农业水土资源错配及其利用不合理是农业碳排放的主要原因之一。农业水土资源开发与能源消耗和碳排放是密不可分的,且农业生产活动的物资和能源投入主要集中于水土资源开发。同时,由于自然条件、种植结构、灌溉方式等的差异,不同地区农业生产过程中土地投入、能源和水资源的使用量不同,从而导致水土资源开发效率也存在明显的区域差异。因此,开展碳排放约束下的水土资源优化研究不仅有助于科学评估水土资源管理的碳减排潜力,而且对于资源节约、提高水土资源开发效率和保障粮食安全具有重要的实际意义。本研究基于河南省65个村庄的农业生产调研数据和河南省相关统计数据,测算了村庄、县域的农业水土资源开发碳排放,基于农业投入产出原理运用Super-SBM模型测算了碳排放约束下县域单元的农业生产效率,对河南省县域单元农业水土资源开发碳排放和农业生产效率的空间差异进行分析,参照国家和河南省“十三五”控制温室气体排放工作实施方案中的市县约束目标,求出各县域单元的的农业碳排放阈值,最后,基于碳排放最小化和粮食产量最大化的目标得到县域单元农业水土资源优化开发模式。主要结论如下:(一)调研村庄和县域的水土资源开发碳排放强度空间差异显著,总体上呈现“南北高,中间低”的空间分布特征。即豫南、豫北调研村庄的碳排放强度高于豫中,且同一纬度村庄的农业碳排放强度相当。调研村庄农业碳排放强度主要分布在中等强度区和较高强度区,占调研村庄总量的63.08%。调研村庄的农业碳排放强度高值分布相对离散,但是也存在相对的高值区域,即豫北地区。县域单元农业水土资源开发碳排放强度空间差异较大,同调研村庄农业水土资源开发碳排放强度类似,土地资源开发碳排放强度远远大于水资源开发碳排放强度。其中浚县农业水土资源开发的碳排放强度最大,为1664.67 kg/hm~2,新县的最小,为350.31 kg/hm~2,县域空间水土资源开发碳排放强度的平均值为918.10 kg/hm~2,土地投入碳排放强度明显高于其他投入方式。(二)河南省县域单元农业生产效率差异悬殊,其高值主要聚集在豫南、豫北及豫中开封等地区,同时豫西县域的农业生产效率未来仍需进一步提升。县域单元的农业生产效率值主要集中于Ⅲ、Ⅳ类之间,占全省县域总体的77.2%。其中,淮滨县的农业生产效率最大,为1.7209,林州市的农业生产效率最小,为0.1987。河南省县域单元农业生产效率的平均值是0.8419,小于平均值的县域有58个,大于县域平均值的有67个。(三)耕地灌溉水平、土地投入强度、耕地资源禀赋、农村经济发展水平对农业生产效率有显著影响,且都通过了1%水平下的显著性检验。耕地灌溉水平对农业生产效率的影响较为显著,农业经济发展水平对农业生产效率影响相对较小。耕地灌溉面积和农业经济发展水平对农业生产效率有着正向的影响,土地投入强度、耕地资源禀赋对农业生产效率有着负向的影响。(四)河南省“十三五”碳减排目标分解后各县域土地资源总碳排放强度为93052.67kg/hm~2,各县域土地资源总碳排放强度阈值为91413.42 kg/hm~2,总体上减少了1.76%,水资源总碳排放强度为157.43 kg/m~3,各县域水资源总碳排放强度阈值为154.81 kg/m~3,总体上减少了1.67%,阈值的设定符合国家和河南省的碳减排目标。(五)优化结果表明,本文的优化方案不仅提高了水土资源利用效率,减少了农业直接和间接能源和物资消耗的碳排放强度,而且实现了粮食产量的提高。河南省县域单元水土资源优化后粮食总产量增加,由原来的6238.48万t增加到6738.79万t,增加了500.31万t,达到了河南省“十三五”农业和农村经济发展规划中6500万t的既定目标。农业碳排放也大幅减少,根据“十三五”规划约束所求的阈值碳排放为922.48万t,优化后农业碳排放为830.97万t,减少了91.51万t。同时土地资源投入如化肥、农药、农膜的使用量也大幅减少,符合国家和农业发展需要,化肥由原来的的806.66万t减少到602.93万t,农膜由原来的156250.94t减小到145011.40t。(六)结合以上结果,对未来河南省低碳农业发展提出以下建议:(1)完善农业政策法规,转变农户生产观念;(2)优化水土资源组合模式,提升农业生产效率;(3)加强农业基础设施建设,推广规模化经营;(4)以农业水土资源潜能划分为基础开展农业精准管理。