展的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。在冬小麥種植期間，傳統(tǒng)漫灌模式下在越冬期灌水1次，灌水強(qiáng)度為1 500 m3/hm2；微噴灌和滴灌處理下灌水2次，分別在越冬期和拔節(jié)期，每次灌水強(qiáng)度為300 m3/hm2。在夏玉米種植期間，漫灌處理下在拔節(jié)期灌水1次，灌水強(qiáng)度為1 500 m3/hm2；微噴灌和滴灌模式下在其生育期灌水3次，分別為苗期、拔節(jié)期和抽穗期，每次灌水強(qiáng)度為300 m3/hm2。試驗(yàn)期間，冬小麥和夏玉米生育期的降水量分別為198 mm和381 mm，化肥投入強(qiáng)度均為150 kg/hm2。其中涉及的灌溉抽水過(guò)程中的耗電量、翻耕及收獲階段農(nóng)用機(jī)械工作時(shí)的柴油消耗量、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中化肥投入量及作物種植面積和產(chǎn)量均進(jìn)行精準(zhǔn)控制和嚴(yán)格記錄。需要說(shuō)明的是，本試驗(yàn)期間夏玉米種植采取免耕播種方式，不涉及翻耕的能源消耗及碳排放。

1.2 研究方法

1）能源消耗強(qiáng)度核算方法

不同灌溉模式下能源消耗主要涉及電力、柴油和化肥的消耗。為了進(jìn)行無(wú)量綱化處理，統(tǒng)一采用《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T2589—2008）[33]中標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)。農(nóng)業(yè)能源消耗強(qiáng)度計(jì)算式為：

式中：E為第類(lèi)灌溉模式下農(nóng)業(yè)能源消耗強(qiáng)度；E為第類(lèi)灌溉模式下第種物資的能源消耗強(qiáng)度；Q為第類(lèi)灌溉模式下單位面積第種物資的消耗量；A為第種物資的標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)。其中電力的標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.122 9 kg-ce/(kW·h)[33]，柴油的標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.457 1 kg-ce/kg[33]，化肥的標(biāo)準(zhǔn)煤轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.196 6 kg-ce/kg[34]。

2）碳排放強(qiáng)度核算方法

農(nóng)業(yè)碳排放主要是由于灌溉電力、翻耕和收獲時(shí)柴油的消耗及投入的化肥所引起的碳排放。農(nóng)業(yè)碳排放強(qiáng)度計(jì)算式為：

式中：C為第類(lèi)灌溉模式下農(nóng)業(yè)碳排放強(qiáng)度；C為第類(lèi)灌溉模式下第種物資的碳排放強(qiáng)度；Q為第類(lèi)灌溉模式下單位面積上第種物資的消耗量；A為第種物資的碳排放系數(shù)。其中，電力碳排放系數(shù)主要取自于《省級(jí)溫室氣體清單編制指南》華中區(qū)域的系數(shù)0.218 5 kg-C/(kW·h)，柴油碳排放系數(shù)0.844 3 kg-C/kg[13]，化肥的碳排放系數(shù)0.857 5 kg-C/kg[35]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同灌溉模式下水資源消耗差異分析

不同灌溉模式下水資源消耗強(qiáng)度具有明顯差異。由于漫灌模式灌水定額遠(yuǎn)高于其他灌溉模式，水資源消耗量高。漫灌模式下冬小麥毛灌溉用水量為1 500 m3/hm2，顯著高于微噴灌和滴灌模式（600 m3/hm2）。漫灌模式下夏玉米毛灌溉用水量為1 500 m3/hm2，明顯高于微噴灌和滴灌模式（900 m3/hm2）。從作物類(lèi)型來(lái)看，微噴灌和滴灌模式下夏玉米毛灌溉用水量比冬小麥高50%左右，而在漫灌模式下相差不大。這是由于在微噴灌和滴灌模式下，夏玉米全生長(zhǎng)期內(nèi)的3次灌溉高于冬小麥全生長(zhǎng)期內(nèi)的2次灌溉，而在漫灌模式下，由于單次灌水定額遠(yuǎn)高于其他灌溉模式而均進(jìn)行1次灌溉，且毛灌溉用水量基本相同。

不同灌溉模式下作物產(chǎn)量不同，且滴灌處理具有明顯優(yōu)勢(shì)。冬小麥在滴灌模式下的產(chǎn)量約為8 100 kg/hm2，高于漫灌、微噴灌和雨養(yǎng)模式下的7 350、7 125 kg/hm2和4 050 kg/hm2，總體表現(xiàn)為滴灌>漫灌>微噴灌>雨養(yǎng)；夏玉米在滴灌模式下的產(chǎn)量約為10 375 kg/hm2，高于微噴灌和漫灌模式下的10 075 kg/hm2和9 125 kg/hm2，及雨養(yǎng)處理下的5 900 kg/hm2，總體表現(xiàn)為滴灌>微噴灌>漫灌>雨養(yǎng)（圖2）。這與不同灌溉模式下的灌溉水利用系數(shù)有關(guān)，研究區(qū)內(nèi)微噴灌和滴灌模式下的灌溉水利用系數(shù)約為0.92～0.95，且滴灌普遍略高于微噴灌，從而均顯著高于漫灌模式下的0.69。實(shí)現(xiàn)了更精準(zhǔn)灌溉的滴灌模式顯然提高了灌溉水的利用效率及作物產(chǎn)量，更有利于資源節(jié)約高效利用。

圖2 不同灌溉模式冬小麥和夏玉米灌溉用水量及產(chǎn)量

2.2 不同灌溉模式下能源消耗差異分析

不同灌溉模式下的能源消耗主要來(lái)源于抽水灌溉時(shí)的電力消耗、翻耕和收獲階段農(nóng)用機(jī)械使用的柴油化石能源的消耗及化肥投入所造成的間接能源消耗。其中除灌溉耗能外，其他過(guò)程的能源消耗按時(shí)間順序依次為翻耕、化肥投入和收獲3個(gè)階段。

不同灌溉模式下的能源消耗強(qiáng)度不同，且各階段對(duì)能源消耗總強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率也有所差異。雨養(yǎng)模式下冬小麥能源消耗強(qiáng)度為329.97 kg/hm2，低于微噴灌和滴灌模式下的385.25 kg/hm2和386.48 kg/hm2，明顯低于傳統(tǒng)漫灌模式下的479.92 kg/hm2。同樣夏玉米不同灌溉模式下的能源消耗強(qiáng)度整體表現(xiàn)為漫灌>微噴灌=滴灌>雨養(yǎng)（圖3）。這與雨養(yǎng)模式不進(jìn)行灌溉，其模式下的能源消耗總強(qiáng)度僅由翻耕、化肥投入和收獲3階段所產(chǎn)生及傳統(tǒng)漫灌模式下特別是灌溉階段相較于灌溉定額差距不大的微噴灌和滴灌產(chǎn)生較高的能源消耗強(qiáng)度有關(guān)。與傳統(tǒng)漫灌模式相比，微噴灌和滴灌模式下能源消耗強(qiáng)度下降明顯，能源利用效率較高。主要表現(xiàn)為夏玉米在微噴灌模式下能源消耗強(qiáng)度減少13.60%，而產(chǎn)量增加10.41%；冬小麥在滴灌模式下能源消耗強(qiáng)度減少19.47%，而產(chǎn)量增加10.20%。

從各階段的能源消耗強(qiáng)度來(lái)看，冬小麥在傳統(tǒng)漫灌模式下的能源消耗總強(qiáng)度為479.92 kg/hm2，其中灌溉過(guò)程、翻耕、收獲及化肥投入階段的能源消耗強(qiáng)度分別為148.09、96.61、55.73 kg/hm2和179.49 kg/hm2，其分別占總強(qiáng)度的30.86%、20.13%、11.61%和37.40%。相似地，夏玉米在傳統(tǒng)漫灌模式下的能源消耗總強(qiáng)度為370.41 kg/hm2，其中灌溉過(guò)程、翻耕、收獲和化肥投入階段的能源消耗強(qiáng)度分別為135.19、0、55.73 kg/hm2和179.49 kg/hm2，分別約占總強(qiáng)度的36.50%、0%、15.04%和48.46%。2種作物在化肥投入階段能源消耗強(qiáng)度均較高，這可能與研究區(qū)作物全生長(zhǎng)周期內(nèi)投入的化肥主要為氮肥，而氮肥在原材料獲取、生產(chǎn)加工和成品包裝運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)流程中間接能源消耗強(qiáng)度較高有關(guān)。此外，灌溉階段的能源消耗強(qiáng)度在傳統(tǒng)漫灌模式下僅次于化肥投入階段，這與漫灌模式下因灌溉用水量較多而產(chǎn)生的高能源消耗強(qiáng)度有關(guān)。與傳統(tǒng)漫灌模式相比，冬小麥在微噴灌和滴灌模式下灌溉過(guò)程的能源消耗強(qiáng)度分別下降60.17%和59.34%，在該模式總能源消耗強(qiáng)度中占比分別為15.31%和15.58%，低于化肥投入階段的46.59%和46.44%，這與微噴灌和滴灌模式下作物水分利用效率較高有關(guān)。

從作物類(lèi)型來(lái)看，夏玉米在各灌溉模式下的能源消耗強(qiáng)度普遍低于冬小麥。翻耕階段夏玉米因免耕而產(chǎn)生較低的能源消耗強(qiáng)度，灌溉階段雖夏玉米全生長(zhǎng)期內(nèi)灌溉3次大于冬小麥2次，但由于單次灌溉能源消耗強(qiáng)度低于翻耕過(guò)程，因此作物能源消耗強(qiáng)度整體表現(xiàn)為夏玉米小于冬小麥。收獲階段的能源消耗對(duì)總能源消耗強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率因作物類(lèi)型不同而差異明顯。冬小麥?zhǔn)斋@階段的能源消耗對(duì)傳統(tǒng)漫灌、微噴灌、滴灌和雨養(yǎng)模式下的總能源消耗強(qiáng)度貢獻(xiàn)率分別為11.61%、14.47%、14.42%和16.89%，整體低于夏玉米收獲階段在各灌溉模式下的貢獻(xiàn)率15.05%、17.41%、17.41%和23.69%。

2.3 不同灌溉模式下農(nóng)業(yè)碳排放特征差異分析

不同灌溉模式下各階段對(duì)總碳排放強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率差異明顯。雨養(yǎng)模式下冬小麥總碳排放強(qiáng)度為215.82 kg/hm2，低于微噴灌和滴灌模式下的318.55 kg/hm2和320.73 kg/hm2，明顯低于傳統(tǒng)漫灌模式下的480.19 kg/hm2。同樣，夏玉米在各灌溉模式下的碳排放強(qiáng)度整體表現(xiàn)為漫灌>微噴灌=滴灌>雨養(yǎng)（圖4），這與其能源消耗強(qiáng)度趨勢(shì)基本一致，且灌溉過(guò)程是造成各灌溉模式碳排放差異的主要原因。就各階段對(duì)碳排放強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率來(lái)看，灌溉過(guò)程和化肥投入階段導(dǎo)致的碳排放量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放總量的重要組成部分。以傳統(tǒng)漫灌模式為例，冬小麥全生長(zhǎng)期的灌溉過(guò)程、翻耕、化肥投入和收獲的碳排放強(qiáng)度占總碳排放強(qiáng)度的54.83%、11.66%、26.79%和6.72%，其中化肥投入的碳排放強(qiáng)度僅次于灌溉過(guò)程，這與氮肥的投入強(qiáng)度及碳排放轉(zhuǎn)換系數(shù)有關(guān)；翻耕和收獲得益于農(nóng)用機(jī)械規(guī)模化耕作與收獲作業(yè)時(shí)，柴油的消耗強(qiáng)度較小，而產(chǎn)生較低的碳排放強(qiáng)度。因而在微噴灌與滴灌模式下則呈現(xiàn)出化肥投入>灌溉過(guò)程>翻耕>收獲，雨養(yǎng)模式下因不存在灌溉過(guò)程碳排放而表現(xiàn)為化肥投入>翻耕>收獲。

圖4 不同灌溉模式冬小麥和夏玉米碳排放強(qiáng)度

不同灌溉模式下灌溉過(guò)程的碳排放強(qiáng)度差異較大。冬小麥和夏玉米在傳統(tǒng)漫灌模式下灌溉過(guò)程的碳排放強(qiáng)度分別為263.29 kg/hm2和240.35 kg/hm2，分別約為該作物滴灌模式下的2.5倍和1.6倍。這與漫灌處理下的毛灌溉用水量高于滴灌模式有關(guān)。與微噴灌和滴灌模式相比，漫灌模式下冬小麥灌溉次數(shù)較少，灌水定額較高，其毛灌溉用水量約為微噴灌或滴灌的2.5倍，從而在能源消耗及碳排放強(qiáng)度方面明顯高于其他灌溉模式。微噴灌模式下冬小麥和夏玉米灌溉過(guò)程的碳排放強(qiáng)度分別為104.88 kg/hm2和150.77 kg/hm2，而滴灌模式下分別為107.07 kg/hm2和150.77 kg/hm2，這2種作物各自在其微噴灌和滴灌模式下的碳排放強(qiáng)度差異不大，主要是因?yàn)槎←溁蛳挠衩赘髯栽谶@2種灌溉模式下的毛灌溉用水量基本相同，能源消耗強(qiáng)度相差不大，而灌溉過(guò)程的碳排放強(qiáng)度受其階段能源消耗強(qiáng)度影響，即間接受作物灌溉階段毛灌溉用水量影響。綜上分析，不同灌溉模式下，作物灌溉過(guò)程的碳排放強(qiáng)度大體上表現(xiàn)為漫灌>微噴灌=滴灌>雨養(yǎng)，除傳統(tǒng)漫灌與雨養(yǎng)模式外，夏玉米灌溉階段碳排放強(qiáng)度高于冬小麥。

不同灌溉模式下作物單位產(chǎn)值的碳排放量不同，且在灌溉條件允許的情況下，冬小麥優(yōu)選灌溉種植特別是以滴灌或微噴灌模式代替雨養(yǎng)模式，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量顯著提升的同時(shí)碳排放量增幅較小，生產(chǎn)效率明顯提高。冬小麥在漫灌、微噴灌、滴灌、雨養(yǎng)模式下單位產(chǎn)值的碳排放量分別為0.065 3、0.044 7、0.039 6、0.053 3 kg，整體表現(xiàn)為漫灌>雨養(yǎng)>微噴灌>滴灌；同樣夏玉米在這4種灌溉模式下分別為0.044 0、0.030 9、0.030 0、0.027 3 kg，整體表現(xiàn)為漫灌>微噴灌>滴灌>雨養(yǎng)。需要強(qiáng)調(diào)的是，冬小麥在滴灌和微噴灌模式下單位產(chǎn)值的碳排放量小于雨養(yǎng)模式，這與滴灌和微噴灌模式下作物產(chǎn)量的增幅大于作物全生長(zhǎng)期內(nèi)總碳排放量的增幅有關(guān)。同時(shí)，雨養(yǎng)模式下夏玉米單位產(chǎn)值碳排放量低于其他灌溉模式，但其較低的產(chǎn)量嚴(yán)重阻礙生產(chǎn)效率的提高，不適宜于大面積推廣。從作物類(lèi)型來(lái)看，在各灌溉模式下，冬小麥單位產(chǎn)值的碳排放量高于夏玉米，且雨養(yǎng)模式下的差異最大為0.026 0 kg，滴灌模式下的差異最小為0.009 6 kg，這與不同類(lèi)型作物產(chǎn)量及夏玉米采取免耕種植方式等有關(guān)。

2.4 不同灌溉模式下水-能-碳關(guān)聯(lián)分析

不同灌溉模式下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程水能資源消耗與碳排放具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。研究表明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，各因子對(duì)農(nóng)業(yè)碳排放的貢獻(xiàn)作用順序?yàn)椋核Y源經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出>水土資源匹配度>人口因子>人均土地利用面積>農(nóng)業(yè)碳排放強(qiáng)度，其中水資源經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和水土資源匹配度與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)碳排放呈正相關(guān)[6]。Wang等[36]認(rèn)為水-能-碳關(guān)系為能源消耗或?yàn)閷?shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)控制碳排放過(guò)程中伴隨有水資源的消耗，而水資源消耗及實(shí)施碳減排過(guò)程中同樣伴隨著能源消耗的現(xiàn)象，且由于以化石能源為主要能源消耗類(lèi)型的碳排放加速了全球變暖，水資源的開(kāi)發(fā)利用或?qū)l(fā)生重大變化[37]。Li等[38]認(rèn)為水-能-碳之間為動(dòng)態(tài)相互關(guān)系，其耦合機(jī)制相互關(guān)聯(lián)，轉(zhuǎn)化過(guò)程體現(xiàn)在相互交織的多學(xué)科鏈中。

農(nóng)業(yè)部門(mén)的用水主要用于作物灌溉；碳排放則來(lái)自灌溉和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的能源消費(fèi)；而能源消耗分為直接能源消耗和間接能源消耗。直接能源消耗包括用于土地整理、抽水、輸送和灌溉、耕種和收獲、施肥和除草過(guò)程中的電力和燃料消耗；間接能源消耗包括作為生產(chǎn)材料的能量輸入，如肥料、農(nóng)藥、除草劑、種子、灌溉系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)機(jī)械等[38]。傳統(tǒng)漫灌模式下水資源消耗強(qiáng)度較大，且具有較高的能源消耗量，主要表現(xiàn)為灌溉階段抽水過(guò)程耗電量的增加，而滴灌和微噴灌模式利用智慧灌溉系統(tǒng)在減少作物毛灌溉用水量、提高水資源利用效率的同時(shí)降低了灌溉過(guò)程的能源消耗強(qiáng)度，這在一定程度上有助于碳減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。與漫灌模式相比，冬小麥在滴灌模式下水資源消耗強(qiáng)度減少60%，總能源消耗強(qiáng)度減少19.47%，其中灌溉過(guò)程的能源消耗強(qiáng)度減少59.34%，總碳排放強(qiáng)度減少33.21%，灌溉模式的優(yōu)化調(diào)整對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特別是農(nóng)業(yè)灌溉過(guò)程的節(jié)能減排意義重大。除灌溉過(guò)程耗能之外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程還包括翻耕、化肥投入和收獲的能源消耗。其中，冬小麥翻耕和收獲碳排放強(qiáng)度之和在各灌溉模式總碳排放強(qiáng)度比重中呈雨養(yǎng)>微噴灌>滴灌>漫灌，這與各灌溉模式下總能源消耗強(qiáng)度的逐漸增大有關(guān)。氮肥因?yàn)楣に囘^(guò)程、運(yùn)輸銷(xiāo)售等環(huán)節(jié)的復(fù)雜導(dǎo)致具有較高的間接能源轉(zhuǎn)換系數(shù)，從而使化肥投入在作物生長(zhǎng)過(guò)程中的總能源消耗和總碳排放強(qiáng)度方面貢獻(xiàn)顯著。如滴灌模式下夏玉米化肥投入的能源消耗占總能耗的56.09%，碳排放占總碳排放的41.27%。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各階段對(duì)總能源消耗和總碳排放強(qiáng)度貢獻(xiàn)率不同，且受灌溉用水量影響的灌溉過(guò)程和以化肥投入為代表的物資投入階段對(duì)總能耗和總碳排放影響較大。如夏玉米灌溉過(guò)程對(duì)傳統(tǒng)漫灌和微噴灌模式下的總能源消耗強(qiáng)度貢獻(xiàn)率分別為36.50%和26.50%，對(duì)總碳排放強(qiáng)度貢獻(xiàn)率分別為59.90%和48.37%；冬小麥化肥投入在微噴灌和滴灌模式下對(duì)總能源消耗強(qiáng)度貢獻(xiàn)率分別為46.59%和46.44%，對(duì)總碳排放強(qiáng)度貢獻(xiàn)率分別為40.38%和40.11%。因此，灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程碳排放強(qiáng)度主要取決于灌溉和農(nóng)業(yè)各項(xiàng)投入過(guò)程的直接和間接能源消耗強(qiáng)度，而這與不同灌溉模式下的耕作及水、肥使用方式密切相關(guān)。

3 討論

不同灌溉方式下能源消耗及碳排放受其模式下灌溉定額的直接影響，而灌溉定額與作物生長(zhǎng)所需水量、毛灌溉用水量及灌溉系數(shù)密切相關(guān)。有研究表明，在冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育期滴灌和微噴灌處理下灌溉水利用系數(shù)較漫灌處理分別顯著提高42.79%和47.71%[39]，與本研究中傳統(tǒng)漫灌處理下水資源消耗明顯高于其他模式，并由此引發(fā)的能源消耗和碳排放量明顯高于其他灌溉模式處理結(jié)果一致。農(nóng)業(yè)碳足跡包括直接碳足跡和間接碳足跡[40]，本研究中，灌溉過(guò)程電能消耗和化肥投入的間接碳足跡導(dǎo)致的碳排放量是灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中碳排放總量的重要組成部分，與李春喜等[41]研究結(jié)果相一致。結(jié)合殘茬的少耕/免耕耕作有利于減少農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的凈碳通量，同時(shí)提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性[42]。本研究中玉米采取免耕的種植方式，是玉米全生長(zhǎng)期碳排放強(qiáng)度低于冬小麥的原因之一，這與以往研究表明免耕和種植密度的結(jié)合可以提高玉米產(chǎn)量和減少碳排放的研究結(jié)果一致。過(guò)度灌溉不利于溫室氣體排放的減緩計(jì)劃，而關(guān)鍵生長(zhǎng)期的灌溉顯著提高了作物產(chǎn)量和水生產(chǎn)率[43]，這與本研究中夏玉米產(chǎn)量在滴灌處理下顯著高于漫灌模式（12.05%），且碳排放強(qiáng)度較漫灌模式降低33.21%相一致。劉杰云等[39]研究指出綜合考慮作物生長(zhǎng)、產(chǎn)量、灌溉水利用效率等因素，初步認(rèn)為滴灌是華北地區(qū)較為適宜的灌溉方式，這與本研究滴灌處理下作物水能利用效率提高、碳排放強(qiáng)度顯著減少、產(chǎn)量提升及建議大范圍推廣滴灌及微噴灌灌溉模式研究結(jié)果相一致。

本文側(cè)重于從不同灌溉模式入手，揭示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中由人類(lèi)活動(dòng)帶來(lái)的水資源、能源消耗和碳排放的內(nèi)在關(guān)系，為不同灌溉模式下的水能資源節(jié)約利用和碳減排提供參考借鑒。實(shí)質(zhì)上，農(nóng)田的碳排放應(yīng)該包括2個(gè)方面：一是由農(nóng)業(yè)耕作過(guò)程中的能源消耗和人類(lèi)各項(xiàng)投入帶來(lái)的碳排放，二是農(nóng)作物生產(chǎn)過(guò)程光合作用、呼吸作用及土壤呼吸等過(guò)程帶來(lái)的排放。前者是人類(lèi)活動(dòng)的排放，而后者是自然過(guò)程的排放。展望未來(lái)，應(yīng)該進(jìn)一步從自然和人為結(jié)合的角度深入分析不同灌溉模式下“水-能-碳”的關(guān)聯(lián)，揭示不同灌溉模式對(duì)自然和人為碳排放的影響機(jī)制。這是下一步研究的方向之一。

4 政策建議

為推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中節(jié)水、節(jié)能和碳減排多重目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，提出以下建議：①依據(jù)區(qū)域降水條件和土壤墑情實(shí)施科學(xué)灌溉，減少毛灌溉用水量，提高灌溉水利用效率；②大范圍推廣滴灌及微噴灌灌溉模式，有效減少傳統(tǒng)漫灌灌溉模式，提高水資源利用效率，減少能源消耗及碳排放強(qiáng)度；盡量改雨養(yǎng)模式為滴灌模式，可在水能資源有效利用的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物產(chǎn)量的顯著提升；③加強(qiáng)農(nóng)田灌溉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，規(guī)?；捎玫喂?、微噴灌等措施減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水能資源消耗。通過(guò)資金補(bǔ)貼等政策引導(dǎo)農(nóng)戶開(kāi)展節(jié)水和低碳生產(chǎn)，增加對(duì)種植大戶或企業(yè)組織的稅收優(yōu)惠力度，鼓勵(lì)研發(fā)測(cè)土配方施肥和土壤改良培肥等技術(shù)。

5 結(jié)論

1）灌溉過(guò)程中的電力消耗是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的主要碳排放源。其中由于漫灌模式下的毛灌溉用水量遠(yuǎn)高于其他灌溉模式，因此與其他灌溉模式相比，傳統(tǒng)漫灌造成的水能消耗及碳排放強(qiáng)度均較高。

2）微噴灌與滴灌模式下水能消耗及碳排放強(qiáng)度明顯下降，這與其采取嚴(yán)格的土壤墑情監(jiān)控和灌溉水量控制措施有關(guān)，其碳排放強(qiáng)度較漫灌模式分別降低33.66%和33.21%。

3）就不同作物而言，漫灌模式下冬小麥全生長(zhǎng)期內(nèi)碳排放強(qiáng)度高于夏玉米19.67%，而在微噴灌和滴灌模式下，夏玉米灌溉碳排放強(qiáng)度比冬小麥高43.75%和40.81%。

4）就作物產(chǎn)量而言，滴灌模式下夏玉米產(chǎn)量略高于微噴灌，明顯高于漫灌模式（12.05%），遠(yuǎn)高于雨養(yǎng)模式（43.13%）。

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The Effects of Irrigation Methods on Carbon Emission and Water-energy Consumption of Crop Production

ZAHNG Huifang, ZHAO Rongqin*, XIAO Liangang, WEI Yichang, ZHU Ruiming, FENG Mengyu, LUO Huili, LI Ruishi

(School of Surveying and Geo-informatics, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)

【】Water and energy consumption in agricultural production impacts greenhouse emissions both directly and indirectly, and the concept of water-energy nexus is to quantify their relationships. The purpose of this paper is to elucidate to what extent irrigation methods could affect this nexus, as well as its consequence for carbon emission.【】The analysis was based on data measured from the water-saving agricultural experimental field at the Yuanyang Science and Education Park of Henan Agricultural University. Energy consumption and carbon emission were measured and calculated for winter wheat-maize rotation which was watered using surface flood irrigation, drip irrigation and micro-sprinkler irrigation, respectively, from which we analyzed the impact of water-energy consumption on carbon emission.【】Emission induced by energy consumption of the irrigations was the main carbon emission for irrigated agriculture; water-energy consumption and carbon emission in traditional flood irrigation were much higher than that from the improved drip and sprinkler irrigation. Compared with traditional flood irrigation, drip irrigation reduced water and energy consumption as well as carbon emission by 60%, 19.47% and 45% respectively. In flood irrigation, carbon emission from winter wheat was 18.97% higher than that from summer maize. In contrast, switching to micro-sprinkler or drip irrigation increased the carbon emission from summer maize by 40.08% and 43.75%, respectively, compared to that from the winter wheat. Drip and micro-sprinkling irrigation increased the summer maize yield by 12.05% and 43.13%, respectively, compared to flood irrigation. Overall, cultivation and water-energy consumption of different irrigation methods were the main reason behind the difference in their carbon emissions.【】Water and energy consumption and its associated carbon emission in crop production varied with irrigation method. Water-saving irrigation such as drip and micro-sprinkler irrigations is effective in reducing energy consumption and carbon emission, and thus has potential for dissemination at large scales.

agricultural production; irrigation methods; carbon emission; water and energy consumption

1672 - 3317（2021）12 - 0119 - 08

S274；X24

A

10.13522/j.cnki.ggps.2020680

張慧芳, 趙榮欽, 肖連剛, 等. 不同灌溉模式下農(nóng)業(yè)水能消耗及碳排放研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(12): 119-126.

ZHANG Huifang, ZHAO Rongqin, XIAO Liangang, et al. The Effects of Irrigation Methods on Carbon Emission and Water-energy Consumption of Crop Production [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 119-126.

2020-12-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41971241）；河南省高?？萍紕?chuàng)新人才支持計(jì)劃項(xiàng)目（人文社科類(lèi)）（2021-CX-011）；2020年河南省留學(xué)人員科研擇優(yōu)資助項(xiàng)目

張慧芳（1998-），女，河南鎮(zhèn)平人。碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)水能關(guān)聯(lián)研究。E-mail: zhanghfz@163.com

趙榮欽（1978-），男，河南孟津人。教授，博士，主要從事資源環(huán)境與碳排放研究。E-mail: zhaorq234@163.com

責(zé)任編輯：白芳芳