采用微喷灌技术并制定最佳灌溉方案，可以在保持华北平原冬小麦产量的同时，提高碳排放效率和水资源利用效率

《Agricultural Water Management》：Micro-sprinkler irrigation with optimal irrigation regimes maintain grain yields while increasing carbon emission efficiency and water productivity of winter wheat on the North China Plain

华北平原冬小麦灌溉优化对水碳效率的影响研究。摘要：通过两季田间试验对比滴灌（D）和微喷灌（MS）结合不同湿润层深度（W20/W30/W40），分析灌溉方法与湿润层对土壤水分、CO?排放及产量、水利用效率（CWP）和碳排放效率（CEE）的影响。结果表明：MS较D平均提高0-100cm土壤含水量2.0%-4.1%，降低累计CO?排放5.0%-7.3%，增产6.5%-8.1%，CWP提升8.7%-4.6%，CEE提高7.6%-11.4%。熵权法显示MS-W30在湿润年（2022-2023）最优（综合得分0.86），MS-W40在正常年（2023-2024）最优（0.64）。建议湿润年采用微喷30cm，正常年微喷40cm。

　　随着全球气候变化的加剧，农业生态系统面临着日益严峻的挑战，尤其是华北平原地区，由于水资源的稀缺，冬季小麦的生长和产量受到严重影响。为了应对这一问题，节水灌溉技术的应用显得尤为重要。同时，农田碳排放作为农业温室气体的主要来源之一，其变化受到灌溉方式和土壤水分状态的显著影响。因此，优化灌溉制度不仅有助于提高粮食产量和作物水分利用效率（CWP），还能改善碳排放效率（CEE），从而实现农业生产的可持续发展。本研究通过为期两年（2022–2023和2023–2024）的田间试验，评估了滴灌（D）和微喷灌（MS）两种灌溉方式，以及三种补充灌溉深度（0–20 cm，0–30 cm，0–40 cm）对土壤水分动态、CO?排放、粮食产量和碳排放效率的影响。研究结果表明，与滴灌相比，微喷灌显著增加了0–100 cm土壤水分含量，降低了土壤呼吸速率和累计CO?排放，同时提高了产量、CWP和CEE。随着补充灌溉深度的增加，土壤水分含量、蒸散量、CO?排放、产量和CWP均呈现上升趋势。其中，MSW40（微喷灌下0–40 cm的补充灌溉）在两个生长季节均表现出最高的产量，且在2022–2023生长季节，MSW30的产量与MSW40相当，但其灌溉用水量仅为MSW40的59.7%。基于熵权法的综合评估推荐，在湿润年份采用MSW30，而在正常年份采用MSW40，以实现高产量和低CO?排放的双重目标。研究结果为华北平原的低碳、高效率农业生产提供了科学依据，也为其他干旱地区的农业可持续发展提供了参考。

### 一、研究背景

全球变暖和气候变化正逐渐成为农业生态系统面临的主要挑战。农业活动是大气中二氧化碳浓度增加的重要因素之一，而二氧化碳排放对全球气候和农业生产的稳定性构成了威胁。为了应对这一问题，精准灌溉技术如滴灌和微喷灌正逐步被采用。这些技术不仅能够有效提高作物产量，还能在一定程度上减少水资源浪费和温室气体排放。然而，关于灌溉方式对土壤碳排放的影响，研究结果并不一致。因此，有必要进一步探讨灌溉方式和深度对作物生长、水分利用效率和碳排放效率的综合影响，以实现农业生产与环境保护的双重目标。

### 二、研究方法与材料

实验地点位于华北平原东北部的衡水试验站，其气候类型为温带季风气候，年均温度为12.8 °C，年均降水量为500 mm，参考蒸散发（ET?）为1785 mm。实验采用了冬季小麦的双季种植模式，即冬小麦和夏玉米。实验分为两组，分别采用滴灌和微喷灌两种灌溉方式，并根据补充灌溉深度分为W20、W30和W40三个处理。实验过程中，测量了土壤水分含量、蒸散量、土壤呼吸速率、累计CO?排放量、产量、CWP和CEE等指标。数据收集和分析使用了SPSS Statistics 26.0和Microsoft Excel 2019，其中Excel用于熵权法的计算。

### 三、研究结果

#### 3.1 土壤水分动态

在相同生长阶段，土壤水分含量随着土壤深度的增加而呈现先升后降的趋势。在灌溉前，土壤水分含量在各处理间差异不大，但随着生殖阶段的推进，差异逐渐增大。微喷灌处理在0–100 cm土壤层的水分含量显著高于滴灌处理。在2022–2023和2023–2024两个生长季节中，微喷灌的平均土壤水分含量分别比滴灌高2.0%和4.1%。在相同灌溉方式下，补充灌溉深度的增加也导致土壤水分含量的提升，其中W40处理的土壤水分含量比W20处理分别提高了6.9%和4.6%。

#### 3.2 蒸散量变化

不同灌溉处理对冬季小麦蒸散量的影响在两个生长季节中均表现显著。在2022–2023生长季节，微喷灌处理的蒸散量比滴灌处理高1.4%和4.6%。而在2023–2024生长季节，微喷灌处理的蒸散量比滴灌处理高4.3%和11.2%。随着补充灌溉深度的增加，蒸散量呈上升趋势，同时土壤水分消耗（SMC）也有所变化。例如，在2022–2023生长季节，W30和W40处理的SMC分别比W20处理降低了8.8%和10.4%。

#### 3.3 土壤CO?排放

土壤CO?排放量受到土壤水分和温度的显著影响。在两个生长季节中，微喷灌处理的土壤呼吸速率均比滴灌处理高3.6%和4.1%。补充灌溉深度的增加也导致土壤呼吸速率的提升，其中W30和W40处理分别比W20处理增加了4.4%和9.2%。此外，2023–2024生长季节的土壤呼吸速率比2022–2023生长季节提高了9.6%和9.1%。在总碳排放方面，微喷灌处理的总碳排放量比滴灌处理低7.3%和5.0%。然而，随着补充灌溉深度的增加，总碳排放量也呈现上升趋势。

#### 3.4 产量、CWP和CEE

在相同补充灌溉条件下，微喷灌处理的产量均高于滴灌处理。在2022–2023生长季节，MSW40、MSW30和MSW20处理的产量分别比DW20、DW30和DW20处理高6.5%和8.1%。在2023–2024生长季节，MSW40处理的产量比DW40处理高14.0%。同时，CWP和CEE在两个生长季节均呈现上升趋势，其中微喷灌处理的CWP和CEE分别比滴灌处理高8.7%和4.6%，以及7.6%和11.4%。在两个生长季节中，MSW40处理的产量和CWP均最高，而MSW30处理的CEE与MSW40处理相当。

### 四、讨论

#### 4.1 灌溉方式对蒸散量的影响

研究结果表明，滴灌和微喷灌在不同生长阶段对蒸散量的影响存在差异。在生殖阶段，微喷灌处理的蒸散量比滴灌处理高，这可能是由于微喷灌能够更均匀地分布水分，从而提高土壤水分利用率。同时，补充灌溉深度的增加也显著提高了蒸散量，这表明增加灌溉深度有助于提高作物对水分的需求，从而优化蒸散量的组成。然而，过多的灌溉可能导致水分浪费和碳排放的增加，因此需要在提高产量和减少碳排放之间找到平衡点。

#### 4.2 灌溉方式对土壤碳排放的影响

灌溉方式对土壤碳排放具有显著影响。微喷灌处理的土壤呼吸速率比滴灌处理高，这可能是由于微喷灌能够更均匀地分布水分，促进土壤微生物的活动，从而增加碳排放。然而，微喷灌处理的累计碳排放量比滴灌处理低，这表明微喷灌在提高产量的同时，也能够减少碳排放。此外，补充灌溉深度的增加显著提高了土壤碳排放量，这表明增加灌溉深度有助于提高土壤有机质的分解速率，从而增加碳排放。因此，需要根据土壤水分状况和气候条件选择合适的灌溉深度，以实现最佳的碳排放效率。

#### 4.3 灌溉方式对产量、CWP和CEE的影响

研究结果表明，微喷灌处理在相同补充灌溉条件下能够显著提高产量、CWP和CEE。这可能是由于微喷灌能够更均匀地分布水分，从而提高作物对水分的利用效率。同时，微喷灌处理的土壤水分含量较高，有助于促进作物生长和提高产量。在2023–2024生长季节，由于降雨量较低，滴灌处理表现出一定的优势，其CWP和CEE均较高。因此，灌溉方式和深度的选择应根据年份的降雨量和土壤水分状况进行调整，以实现高产量和低碳排放的双重目标。

### 五、结论

综合来看，微喷灌处理在提高产量、CWP和CEE方面优于滴灌处理。在湿润年份，W30处理在提高土壤水分和蒸散量的同时，也显著提高了产量、CWP和CEE，且其综合评分最高。而在正常年份，W40处理在提高0–100 cm土壤水分含量和蒸散量的同时，也实现了较高的产量和CWP。因此，建议在湿润年份采用MSW30处理，在正常年份采用MSW40处理，以实现高产量和低碳排放的双重目标。本研究为华北平原的农业可持续发展提供了科学依据，同时也为其他干旱地区的农业管理提供了参考。未来的研究应扩展到多地点试验，并考虑其他温室气体如N?O的排放，以及基于传感器的灌溉管理对经济收益的影响。