[미국] 델라웨어대 공동연구팀, 물사용 적은 작물 재배 물부족 완화에 도움

서스테이너블 워터ㆍ버지니아 공대 공동연구팀, 6개 강유역 조사

물사용 적은 작물 재배와 휴경 도입할 경우 최대 28~57% 물절약 가능

미국 델라웨어 대학교(University of Delawa, UD), 물부족 문제에 초점을 맞춘 세계적 단체인 서스테이너블 워터(Sustainable Waters)와 버지니아 공과대학교(Virginia Tech)의 공동 연구팀은 6개의 강 유역을 조사해 재배되는 작물 종류와 물사용이 적은 작물로 전환하는 것이 물부족을 해소하는 동시에 농부에게 경제적으로 이익을 가져다 주는지에 대한 연구를 수행했다. [ 사진제공(Photo Source) = UD]

 

관개에 전 세계 담수 소비량의 88%가 사용된다. 특히, 미국 서부 지역에서는 관개 농업이 물고갈의 주요 원인으로 지목되고 있다. 기후변화로 인해 농장, 도시 및 생태계의 물수요를 충족하는 것이 점점 더 어려워지고 있다.

미국 델라웨어 대학교(University of Delawa, UD), 물부족 문제에 초점을 맞춘 세계적 단체인 서스테이너블 워터(Sustainable Waters)와 버지니아 공과대학교(Virginia Tech)의 공동 연구팀은 『네이처 워터(Nature Water)』에 발표한 논문에서 물부족을 겪고 있는 미국 서부의 주요 농업용수의 공급원인 그레이트 솔트 호수(the Great Salt Lake), 콜로라도강 하류(the Lower Colorado River), 리오 그란데강(the Rio Grande), 스네이크강(Snake River), 플래트강(Platte River), 샌호아킨강(the San Joaquin River) 등 6개의 강 유역을 조사했다.

또한 연구팀은 현재 이 지역에서 어떤 작물이 재배되고 있는지를 파악하고 물사용이 적은 작물로 전환하는 것이 물부족 해소에 도움이 되는 동시에 농부에게도 경제적으로 이익을 가져다 줄 수 있는지에 대해 조사했다.

이번 연구는 카일 데이비스(Kyle Davis) UD의 데이터 과학 연구소, 지리 공간 과학부와 식물 토양 과학부의 교수와 지리 공간 과학부의 박사 수료생인 동 양 웨이(Dong Yang Wei)가 UD의 연구원으로 참여했으며, 논문의 주요 저자는 서스테이너블 워터(Sustainable Waters)의 브라이언 리히터(Brian Richter) 회장이다.

담수와 관개

담수 가용성(공급)과 농작물 관개에 필요한 물(수요)의 불일치로 강 흐름과 대수층이 놀라운 속도로 말라가고 있다. 이에 대응해 수자원 규제 기관은 현재 농업용수를 줄이기 위한 규제를 시행하거나 계획하고 있다.

이러한 규제는 의심할 여지 없이 단기적으로 필요하지만 관개 농업은 현재 상태로는 지속될 수 없으며, 서부 지역에서 재배되는 물사용이 높은 작물을 전환해야 한다는 목소리가 점점 더 커지고 있다.

웨이 박사 수료생은 "연구팀이 조사한 대부분의 지역에서 소의 먹이로 사용되는 알팔파와 건초가 물을 가장 많이 사용하는 작물이었기 때문이 아니라 가장 광범위하게 재배되고 있기 때문에 물을 많이 사용하는 작물로 알려졌다"며 "옥수수와 아몬드는 각각 플래트강과 샌호아킨강 유역에서 많은 양의 물을 사용했다"고 설명했다.

그는 이어 "농부에게 단순히 물을 덜 사용하는 다른 작물로 전하라고 제안하는 것은 비현실적일 수 있지만,  연구진이 상황의 현실과 동떨어진 추정치를 도출하지 않기 위해 연구하고 있는 지역에 이전에 심엇던 작물들만 선택했다"고 강조했다.

또한 “현재 재배되고 있는 작물을 대체하기 위해 제안한 작물은 지역마다 다르다"며 "알팔파를 대체할 작물은 물소비량이 상대적으로 적지만 알팔파로 인한 수익 손실을 충당하기 위해 농부에게 충분한 순 수익을 제공하는 작물이여야 한다"고 주장했다.

물을 절약하기 위한 또 다른 중요한 전략은 파종하기 않고 경작지를 남겨 두는 농업 기술인 휴경을 사용하는 것이었다.

연구팀은 물사용이 적은 작물을 재배하고 휴경을 도입할 경우 6개 연구 지역 모두에서 최대 28~57%의 물절약이 가능하다는 사실을 발견했다. 그러나 농부들에게 경작지의 많은 부분을 휴경하는 것은 비현실적일 수 있기 때문에 연구팀은 휴경지를 전체 농장 면적의 5~30%로 제한하는 모델링 제약 조건을 적용했다.

연구를 수행하기 위해 데이비스 교수는 연구진들이 농업 통계를 사용해 다양한 작물과 다양한 장소에 대한 농부의 수익성을 추정했다고 말했다. 각 작물이 실제 소비하는 물의 양을 연구진이 기후 및 토양 데이터를 입력하고 작물이 스트레스 없이 자라기 위해 얼마나 많은 양의 물이 필요한지를 살펴보는 작물-물 모델을 사용해 추정했다.

데이비스 교수는 “한 작물이 자라나는 데 얼마나 많은 물을 필요로 하고 그 작물이 얼마나 광범위하게 성장했는지를 알면 특정 장소에서 그 작물이 필요로 하는 총 물의 양을 추정할 수 있다"며 "우리는 이 양을 미국 전역의 각 하위 유역에서 얼마나 많은 물이 소비되는지 추정한 다음, 남은 물을 하류의 하위 유역으로 전달해 전체 강 유역을 따라 어떻게 고갈이 확산되는지 확인할 수 있는 국가 수문 모델에 입력했다"고 설명했다.

이어 그는 "이번 연구를 통해 정책 입안자들이 서부 지역의 물위기를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 유망한 해결책이 될 수 있기를 희망한다"고 말하면서 “기후변화와 광범위한 가뭄과 같은 문제가 발생하고 있는 상황에서 물수요를 줄여 인간 및 생태 활동이 지속적으로 이뤄질 수 있도록 하는 것이 더욱 시급한 문제이며, 이는 이미 많은 물을 절약할 수 있는 방법으로 이미 검토된 것에 대한 대안을 제시하는 것"이고 덧붙였다.

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WESTERN WATER CRISIS

Study shows that planting less water-intensive crops in the western United States would help alleviate water scarcity

 

Across the world, irrigation dominates freshwater consumption, accounting for 88% of all the freshwater consumed on a global scale. In the western United States, this is no different, as irrigated farming is the leading driver of water depletion in the region. In addition, climate change has caused it to become increasingly difficult for the western United States to meet the water needs of farms, cities and ecosystems. 

In a paper published in Nature Water, researchers from the University of Delaware, Sustainable Waters — a global organization focused on water scarcity challenges — and Virginia Tech looked at six agriculturally important river basins in the western U.S. that are experiencing water scarcity: the Great Salt Lake, the Lower Colorado River, the Rio Grande, Snake River, Platte River and the San Joaquin River.

They also determined which crops are currently being grown in the areas and examined how switching to less water-intensive crops would help with water scarcity while also allowing farmers to remain economically viable. 

Kyle Davis, assistant professor in the Department of Geography and Spatial Sciences and the Department of Plant and Soil Sciences, as well as a resident faculty member with UD’s Data Science Institute, and Dongyang Wei, a doctoral candidate in the Department of Geography and Spatial Sciences, were part of the research group from UD. The lead author on the paper was Brian Richter, president of Sustainable Waters. 

Freshwater and Irrigation

The mismatch of freshwater availability and the water needed for the irrigation of crops has caused river flows and aquifers to dry up at an alarming rate. In response, water regulators are now implementing or planning mandates geared toward reducing water for agricultural use.

While these mandates are no doubt necessary and effective in the short term, there is a growing acceptance that irrigated farming cannot continue in its present state and the current mix of water intensive crops being grown out west must change. 

Wei said that in most of the areas they looked at, alfalfa and hay used to feed cattle was the crop that used the most water — not necessarily because it was the most water-intensive crop but because it is so widely planted in the west. In addition, corn and almonds used large amounts of water in the areas of the Platte River and the San Joaquin River, respectively. 

While it would be unrealistic to suggest that growers simply swap out those crops with any other crop that uses less water, Wei stressed that the researchers selected only crops that have previously been planted in the areas they were studying so as to not come up with estimates that would be far off from the reality of the situation.

“The crops that we suggested to replace the current crops being grown varies from area to area,” Wei said. “Also, the alternative crops to replace alfalfa are relatively less water-consumptive but they also needed to provide enough net revenue to the farmers to cover the revenue loss from the alfalfa.” 

Another important strategy to save water was to employ the use of fallowing, a farming technique where arable land is left without sowing for one or more vegetative cycles. 

The authors found that a maximum water savings of 28 to 57% is possible across all six study areas when fallowing is integrated into a less water-intensive crop mix. However, because it may be unrealistic for the farmers to fallow a large portion of their field, the researchers put in a modeling constraint to limit fallowing to only between five and 30 percent of the total area of a farm. 

To conduct the study, Davis said the researchers used agricultural statistics to estimate farmer profitability for different crops and different places. The actual amount of water that each crop consumes was estimated using a crop-water model where the researchers input climate and soil data and looked at how much water the crop requires in order to grow without stress. 

“Once you know how much water a crop needs and how extensively that crop has grown, you can estimate the total volume of water that that crop requires in a particular place,” Davis said. “We input these volumes into a national hydrological model that estimates how much water is consumed in each sub-basin across the U.S. and then passes that remaining water downstream to the subsequent sub-basins so you can see how the depletion propagates along the entire river basin.” 

Davis said the hope is that with this study, policymakers can see a possible promising solution to help solve the water crisis out west. 

“With issues like climate change and extensive droughts happening, it’s even more of a pressing issue to reduce water demand so that different human and ecological activities can continue to take place,” Davis said. “This is our way of putting an alternative suggestion out there to what has already been considered as a way that can substantially save a lot of water.” 

They also see their findings contributing to conversations with water managers, state and federal governments, and farmers about what can work on the ground if these types of solutions are to be implemented.  

In future research, they hope to carry out large-scale experiments where they pay farmers to implement the different crops and measure the outcomes hydrologically. This will help to give them a better way to evaluate the co-benefits of implementing these solutions in different aspects of society.

“These types of studies assess a variety of different outcomes in parallel that are important to different water users,” said Davis. “I think that trying to identify solutions that take all those different considerations into account is really important and can make it more likely that the information and findings that we generate will help to actually realize positive change.”

[출처 = University of Delaware(https://www.udel.edu/udaily/2023/december/western-united-states-water-depletion-scarcity-climate-change-irrigation/) / 2023년 12월 8일]