Forskere bruger satellitbilleder til at kortlægge grundvandsforbruget i Californiens centrale dal

Forskere ved University of California San Diego rapporterer i en ny undersøgelse en måde at forbedre grundvandsovervågning ved at bruge en fjernmålingsteknologi (kendt som InSAR), i forbindelse med klima- og arealdækningsdata, at bygge bro over huller i forståelsen af ​​bæredygtigt grundvand i Californiens San Joaquin Valley.

Deres arbejde kunne være revolutionerende for håndtering af grundvandsforbrug i landbrugsregioner rundt om i verden, da grundvandsovervågning og -forvaltning har været notorisk vanskelig at udføre på grund af manglende pålidelige data.

Den satellitbaserede InSAR (interferometric synthetic aperture radar) bruges til at lave højopløsningskort over landoverfladebevægelser i rum og tid, herunder måling af indsynkning (eller synkning). Nedsynkning kan forekomme, når store mængder grundvand fjernes fra underjordiske lagre, kaldet grundvandsmagasiner.

Studiet, offentliggjort i tidsskriftet Miljøforskningsbreve , udnyttede den utroligt fine-skala opløsning af InSAR til at evaluere nedsynkningsmønstre i henhold til afgrødetype, afslører overraskende resultater. For eksempel, på trods af rapporter om højt vandforbrug af frugt- og nøddeafgrøder i Californien, afgrødetyperne med de største sætninger, og ved sammenslutning de største satser for grundvandsforbrug, var markafgrøder som majs og soja, efterfulgt af græsningsafgrøder som lucerne, lastbilafgrøder som tomater, og til sidst, frugt- og nøddeafgrøder som mandler og druer.

"Vores oprindelige hypotese var, at frugt- og nøddeafgrøder ville være forbundet med nogle af de højeste nedsynkningsrater, men vi fandt det modsatte, " sagde undersøgelsens hovedforfatter, Morgan Levy, en adjunkt med en fælles ansættelse med UC San Diego's Scripps Institution of Oceanography og School of Global Policy and Strategy.

Fordi forskydning er en reaktion på ændringer i grundvandslagring på steder med varierende geologi, jord og vegetation, fortolkningen af ​​InSAR varierer på tværs af lokationer, i modsætning til satellitmålinger af klima, der har samme fortolkning hvor som helst. Derfor, InSAR skal kombineres med andre kilder til geofysiske data for at opnå stedsspecifik indsigt i grundvandsforbruget.

Ved at kombinere InSAR med andre jordoverfladedatasæt, herunder landdækning, potentiel evapotranspiration (et mål for planternes vandbehov), og placeringen af ​​overfladevandsforsyningsnet, UC San Diego forskere fandt, at mellem 2015 og 2017, nedsynkning skete med meget højere hastigheder i kunstvandet dyrket jord sammenlignet med ubebygget jord, og i tørre overfladevand-begrænsede år i forhold til våde år.

I løbet af studietiden, der var en median på 272 millimeter (eller 16 tommer) af totalt kumulativt nedsynkning for markafgrøder (som majs og soja), og en nedsynkningsrate på 131 millimeter (5 tommer) pr. år i tørvandet år. Til frugt- og nøddeafgrøder, (som mandler og druer) var der en median på 62 millimeter (2,5 tommer) total nedsynkning i løbet af undersøgelsesperioden, og en nedsynkningsrate på 31 millimeter (1 tomme) pr. år i tørvandet år.

"Resultatet kan forklares af to ting. For det første, i gennemsnit kræver frugter og nødder mindre vand fysiologisk, sammenlignet med mark- og græsafgrøder. Sekund, mark- og græsningsafgrøder har en tendens til at bruge vandingsmetoder, der er mindre effektive og større volumen end dem, der bruges af frugt- og nøddeafgrøder, " sagde Levy. "Men frugter og nødder kan stadig forbruge større samlede mængder vand, fordi de optager mere landareal, selvom deres grundvandsforbrug er mindre."

Metoder og resultater fra denne forskning kunne bruges til at understøtte statens igangværende indsats for at forhindre overtræk af grundvandsmagasiner. Grundvand er en kritisk ressource både nationalt og globalt:I USA, grundvand er en drikkevandskilde for omkring halvdelen af ​​befolkningen, og udgør den største kilde til kunstvandingsvand til landbruget. Kunstvanding tegner sig for cirka 70 procent af det samlede amerikanske grundvandsudtag, og Californien har de højeste satser for grundvandspumpning i landet.

"Vores resultater indikerer, at i Central Valley, Omkostningerne og fordelene ved overgange fra markafgrøder til frugt- og nøddeafgrøder i de senere år er mere komplekse end normalt antaget, Levy tilføjede. "Vores resultater tyder på muligheden for, at overgange til frugt- og nøddyrkning kan være ønskelig, i det mindste fra et grundvandsbæredygtighedsperspektiv, selvom der er behov for mere forskning for at bekræfte dette."

Globalt potentiale til at fremme grundvandsovervågning og -forvaltning

Californien er et eksempel på et semi-tørt og kunstvandingsafhængigt klima for landbruget. Koordineret indsats fra UC San Diego-teamet af klimaforskere og geofysikere for at forbinde nedsynkning, brug af grundvand og overfladevand, og afgrødeproduktionsdata på tværs af sammenlignelige tids- og rumskalaer har et enormt potentiale til at fremme grundvandsovervågning og -styring i landbrugsregioner i andre dele af verden, sagde forfatterne.

I San Joaquin-dalen i våde år, landmænd kan modtage op til 100 procent af deres overfladevandstildelinger, mens i ekstremt tørre år, de modtager muligvis ingen. Når overfladevandsforsyningerne ikke er tilgængelige, landmænd udvinder grundvand. Dermed, grundvand er blevet stadig vigtigere under klimaændringer, da Californien og mange dele af verden har oplevet mangel på overfladevand. Imidlertid, overdreven pumpning forekommer, selv i relativt våde år. Og, vandførende lag kan løbe tør.

I 2014 Californien vedtog lovgivning, der påbyder en gradvis, lokalt ledet skift i retning af bæredygtig brug af grundvand - den ressource, som 85 procent af befolkningen og en stor del af dens landbrugsindustri på 50 milliarder dollar er afhængig af. Dataene fra InSAR kan være kritiske for statens bestræbelser på at udføre effektiv overvågning og styring som reaktion på klimaændringer.

Mens lovgivningen har opfordret lokale agenturer til at begynde at bruge InSAR til at dokumentere landsynkning, anvendelser af InSAR til direkte overvågning af grundvandsforbrug er tidligt i deres udvikling. UC San Diegos forskningsindsats giver et eksempel på, hvordan vandforvaltere kan bruge satellitdatakilder, inklusive InSAR, direkte at overvåge lokale forhold mellem nedsynkninger, grundvandspumpning og afgrødeporteføljer.

"Løftet om InSAR ligger i vores evne til at kombinere det med andre kilder til geofysiske og sociale data for at besvare vandpolitiske relevante spørgsmål, " Levy og medforfattere skrev. "Vi giver en forhåndsvisning af kraften i en sådan syntese, demonstrerer, at rumlige sænkningsmønstre og deres forhold til landbrugsdyrkning og tilhørende vandbehov er klare og robuste."

De konkluderede, "Vores resultater tyder på, at politiske løftestænger, der understøtter bæredygtig grundvandsforvaltning, kan drage fordel af at overveje grundvandsforbrugsintensiteten ved afgrødevalg, ikke kun den vanskeligt definerede bæredygtighed af grundvandsudvindingsmængder over grundvandsmagasingrænser, der forbliver usikre, og som er dyre at afgrænse."