微小的改变可以节省大量农业用水

虽然好莱坞和硅谷喜欢出风头，但加州也是一个农业强国。2022 年，金州的农产品销售总额为 590 亿美元。但是，气温上升、降水量减少和数十年的过度抽水可能需要对农业进行彻底的改变。解决这一问题的立法甚至可能使田地停止耕种。

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。研究人员将遥感、大数据和机器学习相结合，估计了该州中央山谷的农作物用水量。发表在《自然通讯》（Nature Communications）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换作物或休耕田一样多的水。

“不那么突兀的节水方法有机会比我们最初想象的更重要，”主要作者、加州大学旧金山分校布伦环境科学与管理学院的博士生安娜·博瑟（Anna Boser）说。“因此，我们可能不必像我们最初想象的那样对土地利用进行那么多的改变。

加州肥沃的土壤和地中海气候使农民能够种植高价值的作物，而这些作物在该国其他地区是行不通的。根据加州食品和农业部的数据，加州超过三分之一的蔬菜和近四分之三的水果和坚果都种植在加州。

但这些作物中的许多都非常口渴。农业约占加州用水量的80%，合著者、布伦学院教授凯利·凯勒（Kelly Caylor）解释说。“地下水位下降和气候变化给灌溉用水的供应带来了压力，因此确定如何’事半功倍’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。SGMA要求到2040年，该州的每个地下水流域都必须具有可持续性。每个流域都成立了一个地方机构，负责制定实现这一目标的计划。大多数情况下，这意味着确保我们从地下抽出的水不会超过渗入的水。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。但要做到这一点，我们需要了解农场使用了多少水，以及其中有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作用而从地球表面上升到大气中的水量。值得注意的是，蒸发会冷却事物。“当我们变热时，我们会出汗降温。地球也做了类似的事情，“博泽说。科学家们观察地面的温暖程度，看看它从阳光和大气中获得了多少能量。如果地面比预期的要低，这意味着一些能量被用来将水变成蒸汽，从而冷却该点。

一个名为 OpenET 的蒸散数据库于 2023 年初公开发布。它提供了美国西部基于卫星的蒸散估计。但博泽对农作物专门使用的水很感兴趣。因此，她将休耕田的蒸腾作用与整个中央山谷的活跃田地进行了比较。从总蒸散量中减去休耕田的蒸散量，得出作物实际消耗的水量。

不幸的是，对于Boser来说，农民不会随意休耕。通常，他们会将产量最低的田地停产。这在休耕地和耕地之间造成了系统性差异，这可能会扭曲Boser的分析。因此，她创建了一个机器学习模型，对活跃土地和休耕土地进行加权比较，考虑了位置、地形和土壤质量等因素。

她在 60% 的区域上训练了模型，并在 30% 的区域测试了其结果，对算法进行了微调，直到其预测与这些田地的实际条件相匹配，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方。

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略了其他一些可以节约用水的方法，”博泽说。她继续研究该模型，控制了位置、地形、当地气候、土壤质量和果园年龄（如适用）等因素。最终，如果前50%的用水者减少用水量，使其与用水量中位数的邻居相匹配，则可以节省整整10%的作物蒸腾作用。Boser将这些节省归因于“耕作方式”的差异。

现在，10%听起来可能不是很多，但它可以与其他一些干预措施相媲美。作者还估计了换作物的效果。如果同样50%的农民改用他们所在地区的中等水密集型作物，农业蒸散量将下降10%。

与此同时，如果该州将最耗水的前5%的田地停产，该模型显示农业蒸散量将下降，你猜对了：10%。这表明，解决耕作方式效率低下的问题可以节省与换作物或停耕一样多的水。

公平地说，休耕的结果只会影响5%的耕地，而改变作物和改进耕作方式则影响50%。“我们可能不得不至少休耕一点，”博瑟说，“但希望没有我们最初预期的那么多。

作者想弄清楚农民正在使用哪些做法来解释作物用水量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可以消耗的水。赤字灌溉已经在葡萄栽培中产生了良好的效果，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。灌溉效率占农场实际消耗的农作物用水的比例。效率低下包括运输和田间的渗漏、杂草生长和蒸发。这些不在Boser模型的范围内，该模型只考虑作物本身的蒸腾作用。效率低下甚至在水到达工厂之前就发生了。

根据Boser的说法，农场使用的水中有60%实际上通过其作物的根部。显然，这一领域有很多潜在的收益，尽管目前尚不清楚实际可以达到的效率，她说。“灌溉效率实际上知之甚少。

更好地描述这一点在团队的待办事项清单上。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法规，要求大幅减少地下水开采，包括在生计依赖干渴农业生产的地区。

“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，在不休耕的情况下，加州农业有很大的潜力减少用水量，”共同作者，UCSB布伦学院的助理教授Tamma Carleton说。“这增加了国家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。”