论文快递｜邓祥征等：黄河中下游地区耐旱作物扩种的节水降碳协同效应评价

气候变化和水资源短缺已成为全球农业可持续发展面临的重大挑战，发展节水农业是保障粮食安全的重要途径［1］。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，极端干旱事件发生频率将显著提高，严重影响全球农业生产［2］。国际学术界认为，发展节水农业是应对气候变化和水资源短缺的关键策略［3－4］。相关研究表明，在气候变化的影响下，干旱地区加速扩张对全球农业生产构成潜在威胁［5］；同时，灌溉活动显著影响地表水和地下水资源，合理调控灌溉用水对缓解水资源短缺至关重要［6］。不少研究从技术创新、制度优化、利益相关者参与等多个维度提出节水农业发展的理论方法［7］，为其发展提供了支持。

我国不少地区缺水严重，特别是作为重要粮食主产区的黄河流域，亟须实施有效的节水措施以支撑粮食生产和生态保护。我国人均水资源占比仅为世界平均水平的1／4，其中农业用水占比超过60%，亟须加强水资源管理［8－9］。黄河流域粮食产量占全国的30%，农业用水量占全国农业用水总量的23%，但人均水资源量不足全国平均水平的30%。黄河流域农业生产的水足迹评估发现农业生产是水资源消耗的主要原因之一［10－11］。近年来，黄河局部区段断流严重威胁区域农业生产和生态安全，迫切需要实施节水措施［12］。研究表明，优化灌溉方式和调整种植结构是提高农业用水效率的有效举措［13－14］。此外，有研究基于水文模型和情景分析，探讨了提高灌溉效率、调整种植制度等农业节水措施在黄河流域的应用潜力［15］。然而，目前尚缺乏对具体节水技术的系统评估和优化配置。

扩种耐旱作物是干旱半干旱地区农业节水的重要途径，具有显著的节水增产效益。研究表明，气候变化对中国不同区域作物产量的影响存在显著差异，发展适应性强的耐旱作物对保障粮食生产至关重要［16－17］。耐旱作物具有发达的根系和较高的水分利用效率等特性，能更好地适应干旱环境［18－19］。田间试验证实，种植耐旱作物可使灌溉用水量减少30%～50%，水分利用效率提高1 ～2 倍［20］。区域尺度的研究发现，大面积推广种植耐旱作物，可显著缓解农业用水压力，保障粮食生产［21］；近期研究进一步揭示了耐旱作物的节水机理，为因地制宜配置耐旱作物提供了科学依据［22］。因此，发展耐旱作物可以显著提高农业水资源利用效率，保障区域粮食生产和生态安全。

“双碳”目标为发展节水农业提供了新的机遇和动力，扩种耐旱作物在减排固碳方面具有重要作用。农业活动导致的温室气体排放量占全球总排放量的12%［23］，节水灌溉、保护性耕作等措施可显著降低农田温室气体排放强度［24］。有研究评估了土地利用变化对中国黄淮海平原温室气体净排放的影响，发现农田管理措施的优化可有效降低农业碳排［25］；同时，耐旱作物根系分泌物可促进土壤碳固定，提高农田生态系统碳汇功能［26］。在“双碳”背景下推广种植耐旱作物，有利于减缓农业温室气体排放，提升农田固碳能力。

本研究基于不同作物差异化的节水降碳机制，设计了多种耐旱作物扩种情景，评估了黄河中下游地区不同耐旱作物扩种规模下的节水与降碳协同效应；同时，将耐旱作物种植与农业节水降碳双重目标相结合，丰富了节水农业研究内涵，拓展了情景分析方法的应用场景，以期为黄河流域节水农业发展规划布局、政策制定和“双碳”目标实现提供科学参考。

本研究选取黄河中下游甘肃、宁夏、陕西、内蒙古、山西、河南、山东七省（区）的264 个县级单元，总面积为42.9 万km2。黄河中下游地区地形以高原和平原为主，地势为西高东低，水系较为发达。在各土地利用类型中，耕地和草地约占总面积的70.6%，水域面积不足2.0%。2020 年《中国水资源公报》显示，黄河流域降水量为507.3 mm，水资源量为917.4 亿m3，农业用水量为262.6 亿m3、占总用水量的66.9%。黄河流域农业用水量集中在上游，中游和下游所占比例较低，但中下游人口更加密集，对水资源的需求量较大。另外，据中国碳核算数据库（CEADs）统计，在过去的20 多年中，黄河流域CO2 排放量显著增加，其中黄河中下游地区为主要增长区域。因此，在黄河中下游研究耐旱作物扩种的多重效应，对实现该地区节水农业的发展具有重要意义。

1.2  数据来源

本研究所用2010—2020 年各类作物种植面积源于SPAM（Spatial Production Allocation Model）数据集，水资源数据源于各地区水资源公报和《中国水资源公报》，农作物系数和生育期参考联合国粮农组织数据库，2010—2019 年黄河中下游地区农作物种植碳排放强度县域数据源于Li 等［27］的研究成果，历史与未来情景碳排放数据源于Meinshausen 等［28］的研究成果，土地利用数据源于中国科学院资源环境数据中心（https：／／www.resdc.cn），DEM 数据源于地理空间数据云（https：／／www.gscloud.cn／）。

2.1  农业节水潜力修正模型

参考已有研究成果［29－30］，本研究从农作物需水量视角计算了农业节水潜力。在农业节水潜力模型中，通过计算农作物生长过程中的需水量、净灌溉需水量、毛灌溉需水量，得到了农作物的灌溉需水量。农业节水潜力则通过现状年的灌溉需水量减去情景设定年的灌溉需水量获得。本研究引入月有效降水量［31］对净灌溉需水量进行修正，以提高模型的准确性。本研究设定现状年为2020 年，情景设定年为2030 年、2060 年。

1）农作物需水量：

式中：ET 为农作物需水量，Kc 为农作物系数，ET0 为参考作物蒸发量。

2）基于月度有效降水修正的净灌溉需水量：

式中：In 为作物净灌溉需水量， Peff 为月有效降水量，Ptot 为月总降水量，G 为作物直接利用地下水量。

3）毛灌溉需水量：

式中：Ig 为作物毛灌溉需水量，β 为灌溉水利用系数。

4）灌溉需水量：

式中：W 为作物灌溉需水量， Ai 为第i 种农作物的种植面积；Igi 为第i 种农作物单位面积的毛灌溉需水量。

5）农业节水潜力：

式中：ΔW 为农业节水潜力，W0 为现状年灌溉需水量，Wj 为情景设定年灌溉需水量。

2.2  农业降碳潜力模型

黄河中下游地区农作物种植碳排放强度估算，以2020 年为基准，通过计算2030 年、2060 年在不同RCP情景下的碳排放数据相对于2020 年碳排放的变化率，估算现在和未来各年份黄河中下游地区农作物种植的碳排放强度：

式中：Δ Eyear／ E2020 为情景设定年（2030 年或2060 年）碳排放变化率， i 为黄河中下游地区县域编号，E2020（i） 为2020 年i 县域农作物种植碳排放强度。

为了估算黄河中下游耐旱作物扩种的降碳潜力，使用节水降碳情景设计表格中的降碳比例参数，按比例计算2030 年、2060 年不同情景下的降碳潜力：

式中： Pyear（i） 为第i 个县域情景设定年（2030 年或2060 年）在不同情景下的降碳潜力， Rscenario 为对应情景的降碳比例参数。

2.3  耐旱作物选取

主要粮食作物和经济作物在正常年景、较干旱、极端干旱情景下，其生长周期的需水量存在较大差异（见表1）。黄河流域中下游地区总体处于干旱少雨、蒸发量大的气候环境，作物生长环境与较干旱情景类似，主要农作物有小麦、玉米、大豆、马铃薯、棉花、蔬菜等。在较干旱情景下，燕麦的需水量为300 ～400 mm，高粱和马铃薯需水量为350 ～500 mm，小麦、大豆、花生、烟叶的需水量为400 ～550 mm，玉米的需水量为450～600 mm。本研究将小麦、玉米作为耐旱作物，马铃薯作为日常主粮具有较强的耐旱性，同样选为本研究的研究对象；另外，考虑到高粱的强耐旱性和作为酒产业的重要原料，将其纳入本研究的耐旱作物。综上，本研究选取的耐旱作物为小麦、玉米、高粱、马铃薯，其中玉米和高粱为C4 作物、小麦和马铃薯为C3 作物。C4 作物是指CO2同化的最初产物为苹果酸或天门冬氨酸的植物，而C3 作物为CO2同化的最初产物为光合碳循环中的三碳化合物3－磷酸甘油酸的植物，二者最大的区别是光合作用机制不同。

2.4  耐旱作物节水降碳协同效应机制

本研究以玉米和小麦为例，就其节水降碳机制进行解析。玉米通过高效的光合作用在气孔开放较短时间内完成光合作用，因而水分蒸腾损失较少，通过气孔调节在高温干旱条件下可有效减少水分散失，通过蜡质叶面减少水分蒸发以及通过发达的根系结构吸收深层土壤中的水分。

在降碳机制上，玉米通过高效的C4 光合作用途径提高碳固定速率；通过在束鞘细胞内隔离O2 减少光呼吸带来的碳损失；通过高光合效率和生长速率快速积累生物量，固定更多的CO2；通过深根系统将大气中的碳固定在更深的土壤层中，减少碳的再释放。

在节水机制上，小麦通过高效水分利用，即根系较深能吸收深层土壤水分，调节气孔开闭，因而水分蒸腾损失较少、水分利用效率较高；通过叶片的角度和结构减少暴露在阳光下的面积以及叶片表面的蜡质层减少水分蒸发；通过根系分泌物改善土壤结构，增加土壤有机质含量，提高土壤保水能力，从而保持土壤中的水分和养分。在降碳机制上，小麦通过高效的光合作用固定CO2，产生的有机碳储存在根系、茎秆和籽粒中，从而减少大气中的CO2。

2.5  情景设计

根据黄河中下游作物种植的实际情况和耐旱作物全面推广的技术与政策，以及共享社会经济路径（Shared Socio-economic Pathways，SSPs）与典型浓度路径（Representative Concentration Pathways，RCPs）联合情景框架的未来气候数据，本研究设计了趋势照常、缓慢增长、技术引导、政策扶持4 种情景。在趋势照常情景下，选取了RCP8.5 和SSP2 的组合情景，此情景为参考情景，节水率和农业生产碳减排比例均为5%。在缓慢增长情景下，选用了RCP4.5 和SSP2 的组合情景，该情景下耐旱作物表现为小幅增量推广，节水率和降碳率均为10%。在技术引导情景下，选取了RCP4.5和SSP1 的组合情景，该情景依托技术进步，大量扩种耐旱、节水、减少碳排放的品种，实现节水率和降碳率均为30%。在政策扶持情景下，选用了RCP8.5 和SSP1 的组合情景，该情景充分利用政策扶持，实施技术引导、政策支持及补贴等，节水率和降碳率均达最高值35%。

黄河中下游地区耐旱作物种植面积在作物、时序以及省（区）之间均呈现出显著的差异性（见表2）。2010 年，小麦、玉米的种植面积分别达到416.27 万、411.71 万hm2，在总种植面积中占据绝对优势。从各省（区）情况来看，陕西的小麦、玉米种植面积最大，河南和山西次之。到2020 年，尽管小麦、玉米的总种植面积略有下降，但仍然维持在346.67 万、409.56 万hm2。值得注意的是，陕西的种植面积显著下降，而河南和山西则有所增长。高粱和马铃薯的种植规模相对较小。在七省（区）中，山西的高粱种植面积最大，甘肃和陕西的马铃薯种植面积位居前两位。由表2 分析得出，小麦和玉米在黄河中下游占据了主要地位，而高粱和马铃薯占比较低，且四者均呈下降趋势。

2010—2020 年，黄河中下游各省（区）的耐旱作物种植用水量变化情况见图1。山西的用水量从2010年的84.47 亿m3上升至2020 年的94.08 亿m3，这反映了山西在这时期农业发展速度较快；内蒙古、山东的用水量略有下降，总体分别维持在12 亿、58 亿m3左右；河南的用水量变化较大，从2010 年的76.81 亿m3上升到2020 年的104.50 亿m3；陕西则与河南相反，2020年的用水量显著减少，可能与其农业种植结构调整或用水效率提升有关。黄河中下游各省（区）总体用水量由2010 年的467.98 亿m3降为2020 年的438.62 亿m3，可能原因是作物种植面积减少以及广泛技术进步与管理优化。

图2 展示了2015 年与2020 年黄河中下游各省（区）农作物种植的碳排放强度［各省（区）碳排放强度以箱线图形式展示，箱线图中的点表示县域碳排放强度］。2020 年，黄河中下游作物种植碳排放强度在省与省之间存在显著差异。河南一直是碳排放强度最高的省份，显示出该省农业活动对碳排放的显著影响，可能源于该地区高强度的农业活动，包括大面积的作物种植和高投入的农业管理措施，例如化肥和农药的使用，都可能导致碳排放的增加；相比之下，内蒙古、甘肃和宁夏的碳排放强度较低，原因是采用了较为传统和低强度的农业生产方式。

在4 种耐旱作物扩种情景下，黄河中下游各省（区）的玉米、小麦、高粱、大豆在2030 年呈现出差异化的扩种速度，其中马铃薯的增长幅度最大，其次是高粱、小麦和玉米［见图3（a）～图3（d）］。在趋势照常情景下，甘肃、陕西的马铃薯种植面积分别为24.32万、22.05万hm2；在缓慢增长情景下，各省（区）的耐旱作物种植面积呈小幅度增长；在技术引导情景下，玉米、小麦的种植面积占据了绝对优势，分别为415.34万、354.37 万hm2；在政策支持情景下，玉米、小麦、高粱、马铃薯的总种植面积分别为418.23 万、358.23 万、21.48 万、95.10 万hm2，相较2020 年，均有大幅度的提升。通过不同情景的对比，可以看出技术引导和政策支持对耐旱作物种植的显著影响，为作物种植合理布局的重要因素。

相比2030 年，黄河中下游各省（区）在2060 年耐旱作物的种植面积均有显著增加，其中马铃薯的增长幅度仍然是最大的［见图3（e）～图3（h）］。在趋势照常情景下，甘肃、陕西的马铃薯种植面积分别为24.38万、22.49 万hm2；在缓慢增长情景下，陕西的马铃薯种植面积也突破了24.00 万hm2；在技术引导情景下，马铃薯的总种植面积突破了100 万hm2，其中陕西种植面积最大；在政策支持情景下，玉米、小麦、高粱、马铃薯的总种植面积分别为426.89 万、369.79 万、38.82万、115.33 万hm2，相比2020 年分别增长了17.34 万、23.12 万、34.68 万、40.45 万hm2，这说明在应对干旱和气候变化的背景下，耐旱作物的种植在未来农业生产中将占据越来越重要的位置，对区域粮食和水资源安全、居民收入增长以及气候变化具有重要影响。

黄河中下游各省（区）2030 年、2060 年作物节水潜力见表3。2030 年，在趋势照常、缓慢增长、技术引导、政策扶持4 种情景下的节水量分别为15.35 亿、30.70亿、92.11 亿、107.46 亿m3，陕西、河南的节水潜力较大。到2060 年，这4 种情景下的节水量进一步提升，分别为21.93 亿、43.86 亿、131.59 亿、153.52 亿m3，除陕西、河南两省外，其他省（区）如山东、山西和甘肃也展现了显著的节水潜力。通过技术引导和政策扶持，显著提高了节水效率，尤其是在用水量较大省（区）。有效的节水措施对于实现水资源的可持续利用和农业发展至关重要，不仅大幅减少用水量，而且能为未来水资源管理提供可靠依据和支持。

不同情景下，黄河中下游各省（区）中不同县域2030 年耐旱作物扩种的节水效果呈现出显著的差异性，各省（区）节水潜力以箱线图形式展示，箱线图中的点表示县域的节水量［见图4（a）～4（d）］。在趋势照常情景下，河南、山东的县域节水量平均值均较大，分别为8.92×106、8.29×106m3。缓慢增长情景下，整体节水量有所增加。技术引导情景下，节水量显著增加，山西、陕西县域节水量平均值分别为2.51×107、2.92×107 m3，甘肃和宁夏节水量分布均匀。在政策扶持情景下，节水量达到最高水平，河南和山东的县域节水量均值约为6×107m3，其他省（区）的县域节水量也呈现显著的提升。总体来看，政策扶持情景下节水效果最为显著，技术引导情景表明技术创新在节水方面的潜力巨大，而缓慢增长情景实现了小幅度的节水效果，趋势照常情景的节水量最少。

黄河中下游地区2060 年耐旱作物扩种的节水效果相比2030 年更加显著［见图4（e）～4（h）］。在趋势照常情景下，河南和山东的县域节水量平均值均较大，分别为1.33×107m3和1.23×107m3，而河南的县域节水量分布较为分散。在缓慢增长情景下，同样各县域的整体节水量有所增加，河南和山东的节水量仍旧较大。技术引导情景下，节水量显著增加，山东和河南的县域节水量平均值均超过了7×107m3，表现出较大的节水潜力，甘肃和宁夏的县域节水量分布较为均匀，且大部分县域节水量较大。政策扶持情景下，节水量达到最高水平，河南、山东的县域节水量平均值分别为0.9亿、0.8 亿m3左右，表现出显著的节水效果，内蒙古、甘肃的县域节水量分布较为集中，大部分县域节水量较高。总体来看，技术引导和政策扶持情景下的节水效果较为显著，表明通过技术进步和政策支持可大幅提升耐旱作物扩种的节水潜力，特别是在河南、山东节水效果尤为显著。

2030 年、2060 年黄河中下游各省（区）在不同情景下的作物种植降碳潜力见表4。河南在所有情景下的降碳潜力均为最大，表明该省在减排方面有显著的潜力。在趋势照常和缓慢增长情景下，河南的降碳潜力相对于其他省（区）为最大，这可能与河南的农业活动密集有关，从而在减排措施实施后显现出更大的降碳效果。随着情景从趋势照常和缓慢增长转变为技术引导和政策扶持，河南和其他省（区）的降碳潜力显著增加。通过引入先进农业技术和实施有效政策措施，不仅可以显著提高各省（区）的降碳潜力，而且能推动区域农业的可持续发展。

2030 年黄河中下游各省（区）不同情景下耐旱作物扩种降碳潜力差异明显［见图5（a）～图5（d）］，趋势照常情景下河南的降碳潜力中位数约为17 t／km2；山东降碳潜力中位数约为12 t／km2，仅次于河南；山西、陕西的降碳潜力中位数分别约为3.21、4.61 t／km2；其他省（区）如内蒙古、甘肃和宁夏的降碳潜力较低，中位数均在3.12 t／km2 以下。在技术引导情景下，河南、山东的降碳潜力都有所增加，中位数分别约为86、62 t／km2；山西、陕西的降碳潜力中位数分别约为16、23 t／km2；其他省（区）的降碳潜力同时也有所增加，范围为12～16 t／km2。在政策扶持情景下河南的降碳潜力中位数约为118 t／km2，山西、陕西的降碳潜力中位数范围为22～32 t／km2。

2060 年黄河中下游各省（区）不同情景下耐旱作物扩种降碳潜力如图5（e）～图5（h）所示。在趋势照常情景下，河南的降碳潜力中位数为24 t／km2，是7 个省（区）中最高的；山东的降碳潜力次之，中位数约为17 t／km2；山西、陕西的降碳潜力中位数分别约为4.52、6.42 t／km2；其他省（区）如内蒙古、甘肃和宁夏的降碳潜力中位数均在4.51 t／km2 以下。在技术引导情景下，河南的降碳潜力显著增加、中位数约为82 t／km2，陕西的降碳潜力中位数约为22 t／km2。在政策扶持情景下，河南的降碳潜力中位数显著增加到166 t／km2，同时山西、陕西的降碳潜力提高到31～45 t／km2。

总体来看，2010—2020 年黄河中下游各省（区）小麦和玉米面积减少趋势明显。未来情景分析显示，在技术引导和政策扶持下，耐旱作物种植面积将显著增加，特别是马铃薯和高粱；在政策扶持情景下，2060 年小麦、玉米、高粱、马铃薯的扩种规模分别为23.12 万、17.34 万、34.68 万、40.45 万hm2。

2010—2020 年，黄河中下游地区作物种植用水量存在显著变化。河南用水量增加显著，而陕西用水量显著减少。技术引导和政策扶持情景下的节水潜力显著提升，2060 年，政策扶持情景下的节水潜力可达153.52 亿m3。河南、山东的县域节水潜力平均值一直保持较高水平，在2060 年的政策扶持情景下分别为0.9亿、0.8 亿m3左右。

2015 年、2020 年黄河中下游作物种植的碳排放强度显示，河南碳排放强度最高。在政策扶持情景下的降碳潜力最大，2030 年、2060 年的碳减排量均值分别达到46.70、65.93 t／km2。在技术引导和政策扶持情景下各省（区）的碳减排潜力显著提升，河南的降碳潜力中位数最大，在2060 年的政策扶持情景下增长至166 t／km2。

1）提升农业灌溉技术与管理。加强对先进节水灌溉技术的研发和推广，鼓励农民使用高效灌溉设备，如滴灌和喷灌；推动农业水资源的精准管理，通过物联网、大数据等技术手段，实现对农田土壤湿度、耐旱作物需水量等参数的实时监测和动态调控；建立健全农田灌溉管理制度，规范黄河中下游灌溉用水行为，提高灌溉水利用效率。

2）推广适应性强的耐旱作物。制定耐旱作物种植的技术规范和推广方案，鼓励农民大面积种植高效耐旱作物；提供优质种子和配套种植技术服务，确保耐旱作物的种植效益；组织农业技术培训，提升农民对耐旱作物种植技术的掌握和应用能力；建立耐旱作物种植示范基地，通过示范带动周边地区的推广种植，提升区域耐旱作物种植面积和覆盖率，从而实现农业节水和碳减排的双重效益。

3）优化农业政策支持体系。政府应加大对耐旱作物种植的资金投入，设立专项资金用于支持耐旱作物的研发、推广和技术培训；制定优惠政策，如提供种子和设备补贴、减免种植贷款利息等，降低农民的种植成本和风险；建立节水和降碳奖励机制，对在耐旱作物种植中表现突出的农户和地区进行表彰和奖励，激励更多农民参与耐旱作物的种植。