Angesichts des Klimawandels wird die Bewässerung von mehr Nutzpflanzen in den Vereinigten Staaten von entscheidender Bedeutung für die Aufrechterhaltung zukünftiger Erträge sein, da die Dürrebedingungen aufgrund wärmerer Temperaturen und veränderter Niederschlagsmuster wahrscheinlich zunehmen werden. Dennoch sind weniger als 20 % der Ackerflächen für die Bewässerung ausgestattet.
Eine von Dartmouth durchgeführte Studie kommt zu dem Ergebnis, dass bis zur Mitte des 21. Jahrhunderts bei einem Szenario mit moderaten Treibhausgasemissionen die Vorteile einer erweiterten Bewässerung die Kosten für Installation und Betrieb auf einem größeren Teil der derzeitigen US-Ackerflächen überwiegen werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass bis zur Mitte des Jahrhunderts Mais und Sojabohnen, die derzeit mit Regen bewässert werden, in den meisten Teilen von North Dakota, im Osten von South Dakota, im Westen von Minnesota, in Wisconsin und in Michigan von der Bewässerung profitieren würden. Sojabohnenanbauflächen, die in Teilen von Indiana, Illinois, Ohio, Kentucky, Kansas und Oklahoma auf Regen angewiesen sind, würden ebenfalls von der Bewässerung profitieren. Die Ergebnisse werden veröffentlicht in Kommunikation Erde und Umwelt.
Die Installation, Wartung und der Betrieb von Bewässerungsgeräten sind für Landwirte mit erheblichen Kosten verbunden, die bis zu 160 US-Dollar pro Hektar und Jahr betragen. „Unsere Arbeit erstellt im Wesentlichen eine US-Karte, wo es in Zukunft am sinnvollsten ist, Bewässerungsgeräte für Mais- und Sojabohnenanbau zu installieren und zu verwenden“, sagt Erstautor Trevor Partridge, Mendenhall Postdoctoral Fellow und Forschungshydrologe beim US Geological Survey Water Resources Mission Area, der die Studie während seiner Doktorarbeit durchführte. in Dartmouth.
Die High Plains-Region, einschließlich Nebraska, Kansas und Nordtexas, war in der Vergangenheit eines der am stärksten bewässerten Gebiete und weist derzeit die höchsten wirtschaftlichen Erträge aus der Bewässerung auf. Die steigenden Kosten der Dürre zwingen Landwirte jedoch dazu, in allen Regionen des Corn Belt und im Südosten der USA in Bewässerung zu investieren, und die langfristige wirtschaftliche Rendite dieser Investitionen ist schwer vorherzusagen.
Um die Kosten-Nutzen-Analyse der Bewässerung von Mais und Sojabohnen durchzuführen, führten die Forscher eine Reihe von Erntemodellsimulationen durch. Sie wandten mehrere globale Klimaprojektionen an, die den Bereich potenzieller zukünftiger Klimazonen abdecken – heiß und trocken, heiß und nass, kühl und trocken, kühl und nass, jeweils relativ zur durchschnittlichen Klimaprojektion –, um zukünftiges Pflanzenwachstum unter vollständig bewässertem oder regnerischem Klima zu simulieren. gefütterte Bedingungen.
Für jedes Klimaszenario wurde das Erntemodell sowohl für Mais als auch für Sojabohnen in allen Anbaugebieten in den USA durchgeführt. Die Simulationen des Nutzpflanzenmodells untersuchten drei Zeiträume: historisch (1981–2010), Mitte des Jahrhunderts (2036–2065) und Ende -Jahrhundert (2071–2100) unter moderaten und hohen Treibhausgasemissionsszenarien. Die Simulationen berücksichtigten landesweite Pflanzenmanagement- und Wachstumsdaten des National Agricultural Statistical Service des US-Landwirtschaftsministeriums, einschließlich Pflanz-, Reife- und Erntedaten.
Um den wirtschaftlichen Nutzen der Bewässerung zu ermitteln, berechnete das Team den zusätzlichen simulierten Ernteertrag durch die Bewässerung und den entsprechenden zu erwartenden höheren Marktwert im Verhältnis zu den Bewässerungskosten, zu denen auch der Strom gehörte, der zum Pumpen des Grundwassers und seiner Verteilung über das Feld erforderlich war. und die damit verbundenen Kosten pro Hektar für den Besitz und Betrieb des Bewässerungssystems.
Das Team untersuchte nicht nur, wo und wann es sinnvoll ist, Bewässerung für Mais und Sojabohnen zu installieren, sondern auch, ob dafür ausreichend Wasser vorhanden ist. Sie berechneten das „Bewässerungswasserdefizit“, das sich aus der einfachen Differenz zwischen der Menge Wasser, die auf das Feld ausgebracht wird, und der Menge Wasser ergibt, die für die Bewässerung zur Verfügung stehen sollte.
Die Ergebnisse zeigen, dass es bis Mitte des Jahrhunderts wahrscheinlich genug Wasser geben wird, um Sojabohnen in Iowa, Wisconsin, Ohio sowie Nord-Illinois und Indiana zu bewässern, nicht jedoch Mais. Iowa ist das größter Maisproduzent der USA Es wurde festgestellt, dass die Grundwasserressourcen für die Bewässerung im Südosten der USA am reichlichsten vorhanden sind, insbesondere im unteren Mississippi-Tal, wo die Landwirtschaft weniger intensiv ist. In dieser Region sind die Vorteile der Bewässerung jedoch minimal.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass es relativ wenig Überschneidungen gibt zwischen dem Ort, an dem genügend Wasser vorhanden ist, um die Pflanzen vollständig zu bewässern, ohne die Wasserressourcen zusätzlich zu belasten, und dem Ort, an dem die Landwirte damit rechnen können, dass sich die Investition in die Bewässerung langfristig amortisiert“, sagt Partridge.
Zum Beispiel die Ogallala-Grundwasserleiter In den Great Plains befindet sich der größte Grundwasserleiter in den USA, der acht Bundesstaaten mit Wasser versorgt und eines der am umfassendsten bewässerten Gebiete für Mais und Sojabohnen beherbergt.
„Die zunehmenden Vorteile der Bewässerung könnten Landwirte dazu veranlassen, mehr Wasser zu verbrauchen, was die wichtigsten Grundwasserleiter, einschließlich des Ogallala, zusätzlich belastet“, sagt der leitende Autor Jonathan Winter, außerordentlicher Professor für Geographie und Leiter der Applied Hydroclimatology Group in Dartmouth. Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass dem Ogallala-Grundwasserleiter schneller Wasser entzogen wird, als es wieder aufgefüllt werden kann. „Es gibt einfach nicht genug Wasser, um die Bewässerung aus dem Ogallala mit der aktuellen Geschwindigkeit fortzusetzen, insbesondere im südlichen Teil, wo der Grundwasserspiegel rapide sinkt“, sagt Winter.
Bei einer stärkeren Erwärmung, wie zum Beispiel Ende des Jahrhunderts bei einem Szenario mit hohen Treibhausgasemissionen, wird Hitzestress die Auswirkungen auf die Ernteerträge dominieren und die Wirksamkeit der Bewässerung als Anpassungsstrategie in den meisten Teilen der USA, insbesondere bei Mais, verringern. Mais hat normalerweise einen höheren Ertrag als Sojabohnen, aber Sojabohnen sind hitzetoleranter, benötigen nicht so viel Wasser und haben eine etwas kürzere Vegetationsperiode.
„Bis zum Ende des Jahrhunderts deuten unsere Simulationen darauf hin, dass die Bewässerung von Sojabohnen wirtschaftlicher sein wird als die von Mais“, sagt Winter. „Sobald die Bewässerung installiert ist, könnten wir sehen, dass einige Orte, an denen früher Mais angebaut wurde, auf Sojabohnen umsteigen, weil es eine kostengünstige Anpassung ist.“
Bei der Bewässerung müssen Landwirte eine Reihe komplexer und konkurrierender Faktoren berücksichtigen: bisherige Ertragsleistung, Marktwerte der Ernte, Energiekosten, wirtschaftliche Anreize und saisonale Wettervorhersagen. Die Forscher hoffen, dass ihre Analyse dazu beitragen kann, die Agrar- und Wasserressourcenmanagementpolitik bei der Anpassung an ein wärmeres Klima zu unterstützen.
Mehr Informationen:
Bis Mitte des Jahrhunderts überwiegen die Bewässerungsvorteile auf mehr US-Ackerflächen die Kosten. Kommunikation Erde und Umwelt (2023). DOI: 10.1038/s43247-023-00889-0 , www.nature.com/articles/s43247-023-00889-0