Rumslig fördelning av produktionsbortfall per jordbruksdistrikt från hållbara grundvattenscenarier med varierande laddningshastigheter för majs (översta kartan), sojaböna (mittenkarta) och höstvete (nedre kartan). Röda, orange, gula och chartreuse-prickar visar produktion förlorad av jordbruksdistriktet för hållbara grundvattenanvändningsscenarier baserade på 100 % påfyllning, 75 %—100 % påfyllning, 50 %—75 % påfyllning respektive 25 %—50 % påfyllning. Gröna prickar visar hållbar produktion. Kredit:J. Lopez et al. och J. Chipman.
I USA används 52 % av den bevattnade marken för produktion av majs, sojabönor och höstvete. Majs och sojabönor är två av landets viktigaste grödor, där 17 % av majsproduktionen och 12 % av sojaproduktionen kommer från bevattnade områden. Vattnet som används för denna bevattning är dock ofta ohållbart pumpat grundvatten. Enligt en färsk Dartmouth-ledd studie publicerad i Earth's Future , att använda grundvatten på ett hållbart sätt för jordbruk i USA kan dramatiskt minska produktionen av majs, sojabönor och höstvete.
Bevattning är beroende av att utvinna grundvatten från akviferer, som också fungerar som en källa till dricksvatten och är väsentliga för sjöar, floder och ekosystem. Akviferer laddas upp naturligt, eftersom nederbörd, snösmältning och annat vatten infiltrerar jorden och samlas i ett poröst lager under jorden. Om grundvattenanvändningen däremot överstiger laddningshastigheten för akvifären, minskar detta mängden grundvatten som finns tillgängligt i akvifären, inklusive för odling av grödor.
För att analysera effekterna av hållbar grundvattenanvändning för bevattnade majs, sojabönor och höstvete använde forskare en grödemodell för att simulera konstbevattnat jordbruk från 2008 till 2012. Grödmodellen använder information om dagligt väder, markegenskaper, gårdsförvaltning och grödor, och jämfördes med enkätdata från U.S. Department of Agriculture för att bekräfta dess riktighet.
Grödproduktionen simulerades under fyra olika scenarier för användning av grundvatten, allt från mest optimistiska till pessimistiska. Det mest optimistiska scenariot antar att den maximala mängden laddning kan användas för bevattning. De mindre optimistiska scenarierna, som är baserade på säkert akviferutbyte, antar att endast en bråkdel av påfyllningen går in i akvifären och att just den begränsade mängden vatten kan användas för bevattning. De mindre optimistiska scenarierna förklarar osäkerheten i tillgången på grundvatten samt bevarar en del vatten för att upprätthålla sunda ekosystem. De fyra scenarierna för hållbar grundvattenanvändning är baserade på säkra akviferutbyten på 100 %, 75 %, 50 % och 25 %.
Under det mest optimistiska scenariot för hållbar grundvattenanvändning minskar USA:s bevattnade produktion av majs, sojabönor och höstvete med 20 %, 6 % respektive 25 %. Under det mest pessimistiska scenariot minskar produktionen av majs, sojabönor och höstvete med 45 %, 37 % respektive 36 %.
"Våra fynd understryker hur produktionen av majs, sojabönor och höstvete skulle kunna påverkas om vi valde att sluta utarma akvifärer över hela USA", säger medförfattaren Jonathan Winter, docent i geografi och huvudutredare för Applied Hydroclimatology Group vid Dartmouth. "Men framtida nederbörd, som påverkar grundvattenresurserna, är svår att förutsäga, och förbättrad bevattningsteknik, mer vatteneffektiva grödor och bättre jordbruksvattenhantering skulle kunna minska produktionsförlusterna från en övergång till hållbar grundvattenanvändning."
Resultaten visar att Nebraska, Kansas och Texas, som är beroende av grundvatten från High Plains Aquifer (även känd som Ogallala Aquifer) för att odla majs, sojabönor och höstvete, skulle uppleva några av de största produktionsförlusterna som ett resultat av hållbar grundvattenanvändning. Denna region är särskilt sårbar på grund av sin brist på nederbörd, vilket begränsar regnmatat jordbruk och grundvattentillförsel. Tidigare forskning har visat att High Plains utvinner tre gånger så mycket grundvatten som dess akvifers laddningshastighet.
Centrala Kalifornien, som förlitar sig på Central Valley Aquifer, skulle också ha stora produktionsförluster för majs och höstvete från hållbar grundvattenanvändning, men produktionsförlusterna för majs och höstvete i Kalifornien är begränsade på grund av dominansen av specialgrödor, såsom mandel , vindruvor och sallad, vilket begränsar mängden mark som används för att odla majs och höstvete.
Däremot skulle Mississippi Valley, en betydande region för majs och sojabönor, uppleva relativt få produktionsförluster, eftersom utvinning av grundvatten vanligtvis är mindre än omladdning över regionen. Mellanvästern skulle också uppleva minimala produktionsförluster för majs och sojabönor eftersom regionen är fuktig och huvudsakligen förlitar sig på regnmatat snarare än konstbevattnat jordbruk.
"Hållbar grundvattenanvändning är avgörande för att upprätthålla konstbevattnad jordbruksproduktion, särskilt i ett globalt livsmedelssystem som redan beskattas av klimatförändringar, befolkningstillväxt och förändrade kostbehov", säger medförfattaren Jose R. Lopez, en före detta postdoktor i geografi i Dartmouth. "Vi måste utöka implementeringen av vattenbesparingsstrategier och tekniker vi har nu och utveckla fler verktyg som kan stabilisera landets grundvattenförsörjning samtidigt som skördarna och jordbrukarnas försörjning bevaras."
