Gelukkig suggereert een onderzoek van UC Santa Barbara dat minder extreme maatregelen de waterproblemen in Californië zouden kunnen helpen aanpakken. Onderzoekers combineerden teledetectie, big data en machinaal leren om te schatten hoeveel watergewassen in de Central Valley van de staat verbruiken. De resultaten, gepubliceerd in Nature Communications , suggereren dat variatie in efficiëntie als gevolg van landbouwpraktijken evenveel water kan besparen als het verwisselen van gewassen of het braakleggen van velden.

"Er bestaat een mogelijkheid dat minder opdringerige methoden om water te besparen belangrijker worden dan we aanvankelijk dachten", zegt hoofdauteur Anna Boser, een doctoraalstudent aan de Bren School of Environmental Science &Management van UCSB. "Dus hoeven we misschien niet zoveel veranderingen in het landgebruik door te voeren als we aanvankelijk dachten."

De vruchtbare gronden in Californië en het mediterrane klimaat stellen boeren in staat hoogwaardige gewassen te verbouwen die in de rest van het land gewoon niet levensvatbaar zijn. Volgens het Amerikaanse ministerie van Voedsel en Landbouw wordt ruim een ​​derde van de groenten in het land, en bijna driekwart van het fruit en de noten, in Californië verbouwd.

Maar veel van deze gewassen zijn behoorlijk dorstig. De landbouw is verantwoordelijk voor ongeveer 80% van het water dat in Californië wordt gebruikt, legt co-auteur Kelly Caylor, een professor aan de Bren School, uit. "Dalende grondwaterstanden en een veranderend klimaat zetten de beschikbaarheid van irrigatiewater onder druk, waardoor het van cruciaal belang is om te bepalen hoe we 'meer kunnen doen met minder.'"

In 2014 keurde Sacramento de Sustainable Groundwater Management Act (SGMA) goed om de watervoorraden van Californië veilig te stellen. SGMA schrijft voor dat elk grondwaterbekken in de staat tegen 2040 duurzaam moet zijn. Elk bekken heeft een lokaal agentschap opgericht dat de taak heeft een plan te ontwikkelen om dit doel te bereiken.

Dat betekent vooral dat we ervoor moeten zorgen dat we niet meer water uit de grond pompen dan er in sijpelt. We zullen het totale grondwatergebruik tegen 2040 met 20% tot 50% moeten verminderen, afhankelijk van het bekken, zei Boser. Maar om dit te bereiken hebben we een idee nodig van hoeveel waterboerderijen gebruiken, en welk deel daarvan daadwerkelijk in de gewassen terechtkomt.

Watergebruik modelleren

Wetenschappers beschikken over verschillende methoden om de hoeveelheid water te schatten die van het aardoppervlak naar de atmosfeer opstijgt als gevolg van verdamping en transpiratie door plantenbladeren. Met name verdamping zorgt voor afkoeling.

"Als we het warm krijgen, zweten we om af te koelen. De aarde doet iets soortgelijks", zei Boser. Wetenschappers kijken naar hoe warm de grond is en zien hoeveel energie deze krijgt uit zonlicht en de atmosfeer. Als de grond koeler is dan verwacht, betekent dit dat een deel van die energie is gebruikt om water in damp om te zetten, waardoor die plek afkoelt.

Een evapotranspiratiedatabase genaamd OpenET werd begin 2023 openbaar beschikbaar. Deze biedt op satellieten gebaseerde evapotranspiratieschattingen voor het westen van de Verenigde Staten. Maar Boser was geïnteresseerd in het water dat specifiek door gewassen wordt gebruikt. Daarom vergeleek ze de transpiratie in braakliggende velden met actieve velden in de Central Valley. Als je de verdamping in braakliggende velden aftrekt van de totale verdamping, krijg je de hoeveelheid water die gewassen daadwerkelijk verbruiken.

Helaas voor Boser laten boeren hun akkers niet willekeurig braak leggen. Vaak halen ze hun velden met de laagste opbrengst uit productie. Dat creëert systematische verschillen tussen braakliggende en gecultiveerde velden, wat de analyse van Boser zou kunnen vertekenen. Daarom creëerde ze een machinaal leermodel om een ​​gewogen vergelijking uit te voeren tussen actief en braakliggend land, waarbij rekening werd gehouden met factoren als locatie, topografie en bodemkwaliteit.

Ze trainde het model op 60% van de gebieden en testte de resultaten op 30%, waarbij ze het algoritme verfijnde totdat de voorspellingen overeenkwamen met de werkelijke omstandigheden in deze velden, gemiddeld binnen 10 milliliter per vierkante meter per dag. Nu ze vertrouwen had in haar model, paste ze het toe op de rest van Central Valley in Californië.

Bemoedigende resultaten

Het gewastype verklaarde slechts 34% van de variatie in waterverbruik. "Wat dat betekent is dat we misschien andere manieren over het hoofd zien waarop we water kunnen besparen," zei Boser. Ze bleef het model onderzoeken, waarbij ze controleerde voor factoren als locatie, topografie, lokaal klimaat, bodemkwaliteit en leeftijd van de boomgaard (indien van toepassing). Uiteindelijk zou maar liefst 10% van de gewastranspiratie kunnen worden bespaard als de top 50% van de watergebruikers hun waterverbruik zou verminderen, zodat het overeenkomt met dat van hun gemiddeld consumerende buren. Boser schrijft deze besparingen toe aan verschillen in ‘landbouwpraktijken’.

Nu klinkt 10% misschien niet veel, maar het is vergelijkbaar met een aantal andere interventies. Ook schatten de auteurs het effect van het wisselen van gewas in. Als dezelfde 50% van de boeren zou overstappen op de gemiddelde waterintensieve gewassen voor hun areaal, zou de verdamping in de landbouw met 10% afnemen.

Ondertussen, als de staat de top 5% van de meest waterhongerige velden uit de productie zou halen, zegt het model dat de verdamping in de landbouw zou afnemen, je raadt het al:10%. Dit suggereert dat het aanpakken van inefficiënties in landbouwpraktijken evenveel water kan besparen als het verwisselen van gewassen of het buiten gebruik stellen van velden.

Om eerlijk te zijn:de gevolgen van braaklegging zouden slechts 5% van het gecultiveerde land aantasten, in tegenstelling tot 50% voor gewasveranderingen en verbeterde landbouwpraktijken. "We zullen waarschijnlijk op zijn minst een klein beetje moeten terugvallen op braaklegging", zei Boser, "maar hopelijk niet zoveel als we oorspronkelijk hadden verwacht."

De auteurs willen uitzoeken welke praktijken boeren gebruiken die de verschillen van 10% in het watergebruik van gewassen verklaren. Enkele voorbeelden zijn onder meer mulchen, planten zonder grondbewerking, het gebruik van droogtetolerante variëteiten en irrigatie met tekorten, waarbij je minder water levert dan het gewas theoretisch zou kunnen verbruiken. Tekortirrigatie levert al goede resultaten op in de wijnbouw, waar wijnboeren vinden dat dit de kwaliteit van de wijn kan verbeteren.

Veranderende irrigatiepraktijken kunnen ook helpen het watergebruik te verminderen. De irrigatie-efficiëntie is verantwoordelijk voor het deel van het water dat een landbouwbedrijf gebruikt en dat daadwerkelijk door gewassen wordt geconsumeerd. Inefficiënties zijn onder meer lekkage, onkruidgroei en verdamping bij transport en op het veld. Deze vielen niet binnen het bereik van het model van Boser, dat alleen rekening houdt met de transpiratie door de gewassen zelf. Inefficiënties gebeuren voordat het water zelfs maar de planten bereikt.

Volgens Boser passeert tot 60% van het water dat een boerderij gebruikt daadwerkelijk de wortels van de gewassen. Er zijn duidelijk veel potentiële winsten op dit gebied, hoewel het niet duidelijk is welke efficiëntie daadwerkelijk haalbaar is, zei ze. "Irrigatie-efficiëntie wordt eigenlijk heel slecht begrepen."

Een betere karakterisering hiervan staat op de to-do-lijst van het team. Ze hopen de oorzaken van inefficiëntie van irrigatie te identificeren, de efficiëntie van verschillende soorten irrigatie te kwantificeren en te leren hoe klimaat en geografie de irrigatie-efficiëntie beïnvloeden. Dit alles vereist het verzamelen van empirische gegevens.

Californië bevindt zich op een cruciaal kruispunt in het waterbeheer. Voor het eerst in zijn geschiedenis voert de staat regelgeving in die substantiële reducties in de grondwaterwinning vereist, ook in regio's waar het levensonderhoud afhankelijk is van dorstige landbouwproductie.

"Dit artikel maakt gebruik van nieuwe, datagestuurde methoden om aan te tonen dat er, in tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, een groot potentieel bestaat om het watergebruik in de Californische landbouw terug te dringen zonder braakliggende velden", zegt co-auteur Tamma Carleton, assistent-professor aan de Bren School van UCSB.

"Dit vergroot de mogelijkheid dat de staat zijn rol als landbouwkrachtcentrale kan voortzetten en tegelijkertijd een essentiële natuurlijke hulpbron duurzaam kan beheren."

Meer informatie: Boser, A., et al. Schattingen van het waterverbruik op veldschaal laten potentiële waterbesparingen in de Californische landbouw zien. Natuurcommunicatie (2024). doi.org/10.1038/s41467-024-46031-2

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Universiteit van Californië - Santa Barbara