Nature Food | 农业灌溉如何成为虚拟能源存储,助力能源转型与气候效益双赢

本研究背景强调了农业灌溉中迫切需要低碳战略，特别是考虑到该领域全球范围内对能源的巨大消耗和温室气体排放。随着灌溉系统的扩展以满足日益增长的粮食生产需求，灌溉相关的能源成本和碳排放也在稳步增加。这一趋势在面临水资源短缺和气候变化导致地下水位波动的地区尤为令人关注。农业灌溉虽然对粮食安全至关重要，但预计将进一步加剧排放，因此，寻找减少其碳强度的解决方案变得尤为关键。

该研究提出了一种创新方法，通过优化灌溉调度来实现农业灌溉的脱碳，旨在将灌溉实践与可再生能源的可用性对接。这一方法与全球可持续发展目标相一致，各国都在努力实现碳中和。通过将灌溉纳入电网的需求侧响应，这一模型优化了能源消费，减少了温室气体排放，并利用了富余的可再生能源。这在中国等正在进行能源转型的地区尤为重要，因为高效利用可再生资源的需求迫切。

本文提出了一种基于“粮食-水-能源-碳”四重耦合模型的研究方案，旨在通过优化灌溉调度来降低农业灌溉的碳排放，并提高农业与可再生能源的协调性。研究方案的核心是建立灌溉调度优化模型（ISOM），通过调整灌溉时间，使其与可再生能源的发电波动相匹配，从而实现减少温室气体排放的目标。模型首先通过估算中国主要农作物（水稻、小麦和玉米）的灌溉水需求和能源消耗，构建出灌溉所需的水和能源消耗空间分布图。

进一步，ISOM模型将灌溉调度与电网的可再生能源供给进行匹配，优化灌溉用电时段，优先选择可再生能源富余时段进行灌溉，从而减少温室气体排放。此外，研究还考虑了气候变化带来的灌溉需求变化，分析了未来几十年内灌溉水需求和能源消耗的变化趋势。该方案通过不同情景的模拟，评估了在能源转型、灌溉电气化和优化调度策略下的碳减排潜力，特别是在可再生能源渗透率较高的情况下，灌溉优化能够带来显著的减排效益。最终，研究为低碳农业适应气候变化提供了具体的策略和操作框架。

本文的研究结果表明，通过优化灌溉调度，可以显著减少农业灌溉的碳排放，并有效提升农业系统对可再生能源波动的适应能力。研究利用“粮食-水-能源-碳”四重耦合模型（ISOM），将灌溉与电网的可再生能源发电模式进行对接，优化灌溉时间，从而减少温室气体排放。研究结果表明，优化后的灌溉调度可以最大限度地利用富余的可再生能源，实现“虚拟能源存储”，有效减少温室气体排放。

在中国的案例研究中，研究发现，灌溉用电调度的优化可以显著降低农业灌溉的碳排放。在当前能源结构下，优化调度使得碳排放减少了11.1%至25.8%。随着可再生能源在电网中的渗透率增加，优化调度的碳减排效果进一步提升，预计在2050年代，灌溉系统的碳排放将减少16.5%至56.9%。此外，研究还表明，在某些地区，如西北和东北中国，优化调度能够将灌溉系统的碳排放降至接近零的水平，尤其是在可再生能源丰富的地区。进一步分析显示，优化灌溉调度的碳减排潜力与可再生能源的渗透率和电网波动性密切相关。当电网中的可再生能源占比达到65%至70%时，优化调度的碳减排效果最大。研究还预测，气候变化将导致某些地区灌溉需求增加，进一步加剧碳排放压力，但通过调整灌溉调度，能够有效抵消这些变化带来的负面影响，特别是在北方和西北地区，这为低碳农业适应气候变化提供了有效的策略。

总体而言，本文的研究结果表明，优化灌溉调度不仅能有效减少碳排放，还能增强电网的灵活性，是应对气候变化和推动能源转型的重要途径。

本文的研究意义在于提出了一种创新的农业低碳适应策略，结合灌溉优化与能源转型，实现农业与可再生能源的协同发展。通过优化灌溉调度，最大限度地利用可再生能源富余，减少农业灌溉的碳排放，提升电网的灵活性，降低对传统能源的依赖。这一方案不仅有助于减缓农业领域的温室气体排放，还为农业适应气候变化提供了切实可行的路径，尤其在水资源紧张和气候变化影响较大的地区，具有重要的实践价值。

此外，研究提供了基于粮食-水-能源-碳四重耦合的框架，为全球农业低碳转型提供了理论支持，并为政策制定者提供了可操作的决策依据。该研究不仅关注减排效益，还能促进农业与能源系统的深度融合，为实现全球碳中和目标贡献力量。

https://www.nature.com/articles/s43016-025-01285-x