杜景新，趙榮欽，肖連剛，楊青林，王 帥， 楊文娟，張慧芳，王天俁，李永濤，馮 浩

（1.華北水利水電大學 測繪與地理信息學院，鄭州 450046；2.河南大學 黃河文明與可持續(xù)發(fā)展 研究中心暨黃河文明傳承與現(xiàn)代文明建設河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 開封 475001）

0 引 言

水資源過度開發(fā)導致的水資源短缺，不僅會造成地下水位的下降和環(huán)境惡化，而且也成為我國糧食安全和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要威脅[1-3]。目前，由于灌溉方式的不合理，我國農業(yè)生產中普遍存在水資源嚴重浪費的現(xiàn)象[4]，而水資源的浪費又導致了能源利用效率低下。研究表明，農業(yè)灌溉用水占全國總用水量的65%[5]，而灌溉水有效利用系數僅為0.54[6]；同時，由于灌溉過程直接或間接投入的能源不斷增長，農作物灌溉成為農業(yè)碳排放的主要來源之一[7-8]?！狙芯窟M展】近年來，農業(yè)資源環(huán)境效應與碳排放研究逐漸增多。從不同的研究尺度上，一些學者對北京[9]、上海[10]、河南[11]、華北平原[12-13]、江蘇[14]、福建[15]和新疆[16]等不同地區(qū)的農業(yè)碳排放進行了核算分析，并采用LMDI 模型[17]、Kaya 恒等式[18]、模糊綜合評價法[19]、SEBS 模型[20]、空間杜賓模型[21]等探討了農業(yè)碳排放的影響因素；研究結果表明，農業(yè)碳排放及其強度的差異受經濟水平、作物類型、耕作方式、灌溉模式等因素的影響[17-18,21-23]，且與農業(yè)水、土、能等資源的利用強度和效率的關系密切[24]。在此基礎上，一些學者嘗試從“水-能”關聯(lián)的角度揭示灌溉碳排放的特征及影響機理[25-26]。例如，趙榮欽等[24]構建了“水-土-能-碳”耦合作用的理論框架，對中國不同省區(qū)的農業(yè)水土資源開發(fā)過程的能源消費碳排放進行核算分析，并探討了省域尺度上水土資源匹配度對農業(yè)碳排放的影響機制[27]；王帥等[28]基于河南省農村調查的數據，分析了不同地區(qū)不同作物農業(yè)水土資源開發(fā)的碳排放效應；張宇[29]在對華北平原縣域尺度冬小麥—夏玉米灌溉過程的碳水足跡進行研究時發(fā)現(xiàn)，不同作物碳水足跡及其構成受灌溉模式的影響；也有學者基于動力消耗、灌溉等過程的能源消耗數據[30-31]，對中國不同省區(qū)[30]、甘肅省民勤縣[31]等的農業(yè)水資源開發(fā)利用過程的碳排放進行了核算，進而探討了水資源開發(fā)利用對環(huán)境的影響及適應氣候變化的對策，研究發(fā)現(xiàn)農業(yè)溫室氣體排放占中國碳排放總量的17%～20%[30]，其中地下水的溫室氣體排放占農業(yè)水資源碳排放的65%～88%[31]；吳蒙[32]利用Ward 系統(tǒng)聚類分析法對上海農田灌溉系統(tǒng)的水能關系開展了研究，并提出了農業(yè)節(jié)水管理分區(qū)的思路。

總體而言，前期關于“水-能”關聯(lián)的農業(yè)碳排放研究還處于探索階段，盡管一些學者開展了區(qū)域尺度灌溉過程的碳排放研究，但由于自然條件、農業(yè)生產基礎設施條件、作物類型和灌溉模式等因素的影響，區(qū)域內部農業(yè)“水-能-碳”組合特征具有較大的空間差異?！厩腥朦c】河南省是農業(yè)大省，位于南北氣候過渡帶，其作物類型和灌溉模式在我國（尤其是北方旱作農業(yè)區(qū)）具有較好的代表性?！緮M解決的關鍵問題】因此，以農村調查數據為依托，基于“水-能”關聯(lián)的視角探討河南省縣域尺度農業(yè)灌溉過程碳排放強度及其空間差異，【重要意義】這不僅對于河南省農業(yè)水土資源優(yōu)化管理和農業(yè)節(jié)水、節(jié)能及碳減排有一定實踐意義，而且可以為全國其他地區(qū)開展農業(yè)水土資源合理配置提供地域借鑒。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

本文的數據來源于2018 年6—7 月對河南省48個典型村莊的問卷調查結果，其中收集問卷421 份，剔除無效問卷84 份，數據有效率為80.05%。調查內容包括：農業(yè)種植類型、面積、產量、灌溉方式、單位面積灌溉耗水量、耗電量（或耗油量）單位面積機井的分布數量等。需要說明的是，調研村莊的選擇涵蓋了不同地形、氣候條件和不同農作物輪種條件，且48 個調研村莊主要以農業(yè)生產為主，因此在河南省具有較好的代表性。河南省農業(yè)用水量、縣域機井平均深度和有效灌溉面積數據來自2017 年《河南省統(tǒng)計年鑒》、《河南省農村統(tǒng)計年鑒》、《河南省水資源公報》及各地市統(tǒng)計年鑒等。

1.2 研究方法

1.2.1 農業(yè)灌溉耗能量及耗能強度估算方法

農業(yè)灌溉耗能主要是電力和柴油的消耗，為了進行量綱化處理，統(tǒng)一采用《綜合能耗計算通則》（GB/T2589—2008）。農業(yè)灌溉耗能量計算式為：

式中：Ei為農業(yè)灌溉過程中消耗的能源總量（kg）；n為灌溉次數；Ai為第i 種物資的標準煤轉換系數；Wi為第i 種物資的消耗量（kW·h、kg）。其中電力轉換系數為0.122 9 kg/（kW·h），柴油轉換系數為1.457 1 kg/kg[33]。

根據耗能量的計算結果，結合不同作物的種植面積，可以計算得到單位面積的能耗強度：

式中：T 為農業(yè)耗能強度（kg/hm2）；S 為耕地面積（hm2）。

圖1 典型村莊分布圖 Fig.1 Distribution map of typical villages

1.2.2 灌溉碳排放量及碳排放強度估算方法

農業(yè)灌溉碳排放主要是由于電力或柴油等能源消耗所產生的，這里結合調查所得的典型樣點農業(yè)灌溉過程中能耗數據，采用相應的碳排放系數進行碳排放量估算，計算式為：

式中：Qi為農業(yè)灌溉過程中產生的碳排放總量（kg）；n 為灌溉次數；Bi為第i 種能源的碳排放系數；Wi為第i 種能源的消耗量（kW·h、kg）。需要說明的是：由于不同區(qū)域能源利用效率存在差異，因此在選取電力和柴油碳排放系數時應盡量符合區(qū)域的實際情況，電力碳排放系數主要取自于《省級溫室氣體清單編制指南》華中區(qū)域的系數0.801 kg/（kW·h）；柴油碳排放系數的估算方法為：

式中：Cc為碳排放系數；Lcalorific為低位發(fā)熱量；Ccontent為含碳量；Orate為氧化率。其中，Lcalorific為42 652 KJ/kg[34]、Ccontent為20.2 TC/TJ、Orate為0.98[35]。

根據碳排放的計算結果，結合不同作物的種植面積，可以計算得到單位面積的碳排放強度：

式中：P 為農業(yè)碳排放強度（kg/hm2）；S 為耕地面積（hm2）。

1.2.3 縣域空間農業(yè)灌溉碳排放的模擬方法

構建河南省縣域尺度農業(yè)灌溉碳排放核算的數據庫，分別計算出各個樣點不同作物類型的單位面積灌溉碳排放。由于只調研了48 個樣點，因此相對于整個河南省縣域尺度而言，需要通過回歸分析方法對縣域單元的碳排放進行模擬。具體方法如下：利用SPSS 中缺失值組件，將Excel 表導入，以地區(qū)的種植面積、灌溉用水量、作物類型、機井深度等因素為自變量，利用回歸分析方法進行模擬計算，得出其他縣域灌溉過程的碳排放數據，并結合他人研究成果，對數據進行比較修正，得到河南省全部縣域的農業(yè)灌溉碳排放數據。

2 結果與分析

2.1 典型村莊的農業(yè)灌溉碳排放強度差異分析

不同典型村莊的灌溉碳排放強度差異性較大。鶴壁市浚縣左洼村的碳排放強度最大，為871.85 kg/hm2，約是第2 位焦作市修武縣郇封村（213.41 kg/hm2）的4 倍（表1）。這是由于浚縣的地下水位較低，其中打井深度約為173 m，從而導致抽取地下水的能耗增加。并且該村的灌溉條件較差，機井數量較少且存在私自占有的問題，從而導致部分農戶距離機井位置較遠，灌溉過程能源消耗多、碳排放強度高。碳排放強度最小的是新鄉(xiāng)市原陽縣陳莊村為0.93 kg/hm2。因為該村修建了溝渠，利用地勢條件引黃河水進行灌溉，減少了能源的使用從而產生了較少的碳排放。與王娜[36]和張志高[37]的研究成果相比，雖然二者關于2014 年的總農業(yè)碳排放量相差不大，但是王娜[36]的灌溉碳排放強度為266.48 kg/hm2，張志高[37]的灌溉碳排放強度為15.86 kg/hm2，二者相差過大可能是因為統(tǒng)計的灌溉面積不一致，而本文的灌溉碳排放強度大多在20～200 kg/hm2，與二者具有相似性，這也表明本文的問卷調查結果比較可靠。

同一地區(qū)不同作物灌溉碳排放強度不同，同種作物在不同地區(qū)的灌溉碳排放強度也有明顯差異。其中，?？h左洼村農作物碳排放強度的差異最為明顯，小麥的碳排放強度最大，為989.71 kg/hm2，玉米的碳排放強度為753.98 kg/hm2；柘城縣老王集村不同農作物的碳排放強度差異最小，小麥的碳排放強度為59.01 kg/hm2，玉米的碳排放強度為59.48 kg/hm2，花生的碳排放強度為36.38 kg/hm2。另外，同種作物的碳排放強度也存在著區(qū)域差異。比如：小麥碳排放強度最大的是浚縣左洼村，為989.71 kg/hm2，最小的是確山縣任莊，為5.29 kg/hm2；玉米碳排放強度最大的是浚縣左洼村，為753.98 kg/hm2，其次是汝州市崔辛莊村，為225.31 kg/hm2，最小的是南召縣廟西村，為2.41 kg/hm2；花生碳排放強度最大的是武陟縣程封村，為152.78 kg/hm2，最小的是確山縣任莊，為2.56 kg/hm2（表1）。

結合調研村莊的實際生產條件，影響灌溉碳排放的因素主要包括：①氣候與地下水位[38]?？？h左洼村和淇縣本廟村地下水位較低，機井數量較少且深度基本在100 m 左右，灌溉基礎設施的不完善很大程度上增大了農業(yè)灌溉過程中的碳排放強度；②地形條件。以確山縣任莊村和鲇魚山鄉(xiāng)廟崗村為代表的村莊，農業(yè)生產過程中灌溉次數和灌溉用水量明顯低于河南省其他地區(qū)，因為這些村莊多位于丘陵地區(qū)，地下水位過低導致井水干枯，機井成為廢井，灌溉成本較高以致農戶很少進行灌溉，因此這些區(qū)域農業(yè)灌溉過程中碳排放強度較低；③機井分布與深度[31]。以毛莊鄉(xiāng)五里朱村和王洛鎮(zhèn)大路謝村為代表的村莊，灌溉條件較好，每村機井數量為55～65 口且分布均勻，井深50～70 m，村民每季基本灌溉2 次或更多，雖然在灌溉過程中用水量多，但是由于灌溉條件較好，碳排放適中。總體而言，小麥生產過程中的碳排放強度要大于玉米和花生的，農業(yè)灌溉基礎設施的完善程度及當地水熱等自然條件的綜合影響導致農業(yè)灌溉過程中的碳排放強度有所差異。

2.2 不同作物灌溉碳排放強度的空間差異分析

河南省縣域層面不同作物碳排放強度差異較為明顯。小麥與玉米的灌溉碳排放強度相差不大，與花生和水稻的碳排放強度相差較大。這是因為小麥和玉米在種植期間都需要灌溉4～5 次水，水稻生長期間灌溉次數較多，花生灌溉次數相對較少。小麥和玉米灌溉碳排放強度最大的縣都為?？h，其中，小麥的碳排放強度為989.71 kg/hm2，玉米的碳排放強度為753.98 kg/hm2，浚縣雖地處平原地區(qū)，但地下水位較深，平均打井深度為173 m，水資源承載力較小，基礎水利設施建設與當地情況不相符，導致灌溉難度增大，耗能較多，碳排放強度較高。花生灌溉碳排放強度最高的是濮陽市區(qū)182.84 kg/hm2，而水稻灌溉碳排放強度最高的為淮濱縣，灌溉碳排放強度為262.1 kg/hm2（圖2）。

同種作物的碳排放強度在縣域面積上也呈現(xiàn)不同的分布。河南省小麥和玉米的灌溉碳排放強度呈西高東低、北高南低的分布，以南陽市、安陽市和鶴壁市為主形成第一梯度；花生的灌溉碳排放高強度地區(qū)主要集中于黃河流域以及淮河流域，但是花生的碳排放強度在空間分布上大體相差不大；而水稻的灌溉碳排放高強度地區(qū)主要集中在信陽地區(qū)以及南陽市的 淅川縣和內鄉(xiāng)縣（圖2）。

表1 河南典型村莊不同作物碳排放強度（kg/hm2）及相關信息 Table 1 Carbon emission intensity of different crops and related information in typical villages of Henan province

圖2 不同作物灌溉過程碳排放強度的空間分布特征 Fig.2 Spatial distribution characteristics of carbon emission intensity in irrigation process of different crops

不同作物的碳排放強度差異分布受多種因素的影響：小麥和玉米在河南省廣泛種植，河南省西部以及北部多為山地丘陵地區(qū)，基礎水利設施較差，并且地下水位較深，因此灌溉消耗的能源較多，產生的碳排放量較多，碳排放強度較大。豫東南地區(qū)為平原區(qū)，并且水量充足，基礎水利設施較為完備，此區(qū)域的灌溉難度較小，耗能較少，碳排放強度較低。花生的高碳排放強度地區(qū)主要集中于黃河以及淮河流域。此地區(qū)的花生種植廣泛，花生喜沙質土壤，但沙質土壤的蓄水保水能力較差，農戶為了增加收益進行多次灌溉，導致此區(qū)域的灌溉碳排放較高。水稻的種植基本上分布在信陽以及南陽地區(qū)。河南省水稻的灌溉碳排放高強度地區(qū)主要集中于信陽以及南陽的淅川縣和內鄉(xiāng)縣，其中淮濱縣灌溉碳排放強度為262.1 kg/hm2，信陽地區(qū)的水資源承載力較大，水稻種植期間需要多次進行灌溉，因此增大了此地的灌溉碳排放強度，而南陽的淅川縣（124.79 kg/hm2）和內鄉(xiāng)縣（121.11 kg/hm2）位于丘陵地區(qū)，基礎水利設施較差，增加了能源消耗量和碳排放量，導致碳排放強度較大。

2.3 農業(yè)灌溉過程的水-能差異及其對碳排放效率的影響

河南省農業(yè)用水量呈南高北低、西高東低的分布（圖3），而河南省灌溉耗能量（圖4）與碳排放量（圖5）呈現(xiàn)東高西低的分布。為了更好地了解“水-能”利用效率與碳排放的關系，基于農業(yè)灌溉碳排放效率C（作物產量/碳排放量）對河南省進行如下分區(qū)：低碳排放效率區(qū)（C<40 t/t）、中碳排放效率區(qū)（40240 t/t）（圖6）。 低碳排放效率區(qū)（n=14）：主要分布在南陽市山

地丘陵區(qū)以及安陽市的林州市和內黃縣、鶴壁市的淇縣和?？h。這些地區(qū)大多位于山地丘陵區(qū)，地下水位較深，水資源開發(fā)利用程度較低，這些地區(qū)的基礎水利設施較差，造成灌溉耗水強度較高，并且作物產量低，因此碳排放效率低。

圖3 河南省縣域農業(yè)用水量 Fig.3 Agricultural water consumption in each county

圖4 河南省縣域灌溉耗能量 Fig.4 Irrigation energy consumption in each country

圖5 河南省縣域灌溉碳排放量 Fig.5 Irrigation carbon emissions in each country

圖6 河南省縣域灌溉碳排放效率 Fig.6 Carbon emission efficiency of agricultural irrigation in each county

中碳排放效率區(qū)（n=53）：主要分布在豫西地區(qū)、新鄉(xiāng)市、信陽和焦作的中東部地區(qū)、開封市中部地區(qū)、許昌市西部地區(qū)、平頂山中部地區(qū)。這些地區(qū)大多位于山地丘陵區(qū)，地形條件較差，地下水位深度適中，灌溉耗能較多，并且灌區(qū)面積較小，因此灌溉能耗強度較高（宜陽縣為105 kg/hm2）。由于農業(yè)基礎設施正處于逐步建設中，導致此地的灌溉耗水強度較高（宜陽縣0.51×104t/hm2），且農作物產量一般，因此灌溉碳排放效率較低。

較高碳排放效率區(qū)（n=44）：主要分布在濟源市、南陽盆地西部地區(qū)以及周口市、許昌市、漯河市、駐馬店市的中東部地區(qū)。南陽盆地西部地區(qū)地勢條件較好，農業(yè)發(fā)展基礎較好，雖然地下水位較深（平均打井深度約為100 m），但是此地區(qū)的降雨量較多，因此灌溉耗能較小，并且因為灌區(qū)面積較大，所以能耗強度較低（鎮(zhèn)平縣為46 kg/hm2）。其他地區(qū)大多位于地勢條件較好的平原區(qū)，且地下水位深度較淺，灌溉抽水耗能較少，此外灌區(qū)面積較大，故能耗強度較低（汝南縣為44 kg/hm2）。由于基礎水利設施完備度較好，灌溉耗水強度較低（汝南縣0.47×104t/hm2），且此地區(qū)的作物產量較高，因此灌溉碳排放效率較高。

高碳排放效率區(qū)（n=16）：主要分布在周口市西部地區(qū)以及南陽市的新野和唐河縣。周口市地形條件較好，地下水位較淺，灌溉耗能較少。雖然此地的灌區(qū)面積較大，但由于基礎水利設施較好，灌溉耗水強度以及灌溉能耗強度較低（商水縣的耗水強度為0.29×104t/hm2、耗能強度為59 kg/hm2）。南陽市新野縣和唐河縣雖然地下水位較深，但地形條件較好，水利設施較完善，灌溉耗能較少，灌溉耗能強度較低。由于降雨量較多，灌溉次數較少，因此灌溉耗水強度較低；作物產量較高，因此碳排放效率高。

3 結論與建議

1）河南省小麥和玉米的碳排放都呈西高東低、北高南低的態(tài)勢；而花生的灌溉碳排放高強度地區(qū)主要集中于黃河流域以及淮河流域。河南省農業(yè)用水量呈南高北低、西高東低的態(tài)勢；灌溉耗能量以及碳排放量呈北高南低、東高西低的態(tài)勢。灌溉用水量與灌溉碳排放量的關聯(lián)度較小，而灌溉耗能量與灌溉碳排放量關聯(lián)度較高。

2）基于農業(yè)灌溉碳排放效率，將河南省分成了4 類地區(qū)：低碳排放效率區(qū)（C<40 t/t）、中碳排放效率區(qū)（40240 t/t）。

3）建議。①對于糧食主產區(qū)，鼓勵通過土地流轉實現(xiàn)規(guī)模化經營，以規(guī)模經營的方式降低單位面積的水、能消耗和碳排放；②對于生態(tài)脆弱區(qū)和坡耕地可考慮實行退耕還林。對于平原地區(qū)，應加強農田水利設施建設，發(fā)展節(jié)水節(jié)能灌溉技術，提高農業(yè)水能資源利用效率；③對于較為干旱的地區(qū)可以適當改變作物種植結構，比如，可選用耐旱的節(jié)水經濟作物（如花生、芝麻等）代替糧食作物；④對不同地區(qū)灌溉方式進行差別化管理，針對不同地形、氣候和作物種植區(qū)，應結合水資源可獲得情況確定合理的灌溉方式，以減少灌溉過程中的水能消耗與碳排放。