美国玉米种植正在改变中西部的天气模式

最新研究发现，美国玉米带的土地利用变化和大面积灌溉，再加上该地区浅层地下水的影响，大大改变了当地的降水模式。这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究探讨了"降水循环"--植物、土壤、湖泊和其他地貌特征中的水分释放到大气中，并以降雨的形式返回同一地区的过程。

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。

研究发现，降水循环的作用因月、因年而异。 在夏季玉米作物成熟时，降水循环的作用会达到顶峰；在干旱年份，其他地区的降水也会减少。

"这项研究显示了农业实践如何改变区域气候，并对粮食和水安全产生影响，"领衔作者、美国国家科学基金会国家大气研究中心（NSF NCAR）科学家张哲说。"在像美国玉米带这样降雨量至关重要的农业地区，了解雨水的来源对农民和水资源管理者来说都很重要。"

更多地了解降水循环的范围有助于改善玉米带未来的降雨预测，并为种植策略和水资源分配提供更多信息。这项研究由美国国家科学基金会 NCAR 的其他科学家以及香港科技大学和西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉大学的科学家共同撰写。 该研究得到了美国国家科学基金会的资助。

美国玉米带横跨中西部和大平原的十几个州，东起俄亥俄州，西至内布拉斯加州。 在欧洲人定居之前，这里的地表是高草草原和林地的混合体，而现在的特点是耕地和大量灌溉。以前的研究表明，该地区变得越来越潮湿，降雨量也越来越多。 但张和他的同事希望量化降水循环的影响。

科学家们利用先进的计算机建模技术，求助于美国国家科学基金会 NCAR 的天气研究与预报 (WRF) 模型，该模型可在四公里（约 2.5 英里）的超高分辨率下模拟大气。 他们还使用了另一个基于国家科学基金会 NCAR 的计算机模型，即 Noah-MP，该模型可以对地下水、作物生长和灌溉的互动系统进行具体分析。 他们在模拟中采用了一种物理上逼真的算法来追踪水蒸气的运动。

为了弄清农业和浅层地下水（该地区的自然特征）的作用，科学家们将包含农作物、灌溉和地下水的模拟结果与缺少其中一个或多个因素的其他模拟结果进行了比较。 他们在美国国家科学基金会 NCAR 怀俄明州超级计算中心运行了这些模型。

结果显示，由于浅层地下水向地表输送水分、多叶玉米植株向大气释放水分以及灌溉系统的蒸发，降水回收利用率（即降水量中由当地过程产生的部分）达到了 18%。 如果没有这些因素，模型显示降水回收利用率将只有 14%，即减少约 29%。

科学家们重点模拟了三个年份：2010 年（异常潮湿）、2011 年（平均降水量）和 2012 年（干旱年份）。 他们发现，2012 年回收降水的比例最高，因为来自墨西哥湾等其他地区的水汽较少。

张说："我们能够真正区分不同过程如何导致降水量的变化。由于农业依赖降水，因此这种理解可以为农业管理提供信息，并能更好地理解淡水的可用性。"

他和他的合作者正计划开展后续研究，探讨降水量的变化如何影响农业生产力。

编译自/scitechdaily

DOI: 10.1073/pnas.2402656121