概述
水是作物生产的重要限制因素;没有充足和及时的水供应,作物产量较低,而且一年四季变化很大[16]。在该国的许多地区,来自降水的水不够或不能在适当的时间出现,使植物生长和作物产量达到最佳水平。灌溉使生产者能够提供水以实现高产和稳产[17]。农业是美国最大的用水消费部门,因此是最容易受到天气和气候变化以及地下水资源枯竭影响的部门。由于人口增长、城市化和可及性带来的更大需求,水正成为一种日益稀缺的资源[21,22]。
这里所包含的灌溉用水利用指标从灌溉用水对作物产量的增量改善方面评估了灌溉用水的总体效率。这一指标是为了考虑生产者最直接控制的水因素——灌溉供水效率。该指标不包括降水或非灌溉农田的用水效率,也不反映用于灌溉的水的来源。随着水变得更加稀缺,降水变得更加多变和不确定,提高灌溉用水效率对于维持生产和促进缺水地区的节水解决方案至关重要。
第一节:
结果
十种作物的灌溉用水指标的结果如下图所示。灌溉水的使用以单位作物生产的用水量(亩英寸)来表示。这一指标反映了产量的增加,并以灌溉带来的产量增加来计算。这一指标对作物产量的趋势和天气变化很敏感,天气变化既影响施水量,也影响在不灌溉的情况下可获得的产量。其他信息可在以下方法和报告中具体作物的部分中看到。
下面描述的趋势是许多不同环境、社会和政策驱动因素的结果,代表了无数个体生产者关于管理的决策。我们的目的是对这些力量和决策总体上如何影响美国商品农业的长期资源利用效率进行概述。如果在指标计算中使用的数据可以解释随时间的变化,则提供一些解释。然而,我们并没有尝试对这些趋势进行全面的、地理上特定的解释,而这些解释是充分理解其中一些趋势或提供可靠的统计评估所必需的。因此,虽然提供了线性趋势线来说明随着时间的推移是否存在一致的方向变化,但不应认为这是对趋势的统计意义的衡量。
作物灌溉用水指标
第二节:
方法
灌溉用水指标旨在反映基于灌溉系统用水的作物产量边际回报。这个指标只适用于灌溉生产;我们不包括雨供生产的用水指标,也不考虑用于灌溉的水源的可持续性。灌溉农业在美国有多种形式,由作物类型、气候条件、经济条件和地区水资源管理规则决定。该指标的开发是为了将所有这些变量归一化,以考虑每增加一点水能获得多少产量。
灌溉用水在这里被定义为在土地上人为地应用水来满足作物对水的需求,并通过这样做来实现高产和稳产。我们将重点局限于灌溉用水,作为种植者直接控制的主要资源。灌溉源和机制(例如,重力供给vs.抽水)驱动能源使用的程度,这些实践在能源使用度量中被捕获。
灌溉水利用指标的计算公式为:IWU =灌水量(亩-英寸)/(灌水产量-非灌水产量)。
结果值表示每增加一次作物产量所需的水量。用于计算国家指标的数据来自美国农业部农场和牧场灌溉调查(FRIS),这是农业普查的一个组成部分,每五年产生一次。这些数据包括1984年、1988年、1994年、1998年、2003年、2008年和2013年的数据,包括按作物分类的全国范围内每英亩灌溉水量的估计,以及灌溉作物产量和非灌溉作物产量[40-44]。FRIS调查通过使用灌溉面积和州一级灌溉率的加权平均值计算出全国平均灌溉率;然而,我们注意到2013年州一级的水稻灌溉面积信息出现异常,导致加州灌溉率在全国平均灌溉率中的权重严重超标。在与美国农业部人口普查工作人员(Steve Sakry,私人沟通)协商后,我们根据FRIS提供的州一级灌溉率和NASS提供的州一级水稻种植面积,重新计算了1984-2013年的全国平均水稻灌溉率。
我们计算的非灌溉产量也直接来自FRIS调查报告中的国家估计。这被定义为在与灌溉产量相同的环境和管理条件下种植的同一作物的产量,被称为“配备灌溉设备的农场的非灌溉产量”。非灌溉产量的价值由响应FRIS调查的农民报告,通常是基于估算或其他灌溉农田干燥角落的产量。因此,非灌溉的产量不同于雨养的产量(在没有灌溉系统的农场上种植)。水稻和马铃薯假设只在灌溉系统中种植,非灌溉产量设为0。
由于这些数据点只在选定的普查年份提供,因此使用这些数据点来计算平均产量(来自NASS,它代表灌溉和雨养生产)与来自FRIS的灌溉和非灌溉产量之间的关系。然后利用这一关系,通过调整NASS平均产量(每年[36](FRIS调查人员,个人沟通),来估计其间年份的灌溉和非灌溉产量。然后使用FRIS普查年份之间的线性插值来确定非普查年份的灌溉用水量。我们认识到,这种获得年灌溉量的方法是高度不确定的,因为它没有考虑到气候的年际变化,而气候是作物水分产量的一个重要决定因素。然而,为了确保各指标趋势的一致性和可比性,我们选择报告数据的完整时间序列,即使在需要线性插值来构建年度值的情况下。
根据灌溉总量和总种植面积,还计算了每种作物的平均土地灌溉份额。这一份额被用来通过人口普查年份之间的线性插值来估计灌溉面积。这被用于计算每英亩用水量的补充指标,以及灌溉用水总量(附录B)。田间打印计算器中的灌溉用水指标使用与这里报告的指标相同的方程,使用由个人用户输入的特定农田信息。
用于计算这一指标的数据来源是根据美国农业部农业普查的方法编制的,通常是稳健的。然而,它们依赖于农民自我报告的用水量和非灌溉产量估计。这些数值通常不太确定。因此,尽管计算指标的算法相对简单,但与该指标相关的不确定性水平适中。
一个地区的年降雨量和地下水资源将影响种植者对灌溉的决定;反过来,这些决策对环境的影响没有在指标计算中体现出来。我们目前没有捕捉作物使用的水,也没有捕捉灌溉水返回到分水岭或含水层的情况。例如,用于灌溉的水源可能从每年补充的溪流到补给速度非常慢的压力含水层不等。在水资源有限的地区,灌溉用水必须与总的水资源限制进行比较,以了解该地区的水资源可持续性问题。虽然描述该国不同地区灌溉的地理变化和长期可持续性很重要,但这超出了全国趋势评估的范围。