张慧芳，赵荣钦，肖连刚，魏义长，朱瑞明，冯梦雨，罗慧丽，李汭诗

不同灌溉模式下农业水能消耗及碳排放研究

张慧芳，赵荣钦*，肖连刚，魏义长，朱瑞明，冯梦雨，罗慧丽，李汭诗

（华北水利水电大学 测绘与地理信息学院，郑州 450046）

【】从“水-能”关联的视角揭示不同灌溉模式下水能消耗和碳排放的差异。通过收集河南农业大学科教园区（原阳）节水农业试验场不同灌溉模式下的面积、产量、水资源及能源消耗等数据，分析了不同灌溉模式下农业生产碳排放强度的差异，并探讨了水能消耗及碳排放的关联关系。灌溉碳排放是农业生产的主要碳排放源。传统漫灌模式下水能消耗及碳排放强度均较高，滴灌模式下水能消耗及碳排放强度明显下降，其中水资源、能源消耗及碳排放强度较漫灌模式分别减少60.00%、19.47%和33.21%；在漫灌模式下，冬小麦全生长期内的碳排放强度高于夏玉米19.67%；而在微喷灌与滴灌模式下，夏玉米灌溉碳排放强度比冬小麦高43.75%和40.81%；夏玉米在滴灌模式下的产量略高于微喷灌，明显高于漫灌模式（12.05%），远高于雨养模式（43.13%）；不同灌溉模式下耕作方式和水能消耗强度是导致碳排放差异的主要原因。不同灌溉模式下农业水能消耗及碳排放强度差异明显，在考虑区域水资源状况及土壤条件的基础上，规模化采用滴灌、微喷灌等节水灌溉措施可以降低农业生产中的能源消耗强度，推动农业生产的低碳发展。

农业；灌溉模式；碳排放；水能消耗

0 引言

【研究意义】农业生产过程中各种能源和物资投入导致的碳排放约占全球碳排放总量的20%～35%[1-2]。作为世界上第二大灌溉农业国，中国农业灌溉用水量约占全国总用水量的65%[3]，仅华北平原2010年用于农业灌溉的用水量占可再生农业用水量的4倍多[4]，农业生产导致的碳排放量占全国碳排放总量的17%～20%[5-6]，其中灌溉过程碳排放约占农业生产碳排放总量的22%[7]，水资源开发利用过程导致的碳排放是农业碳排放的重要组成部分[8-9]。河南作为华北平原典型的农业大省，其73%的耕地为灌溉农业区[10]，灌溉农业粮食产量是全国粮食总产量的重要组成部分，是我国粮食安全的重要基础保障，因此，开展不同灌溉模式下的水能消耗和碳排放研究对于揭示农业水-能-碳关系机理，探索资源协同节约和碳减排的农业优化生产方式具有重要意义。

【研究进展】不同灌溉模式下农业水能消耗及碳排放强度差异明显。与传统漫灌模式相比，微喷灌和滴灌处理下冬小麦生育期的耗水总量分别减少41.64%和43.88%，水分利用效率分别提高了77.09%和83.15%[11]，且在各个生育时期冬小麦的日耗水强度随灌水量的增加而逐渐增加[12]；河南省灌溉农业能源消耗强度整体上呈北高南低，西高东低的态势[13]；在碳排放强度方面，滴灌模式下冬小麦农田生态系统的固碳量、土壤碳排放总量分别比漫灌模式下高出15.38%和11.43%[14]。传统漫灌模式下，水能资源消耗浪费现象严重[15]。微喷灌模式下能源消耗强度明显降低，且水资源利用效率显著提高[16]。滴灌模式在微喷灌模式的基础上进一步优化了水能资源配置[17]，实现了更高水平的资源利用率及生产效率[18]。雨养模式下，作物水能资源消耗强度较低，生产效率提升空间较大[19]。

灌溉是提高作物对全球气候变化适应能力的重要适应策略。在水资源有限的地区，灌溉在维持作物生产方面起着至关重要的作用[20]。【切入点】近年来，关于灌溉模式对农业碳排放影响的研究引起了国内外学者的广泛关注，一些学者从灌溉方式对土壤呼吸[21-24]、土壤温度敏感性[19,24-25]及其中微生物活性[26-27]的影响等不同视角开展了农业灌溉碳排放的研究，但多为国家[5,28-30]、区域[7,31]或省域[11,32]等宏观尺度，而从区域微观尺度上揭示农业水能消耗强度及其对碳排放影响的研究还需要进一步加强，特别是结合传统漫灌、微喷灌、滴灌和雨养等不同灌溉模式，从农业生产过程“水-能”资源耦合角度开展碳排放研究的相对较少。【拟解决的关键问题】因此，本文基于河南农业大学科教园区（原阳）节水农业试验场各项农业生产基础数据，从“水-能”关联的视角开展微观尺度下传统漫灌、微喷灌、滴灌和雨养4种灌溉模式下农业水能消耗及碳排放研究，进一步深化农业碳排放机理研究，推动灌溉农业的低碳转型及生产效率的提升。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

研究区位于河南农业大学科教园区（原阳）（以下简称“科教园区”），处于35°6'18''—35°48'43''N、113°56'28''—114°34'53''E之间，属典型的豫北黄河冲积平原。该区域多年平均降水量580 mm，属暖温带大陆性季风气候，四季分明，光热充沛，土壤类型为潮土，质地为砂壤土，土质肥沃，耕作条件良好。

本研究数据来自科教园区节水农业试验场2016年10月—2019年10月农业耕作过程相关水肥、电力和柴油等物资投入的监测和记录数据。试验设4种灌溉模式分别为传统漫灌、微喷灌、滴灌及雨养空白对照，总面积8 000 m2，每种灌溉模式的田块规格为25 m×80 m，中间以宽度为40 cm的地垄分隔开（图1）。其中，漫灌是在田间不做任何沟埂，灌水时任其在地面漫流，借重力作用浸润土壤，是一种比较粗放的灌水方法；微喷灌选择借助于微喷带，带间距离2.5 m，带上每组有4个出水孔，孔口间距20 cm，水压0.04 MPa，流速4 L/h；滴灌是采用内镶贴片式滴灌带，带间距离0.5 m，滴头间隔10 cm，水压0.02 MPa，滴头流速2.5 L/h；雨养是指不进行人工灌溉，仅利用天然降水为水源发展的农业生产模式。在冬小麦种植期间，传统漫灌模式下在越冬期灌水1次，灌水强度为1 500 m3/hm2；微喷灌和滴灌处理下灌水2次，分别在越冬期和拔节期，每次灌水强度为300 m3/hm2。在夏玉米种植期间，漫灌处理下在拔节期灌水1次，灌水强度为1 500 m3/hm2；微喷灌和滴灌模式下在其生育期灌水3次，分别为苗期、拔节期和抽穗期，每次灌水强度为300 m3/hm2。试验期间，冬小麦和夏玉米生育期的降水量分别为198 mm和381 mm，化肥投入强度均为150 kg/hm2。其中涉及的灌溉抽水过程中的耗电量、翻耕及收获阶段农用机械工作时的柴油消耗量、农业生产过程中化肥投入量及作物种植面积和产量均进行精准控制和严格记录。需要说明的是，本试验期间夏玉米种植采取免耕播种方式，不涉及翻耕的能源消耗及碳排放。

1.2 研究方法

1）能源消耗强度核算方法

不同灌溉模式下能源消耗主要涉及电力、柴油和化肥的消耗。为了进行无量纲化处理，统一采用《综合能耗计算通则》（GB/T2589—2008）[33]中标准煤折算系数。农业能源消耗强度计算式为：

式中：E为第类灌溉模式下农业能源消耗强度；E为第类灌溉模式下第种物资的能源消耗强度；Q为第类灌溉模式下单位面积第种物资的消耗量；A为第种物资的标准煤转换系数。其中电力的标准煤转换系数为0.122 9 kg-ce/(kW·h)[33]，柴油的标准煤转换系数为1.457 1 kg-ce/kg[33]，化肥的标准煤转换系数为1.196 6 kg-ce/kg[34]。

2）碳排放强度核算方法

农业碳排放主要是由于灌溉电力、翻耕和收获时柴油的消耗及投入的化肥所引起的碳排放。农业碳排放强度计算式为：

式中：C为第类灌溉模式下农业碳排放强度；C为第类灌溉模式下第种物资的碳排放强度；Q为第类灌溉模式下单位面积上第种物资的消耗量；A为第种物资的碳排放系数。其中，电力碳排放系数主要取自于《省级温室气体清单编制指南》华中区域的系数0.218 5 kg-C/(kW·h)，柴油碳排放系数0.844 3 kg-C/kg[13]，化肥的碳排放系数0.857 5 kg-C/kg[35]。

2 结果与分析

2.1 不同灌溉模式下水资源消耗差异分析

不同灌溉模式下水资源消耗强度具有明显差异。由于漫灌模式灌水定额远高于其他灌溉模式，水资源消耗量高。漫灌模式下冬小麦毛灌溉用水量为1 500 m3/hm2，显著高于微喷灌和滴灌模式（600 m3/hm2）。漫灌模式下夏玉米毛灌溉用水量为1 500 m3/hm2，明显高于微喷灌和滴灌模式（900 m3/hm2）。从作物类型来看，微喷灌和滴灌模式下夏玉米毛灌溉用水量比冬小麦高50%左右，而在漫灌模式下相差不大。这是由于在微喷灌和滴灌模式下，夏玉米全生长期内的3次灌溉高于冬小麦全生长期内的2次灌溉，而在漫灌模式下，由于单次灌水定额远高于其他灌溉模式而均进行1次灌溉，且毛灌溉用水量基本相同。

不同灌溉模式下作物产量不同，且滴灌处理具有明显优势。冬小麦在滴灌模式下的产量约为8 100 kg/hm2，高于漫灌、微喷灌和雨养模式下的7 350、7 125 kg/hm2和4 050 kg/hm2，总体表现为滴灌>漫灌>微喷灌>雨养；夏玉米在滴灌模式下的产量约为10 375 kg/hm2，高于微喷灌和漫灌模式下的10 075 kg/hm2和9 125 kg/hm2，及雨养处理下的5 900 kg/hm2，总体表现为滴灌>微喷灌>漫灌>雨养（图2）。这与不同灌溉模式下的灌溉水利用系数有关，研究区内微喷灌和滴灌模式下的灌溉水利用系数约为0.92～0.95，且滴灌普遍略高于微喷灌，从而均显著高于漫灌模式下的0.69。实现了更精准灌溉的滴灌模式显然提高了灌溉水的利用效率及作物产量，更有利于资源节约高效利用。

图2 不同灌溉模式冬小麦和夏玉米灌溉用水量及产量

2.2 不同灌溉模式下能源消耗差异分析

不同灌溉模式下的能源消耗主要来源于抽水灌溉时的电力消耗、翻耕和收获阶段农用机械使用的柴油化石能源的消耗及化肥投入所造成的间接能源消耗。其中除灌溉耗能外，其他过程的能源消耗按时间顺序依次为翻耕、化肥投入和收获3个阶段。

不同灌溉模式下的能源消耗强度不同，且各阶段对能源消耗总强度的贡献率也有所差异。雨养模式下冬小麦能源消耗强度为329.97 kg/hm2，低于微喷灌和滴灌模式下的385.25 kg/hm2和386.48 kg/hm2，明显低于传统漫灌模式下的479.92 kg/hm2。同样夏玉米不同灌溉模式下的能源消耗强度整体表现为漫灌>微喷灌=滴灌>雨养（图3）。这与雨养模式不进行灌溉，其模式下的能源消耗总强度仅由翻耕、化肥投入和收获3阶段所产生及传统漫灌模式下特别是灌溉阶段相较于灌溉定额差距不大的微喷灌和滴灌产生较高的能源消耗强度有关。与传统漫灌模式相比，微喷灌和滴灌模式下能源消耗强度下降明显，能源利用效率较高。主要表现为夏玉米在微喷灌模式下能源消耗强度减少13.60%，而产量增加10.41%；冬小麦在滴灌模式下能源消耗强度减少19.47%，而产量增加10.20%。

从各阶段的能源消耗强度来看，冬小麦在传统漫灌模式下的能源消耗总强度为479.92 kg/hm2，其中灌溉过程、翻耕、收获及化肥投入阶段的能源消耗强度分别为148.09、96.61、55.73 kg/hm2和179.49 kg/hm2，其分别占总强度的30.86%、20.13%、11.61%和37.40%。相似地，夏玉米在传统漫灌模式下的能源消耗总强度为370.41 kg/hm2，其中灌溉过程、翻耕、收获和化肥投入阶段的能源消耗强度分别为135.19、0、55.73 kg/hm2和179.49 kg/hm2，分别约占总强度的36.50%、0%、15.04%和48.46%。2种作物在化肥投入阶段能源消耗强度均较高，这可能与研究区作物全生长周期内投入的化肥主要为氮肥，而氮肥在原材料获取、生产加工和成品包装运输等生产流程中间接能源消耗强度较高有关。此外，灌溉阶段的能源消耗强度在传统漫灌模式下仅次于化肥投入阶段，这与漫灌模式下因灌溉用水量较多而产生的高能源消耗强度有关。与传统漫灌模式相比，冬小麦在微喷灌和滴灌模式下灌溉过程的能源消耗强度分别下降60.17%和59.34%，在该模式总能源消耗强度中占比分别为15.31%和15.58%，低于化肥投入阶段的46.59%和46.44%，这与微喷灌和滴灌模式下作物水分利用效率较高有关。

从作物类型来看，夏玉米在各灌溉模式下的能源消耗强度普遍低于冬小麦。翻耕阶段夏玉米因免耕而产生较低的能源消耗强度，灌溉阶段虽夏玉米全生长期内灌溉3次大于冬小麦2次，但由于单次灌溉能源消耗强度低于翻耕过程，因此作物能源消耗强度整体表现为夏玉米小于冬小麦。收获阶段的能源消耗对总能源消耗强度的贡献率因作物类型不同而差异明显。冬小麦收获阶段的能源消耗对传统漫灌、微喷灌、滴灌和雨养模式下的总能源消耗强度贡献率分别为11.61%、14.47%、14.42%和16.89%，整体低于夏玉米收获阶段在各灌溉模式下的贡献率15.05%、17.41%、17.41%和23.69%。

2.3 不同灌溉模式下农业碳排放特征差异分析

不同灌溉模式下各阶段对总碳排放强度的贡献率差异明显。雨养模式下冬小麦总碳排放强度为215.82 kg/hm2，低于微喷灌和滴灌模式下的318.55 kg/hm2和320.73 kg/hm2，明显低于传统漫灌模式下的480.19 kg/hm2。同样，夏玉米在各灌溉模式下的碳排放强度整体表现为漫灌>微喷灌=滴灌>雨养（图4），这与其能源消耗强度趋势基本一致，且灌溉过程是造成各灌溉模式碳排放差异的主要原因。就各阶段对碳排放强度的贡献率来看，灌溉过程和化肥投入阶段导致的碳排放量是农业生产碳排放总量的重要组成部分。以传统漫灌模式为例，冬小麦全生长期的灌溉过程、翻耕、化肥投入和收获的碳排放强度占总碳排放强度的54.83%、11.66%、26.79%和6.72%，其中化肥投入的碳排放强度仅次于灌溉过程，这与氮肥的投入强度及碳排放转换系数有关；翻耕和收获得益于农用机械规模化耕作与收获作业时，柴油的消耗强度较小，而产生较低的碳排放强度。因而在微喷灌与滴灌模式下则呈现出化肥投入>灌溉过程>翻耕>收获，雨养模式下因不存在灌溉过程碳排放而表现为化肥投入>翻耕>收获。

图4 不同灌溉模式冬小麦和夏玉米碳排放强度

不同灌溉模式下灌溉过程的碳排放强度差异较大。冬小麦和夏玉米在传统漫灌模式下灌溉过程的碳排放强度分别为263.29 kg/hm2和240.35 kg/hm2，分别约为该作物滴灌模式下的2.5倍和1.6倍。这与漫灌处理下的毛灌溉用水量高于滴灌模式有关。与微喷灌和滴灌模式相比，漫灌模式下冬小麦灌溉次数较少，灌水定额较高，其毛灌溉用水量约为微喷灌或滴灌的2.5倍，从而在能源消耗及碳排放强度方面明显高于其他灌溉模式。微喷灌模式下冬小麦和夏玉米灌溉过程的碳排放强度分别为104.88 kg/hm2和150.77 kg/hm2，而滴灌模式下分别为107.07 kg/hm2和150.77 kg/hm2，这2种作物各自在其微喷灌和滴灌模式下的碳排放强度差异不大，主要是因为冬小麦或夏玉米各自在这2种灌溉模式下的毛灌溉用水量基本相同，能源消耗强度相差不大，而灌溉过程的碳排放强度受其阶段能源消耗强度影响，即间接受作物灌溉阶段毛灌溉用水量影响。综上分析，不同灌溉模式下，作物灌溉过程的碳排放强度大体上表现为漫灌>微喷灌=滴灌>雨养，除传统漫灌与雨养模式外，夏玉米灌溉阶段碳排放强度高于冬小麦。

不同灌溉模式下作物单位产值的碳排放量不同，且在灌溉条件允许的情况下，冬小麦优选灌溉种植特别是以滴灌或微喷灌模式代替雨养模式，以实现产量显著提升的同时碳排放量增幅较小，生产效率明显提高。冬小麦在漫灌、微喷灌、滴灌、雨养模式下单位产值的碳排放量分别为0.065 3、0.044 7、0.039 6、0.053 3 kg，整体表现为漫灌>雨养>微喷灌>滴灌；同样夏玉米在这4种灌溉模式下分别为0.044 0、0.030 9、0.030 0、0.027 3 kg，整体表现为漫灌>微喷灌>滴灌>雨养。需要强调的是，冬小麦在滴灌和微喷灌模式下单位产值的碳排放量小于雨养模式，这与滴灌和微喷灌模式下作物产量的增幅大于作物全生长期内总碳排放量的增幅有关。同时，雨养模式下夏玉米单位产值碳排放量低于其他灌溉模式，但其较低的产量严重阻碍生产效率的提高，不适宜于大面积推广。从作物类型来看，在各灌溉模式下，冬小麦单位产值的碳排放量高于夏玉米，且雨养模式下的差异最大为0.026 0 kg，滴灌模式下的差异最小为0.009 6 kg，这与不同类型作物产量及夏玉米采取免耕种植方式等有关。

2.4 不同灌溉模式下水-能-碳关联分析

不同灌溉模式下农业生产过程水能资源消耗与碳排放具有较强的关联性。研究表明，农业生产过程中，各因子对农业碳排放的贡献作用顺序为：水资源经济产出>水土资源匹配度>人口因子>人均土地利用面积>农业碳排放强度，其中水资源经济产出和水土资源匹配度与农业生产碳排放呈正相关[6]。Wang等[36]认为水-能-碳关系为能源消耗或为实现可持续发展目标控制碳排放过程中伴随有水资源的消耗，而水资源消耗及实施碳减排过程中同样伴随着能源消耗的现象，且由于以化石能源为主要能源消耗类型的碳排放加速了全球变暖，水资源的开发利用或将发生重大变化[37]。Li等[38]认为水-能-碳之间为动态相互关系，其耦合机制相互关联，转化过程体现在相互交织的多学科链中。

农业部门的用水主要用于作物灌溉；碳排放则来自灌溉和农业生产中的能源消费；而能源消耗分为直接能源消耗和间接能源消耗。直接能源消耗包括用于土地整理、抽水、输送和灌溉、耕种和收获、施肥和除草过程中的电力和燃料消耗；间接能源消耗包括作为生产材料的能量输入，如肥料、农药、除草剂、种子、灌溉系统和农业机械等[38]。传统漫灌模式下水资源消耗强度较大，且具有较高的能源消耗量，主要表现为灌溉阶段抽水过程耗电量的增加，而滴灌和微喷灌模式利用智慧灌溉系统在减少作物毛灌溉用水量、提高水资源利用效率的同时降低了灌溉过程的能源消耗强度，这在一定程度上有助于碳减排目标的实现。与漫灌模式相比，冬小麦在滴灌模式下水资源消耗强度减少60%，总能源消耗强度减少19.47%，其中灌溉过程的能源消耗强度减少59.34%，总碳排放强度减少33.21%，灌溉模式的优化调整对于农业生产特别是农业灌溉过程的节能减排意义重大。除灌溉过程耗能之外，农业生产过程还包括翻耕、化肥投入和收获的能源消耗。其中，冬小麦翻耕和收获碳排放强度之和在各灌溉模式总碳排放强度比重中呈雨养>微喷灌>滴灌>漫灌，这与各灌溉模式下总能源消耗强度的逐渐增大有关。氮肥因为工艺过程、运输销售等环节的复杂导致具有较高的间接能源转换系数，从而使化肥投入在作物生长过程中的总能源消耗和总碳排放强度方面贡献显著。如滴灌模式下夏玉米化肥投入的能源消耗占总能耗的56.09%，碳排放占总碳排放的41.27%。

农业生产各阶段对总能源消耗和总碳排放强度贡献率不同，且受灌溉用水量影响的灌溉过程和以化肥投入为代表的物资投入阶段对总能耗和总碳排放影响较大。如夏玉米灌溉过程对传统漫灌和微喷灌模式下的总能源消耗强度贡献率分别为36.50%和26.50%，对总碳排放强度贡献率分别为59.90%和48.37%；冬小麦化肥投入在微喷灌和滴灌模式下对总能源消耗强度贡献率分别为46.59%和46.44%，对总碳排放强度贡献率分别为40.38%和40.11%。因此，灌溉农业生产过程碳排放强度主要取决于灌溉和农业各项投入过程的直接和间接能源消耗强度，而这与不同灌溉模式下的耕作及水、肥使用方式密切相关。

3 讨论

不同灌溉方式下能源消耗及碳排放受其模式下灌溉定额的直接影响，而灌溉定额与作物生长所需水量、毛灌溉用水量及灌溉系数密切相关。有研究表明，在冬小麦生长发育期滴灌和微喷灌处理下灌溉水利用系数较漫灌处理分别显著提高42.79%和47.71%[39]，与本研究中传统漫灌处理下水资源消耗明显高于其他模式，并由此引发的能源消耗和碳排放量明显高于其他灌溉模式处理结果一致。农业碳足迹包括直接碳足迹和间接碳足迹[40]，本研究中，灌溉过程电能消耗和化肥投入的间接碳足迹导致的碳排放量是灌溉农业生产过程中碳排放总量的重要组成部分，与李春喜等[41]研究结果相一致。结合残茬的少耕/免耕耕作有利于减少农田生态系统的净碳通量，同时提高农业生产的可持续性[42]。本研究中玉米采取免耕的种植方式，是玉米全生长期碳排放强度低于冬小麦的原因之一，这与以往研究表明免耕和种植密度的结合可以提高玉米产量和减少碳排放的研究结果一致。过度灌溉不利于温室气体排放的减缓计划，而关键生长期的灌溉显著提高了作物产量和水生产率[43]，这与本研究中夏玉米产量在滴灌处理下显著高于漫灌模式（12.05%），且碳排放强度较漫灌模式降低33.21%相一致。刘杰云等[39]研究指出综合考虑作物生长、产量、灌溉水利用效率等因素，初步认为滴灌是华北地区较为适宜的灌溉方式，这与本研究滴灌处理下作物水能利用效率提高、碳排放强度显著减少、产量提升及建议大范围推广滴灌及微喷灌灌溉模式研究结果相一致。

本文侧重于从不同灌溉模式入手，揭示农业生产过程中由人类活动带来的水资源、能源消耗和碳排放的内在关系，为不同灌溉模式下的水能资源节约利用和碳减排提供参考借鉴。实质上，农田的碳排放应该包括2个方面：一是由农业耕作过程中的能源消耗和人类各项投入带来的碳排放，二是农作物生产过程光合作用、呼吸作用及土壤呼吸等过程带来的排放。前者是人类活动的排放，而后者是自然过程的排放。展望未来，应该进一步从自然和人为结合的角度深入分析不同灌溉模式下“水-能-碳”的关联，揭示不同灌溉模式对自然和人为碳排放的影响机制。这是下一步研究的方向之一。

4 政策建议

为推动农业生产过程中节水、节能和碳减排多重目标的实现，提出以下建议：①依据区域降水条件和土壤墒情实施科学灌溉，减少毛灌溉用水量，提高灌溉水利用效率；②大范围推广滴灌及微喷灌灌溉模式，有效减少传统漫灌灌溉模式，提高水资源利用效率，减少能源消耗及碳排放强度；尽量改雨养模式为滴灌模式，可在水能资源有效利用的基础上实现农作物产量的显著提升；③加强农田灌溉基础设施建设，推广农业节水灌溉技术，规模化采用滴灌、微喷灌等措施减少农业生产的水能资源消耗。通过资金补贴等政策引导农户开展节水和低碳生产，增加对种植大户或企业组织的税收优惠力度，鼓励研发测土配方施肥和土壤改良培肥等技术。

5 结论

1）灌溉过程中的电力消耗是农业生产过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远高于其他灌溉模式，因此与其他灌溉模式相比，传统漫灌造成的水能消耗及碳排放强度均较高。

2）微喷灌与滴灌模式下水能消耗及碳排放强度明显下降，这与其采取严格的土壤墒情监控和灌溉水量控制措施有关，其碳排放强度较漫灌模式分别降低33.66%和33.21%。

3）就不同作物而言，漫灌模式下冬小麦全生长期内碳排放强度高于夏玉米19.67%，而在微喷灌和滴灌模式下，夏玉米灌溉碳排放强度比冬小麦高43.75%和40.81%。

4）就作物产量而言，滴灌模式下夏玉米产量略高于微喷灌，明显高于漫灌模式（12.05%），远高于雨养模式（43.13%）。

[1] IPCC. Climate change 2014 mitigation of climate change[M]. Cambridge: Cambridge University Press, 2014.

[2] FAN Xing, ZHANG Wen, CHEN Weiwei, et al. Land–water–energy nexus in agricultural management for greenhouse gas mitigation[J]. Applied Energy, 2020, 265: 114 796.

[3] 张向达, 朱帅. 基于技术效率及影子价格的农业灌溉弹性需水研究：以黑龙江省为例[J]. 地理科学, 2018, 38(7): 1 165-1 173.

ZHANG Xiangda, ZHU Shuai. The flexible demand analysis of agricultural irrigation water use based on technical efficiency and shadow price: Taking Heilongjiang province for an example[J]. Scientia Geographica Sinica, 2018, 38(7): 1 165-1 173.

[4] XU Zhenci, CHEN Xiuzhi, LIU Jianguo, et al. Impacts of irrigated agriculture on food–energy–water–CO2nexus across metacoupled systems[J]. Nature Communications, 2020, 11: 5 837.

[5] WANG Jinxia, ROTHAUSEN S G S A, CONWAY D, et al. China’s water–energy nexus: Greenhouse-gas emissions from groundwater use for agriculture[J]. Environmental Research Letters, 2012, 7(1): 14 035-14 044.

[6] ZHAO Rongqin, LIU Ying, TIAN Mengmeng, et al. Impacts of water and land resources exploitation on agricultural carbon emissions: The water-land-energy-carbon nexus[J]. Land Use Policy, 2018, 72: 480-492.

[7] CHENG Ke, PAN Genxing, SMITH P, et al. Carbon footprint of China’s crop production—An estimation using agro-statistics data over 1993–2007[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2011, 142(3/4): 231-237.

[8] 王帅, 赵荣钦, 苏辉, 等. 河南省典型区农业水土资源开发的碳排放效应研究[J]. 华北水利水电大学学报(自然科学版), 2019, 40(1): 71-78.

WANG Shuai, ZHAO Rongqin, SU Hui, et al. Carbon emission effects of agricultural land and water resources exploitation in typical villages of Henan Province[J]. Journal of North China University of Water Resources and Electric Power (Natural Science Edition), 2019, 40(1): 71-78.

[9] 赵荣钦, 李志萍, 韩宇平, 等. 区域“水-土-能-碳”耦合作用机制分析[J]. 地理学报, 2016, 71(9): 1 613-1 628.

ZHAO Rongqin, LI Zhiping, HAN Yuping, et al. The coupling interaction mechanism of regional water-land-energy-carbon system[J]. Acta Geographica Sinica, 2016, 71(9): 1 613-1 628.

[10] LIU Runjin, SHENG Pingping, HUI Haibin, et al. Calibration of DNDC model for nitrate leaching from an intensively cultivated region of Northern China[J]. Geoderma, 2014, 223-225: 108-118.

[11] 宜丽宏, 王丽, 张孟妮, 等. 不同灌溉方式对冬小麦生长发育及水分利用效率的影响[J]. 灌溉排水学报, 2017, 36(10): 14-19.

YI Lihong, WANG Li, ZHANG Mengni, et al. Effect of irrigation methods on growth and water use efficiency of winter wheat[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2017, 36(10): 14-19.

[12] 吴巍. 灌溉与种植方式对冬小麦和夏玉米耗水规律及生长发育影响的研究[D]. 泰安: 山东农业大学, 2006.

WU Wei. Study on effects of irrigation and patterns on water consumption rules, growth and development of winter wheat and summer maize[D]. Tai’an: Shandong Agricultural University, 2006.

[13] 杜景新, 赵荣钦, 肖连刚, 等. 基于“水-能”关联的河南省农业灌溉过程的碳排放研究[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(10): 82-90.

DU Jingxin, ZHAO Rongqin, XIAO Liangang, et al. Carbon emissions from irrigated agricultural soils in Henan province: Analyzed from the water—energy nexus point of view[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(10): 82-90.

[14] 牛海生, 李大平, 张娜, 等. 不同灌溉方式冬小麦农田生态系统碳平衡研究[J]. 生态环境学报, 2014, 6(5): 749-755.

NIU Haisheng, LI Daping, ZHANG Na, et al. Effect of irrigation modes on carbon budget in winter wheat field[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2014, 6(5): 749-755.

[15] 于智媛, 梁书民. 基于Miami模型的西北干旱半干旱地区灌溉用水效果评价：以甘宁蒙为例[J]. 干旱区资源与环境, 2017, 31(9): 49-55.

YU Zhiyuan LIANG Shumin. Analysis of irrigation water using efficiency in arid and semi-arid areas in northwest China based on Miami model[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2017, 31(9): 49-55.

[16] 郑孟静, 张丽华, 董志强, 等. 微喷灌对夏玉米产量和水分利用效率的影响[J]. 核农学报, 2020, 34(4): 839-848.

ZHENG Mengjing, ZHANG Lihua, DONG Zhiqiang, et al. Effects of micro-sprinkling irrigation on yield and water use efficiency in summer maize[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2020, 34(4): 839-848.

[17] 汪昌树, 杨鹏年, 于宴民, 等. 膜下滴灌布置方式对土壤水盐运移和产量的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2016, 34(4): 38-45.

WANG Changshu, YANG Pengnian, YU Yanmin, et al. Effect of different pipe arrangements on soil water-salt transport and yield of cotton under mulched drip-irrigation[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2016, 34(4): 38-45.

[18] 孙婷, 张迪, 王冀川, 等. 滴灌水氮运筹对南疆春小麦根系生长及产量的影响[J]. 干旱地区农业研究, 2020, 38(2): 10-20.

SUN Ting, ZHANG Di, WANG Jichuan, et al. Effects of drip irrigation and nitrogen application on root growth and yield of spring wheat in southern Xinjiang[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2020, 38(2): 10-20.

[19] 刘海红, 徐学欣, 吴姗姗, 等. 雨养条件下不同冬小麦品种产量形成及氮素利用特征[J]. 华北农学报, 2019, 34(6): 133-144.

LIU Haihong, XU Xuexin, WU Shanshan, et al. Studies on yield formation and nitrogen utilization characteristics of different winter wheat varieties under rain-fed condition[J]. Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2019, 34(6): 133-144.

[20] LI Yan, GUAN Kaiyu, PENG Bin, et al. Quantifying irrigation cooling benefits to maize yield in the US Midwest[J]. Global Change Biology, 2020, 26(5): 3065-3078.

[21] 韩昌东, 叶旭红, 马玲, 等. 不同灌水下限设施番茄土壤CO2排放特征及其影响因素研究[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(2): 46-55.

HAN Changdong, YE Xuhong, MA Ling, et al. The characteristics of soil CO2emission and its impact factors of greenhouse potato soil under different controlled irrigation low limits[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(2): 46-55.

[22] XU Yueyue, MA Xiangcheng, WANG Yingxin, et al. Effects of ridge-furrow mulching system with supplementary irrigation on soil respiration in winter wheat fields under different rainfall conditions[J]. Agricultural Water Management, 2020, 239.

[23] 虎军宏, 赵文举, 刘贵元, 等. 滴灌条件下水土温度对覆砂土壤水热运移影响的数值模拟[J]. 水土保持学报, 2020, 34(5): 349-354, 360.

HU Junhong, ZHAO Wenju, LIU Guiyuan, et al. Numerical simulation of the influence of water and soil temperature on water and heat transfer of sand mulching soil under drip irrigation[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2020, 34(5): 349-354, 360.

[24] ZHU Yan, MILES D, CAI Huanjie, et al. The effects of aerated irrigation on soil respiration, oxygen, and porosity[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2019, 18(12): 2 854-2 868.

[25] 张前兵, 杨玲, 王进, 等. 干旱区不同灌溉方式及施肥措施对棉田土壤呼吸及各组分贡献的影响[J]. 中国农业科学, 2012, 45(12): 2 420-2 430.

ZHANG Qianbing, YANG Ling, WANG Jin, et al. Effects of different irrigation methods and fertilization measures on soil respiration and its component contributions in cotton field in arid region[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(12): 2 420-2 430.

[26] 侯毛毛, 陈竞楠, 林志远, 等. 滴灌和微生物有机肥对设施土壤呼吸的耦合作用及机制[J]. 农业工程学报, 2019, 35(24): 104-112.

Hou Maomao, Chen Jingnan, Lin Zhiyuan, et al. Coupling effect and mechanism of drip irrigation and microbial organic fertilization on soil respiration in greenhouse[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2019, 35(24): 104-112.

[27] CHEN Hui, SHANG Zihui, CAI Huanjie, et al. Irrigation combined with aeration promoted soil respiration through increasing soil microbes, enzymes, and crop growth in tomato fields[J]. Catalysts, 2019, 9(11): 945.

[28] 齐玉春, 郭树芳, 董云社, 等. 灌溉对农田温室效应贡献及土壤碳储量影响研究进展[J]. 中国农业科学, 2014, 47(9): 1 764-1 773.

QI Yuchun, GUO Shufang, DONG Yunshe, et al. Advances in research on the effects of irrigation on the greenhouse gases emission and soil carbon sequestration in agro-ecosystem[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 47(9): 1 764-1 773.

[29] RAJAN A, GHOSH K, SHAH A. Carbon footprint of India’s groundwater irrigation[J]. Carbon Management, 2020, 11(3): 265-280.

[30] BHAKAR P, SINGH A P. Life cycle assessment of groundwater supply system in a hyper-arid region of India[J]. Procedia CIRP, 2018, 69: 603-608.

[31] 张传伟, 齐永青, 戴茂华, 等. 华北平原灌溉麦田水分利用效率的SEM多因素影响研究[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2020, 28(6): 876-886.

ZHANG Chuanwei, QI Yongqing, DAI Maohua, et al. Effects of multi-factor on water use efficiency as identified by the SEM method in irrigated wheat farmlands in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(6): 876-886.

[32] 王帅, 赵荣钦, 杨青林, 等. 碳排放约束下的农业生产效率及其空间格局：基于河南省65个村庄的调查[J]. 自然资源学报, 2020, 35(9): 2 092-2 104.

WANG Shuai, ZHAO Rongqin, YANG Qinglin, et al. Agricultural production efficiency and spatial pattern under carbon emission constraint: Based on 65 villages of Henan province[J]. Journal of Natural Resources, 2020, 35(9): 2 092-2 104.

[33] 胡秀莲, 李爱仙, 陈海红, 等. 综合能耗计算通则（GB/T 2589—2008）[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.

HU Xiulian, LI Aixian, CHEN Haihong, et al. General principles for calculation of the comprehensive energy consumption (GB/T2589—2008) [S]. Beijing: Standards Press of China, 2008.

[34] 王利. 中国化肥产业体系养分资源流动规律与管理策略研究[D]. 武汉: 华中农业大学, 2008.

WANG Li. Nutrient resource flow law and management strategy in China's chemical fertilizer industry system[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2008.

[35] WEST T O, MARLAND G. A synthesis of carbon sequestration, carbon emissions, and net carbon flux in agriculture: Comparing tillage practices in the United States[J]. Agriculture Ecosystems and Environment, 2002, 91(1): 217-232.

[36] WANG Saige, CAO Tao, CHEN Bin. Urban energy–water nexus based on modified input–output analysis[J]. Applied Energy, 2017, 196(15): 208-217.

[37] FRUMHOFF P C, BURKETT V, JACKSON R, et al. Vulnerabilities and opportunities at the nexus of electricity, water and climate[J]. Environmental Research Letters, 2015, 10(8): 080 201.

[38] LI Hao, ZHAO Yuhuan, LIN Jiang. A review of the energy–carbon–water nexus: Concepts, research focuses, mechanisms, and methodologies[J]. Wiley Interdisciplinary Reviews: Energy and Environment, 2020, 9(1): e358.

[39] 刘杰云, 邱虎森, 张文正, 等. 灌溉方式及生物质炭对冬小麦产量及水肥利用效率的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(6): 59-65.

LIU Jieyun, QIU Husen, ZHANG Wenzheng, et al. The effects of irrigation and biochar amendment on yield and water and nitrogen use efficiency of winter wheat[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(6): 59-65.

[40] 史磊刚, 陈阜, 孔凡磊, 等. 华北平原冬小麦-夏玉米种植模式碳足迹研究[J]. 中国人口·资源与环境, 2011, 21(9): 93-98.

SHI Leigang, CHEN Fu, KONG Fanlei, et al. The carbon footprint of winter wheat—summer maize cropping pattern on North China Plain[J]. China Population, Resources and Environment, 2011, 21(9): 93-98.

[41] 李春喜, 骆婷婷, 闫广轩, 等. 河南省不同生态区小麦—玉米两熟制农田碳足迹分析[J]. 生态环境学报, 2020, 29(5): 918-925.

LI Chunxi, LUO Tingting, YAN Guangxuan, et al. Carbon footprint analysis of wheat-maize double cropping system in different ecological regions of Henan Province[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2020, 29(5): 918-925.

[42] ZHANG Xianfeng, XIN Xiuli, YANG Wenliang, et al. Soil respiration and net carbon flux response to long-term reduced/no-tillage with and without residues in a wheat-maize cropping system[J]. Soil & Tillage Research, 2021, 214: 105 182.

[43] WANG Chong, ZHAO Jiongchao, FENG Yupeng, et al. Optimizing tillage method and irrigation schedule for greenhouse gas mitigation, yield improvement, and water conservation in wheat–maize cropping systems[J]. Agricultural Water Management, 2021, 248: 106 762.

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

张慧芳, 赵荣钦, 肖连刚, 等. 不同灌溉模式下农业水能消耗及碳排放研究[J]. 灌溉排水学报, 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

国家自然科学基金项目（41971241）；河南省高校科技创新人才支持计划项目（人文社科类）（2021-CX-011）；2020年河南省留学人员科研择优资助项目

张慧芳（1998-），女，河南镇平人。硕士研究生，主要从事农业水能关联研究。E-mail: zhanghfz@163.com

赵荣钦（1978-），男，河南孟津人。教授，博士，主要从事资源环境与碳排放研究。E-mail: zhaorq234@163.com

责任编辑：白芳芳