Medan Hollywood och Silicon Valley älskar rampljuset, är Kalifornien också ett kraftpaket inom jordbruket. Jordbruksprodukter som såldes i Golden State uppgick till 59 miljarder dollar 2022. Men stigande temperaturer, sjunkande nederbörd och årtionden av överpumpning kan kräva drastiska förändringar av jordbruket. Lagstiftning för att ta itu med problemet kan till och med leda till att åkrar tas ur odling.
Lyckligtvis tyder en studie från UC Santa Barbara på att mindre extrema åtgärder kan hjälpa till att ta itu med Kaliforniens vattenproblem. Forskare kombinerade fjärranalys, big data och maskininlärning för att uppskatta hur mycket vattengrödor använder i delstatens Central Valley. Resultaten, publicerade i Nature Communications , tyder på att variation i effektivitet på grund av jordbruksmetoder skulle kunna spara lika mycket vatten som att byta gröda eller träda åker.
"Det finns en möjlighet för mindre påträngande metoder för att spara vatten att vara viktigare än vi ursprungligen trodde", säger huvudförfattaren Anna Boser, doktorand vid UCSB:s Bren School of Environmental Science &Management. "Så vi kanske inte behöver göra så många förändringar i markanvändningen som vi ursprungligen trodde."
Kaliforniens bördiga jordar och medelhavsklimat gör det möjligt för bönder att odla högvärdiga grödor som helt enkelt inte är livskraftiga i resten av landet. Över en tredjedel av landets grönsaker, och nästan tre fjärdedelar av frukt och nötter, odlas i Kalifornien, enligt statens Department of Food and Agriculture.
Men många av dessa grödor är ganska törstiga. Jordbruket står för cirka 80 % av vattnet som används i Kalifornien, förklarade medförfattaren Kelly Caylor, professor vid Bren School. "Sjunkande grundvattennivåer och ett förändrat klimat sätter press på tillgången på bevattningsvatten, vilket gör det avgörande att avgöra hur vi kan "göra mer med mindre."
2014 antog Sacramento SGMA (Sustainable Groundwater Management Act) för att säkra Kaliforniens vattenresurser. SGMA kräver att varje grundvattenbassäng i staten måste vara hållbar till 2040. Varje bassäng skapade en lokal byrå med uppgift att utveckla en plan för att uppnå detta mål.
Mestadels betyder det att vi ser till att vi inte pumpar ut mer vatten ur marken än vad som sipprar in. Vi kommer att behöva minska den totala grundvattenanvändningen med 20 % till 50 % till 2040, beroende på bassängen, sa Boser. Men för att åstadkomma detta behöver vi en uppfattning om hur mycket vatten gårdar använder, och vilken del av det som faktiskt gör det till grödor.
Forskare har en mängd olika metoder för att uppskatta mängden vatten som stiger upp från jordens yta till atmosfären på grund av avdunstning och transpiration genom växtblad. I synnerhet kyler avdunstning ner saker och ting.
"När vi blir varma svettas vi för att svalka oss. Jorden gör något liknande," sa Boser. Forskare tittar på hur varm marken är och ser hur mycket energi den får från solljus och atmosfären. Om marken är svalare än förväntat betyder det att en del av den energin användes för att förvandla vatten till ånga, vilket kyler ner den platsen.
En evapotranspirationsdatabas kallad OpenET blev allmänt tillgänglig i början av 2023. Den tillhandahåller satellitbaserade evapotranspirationsuppskattningar för västra USA. Men Boser var intresserad av att vattnet användes specifikt av grödor. Så hon jämförde transpiration i träda med aktiva fält över Central Valley. Att subtrahera evapotranspiration i träda från total evapotranspiration ger den mängd vatten som grödorna faktiskt förbrukar.
Tyvärr för Boser, läggs inte bönder i träda slumpmässigt. Ofta tar de sina fält med lägst avkastning ur produktion. Det skapar systematiska skillnader mellan träda och odlade åkrar, vilket kan förvränga Bosers analys. Så hon skapade en maskininlärningsmodell för att göra en viktad jämförelse mellan aktiv och träda mark, med hänsyn till faktorer som läge, topografi och jordkvalitet.
Hon tränade modellen på 60 % av områdena och testade dess resultat på 30 %, finjusterade algoritmen tills dess förutsägelser matchade de faktiska förhållandena i dessa fält inom 10 milliliter per kvadratmeter och dag, i genomsnitt. Nu säker på sin modell använde hon den på resten av Kaliforniens Central Valley.
Grödtyp förklarade endast 34 % av variationen i vattenförbrukning. "Vad det betyder är att vi kanske förbiser några andra sätt att spara vatten på," sa Boser. Hon fortsatte att undersöka modellen och kontrollerade för faktorer som läge, topografi, lokalt klimat, jordkvalitet och fruktträdgårdarnas ålder (i tillämpliga fall). I slutändan skulle hela 10 % av grödans transpiration kunna sparas om de översta 50 % av vattenanvändarna minskade sin vattenförbrukning för att matcha den hos sina mediankonsumerande grannar. Boser tillskriver dessa besparingar skillnader i "odlingsmetoder."
Nu kanske 10% inte låter så mycket, men det är jämförbart med ett antal andra insatser. Författarna uppskattade också effekten av att byta gröda. Om samma 50 % av jordbrukarna bytte till medianvattenintensiva grödor för sitt område, skulle jordbrukets evapotranspiration minska med 10 %.
Under tiden, om staten tog de översta 5 % av de mest vattenhungriga fälten ur produktion, säger modellen att jordbrukets evapotranspiration skulle falla, du gissade rätt:10 %. Detta tyder på att åtgärdande av ineffektivitet i jordbruksmetoderna skulle kunna spara lika mycket vatten som att byta gröda eller ta fält ur odling.
För att vara rättvis skulle resultaten från träda endast påverka 5 % av den odlade marken, till skillnad från 50 % för förändringar av grödor och förbättrade jordbruksmetoder. "Vi kommer förmodligen att behöva falla tillbaka på träda åtminstone lite", sa Boser, "men förhoppningsvis inte så mycket som vi ursprungligen förväntade oss."
Författarna vill ta reda på vilka metoder bönder använder som står för de 10 % skillnaderna i grödans vattenanvändning. Några exempel inkluderar kompostläggning, plantering utan bearbetning, användning av torktoleranta sorter och underskottsbevattning – där du ger mindre vatten än vad grödan teoretiskt skulle kunna förbruka. Underskottsbevattning ger redan goda resultat inom vinodling, där vinodlingar finner att det kan förbättra kvaliteten på vinet.
Att ändra bevattningsmetoder kan också bidra till att minska vattenanvändningen. Bevattningseffektivitet står för den del av vattnet en gård använder som faktiskt förbrukas av grödor. Ineffektivitet inkluderar läckage, ogrästillväxt och avdunstning i transporter och på fältet. Dessa var inte inom ramen för Bosers modell, som bara tar hänsyn till transpiration av grödorna själva. Ineffektivitet inträffar innan vattnet ens når växterna.
Enligt Boser går upp till 60 % av vattnet som en gård använder faktiskt genom rötterna på sina grödor. Det finns uppenbarligen gott om potentiella vinster på det här området, även om det inte är klart vilken effektivitet som faktiskt kan uppnås, sa hon. "Bevattningseffektiviteten är faktiskt ganska dåligt förstådd."
Bättre karakterisera detta är på lagets att göra-lista. De hoppas kunna identifiera orsakerna till bevattningsineffektivitet, kvantifiera effektiviteten av olika typer av bevattning och lära sig hur klimat och geografi påverkar bevattningseffektiviteten. Allt detta kommer att kräva insamling av empirisk data.
Kalifornien står vid ett kritiskt vägskäl när det gäller vattenförvaltning. För första gången i sin historia inför staten regler som kräver avsevärda minskningar av grundvattenutvinning, inklusive i regioner där försörjningen är beroende av törstig jordbruksproduktion.
"Det här dokumentet använder nya, datadrivna metoder för att visa att det, i motsats till vad många tror, finns en stor potential att minska vattenanvändningen i Kaliforniens jordbruk utan att träda i träda", säger medförfattaren Tamma Carleton, biträdande professor vid UCSB:s Bren School.
"Detta ökar möjligheten att staten kan fortsätta sin roll som ett jordbrukskraftverk samtidigt som det på ett hållbart sätt förvaltar en viktig naturresurs."
Mer information: Boser, A., et al. Uppskattningar av vattenförbrukningen i fältskala avslöjar potentiella vattenbesparingar i Kaliforniens jordbruk. Nature Communications (2024). doi.org/10.1038/s41467-024-46031-2
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of California - Santa Barbara
