Global assessment of the energy footprint of irrigated agriculture

Crop irrigation is a key part of the water-related energy consumption of the global food production system. Irrigated agriculture sustains 44 % of the global food crop production and consumes approximately 70 % of the world’s fresh water supply. It is estimated that 38 % of the total area equipped for irrigation consumes water from groundwater sources, and 62 % from surface water sources. A global scale study on energy consumption in each type of irrigation system could help in bridging the gap on the water-energy nexus of agricultural irrigation. In this study, a spatially distributed model to estimate the energy demand for different irrigation systems is developed. The assessment combines WATNEEDS, which is a model for estimating crop specific irrigation demand, a geodatabase, and prototypes of surface and sprinkler irrigation systems. The results of this analysis are global maps of the yearly energy requirement for irrigation per area and per cubic meter of water for 19 crop types, with a grid size of 10 kilometres. According to this model, the energy required to satisfy the global need for surface and sprinkler irrigation is 6.607e8 GJ/year. The water application efficiency of sprinkler irrigation is higher than the one for surface irrigation. However, one aspect that is often overlooked is that sprinkler irrigation has a higher energy-per-drop requirement than surface irrigation. In fact, the results estimate that the global average energy need for surface irrigation is 8.12e-4 GJ/m3 whereas for sprinkler irrigation is 9.947e-5 GJ/m3. This model could be used for territorial planning of irrigation districts and science-based policies on the possible impacts of irrigation expansion. The global maps can also be useful at different scales, from farm-level to national-level.

L’irrigazione sostiene il 44 % della produzione agricola e consuma il 70 % dell’acqua dolce a livello mondiale. Diversi studi hanno quantificato l’acqua necessaria in agricoltura allo stato corrente e per chiudere il gap idrico tra resa potenziale ed effettiva, ma ancora manca una quantificazione dell’energia utilizzata per irrigazione alla scala globale, è necessaria per il prelievo, il trasporto e la distribuzione dell’acqua. Il clima, il fabbisogno idrico della pianta e il suolo influenzano questa domanda di energia in termini di volume d’acqua da fornire, mentre la prevalenza da superare dipende da condizioni idrologiche e geomorfologiche. Per valutare i consumi energetici in irrigazione, sono stati combinati gli output del modello di bilancio idrico del suolo WATNEEDS, sviluppato presso il DICA del Politecnico di Milano, che fornisce i volumi d’acqua richiesti per ciascuna tipologia di coltura, con una modellazione delle prevalenze a seconda del tipo di fonte d’acqua usata (superficiale o subsuperficiale) e delle perdite distribuite e localizzate relative al sistema di irrigazione applicato (a gravità o a pioggia). I risultati sono riportati in forma di mappe globali di fabbisogno energetico annuo per irrigazione, per 19 tipi di colture, con una risoluzione di 10 chilometri. Secondo questo modello, l’energia richiesta per soddisfare la richiesta globale di energia per irrigazione è di 6.61e8 GJ/anno, pari al 6.3% del consumo globale di energia di tutto il settore alimentare. Le colture con il più alto fabbisogno energetico per l'irrigazione sono le erbe foraggere, il riso, il mais e il grano. La media globale di consumo energetico per irrigazione a gravità è 9.947e-5 GJ/m3 mentre per l’irrigazione a pioggia è 8.12e-4 GJ/m3, a conferma del fatto, spesso trascurato, che, nonostante la maggior efficienza d’uso d’acqua dei sistemi a pioggia rispetto a quelli a gravità, i sistemi a pioggia risultano essere più energivori. Possibili sviluppi di questo approccio modellistico includono la pianificazione territoriale di distretti irrigui e la previsione di possibili impatti dell’espansione delle aree irrigate, alla scala globale così come a quella nazionale o regionale.