Små ændringer kan give store besparelser i landbrugets vandforbrug, viser undersøgelse

Mens Hollywood og Silicon Valley elsker rampelyset, er Californien også et landbrugsmæssigt kraftcenter. Landbrugsprodukter solgt i Golden State udgjorde i alt 59 milliarder dollars i 2022. Men stigende temperaturer, faldende nedbør og årtier med overpumpning kan kræve drastiske ændringer i landbruget. Lovgivning til at løse problemet kunne endda medføre, at marker tages ud af dyrkning.

Heldigvis tyder en undersøgelse fra UC Santa Barbara på, at mindre ekstreme foranstaltninger kan hjælpe med at løse Californiens vandproblemer. Forskere kombinerede fjernmåling, big data og maskinlæring for at vurdere, hvor meget vandafgrøder bruger i statens Central Valley. Resultaterne, offentliggjort i Nature Communications , tyder på, at variation i effektivitet på grund af landbrugspraksis kunne spare lige så meget vand som at skifte afgrøde eller braklægge marker.

"Der er en mulighed for, at mindre påtrængende metoder til at spare vand er vigtigere, end vi oprindeligt troede," sagde hovedforfatter Anna Boser, en ph.d.-studerende ved UCSB's Bren School of Environmental Science &Management. "Så vi skal måske ikke lave så mange ændringer i arealanvendelsen, som vi oprindeligt troede."

Californiens frugtbare jordbund og middelhavsklima gør det muligt for landmænd at dyrke højværdiafgrøder, som bare ikke er levedygtige i resten af ​​landet. Over en tredjedel af landets grøntsager og næsten tre fjerdedele af frugter og nødder dyrkes i Californien, ifølge statens Department of Food and Agriculture.

Men mange af disse afgrøder er ret tørstige. Landbrug står for omkring 80% af det vand, der bruges i Californien, forklarede medforfatter Kelly Caylor, professor ved Bren School. "Faldende grundvandsniveauer og et ændret klima lægger pres på tilgængeligheden af ​​kunstvandingsvand, hvilket gør det afgørende at bestemme, hvordan vi kan 'gøre mere med mindre'."

I 2014 vedtog Sacramento Sustainable Groundwater Management Act (SGMA) for at sikre Californiens vandressourcer. SGMA giver mandat til, at alle grundvandsbassiner i staten skal være bæredygtige inden 2040. Hvert bassin oprettede et lokalt agentur, der har til opgave at udvikle en plan for at nå dette mål.

For det meste betyder det, at vi skal sikre, at vi ikke pumper mere vand ud af jorden, end hvad der siver ind. Vi bliver nødt til at reducere det samlede grundvandsforbrug med 20 % til 50 % inden 2040, afhængigt af bassinet, sagde Boser. Men for at opnå dette har vi brug for en idé om, hvor meget vandfarme bruger, og hvor stor en del af det, der rent faktisk bliver til afgrøder.

Modellering af vandforbrug

Forskere har en række forskellige metoder til at vurdere mængden af ​​vand, der stiger op fra jordens overflade til atmosfæren på grund af fordampning og transpiration gennem planteblade. Især fordampning køler tingene ned.

"Når vi bliver varme, sveder vi for at køle af. Jorden gør noget lignende," sagde Boser. Forskere ser på, hvor varm jorden er, og ser, hvor meget energi den får fra sollys og atmosfæren. Hvis jorden er køligere end forventet, betyder det, at noget af denne energi blev brugt til at omdanne vand til damp, som køler det sted ned.

En evapotranspirationsdatabase kaldet OpenET blev offentligt tilgængelig i begyndelsen af ​​2023. Den giver satellitbaserede evapotranspirationsestimater for det vestlige USA. Men Boser var interesseret i, at vandet blev brugt specifikt af afgrøder. Så hun sammenlignede transpiration i braklagte marker med aktive marker på tværs af Central Valley. At trække evapotranspiration i brakmarker fra total evapotranspiration giver den mængde vand, som afgrøder faktisk forbruger.

Desværre for Boser lægger landmændene ikke marker tilfældigt. Ofte vil de tage deres lavest ydende felter ud af produktion. Det skaber systematiske forskelle mellem braklagte og dyrkede marker, hvilket kan skævvride Bosers analyse. Så hun skabte en maskinlæringsmodel til at udføre en vægtet sammenligning mellem aktivt og braklagt land, der tager højde for faktorer som placering, topografi og jordkvalitet.

Hun trænede modellen på 60 % af områderne og testede dens resultater på 30 %, finjusterede algoritmen, indtil dens forudsigelser matchede de faktiske forhold i disse felter inden for 10 milliliter pr. kvadratmeter pr. dag i gennemsnit. Nu med tillid til sin model, brugte hun den på resten af ​​Californiens Central Valley.

Opmuntrende resultater

Afgrødetype forklarede kun 34 % af variationen i vandforbruget. "Det betyder, at vi måske overser nogle andre måder, hvorpå vi kunne spare vand," sagde Boser. Hun fortsatte med at undersøge modellen og kontrollerede for faktorer som placering, topografi, lokalt klima, jordkvalitet og frugtplantagealder (hvis relevant). I sidste ende kunne hele 10 % af afgrødens transpiration spares, hvis de øverste 50 % af vandbrugerne reducerede deres vandforbrug til at matche deres medianforbrugende naboer. Boser tilskriver disse besparelser til forskelle i "landbrugspraksis."

Nu lyder 10 % måske ikke af meget, men det kan sammenlignes med en række andre interventioner. Forfatterne vurderede også effekten af ​​at skifte afgrøde. Hvis de samme 50 % af landmændene skiftede til de gennemsnitlige vandintensive afgrøder for deres område, ville landbrugets evapotranspiration falde med 10 %.

I mellemtiden, hvis staten tog de øverste 5 % af de mest vandhungrende marker ud af produktion, siger modellen, at landbrugets evapotranspiration ville falde forbi, du gættede det:10 %. Dette tyder på, at håndtering af ineffektivitet i landbrugspraksis kan spare lige så meget vand som at skifte afgrøde eller tage marker ud af dyrkning.

For at være retfærdig vil resultaterne fra braklægning kun påvirke 5 % af den dyrkede jord, i modsætning til 50 % for afgrødeændringer og forbedrede landbrugsmetoder. "Vi bliver nok nødt til at falde tilbage på at braklægge i det mindste en lille smule," sagde Boser, "men forhåbentlig ikke så meget, som vi oprindeligt havde forventet."

Forfatterne ønsker at finde ud af, hvilken praksis landmænd bruger, der tegner sig for de 10 % forskelle i afgrødevandforbrug. Nogle eksempler omfatter mulching, plantning uden jord, brug af tørketolerante sorter og underskudsvanding - hvor du giver mindre vand, end afgrøden teoretisk kunne forbruge. Underskudsvanding giver allerede gode resultater inden for vindyrkning, hvor vindyrkere finder, at det kan forbedre kvaliteten af ​​vin.

Ændring af kunstvandingspraksis kan også bidrage til at reducere vandforbruget. Kunstvandingseffektivitet tegner sig for den brøkdel af vand en gård bruger, som faktisk bliver forbrugt af afgrøder. Ineffektivitet omfatter lækage, vækst af ukrudt og fordampning i transport og i marken. Disse var ikke inden for rammerne af Bosers model, som kun tager hensyn til transpiration af afgrøderne selv. Ineffektivitet sker, før vandet overhovedet når til planterne.

Ifølge Boser passerer op til 60 % af det vand, en gård bruger, faktisk gennem rødderne af dens afgrøder. Det er klart, at der er masser af potentielle gevinster på dette område, selvom det ikke er klart, hvilken effektivitet der faktisk er opnåelig, sagde hun. "Vandingseffektivitet er faktisk ret dårligt forstået."

Det er bedre at karakterisere dette på holdets to-do-liste. De håber at identificere årsagerne til kunstvandingsineffektivitet, kvantificere effektiviteten af ​​forskellige typer kunstvanding og lære, hvordan klima og geografi påvirker kunstvandingseffektiviteten. Alt dette vil kræve indsamling af empiriske data.

Californien står ved en kritisk korsvej inden for vandforvaltning. For første gang i sin historie indfører staten regler, der kræver væsentlige reduktioner i grundvandsudvindingen, herunder i regioner, hvor levebrød afhænger af tørstig landbrugsproduktion.

"Dette papir bruger nye, datadrevne metoder til at vise, at der, i modsætning til hvad mange tror, ​​er et stort potentiale for at reducere vandforbruget i californisk landbrug uden at braklægge marker," sagde medforfatter Tamma Carleton, en assisterende professor ved UCSB's Bren School.

"Dette rejser muligheden for, at staten kan fortsætte sin rolle som et landbrugsmæssigt kraftcenter og samtidig forvalte en væsentlig naturressource på en bæredygtig måde."

Flere oplysninger: Boser, A., et al. Skøn af vandforbrug i markskala afslører potentielle vandbesparelser i californisk landbrug. Naturkommunikation (2024). doi.org/10.1038/s41467-024-46031-2

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of California - Santa Barbara