Forskare vid University of California San Diego rapporterar i en ny studie ett sätt att förbättra grundvattenövervakningen genom att använda en fjärranalysteknik (känd som InSAR), i samband med klimat- och markdata, att överbrygga klyftor i förståelsen av hållbart grundvatten i Kaliforniens San Joaquin Valley.

Deras arbete kan vara revolutionerande för att hantera grundvattenanvändning i jordbruksregioner runt om i världen, eftersom övervakning och hantering av grundvatten har varit notoriskt svåra att genomföra på grund av brist på tillförlitliga data.

Den satellitbaserade InSAR (interferometric synthetic aperture radar) används för att göra högupplösta kartor över landytans rörelse i rum och tid, inklusive mätning av sättning (eller sänkning). Säkning kan inträffa när stora mängder grundvatten avlägsnas från underjordiska lager, kallas akviferer.

Studien, publiceras i tidskriften Miljöforskningsbrev , utnyttjade den otroligt finskaliga upplösningen av InSAR för att utvärdera sättningsmönster enligt gröda, avslöjar överraskande resultat. Till exempel, trots rapporter om hög vattenförbrukning av frukt och nötter i Kalifornien, de grödor som har störst sättningar, och genom associering den största andelen grundvattenanvändning, var åkergrödor som majs och soja, följt av betesgrödor som alfalfa, lastbilsgrödor som tomater, och till sist, frukt och nötter som mandel och vindruvor.

"Vår första hypotes var att frukt- och nötter skulle vara förknippade med några av de högsta sättningarna, men vi hittade motsatsen, " sa studiens huvudförfattare, Morgan Levy, en biträdande professor med en gemensam utnämning med UC San Diegos Scripps Institution of Oceanography och School of Global Policy and Strategy.

Eftersom förskjutning är ett svar på förändringar i grundvattenlagring på platser med varierande geologi, jord och växtlighet, tolkningen av InSAR varierar mellan olika platser, till skillnad från satellitmätningar av klimat som har samma tolkning var som helst. Därför, InSAR måste kombineras med andra källor till geofysisk data för att uppnå platsspecifik insikt om grundvattenanvändning.

Genom att kombinera InSAR med andra datauppsättningar på markytan inklusive marktäcke, potentiell evapotranspiration (ett mått på växternas vattenbehov), och platsen för ytvattenförsörjningsnät, UC San Diego-forskare fann att mellan 2015 och 2017, sättningar skedde i mycket högre takt i bevattnad odlad mark jämfört med obebyggd mark, och i torra ytvattenbegränsade år i förhållande till våta år.

Under studietiden, det fanns en median på 272 millimeter (eller 16 tum) totalt kumulativt sättningar för åkergrödor (som majs och soja), och en sättningshastighet för torrvatten på 131 millimeter (5 tum) per år. För frukt- och nötter, (som mandel och vindruvor) var det en median på 62 millimeter (2,5 tum) total sättning under studieperioden, och en sättningshastighet för torrvatten på 31 millimeter (1 tum) per år.

"Utfallet kan förklaras av två saker. För det första, i genomsnitt kräver frukt och nötter mindre vatten fysiologiskt, jämfört med åker- och betesgrödor. Andra, åker- och betesgrödor tenderar att använda bevattningsmetoder som är mindre effektiva och har större volym än de som används av frukt- och nötgrödor, " sa Levy. "Men, frukt och nötter kan fortfarande förbruka större totala volymer vatten eftersom de upptar mer landyta, även om deras grundvattenanvändningsintensitet är mindre."

Metoder och rön från denna forskning skulle kunna användas för att stödja statens pågående ansträngningar för att förhindra överdrag av grundvattenakviferer. Grundvatten är en kritisk resurs både nationellt och globalt:I USA, grundvatten är en källa till dricksvatten för ungefär hälften av befolkningen, och utgör den största källan till bevattningsvatten för jordbruket. Bevattning står för cirka 70 procent av USA:s totala grundvattenuttag, och Kalifornien har de högsta hastigheterna för grundvattenpumpning i landet.

"Våra fynd tyder på att i Central Valley, kostnaderna och fördelarna med övergångar från åkergrödor och mot frukt- och nötgrödor de senaste åren är mer komplexa än vad som vanligtvis antas, ", tillade Levy. "Våra resultat tyder på möjligheten att övergångar till frukt- och nötodling kan vara önskvärda, åtminstone ur ett hållbarhetsperspektiv för grundvatten, även om det behövs mer forskning för att bekräfta detta."

Global potential för att främja övervakning och hantering av grundvatten

Kalifornien är ett exempel på ett halvtorrt och bevattningsberoende klimat för jordbruket. Samordnade ansträngningar från UC San Diego-teamet av klimatforskare och geofysiker för att koppla samman sättningar, användning av grundvatten och ytvatten, och växtproduktionsdata över jämförbara tids- och rymdskalor har en enorm potential för att främja övervakning och hantering av grundvatten i jordbruksregioner i andra delar av världen, sa författarna.

I San Joaquin Valley under våta år, bönder kan få upp till 100 procent av sina ytvattentilldelningar, under extremt torra år, de kanske inte får någon. När ytvattenförsörjningen inte är tillgänglig, bönder bryter grundvatten. Således, grundvattnet har blivit allt viktigare under klimatförändringarna, eftersom Kalifornien och många delar av världen har upplevt brist på ytvatten. Dock, överdriven pumpning förekommer, även under relativt blöta år. Och, akviferer kan ta slut.

Under 2014, Kalifornien antog lagstiftning som kräver en gradvis, lokalt ledd omställning mot hållbar användning av grundvatten - den resurs som 85 procent av befolkningen och mycket av dess jordbruksindustri förlitar sig på 50 miljarder dollar. Data från InSAR kan vara avgörande för statens ansträngningar att utföra effektiv övervakning och hantering som svar på klimatförändringar.

Även om lagstiftningen har uppmuntrat lokala myndigheter att börja använda InSAR för att dokumentera landsättningar, användningar av InSAR för direkt övervakning av grundvattenanvändning är tidigt i utvecklingen. UC San Diegos forskningsinsatser ger ett exempel på hur vattenförvaltare kan använda satellitdatakällor, inklusive InSAR, att direkt övervaka lokala samband mellan sättningar, grundvattenpumpning och skördeportföljer.

"Löftet om InSAR ligger i vår förmåga att kombinera det med andra källor till geofysiska och sociala data för att svara på frågor som är relevanta för vattenpolitiken, " Levy och medförfattare skrev. "Vi ger en förhandstitt på kraften i en sådan syntes, visar att rumsliga sättningsmönster och deras förhållande till jordbruksodling och tillhörande vattenbehov är tydliga och robusta."

De drog slutsatsen, "Våra resultat tyder på att politiska hävstänger som stöder hållbar grundvattenhantering kan dra nytta av att ta hänsyn till grundvattenanvändningsintensiteten vid val av grödor, inte bara den svårdefinierade hållbarheten för grundvattenutvinningsvolymer över grundvattenakviferens gränser som förblir osäkra och som är kostsamma att avgränsa."