Bewässerung und Klimaeinflüsse auf den Wasser-Energie-Haushalt der WI Central Sands

Irrigation and climate impacts to the water-energy balance of the WI Central Sands

Aufgrund der Kontroverse über die wachsende Zahl von Hochleistungsbrunnen in den Central Sands von Wisconsin, Mallika Nocco, Doktorandin an der University of Wisconsin, erforscht, wie sich die landwirtschaftliche Nutzung, die Bewässerung und der Klimawandel auf die Wasser-Energie-Bilanz der Region auswirken. Sie und ihr Team haben einige überraschende Ergebnisse entdeckt.

DEBATTE ÜBER DIE WASSERNUTZUNG

In der Region Central Sands gibt es Forellenbäche der Klasse 1, und einige Menschen machen sich Sorgen, dass die zunehmende Zahl von Hochleistungsbrunnen, die für die Landwirtschaft genutzt werden, den Wasserstand in diesen Bächen senken wird. "Der Huron-See hat seit dem Jahr 2000 etwa 1,5 Meter an Wasser verloren", sagt ein Bewohner der Region Central Sands, "und die Wasserstände sinken weiter." Im Jahr 2008 versiegte der kleine Brunnen, den er zum Pumpen von Trinkwasser benutzte, und er gibt den Hochleistungsbrunnen die Schuld." (Aljazeera America) Auf der anderen Seite der Debatte ist die Landwirtschaft, die durch diese Brunnen bewässert wird, äußerst wertvoll für den Staat und die Landwirte haben sich viel Zeit genommen, um den Wasserkreislauf und ihre Rolle darin zu verstehen. Hier können Sie mehr über ihre Ziele und Erfolge im Wassermanagement lesen.

AKTUALISIERUNG DER FRÜHEREN FORSCHUNG

Bewässerungslandwirtschaft war in den Central Sands von Wisconsin weder weit verbreitet noch profitabel, bis die Grundwasserbewässerung mit Hochleistungsbrunnen in den 1950er Jahren möglich wurde. Seitdem ist diese relativ kleine ökologische Region von 60 Hochleistungsbrunnen im Jahr 1960 auf heute über 2.500 gestiegen. Mallika Nocco untersucht die potenzielle Grundwasseranreicherung durch bewässerte Anbausysteme, die die Brunnen nutzen, und hofft zu verstehen, ob das Bewässerungswasser verloren geht oder dem Grundwasser wieder zugeführt wird. Sie sagt: "Bis jetzt haben wir uns auf Modelle verlassen, die in den 1970er Jahren mit zwei Lysimetern validiert wurden. Champ Tanner (einer der Väter der Umweltbiophysik) hat die Wägelysimeter entworfen und sie waren sehr genau, aber wir wollten eine Studie in größerem Maßstab mit mehreren Kulturen durchführen, um die zwischenjährlichen Schwankungen in den Griff zu bekommen und unser Verständnis der Grundwasseranreicherung in der Region zu verbessern, damit wir Bewässerung und Grundwasser besser verwalten können."

A researcher's hand holding a TEROS 12 soil moisture sensor over a plowed field

AUFLADUNG MESSEN

Nocco verwendete 25 METER G3 Drainage-Lysimeter, um den Fluss in der vadosen Zone unter Kartoffel- und Maisanbausystemen zu erfassen. Sie überwachte den Fluss der Bodenfeuchtigkeit (und Temperatur), indem sie METER-Wassergehaltssensoren von der Bodenoberfläche bis in eine Tiefe von 1,4 Metern schichtete. Außerdem schätzte sie die Evapotranspiration (ET) mit einem METER SC-1 Porometer, um stomatäre Leitfähigkeit zu messen. Darüber hinaus führte sie Messungen zur Mikrometeorologie, leaf area index und zum Gasaustausch durch.

Nocco und ihr Team mussten die Sensoren so anbringen, dass sie nicht bebaut werden konnten. Also verlängerten sie den PVC-Abflussmesser, der bis zur Bodenoberfläche reicht, und entfernten ihn bei jeder größeren Feldarbeit, sei es bei der Bodenbearbeitung oder beim Pflanzen, so dass der Bereich über lysimeter die gleiche Behandlung erfuhr wie der Rest der landwirtschaftlichen Felder.

UNTERHALB DER WURZELZONE

Nocco sagt, dass es eine große Herausforderung war, die Lysimeter unter die Wurzelzone zu bekommen. "Wir haben einige Dinge ausprobiert, aber wir entschieden uns dafür, alle Lysimeter mit einem 18-Zoll-Bohrer zu installieren, der ein Loch bohrt, das etwas größer ist als die gesamte lysimeter. Wir gruben einen 80 cm langen Graben bis zum oberen Ende der Monolithzone. Dann stießen wir das Divergenzkontrollrohr des Abflussmessers auf 1,4 m an, um einen intakten Monolithen zu erhalten, wo immer dies möglich war. Wir haben auch Bodenfeuchtesensoren bei 10, 20, 40 und 80 cm geschichtet. Mit schwerem Gerät hoben wir den Monolithen langsam heraus, gruben den Boden darunter aus und setzten ihn wieder ein, wobei wir die verschiedenen Bodenhorizonte im Auge behielten und so nah wie möglich an der Schüttdichte auffüllten."

AUFFINDEN DER LYSIMETER MIT GPS

Normalerweise vergraben Wissenschaftler Lysimeter in der Nähe des Feldrandes, damit sie leicht zu finden sind. Nocco war jedoch besorgt, dass ihre Daten durch den Donut-Effekt der Pivot-Bewässerung beeinträchtigt werden könnten: mehr Bewässerung in der Mitte des Feldes und weniger Bewässerung an den Rändern. Sie kommentiert: "Als ich die ersten zehn Lysimeter installierte, hatte ich noch keine Möglichkeit gefunden, alles zu finden. Diese Geräte sind alle etwa 15 Meter vom Feldrand entfernt, so dass ich die Messungen triangulieren und sie während des Anbaus finden konnte. Doch dann lernte ich einen Wissenschaftler an der Universität kennen, der Zugang zu einem RTK-GPS-System hatte, mit dem die Instrumente bis auf einen halben Zentimeter genau geortet werden können. Mit seiner Hilfe und Schulung konnten wir die restlichen Lysimeter an zufälligeren Stellen des Feldes installieren."

ÜBERRASCHENDE SCHLUSSFOLGERUNGEN

Nocco sagt, dass die ET und die Unterschiede in der Pflanzenphysiologie nicht alle Schwankungen, die sie bei der Grundwasseranreicherung gesehen hat, erklären oder erklären können. Ihr Team führte eine Partikelgrößenanalyse der an die Lysimeter angrenzenden Böden durch. Sie kommentiert: "Wir dachten, je höher der relative Sandgehalt in den Böden ist, desto mehr Grundwasserneubildung würden wir sehen, aber das Gegenteil ist der Fall. Die Analyse der Partikelgröße zeigt eine negative lineare Korrelation zwischen der potenziellen Neubildung und dem Sandgehalt. Je mehr Schlick in diesen Lysimetern enthalten ist, desto größer ist das Volumen der Anreicherung. Was mich nun interessiert, ist, ob wir an den schluffigeren Stellen aufgrund der Flusskonvergenz ein größeres Anreicherungsvolumen sehen. Ich versuche, die Zeitreihendaten von den Druckwandlern zu erhalten, um zu sehen, ob die sandigeren Gebiete vielleicht eine geringere potenzielle Neubildung hatten, aber vielleicht schneller entwässert wurden. Ich habe eine Korrelation zwischen dem vorhergehenden Feuchtigkeitsgehalt des Bodens und der Partikelgröße festgestellt (ohne Korrelation mit der Kulturart). Es sieht also so aus, als ob die schluffigeren Böden mehr Wasser speichern, wenn der Regen durchkommt."

WAS KOMMT ALS NÄCHSTES?

Schließlich plant Nocco, die vor Ort gewonnenen Schätzungen der Grundwasserneubildung und der ET zu nutzen, um ein dynamisches Agrarökosystemmodell (Agro-IBIS) zu parametrisieren und zu validieren, das die hydrologischen Reaktionen auf Klima- und Landnutzungsänderungen der letzten 60 Jahre simuliert. Nocco wird dann die Wasser-Energie-Budgets und die Wassermengen-/Klimasimulationen mit den Interessenvertretern in der Region Wisconsin Central Sands teilen.

Entdecken Sie die G3 lysimeter, SC-1 porometer und METER Bodenfeuchtesensoren.

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