研究量化了含水层枯竭如何威胁作物产量

内布拉斯加州领导的一项新研究提供了三十年的数据，该研究表明地下水(许多农民依赖地下水进行灌溉)的枯竭如何在干旱和干燥气候下威胁粮食生产。

研究发现，部分由于抽取地下水的挑战，含水层的枯竭会抑制农作物的产量，即使它看起来已经饱和到足以继续满足灌溉的需求。研究人员报告说，随着含水层的减少，这些农业损失也会加剧，因此，当含水层厚度从 100 英尺减至 50 英尺时，其枯竭对玉米和大豆产量的影响比从 200 英尺减至 150 英尺时更大。

研究小组表示，这一现实应该鼓励政策制定者、资源管理者和种植者重新考虑他们可以使用的、足以淬灭农作物的地下水量，特别是在面临更严重、更频繁的干旱的情况下。

“当你把含水层抽到相当薄的程度时，含水层厚度的微小变化就会对作物产量和恢复力产生越来越大的影响，”多尔蒂水务公司政策主任尼克·布罗佐维奇说。全球食品研究所。“这是我们无法很好预测的事情，因为我们倾向于根据过去来预测。因此，如果我们根据过去的经验来预测将要发生的事情，我们总是会低估。我们总是会对事情变得如此糟糕感到惊讶。”

该团队在分析了高地平原含水层的产量、天气和地下水数据后得出了结论。高地平原含水层是美国最大的含水层，位于八个州的部分地区——包括几乎整个内布拉斯加州。一些地区的含水层，特别是德克萨斯州和堪萨斯州下方的含水层，以及玉米壳州的含水层，在过去几十年中已经大幅减少，因为这些地区的抽水是为了灌溉土地，否则这些地区几乎不可能维持农作物的生长。

内布拉斯加大学林肯分校农业经济学教授布罗佐维奇说：“就解决极端条件下的粮食安全问题而言，特别是干旱和气候变化，我们确实离不开灌溉。” “如果我们想为世界提供高质量、有营养的食物和稳定的粮食供应，我们就需要灌溉。”

布罗佐维奇和 Husker 的同事 Taro Mieno 已经构建了大量模型，并进行了大量模拟，研究高原含水层如何应对干旱和干旱条件。但与农民交谈后发现，这些模型并没有解决他们最关心的问题：井产量，或者种植者在试图缓冲作物免受干旱影响时可以预期持续抽取的地下水量。

“每个人都对含水层枯竭如何影响该地区灌溉农业的弹性感兴趣，”农业经济学副教授、该研究的主要作者 Mieno 说，该研究发表在《自然水》杂志上。

因此，研究人员参考了自 1935 年以来对高地平原含水层厚度的年度估计，以及 1985 年至 2016 年县级玉米和大豆的产量。同时，气象数据使研究小组能够计算季节性缺水量，即从降水中获得的水量与作物通过蒸发和蒸腾损失的水量之间的差异。

研究人员知道，当后者超过前者时，农民往往会向含水层寻求帮助来弥补差异。他们不知道的是：在什么条件下，以及在何种程度上，含水层的枯竭会使抽水变得困难或昂贵?由此产生的决定——减少每英亩的灌溉量、停止对某些地块的灌溉——会对玉米和大豆的产量产生多大影响?

研究小组发现，幸运的是，在高地平原含水层最饱和的地带(大约 220 至 700 英尺厚)上方种植玉米和大豆的农民即使在极度缺水的情况下也能继续享受高灌溉产量。相比之下，那些依赖最不饱和地区(30 至 100 英尺)的地区的灌溉产量在缺水仅达到 400 毫米时就开始下降，这种情况在内布拉斯加州和其他中西部各州很常见。

在赤字接近或超过 700 毫米的年份里，位于最稠地下水上方的灌溉田产出的玉米明显多于位于最稀薄地下水上方的灌溉田。在 950 毫米缺水(相当于极端干旱)期间，结果更加明显：含水层饱和程度最低的田地每英亩产量减少了大约 19.5 蒲式耳。

“由于含水层的工作方式，即使那里有大量的水，随着它们的耗尽，你实际上失去了在最干旱时期满足农作物用水需求的能力，因为当你耗尽含水层时，井产量往往会下降， ”布罗佐维奇说道。“这会产生经济后果和复原力后果。”

这项研究捕捉到了地下水和地表水之间的另一个显着联系。当地下水位大约 330 英尺厚时，农民灌溉了 89% 的土地用于种植玉米。哪里的含水层只有 30 英尺厚?其中只有 70% 的土地得到了灌溉。塔罗说，这可能是由于井产量较低，迫使农民只灌溉部分田地，甚至放弃灌溉。

为了更好地了解干旱条件下灌溉减少如何导致农业损失，研究人员随后考虑了灌溉田和非灌溉田的产量，后者仅依赖于降水。该分析认为，产量对更小的缺水更加敏感，这表明灌溉土地的减少加剧了仍在灌溉的土地所遭受的损失。

它还说明了当含水层的平均厚度低于特定阈值时所造成的失控威胁。据估计，在缺水 950 毫米的情况下，含水层厚度从大约 330 英尺减少到 230 英尺，每英亩玉米平均损失约 2.5 蒲式耳，作者称之为“微不足道的差异”。同样的绝对下降，但从 230 英尺降至 130 英尺，导致每英亩估计损失 15 蒲式耳。

“因此，你对气候的适应能力迅速下降，”米诺说。“因此，当您现在在非常厚的含水层上进行操作时，您相对安全。但您希望以一种不超过该阈值的方式对其进行管理，因为从那里开始，一切都是下坡路。

“随着未来气候变化的进展，含水层的重要性肯定会增加。随着天气变得越来越热，你通常需要更多的水。这意味着你需要更多的灌溉，并且你会更快地耗尽含水层，而且事情会变得越来越糟。”

布罗佐维奇说，内布拉斯加州很幸运，因为它坐落在如此巨大的水库之上，并建立了旨在在当地范围内保护水库的治理体系。但大多数法规的重点是规定抽取地下水的数量和时间，而不是保障含水层的饱和水平或相应的从中抽取水的能力。

布罗佐维奇承认，在该州大部分地区仍然拥有充足的地下水的情况下，说服政策制定者考虑修改这些参数“可能很难”。他希望这项新研究至少能够帮助将这一对话摆上桌面。

“一旦出现问题——一旦油井产量已经下降并且含水层非常薄——即使你出台政策，你仍然会受到很多(负面)影响，”他说。“因此，真正制定有意义的政策的时机是在事情脱离悬崖之前。

“首先，你必须了解，你必须衡量，你必须教育。你必须了解你要保留什么，以及为什么。你越能提供定量证据，说明为什么值得不辞辛劳地做所有事情他说：“越了解这一点以及其中的利害关系，对话就越容易。”

布罗佐维奇和米诺与曼彻斯特大学的蒂莫西·福斯特和明尼苏达大学的柿本俊凯共同撰写了《自然水》研究报告。研究人员得到了美国农业部的部分支持。

来源: Materials provided by University of Nebraska-Lincoln. Original written by Scott Schrage.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Taro Mieno, Timothy Foster, Shunkei Kakimoto, Nicholas Brozović. Aquifer depletion exacerbates agricultural drought losses in the US High Plains. Nature Water, 2024; DOI: 10.1038/s44221-023-00173-7