最新研究發現，美國玉米帶的土地利用變化和大面積灌溉，再加上該地區淺層地下水的影響，大大改變了當地的降水模式。這項發表在《美國國家科學院院刊》上的研究探討了”降水循環”–植物、土壤、湖泊和其他地貌特徵中的水分釋放到大氣中，並以降雨的形式返回同一地區的過程。

研究人员利用先进的计算机模型发现，农业生产方式与浅层地下水之间的相互作用使降水回收利用率提高了近 30%，从而显著增加了生长季节的降雨量。

研究發現，降水循環的作用因月、因年而異。 在夏季玉米作物成熟時，降水循環的作用會達到高峰；在乾旱年份，其他地區的降水也會減少。

“這項研究顯示了農業實踐如何改變區域氣候，並對糧食和水安全產生影響，”領銜作者、美國國家科學基金會國家大氣研究中心（NSF NCAR）科學家張哲說。 “在像美國玉米帶這樣降雨量至關重要的農業地區，了解雨水的來源對農民和水資源管理者來說都很重要。”

更了解降水循環的範圍有助於改善玉米帶未來的降雨預測，並為種植策略和水資源分配提供更多資訊。這項研究由美國國家科學基金會NCAR 的其他科學家以及香港科技大學和西班牙聖地亞哥德孔波斯特拉大學的科學家共同撰寫。 該研究得到了美國國家科學基金會的資助。

美國玉米帶橫跨中西部和大平原的十幾個州，東起俄亥俄州，西至內布拉斯加州。 在歐洲人定居之前，這裡的地表是高草草原和林地的混合體，而現在的特徵是耕地和大量灌溉。先前的研究表明，該地區變得越來越潮濕，降雨量也越來越多。 但張和他的同事希望量化降水循環的影響。

科學家利用先進的電腦建模技術，求助於美國國家科學基金會NCAR 的天氣研究與預報(WRF) 模型，該模型可在四公里（約2.5 英里）的超高分辨率下模擬大氣。 他們還使用了另一個基於國家科學基金會NCAR 的電腦模型，即Noah-MP，該模型可以對地下水、作物生長和灌溉的互動系統進行具體分析。 他們在模擬中採用了物理上逼真的演算法來追蹤水蒸氣的運動。

為了弄清楚農業和淺層地下水（該地區的自然特徵）的作用，科學家將包含農作物、灌溉和地下水的模擬結果與缺少其中一個或多個因素的其他模擬結果進行了比較。 他們在美國國家科學基金會NCAR 懷俄明州超級計算中心運行了這些模型。

結果顯示，由於淺層地下水向地表輸送水分、多葉玉米植株向大氣釋放水分以及灌溉系統的蒸發，降水回收利用率（即降水量中由當地過程產生的部分）達到了18%。 如果沒有這些因素，模型顯示降水回收利用率將只有14%，即減少約29%。

科學家重點模擬了三個年份：2010 年（異常潮濕）、2011 年（平均降水量）和2012 年（乾旱年份）。 他們發現，2012 年回收降水的比例最高，因為來自墨西哥灣等其他地區的水汽較少。

張說：”我們能夠真正區分不同過程如何導致降水量的變化。由於農業依賴降水，因此這種理解可以為農業管理提供信息，並能更好地理解淡水的可用性。”

他和他的合作者正計劃進行後續研究，探討降水量的變化如何影響農業生產力。

編譯自/ scitechdaily

DOI：10.1073/pnas.2402656121