네브라스카주립대학교 링컨캠퍼스(UNIVERSITY of NEBRASKA–LINCOLN) 연구팀이 주도한 새로운 연구는 30년간의 데이터를 통해 농부들이 관개에 이용하는 지하수의 고갈이 가뭄과 건조한 기후 속에서 식량 생산을 어떻게 위협하는지 보여준다.

지하수 추출의 어려움으로 인해 대수층의 고갈은 작물 수확량을 감소시킬 수 있으며, 이는 대수층이 관개에 필요한 물수요를 충족시킬 수 있을만큼 충분히 포화된 것처럼 보일 때도 마찬가지이다.

이러한 수확량의 손실은 대수층이 줄어들수록 더욱 빠르게 증가한다. 연구자들은 대수층이 200피트에서 150피트로 감소할 때보다 100피트에서 50피트로 감소할 때 옥수수와 콩 수확량에 더 큰 타격을 준다고 보고했다.

따라서, 연구팀은 정책 입안자, 자원 관리자 및 농업 종사자들이 더 강렬하고 빈번한 가뭄에 대비해 그들이 처리할 수 있는 지하수의 양을 재고하도록 고려해야 한다고 말했다.

닉 브로조비치(Nick Brozović) 도허티 워터 세계식량연구소(Daugherty Water for Food Global Institute)의 정책 담당자는 “대수층의 수위가 매우 낮아질 정도로 지하수를 양수하면 대수층 수위의 아주 작은 변화에도 작물 생산량과 회복탄력성에 점진적으로 더 큰 영향을 미칠 것”이라고 말했다. 

연구팀은 미국의 대규모 대수층인 오갈랄라 대수층(High Plains Aquifer)의 수확량, 날씨 및 지하수 데이터를 분석한 후 이같은 결론을 내렸다. 이 대수층은 네브라스카 주 전체를 비롯한 8개 주의 일부에 걸쳐 있다.

대수층의 일부 지역, 특히 텍사스(Texas)와 캔자스(Kansas) 아래 지역뿐만 아니라 콘허스커(Cornhusker) 주의 일부 지역은 지난 수십 년 동안 관개 없이는 농작물을 재배할 수 없는 땅에 지하수를 양수해 대수층이 상당히 줄어들었다.

브로조비치 네브라스카주립대학교 링컨캠퍼스(University of Nebraska–Lincoln)의 농업경제학 교수는 “가뭄과 기후 변화와 같은 극한 상황에서 식량 안보를 해결하기 위해서는 관개가 꼭 필요하다”라며 “고품질의 영양가 있는 식량 생산과 안정적인 식량 공급을 위해서는 관개를 해야 한다”고 말했다. 

브로조비치와 허스커(Husker)의 동료인 미에노 타로(Taro Mieno)는 오갈라라 대수층이 가뭄과 건조한 조건에 어떻게 반응하는지에 대해 많은 모델을 구축하고, 많은 시뮬레이션을 실행했다.

그러나 농부들과의 대화에서, 이 모델들은 연구원들의 주요 관심사인 양수량, 혹은 농부들이 가뭄으로부터 농작물을 보호하려고 할 때 이용할 것으로 기대되는 지하수의 양을 다루지 않았다는 것이 밝혀졌다.

『Nature Water』 저널에 발표된 이 연구의 수석 저자이자 농업경제학 부교수는 “대수층의 고갈이 이 지역의 관개 농업의 회복탄력성에 어떤 영향을 미치는지에 대해 모두가 관심을 갖고 있다”고 말했다. 

따라서 연구진은 1985년부터 2016년까지의 주의 옥수수 및 콩 수확량과 함께, 1935년부터의 오갈랄라 대수층의 두께에 대한 연간 추정치에 대해 자문했다. 한편 기상 데이터를 통해 연구진은 계절별 물 부족, 또는 강수로 얻은 물과 증발 및 증산을 통해 손실된 작물의 양의 차이를 계산했다.

후자가 전자를 능가할 때, 농부들은 종종 그 차이를 메우기 위해 대수층에 의존한다. 연구진은 더 나아가 어떤 조건에서, 그리고 어느 수준까지 대수층이 고갈되면 물을 양수하는 것이 너무 어렵거나 비용이 많이 들지와 그로인한 결정, 즉 에이커당 관개량을 줄이고, 특정 구역에 대한 관개를 전면 중단하는 결정이 옥수수와 콩의 수확량에 얼마나 영향을 미칠지를 연구했다.

연구팀은 대수층의 수위가 가장 높은 지역(약 220피트에서 700피트 사이)의 오갈랄라 대수층에서 옥수수와 콩을 재배했던 농부들이 운이 좋게도 극심한 물 부족 상황에서도 계속 높은 수확량을 보였다고 밝혔다.

대조적으로, 가장 수위가 낮은 지역(30피트에서 100피트 사이)에서는 물 부족이 400mm에 도달했을 때 관개 수확량이 감소하기 시작했다. 이러한 현상은 네브라스카와 다른 중서부 주에서 흔히 발생했다.   

물 부족이 700mm에 다다르거나 초과한 해에는 가장 두꺼운 대수층 위에 있는 밭에서 가장 얇은 대수층 위에 있는 밭보다 훨씬 더 많은 옥수수를 수확했다. 이러한 결과는 극심한 가뭄에 해당하는 950mm의 물 부족 기간 동안 더 뚜렷하게 나타났다. 가장 포화도가 낮은 대수층의 위에 있는 들판은 에이커당 약 1천168파운드(약 530kg) 더 적게 생산했다.

브로조비치 “대수층이 작동하는 방식으로 인해 물이 많이 있음에도 불구하고 대수층이 고갈됨에 따라 수확량이 감소하는 경향이 있다”며 “건조한 기간 동안에는 농작물에 필요한 물 수요를 충족시킬 능력을 잃게 되고 이는 경제와 회복력에 영향을 미친다”라고 말했다. 

이 연구는 지하에 존재하는 물과 지표면에 적용되는 물 사이의 또 다른 연관성을 포착했다. 약 330피트 수위의 대수층 위에서 농부들은 에이커의 89%를 옥수수 재배에 할당했다.

대수층의 수위가 30피트에 불과한 곳은 에이커의 70%에만 관개를 했다. 미에노 타로는 “이는 양수량의 감소로 인해 농부들이 밭의 일부만 관개하거나 관개를 포기한 결과일 가능성이 높다”고 말했다.

연구진은 관개량의 감소가 건조한 조건에서 농업 손실에 어떻게 기여하는지 더 잘 이해하기 위해 관개가 이뤄진 밭과 관개가 이뤄지지 않은 밭 모두의 수확량을 고려했으며, 후자는 강수량에만 의존해 작물을 재배했다. 이 분석은 수확량이 더 작은 물 부족에도 훨씬 더 민감하다는 것을 보여줬으며, 관개 토지의 감소가 관개된 토지에서 견뎌야 하는 손실을 가중시키고 있음을 시사했다.

이어 대수층의 평균 수위가 특정 임계 수위 아래로 떨어질 때 야기될 수 있는 위협을 설명했다. 950mm의 물 부족 상황에서 대수층의 두께를 약 330피트에서 230피트로 줄어들면 에이커당 평균 옥수수 약 155파운드(약 70kg) 손실이 발생하는 것으로 추정되며, 연구원들은 이를 ‘무시할 수 있는 차이’라고 불렀다. 230피트에서 130피트로 감소했을 때, 절대적 감소치는 동일하지만, 에이커당 약 930파운드(약 421kg)의 손실이 발생할 것으로 추정됐다.

미에노는 “결과적으로 대수층이 얕아질수록 기후에 대한 회복력이 급격히 떨어진다”며 “현재 매우 두꺼운 대수층에서 작업할 때는 비교적 안전하지만 그 이후에는 모든 것이 내리막길 일 수 있다며 그 문턱을 넘지 않는 방식으로 관리하기를 바란다”고 당부했다.   

그는 또한 “대수층의 중요성은 미래에 기후 변화가 진행됨에 따라 증가할 것”이라며 “날씨가 더워질수록 일반적으로 더 많은 물, 즉 더 많은 관개가 필요하고, 이는 더 빠른 대수층 고갈로 이어진다”고 강조했다.

브로조비치는 “네브라스카는 이러한 거대한 저수지 위에 자리 잡고 있으며 지역 규모로 저수지를 보존하기 위해 고안된 거버넌스 시스템을 구축했다는 점에서 운이 좋았다”며 “그러나 대부분의 규정은 지하수를 양수하는 양과 시기를 의무화하는 데 초점을 맞추고 있고, 대수층의 포화 수준이나 대수층에서 물을 추출할 수 있는 능력을 보호하는 것은 아니다”라고 말했다. 

그는 주의 많은 지역이 여전히 충분한 지하수를 자랑하는 지금 정책 입안자들이 이러한 매개 변수를 수정하도록 설득하는 것은 ‘아마도 어려운 일’이라고 인정했다. 그러나 그는 이번 연구가 적어도 그 대화를 논의하는 출발점이 될 수 있기를 바라고 있다.

브로조비치는 또한 “일단 문제가 생기면, 즉 양수량이 이미 감소하고 대수층의 수위가 낮아지면, 정책을 시행하더라도 많은 부정적인 영향을 받게 된다”며 “따라서 의미 있는 정책을 시행해야 할 때는 상황이 악화되기 전이어야 한다”고 덧붙였다. 

브로조비치와 미에노는 맨체스터 대학(University of Manchester)의 티모시 포스터(Timothy Foster) 및 미네소타 대학(University of Minnesota)의 슌케이 카키모토(Shunkei Kakimoto)와 함께 자연수(Nature Water) 연구를 저술했다. 연구자들은 또한 미국 농무부(U.S. Department of Agriculture)로부터 일부 지원을 받았다.

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Husker study finds aquifer depletion threatens crop yields

Three decades of data have informed a new Nebraska-led study that shows how the depletion of groundwater — the same that many farmers rely on for irrigation — can threaten food production amid drought and drier climes.

The study found that, due in part to the challenges of extracting groundwater, an aquifer’s depletion can curb crop yields even when it appears saturated enough to continue meeting the demands of irrigation. Those agricultural losses escalate as an aquifer dwindles, the researchers reported, so that its depletion exerts a greater toll on corn and soybean yields when waning from, say, 100 feet thick to 50 than from 200 feet to 150.

That reality should encourage policymakers, resource managers and growers to reconsider the volume of crop-quenching groundwater they have at their disposal, the team said, especially in the face of fiercer, more frequent drought.

“As you draw down an aquifer to the point that it’s quite thin, very small changes in the aquifer thickness will then have progressively larger and larger impacts on your crop production and resilience,” said Nick Brozović, director of policy at the Daugherty Water for Food Global Institute. “And that’s a thing that we don’t predict well, because we tend to predict based on the past. So if we base what’s going to happen on our past experience, we’re always going to underpredict. We’re always going to be surprised by how bad things get.”

The team came to its conclusions after analyzing yields, weather and groundwater data from the High Plains Aquifer, which, as the largest in the United States, underlies portions of eight states — including nearly all of Nebraska. Some areas of the aquifer, especially those beneath Texas and Kansas but also the Cornhusker State, have diminished considerably over the past several decades, pumped for the sake of irrigating land that would otherwise stand little chance of sustaining crops.

“In terms of things that let you address food security under extreme conditions — in particular, drought and climate change — we really can’t do without irrigation,” said Brozović, professor of agricultural economics at the University of Nebraska–Lincoln. “If we want to feed the world with high-quality, nutritious food and a stable food supply, we need to irrigate.”

Brozović and Husker colleague Taro Mieno had already constructed plenty of models, and run plenty of simulations, on how the High Plains Aquifer responds to drought and dry conditions. But talking with farmers revealed that the models were not addressing their primary concern: well yield, or the amount of groundwater that growers can expect to continuously draw when trying to buffer their crops against drought.

“Everybody’s interested in how aquifer depletion affects the resiliency of irrigated agriculture in the region,” said Mieno, an associate professor of agricultural economics and lead author of the study, which was published in the journal Nature Water.

So the researchers consulted annual estimates of the High Plains Aquifer’s thickness, which date back to 1935, along with county-level yields of corn and soybean from 1985 through 2016. Meteorological data, meanwhile, allowed the team to calculate seasonal water deficits, or the difference between the water gained from precipitation and the amount that crops lost via evaporation and transpiration.

When the latter exceeds the former, farmers often turn to aquifers for help in making up the difference, the researchers knew. What they didn’t know: Under what conditions, and to what extent, would an aquifer’s depletion make pumping its water too difficult or expensive to undertake? And how much would the resulting decisions — to reduce the amount of irrigation per acre, to cease irrigating certain plots all together — influence corn and soybean yields?

Farmers fortunate enough to be growing corn and soybean above the most saturated swaths of the High Plains Aquifer — roughly 220 to 700 feet thick — continued to enjoy high irrigated yields even in times of extreme water deficits, the team found. By contrast, those depending on the least saturated areas — between 30 and 100 feet — saw their irrigated yields begin trending downward when water deficits reached just 400 millimeters, a common occurrence in Nebraska and other Midwestern states.

In years when the deficit approached or exceeded 700 millimeters, irrigated fields residing above the thickest groundwater yielded markedly more corn than those sitting above the thinnest. The results were starker during a 950-millimeter water deficit, which corresponds with extreme drought: Fields atop the least saturated stretches of aquifer yielded roughly 19.5 fewer bushels per acre.

“Because of the way that aquifers work, even if there’s a lot of water there, as they deplete, you actually lose the ability to meet those crop water needs during the driest periods, because well yield tends to decline as you deplete an aquifer,” Brozović said. “That has an economic consequence and a resilience consequence.”

The study captured another telling link between the water residing underground and that applied at the surface. When atop groundwater roughly 330 feet thick, farmers irrigated 89% of their acres dedicated to growing corn. Where the aquifer was a mere 30 feet thick? Just 70% of those acres received irrigation. That’s likely a result of lower well yield driving farmers to irrigate only some of their fields, Taro said, or even give up on irrigation.

To better understand how that reduced irrigation was contributing to agricultural losses amid dry conditions, the researchers then factored in yields from both irrigated and non-irrigated fields, the latter of which rely on precipitation alone. That analysis pegged yields as even more sensitive to even smaller water deficits, suggesting that the decline in irrigated land was compounding the losses endured on still-irrigated plots.

And it illustrated the runaway threat posed when an aquifer’s average thickness drops below certain thresholds. At a water deficit of 950 millimeters, reducing an aquifer’s thickness from roughly 330 to 230 feet was estimated to initiate an average loss of about 2.5 corn bushels per acre, what the authors called a “negligible difference.” The same absolute decrease, but from 230 to 130 feet, led to an estimated loss of 15 bushels per acre.

“As a consequence, your resilience to climate decreases rapidly,” Mieno said. “So when you’re operating on an aquifer that is very thick right now, you’re relatively safe. But you want to manage it in a way that you don’t go past that threshold, because from there, it’s all downhill.

“And the importance of aquifers is going to increase as climate change progresses in the future, for sure. As it gets hotter, you typically need more water. That means you need more irrigation, and you’re going to deplete the aquifer even faster, and things can get worse and worse.”

Nebraska is lucky, Brozović said, in that it sits above such a massive reservoir and has established a governance system designed to conserve it at a local scale. But most regulations focus on mandating how much and when groundwater gets pumped, not safeguarding the aquifer’s saturation level or the corresponding ability to extract water from it.

Brozović conceded that convincing policymakers to consider revising those parameters now, when much of the state still boasts sufficient groundwater, is “perhaps a tough sell.” He’s hopeful that the new study can at least help put that conversation on the table.

“Once you have a problem — once well yields are already declining and the aquifer’s really thin — even if you put in policies, you still get a lot of the (negative) impacts,” he said. “So the time to really put in meaningful policies is before things have gone off the cliff.

“First, you have to understand, you have to measure, you have to educate. You have to understand what you’re preserving, and why. The more you can provide the quantitative evidence for why it’s worth going to the trouble of doing all of this, and what’s at stake,” he said, “the easier that conversation is.”

Brozović and Mieno authored the Nature Water study with the University of Manchester’s Timothy Foster and the University of Minnesota’s Shunkei Kakimoto. The researchers received support in part from the U.S. Department of Agriculture.

[출처 = 네브라스카주립대학교 링컨캠퍼스(UNIVERSITY of NEBRASKA–LINCOLN) (https://news.unl.edu/newsrooms/today/article/husker-study-finds-aquifer-depletion-threatens-crop-yields/) / 2024년 1월 17일]

[번역 = 박원희 기자]