灌溉技术对青贮玉米生产中能效、碳足迹及水稀缺足迹的影响：一项三年田间试验研究

《Water Resources and Industry》：Effects of irrigation technology on energy efficiency, carbon footprint, and water scarcity footprint in silage maize production: A three-year field study

　　

摘要：水资源与能源的高效利用对于气候变化及粮食需求增长背景下农业生产的可持续性愈发重要。本研究评估了灌溉技术对灌溉青贮玉米生产中能量性能、投入相关碳足迹及水稀缺足迹的影响。田间数据收集自土耳其安纳托利亚中部安卡拉省一大型商业农场2022–2024年连续三个生长季，该地青贮玉米分别采用喷灌(sprinkler irrigation)与中心支轴式灌溉(center pivot irrigation)系统进行生产。能量性能通过投入–产出能分析框架量化；投入相关碳足迹采用农业投入及田间作业对应的排放因子估算；水稀缺足迹采用土耳其地区的AWARE表征因子进行评估。基于三年均值，与喷灌相比，中心支轴式灌溉使干物质产量提高1.48%，能量利用效率(Energy Use Efficiency, EUE)提高16.89%，能量生产力(Energy Productivity, EP)提高16.88%，净能(Net Energy, NE)提高3.27%，同时使比能(Specific Energy, SE)降低14.38%。单位干物质产量的投入相关碳足迹(CFkg)在中心支轴式灌溉下降低22.22%。相比之下，两种系统的平均水稀缺足迹(Water Scarcity Footprint, WSF)相同，其年际模式存在差异：2022年和2023年喷灌数值较低，2024年中心支轴式灌溉数值较低。总体而言，在评估的商业农场条件下，中心支轴式灌溉改善了能量性能并降低了投入相关碳足迹，而水稀缺足迹主要由灌溉水量及区域AWARE因子决定，而非单独由灌溉技术决定。研究结果为半干旱区青贮玉米生产系统的灌溉规划与资源利用评估提供了田间实证依据。

论文解读：《Effects of irrigation technology on energy efficiency, carbon footprint, and water scarcity footprint in silage maize production: A three–year field study》发表于《Water Resources and Industry》

一、研究背景与目的

全球气候变化导致干旱频发、水资源枯竭及能耗上升，严重威胁农业可持续性与粮食安全。农业灌溉用水占全球淡水消耗的约70%，半干旱地区尤为突出。玉米(Zea mays L.)是重要的粮饲兼用作物，其灌溉生产消耗大量水能与化石能源投入，伴随显著温室气体排放。目前关于喷灌(sprinkler irrigation)与中心支轴式灌溉(center pivot irrigation)在青贮玉米生产中对能量–碳–水综合环境影响的多年度田间实证仍较缺乏。为此，?mer Eren、Halit Tutar、Muhammed ?kbal ?atal与Handan Paytsun研究人员以土耳其安卡拉省Polatl?地区大型商业化农场为对象，于2022–2024年连续三年开展田间比对研究，综合评价两种灌溉技术下的能量利用效率(Energy Use Efficiency, EUE)、投入相关碳足迹(Carbon Footprint, CF)及水稀缺足迹(Water Scarcity Footprint, WSF, 基于AWARE方法)，以揭示灌溉技术对半干旱区青贮玉米生产资源与环境绩效的影响，为灌溉规划提供依据。

二、主要技术方法概述

研究人员选取土耳其安卡拉省Polatl?农业企业管理局同一大型商业农场的相邻田块，分别采用喷灌系统与中心支轴式灌溉系统种植相同 FAO 700 熟期青贮玉米品种72MAY80，播期、种植密度（70×14 cm）、基肥（DAP 166 kg ha^?1）与追肥（尿素 206 kg ha^?1，V6期）、除草剂（0.8 kg ha^?1）及收获期保持一致。记录各年度每公顷人力、机械作业时长、柴油(L ha^?1)、电量(kWh ha^?1)、灌水量(m³ha^?1)、化肥及种子用量，实测鲜生物量并折算33%干物质(Dry Matter, DM)产量。农业能量投入(Agricultural Energy Input, AEI)由各投入量乘以相应能量当量(MJ unit^?1)求和，农业能量产出(Agricultural Energy Output, AEO)为DM产量×青贮玉米能量当量(17.93 MJ kg^?1)；计算EUE＝AEO/AEI、比能(Specific Energy, SE)＝AEI/Y、能量生产力(Energy Productivity, EP)＝Y/AEI、净能(Net Energy, NE)＝AEO－AEI。投入相关碳足迹以各投入乘以对应排放因子(kgCO_2-equnit^?1，电力采用土耳其分年度电网因子)计算CF_ha及单位产量碳足迹CF_kg＝CF_ha/Y，不含土壤N₂O直接排放。水稀缺足迹按WSF＝∑R(i)×AWARE(i)计算，灌溉水采用土耳其农业区AWARE因子7.370 m³_world-eqm^?3，其余投入取国际标准AWARE值；结果以面积基准(WSF_ha)和单位干物质基准(WSF_kg)表达。因数据为商业农场实录无重复随机区组，采用三年描述性比较与相对差异(%)分析，未做统计假设检验。

三、研究结果

3.1 能量计算(Energy calculations)

喷灌三年EUE分别为9.33、9.29、9.03，呈略降趋势，三年均值9.22；中心支轴式灌溉EUE分别为10.94、10.57、10.81，均值10.77，较喷灌提高16.89%。中心支轴式灌溉比能(SE)三年均值为1.66 MJ kg^?1（喷灌1.95 MJ kg^?1），降低14.38%；能量生产力(EP)均值0.60 kg MJ^?1（喷灌0.51 kg MJ^?1），提高16.88%；净能(NE)均值271,630.54 MJ ha^?1（喷灌263,024.13 MJ ha^?1），提高3.27%。AEI构成中，两系统均以柴油为最大耗能项（喷灌约37–39%，中心支轴约45%），但中心支轴式灌溉电力(约5.8% vs 喷灌13.5–14.1%)与机械作业(约1.5–3.3% vs 喷灌7.4–7.7%)所占能量比显著降低，灌溉水耗能占比略升（中心支轴约20.9–21.6%，喷灌17.0–19.8%）。结论：中心支轴式灌溉通过降低电、机力能耗及提升DM产量改善整体能量性能。

3.2 碳足迹(Carbon footprint, CF)

喷灌CF_ha三年为2882.61、2899.76、2973.76 kgCO_2-eqha^?1，均值2918.71；中心支轴式灌溉为2400.14、2404.41、2373.99 kgCO_2-eqha^?1，均值2392.85，总CF降低约18%。单位干物质CF_kg喷灌恒为0.18 kgCO_2-eqkg^?1DM，中心支轴式灌溉为0.14–0.15 kgCO_2-eqkg^?1DM，降幅22.22%。CF_ha构成中柴油为首要源（喷灌31.6–32.6%，中心支轴40.3–40.7%），其次为电力（喷灌19.4–20.4%，中心支轴8.8–9.0%）与氮肥（约19–23.9%），中心支轴式灌溉因电、机械排放大幅减少使单位产量CF降低。结论：中心支轴式灌溉凭借更低的电力与机械相关GHG排放显著降低投入相关碳足迹。

3.3 水稀缺足迹(Water scarcity footprint, WSF)

面积基准WSF_ha喷灌三年为35,817.24、37,673.43、43,202.19 m³_world-eqha^?1，中心支轴式灌溉为38,747.52、39,543.46、39,543.06 m³_world-eqha^?1。单位干物质WSF_kg喷灌三年为2.19、2.28、2.62 m³_world-eqkg^?1DM，中心支轴式为2.28、2.40、2.39 m³_world-eqkg^?1DM，三年均值均为2.36。灌溉水在WSF中占比超96%。2022、2023年喷灌WSF较低，2024年因喷灌区灌水量增至5700 m³ha^?1致WSF升高，中心支轴式灌溉则较稳定。结论：WSF主要受灌水体积与土耳其区域AWARE因子控制，不因灌溉技术本身产生一致性优势。

3.4 整体比较表现(Overall comparative performance)

基于三年均值，中心支轴式灌溉较喷灌使DM产量+1.48%、EUE +16.89%、EP +16.88%、NE +3.27%，SE ?14.38%，CF_kg?22.22%，WSF_kg无差异(0.00%变化)。WSF年际模式显示喷灌2022–2023年较低，中心支轴2024年较低。

四、讨论与结论总结

研究人员指出，中心支轴式灌溉改善青贮玉米生产能量性能与降低投入相关碳足迹，源于较低的电力与机械作业能耗及略高的DM产量，而非单纯节水效果；水稀缺足迹主要由灌水体积及区域AWARE因子主导，故未显现技术间一致差异。讨论中强调灌溉技术通过改变能量投入结构与田间作业影响可持续性指标，且能效提升与节水未必同向（如高压灌溉增能），需综合评估。局限性含单农场非随机对照设计、未测土壤N₂O排放、未含经济与长期土壤/地下水效应、中心支轴田块更大可能存在规模效应。

结论(Conclusions)：

在土耳其安纳托利亚中部半干旱大型商业农场条件下，与喷灌相比，中心支轴式灌溉关联更优的能量性能（更高EUE、EP与NE，更低SE）及更低的单位干物质投入相关碳足迹（?22.22%），此差异主要归因于中心支轴式灌溉较低的电力与机械相关排放及略增的产量；水稀缺足迹在两系统间均值相同，年际模式受灌水体积与区域AWARE因子驱动而非灌溉技术本身。研究发现表明中心支轴式灌溉可支持更节能、低碳的青贮玉米生产，但WSF削减需依靠控制灌水总量与适配区域缺水状况的灌溉调度。因比较基于规模与操作条件不同的实产田块，结论限于所评估半干旱商业农场条件，推广至其他环境须考量当地水、能、气候及水力与管理因素。灌溉规划宜统筹能效、碳足迹与水稀缺足迹于统一决策框架。