基于“水-能”关联的河南省农业灌溉过程的碳排放研究

杜景新，赵荣钦，肖连刚，杨青林，王 帅， 杨文娟，张慧芳，王天俣，李永涛，冯 浩

（1.华北水利水电大学 测绘与地理信息学院，郑州 450046；2.河南大学 黄河文明与可持续发展 研究中心暨黄河文明传承与现代文明建设河南省协同创新中心，河南 开封 475001）

0 引 言

水资源过度开发导致的水资源短缺，不仅会造成地下水位的下降和环境恶化，而且也成为我国粮食安全和农业可持续发展的重要威胁[1-3]。目前，由于灌溉方式的不合理，我国农业生产中普遍存在水资源严重浪费的现象[4]，而水资源的浪费又导致了能源利用效率低下。研究表明，农业灌溉用水占全国总用水量的65%[5]，而灌溉水有效利用系数仅为0.54[6]；同时，由于灌溉过程直接或间接投入的能源不断增长，农作物灌溉成为农业碳排放的主要来源之一[7-8]。【研究进展】近年来，农业资源环境效应与碳排放研究逐渐增多。从不同的研究尺度上，一些学者对北京[9]、上海[10]、河南[11]、华北平原[12-13]、江苏[14]、福建[15]和新疆[16]等不同地区的农业碳排放进行了核算分析，并采用LMDI 模型[17]、Kaya 恒等式[18]、模糊综合评价法[19]、SEBS 模型[20]、空间杜宾模型[21]等探讨了农业碳排放的影响因素；研究结果表明，农业碳排放及其强度的差异受经济水平、作物类型、耕作方式、灌溉模式等因素的影响[17-18,21-23]，且与农业水、土、能等资源的利用强度和效率的关系密切[24]。在此基础上，一些学者尝试从“水-能”关联的角度揭示灌溉碳排放的特征及影响机理[25-26]。例如，赵荣钦等[24]构建了“水-土-能-碳”耦合作用的理论框架，对中国不同省区的农业水土资源开发过程的能源消费碳排放进行核算分析，并探讨了省域尺度上水土资源匹配度对农业碳排放的影响机制[27]；王帅等[28]基于河南省农村调查的数据，分析了不同地区不同作物农业水土资源开发的碳排放效应；张宇[29]在对华北平原县域尺度冬小麦—夏玉米灌溉过程的碳水足迹进行研究时发现，不同作物碳水足迹及其构成受灌溉模式的影响；也有学者基于动力消耗、灌溉等过程的能源消耗数据[30-31]，对中国不同省区[30]、甘肃省民勤县[31]等的农业水资源开发利用过程的碳排放进行了核算，进而探讨了水资源开发利用对环境的影响及适应气候变化的对策，研究发现农业温室气体排放占中国碳排放总量的17%～20%[30]，其中地下水的温室气体排放占农业水资源碳排放的65%～88%[31]；吴蒙[32]利用Ward 系统聚类分析法对上海农田灌溉系统的水能关系开展了研究，并提出了农业节水管理分区的思路。

总体而言，前期关于“水-能”关联的农业碳排放研究还处于探索阶段，尽管一些学者开展了区域尺度灌溉过程的碳排放研究，但由于自然条件、农业生产基础设施条件、作物类型和灌溉模式等因素的影响，区域内部农业“水-能-碳”组合特征具有较大的空间差异。【切入点】河南省是农业大省，位于南北气候过渡带，其作物类型和灌溉模式在我国（尤其是北方旱作农业区）具有较好的代表性。【拟解决的关键问题】因此，以农村调查数据为依托，基于“水-能”关联的视角探讨河南省县域尺度农业灌溉过程碳排放强度及其空间差异，【重要意义】这不仅对于河南省农业水土资源优化管理和农业节水、节能及碳减排有一定实践意义，而且可以为全国其他地区开展农业水土资源合理配置提供地域借鉴。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本文的数据来源于2018 年6—7 月对河南省48个典型村庄的问卷调查结果，其中收集问卷421 份，剔除无效问卷84 份，数据有效率为80.05%。调查内容包括：农业种植类型、面积、产量、灌溉方式、单位面积灌溉耗水量、耗电量（或耗油量）单位面积机井的分布数量等。需要说明的是，调研村庄的选择涵盖了不同地形、气候条件和不同农作物轮种条件，且48 个调研村庄主要以农业生产为主，因此在河南省具有较好的代表性。河南省农业用水量、县域机井平均深度和有效灌溉面积数据来自2017 年《河南省统计年鉴》、《河南省农村统计年鉴》、《河南省水资源公报》及各地市统计年鉴等。

1.2 研究方法

1.2.1 农业灌溉耗能量及耗能强度估算方法

农业灌溉耗能主要是电力和柴油的消耗，为了进行量纲化处理，统一采用《综合能耗计算通则》（GB/T2589—2008）。农业灌溉耗能量计算式为：

式中：Ei为农业灌溉过程中消耗的能源总量（kg）；n为灌溉次数；Ai为第i 种物资的标准煤转换系数；Wi为第i 种物资的消耗量（kW·h、kg）。其中电力转换系数为0.122 9 kg/（kW·h），柴油转换系数为1.457 1 kg/kg[33]。

根据耗能量的计算结果，结合不同作物的种植面积，可以计算得到单位面积的能耗强度：

式中：T 为农业耗能强度（kg/hm2）；S 为耕地面积（hm2）。

图1 典型村庄分布图 Fig.1 Distribution map of typical villages

1.2.2 灌溉碳排放量及碳排放强度估算方法

农业灌溉碳排放主要是由于电力或柴油等能源消耗所产生的，这里结合调查所得的典型样点农业灌溉过程中能耗数据，采用相应的碳排放系数进行碳排放量估算，计算式为：

式中：Qi为农业灌溉过程中产生的碳排放总量（kg）；n 为灌溉次数；Bi为第i 种能源的碳排放系数；Wi为第i 种能源的消耗量（kW·h、kg）。需要说明的是：由于不同区域能源利用效率存在差异，因此在选取电力和柴油碳排放系数时应尽量符合区域的实际情况，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0.801 kg/（kW·h）；柴油碳排放系数的估算方法为：

式中：Cc为碳排放系数；Lcalorific为低位发热量；Ccontent为含碳量；Orate为氧化率。其中，Lcalorific为42 652 KJ/kg[34]、Ccontent为20.2 TC/TJ、Orate为0.98[35]。

根据碳排放的计算结果，结合不同作物的种植面积，可以计算得到单位面积的碳排放强度：

式中：P 为农业碳排放强度（kg/hm2）；S 为耕地面积（hm2）。

1.2.3 县域空间农业灌溉碳排放的模拟方法

构建河南省县域尺度农业灌溉碳排放核算的数据库，分别计算出各个样点不同作物类型的单位面积灌溉碳排放。由于只调研了48 个样点，因此相对于整个河南省县域尺度而言，需要通过回归分析方法对县域单元的碳排放进行模拟。具体方法如下：利用SPSS 中缺失值组件，将Excel 表导入，以地区的种植面积、灌溉用水量、作物类型、机井深度等因素为自变量，利用回归分析方法进行模拟计算，得出其他县域灌溉过程的碳排放数据，并结合他人研究成果，对数据进行比较修正，得到河南省全部县域的农业灌溉碳排放数据。

2 结果与分析

2.1 典型村庄的农业灌溉碳排放强度差异分析

不同典型村庄的灌溉碳排放强度差异性较大。鹤壁市浚县左洼村的碳排放强度最大，为871.85 kg/hm2，约是第2 位焦作市修武县郇封村（213.41 kg/hm2）的4 倍（表1）。这是由于浚县的地下水位较低，其中打井深度约为173 m，从而导致抽取地下水的能耗增加。并且该村的灌溉条件较差，机井数量较少且存在私自占有的问题，从而导致部分农户距离机井位置较远，灌溉过程能源消耗多、碳排放强度高。碳排放强度最小的是新乡市原阳县陈庄村为0.93 kg/hm2。因为该村修建了沟渠，利用地势条件引黄河水进行灌溉，减少了能源的使用从而产生了较少的碳排放。与王娜[36]和张志高[37]的研究成果相比，虽然二者关于2014 年的总农业碳排放量相差不大，但是王娜[36]的灌溉碳排放强度为266.48 kg/hm2，张志高[37]的灌溉碳排放强度为15.86 kg/hm2，二者相差过大可能是因为统计的灌溉面积不一致，而本文的灌溉碳排放强度大多在20～200 kg/hm2，与二者具有相似性，这也表明本文的问卷调查结果比较可靠。

同一地区不同作物灌溉碳排放强度不同，同种作物在不同地区的灌溉碳排放强度也有明显差异。其中，浚县左洼村农作物碳排放强度的差异最为明显，小麦的碳排放强度最大，为989.71 kg/hm2，玉米的碳排放强度为753.98 kg/hm2；柘城县老王集村不同农作物的碳排放强度差异最小，小麦的碳排放强度为59.01 kg/hm2，玉米的碳排放强度为59.48 kg/hm2，花生的碳排放强度为36.38 kg/hm2。另外，同种作物的碳排放强度也存在着区域差异。比如：小麦碳排放强度最大的是浚县左洼村，为989.71 kg/hm2，最小的是确山县任庄，为5.29 kg/hm2；玉米碳排放强度最大的是浚县左洼村，为753.98 kg/hm2，其次是汝州市崔辛庄村，为225.31 kg/hm2，最小的是南召县庙西村，为2.41 kg/hm2；花生碳排放强度最大的是武陟县程封村，为152.78 kg/hm2，最小的是确山县任庄，为2.56 kg/hm2（表1）。

结合调研村庄的实际生产条件，影响灌溉碳排放的因素主要包括：①气候与地下水位[38]。浚县左洼村和淇县本庙村地下水位较低，机井数量较少且深度基本在100 m 左右，灌溉基础设施的不完善很大程度上增大了农业灌溉过程中的碳排放强度；②地形条件。以确山县任庄村和鲇鱼山乡庙岗村为代表的村庄，农业生产过程中灌溉次数和灌溉用水量明显低于河南省其他地区，因为这些村庄多位于丘陵地区，地下水位过低导致井水干枯，机井成为废井，灌溉成本较高以致农户很少进行灌溉，因此这些区域农业灌溉过程中碳排放强度较低；③机井分布与深度[31]。以毛庄乡五里朱村和王洛镇大路谢村为代表的村庄，灌溉条件较好，每村机井数量为55～65 口且分布均匀，井深50～70 m，村民每季基本灌溉2 次或更多，虽然在灌溉过程中用水量多，但是由于灌溉条件较好，碳排放适中。总体而言，小麦生产过程中的碳排放强度要大于玉米和花生的，农业灌溉基础设施的完善程度及当地水热等自然条件的综合影响导致农业灌溉过程中的碳排放强度有所差异。

2.2 不同作物灌溉碳排放强度的空间差异分析

河南省县域层面不同作物碳排放强度差异较为明显。小麦与玉米的灌溉碳排放强度相差不大，与花生和水稻的碳排放强度相差较大。这是因为小麦和玉米在种植期间都需要灌溉4～5 次水，水稻生长期间灌溉次数较多，花生灌溉次数相对较少。小麦和玉米灌溉碳排放强度最大的县都为浚县，其中，小麦的碳排放强度为989.71 kg/hm2，玉米的碳排放强度为753.98 kg/hm2，浚县虽地处平原地区，但地下水位较深，平均打井深度为173 m，水资源承载力较小，基础水利设施建设与当地情况不相符，导致灌溉难度增大，耗能较多，碳排放强度较高。花生灌溉碳排放强度最高的是濮阳市区182.84 kg/hm2，而水稻灌溉碳排放强度最高的为淮滨县，灌溉碳排放强度为262.1 kg/hm2（图2）。

同种作物的碳排放强度在县域面积上也呈现不同的分布。河南省小麦和玉米的灌溉碳排放强度呈西高东低、北高南低的分布，以南阳市、安阳市和鹤壁市为主形成第一梯度；花生的灌溉碳排放高强度地区主要集中于黄河流域以及淮河流域，但是花生的碳排放强度在空间分布上大体相差不大；而水稻的灌溉碳排放高强度地区主要集中在信阳地区以及南阳市的 淅川县和内乡县（图2）。

表1 河南典型村庄不同作物碳排放强度（kg/hm2）及相关信息 Table 1 Carbon emission intensity of different crops and related information in typical villages of Henan province

图2 不同作物灌溉过程碳排放强度的空间分布特征 Fig.2 Spatial distribution characteristics of carbon emission intensity in irrigation process of different crops

不同作物的碳排放强度差异分布受多种因素的影响：小麦和玉米在河南省广泛种植，河南省西部以及北部多为山地丘陵地区，基础水利设施较差，并且地下水位较深，因此灌溉消耗的能源较多，产生的碳排放量较多，碳排放强度较大。豫东南地区为平原区，并且水量充足，基础水利设施较为完备，此区域的灌溉难度较小，耗能较少，碳排放强度较低。花生的高碳排放强度地区主要集中于黄河以及淮河流域。此地区的花生种植广泛，花生喜沙质土壤，但沙质土壤的蓄水保水能力较差，农户为了增加收益进行多次灌溉，导致此区域的灌溉碳排放较高。水稻的种植基本上分布在信阳以及南阳地区。河南省水稻的灌溉碳排放高强度地区主要集中于信阳以及南阳的淅川县和内乡县，其中淮滨县灌溉碳排放强度为262.1 kg/hm2，信阳地区的水资源承载力较大，水稻种植期间需要多次进行灌溉，因此增大了此地的灌溉碳排放强度，而南阳的淅川县（124.79 kg/hm2）和内乡县（121.11 kg/hm2）位于丘陵地区，基础水利设施较差，增加了能源消耗量和碳排放量，导致碳排放强度较大。

2.3 农业灌溉过程的水-能差异及其对碳排放效率的影响

河南省农业用水量呈南高北低、西高东低的分布（图3），而河南省灌溉耗能量（图4）与碳排放量（图5）呈现东高西低的分布。为了更好地了解“水-能”利用效率与碳排放的关系，基于农业灌溉碳排放效率C（作物产量/碳排放量）对河南省进行如下分区：低碳排放效率区（C<40 t/t）、中碳排放效率区（40240 t/t）（图6）。 低碳排放效率区（n=14）：主要分布在南阳市山

地丘陵区以及安阳市的林州市和内黄县、鹤壁市的淇县和浚县。这些地区大多位于山地丘陵区，地下水位较深，水资源开发利用程度较低，这些地区的基础水利设施较差，造成灌溉耗水强度较高，并且作物产量低，因此碳排放效率低。

图3 河南省县域农业用水量 Fig.3 Agricultural water consumption in each county

图4 河南省县域灌溉耗能量 Fig.4 Irrigation energy consumption in each country

图5 河南省县域灌溉碳排放量 Fig.5 Irrigation carbon emissions in each country

图6 河南省县域灌溉碳排放效率 Fig.6 Carbon emission efficiency of agricultural irrigation in each county

中碳排放效率区（n=53）：主要分布在豫西地区、新乡市、信阳和焦作的中东部地区、开封市中部地区、许昌市西部地区、平顶山中部地区。这些地区大多位于山地丘陵区，地形条件较差，地下水位深度适中，灌溉耗能较多，并且灌区面积较小，因此灌溉能耗强度较高（宜阳县为105 kg/hm2）。由于农业基础设施正处于逐步建设中，导致此地的灌溉耗水强度较高（宜阳县0.51×104t/hm2），且农作物产量一般，因此灌溉碳排放效率较低。

较高碳排放效率区（n=44）：主要分布在济源市、南阳盆地西部地区以及周口市、许昌市、漯河市、驻马店市的中东部地区。南阳盆地西部地区地势条件较好，农业发展基础较好，虽然地下水位较深（平均打井深度约为100 m），但是此地区的降雨量较多，因此灌溉耗能较小，并且因为灌区面积较大，所以能耗强度较低（镇平县为46 kg/hm2）。其他地区大多位于地势条件较好的平原区，且地下水位深度较浅，灌溉抽水耗能较少，此外灌区面积较大，故能耗强度较低（汝南县为44 kg/hm2）。由于基础水利设施完备度较好，灌溉耗水强度较低（汝南县0.47×104t/hm2），且此地区的作物产量较高，因此灌溉碳排放效率较高。

高碳排放效率区（n=16）：主要分布在周口市西部地区以及南阳市的新野和唐河县。周口市地形条件较好，地下水位较浅，灌溉耗能较少。虽然此地的灌区面积较大，但由于基础水利设施较好，灌溉耗水强度以及灌溉能耗强度较低（商水县的耗水强度为0.29×104t/hm2、耗能强度为59 kg/hm2）。南阳市新野县和唐河县虽然地下水位较深，但地形条件较好，水利设施较完善，灌溉耗能较少，灌溉耗能强度较低。由于降雨量较多，灌溉次数较少，因此灌溉耗水强度较低；作物产量较高，因此碳排放效率高。

3 结论与建议

1）河南省小麦和玉米的碳排放都呈西高东低、北高南低的态势；而花生的灌溉碳排放高强度地区主要集中于黄河流域以及淮河流域。河南省农业用水量呈南高北低、西高东低的态势；灌溉耗能量以及碳排放量呈北高南低、东高西低的态势。灌溉用水量与灌溉碳排放量的关联度较小，而灌溉耗能量与灌溉碳排放量关联度较高。

2）基于农业灌溉碳排放效率，将河南省分成了4 类地区：低碳排放效率区（C<40 t/t）、中碳排放效率区（40240 t/t）。

3）建议。①对于粮食主产区，鼓励通过土地流转实现规模化经营，以规模经营的方式降低单位面积的水、能消耗和碳排放；②对于生态脆弱区和坡耕地可考虑实行退耕还林。对于平原地区，应加强农田水利设施建设，发展节水节能灌溉技术，提高农业水能资源利用效率；③对于较为干旱的地区可以适当改变作物种植结构，比如，可选用耐旱的节水经济作物（如花生、芝麻等）代替粮食作物；④对不同地区灌溉方式进行差别化管理，针对不同地形、气候和作物种植区，应结合水资源可获得情况确定合理的灌溉方式，以减少灌溉过程中的水能消耗与碳排放。