灌漑と気候がWI州セントラル・サンズの水・エネルギーバランスに与える影響

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

ウィスコンシン・セントラル・サンズにおける大容量井戸の増加に対する論争が起きている、 ウィスコンシン大学の博士課程学生マリカ・ノッコは、農地の利用、灌漑、気候変動がこの地域の水エネルギーバランスにどのような影響を与えるかを研究している。彼女と彼女のチームは、驚くべき結果を発見した。

水利論争

セントラル・サンズ地域には1級河川のトラウト・ストリームがあるが、農業用の大容量井戸の増加により、これらの小川の水位が低下するのではないかと心配する人もいる。「セントラル・サンズ地域のある住民は、「ヒューロン湖の水位は2000年以来約11フィート低下しており、水位は下がり続けている」と言う。2008年には、飲料水を汲み上げるのに使っていた小さな井戸が枯れ、彼は大容量の井戸を非難した。(アルジャジーラ・アメリカ)議論の反対側では、これらの井戸で灌漑される農業は州にとって非常に貴重であり、生産者は水循環とその中での自分たちの役割を理解するためにかなりの時間を割いてきた。彼らの水管理の目標と成果については、こちらをご覧いただきたい。

旧研究の更新

1950年代に大容量の井戸による地下水灌漑が可能になるまでは、ウィスコンシン・セントラル・サンズでは灌漑農業は普及しておらず、採算も取れていなかった。それ以来、この比較的小さな生態系地域は、1960年には60カ所だった大容量の井戸が、現在では2,500カ所以上に増えた。マリカ・ノッコは、井戸を利用した灌漑作物システムによる地下水涵養の可能性を研究している。これまでは、1970年代に2つのライシメーターで検証されたモデルに頼っていました」と彼女は言う。チャンプ・タナー(環境生物物理学の父の一人)が設計したライシメーターは非常に正確でしたが、私たちは複数の作物を用いた大規模な調査を行い、経年変動を把握し、この地域の涵養に関する理解を深めることで、灌漑と地下水の管理をより適切に行えるようにしたいと考えていました」。

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

リチャージの測定

Noccoは、ジャガイモとトウモロコシの作付体系の下で、25 METER(G3 )のドレンゲージライシメータを使ってバドスゾーンフラックスを測定した。彼女は、土壌表面から深さ1.4メートルまでのMETER水分センサーを層状に配置し、土壌水分(および温度)フラックスをモニターした。彼女はまた、微気象学、leaf area index 、ガス交換の測定に加えて、気孔コンダクタンスを測定するためにMETERSC-1 ポロメーターを使用して、蒸発散量(ET)を推定した。

ノッコと彼女のチームは、耕作を避けるためにセンサーを設置する必要があった。そのため、土壌表面まで来ているドレンゲージの塩ビを延長し、耕作や植え付けなど大規模な畑作業があるときはいつでも取り外せるようにして、lysimeter 、その上のエリアが他の農地と同じように処理されるようにした。

根圏下

ノッコによれば、根域の下にライシメーターを設置するのは大きな課題だった。「いくつかの方法を試しましたが、18インチのオーガーを使って、lysimeter より少し大きな穴を開け、すべてのリシメーターを設置することにしました。モノリス・ゾーンの上端まで80センチの溝を掘りました。その後、ドレンゲージのダイバージェンス・コントロール・チューブを1.4mまで叩き、可能な限り無傷のモノリスを得た。また、土壌水分センサーを10、20、40、80cmの位置に成層させた。重機を使ってゆっくりとモノリスを持ち上げ、下の土壌を掘り出し、異なる土壌層をすべて把握しながらモノリスを戻し、できるだけ嵩比重に近いように埋め戻しました」。

GPSでリシメーターを見つける

しかしノッコは、センターピボット灌漑のドーナツ効果(灌漑が圃場の中央部に多く当たり、端に行くほど灌漑が少なくなる)のために、データが偏ることを懸念していた。最初の10台のライシメータを設置したときは、まだすべてを見つける方法を思いついていませんでした。圃場の端から15メートルほど離れた場所に測定器を設置し、耕作中に三角測量で探せるようにしたのです。しかしある時、大学の普及科学者がRTK GPSシステムを持っていることを知った。彼の協力とトレーニングのおかげで、残りのライシメータを畑のあちこちにランダムに設置することができました」。

意外な結論

Nocco氏によると、ETや作物の生理機能の違いは、地下水涵養量に見られた変動のすべてを説明するものではないという。彼女の研究チームは、ライシメーターに隣接する土壌の粒度分析を行ったが、「土壌中の相対的な砂の含有量が多ければ多いほど、涵養量も多くなると考えていましたが、実際にはその逆でした。粒度分析の結果、潜在的な涵養量と砂の含有量の間には負の線形相関関係があることがわかりました。リシメーター内のシルトが多ければ多いほど、涵養量は多くなる。私が今気になっているのは、フラックスの収束によって、よりシルトの多い場所でより多くの涵養量が見られるかどうかということです。圧力変換器からの時系列データを入手し、砂地では潜在的な涵養量は少ないが、排水は早いのではないかと考えている。土壌の先行水分量と粒径の間には相関関係があることがわかりました(作物の種類による相関関係はありません)。つまり、珪酸質の土壌は、雨が降ったときにより多くの水を保持しているようだ。

次はどうする?

ノッコは最終的には、現地で作成した地下水涵養量とETの推定値を使用して、過去60年間の気候や土地利用の変化に対する水文学的反応をシミュレートする動的農業生態系モデルAgro-IBISのパラメータ化と検証を行う予定である。Nocco氏はその後、水・エネルギー収支と水量・気候シミュレーションをウィスコンシン・セントラル・サンズ地域の関係者と共有する予定である。

をご覧ください。 G3 lysimeterSC-1 ポロメーターとメーター土壌水分センサー

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