اثر کشاورزی فشرده بر تغییر الگوی بارش در کمربند ذرت آمریکا

تغییرات کاربری زمین و تأثیر آن بر الگوهای بارش در کمربند ذرت ایالات متحده

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که تغییرات گسترده در کاربری زمین و آبیاری در کمربند ذرت ایالات متحده، به همراه تأثیر آب‌های زیرزمینی سطحی این منطقه، الگوهای بارش را به طور قابل توجهی تغییر داده است. این مطالعه که در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر شده، بر روی “بازچرخانی بارش” تمرکز دارد؛ فرآیندی که در آن رطوبت آزاد شده به جو توسط گیاهان، خاک‌ها، دریاچه‌ها و دیگر ویژگی‌های طبیعی به همان منطقه به صورت باران بازمی‌گردد.

با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته مدل‌سازی کامپیوتری، دانشمندان توانستند تعیین کنند که کشاورزی در این منطقه به همراه آب‌های زیرزمینی سطحی، نسبت بازچرخانی بارش را تقریباً ۳۰ درصد افزایش می‌دهد. این امر در طول فصل رشد، بارش را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. نقش بازچرخانی بارش از ماهی به ماه دیگر و از سالی به سال دیگر متفاوت است. این نقش در ماه‌های تابستان که محصول ذرت به بلوغ می‌رسد و در سال‌های خشک که رطوبت کمتری از دیگر مناطق وارد می‌شود، به اوج خود می‌رسد.

زِه ژانگ، نویسنده اصلی این تحقیق و دانشمند مرکز تحقیقات جوی آکادمی ملی علوم ایالات متحده (NSF NCAR) گفت: “این تحقیق نشان می‌دهد که چگونه شیوه‌های کشاورزی می‌توانند اقلیم منطقه‌ای را تغییر دهند و این امر پیامدهایی برای امنیت غذایی و آب دارد.” او افزود: “در منطقه‌ای کشاورزی مانند کمربند ذرت ایالات متحده که بارش باران حیاتی است، مهم است که هم کشاورزان و هم مدیران منابع آبی درک کنند که باران از کجا می‌آید.”

یادگیری بیشتر در مورد میزان بازچرخانی بارش می‌تواند به بهبود پیش‌بینی‌های بارش آینده برای کمربند ذرت کمک کند و اطلاعات بیشتری برای استراتژی‌های کشت و تخصیص منابع آبی فراهم آورد. این مطالعه به‌طور مشترک توسط دیگر دانشمندان در NSF NCAR و همچنین دانشمندان دانشگاه علوم و فناوری هنگ کنگ و دانشگاه سانتیاگو د کمپوستلا در اسپانیا نوشته شده است و توسط NSF تأمین مالی شده است.

تغییرات سطح زمین

کمربند ذرت ایالات متحده شامل دوازده ایالت در میانه و دشت‌های بزرگ است که از اوهایو در شرق تا نبراسکا در غرب گسترش یافته است. سطح زمین که پیش از استقرار اروپایی‌ها ترکیبی از دشت‌های بلند و جنگل‌ها بود، اکنون با زمین‌های زراعی و آبیاری گسترده مشخص می‌شود. تحقیقات قبلی نشان داده‌اند که این منطقه به طور فزاینده‌ای مرطوب‌تر شده و بارش بیشتری را تجربه می‌کند.

تأثیر بازیافت بارش بر کشاورزی

ژانگ و همکارانش قصد داشتند تأثیر بازیافت بارش را کمی‌سازی کنند. با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته مدل‌سازی کامپیوتری، دانشمندان به مدل پیش‌بینی و تحقیق آب و هوا (WRF) که توسط مرکز ملی تحقیقات جوی (NSF NCAR) توسعه یافته است، روی آوردند. این مدل می‌تواند جو را با دقت بسیار بالا و در مقیاس چهار کیلومتر (حدود ۲.۵ مایل) شبیه‌سازی کند. همچنین، آن‌ها از مدل دیگری به نام نوح-ام‌پی (Noah-MP) استفاده کردند که به تحلیل خاص سیستم‌های تعاملی آب‌های زیرزمینی، رشد محصولات و آبیاری کمک می‌کند.

آن‌ها یک الگوریتم فیزیکی واقع‌گرایانه را برای ردیابی حرکت بخار آب در شبیه‌سازی‌ها به کار گرفتند. برای بررسی نقش کشاورزی و آب‌های زیرزمینی کم‌عمق که ویژگی طبیعی این منطقه است، دانشمندان شبیه‌سازی‌هایی را که شامل محصولات، آبیاری و آب‌های زیرزمینی بودند، با شبیه‌سازی‌های دیگری که یکی یا چند مورد از این عوامل را نداشتند، مقایسه کردند. آن‌ها این مدل‌ها را در مرکز ابررایانه‌ای NSF NCAR-Wyoming اجرا کردند.

نتایج نشان داد که نسبت بازیافت بارش — یا درصد بارش‌هایی که به دلیل فرآیندهای محلی رخ داده‌اند — به ۱۸٪ رسید. این امر به دلیل ترکیب آب‌های زیرزمینی کم‌عمق که رطوبت را به سطح منتقل می‌کردند، گیاهان ذرت برگ‌دار که رطوبت را به جو آزاد می‌کردند و تبخیر از سیستم‌های آبیاری بود. بدون این عوامل، مدل‌سازی نشان داد که نسبت بازیافت بارش تنها ۱۴٪ خواهد بود که حدود ۲۹٪ کمتر است.

دانشمندان شبیه‌سازی‌های خود را بر روی سه سال متمرکز کردند: ۲۰۱۰ (که بارانی غیرعادی بود)، ۲۰۱۱ (بارش متوسط) و ۲۰۱۲ (سال خشک). آن‌ها دریافتند که درصد بارش‌های بازیافتی در سال ۲۰۱۲ بیشترین مقدار را داشت، زمانی که رطوبت کمتری از دیگر مناطق مانند خلیج مکزیک وارد می‌شد. ژانگ گفت: “ما توانستیم به‌طور واقعی تمایز قائل شویم که چگونه فرآیندهای مختلف به تغییرات بارش کمک می‌کنند. از آنجا که کشاورزی به بارش باران وابسته است، این درک می‌تواند به مدیریت کشاورزی کمک کند و همچنین به فهم بهتر دسترسی به آب‌های شیرین منجر شود.”

او و همکارانش در حال برنامه‌ریزی برای تحقیقات بعدی هستند تا بررسی کنند که چگونه تغییرات بارش می‌تواند بر تولیدات کشاورزی تأثیر بگذارد. این مطلب بر اساس کارهایی است که توسط مرکز ملی تحقیقات جوی NSF حمایت می‌شود، یک تأسیسات بزرگ که توسط بنیاد ملی علوم ایالات متحده تأمین مالی شده و توسط شرکت دانشگاهی برای تحقیقات جوی مدیریت می‌شود. هرگونه نظر، یافته و نتیجه‌گیری یا توصیه‌های بیان‌شده در این مطلب لزوماً منعکس‌کننده دیدگاه‌های NSF نیست.