Заброшенные сельскохозяйственные угодья могут сыграть роль в борьбе с изменением климата. Исследование показывает, где именно они находятся

Сельскохозяйственные угодья часто становятся полем битвы в борьбе с изменением климата. Солнечные батареи и выращивание энергетических культур противопоставляются производству продуктов питания, в то время как продуманный политический выбор может создать стимулы для фермеров обрабатывать новые земли, выбрасывая в атмосферу еще больше удерживающего тепло газа.

Вот почему стратегии по производству экологически чистого растительного топлива сосредоточены на малоплодородных землях — полях, которые слишком сложно возделывать или которые не дают достаточно хороших урожаев, чтобы считаться прибыльными.

Новый инструмент, разработанный учеными из Университета Висконсин-Мэдисон, может помочь снять это напряжение.

Под руководством Яньхуа Се и Тайлера Ларка, исследователей из Центра биоэнергетических исследований Великих озер, команда использовала машинное обучение для картирования почти 30 миллионов акров пахотных земель США, заброшенных с 1980-х годов, создав инструмент, который мог бы помочь в принятии решений о том, как сбалансировать производство энергия и еда.

Их выводы опубликованы в журнале Письма об экологических исследованиях, включает в себя наиболее подробную на сегодняшний день картографию ранее обрабатываемых земель в США. Они обеспечивают разрешение на уровне поля заброшенных сельскохозяйственных угодий, которые можно использовать для выращивания таких культур, как просо или сорго, которые могут улавливать углерод в почве и служить сырьем для биотоплива и заменой нефтехимии.

«Если мы сможем понять, где находятся эти земли и каковы их характеристики, мы действительно сможем понять их истинный потенциал для таких вещей, как смягчение последствий изменения климата», — говорит Ларк, ученый из Центра устойчивого развития и глобальной окружающей среды Университета Висконсина в Мэдисоне.

Ларк, изучающий изменения в землепользовании и их влияние на земельные и водные ресурсы, говорит, что это понимание можно использовать для направления инвестиций в чистую энергетику туда, где они имеют наименьшую конкуренцию с другими полезными видами использования.

«Это ключевое применение», — говорит Ларк. «Будь то солнечная фотоэлектрическая энергия, или агровольтаика, или развитие целлюлозной биоэнергетики, или просто восстановление природных экосистем: эти объекты могут быть отличными кандидатами для многих из этих приложений».

Исследование было проведено в сотрудничестве между исследователями из UW-Madison и Мичиганского государственного университета. Полученные данные общедоступны в интерактивном атласе пахотных земель США GLBRC, который также отображает тенденции в расширении сельскохозяйственных угодий и ирригации.

Исследователи традиционно полагались на такие наборы данных, как Сельскохозяйственная перепись Министерства сельского хозяйства США, которая предоставляет оценки сельскохозяйственных угодий на уровне округа с пятилетними интервалами и может использоваться для оценки того, сколько земель было выведено из производства.

Но до сих пор не было возможности точно узнать, где находилась эта земля и когда она была заброшена.

«Большинство этих оценок были сделаны на уровне округа», — говорит Ларк. «Это действительно доступный анализ с самым высоким разрешением, позволяющий взглянуть прямо на ландшафт — поле за полем, акр за акром — того, где находятся эти пахотные земли».

Хотя спутниковые снимки существуют уже несколько десятилетий, без последних достижений в области облачных вычислений Ларк говорит, что было невозможно классифицировать почти 2 миллиарда акров земли в соседних США.

Чтобы провести анализ команды, Се, ныне профессор Университета Оклахомы, использовал существующие данные о растительном покрове, чтобы обучить компьютер читать эти изображения и распознавать модели выращивания. Затем исследователи попросили этот алгоритм проанализировать спутниковые данные с 1986 по 2018 год и классифицировать каждый пиксель, чтобы определить, был ли он обработан.

Результаты точно предсказывают точное местоположение заброшенных пахотных земель в девяти случаях из 10 и даже могут определить год, когда они были заброшены, с точностью около 65%.

Команда обнаружила, что за эти 32 года было заброшено более 30 миллионов акров пахотных земель. Большая часть заброшенных земель была сосредоточена на Великих равнинах и вдоль реки Миссисипи между южным Иллинойсом и Мексиканским заливом.

Эти 30 миллионов акров не включают в себя урбанизированные земли, которые, по словам Ларка, вряд ли когда-либо вернутся к возделыванию. Из этих заброшенных пахотных земель более половины превратились в пастбища или луга, а около трети представляли собой кустарники, леса, водно-болотные угодья или голые земли.

Ларк была удивлена, обнаружив, что менее пятой части заброшенных земель было охвачено официальной программой сохранения, такой как Программа сохранения резервов Министерства сельского хозяйства США, которая платит фермерам за вывод из производства экологически чувствительных земель. Это означает, что больше земли, чем считалось ранее, потенциально может быть использовано для выращивания биоэнергетических культур.

«Многие предполагали, что эти бывшие пахотные земли во многом пересекаются с официальными программами сохранения», — говорит Ларк. «Но мы увидели, что это почти полностью разные бассейны».

Теперь исследователи могут использовать полученные данные для моделирования того, сколько биомассы можно выращивать на этих землях, а также их потенциала по улавливанию углекислого газа из атмосферы в почве.

Исследование не объясняет, почему земли были заброшены. «Следующий шаг — выяснить драйверы», — говорит Ларк.

Для этого, говорит Ларк, команда может использовать другую информацию, такую ​​как социально-экономические данные и налоговые отчеты, чтобы лучше понять, что происходит на уровне участка — например, вывел ли фермер из производства одно поле или продал всю ферму. и использовать это для определения потенциального использования земли.

«Если они выращивают кучу сена, то, вероятно, их будет легче адаптировать к использованию целлюлозного биотопливного сырья, потому что у них уже может быть необходимое оборудование… и тогда вы также сможете собирать что-то вроде просо», — говорит Ларк. «Если это где-то, где вообще больше нет сельскохозяйственного производства, это может быть сложнее сделать, но, возможно, больше подходит для солнечной установки».