美国玉米带的农业和浅层地下水通过提高降水循环利用率近 30% 来增加降雨量。这些知识可以改善水资源和农业管理策略。
集约化农业实践和浅层地下水的使用影响降水模式。
新研究表明，美国玉米带的土地利用变化和广泛灌溉，再加上该地区浅层地下水的影响，已经极大地改变了当地的降水模式。
该研究发表在《美国国家科学院院刊》上，探讨了“降水循环”——植物、土壤、湖泊和其他景观特征中的水分被释放到大气中，然后以降雨的形式返回同一地区的过程。
研究人员利用先进的计算机模型发现，农业实践与浅层地下水的相互作用使降水再循环率提高了近 30%，显著增强了生长季的降雨量。
降水循环的季节和年度变化研究发现，降水循环的作用在各个月份和年份都有所不同。在玉米作物成熟的夏季，以及从其他地区来的水分很少的干旱年份，降水循环的作用达到顶峰。
“这项研究表明农业实践可以改变区域气候，对粮食和水资源安全产生影响，”该研究的主要作者、美国国家科学基金会国家大气研究中心 (NSF NCAR) 的科学家张哲指出：“在美国玉米带这样的农业区，降雨至关重要，农民和水资源管理者都必须了解雨水来自何处。”
进一步了解降水循环的程度有助于改善玉米带未来降雨预测，并为种植策略和水资源分配提供更多信息。
这项研究由美国国家科学基金会 NCAR 的其他科学家以及香港科技大学和西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学的科学家共同撰写。研究由美国国家科学基金会资助。
改变地表美国玉米带横跨中西部和大平原地区的十几个州，从东部的俄亥俄州到西部的内布拉斯加州。在欧洲人定居之前，这片土地曾是高草草原和林地的混合地，现在则以灌溉广泛的农田为特征。
先前的研究表明，该地区变得越来越湿润，降雨也越来越多。但张和他的同事们想量化降水循环的影响。
利用先进的计算机建模技术，科学家们采用了 NSF NCAR 为基础的天气研究和预报 (WRF) 模型，该模型可以以 4 公里（约 2.5 英里）的极高分辨率模拟大气。他们还使用了另一个 NSF NCAR 为基础的计算机模型，即 Noah-MP，该模型可以对地下水、农作物生长和灌溉的交互系统进行具体分析。他们应用了一种物理上真实的算法来追踪模拟中水蒸气的运动。
为了弄清农业和浅层地下水（该地区的自然特征）的作用，科学家们将包括农作物、灌溉和地下水的模拟与缺少其中一个或多个因素的模拟进行了比较。他们在 NSF NCAR-怀俄明超级计算中心运行了这些模型。
研究结果显示，降水循环率（即因局部过程而产生的降水比例）达到 18%，这是因为浅层地下水为地表提供水分，多叶玉米植株向大气释放水分，以及灌溉系统的蒸发。如果没有这些因素，模型显示降水循环率将只有 14%，即低约 29%。
科学家们重点模拟了三年：2010 年（异常潮湿）、2011 年（平均降水量）和 2012 年（干旱年份）。他们发现，2012 年循环降水的比例最高，因为当时来自墨西哥湾等其他地区的水分较少。
“我们能够真正区分不同的过程如何导致降水量的变化，”张哲强调：“由于农业依赖降雨，这种理解可以为农业管理提供参考，并让我们更好地了解淡水的可用性。”
他和他的同事正在计划后续研究，探讨降水变化如何影响农业生产力。
该研究基于美国国家科学基金会国家大气研究中心支持的工作，该中心是由美国国家科学基金会赞助并由大学大气研究中心管理的主要设施。
参考文献：Zhe Zhang、Cenlin He、Fei Chen、Gonzalo Miguez-Macho、Changhai Liu 和 Roy Rasmussen 撰写的“美国玉米带增强区域降水循环”，2024 年 12 月 30 日，《美国国家科学院院刊》。DOI：10.1073/pnas.2402656121
来源：美国国家大气研究中心/大学大气研究中心
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