Jordbruksmark är ofta ett slagfält i kampen mot klimatförändringarna. Solpaneler och energigrödor ställs mot livsmedelsproduktion, medan välmenande politiska val kan skapa incitament för bönder att bearbeta nya marker och släppa ut ännu mer värmefångande gas i atmosfären.

Det är därför strategier för hållbara växtbaserade bränslen fokuserar på marginella marker – fält som är för svåra att odla eller som inte ger tillräckligt bra avkastning för att anses lönsamma.

Ett nytt verktyg utvecklat av forskare vid University of Wisconsin–Madison kan hjälpa till att lindra den spänningen.

Ledda av Yanhua Xie och Tyler Lark, forskare vid Great Lakes Bioenergy Research Center, använde teamet maskininlärning för att kartlägga nästan 30 miljoner tunnland av USA:s odlingsmark övergiven sedan 1980-talet, och skapade ett verktyg som kunde vägleda beslut om hur man ska balansera produktionen av energi och mat.

Deras resultat, publicerade i tidskriften Environmental Research Letters , inkluderar den mest detaljerade kartläggningen av tidigare odlad mark i USA hittills. De tillhandahåller upplösning på fältnivå av övergiven jordbruksmark som kan användas för att odla grödor som växelgräs eller sorghum, som kan fånga kol i jorden och fungera som råvara för biobränslen och ersättning för petrokemikalier.

"Om vi ​​kan förstå var dessa länder finns och vilka egenskaperna är, kan vi verkligen förstå deras verkliga potential för saker som klimatbegränsning", säger Lark, en forskare vid UW–Madisons Center for Sustainability and the Global Environment.

Lark, som studerar förändringar i markanvändningen och dess effekter på mark- och vattenresurser, säger att förståelse kan användas för att rikta investeringar i ren energi där de har minst konkurrens med andra fördelaktiga användningsområden.

"Det är en viktig tillämpning av detta," säger Lark. "Oavsett om det är för solceller eller agrivoltaics, eller cellulosabaserad bioenergiutveckling, eller bara restaurering av naturliga ekosystem:Dessa platser kan vara bra kandidater för många av dessa tillämpningar."

Studien var ett samarbete mellan forskare vid UW–Madison och Michigan State University. Den resulterande informationen är allmänt tillgänglig i GLBRC:s interaktiva atlas över amerikansk odlingsmark, som också kartlägger trender för utbyggnad av jordbruksmark och bevattning.

Forskare har traditionellt förlitat sig på datauppsättningar som USDA:s Census of Agriculture, som ger uppskattningar på länsnivå av jordbruksmark med femårsintervall och kan användas för att uppskatta hur mycket mark som har tagits ur produktion.

Men tills nu fanns det inget sätt att veta exakt var det landet var eller när det var övergivet.

"De flesta av dessa uppskattningar har alla varit på länsnivå", säger Lark. "Detta är verkligen den högsta upplösningsanalysen som finns tillgänglig, när man ser rätt på landskapet - fält för fält, tunnland för tunnland - där dessa odlingsmarker finns."

Även om satellitbilder har funnits i decennier, utan nya framsteg inom molnberäkning, säger Lark att det var omöjligt att klassificera de nästan 2 miljarder hektar mark i det sammanfallande USA.

För att konstruera lagets analyser använde Xie, nu professor vid University of Oklahoma, befintliga markdata för att träna en dator att läsa dessa bilder och känna igen odlingsmönster. Forskarna lät sedan den algoritmen analysera satellitdata från 1986 till 2018 och kategorisera varje pixel för att avgöra om den var odlad.

Resultaten förutsäger exakt den exakta platsen för övergivna odlingsmarker nio gånger av 10 och kan till och med peka ut vilket år de övergavs med ungefär 65 % noggrannhet.

Teamet fann att mer än 30 miljoner hektar odlingsmark övergavs under dessa 32 år. Det mesta övergivna landet var koncentrerat till Great Plains och längs Mississippifloden mellan södra Illinois och Mexikanska golfen.

Dessa 30 miljoner hektar inkluderar inte urbaniserad mark, som Lark säger är osannolikt att någonsin återgå till odling. Av den övergivna odlingsmarken bytte mer än hälften till betesmark eller gräsmark och ungefär en tredjedel var antingen buskmark, skog, våtmark eller kal.

Lark blev förvånad över att upptäcka att mindre än en femtedel av den övergivna marken var inskriven i ett formellt bevarandeprogram, som USDA:s Conservation Reserve Program, som betalar jordbrukare för att ta miljökänsliga marker ur produktion. Det betyder att mer mark än tidigare trott potentiellt skulle kunna användas för att odla bioenergigrödor.

"Många av antagandena var att denna tidigare odlingsmark hade mycket överlappning med formella bevarandeprogram," säger Lark. "Men vi såg att de nästan är helt distinkta pooler."

Forskare kan nu använda de resulterande data för att modellera hur mycket biomassa som skulle kunna odlas på dessa marker samt deras potential att fånga koldioxid från atmosfären i jorden.

Studien förklarar inte varför marken övergavs. "Nästa steg är att ta reda på förarna", säger Lark.

För att göra det säger Lark att teamet kan dra in annan information som socioekonomisk data och skatteregister för att få en bättre uppfattning om vad som händer på skiftesnivå – till exempel om en bonde tog en åker ur produktion eller sålde hela gården – och använd det för att identifiera potentiella användningsområden för marken.

"Om de odlar ett gäng hö, är det förmodligen lättare att anpassa till cellulosabaserad biobränsleråvara, eftersom de kanske redan har utrustningen ... och du kan skörda något som switchgrass då också," säger Lark. "Om det är någonstans där det inte finns någon jordbruksproduktion alls längre, kan det vara svårare att göra det, men kanske mer lämpat för solenergi."

Mer information: Yanhua Xie et al, Övergiven odlingsmark mellan 1986 och 2018 över hela USA:spatiotemporala mönster och nuvarande markanvändning, Environmental Research Letters (2024). DOI:10.1088/1748-9326/ad2d12

Journalinformation: Miljöforskningsbrev

Tillhandahålls av University of Wisconsin-Madison