Глобальный спрос энергии на орошение по культурам

Почему полив наших культур требует больше энергии, чем кажется

Накормить растущий и становящийся более состоятельным мир зависит не только от земли и воды, но и от энергии. В этом исследовании рассматривается на вид простая, но важная проблема: сколько энергии требуется для доставки воды к культурам в мире и что это будет означать в энергетическом выражении, если расширить орошение там, где это можно сделать устойчиво и тем самым увеличить производство продовольствия? Составив карты этих потребностей по культурам по всему земному шару, авторы показывают, где орошение уже потребляет наибольшее количество энергии, где можно безопасно расширять орошение и как ограниченный доступ к электричеству, а не сама вода, может препятствовать увеличению урожаев и продовольственной безопасности.

Как вода, земля и энергия формируют наше питание

Производство сельскохозяйственной продукции увеличилось более чем в трехкратном размере с 1960 года, тогда как площадь обрабатываемых земель выросла лишь незначительно. Большая часть этого роста урожайности объясняется интенсификацией земледелия — удобрениями, техникой и прежде всего орошением. Сегодня орошаемые поля занимают лишь около одной пятой мировой пашни, но дают более 40% калорий в мировом продовольствии. Орошение позволяет фермерам сгладить погодные колебания, сделать подачу воды более надежной и снизить тепловой стресс растений. Но превращение сухих земель в зеленые требует много энергии: насосы поднимают воду из рек, каналов и водоносных горизонтов; под давлением системы распыляют или капают воду по полям; выбор технологии, источника воды и культуры влияет на счёт за энергию.

Измерение скрытой энергии в орошении

Исследователи создали глобальную физически обоснованную модель с сеткой примерно 10 километров, объединяющую климат, почвы, топографию, размеры полей, методы орошения и подробные карты культур. Для каждой ячейки и каждой культуры они оценили, сколько оросительной воды требуется в типичном году, затем рассчитали энергию, необходимую для забора, подъема и распределения этой воды с помощью наземных, дождевальных или капельных систем, питаемых поступающей водой или подземными водами. Они также учли эффективность дизельных и электрических насосов. В результате получился по-культурный атлас спроса на энергию для орошения при сегодняшних условиях и при сценарии, в котором расширение орошения допускается только там, где пресная вода доступна без исчерпания рек или водоносных горизонтов сверх устойчивых пределов.

Где сегодня потребление энергии на орошение самое высокое

Глобально текущее орошение потребляет примерно 1,38 × 10⁹ гигаджоулей энергии в год — это лишь малая часть от общего мирового энергетического потребления, но заметная доля сельскохозяйственной энергетики. Большая часть этой энергии тратится на наземные системы орошения, которые покрывают подавляющее большинство орошаемых площадей; остальное приходится на прессурные дождевальные и капельные системы, которые обычно потребляют больше энергии на гектар, поскольку требуют высокого рабочего давления. Потребление энергии на орошение сильно сконцентрировано в индо-пакистанском поясе, в кукурузном поясе США и на Ближнем Востоке и в Северной Африке. Шесть культур — пшеница, рис, кукуруза, хлопок, сахарный тростник и овощи — занимают около 60% орошаемых земель и обеспечивают сопоставимую долю потребления энергии. Некоторые культуры, такие как сахарный тростник и тропические фрукты, требуют значительно больше энергии на гектар, потому что они «жадны» к воде и часто орошаются энергоемкими системами или из глубоких грунтовых вод.

Что произойдет при устойчивом расширении орошения

Команда затем выяснила, где орошение можно добавить на ныне дождевых посевах без нарушения экологических потоков или истощения грунтовых вод, и что это будет означать для энергопотребления и продовольственного обеспечения. Они идентифицировали около 110 миллионов гектаров земель — в основном в Африке, Восточной Европе и азиатской части России — где синяя вода доступна для поддержки нового орошения. Подвод воды к этим полям потребовал бы примерно 600 кубических километров дополнительной воды в год и увеличил бы энергопотребление на орошение примерно на 17%. В расширении потенциала доминируют пшеница, кукуруза и рис. Дополнительная продукция могла бы иметь особенно трансформационный эффект в странах субсахарской Африки, где калорийный выход с орошаемых земель мог бы вырасти примерно на 60%, что помогло бы бороться с недоеданием. Однако во многих регионах с наибольшим потенциальным приростом также наблюдается энергетическая бедность: значительная часть дополнительного спроса на энергию для орошения приходится на зоны без надежного доступа к электричеству, что означает необходимость создания новой инфраструктуры, микроэнергетики или автономных солнечных систем, чтобы реализовать эти выгоды без перехода на дизель.

Доступ к энергии как новый узкий горлышко

Наложив карты потребления энергии для орошения на данные о электросетях и ночных огнях, авторы показывают, что чуть более половины текущего потребления энергии на орошение приходится на районы с явными признаками электрификации, а эта доля еще ниже для предполагаемых зон расширения. Они также обнаружили, что за счет потребления энергии часто доминирует перекачка из грунтовых вод, особенно в засушливых регионах с глубоким уровнем воды. Технологии имеют значение: переход с поверхностных систем на дождевальные может экономить воду, но повышать энергопотребление; капельные системы могут быть одновременно экономичными по воде и относительно менее энергоемкими, хотя сейчас они покрывают лишь крошечную долю мировых орошаемых земель и подходят не везде. Исследование подчеркивает, что простое удешевление или расширение доступа к воде и энергии может вызвать эффект отскока, увеличивая общий забор воды, если не будут введены жесткие меры предосторожности.

Что это значит для будущего продовольствия и климата

Говоря простыми словами, исследование показывает: многое в будущем продовольственной безопасности мира зависит от того, смогут ли фермеры в богатых водой, но бедных энергией регионах получить доступ к доступной низкоуглеродной энергии для работы насосов. Расширение орошения там, где вода доступна, может значительно увеличить урожайность и устойчивость к климатическим шокам, особенно в странах Глобального Юга, но использование дизеля повысит выбросы и затраты. Совместное планирование систем орошения и энергоснабжения — выбор правильных культур, методов полива и источников энергии для каждого места — может превратить эту скрытую потребность в энергии не в преграду, а в возможность. Авторы утверждают, что их карты по культурам представляют собой практическое руководство для правительств, доноров и энергокомпаний по целенаправленным инвестициям, где устойчивое орошение может обеспечить наибольшие выгоды для продовольствия, средств к существованию и климатической устойчивости на единицу потребляемой энергии.

Цитирование: Chiarelli, D.D., D’Odorico, P., Fiori, A. et al. Global crop-specific energy demand for irrigation. Nat Commun 17, 2396 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68902-6

Ключевые слова: энергия орошения, устойчивое сельское хозяйство, нестача воды, взаимосвязь пища—энергия—вода, климатоустойчивое земледелие