灌溉提高了农作物产量，这意味着可以在更小的面积上种植同等数量的粮食。研究人员表示，如果美国各地的灌溉突然被取消，为了弥补损失的农业产量，将需要扩大农田面积。与这种土地转换相关的温室气体排放量将是目前灌溉本身产生排放量的363倍。
该团队估计，通过避免这种额外的土地使用而减少的排放量，相当于美国目前灌溉年温室气体排放量的363年总和。
为什么节约土地对气候至关重要
自然生态系统在植被和土壤中储存了大量的碳。当森林、草地或其他景观被转换为农田时，部分储存的碳会被释放到大气中。
根据9月14日发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的研究，与生产粮食、纤维和燃料相关的农业土地利用和土地转换占全球温室气体排放的近四分之一。这使得农业土地利用的变化成为减排努力中需要考虑的重要因素。
“这项工作清楚地表明，灌溉对排放具有净正面效应，”作为科罗拉多州立大学（CSU）博士生开展此项研究的第一作者埃弗里·德里斯科尔（Avery Driscoll）说。“减少间接土地利用变化所避免的排放量远大于直接排放量，而且随着电气化的普及，这一直接排放量还可能进一步下降。”
灌溉排放的来源
与灌溉直接相关的最大温室气体排放源是移动水所需的能源。农场内部和流域之间的调水都会使用水泵，当这些设备依赖化石燃料时，就会产生排放。
研究人员表示，这个排放源也相对容易减少。用电动设备取代化石燃料驱动的抽水系统可以降低与灌溉相关的排放，特别是随着电网变得更加清洁。他们建议，政策制定者在设计气候智能型农业项目时，可以考虑为电气化提供激励措施。
该研究团队早先的研究考察了与灌溉相关的其他直接排放。这些包括由微生物呼吸引起的少量一氧化二氮释放，以及溶解在地下水中并在水被喷洒到田间时释放的二氧化碳。
这项新分析是该团队首次将这些排放量与灌溉减少将额外土地转换为农业的需求时所产生的间接温室气体效益进行直接比较。
近70亿吨的避免排放量
研究人员计算出，通过避免土地转换，灌溉防止了估计68.6亿吨的温室气体排放。
德里斯科尔表示，这一总量超过了2024年美国所有的温室气体排放量（59.1亿吨），相当于当年全球总排放量的约13%。
研究人员认为，这些发现表明了为什么气候智能型农业政策需要同时考虑农场直接产生的排放以及农业生产率对其他地方土地利用可能产生的间接影响。
“这种综合考虑田间直接排放和间接土地利用影响的方法，让我们能够通过水泵电气化和电网脱碳来确定减少排放的局部机会，同时最大化与提高生产率相关的效益，”目前在普渡大学担任博士后研究员的德里斯科尔说。“理想情况下，这是解决局部排放和利用灌溉全球效益的双赢之举。”
对美国无灌溉情况的建模
为了确定目前的灌溉节约了多少土地，科学家们首先测量了美国各个县的灌溉对农作物产量的提升程度。
他们利用现有的农业调查数据结合机器学习模型，计算了雨养和灌溉农作物产量之间的关系。
接下来，该团队使用了一个模拟农业生产、消费和国际贸易的全球经济模型。这使他们能够估计，如果美国所有农作物突然完全依赖降雨，农业将发生怎样的转变。
该模型考虑了经济供需关系以及不同地区实际可以种植哪些农作物。在此基础上，研究人员绘制了如果美国灌溉消失，可能需要额外农业用地的位置地图。
然后，他们将这些结果与显示植被和土壤中碳储量的地图相结合。利用关于自然景观转换为农田时这些碳储量如何变化的信息，他们计算了可能产生的温室气体排放量。
研究人员指出，他们的分析未包括其他几项农业活动的排放，包括施用氮肥或牲畜产生的甲烷。
灌溉伴随着更广泛的权衡
“我们能够展示美国灌溉对减少粮食系统温室气体排放的巨大效益，”科罗拉多州立大学生态系统科学与可持续性系以及土壤与作物科学系副教授、合著者内森·穆勒（Nathan Mueller）说。“然而，当我们谈论水资源利用时，特别是在美国西部，每种用途都存在权衡，而且权衡超越了粮食和温室气体排放的范畴。我们的工作提供了拼图的一块，以帮助审视围绕水资源利用的一些非常复杂的社会成本效益问题。”
这些权衡在美国西部尤为重要，那里的大部分农业系统严重依赖灌溉。
该地区的水资源供应必须支持农场以及社区、生态系统和其他需求，这意味着研究中确定的温室气体效益仅代表了关于应如何利用水资源的更广泛辩论的一部分。
科罗拉多州农场对灌溉的依赖
科罗拉多州立大学校友亚历克斯·布朗（Alex Brown）的家族已经在科罗拉多州尤马县的同一片土地上耕作和饲养牲畜长达120年。
“我们需要灌溉来满足我们的需求以及我们继续为世界提供粮食的责任，”布朗说，并补充道，如果他们不能进行灌溉，农民将不得不开垦生产力较低且生态更敏感的牧场来种植农作物，而且他们将依赖不可靠的降雨。“随着人口的增长，对粮食的需求增加，对在更少土地上进行农业生产的需求也随之增加。”
尤马县是科罗拉多州农作物和牲畜生产的领先县之一。布朗说，该地区的农民非常重视保护，他的家族继续通过采用更新的技术和现代设备来提高灌溉效率。
“我对此非常热衷，因为我希望看到我们的农场能世代相传，”布朗在谈到明智地用水时说。
灌溉作为适应策略
除了提高产量外，灌溉还可以帮助农场抵御日益严峻的生长条件。
“灌溉是一种强大的适应策略，”研究负责人德里斯科尔补充道。“它提高了生产率；增强了对高温和干旱胁迫的抵御能力，当然，维持和增加农业生产是首要任务。同时，我们需要减少粮食系统的排放，因此了解这两个挑战如何相互作用是一项优先事项。这项工作使我们能够更好地把握其中的一些权衡和协同效应。”
美国国家科学基金会和土地、经济、农业与林业人工智能研究所资助了这项研究，并得到了美国农业部的支持。
合作者包括明尼苏达大学经济学家贾斯汀·约翰逊（Justin Johnson），以及研究人员乔伊·布隆伯格（Joey Blumberg，美国林业局落基山研究站）、艾莉森·金（Alison King，缅因大学）和塞斯·斯庞-李（Seth Spawn-Lee，大自然保护协会）。