不同灌溉模式下農業水能消耗及碳排放研究

張慧芳，趙榮欽，肖連剛，魏義長，朱瑞明，馮夢雨，羅慧麗，李汭詩

不同灌溉模式下農業水能消耗及碳排放研究

張慧芳，趙榮欽*，肖連剛，魏義長，朱瑞明，馮夢雨，羅慧麗，李汭詩

（華北水利水電大學 測繪與地理信息學院，鄭州 450046）

【】從“水-能”關聯的視角揭示不同灌溉模式下水能消耗和碳排放的差異。通過收集河南農業大學科教園區（原陽）節水農業試驗場不同灌溉模式下的面積、產量、水資源及能源消耗等數據，分析了不同灌溉模式下農業生產碳排放強度的差異，并探討了水能消耗及碳排放的關聯關系。灌溉碳排放是農業生產的主要碳排放源。傳統漫灌模式下水能消耗及碳排放強度均較高，滴灌模式下水能消耗及碳排放強度明顯下降，其中水資源、能源消耗及碳排放強度較漫灌模式分別減少60.00%、19.47%和33.21%；在漫灌模式下，冬小麥全生長期內的碳排放強度高于夏玉米19.67%；而在微噴灌與滴灌模式下，夏玉米灌溉碳排放強度比冬小麥高43.75%和40.81%；夏玉米在滴灌模式下的產量略高于微噴灌，明顯高于漫灌模式（12.05%），遠高于雨養模式（43.13%）；不同灌溉模式下耕作方式和水能消耗強度是導致碳排放差異的主要原因。不同灌溉模式下農業水能消耗及碳排放強度差異明顯，在考慮區域水資源狀況及土壤條件的基礎上，規模化采用滴灌、微噴灌等節水灌溉措施可以降低農業生產中的能源消耗強度，推動農業生產的低碳發展。

農業；灌溉模式；碳排放；水能消耗

0 引言

【研究意義】農業生產過程中各種能源和物資投入導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業國，中國農業灌溉用水量約占全國總用水量的65%[3]，僅華北平原2010年用于農業灌溉的用水量占可再生農業用水量的4倍多[4]，農業生產導致的碳排放量占全國碳排放總量的17%～20%[5-6]，其中灌溉過程碳排放約占農業生產碳排放總量的22%[7]，水資源開發利用過程導致的碳排放是農業碳排放的重要組成部分[8-9]。河南作為華北平原典型的農業大省，其73%的耕地為灌溉農業區[10]，灌溉農業糧食產量是全國糧食總產量的重要組成部分，是我國糧食安全的重要基礎保障，因此，開展不同灌溉模式下的水能消耗和碳排放研究對于揭示農業水-能-碳關系機理，探索資源協同節約和碳減排的農業優化生產方式具有重要意義。

【研究進展】不同灌溉模式下農業水能消耗及碳排放強度差異明顯。與傳統漫灌模式相比，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]，且在各個生育時期冬小麥的日耗水強度隨灌水量的增加而逐漸增加[12]；河南省灌溉農業能源消耗強度整體上呈北高南低，西高東低的態勢[13]；在碳排放強度方面，滴灌模式下冬小麥農田生態系統的固碳量、土壤碳排放總量分別比漫灌模式下高出15.38%和11.43%[14]。傳統漫灌模式下，水能資源消耗浪費現象嚴重[15]。微噴灌模式下能源消耗強度明顯降低，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上進一步優化了水能資源配置[17]，實現了更高水平的資源利用率及生產效率[18]。雨養模式下，作物水能資源消耗強度較低，生產效率提升空間較大[19]。

灌溉是提高作物對全球氣候變化適應能力的重要適應策略。在水資源有限的地區，灌溉在維持作物生產方面起著至關重要的作用[20]。【切入點】近年來，關于灌溉模式對農業碳排放影響的研究引起了國內外學者的廣泛關注，一些學者從灌溉方式對土壤呼吸[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展了農業灌溉碳排放的研究，但多為國家[5,28-30]、區域[7,31]或省域[11,32]等宏觀尺度，而從區域微觀尺度上揭示農業水能消耗強度及其對碳排放影響的研究還需要進一步加強，特別是結合傳統漫灌、微噴灌、滴灌和雨養等不同灌溉模式，從農業生產過程“水-能”資源耦合角度開展碳排放研究的相對較少。【擬解決的關鍵問題】因此，本文基于河南農業大學科教園區（原陽）節水農業試驗場各項農業生產基礎數據，從“水-能”關聯的視角開展微觀尺度下傳統漫灌、微噴灌、滴灌和雨養4種灌溉模式下農業水能消耗及碳排放研究，進一步深化農業碳排放機理研究，推動灌溉農業的低碳轉型及生產效率的提升。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

研究區位于河南農業大學科教園區（原陽）（以下簡稱“科教園區”），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。該區域多年平均降水量580 mm，屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，光熱充沛，土壤類型為潮土，質地為砂壤土，土質肥沃，耕作條件良好。

本研究數據來自科教園區節水農業試驗場2016年10月—2019年10月農業耕作過程相關水肥、電力和柴油等物資投入的監測和記錄數據。試驗設4種灌溉模式分別為傳統漫灌、微噴灌、滴灌及雨養空白對照，總面積8 000 m2，每種灌溉模式的田塊規格為25 m×80 m，中間以寬度為40 cm的地壟分隔開（圖1）。其中，漫灌是在田間不做任何溝埂，灌水時任其在地面漫流，借重力作用浸潤土壤，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；雨養是指不進行人工灌溉，僅利用天然降水為水源發展的農業生產模式。在冬小麥種植期間，傳統漫灌模式下在越冬期灌水1次，灌水強度為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期，每次灌水強度為300 m3/hm2。在夏玉米種植期間，漫灌處理下在拔節期灌水1次，灌水強度為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、拔節期和抽穗期，每次灌水強度為300 m3/hm2。試驗期間，冬小麥和夏玉米生育期的降水量分別為198 mm和381 mm，化肥投入強度均為150 kg/hm2。其中涉及的灌溉抽水過程中的耗電量、翻耕及收獲階段農用機械工作時的柴油消耗量、農業生產過程中化肥投入量及作物種植面積和產量均進行精準控制和嚴格記錄。需要說明的是，本試驗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。為了進行無量綱化處理，統一采用《綜合能耗計算通則》（GB/T2589—2008）[33]中標準煤折算系數。農業能源消耗強度計算式為：

式中：E為第類灌溉模式下農業能源消耗強度；E為第類灌溉模式下第種物資的能源消耗強度；Q為第類灌溉模式下單位面積第種物資的消耗量；A為第種物資的標準煤轉換系數。其中電力的標準煤轉換系數為0.122 9 kg-ce/(kW·h)[33]，柴油的標準煤轉換系數為1.457 1 kg-ce/kg[33]，化肥的標準煤轉換系數為1.196 6 kg-ce/kg[34]。

2）碳排放強度核算方法

農業碳排放主要是由于灌溉電力、翻耕和收獲時柴油的消耗及投入的化肥所引起的碳排放。農業碳排放強度計算式為：

式中：C為第類灌溉模式下農業碳排放強度；C為第類灌溉模式下第種物資的碳排放強度；Q為第類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。其中，電力碳排放系數主要取自于《省級溫室氣體清單編制指南》華中區域的系數0.218 5 kg-C/(kW·h)，柴油碳排放系數0.844 3 kg-C/kg[13]，化肥的碳排放系數0.857 5 kg-C/kg[35]。

2 結果與分析

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度具有明顯差異。由于漫灌模式灌水定額遠高于其他灌溉模式，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）。從作物類型來看，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，夏玉米全生長期內的3次灌溉高于冬小麥全生長期內的2次灌溉，而在漫灌模式下，由于單次灌水定額遠高于其他灌溉模式而均進行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量不同，且滴灌處理具有明顯優勢。冬小麥在滴灌模式下的產量約為8 100 kg/hm2，高于漫灌、微噴灌和雨養模式下的7 350、7 125 kg/hm2和4 050 kg/hm2，總體表現為滴灌>漫灌>微噴灌>雨養；夏玉米在滴灌模式下的產量約為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，及雨養處理下的5 900 kg/hm2，總體表現為滴灌>微噴灌>漫灌>雨養（圖2）。這與不同灌溉模式下的灌溉水利用系數有關，研究區內微噴灌和滴灌模式下的灌溉水利用系數約為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。實現了更精準灌溉的滴灌模式顯然提高了灌溉水的利用效率及作物產量，更有利于資源節約高效利用。

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源于抽水灌溉時的電力消耗、翻耕和收獲階段農用機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，其他過程的能源消耗按時間順序依次為翻耕、化肥投入和收獲3個階段。

不同灌溉模式下的能源消耗強度不同，且各階段對能源消耗總強度的貢獻率也有所差異。雨養模式下冬小麥能源消耗強度為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度整體表現為漫灌>微噴灌=滴灌>雨養（圖3）。這與雨養模式不進行灌溉，其模式下的能源消耗總強度僅由翻耕、化肥投入和收獲3階段所產生及傳統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生較高的能源消耗強度有關。與傳統漫灌模式相比，微噴灌和滴灌模式下能源消耗強度下降明顯，能源利用效率較高。主要表現為夏玉米在微噴灌模式下能源消耗強度減少13.60%，而產量增加10.41%；冬小麥在滴灌模式下能源消耗強度減少19.47%，而產量增加10.20%。

從各階段的能源消耗強度來看，冬小麥在傳統漫灌模式下的能源消耗總強度為479.92 kg/hm2，其中灌溉過程、翻耕、收獲及化肥投入階段的能源消耗強度分別為148.09、96.61、55.73 kg/hm2和179.49 kg/hm2，其分別占總強度的30.86%、20.13%、11.61%和37.40%。相似地，夏玉米在傳統漫灌模式下的能源消耗總強度為370.41 kg/hm2，其中灌溉過程、翻耕、收獲和化肥投入階段的能源消耗強度分別為135.19、0、55.73 kg/hm2和179.49 kg/hm2，分別約占總強度的36.50%、0%、15.04%和48.46%。2種作物在化肥投入階段能源消耗強度均較高，這可能與研究區作物全生長周期內投入的化肥主要為氮肥，而氮肥在原材料獲取、生產加工和成品包裝運輸等生產流程中間接能源消耗強度較高有關。此外，灌溉階段的能源消耗強度在傳統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生的高能源消耗強度有關。與傳統漫灌模式相比，冬小麥在微噴灌和滴灌模式下灌溉過程的能源消耗強度分別下降60.17%和59.34%，在該模式總能源消耗強度中占比分別為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。

從作物類型來看，夏玉米在各灌溉模式下的能源消耗強度普遍低于冬小麥。翻耕階段夏玉米因免耕而產生較低的能源消耗強度，灌溉階段雖夏玉米全生長期內灌溉3次大于冬小麥2次，但由于單次灌溉能源消耗強度低于翻耕過程，因此作物能源消耗強度整體表現為夏玉米小于冬小麥。收獲階段的能源消耗對總能源消耗強度的貢獻率因作物類型不同而差異明顯。冬小麥收獲階段的能源消耗對傳統漫灌、微噴灌、滴灌和雨養模式下的總能源消耗強度貢獻率分別為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率15.05%、17.41%、17.41%和23.69%。

2.3 不同灌溉模式下農業碳排放特征差異分析

不同灌溉模式下各階段對總碳排放強度的貢獻率差異明顯。雨養模式下冬小麥總碳排放強度為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度整體表現為漫灌>微噴灌=滴灌>雨養（圖4），這與其能源消耗強度趨勢基本一致，且灌溉過程是造成各灌溉模式碳排放差異的主要原因。就各階段對碳排放強度的貢獻率來看，灌溉過程和化肥投入階段導致的碳排放量是農業生產碳排放總量的重要組成部分。以傳統漫灌模式為例，冬小麥全生長期的灌溉過程、翻耕、化肥投入和收獲的碳排放強度占總碳排放強度的54.83%、11.66%、26.79%和6.72%，其中化肥投入的碳排放強度僅次于灌溉過程，這與氮肥的投入強度及碳排放轉換系數有關；翻耕和收獲得益于農用機械規模化耕作與收獲作業時，柴油的消耗強度較小，而產生較低的碳排放強度。因而在微噴灌與滴灌模式下則呈現出化肥投入>灌溉過程>翻耕>收獲，雨養模式下因不存在灌溉過程碳排放而表現為化肥投入>翻耕>收獲。

圖4 不同灌溉模式冬小麥和夏玉米碳排放強度

不同灌溉模式下灌溉過程的碳排放強度差異較大。冬小麥和夏玉米在傳統漫灌模式下灌溉過程的碳排放強度分別為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。與微噴灌和滴灌模式相比，漫灌模式下冬小麥灌溉次數較少，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程的碳排放強度分別為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度差異不大，主要是因為冬小麥或夏玉米各自在這2種灌溉模式下的毛灌溉用水量基本相同，能源消耗強度相差不大，而灌溉過程的碳排放強度受其階段能源消耗強度影響，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，作物灌溉過程的碳排放強度大體上表現為漫灌>微噴灌=滴灌>雨養，除傳統漫灌與雨養模式外，夏玉米灌溉階段碳排放強度高于冬小麥。

不同灌溉模式下作物單位產值的碳排放量不同，且在灌溉條件允許的情況下，冬小麥優選灌溉種植特別是以滴灌或微噴灌模式代替雨養模式，以實現產量顯著提升的同時碳排放量增幅較小，生產效率明顯提高。冬小麥在漫灌、微噴灌、滴灌、雨養模式下單位產值的碳排放量分別為0.065 3、0.044 7、0.039 6、0.053 3 kg，整體表現為漫灌>雨養>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，整體表現為漫灌>微噴灌>滴灌>雨養。需要強調的是，冬小麥在滴灌和微噴灌模式下單位產值的碳排放量小于雨養模式，這與滴灌和微噴灌模式下作物產量的增幅大于作物全生長期內總碳排放量的增幅有關。同時，雨養模式下夏玉米單位產值碳排放量低于其他灌溉模式，但其較低的產量嚴重阻礙生產效率的提高，不適宜于大面積推廣。從作物類型來看，在各灌溉模式下，冬小麥單位產值的碳排放量高于夏玉米，且雨養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，這與不同類型作物產量及夏玉米采取免耕種植方式等有關。

2.4 不同灌溉模式下水-能-碳關聯分析

不同灌溉模式下農業生產過程水能資源消耗與碳排放具有較強的關聯性。研究表明，農業生產過程中，各因子對農業碳排放的貢獻作用順序為：水資源經濟產出>水土資源匹配度>人口因子>人均土地利用面積>農業碳排放強度，其中水資源經濟產出和水土資源匹配度與農業生產碳排放呈正相關[6]。Wang等[36]認為水-能-碳關系為能源消耗或為實現可持續發展目標控制碳排放過程中伴隨有水資源的消耗，而水資源消耗及實施碳減排過程中同樣伴隨著能源消耗的現象，且由于以化石能源為主要能源消耗類型的碳排放加速了全球變暖，水資源的開發利用或將發生重大變化[37]。Li等[38]認為水-能-碳之間為動態相互關系，其耦合機制相互關聯，轉化過程體現在相互交織的多學科鏈中。

農業部門的用水主要用于作物灌溉；碳排放則來自灌溉和農業生產中的能源消費；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、施肥和除草過程中的電力和燃料消耗；間接能源消耗包括作為生產材料的能量輸入，如肥料、農藥、除草劑、種子、灌溉系統和農業機械等[38]。傳統漫灌模式下水資源消耗強度較大，且具有較高的能源消耗量，主要表現為灌溉階段抽水過程耗電量的增加，而滴灌和微噴灌模式利用智慧灌溉系統在減少作物毛灌溉用水量、提高水資源利用效率的同時降低了灌溉過程的能源消耗強度，這在一定程度上有助于碳減排目標的實現。與漫灌模式相比，冬小麥在滴灌模式下水資源消耗強度減少60%，總能源消耗強度減少19.47%，其中灌溉過程的能源消耗強度減少59.34%，總碳排放強度減少33.21%，灌溉模式的優化調整對于農業生產特別是農業灌溉過程的節能減排意義重大。除灌溉過程耗能之外，農業生產過程還包括翻耕、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度之和在各灌溉模式總碳排放強度比重中呈雨養>微噴灌>滴灌>漫灌，這與各灌溉模式下總能源消耗強度的逐漸增大有關。氮肥因為工藝過程、運輸銷售等環節的復雜導致具有較高的間接能源轉換系數，從而使化肥投入在作物生長過程中的總能源消耗和總碳排放強度方面貢獻顯著。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%。

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

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所需水量、毛灌溉用水量及灌溉系數密切相關。有研究表明，在冬小麥生長發育期滴灌和微噴灌處理下灌溉水利用系數較漫灌處理分別顯著提高42.79%和47.71%[39]，與本研究中傳統漫灌處理下水資源消耗明顯高于其他模式，并由此引發的能源消耗和碳排放量明顯高于其他灌溉模式處理結果一致。農業碳足跡包括直接碳足跡和間接碳足跡[40]，本研究中，灌溉過程電能消耗和化肥投入的間接碳足跡導致的碳排放量是灌溉農業生產過程中碳排放總量的重要組成部分，與李春喜等[41]研究結果相一致。結合殘茬的少耕/免耕耕作有利于減少農田生態系統的凈碳通量，同時提高農業生產的可持續性[42]。本研究中玉米采取免耕的種植方式，是玉米全生長期碳排放強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合可以提高玉米產量和減少碳排放的研究結果一致。過度灌溉不利于溫室氣體排放的減緩計劃，而關鍵生長期的灌溉顯著提高了作物產量和水生產率[43]，這與本研究中夏玉米產量在滴灌處理下顯著高于漫灌模式（12.05%），且碳排放強度較漫灌模式降低33.21%相一致。劉杰云等[39]研究指出綜合考慮作物生長、產量、灌溉水利用效率等因素，初步認為滴灌是華北地區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、碳排放強度顯著減少、產量提升及建議大范圍推廣滴灌及微噴灌灌溉模式研究結果相一致。

本文側重于從不同灌溉模式入手，揭示農業生產過程中由人類活動帶來的水資源、能源消耗和碳排放的內在關系，為不同灌溉模式下的水能資源節約利用和碳減排提供參考借鑒。實質上，農田的碳排放應該包括2個方面：一是由農業耕作過程中的能源消耗和人類各項投入帶來的碳排放，二是農作物生產過程光合作用、呼吸作用及土壤呼吸等過程帶來的排放。前者是人類活動的排放，而后者是自然過程的排放。展望未來，應該進一步從自然和人為結合的角度深入分析不同灌溉模式下“水-能-碳”的關聯，揭示不同灌溉模式對自然和人為碳排放的影響機制。這是下一步研究的方向之一。

4 政策建議

為推動農業生產過程中節水、節能和碳減排多重目標的實現，提出以下建議：①依據區域降水條件和土壤墑情實施科學灌溉，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度；盡量改雨養模式為滴灌模式，可在水能資源有效利用的基礎上實現農作物產量的顯著提升；③加強農田灌溉基礎設施建設，推廣農業節水灌溉技術，規模化采用滴灌、微噴灌等措施減少農業生產的水能資源消耗。通過資金補貼等政策引導農戶開展節水和低碳生產，增加對種植大戶或企業組織的稅收優惠力度，鼓勵研發測土配方施肥和土壤改良培肥等技術。

5 結論

1）灌溉過程中的電力消耗是農業生產過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高于其他灌溉模式，因此與其他灌溉模式相比，傳統漫灌造成的水能消耗及碳排放強度均較高。

2）微噴灌與滴灌模式下水能消耗及碳排放強度明顯下降，這與其采取嚴格的土壤墑情監控和灌溉水量控制措施有關，其碳排放強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期內碳排放強度高于夏玉米19.67%，而在微噴灌和滴灌模式下，夏玉米灌溉碳排放強度比冬小麥高43.75%和40.81%。

4）就作物產量而言，滴灌模式下夏玉米產量略高于微噴灌，明顯高于漫灌模式（12.05%），遠高于雨養模式（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. 不同灌溉模式下農業水能消耗及碳排放研究[J]. 灌溉排水學報, 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

國家自然科學基金項目（41971241）；河南省高校科技創新人才支持計劃項目（人文社科類）（2021-CX-011）；2020年河南省留學人員科研擇優資助項目

張慧芳（1998-），女，河南鎮平人。碩士研究生，主要從事農業水能關聯研究。E-mail: zhanghfz@163.com

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

責任編輯：白芳芳