©绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）工作组
美国的加利福尼亚州闻名于其好莱坞和硅谷，但农业也是其重要的产业支柱。2022年，加州农产品销售总额达590亿美元。但气温上升、降水量减少以及数十年的过度抽水等问题，可能需要对农业进行彻底变革。为解决这个问题的立法甚至可能导致土地停止耕种。幸运的是，加州大学圣巴巴拉分校的一项研究表明，采用不那么极端的措施就可以帮助解决加州的水问题。研究人员结合遥感、大数据和机器学习来估算该州中央山谷的水作物用量。发表在《自然通讯》期刊上的研究结果表明，由于耕作方式导致的效率变化，可以节省与转换作物或休耕田地一样多的水。该研究的主要作者、加州大学圣巴巴拉分校布伦环境科学与管理学院的博士生Anna Boser表示：“一些不那么显眼的节水方法有可能比我们最初想象的更重要。因此，我们可能不必像我们最初想象的那样对土地利用做出那么多改变。”加利福尼亚州肥沃的土壤和地中海气候使农民能够种植在该国其他地区无法种植的高价值作物。根据该州食品和农业部的数据，该国超过三分之一的蔬菜以及近四分之三的水果和坚果都产自加州。然而，其中许多作物都非常缺水。该研究的合著者、布伦学院教授Kelly Caylor解释道，加州用水量的80%左右为农业用水。“地下水位下降和气候变化给灌溉用水带来了压力，因此确定我们如何‘少花钱多办事’至关重要。”2014年，萨克拉门托通过了《可持续地下水管理法案》(SGMA)，以确保加州的水资源安全。SGMA规定，到2040年，该州的每个地下水流域都必须实现可持续发展。每个流域都设立了一个地方机构，负责制定计划来实现这一目标。大多数情况下，这意味着确保从地下抽出的水量不会超过渗入地下的水。Boser说，到2040年，我们需要将地下水总使用量减少20%至50%，具体取决于流域。但为了实现这一目标，我们需要了解农场使用了多少水，以及其中的多少部分实际上用于农作物。
上图：水循环。李由（新加坡，7岁）。图片来源：第五届国际少儿环保公益绘画大赛参赛作品。摄：Linda
科学家们有多种方法来估计由于蒸发和植物叶片的蒸腾而从地球表面上升到大气中的水量。蒸发是可以降温的。名为“OpenET” 的蒸散量数据库于2023年初公开发布。它提供了美国西部基于卫星的蒸散量估算。但Boser对农作物用水的具体情况感兴趣。因此，她将中央山谷的休耕田地的和活跃田地的蒸腾作用进行了比较。从总蒸散量中减去休耕地的蒸散量，得出农作物实际消耗的水量。然而，农民不会随意休耕田地，他们通常会停止产量最低的田块。这造成了休耕地和耕地之间的系统性差异，这可能会使研究的分析出现偏差。因此，她创建了一个机器学习模型，考虑位置、地形和土壤质量等因素的情况下，对耕地和休耕地进行加权比较。她在60%的区域上训练了模型，并在30%的区域上测试了其结果，对算法进行了微调，直到其预测与这些区域的实际情况相匹配，平均每天每平方米10毫升。现在她对自己的模型充满信心，并将其应用于加州中央山谷的其他地区。作物类型只能解释34%的耗水量变化。这也就意味着还有其他能够节约用水的方法。Boser继续研究该模型，控制了位置、地形、当地气候、土壤质量和果园年龄（如果适用）等因素。最终，如果用水量最高的50%的用水者减少用水量，降低到与其耗水量中位数的邻居相当的水平，则可以节省整整10%的作物蒸腾量。Boser将这些节省归因于“耕作方式”的差异。10%听起来可能不是很多，但它与许多其他节水措施不相上下。作者还估计了转换作物的影响。如果同样50%的农民改种其所在地区中位水密集型作物，农业蒸散量将下降10%。
同时，如果国家将最耗水的前5%的田地停止生产，模型显示农业蒸散量将会下降10%。这表明，解决农业实践中的低效率问题可以节省与转换作物或停止耕种土地一样多的水。公平地说，休耕的结果只会影响5%的耕地，而作物变化和改进耕作方式则影响 50%。因此，Boser认为，休耕并不会像我们预期的那样严重。作者想要弄清楚农民采用的哪些做法造成了作物用水量10%的差异。一些例子包括覆盖、免耕种植、使用耐旱品种和亏缺灌溉（即提供比作物理论上耗水量更少的水）。亏缺灌溉已经在葡萄栽培中取得了良好的效果，葡萄种植者发现它可以提高葡萄酒的质量。改变灌溉方式也有助于减少用水量。灌溉效率指的是农场实际使用的农作物所消耗的水的比例。效率低下包括渗漏、杂草生长及运输和田间蒸发。这些不属于Boser模型的范围，该模型只考虑作物本身的蒸腾作用，在水到达植物之前就发生了效率低下的情况。根据Boser的研究，农场用水的 60%用水实际上通过作物的根部。她说，很明显这一领域有很多潜在的收益，尽管目前尚不清楚实际上可以达到什么效率。
更好地描述灌溉效率是研究小组的任务之一。他们希望找出灌溉效率低下的原因，量化不同类型灌溉的效率，并了解气候和地理如何影响灌溉效率。所有这些都需要收集经验数据。加州正处于水资源管理的关键十字路口。该州有史以来第一次制定了要求大幅减少地下水开采量的法规，包括在依赖干渴的农业生产维持生计的地区。本文合著者、加州大学伯克利分校布伦学院助理教授Tamma Carleton说："本文采用新颖的数据驱动方法表明，与人们普遍认为的相反，在不休耕田地的情况下，削减加州农业用水量的潜力很大。这为加州继续发挥农业强州的作用，同时可持续地管理重要的自然资源提供了可能。”
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编译 | LYJ
编辑 | Richard
排版 | 绿叶
【参考资料】
https://phys.org/news/2024-03-small-yield-big-agricultural-reveals.html
Boser, A., Caylor, K., Larsen, A. et al. Field-scale crop water consumption estimates reveal potential water savings in California agriculture. Nat Commun 15, 2366 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-46031-2
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