研究表明微小的改变可以大大节省农业用水

虽然好莱坞和硅谷喜欢成为众人瞩目的焦点，但加州也是一个农业强国。 2022 年，金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可能需要对农业进行彻底改变。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，不那么极端的措施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》上的研究结果表明，由于农业实践而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安娜·博泽 (Anna Boser) 表示：“不那么引人注目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。

但其中许多作物都非常缺水。该研究的合著者、布伦学院教授凯利·凯勒 (Kelly Caylor) 解释说，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，这意味着确保我们从地下抽出的水量不会超过渗入的水量。博瑟说，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。

用水建模

科学家们有多种方法来估计由于植物叶子的蒸发和蒸腾而从地球表面上升到大气中的水量。值得注意的是，蒸发可以使物体冷却。

“当我们变热时，我们会出汗来降温。地球也会做类似的事情，”博瑟说。科学家们观察地面的温暖程度，并了解它从阳光和大气中获得了多少能量。如果地面温度比预期低，则意味着部分能量被用来将水转化为蒸气，从而使该地点冷却。

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。但博泽对农作物专门使用的水感兴趣。因此，她将休耕田地的蒸腾作用与整个中央山谷的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即可得出农作物实际消耗的水量。

不幸的是，对于博瑟来说，农民不会随意休耕田地。他们通常会停止生产产量最低的油田。这造成了休耕地和耕地之间的系统性差异，这可能会扭曲博泽的分析。因此，她创建了一个机器学习模型，对耕地和休耕地进行加权比较，考虑位置、地形和土壤质量等因素。

她在 60% 的区域训练模型，并在 30% 的区域测试其结果，对算法进行微调，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。

令人鼓舞的成果

作物类型只能解释 34% 的耗水量变化。 “这意味着我们可能忽视了其他一些可以节约用水的方法，”博瑟说。她继续研究该模型，控制位置、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以与中等用水量邻居的用水量相匹配，则可以节省整整 10% 的作物蒸腾量。博泽将这些节省归因于“农业实践”的差异。

现在，10% 听起来可能不是很多，但它与许多其他干预措施相当。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%。

与此同时，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，你猜对了：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%。博泽说：“我们可能不得不至少稍微休息一下，但希望不会像我们最初预期的那么严重。”

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、使用耐旱品种和赤字灌溉——你提供的水少于作物理论上消耗的水。赤字灌溉已经在葡萄栽培中取得了良好的效果，葡萄酒商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。效率低下包括运输和田间的泄漏、杂草生长和蒸发。这些不属于博泽模型的范围，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 的说法，农场高达 60% 的用水实际上都流经了农作物的根部。她说，显然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。 “实际上人们对灌溉效率知之甚少。”

更好地描述这一点是团队的待办事项清单上的。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。该州历史上首次制定法规，要求大幅减少地下水开采，包括在生计依赖农业生产的地区。

“这篇论文使用新颖的、数据驱动的方法来表明，与普遍的看法相反，在不休耕土地的情况下减少加州农业用水的潜力巨大，”加州大学圣巴巴拉分校布伦学院助理教授、合著者塔玛·卡尔顿说。

“这增加了该州继续发挥农业强国作用的可能性，同时可持续地管理重要的自然资源。”