灌溉和气候对西欧中部沙地水能平衡的影响

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

由于威斯康星中部沙地的大容量水井数量不断增加而引起争议、 威斯康星大学博士生马利卡-诺科(Mallika Nocco)正在研究农业用地、灌溉和气候变化如何影响该地区的水能平衡。她和她的团队发现了一些令人惊讶的结果。

用水辩论

中沙地区有一级鳟鱼溪流,一些人担心,越来越多用于农业的大容量水井会降低这些溪流的水位。"中部金沙地区的一位居民说:"自 2000 年以来,休伦湖的水位已经下降了约 11 英尺。2008 年,他用来抽取饮用水的小水井干涸了,他将此归咎于高容量水井。(美国半岛电视台)在争论的另一方,这些水井灌溉的农业对该州极有价值,种植者花了很多时间来了解水循环及其在其中的作用。您可以在这里了解他们的水资源管理目标和成就。

更新以前的研究

在 20 世纪 50 年代使用大容量水井进行地下水灌溉变得可行之前,威斯康星中部沙地的灌溉农业并不普遍,也无利可图。从那时起,这个相对较小的生态区已从 1960 年的 60 口大容量水井增加到现在的 2,500 多口。Mallika Nocco 正在研究使用水井灌溉的种植系统对地下水的潜在补给,希望了解灌溉水是流失了还是回到了地下水中。她说:"到目前为止,我们一直依赖于 20 世纪 70 年代由两个溶胞仪验证的模型。Champ Tanner(环境生物物理学之父之一)设计了称重式裂解仪,它们非常精确,但我们希望用多种作物进行更大规模的研究,以掌握年际变化情况,提高我们对该地区补给情况的了解,从而更好地管理灌溉和地下水。

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

测量补给

Nocco 使用 25 METERG3 排水测量溶液计来捕捉马铃薯和玉米种植系统下的渗流带通量。她通过将 METER 含水量传感器从土壤表面分层至 1.4 米深处来监测土壤水分(和温度)通量。除了获得微气象学、leaf area index 和气体交换测量数据外,她还使用 METERSC-1 孔隙度计测量气孔导度来估算蒸散量(ET)。

Nocco 和她的团队必须安装传感器以避免耕作,因此他们延长了通向土壤表面的排水规 PVC 的长度,并在任何时候,无论是耕作还是播种,只要有重大的田间作业,就会将其移除,这样lysimeter 上的区域就能得到与其他农田相同的待遇。

根区以下

诺科说,将溶胞器安装在根区以下是一项重大挑战。"我们尝试了几种方法,最后决定用一个 18 英寸的螺旋钻钻一个比整个lysimeter 稍大的孔来安装所有的测深仪。我们挖了一条 80 厘米长的沟,一直挖到石碑区的顶部。然后,在可能的情况下,我们将排水测量仪发散控制管捣至 1.4 米,以获得完整的单体。我们还在 10、20、40 和 80 厘米处对土壤水分传感器进行了分层。我们使用重型设备缓慢地抬出石碑,挖出下面的土壤,然后将其放回原处,同时记录所有不同的土壤层,并尽可能地回填到接近容重的位置"。

用 GPS 寻找莱西米

通常情况下,科学家们会将溶样器埋在靠近田地边缘的地方,这样就很容易找到它们,但 Nocco 担心,由于中心枢轴灌溉的甜甜圈效应(即田地中心灌溉较多,边缘灌溉较少),溶样器会影响数据。她说:"当我安装第一批十个溶样仪时,我还没有想出找到所有仪器的方法。这些仪器都距离田边约 15 米,这样我就可以进行三角测量,并在耕作时找到它们。但后来我遇到了大学里的一位推广科学家,他可以使用 RTK GPS 系统,该系统可以将仪器的定位精度控制在半英寸以内。在他的帮助和培训下,我们能够在田间更随意的位置安装其余的溶样计。

惊人结论

Nocco 说,蒸散发和作物生理差异并不能解释或说明她所看到的地下水补给的所有变化。她的团队对渗滤池附近的土壤进行了粒度分析,她评论说:"我们原以为土壤中的相对含沙量越高,补给就会越多,但我们看到的情况恰恰相反。粒度分析表明,潜在补给量与含沙量之间呈负线性关系。这些浸润池中的淤泥越多,补给量就越大。我现在很好奇的是,我们是否在流量汇聚的淤泥较多的地方看到了更大的补给量。我正试图从压力传感器中获取时间序列数据,看看沙质区域的潜在补给量是否更少,但排水速度是否更快。我已经看到了先期土壤含水量与颗粒大小之间的相关性(与作物类型没有相关性)。因此,当雨水经过时,淤泥较多的土壤似乎也能保持更多的水分。

下一步是什么?

最终,Nocco 计划利用实地生成的地下水补给和蒸散发估算值,对动态农业生态系统模型 Agro-IBIS 进行参数化和验证,模拟过去 60 年间水文对气候和土地利用变化的响应。随后,Nocco 将与威斯康星中部金沙地区的利益相关者分享水能预算和水量/气候模拟结果。

了解 G3 lysimeter,SC-1 孔隙度计和 METER土壤水分传感器

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