?綠會(huì)融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）工作組

美國(guó)的加利福尼亞州聞名于其好萊塢和硅谷，但農(nóng)業(yè)也是其重要的產(chǎn)業(yè)支柱。2022年，加州農(nóng)產(chǎn)品銷售總額達(dá)590億美元。但氣溫上升、降水量減少以及數(shù)十年的過(guò)度抽水等問(wèn)題，可能需要對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)行徹底變革。為解決這個(gè)問(wèn)題的立法甚至可能導(dǎo)致土地停止耕種。

幸運(yùn)的是，加州大學(xué)圣巴巴拉分校的一項(xiàng)研究表明，采用不那么極端的措施就可以幫助解決加州的水問(wèn)題。研究人員結(jié)合遙感、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)估算該州中央山谷的水作物用量。發(fā)表在《自然通訊》期刊上的研究結(jié)果表明，由于耕作方式導(dǎo)致的效率變化，可以節(jié)省與轉(zhuǎn)換作物或休耕田地一樣多的水。

該研究的主要作者、加州大學(xué)圣巴巴拉分校布倫環(huán)境科學(xué)與管理學(xué)院的博士生Anna Boser表示：“一些不那么顯眼的節(jié)水方法有可能比我們最初想象的更重要。因此，我們可能不必像我們最初想象的那樣對(duì)土地利用做出那么多改變。”

加利福尼亞州肥沃的土壤和地中海氣候使農(nóng)民能夠種植在該國(guó)其他地區(qū)無(wú)法種植的高價(jià)值作物。根據(jù)該州食品和農(nóng)業(yè)部的數(shù)據(jù)，該國(guó)超過(guò)三分之一的蔬菜以及近四分之三的水果和堅(jiān)果都產(chǎn)自加州。

然而，其中許多作物都非常缺水。該研究的合著者、布倫學(xué)院教授Kelly Caylor解釋道，加州用水量的80%左右為農(nóng)業(yè)用水。“地下水位下降和氣候變化給灌溉用水帶來(lái)了壓力，因此確定我們?nèi)绾巍倩ㄥX多辦事’至關(guān)重要。”

2014年，薩克拉門托通過(guò)了《可持續(xù)地下水管理法案》(SGMA)，以確保加州的水資源安全。SGMA規(guī)定，到2040年，該州的每個(gè)地下水流域都必須實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。每個(gè)流域都設(shè)立了一個(gè)地方機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)制定計(jì)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

大多數(shù)情況下，這意味著確保從地下抽出的水量不會(huì)超過(guò)滲入地下的水。Boser說(shuō)，到2040年，我們需要將地下水總使用量減少20%至50%，具體取決于流域。但為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要了解農(nóng)場(chǎng)使用了多少水，以及其中的多少部分實(shí)際上用于農(nóng)作物。

上圖：水循環(huán)。李由（新加坡，7歲）。圖片來(lái)源：第五屆國(guó)際少兒環(huán)保公益繪畫大賽參賽作品。攝：Linda
用水建模

科學(xué)家們有多種方法來(lái)估計(jì)由于蒸發(fā)和植物葉片的蒸騰而從地球表面上升到大氣中的水量。蒸發(fā)是可以降溫的。
名為“OpenET” 的蒸散量數(shù)據(jù)庫(kù)于2023年初公開發(fā)布。它提供了美國(guó)西部基于衛(wèi)星的蒸散量估算。但Boser對(duì)農(nóng)作物用水的具體情況感興趣。因此，她將中央山谷的休耕田地的和活躍田地的蒸騰作用進(jìn)行了比較。從總蒸散量中減去休耕地的蒸散量，得出農(nóng)作物實(shí)際消耗的水量。

然而，農(nóng)民不會(huì)隨意休耕田地，他們通常會(huì)停止產(chǎn)量最低的田塊。這造成了休耕地和耕地之間的系統(tǒng)性差異，這可能會(huì)使研究的分析出現(xiàn)偏差。因此，她創(chuàng)建了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，考慮位置、地形和土壤質(zhì)量等因素的情況下，對(duì)耕地和休耕地進(jìn)行加權(quán)比較。

她在60%的區(qū)域上訓(xùn)練了模型，并在30%的區(qū)域上測(cè)試了其結(jié)果，對(duì)算法進(jìn)行了微調(diào)，直到其預(yù)測(cè)與這些區(qū)域的實(shí)際情況相匹配，平均每天每平方米10毫升。現(xiàn)在她對(duì)自己的模型充滿信心，并將其應(yīng)用于加州中央山谷的其他地區(qū)。
令人興奮的成果

作物類型只能解釋34%的耗水量變化。這也就意味著還有其他能夠節(jié)約用水的方法。Boser繼續(xù)研究該模型，控制了位置、地形、當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥蕾|(zhì)量和果園年齡（如果適用）等因素。最終，如果用水量最高的50%的用水者減少用水量，降低到與其耗水量中位數(shù)的鄰居相當(dāng)?shù)乃剑瑒t可以節(jié)省整整10%的作物蒸騰量。Boser將這些節(jié)省歸因于“耕作方式”的差異。

10%聽起來(lái)可能不是很多，但它與許多其他節(jié)水措施不相上下。作者還估計(jì)了轉(zhuǎn)換作物的影響。如果同樣50%的農(nóng)民改種其所在地區(qū)中位水密集型作物，農(nóng)業(yè)蒸散量將下降10%。

同時(shí)，如果國(guó)家將最耗水的前5%的田地停止生產(chǎn)，模型顯示農(nóng)業(yè)蒸散量將會(huì)下降10%。這表明，解決農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的低效率問(wèn)題可以節(jié)省與轉(zhuǎn)換作物或停止耕種土地一樣多的水。

公平地說(shuō)，休耕的結(jié)果只會(huì)影響5%的耕地，而作物變化和改進(jìn)耕作方式則影響 50%。因此，Boser認(rèn)為，休耕并不會(huì)像我們預(yù)期的那樣嚴(yán)重。

作者想要弄清楚農(nóng)民采用的哪些做法造成了作物用水量10%的差異。一些例子包括覆蓋、免耕種植、使用耐旱品種和虧缺灌溉（即提供比作物理論上耗水量更少的水）。虧缺灌溉已經(jīng)在葡萄栽培中取得了良好的效果，葡萄種植者發(fā)現(xiàn)它可以提高葡萄酒的質(zhì)量。

改變灌溉方式也有助于減少用水量。灌溉效率指的是農(nóng)場(chǎng)實(shí)際使用的農(nóng)作物所消耗的水的比例。效率低下包括滲漏、雜草生長(zhǎng)及運(yùn)輸和田間蒸發(fā)。這些不屬于Boser模型的范圍，該模型只考慮作物本身的蒸騰作用，在水到達(dá)植物之前就發(fā)生了效率低下的情況。根據(jù)Boser的研究，農(nóng)場(chǎng)用水的 60%用水實(shí)際上通過(guò)作物的根部。她說(shuō)，很明顯這一領(lǐng)域有很多潛在的收益，盡管目前尚不清楚實(shí)際上可以達(dá)到什么效率。

更好地描述灌溉效率是研究小組的任務(wù)之一。他們希望找出灌溉效率低下的原因，量化不同類型灌溉的效率，并了解氣候和地理如何影響灌溉效率。所有這些都需要收集經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

加州正處于水資源管理的關(guān)鍵十字路口。該州有史以來(lái)第一次制定了要求大幅減少地下水開采量的法規(guī)，包括在依賴干渴的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)維持生計(jì)的地區(qū)。

本文合著者、加州大學(xué)伯克利分校布倫學(xué)院助理教授Tamma Carleton說(shuō)："本文采用新穎的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法表明，與人們普遍認(rèn)為的相反，在不休耕田地的情況下，削減加州農(nóng)業(yè)用水量的潛力很大。這為加州繼續(xù)發(fā)揮農(nóng)業(yè)強(qiáng)州的作用，同時(shí)可持續(xù)地管理重要的自然資源提供了可能。”

THE END

編譯 | LYJ
編輯 | Richard
排版 | 綠葉

參考資料略

來(lái)源: 海洋與濕地