Landnutzung und Bewässerung führen zu einer Wetteränderung im Maisgürtel

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass die weitreichenden Landnutzungsänderungen und die Bewässerung des US-Maisgürtels sowie der Einfluss des flachen Grundwassers der Region die Niederschlagsmuster in dieser wichtigen Agrarregion erheblich verändert haben.

Die Studie, veröffentlicht im Verfahren der National Academy of Scienceskonzentriert sich auf das „Niederschlagsrecycling“ – einen Prozess, bei dem die von Pflanzen, Böden, Seen und anderen Landschaftsmerkmalen an die Atmosphäre abgegebene Feuchtigkeit in Form von Regen in dasselbe Gebiet zurückkehrt.

Mithilfe fortschrittlicher Computermodellierungstechniken konnten Wissenschaftler feststellen, dass die Landwirtschaft der Region in Kombination mit flachem Grundwasser die Niederschlagsrecyclingquote um fast 30 % erhöht. Dies sorgt für einen deutlichen Anstieg der Niederschläge während der Vegetationsperiode.

Die Untersuchung ergab, dass die Rolle des Niederschlagsrecyclings von Monat zu Monat und von Jahr zu Jahr unterschiedlich ist. Der Höhepunkt liegt in den Sommermonaten, wenn die Maisernte reift, und in trockenen Jahren, wenn wenig Feuchtigkeit aus anderen Regionen eintrifft.

„Diese Forschung zeigt, wie landwirtschaftliche Praktiken das regionale Klima verändern können, mit Auswirkungen auf die Ernährungs- und Wassersicherheit“, sagte Hauptautor Zhe Zhang, Wissenschaftler am National Center for Atmospheric Research (NSF NCAR) der US-amerikanischen National Science Foundation. „In einer Agrarregion wie dem Maisgürtel der USA, in der Niederschläge von entscheidender Bedeutung sind, ist es sowohl für Landwirte als auch für Wasserressourcenmanager wichtig zu verstehen, woher der Regen kommt.“

Wenn Sie mehr über das Ausmaß des Niederschlagsrecyclings erfahren, können Sie zukünftige Niederschlagsvorhersagen für den Maisgürtel verbessern und mehr Informationen für Pflanzstrategien und Wasserressourcenzuweisungen liefern.

Veränderte Landoberfläche

Der US-Maisgürtel erstreckt sich über ein Dutzend Staaten im Mittleren Westen und in den Great Plains und reicht von Ohio im Osten bis Nebraska im Westen. Die Landoberfläche, die vor der europäischen Besiedlung eine Mischung aus Hochgrasprärie und Wäldern war, ist heute durch Ackerland mit ausgedehnter Bewässerung gekennzeichnet.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Region zunehmend feuchter wird und mehr Niederschläge fällt. Aber Zhang und seine Kollegen wollten die Auswirkungen des Niederschlagsrecyclings quantifizieren.

Die Wissenschaftler nutzten fortschrittliche Computermodellierungstechniken und wandten sich an das NSF NCAR-basierte Weather Research and Forecasting (WRF)-Modell, das die Atmosphäre mit einer sehr hohen Auflösung von vier Kilometern (ca. 2,5 Meilen) simulieren kann. Sie verwendeten auch ein anderes NSF NCAR-basiertes Computermodell, bekannt als Noah-MP, das eine spezifische Analyse des interaktiven Systems von Grundwasser, Pflanzenwachstum und Bewässerung ermöglicht. Sie verwendeten einen physikalisch realistischen Algorithmus, um die Bewegung von Wasserdampf in den Simulationen zu verfolgen.

Um die Rolle der Landwirtschaft und des flachen Grundwassers, das ein natürliches Merkmal der Region ist, herauszufinden, verglichen die Wissenschaftler Simulationen, die Feldfrüchte, Bewässerung und Grundwasser umfassten, mit anderen Simulationen, bei denen einer oder mehrere dieser Faktoren fehlten. Sie ließen die Modelle im NSF NCAR–Wyoming Supercomputing Center laufen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Niederschlagsrecyclingquote – oder der Anteil des Niederschlags, der infolge lokaler Prozesse fiel – aufgrund der Kombination aus flachem Grundwasser, das Feuchtigkeit an die Oberfläche abgab, belaubten Maispflanzen, die Feuchtigkeit an die Atmosphäre abgeben, und Verdunstung 18 % erreichte aus Bewässerungssystemen. Ohne solche Faktoren ergab die Modellierung, dass die Niederschlagsrecyclingquote nur 14 % oder etwa 29 % weniger betragen würde.

Die Wissenschaftler konzentrierten ihre Simulationen auf drei Jahre: 2010 (das ungewöhnlich nass war), 2011 (durchschnittlicher Niederschlag) und 2012 (ein trockenes Jahr). Sie fanden heraus, dass der Anteil der recycelten Niederschläge im Jahr 2012 am höchsten war, als aus anderen Regionen wie dem Golf von Mexiko weniger Feuchtigkeit eintraf.

„Wir konnten wirklich unterscheiden, wie verschiedene Prozesse zu Veränderungen im Niederschlag beitragen“, sagte Zhang. „Da die Landwirtschaft auf Niederschläge angewiesen ist, kann dieses Verständnis die landwirtschaftliche Bewirtschaftung beeinflussen und zu einem besseren Verständnis der Süßwasserverfügbarkeit führen.“

Er und seine Mitarbeiter planen nachfolgende Forschungen, um zu untersuchen, wie sich die sich ändernden Niederschläge auf die landwirtschaftliche Produktivität auswirken können.