基于热力学分析的土耳其小麦生产资源效率与环境可持续性评估

《Scientific Reports》：Resource efficiency and environmental sustainability of wheat production in Türkiye

　　本研究针对农业高能耗与环境影响问题，通过能量-?-环境多维度指标，对土耳其萨姆松与托卡特两省小麦生产体系开展对比研究。结果表明：萨姆松省小麦生产的累积能耗(CEnC)、累积?耗(CExC)和碳排放(CCO2E)分别达7262.93 MJ/吨、10514.76 MJ/吨和957.50 kg/吨，均显著高于托卡特省（3502.97 MJ/吨、5400.88 MJ/吨、562.27 kg/吨）。研究揭示灌溉与柴油消耗是主要影响因子，并通过累积完善度(CDP)和可再生指数(RI)证实托卡特省具有更优的可持续性，为区域农业绿色转型提供量化依据。

　　

在全球人口持续增长与粮食需求激增的背景下，农业部门长期依赖化石能源的粗放生产模式正面临资源枯竭与环境污染的双重挑战。作为世界第十大小麦生产国的土耳其，其小麦种植面积达660万公顷，如何平衡农业生产与生态可持续性成为关键科学问题。传统研究多聚焦于能量平衡分析，但基于热力学第二定律的?分析能更精准揭示系统能量转化效率与不可逆损失，为农业可持续性评估提供新视角。

本研究创新性地采用累积能量消耗(CEnC)、累积?消耗(CExC)、累积二氧化碳排放(CCO₂E)、累积完善度(CDP)和可再生指数(RI)等多重热力学指标，对土耳其黑海沿岸的萨姆松省和内陆的托卡特省开展小麦生产体系的对比研究。通过收集两省农户实地调查数据（萨姆松54户、托卡特多区域访谈），构建从耕作到收获的全过程分析模型，量化灌溉、柴油、化肥等关键输入的能-?-碳流动。

研究方法的核心技术路径包括：

1. 1.
   基于质量/能量/?/熵平衡方程的热力学模型构建（公式1-6）
2. 2.
   通过累积?耗计算CDP（公式7）与RI（公式10）指标
3. 3.
   利用区域特异性输入数据（表1）和标准转化系数（表2）进行量化分析
4. 4.
   采用系统边界界定法（图1）排除产后环节干扰

4.1 累积能量消耗(CEnC)分析

萨姆松省小麦生产的CEnC达7262.93 MJ/吨，是托卡特省（3502.97 MJ/吨）的2.07倍。柴油消耗成为最主要差异源，在萨姆松占总能耗47%（3429.20 MJ/吨），而托卡特仅占28%（988.24 MJ/吨）。氮肥和灌溉水分列二、三位贡献因子，其中萨姆松的灌溉能耗（1534.71 MJ/吨）显著高于托卡特（923.38 MJ/吨），反映其机械化强度与水资源管理效率存在区域异质性。

4.2 累积?消耗(CExC)分析

?分析进一步揭示资源质量损失：萨姆松CExC（10514.76 MJ/吨）近乎托卡特（5400.88 MJ/吨）的两倍。灌溉水?耗占比尤为突出，在萨姆松和托卡特分别达60.8%（6394.63 MJ/吨）与71%（3835.84 MJ/吨），表明水泵输送系统存在重大可优化空间。柴油相关?耗差异同样显著（萨姆松3172.76 MJ/吨 vs 托卡特914.33 MJ/吨），印证农业机械能效对系统可持续性的关键影响。

4.3 累积二氧化碳排放(CCO₂E)分析

环境足迹分析显示，萨姆松省单位产量碳排放（957.50 kg/吨）较托卡特（562.27 kg/吨）高出58.7%。灌溉水相关排放占据绝对主导（萨姆松93.5%、托卡特95.7%），主要源于电力泵水过程的间接排放。柴油直接排放量在萨姆松（56.06 kg/吨）达到托卡特（16.15 kg/吨）的3.5倍，而化肥与农药贡献均不足1%。

4.4 可持续性指标(CDP与RI)评估

基于小麦化学?值（22.36 MJ/kg），托卡特省的CDP（4.14）与RI（0.76）显著高于萨姆松（CDP=2.13, RI=0.53），说明其资源转化效率与可再生性更具优势。两省RI值均处于"部分可再生"区间（0<RI<1），但托卡特更接近完全可再生（RI=1）的理想状态。指标对比表明，通过优化灌溉与柴油使用可显著提升系统可持续性。

结论与展望

本研究通过热力学指标体系统计揭示：土耳其小麦生产可持续性存在显著区域差异，托卡特省因较低的灌溉与柴油依赖度形成更优模式。建议高能耗区域优先推广太阳能泵灌、精准施肥与高效农机，将CDP与RI纳入农业政策评估体系。该成果为《Scientific Reports》提供的案例证实，热力学分析可成为农业生态转型的有效决策工具，尤其适用于制定差异化区域管理策略。未来研究可结合遥感技术（如Wang等开发的冬小麦跨模态分割模型）与生物抗逆基因（如TaHSP17.4蛋白），进一步耦合数据驱动与生物学手段提升评估精度。