Доступность воды критически влияет на фенологию сельскохозяйственных культур и продуктивность сельского хозяйства. В новом исследовании ученые использовали спутниковые наблюдения изотопов воды и физические модели, чтобы проследить источники атмосферной влаги для основных мировых богарных культур с 2003 по 2019 год, различая океанические и наземные источники.
Новое исследование Калифорнийского университета в Сан-Диего, опубликованное в журнале Nature Sustainability, раскрывает важный фактор глобальной уязвимости сельскохозяйственных культур: происхождение самих осадков.
Исследование прослеживает атмосферную влагу вплоть до её источника — будь то испарение из океана или с поверхностей суши, таких как почва, озёра и леса. Когда солнце нагревает эти поверхности, вода превращается в пар, поднимается в атмосферу и затем снова выпадает в виде дождя.
Влага из океана переносится на большие расстояния глобальными ветрами, часто через крупномасштабные погодные системы, такие как атмосферные реки, муссоны и тропические штормы.
Напротив, влага, поступающая с суши (часто называемая рециркулированными осадками), образуется за счёт испарения воды с близлежащих почв и растительности, питая местные штормы. Исследование показало, что этот баланс между океаническими и наземными (суша) источниками сильно влияет на риск засухи и урожайность сельскохозяйственных культур в регионе.
«Наша работа переосмысливает риск засухи: теперь дело не только в количестве осадков, но и в том, откуда они берутся. Понимание происхождения осадков и того, поступают ли они из океанических или наземных источников, дает политикам и фермерам новый инструмент для прогнозирования и смягчения последствий засухи до ее наступления», — сказал Янь Цзян, ведущий автор исследования и научный сотрудник Калифорнийского университета в Сан-Диего, работающий по совместительству в Школе глобальной политики и стратегии и Институте океанографии Скриппса.
Используя спутниковые данные, собранные за почти два десятилетия, Цзян и соавтор Дженнифер Берни из Стэнфордского университета измерили, какая часть мировых осадков приходится на испарение с суши.
Они обнаружили, что когда более трети осадков поступает с суши, пахотные земли становятся значительно более уязвимыми к засухе, потере почвенной влаги и снижению урожайности — вероятно, потому, что системы с океаническим источником, как правило, обеспечивают более обильные осадки, в то время как системы с наземным источником, как правило, обеспечивают менее надежные ливни, что увеличивает вероятность дефицита воды во время критических стадий роста сельскохозяйственных культур.
«Наш анализ показывает, что доля дождевой воды, поступающей с суши (f), варьируется как географически, так и сезонно, с важным пороговым значением ~ 36%. Регионы с более высоким f, то есть более зависящие от воды, поступающей с суши, более подвержены недостаточному снабжению дождевой водой и дефициту почвенной влаги в течение основного вегетационного периода.
Сельскохозяйственные культуры в этих регионах демонстрируют более высокую чувствительность к гидроклимату — со снижением урожайности в годы с малым количеством осадков — и более высокой вероятностью засухи. Примечательно, что более 40% мировой кукурузы и 60% озимой пшеницы выращивается в регионах, где количество осадков сильно зависит от влаги, поступающей с поверхности земли (f ≥ 36%), что подчёркивает уязвимость основных сельскохозяйственных культур к гидроклиматическому стрессу. Наши результаты подчёркивают важность управления местными источниками влаги в почве и показывают, где целевые стратегии управления водными ресурсами с наибольшей вероятностью могут повысить устойчивость сельского хозяйства. Для фермеров в регионах, сильно зависящих от влаги, получаемой непосредственно из земли, например, в некоторых районах Среднего Запада или Восточной Африки, наличие местной воды становится решающим фактором успеха в выращивании урожая. Изменение влажности почвы или вырубка лесов могут иметь мгновенные, каскадные последствия для урожайности», - сказал Янь Цзян.
В исследовании выделены две наиболее уязвимые точки: Средний Запад США и тропическая Восточная Африка.
Янь Цзян отмечает, что на Среднем Западе засухи в последние годы стали более частыми и интенсивными — даже в одном из самых продуктивных и технологически продвинутых сельскохозяйственных регионов мира.
«Наши результаты показывают, что высокая зависимость Среднего Запада от влаги, получаемой из окружающей почвы и растительности, может усиливать засухи через то, что мы называем „циклами обратной связи с осадками“. Когда земля высыхает, уменьшается испарение, что, в свою очередь, уменьшает количество осадков в будущем, создавая самоподдерживающийся цикл засух», - пояснил исследователь.
Поскольку этот регион также является крупным поставщиком зерна на мировые рынки, перебои в поставках там имеют резонансные последствия далеко за пределами США. Ученый считает, что зерновым производителям Среднего Запада, возможно, следует уделять больше внимания управлению влажностью почвы, эффективности орошения и срокам посадки, чтобы избежать усугубления стресса, вызванного засухой.
В Восточной Африке, напротив, ситуация более опасная, но всё ещё обратимая. Стремительное расширение пахотных земель и исчезновение прилегающих тропических лесов грозят подорвать те самые источники влаги, которые обеспечивают осадки в регионе.
«Это создаёт опасный конфликт. Фермеры вырубают леса, чтобы выращивать больше урожая, но эти леса способствуют выпадению осадков, от которых зависят посевы. Если этот источник влаги исчезнет, местная продовольственная безопасность окажется под большим риском. Восточная Африка находится на переднем крае перемен, но ещё есть время действовать. Более разумное управление земельными ресурсами, например, сохранение лесов и восстановление растительности, может защитить от осадков и поддержать рост сельского хозяйства», - говорит исследователь.
Исследование подчёркивает, что леса и естественные экосистемы являются важнейшими союзниками сельского хозяйства. Леса выделяют огромное количество водяного пара в атмосферу посредством испарения и транспирации (когда растения производят влагу), фактически засевая облака, приносящие дождь на близлежащие сельскохозяйственные угодья. Защита этих экосистем — это не только вопрос биоразнообразия, но и поддержка сельского хозяйства.
Исследования Янь Цзяна предлагают новую научную основу, связывающую управление земельными ресурсами, режимы выпадения осадков и планирование сельскохозяйственных культур — взаимосвязь, которая может стать центральной для будущих стратегий устойчивости к засухе.
Новая технология спутникового картирования, использованная в исследовании, может помочь правительствам и фермерам определить, куда следует инвестировать в ирригационную инфраструктуру, хранение почвенной влаги и сохранение лесов для поддержания стабильного уровня осадков.
Источник: University of California - San Diego. Автор: Кристин Кларк.