全球按作物划分的灌溉能耗

灌溉作物比你想象的更耗能的原因

养活一个不断增长且日渐富裕的世界，不仅需要土地和水，还依赖能源。这项研究着眼于一个看似简单但影响重大的问题：把水输送到全球作物上需要多少能量？在可持续提高粮食产量的前提下，扩大灌溉在能源上意味着什么？作者逐作物地绘制这些需求的全球地图，揭示了目前哪些地方的灌溉消耗了最多电力、哪里可以安全地扩大灌溉，以及有限的电力获取——而非水资源本身——如何成为提高产量和保障粮食安全的障碍。

水、土地与能源如何塑造我们的粮食体系

自1960年以来，农业产量已增加三倍多，但耕地面积仅小幅增长。产量的大幅提升主要来自农业集约化——使用化肥、机械，尤其是灌溉。如今，灌溉耕地仅占全球耕地的大约五分之一，却贡献了超过40%的全球食物热量。灌溉让农民能应对天气波动，使水供应更可靠并减少作物的热应激。但把干旱地区变成绿地是高耗能的：水泵要从河流、运河和含水层中提水；增压系统将水喷洒或滴灌到田间；而所选技术、水源和作物类型都会影响能源开销。

衡量灌溉中的隐性能耗

研究团队构建了一个基于物理的全球模型，网格分辨率约为10公里，结合了气候、土壤、地形、田块规模、灌溉方式和详细作物图谱。对每个网格单元和作物，他们估算了典型年度所需的灌溉水量，然后计算用地表水或地下水，分别通过地表灌溉、喷灌或滴灌系统提取、提升和施加这些水所需的能量。他们还考虑了柴油泵和电泵的效率。结果是一个按作物划分的灌溉能耗图集，既反映当前状况，也展示在仅在不超出河流或含水层可持续流量的前提下扩展灌溉的情景。

当今灌溉能耗最高的地区

全球范围内，目前灌溉每年消耗约1.38×10⁹吉焦的能量——在全部人类能耗中仅占一小部分，但在农业能耗中占有可观比重。大部分能量用于地表灌溉系统，因其覆盖了绝大多数灌溉面积；其余则供给需要较高运行压的增压喷灌和滴灌系统，这些系统通常每公顷能耗更高。灌溉能耗高度集中在印巴腹地、美国“玉米带”以及中东和北非。小麦、水稻、玉米、棉花、甘蔗和蔬菜这六类作物覆盖了约60%的灌溉用地，并贡献了类似比例的灌溉能耗。一些作物，如甘蔗和热带水果，每公顷的能耗更高，因为它们需水量大且常用耗能较高的灌溉系统或深层地下水灌溉。

如果可持续地扩大灌溉会怎么样

研究团队接着探讨了在不违反环境流量需求且不导致地下水枯竭的前提下，在哪些目前以雨养为主的农田可以新增灌溉，以及这对能耗和粮食供给意味着什么。他们识别出了约1.1亿公顷土地——主要分布在非洲、东欧和亚洲俄罗斯——有蓝水可用于支持新灌溉。为这些田地引水每年大约需要额外600立方公里的水量，灌溉能耗将增加约17%。小麦、玉米和水稻在这一潜在扩展中占主导地位。新增产出的粮食在撒哈拉以南非洲可能尤其具有变革性——灌溉土地的热量产出可能提高约60%，有助于缓解营养不良。然而，许多具有最高潜在收益的地区也面临能源贫困：额外灌溉能耗的大部分将落在缺乏可靠电力供应的地区，这意味着若要实现这些收益而不依赖柴油，需要新基础设施、微电网或离网太阳能。

电力可及性成为新的瓶颈

通过将灌溉能耗地图与电网和夜间灯光数据叠加，作者表明目前略高于一半的灌溉能耗发生在有明显电气化迹象的地区，而对潜在扩展区这一比例更低。他们还发现，地下水抽取往往在能耗中占主导，尤其是在含水层深的干旱地区。技术选择也很重要：从地表灌溉改为喷灌可以节水但会提高能耗；滴灌兼顾用水效率并且相对能耗较低，尽管目前仅覆盖全球灌溉土地的一小部分，且并非处处适用。研究强调，仅仅让水和能源更便宜或更易获得，若无强有力的监管，可能引发反弹效应——在总取水量上升的情况下反而得不偿失。

这对未来粮食与气候意味着什么

通俗地说，研究表明世界未来的粮食安全在很大程度上取决于水资源丰富但能源匮乏地区的农民能否获得负担得起的低碳动力来驱动水泵。在有水可用的地方扩大灌溉可以大幅提高产量并增强对气候冲击的韧性，特别是在全球南方，但如果依赖柴油则会提高排放与成本。将灌溉与能源系统一并规划——为每个地区选择合适的作物、灌溉方式和电源——可以把这项隐藏的能耗从障碍转为机遇。作者认为，他们的按作物地图为政府、捐助方和公共事业部门提供了务实的指南，以便在每单位能耗下将可持续灌溉带来的粮食、生计和气候韧性收益最大化。

引用: 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

关键词: 灌溉能耗, 可持续农业, 水资源短缺, 粮食—能源—水资源联结, 气候韧性耕作