Salzwasser galt einst als unsichtbare Bedrohung für Landwirte und ihre Ernten. Es schlich sich an der Oberfläche unbemerkt unter den Boden, bis es so weit ins Grundwasser eindrang, dass der Boden salziger wurde und es zu einem Rückgang der Ernteerträge kam.
Auf Farmen in den mittelatlantischen Bundesstaaten Delaware, Maryland und Virginia haben die letzten Jahre jedoch gezeigt, dass die einst unsichtbare Bedrohung deutlicher sichtbar geworden ist, da einige Farmen auffallend große Salzflecken auf und in unmittelbarer Nähe ihrer Ackerflächen haben.
Dies ist ein großes Problem, denn sobald diese Salzflächen sichtbar werden, ist das Land und das Land in der Nähe dieser Salzflächen in jeder Hinsicht bereits für den Anbau bestimmter Nutzpflanzen ungeeignet.
Ein neues Papier von Forschern der UD, der University of Maryland und der George Washington University, veröffentlicht in Nachhaltigkeit in der Natur zeigt die Ausbreitung und die Kosten des Salzwassereinbruchs von 2011 bis 2017 in Farmen in diesen mittelatlantischen Staaten.
Der Artikel hebt hervor, dass sich die von sichtbaren Salzflecken bedeckte Fläche zwischen 2011 und 2017 fast verdoppelt hat und über 19.000 Hektar in Sumpfgebiete umgewandelt wurden. Die potenziellen wirtschaftlichen Verluste durch die Salzflächen beliefen sich in diesem Zeitraum auf über 427.000 US-Dollar. Sussex County in Delaware verzeichnete mit geschätzten 84.431 US-Dollar den größten Anstieg der potenziellen Verluste.
Angesichts der Zunahme der Salzflächen im untersuchten Zeitraum entwickelten die Forscher auch hypothetische Szenarien und stellten fest, dass auf Farmen, die zu 100 % Mais oder Sojabohnen anbauen, Land im Umkreis von 200 Metern um eine Salzfläche einen geschätzten wirtschaftlichen Verlust erlitten haben könnte zwischen 39 und 107 Millionen US-Dollar pro Jahr.
Die Forschung wurde von Pinki Mondal geleitet, Assistenzprofessorin in der Abteilung für Geographie und Raumwissenschaften, die auch eine gemeinsame Anstellung mit der Abteilung für Pflanzen- und Bodenwissenschaften innehat und Fakultätsmitglied am UD Data Science Institute (DSI) ist.
Jarrod Miller, Assistenzprofessor in der Abteilung für Pflanzen- und Bodenwissenschaften und Erweiterungsspezialist für Agronomie, Matthew Walter, Doktorand in Mondals Gruppe in der Abteilung für Geographie und Raumwissenschaften und DSI-Stipendiat, und Vishruta Yawatkar, ehemalige Masterstudentin in Mondals Gruppe und derzeit Doktorand am Zentrum für Bioinformatik und Computational Biology der UD, waren alle Mitautoren des Artikels.
Maschinelles Lernen
Mithilfe von Luft- und Satellitenbildern trainierten und testeten die Forscher einen maschinellen Lernalgorithmus, indem sie 94.240 Referenzpunkte aus 14 Küstenbezirken in Delaware, Maryland und Virginia eingaben. Anhand dieser Referenzpunkte lernte der Algorithmus, Fotos anhand des Landtyps zu identifizieren, z. B. Wald, Sumpf oder Salzfläche, und testete die Genauigkeit der Algorithmusausgaben. Anschließend analysierte das Forschungsteam die Ergebnisse, um zu sehen, wie sich diese Landschaften im Laufe der Jahre verändert haben.
Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Auswirkungen von Salzflächen auf die landwirtschaftliche Produktion weit über das derzeit kartierbare Maß hinausgehen. Auch wenn die Fläche mit sichtbaren Salzflecken in manchen Fällen klein sein kann, bedeutet ihr Vorhandensein, dass das gesamte Feld Gefahr läuft, in salzhaltigen Boden umgewandelt zu werden, der für die traditionelle Landwirtschaft ungeeignet ist. Darüber hinaus kann der Salzgehalt des Bodens in nahe gelegenen Bereichen des Feldes so hoch sein, dass er den Ernteertrag verringert, aber nicht so hoch ist, dass kahle Stellen zurückbleiben.
„Was wir aus den von uns entwickelten Datensätzen beobachten, ist ziemlich alarmierend, denn wir sehen, dass die Salzflecken ziemlich schnell wachsen“, sagte Mondal. „Die Fläche des Ackerlandes mit Salzflecken hat sich in den sechs Jahren, die wir untersucht haben, fast verdoppelt. Interessanter für mich war zu sehen, wie viel Ackerland sich tatsächlich in unmittelbarer Nähe dieser Salzflecken befindet. Denn wenn man diese Salzflecken sieht, dann ist das Land.“ ist bereits verschwunden. Deshalb haben wir auch Ackerland identifiziert, das ziemlich nahe an diesen Salzflecken liegt, und deren Ausmaß berechnet.“
Bodenproben
Um sicherzustellen, dass die auf den Fotos sichtbaren Salzflecken auf tatsächlich salzigen Boden hinweisen, umfasste ein weiterer Teil der von anderen Co-Autoren des Papiers geleiteten Forschung die Entnahme von Bodenproben ohne Rücksprache mit den Geodaten. Die beiden Forschungskomponenten wurden parallel durchgeführt, und als sie Bodenproben sammelten und sie auf den Salzgehalt des Bodens analysierten, stellten die Forscher hohe Salzgehalte fest, die Hunderte Meter von einem sichtbaren Salzfleck entfernt waren.
Dies ist ein besonders akutes Problem für Mais, eine der größten Nutzpflanzen in der Region Delmarva, die nicht sehr salztolerant ist.
Da es sich bei Delmarva um eine stark von Mais und Soja abhängige Landwirtschaftsgemeinde handelt, müsse es laut Mondal einige kurzfristige Lösungen geben, mit denen Landwirte die Schäden durch das Eindringen von Salzwasser eindämmen könnten.
Einer dieser Vorschläge besteht darin, dass Landbesitzer kurzfristig Pflanzen anbauen, die salztoleranter sind, und die landwirtschaftlichen Betriebsmittel reduzieren, um den Gewinnverlust auf ein Minimum zu beschränken. Anstatt Mais anzupflanzen, könnten Landwirte salztolerantere Pflanzen wie Sorghum anbauen.
Langfristige Lösungen
Letztendlich sagte Mondal, sie sei mehr an langfristigen Lösungen interessiert, da die kurzfristigen Lösungen letztendlich zum gleichen Ergebnis führen würden: Die Felder müssten für die Ernte aufgegeben werden, weil sie zu salzig würden.
Eine mögliche langfristige Lösung besteht darin, einige Ackerflächen proaktiv in Sumpflebensräume umzuwandeln. Mondal sagte, dies würde zwei Lösungen bieten: Das Marschland könnte als Lebensraum für Wildtiere genutzt werden und es könnte auch als natürliche Barriere fungieren, um das Eindringen von Salzwasser zu stoppen.
„Diese Lösungen würden alle die Umsetzung öffentlicher Richtlinien erfordern“, sagte Mondal. „Wir hoffen, dass unsere politischen Entscheidungsträger mit unserer laufenden Arbeit und diesen öffentlich zugänglichen Datensätzen sie nutzen können, um vorrangige Bereiche zu identifizieren, die für die Umsetzung neuer Richtlinien und möglicherweise für Interventionen auf Betriebsebene genutzt werden können.“
Da die Datensätze so detailliert sind, können einzelne Farmen identifiziert werden und Landbesitzer können sehen, wie sie durch das Eindringen von Salzwasser beeinträchtigt werden.
„Auf dieser Grundlage und basierend auf den sich ändernden Szenarien können diese Datensätze für die Gestaltung bestimmter Richtlinien, Implementierungen oder Anreize verwendet werden“, sagte Mondal. „Es gibt einige Steueranreize, mit denen verschiedene Behörden arbeiten. Wenn sie Zugang zu diesen Informationen haben, könnten sie an deren Umsetzung arbeiten.“
Sie wies auch darauf hin, dass dies nur das erste Projekt der Geoinformatik-Forschungsgruppe sei und dass weitere in Vorbereitung seien.
„Wir arbeiten daran, die Prozesse des Eindringens von Salzwasser zu verstehen, die hinter all diesen verschiedenen Salzeinbrüchen in verschiedene Landgebiete stecken“, sagte Mondal. „Es gibt eine geografische Komponente und je nachdem, wo wir uns befinden, könnten unterschiedliche Mechanismen diese gesamte Situation beherrschen. Wir arbeiten daran, die Antwort auf diese und viele andere Fragen zu finden.“
Mehr Informationen:
Pinki Mondal et al., Die Ausbreitung und Kosten des Eindringens von Salzwasser in den Mittelatlantikraum der USA, Nachhaltigkeit in der Natur (2023). DOI: 10.1038/s41893-023-01186-6