Среда, 21 февраля, 2024
ДомойНаукаПод поверхностью: Исчезающие воды угрожают житнице Земли

Под поверхностью: Исчезающие воды угрожают житнице Земли

- Advertisement -

Исследования водоносного горизонта Высоких равнин выявляют критическую связь между истощением водоносного горизонта и урожайностью сельскохозяйственных культур, подчеркивая важность эффективного управления подземными водами для устойчивости сельского хозяйства.

Потери урожая усиливаются, когда истощаются грунтовые воды, показывают данные.

Данные трех десятилетий легли в основу нового исследования, проведенного под руководством Небраски, которое показывает, как истощение грунтовых вод – тех же самых, которые многие фермеры используют для орошения – может поставить под угрозу производство продуктов питания в условиях засухи и засушливого климата.

Исследование показало, что отчасти из-за проблем с добычей грунтовых вод истощение водоносного горизонта может снизить урожайность сельскохозяйственных культур, даже если он кажется достаточно насыщенным, чтобы продолжать удовлетворять потребности орошения. Исследователи сообщили, что эти сельскохозяйственные потери возрастают по мере истощения водоносного горизонта, поэтому его истощение оказывает больший ущерб на урожайность кукурузы и соевых бобов при уменьшении, скажем, толщины со 100 футов до 50, чем с 200 футов до 150.

По мнению команды, эта реальность должна побудить политиков, управляющих ресурсами и производителей пересмотреть объем грунтовых вод для тушения посевов, которые они имеют в своем распоряжении, особенно в условиях более жестоких и частых засух.

Толщина водоносного горизонта и устойчивость сельского хозяйства

«Поскольку вы опускаете водоносный горизонт до такой степени, что он становится довольно тонким, очень небольшие изменения в толщине водоносного горизонта будут оказывать все большее и большее влияние на урожайность и устойчивость вашего растениеводства», — сказал Ник Брозович, директор по политике компании Daugherty Water for Глобальный институт продуктов питания. «И это то, что мы плохо предсказываем, потому что мы склонны прогнозировать, основываясь на прошлом. Поэтому, если мы будем основывать то, что произойдет, на нашем прошлом опыте, мы всегда будем недооценивать. Мы всегда будем удивляться тому, насколько плохи дела обстоят».

Команда пришла к своим выводам после анализа данных об урожайности, погоде и грунтовых водах из водоносного горизонта Хай-Плейнс, который, будучи крупнейшим в Соединенных Штатах, лежит в основе частей восьми штатов, включая почти всю Небраску. Некоторые участки водоносного горизонта, особенно те, что находятся под Техасом и Канзасом, а также в штате Корнхаскер, значительно уменьшились за последние несколько десятилетий из-за откачки воды ради орошения земель, которые в противном случае имели бы мало шансов на поддержание урожая.

Оросительная система с центральным шарниром поливает кукурузное поле недалеко от Адамса, штат Небраска, примерно в 45 минутах к югу от Линкольна. Новое исследование под руководством Хаскера показывает, как истощение грунтовых вод – тех же самых, которые многие фермеры используют для орошения – может поставить под угрозу производство продуктов питания в условиях засухи и более засушливого климата. Исследование показало, что отчасти из-за проблем с добычей грунтовых вод истощение водоносного горизонта может снизить урожайность сельскохозяйственных культур, даже если он кажется достаточно насыщенным, чтобы продолжать удовлетворять потребности орошения. Фото: Крейг Чендлер, Университет Небраски-Линкольн.

«Что касается вещей, которые позволяют обеспечить продовольственную безопасность в экстремальных условиях — в частности, засухе и изменении климата — мы действительно не можем обойтись без ирригации», — сказал Брозович, профессор экономики сельского хозяйства в Университете Небраски-Линкольн. «Если мы хотим накормить мир высококачественной, питательной пищей и стабильными запасами продовольствия, нам необходимо орошать».

Брозович и его коллега из Хаскера Таро Миено уже построили множество моделей и провели множество симуляций того, как водоносный горизонт Высоких равнин реагирует на засуху и засушливые условия. Но разговор с фермерами показал, что эти модели не решают их главную задачу: урожайность скважин или количество грунтовых вод, которые фермеры могут рассчитывать постоянно использовать, пытаясь защитить свои посевы от засухи.

«Всех интересует, как истощение водоносных горизонтов влияет на устойчивость орошаемого земледелия в регионе», — сказал Миено, доцент кафедры экономики сельского хозяйства и ведущий автор исследования, которое было опубликовано в журнале. Природа Вода.

Решения по урожайности скважин и ирригации

Поэтому исследователи ознакомились с ежегодными оценками толщины водоносного горизонта Высоких равнин, датируемыми 1935 годом, а также с данными об урожайности кукурузы и сои на уровне округов с 1985 по 2016 год. Тем временем метеорологические данные позволили команде рассчитать сезонный дефицит воды, или разница между количеством воды, полученной в результате осадков, и количеством воды, потерянной сельскохозяйственными культурами в результате испарения и транспирации.

Исследователи знали, что когда последнее превышает первое, фермеры часто обращаются к водоносным горизонтам за помощью в компенсации разницы. Чего они не знали: при каких условиях и в какой степени истощение водоносного горизонта сделает откачку воды слишком сложной или дорогой? И насколько повлияют принятые в результате решения — сократить количество орошения на акр, полностью прекратить орошение определенных участков — на урожайность кукурузы и сои?

Фермеры, которым посчастливилось выращивать кукурузу и сою на самых насыщенных участках водоносного горизонта Высоких равнин — толщиной примерно от 220 до 700 футов, — продолжали получать высокие урожаи при орошении даже во времена экстремального дефицита воды, как обнаружила команда. Напротив, те, кто зависел от наименее насыщенных территорий — от 30 до 100 футов — увидели, что их орошаемая урожайность начала снижаться, когда дефицит воды достиг всего 400 миллиметров, что является обычным явлением в Небраске и других штатах Среднего Запада.

В годы, когда дефицит приближался или превышал 700 миллиметров, орошаемые поля, расположенные выше самых толстых грунтовых вод, давали заметно больше кукурузы, чем те, которые располагались выше самых тонких грунтовых вод. Результаты были более резкими во время дефицита воды в 950 миллиметров, что соответствует сильной засухе: поля на наименее насыщенных участках водоносного горизонта давали примерно на 19,5 бушелей меньше на акр.

«Из-за того, как работают водоносные горизонты, даже если там много воды, по мере их истощения вы фактически теряете способность удовлетворять потребности сельскохозяйственных культур в воде в самые засушливые периоды, потому что производительность скважин имеет тенденцию снижаться по мере истощения водоносного горизонта. — сказал Брозович. «Это имеет экономические последствия и последствия для устойчивости».

Исследование выявило еще одну убедительную связь между водой, находящейся под землей, и водой, находящейся на поверхности. Находясь на поверхности грунтовых вод толщиной примерно 330 футов, фермеры орошали 89% своих акров, отведенных под выращивание кукурузы. Где водоносный горизонт имел толщину всего 30 футов? Только 70% этих акров орошались. Вероятно, это результат более низкой продуктивности скважин, из-за которой фермеры орошают только некоторые из своих полей, сказал Таро, или даже отказываются от орошения.

Чтобы лучше понять, как сокращение орошения способствовало сельскохозяйственным потерям в засушливых условиях, исследователи затем учли урожайность как с орошаемых, так и с неорошаемых полей, последние из которых зависят только от осадков. Этот анализ показал, что урожайность еще более чувствительна к еще меньшему дефициту воды, предполагая, что сокращение орошаемых земель усугубляет потери, понесенные на все еще орошаемых участках.

И это проиллюстрировало угрозу безудержного выхода из-под контроля, возникающую, когда средняя толщина водоносного горизонта падает ниже определенных пороговых значений. По оценкам, при дефиците воды в 950 миллиметров уменьшение толщины водоносного горизонта примерно с 330 до 230 футов приведет к потере в среднем около 2,5 бушелей кукурузы на акр, что авторы назвали «незначительной разницей». Такое же абсолютное снижение, но с 230 до 130 футов, привело, по оценкам, к потере 15 бушелей на акр.

«Как следствие, ваша устойчивость к климату быстро снижается», — сказал Миено. «Поэтому, когда вы сейчас работаете с очень толстым водоносным горизонтом, вы в относительной безопасности. Но вы хотите управлять этим таким образом, чтобы не переступить этот порог, потому что дальше все пойдет под откос.

«И важность водоносных горизонтов, несомненно, будет возрастать по мере прогрессирования изменения климата в будущем. Когда становится жарче, вам обычно требуется больше воды. Это означает, что вам нужно больше ирригации, и вы будете истощать водоносный горизонт еще быстрее, и ситуация может становиться все хуже и хуже».

Небраске повезло, сказал Брозович, что она расположена над таким огромным водохранилищем и создала систему управления, предназначенную для его сохранения на местном уровне. Но большинство нормативных актов сосредоточено на том, чтобы указать, сколько и когда откачивается подземная вода, а не на обеспечении уровня насыщения водоносного горизонта или соответствующей способности извлекать из него воду.

Брозович признал, что убедить политиков рассмотреть возможность пересмотра этих параметров сейчас, когда на большей части штата все еще имеется достаточно грунтовых вод, «возможно, будет непросто». Он надеется, что новое исследование сможет, по крайней мере, помочь положить конец этому разговору.

«Если у вас возникла проблема — когда дебит скважин уже снижается, а водоносный горизонт очень тонкий — даже если вы введете политику, вы все равно получите множество (негативных) последствий», — сказал он. «Таким образом, время действительно проводить значимую политику наступает до того, как дела пойдут в тупик.

«Во-первых, надо понять, надо измерить, надо воспитать. Вы должны понимать, что вы сохраняете и почему. Чем больше вы сможете предоставить количественных доказательств того, почему стоит пойти на все это и что поставлено на карту, — сказал он, — тем легче будет этот разговор».

Ссылка: «Истощение водоносного горизонта усугубляет сельскохозяйственные потери от засухи на высоких равнинах США», Таро Миено, Тимоти Фостер, Шункей Какимото и Николас Брозович, 15 января 2024 г., Природа Вода.
DOI: 10.1038/s44221-023-00173-7

Брозович и Миено являются авторами Природа Вода учился у Тимоти Фостера из Манчестерского университета и Сюнкея Какимото из Университета Миннесоты. Исследователи получили частичную поддержку от Министерства сельского хозяйства США.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме