随着气候变化，在美国灌溉更多的农作物对维持未来的产量至关重要，因为气温升高和降水模式变化可能会加剧干旱状况。然而，只有不到 20% 的农田具备灌溉条件。研究人员对未来气候条件下扩大玉米和大豆灌溉进行了成本效益分析。

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美国到 21 世纪中叶玉米和大豆作物灌溉价值的预计变化图，黑色部分为目前的灌溉区。资料来源：Trevor Partridge et al.

扩大灌溉的好处

由达特茅斯大学领导的一项研究发现，到 21 世纪中叶，在温室气体排放量适中的情况下，扩大灌溉的效益将超过在美国现有耕地上安装和运行灌溉设施的成本。研究结果表明，到本世纪中期，在北达科他州大部分地区、南达科他州东部、明尼苏达州西部、威斯康星州和密歇根州，目前靠雨水灌溉的玉米和大豆将从灌溉中受益。印第安纳州、伊利诺伊州、俄亥俄州、肯塔基州、堪萨斯州和俄克拉荷马州部分依赖雨水的大豆农田也将受益于灌溉。研究结果将于今天（8月14日）发表在《通讯地球与环境》（Communications Earth & Environment）上。

成本与经济分析

"对农民来说，安装、维护和运行灌溉设备的成本很高，每英亩每年高达 160 美元。"第一作者特雷弗-帕特里奇（Trevor Partridge）是门登霍尔博士后研究员、美国地质调查局水资源任务区研究水文学家，他在达特茅斯攻读博士学位期间进行了这项研究。

美国本世纪中期灌溉地下水缺口预测图--灌溉水量与可用水量之间的体积差--黑色区域为目前玉米和大豆灌溉区。资料来源：T.Partridge 等人

高原地区（包括内布拉斯加州、堪萨斯州和德克萨斯州北部）历来是灌溉最密集的地区之一，也是目前灌溉经济收益最高的地区。然而，干旱造成的成本不断增加，促使玉米带和美国东南部地区的农民投资灌溉，而这些投资的长期经济回报难以预测。

方法与气候情景

为了对玉米和大豆灌溉进行成本效益分析，研究人员进行了一系列作物模型模拟。他们应用了几种全球气候预测，这些预测涵盖了未来可能出现的各种气候--炎热干燥、炎热潮湿、凉爽干燥、凉爽潮湿，每种气候预测都相对于平均气候预测--来模拟未来作物在完全灌溉或雨水灌溉条件下的生长情况。

作物模型模拟考察了三个时期：中度和高度温室气体排放情景下的历史时期（1981-2010 年）、本世纪中期（2036-2065 年）和本世纪末（2071-2100 年）。模拟考虑了美国农业部国家农业统计局提供的县级作物管理和生长数据，包括播种、成熟和收获日期。

经济效益和缺水

为了确定灌溉的经济效益，研究小组计算了灌溉带来的模拟作物额外产量，以及与灌溉成本（包括抽取地下水并将其分配到田间所需的电力，以及每英亩拥有和运行灌溉系统的相关费用）相对应的预期市场价值增长。

研究小组不仅调查了在何时何地为玉米和大豆安装灌溉系统的合理性，还调查了是否有足够的水进行灌溉。他们计算了"灌溉缺水量"，即田间施水量与灌溉可用水量之间的简单差值。

结果与可用水量

结果表明，到本世纪中叶，爱荷华州、威斯康星州、俄亥俄州、伊利诺伊州北部和印第安纳州可能会有足够的水灌溉大豆，但没有能力灌溉玉米。用于灌溉的地下水资源在美国东南部最为丰富，尤其是在农业密集度较低的密西西比河下游流域。然而，在这一地区，灌溉的好处微乎其微。

帕特里奇说："我们的研究结果表明，在有足够的水量对作物进行充分灌溉而不会对水资源造成额外压力的地区，与农民在灌溉方面的投资有望获得长期回报的地区之间，重叠的部分相对较少。"

挑战与环境压力

例如，大平原的奥加拉拉含水层是美国最大的含水层，为八个州供水，是玉米和大豆灌溉最广泛的地区之一。

资深作者、达特茅斯大学地理学副教授兼应用水文气候学组组长乔纳森-温特（Jonathan Winter）说："灌溉带来的好处越来越多，这可能会刺激农民使用更多的水，从而对包括奥加拉拉在内的主要含水层造成更大压力。先前的研究表明，奥加拉拉蓄水层的水被抽取的速度超过了它的补充速度。以目前的速度继续从奥加拉拉蓄水层灌溉，水量根本不够，尤其是在地下水位迅速下降的南部地区。"

未来影响

随着气候进一步变暖，例如本世纪末温室气体排放量较高的情况下，热应力将对作物产量产生主要影响，并降低灌溉作为美国大部分地区适应战略的有效性，尤其是对玉米而言。玉米的产量通常高于大豆，但大豆更耐热，不需要那么多水，而且生长期稍短。

温特说："到本世纪末，我们的模拟结果表明，灌溉大豆比灌溉玉米更有经济效益。一旦安装了灌溉系统，我们可能会看到一些历史上种植玉米的地方改种大豆，因为这是一种低成本的适应性种植。"

在灌溉问题上，农民必须考虑一系列复杂且相互竞争的因素：以往的产量表现、作物市场价值、能源成本、经济激励措施以及季节性天气预报。研究人员希望，他们的分析能够用于帮助农业和水资源管理政策适应气候变暖。

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