Table of Contents

Великие равнины, простирающиеся на 1100 миль от канадских прерий до Техасского панхандра, функционируют как основная житница Соединенных Штатов. Этот регион, характеризующийся его определяющими географическими особенностями и климатическими крайностями, неразрывно связан с приливами и отливами засухи. Недавние засухи послужили суровым напоминанием об уязвимости ландшафта и тяжелых последствиях для сельскохозяйственной производительности. Понимание физической географии, которая предрасполагает эту обширную область к засухе, механизмы, которые ее вызывают, и широко распространенные сельскохозяйственные последствия необходимы для эффективного управления рисками и долгосрочного планирования устойчивости.

Физическая география Великих равнин

Физическая география Великих равнин создает ландшафт, исключительно чувствительный к дефициту влаги, этот регион — не однородное пространство, а сложная мозаика экологических зон, типов почв и гидрологических систем, которые коллективно влияют на его реакцию на засуху.

Топография и климатическая зонация

Определяющей топографической особенностью равнин является их положение относительно Скалистых гор. По мере того, как западные ветры поднимаются по горному хребту, они охлаждают и выделяют влагу, оставляя восточные склоны и равнины в выраженной тени дождя. Этот орографический эффект является основной причиной перехода региона от влажных условий на востоке к полузасушливым и засушливым условиям на западе. Климатическая зонация следует продольному градиенту: в восточных степях высокогорных степей осадки в среднем составляют 20–30 дюймов в год, но опускается менее чем до 15 дюймов в степях короткого травоядного на западе. Этот крутой градиент означает, что относительно небольшой сдвиг в атмосферной циркуляции может толкать большие площади в засуху. Плоская местность к мягкой перекатывающей местности, в то время как идеально подходит для механизированного сельского хозяйства, предлагает мало орографических нарушений для генерации местных осадков, что делает равнины сильно зависимыми от крупномасштабных синоптических погодных

Почвенные ресурсы и водоносный горизонт Огаллала

Доминирующие почвы Великих равнин, известные как Моллизолы, характеризуются толстым, тёмным поверхностным горизонтом, богатым органическим веществом, полученным из многовекового роста травы. Эти почвы исключительно плодородны и обеспечивают основу для высокоурожайного товарного растениеводства. Однако они очень восприимчивы к эрозии ветра и структурной деградации после удаления защитного травяного покрова и истощения влажности почвы. Влагоудерживающая способность этих почв сильно варьируется, с мелкотекстурированными суглинками и пористыми глиняными суглинками, хранящими больше доступной для растений воды, чем песчаные почвы, которые склонны к быстрому дренажу и испарительной потере.

Под поверхностью водоносный горизонт Огаллала, также известный как система водоносных горизонтов Высоких равнин, является единственным наиболее важным водным ресурсом для региона. Охватывая восемь штатов, этот ископаемый водоносный горизонт обеспечивает ирригационную воду примерно для 30% всех орошаемых земель в Соединенных Штатах. Геология водоносного горизонта - запасы гравия, песка и глины - позволяет существенное хранение воды, но также диктует его уязвимость. Скорость перезарядки чрезвычайно низкая, часто менее одного дюйма в год, в то время как скорость перекачки для систем орошения с центром поворота намного превышает естественное пополнение. Во время засухи зависимость от Огаллала усиливается, ускоряя его истощение. Физическая география равнин, таким образом, представляет собой резкое напряжение: высокопродуктивная сельскохозяйственная база, построенная на богатых почвах и ископаемых водных ресурсах, которые являются конечными и все более напряженными.

Механизмы и причины засухи

Засуха на Великих равнинах редко является результатом одного фактора. Вместо этого она возникает из сложного взаимодействия природных климатических циклов, устойчивых атмосферных моделей и опосредованных человеком изменений в земельной и климатической системе. Понимание этих причинных механизмов имеет решающее значение для прогнозирования и проактивного управления.

Океано-атмосферные телесвязи

Основным естественным фактором засухи в равнинах является изменчивость температур поверхности моря, в частности, цикл Эль-Ниньо-Южная осцилляция (ENSO) . Исторически события Ла-Нинья, характеризующиеся более прохладными, чем средние температуры поверхности моря в центральной и восточной части Тихого океана, тесно связаны с сухими зимними и весенними условиями в центральной и восточной части Тихого океана. Ла-Нинья имеет тенденцию смещать Тихоокеанский струйный поток на север, маневрируя штормовыми путями от региона и позволяя доминировать хребтам высокого давления. Тихоокеанское десятичное колебание (PDO) и Атлантическое многодекадальное колебание (AMO)] далее модулируют эти эффекты. Холодная (отрицательная) фаза PDO в сочетании с теплой (позитивной) фазой AMO часто усиливает условия засухи в центральной части Соединенных Штатов. Эти телесоединения создают устойчивые блокирующие модели синоптического масштаба - области высокого

Антропогенное изменение климата и повышенный спрос на испарение

В то время как естественная изменчивость закладывает основу для засухи, изменение климата усиливает ее тяжесть и продолжительность. Основной физический механизм термодинамический. По мере повышения глобальной температуры атмосферы увеличивается способность воздуха удерживать водяной пар - примерно 7% на градус Цельсия потепления, как описано в связи Клаузиус-Клапейрон. Это увеличивает дефицит давления пара (VPD) [[FLT: 2]], меру высыхающей способности воздуха. Более высокий VPD вытягивает больше влаги непосредственно из листьев растений (проникновение) и поверхностей почвы (испарение), даже при отсутствии дефицита осадков. Этот процесс, известный как «атмосферная засуха» или «вспышка засухи», может высушить культуры и пастбища в течение нескольких недель.

Кроме того, потепление температуры в Скалистых горах уменьшает зимний снежный покров и ускоряет весеннее таяние. Горный снежный покров служит естественным «замороженным резервуаром» для равнинных рек, таких как Платт, Арканзас и Миссури. Уменьшенный снежный покров приводит к снижению речных потоков и уменьшению выделения поверхностных вод для орошения в критический летний вегетационный период. Синергетический эффект снижения влажности почвы, более высокого VPD и снижения запасов поверхностных вод создает более острую сельскохозяйственную засуху, чем предполагали бы исторические записи осадков.

История землепользования и экологическая чувствительность

Историческое преобразование местных, глубоко укоренившихся многолетних лугов в мелкокорневые годовые рядовые культуры коренным образом изменило поверхностный энергетический баланс региона и гидрологический цикл. Коренные травы, такие как синестема и грама, очень эффективны в захвате и хранении спорадических осадков равнин. Они поддерживают структуру почвы и органическое вещество, что усиливает инфильтрацию и удержание воды. Напротив, годовые системы земледелия оставляют почву голой на значительные части года, увеличивая стоки, уменьшая инфильтрацию и ускоряя окисление почвенного органического вещества. Эта практика снижает способность ландшафта буферизировать против засухи. Уроки эпохи пыльных чаш 1930-х годов - когда агрессивное пахотевание маргинальных земель в сочетании с сильной засухой создало катастрофические пыльные бури - остаются мощным примером того, как решения по управлению земельными ресурсами непосредственно пересекаются с климатической уязвимостью для усиления сельскохозяйственных последствий.

Сельскохозяйственные последствия

Сельскохозяйственные последствия засухи в Больших равнинах каскада через растениеводство, операции скота, качество окружающей среды, и более широкой сельской и национальной экономики.Современная сельскохозяйственная система, в то время как высокопродуктивная, тесно синхронизирована с сезонной доступностью воды, делая его остро чувствительным к разрушению.

Неудача урожая и волатильность урожайности

Засуха представляет собой единственный самый большой источник изменчивости урожайности для доминирующих культур региона. Зимняя пшеница , посаженная осенью и собранная в начале лета, зависит от достаточной влажности почвы от осенних дождей и весенних снегопадов. Сухая осень может предотвратить прорастание или задержку пахотных работ, в то время как сухая осень приводит к преждевременному заполнению и небольшим ядрам. Кукуруза , летняя культура с высокими потребностями в воде, чрезвычайно уязвима к засухе во время ее опыления и стадий засыпки зерна. Даже короткие периоды экстремального тепла и влажности во время этого окна могут снизить урожайность на 50% и более. Сорго , считается более засухоустойчивой альтернативой, лучше восстанавливается после стресса, но все еще страдает от значительных штрафов за урожайность в длительных тяжелых условиях.

Засуха 2012 года, одна из самых масштабных и интенсивных за всю историю равнин, привела к прямым потерям сельского хозяйства более чем на $30 млрд. Более поздние «вспышки засух», такие как события 2017 и 2022 годов в Северных равнинах, продемонстрировали, как быстро могут ухудшиться условия. В 2022 году урожайность яровой пшеницы в северных штатах (Монтана, Северная Дакота) упала на 40-50% по сравнению с предыдущим пятилетним средним показателем. Введенная засухой волатильность делает долгосрочное бюджетирование и управление рисками исключительно трудными для производителей, повышая стоимость страхования урожая и вынуждая принимать сложные решения о вводных инвестициях.

Ликвидация животноводческого сектора

Засуха влияет на животноводство двумя основными способами: за счет сокращения доступности кормов на пастбищах и за счет увеличения расходов на корма. Здоровье обширных пастбищ региона напрямую связано с осадками. Во время засухи местные травы либо не растут, либо имеют значительно сниженную пищевую ценность. Производители вынуждены сокращать запасы — продавая части своих племенных стад — чтобы соответствовать количеству животных с доступным кормом. Ликвидация коровьих стад после засухи на южных равнинах 2011-2014 годов и более поздних засушливых периодов на Северных равнинах привела к тому, что стадо крупного рогатого скота в США достигло наименьшего размера за последние шесть десятилетий.

Экономические последствия ликвидации стада носят длительный характер. Восстановление генетически превосходящего стада требует многих лет целенаправленного разведения. Кроме того, когда во время засухи на рынок наводняют телят и коров, цены временно падают, усугубляя финансовый стресс. Для кормовых участков засуха повышает цены на кукурузу и сено, сжимая разрыв между ценами на кормовой скот и продажами готового скота. Психологические потери для владельцев ранчо, вынужденных продавать продуктивную, засушливую генетику, которую они разработали в течение поколений, являются менее количественным, но не менее значительным бременем.

Социально-экономические и рыночные эффекты Ripple

Последствия засухи выходят далеко за пределы сельскохозяйственных ворот. Сельские предприятия, которые поставляют сельскохозяйственные ресурсы (семена, топливо, удобрения, оборудование) или обрабатывают сельскохозяйственные товары (лифты, заводы по производству этанола, кормовые площадки), испытывают значительное снижение доходов во время сильной засухи. Это может привести к закрытию бизнеса, потере налоговых поступлений для сельских муниципалитетов и ускоренному обезлюдению сельских округов Великих равнин.

На товарных рынках засуха в Великих равнинах имеет глобальные последствия. США являются ведущим экспортером кукурузы, пшеницы и сои. Крупный дефицит производства рябит по глобальным цепочкам поставок продовольствия, способствующий повышению цен на продовольствие во всем мире. Для внутренних потребителей засуха повышает цены на говядину, свинину и птицу на розничном уровне, а также на переработанные продукты, содержащие кукурузу и производные сои. Взаимосвязанный характер современной сельскохозяйственной экономики означает, что засуха в центральных равнинах может влиять на все: от стоимости гамбургера в Токио до цены тортильи в Мехико.

Экологическая деградация

Помимо экономических последствий, засуха наносит тяжелый урон экологическим ресурсам равнин. Эрозия ветра, определяющая экологическую катастрофу 1930-х годов, остается мощной угрозой. Когда верхний слой почвы высыхает и посевы выходят из строя или пахнут под ним, почва становится уязвимой для ветров высокого уровня равнин. Пылевые бури, известные как «хабубы», переносят мелкие частицы почвы, органическое вещество и питательные вещества на тысячи миль, ухудшая производительность исходного поля и способствуя снижению рисков для качества воздуха. PM10 и PM2.5 твердые частицы из сельскохозяйственной пыли являются документально подтвержденным риском для здоровья населения.

Засуха также усугубляет истощение водоносного горизонта Огаллала. В засушливые периоды спрос на орошение резко возрастает, в то время как естественная подпитка практически прекращается. Это создает постоянное сокращение запаса воды, который не может быть восстановлен в человеческом масштабе времени. Потеря запасов подземных вод снижает способность региона буферизировать против будущей засухи, создавая положительную обратную связь с растущей уязвимостью. Качество поверхностных вод также страдает; низкие потоки рек концентрируют загрязняющие вещества и соли, нанося ущерб водным экосистемам и потенциально нарушая стандарты качества воды для пользователей нижнего течения.

Стратегии адаптации и смягчения

В ответ на постоянную угрозу засухи сельскохозяйственные производители, исследователи и политики разработали набор стратегий, направленных на снижение риска и повышение устойчивости. Эти стратегии охватывают агрономические практики, технологии управления водными ресурсами, биологические инновации и политические рамки.

Здоровье почвы и сохранение влаги

Строительство здоровой почвы является краеугольным камнем засухоустойчивости. Системы дождевой обработки и минимальной обработки почвы были широко приняты на равнинах, чтобы оставить остатки сельскохозяйственных культур на поверхности. Этот остаток действует как защитная мульча, снижая температуру почвы, замедляя испарение и улучшая инфильтрацию воды. Было показано, что принятие земледелия без дождевой обработки в сочетании с разнообразными севооборотами, которые включают покровные культуры, значительно увеличивает содержание органического вещества в почве. Более высокое органическое вещество улучшает водоудерживающую способность почвы - каждое увеличение на 1% органического вещества может содержать дополнительные 20 000 - 25 000 галлонов доступной для растений воды на акр.

Покровные культуры, такие как круповая рожь, волосатая ветча или зимний горох, высаживаются между сезонами товарных культур для защиты почвы и строительства органического вещества. Однако в системах засушливого земледелия покровные культуры также потребляют воду, поэтому их необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать ухудшения дефицита влаги для последующего товарного урожая. Это управление «зеленым мостом» требует тщательного учета водных бюджетов и является предметом активных исследований, особенно в полузасушливых западных равнинах.

Технологии управления водными ресурсами

Для орошаемого сектора повышение эффективности применения воды является основной стратегией адаптации. Орошение с переменной скоростью (VRI) позволяет центроразворотам применять различные количества воды к различным частям поля на основе типа почвы, топографии и содержания влаги, обеспечивая правильное количество, где это необходимо. Датчики влажности почвы и датчики напряжения воды на полях (например, на основе температуры навеса) обеспечивают информацию в режиме реального времени, основанную на данных, для оптимизации времени и глубины орошения, помогая производителям перейти от фиксированного графика к рефлексивному, научному подходу.

Дефицит ирригации, стратегия, в которой вода намеренно применяется ниже требований к полному эвапотранспирации урожая, также набирает обороты. Вместо того, чтобы пытаться максимизировать урожайность на акр, дефицитное ирригация направлена на максимизацию урожайности на единицу воды. Это особенно актуально в регионе Огаллала, где продление экономической жизни снижающегося водоносного горизонта является основной целью. На стороне инфраструктуры, преобразование из систем доставки с открытой отдачей в подземные трубопроводы снижает потери транспортировки и использование управляемых водоносных горизонтов пополнения — отвлечение избыточных поверхностных потоков в течение влажных лет к преднамеренному перезарядке бассейнов подземных вод — представляет собой долгосрочные инвестиции с высоким уровнем заемных средств в водную безопасность.

Генетические улучшения и диверсификация культур

Селекционеры растений добились значительного прогресса в разработке сортов сельскохозяйственных культур с улучшенной толерантностью к засухе. Эти генетики включают в себя черты более глубоких корневых систем, лучшую осмотическую регулировку, улучшенную эффективность использования воды и более раннюю зрелость, чтобы избежать позднего сезона стресса. Хотя нет «серебряной пули» для засухи, устойчивое постепенное продвижение зародышевой плазмы предоставило фермерам инструменты, которые работают значительно лучше, чем те из поколения назад. Современная гибридная кукуруза, разработанная для западных равнин, например, демонстрирует гораздо более низкое сопротивление урожайности при умеренном стрессе, чем старые линии.

Помимо улучшения существующих культур, диверсификация культур является критическим инструментом управления рисками. Замена некоторых акров кукурузы соргом, урожай, естественно адаптированный к жарким, сухим условиям из-за его пути фотосинтеза C4 и глубокой, волокнистой корневой системы, снижает общий риск. В качестве альтернативных кормовых культур исследуются тёплые сезонные травы, такие как жемчужное просо и кормовая свекла. Интеграция культур двойного назначения, таких как пшеница, которая может быть выпасена скотом весной, а затем собрана для зерна, обеспечивает биологическую изгородь от одноточечного сбоя в системе.

Будущий прогноз

Прогнозы климатических моделей в сочетании с реальностью истощения природных ресурсов рисуют картину региона, сталкивающегося с повышенным гидрологическим и сельскохозяйственным стрессом в ближайшие десятилетия. Активная адаптация на системном уровне является не просто вариантом, а необходимостью.

Прогнозируемые тренды и сложные события

Климатические модели из Шестого оценочного доклада МГЭИК (AR6) прогнозируют более теплое будущее Великих равнин по всем сценариям выбросов. В то время как прогнозы по суммарным годовым осадкам более неопределенны, частота и интенсивность засухи, как ожидается, увеличатся. Это в первую очередь связано с термодинамическим фактором увеличения спроса на испарение. Даже при «нормальных» осадках почвы будут высыхать быстрее. Модели предполагают растущий риск «сопутствующих» волн тепла и засухи, которые наносят исключительный ущерб сельскому хозяйству. Эти сложные события усиливают стресс на сельскохозяйственных культурах и скоте за пределами того, что любая из опасностей вызовет в изоляции и может перегрузить способность сельскохозяйственных систем справляться с трудностями.

Риск мегазасухи , засухи, продолжающейся два десятилетия или дольше, является значительной проблемой для юго-западного квадранта Великих равнин. Палеоклиматические записи (от колец деревьев) показывают, что такие мегазасухи были естественной чертой климата региона за последнее тысячелетие. Антропогенное потепление значительно увеличивает вероятность мегазасухи, происходящей в современную эпоху, что представляло бы экзистенциальный вызов нынешней сельскохозяйственной конфигурации региона.

Стратегические пути адаптации

В перспективе сельскохозяйственная система Великих равнин должна претерпевать значительные преобразования. Это предполагает управление переходом от ирригационной экономики на основе грунтовых вод к экономике преимущественно засушливых земель или экономике орошения с дефицитом в таких регионах, как южные Высокие равнины. Стратегии включают в себя уход на пенсию маргинальных орошаемых земель и преобразование их обратно в местные пастбища или в интегрированные системы растениеводства-животноводства, которые отдают приоритет здоровью почвы и сохранению воды.

Инвестиции в управление водными ресурсами будут иметь первостепенное значение. Это включает в себя внедрение распределения насосов, создание районов сохранения подземных вод с регулирующими органами и создание рыночных механизмов для передачи воды, которые уважают потребности сообщества и воздействие третьих сторон. Законопроект о фермах будет оставаться ключевым рычагом политики, способным направлять стимулы на принятие проверенных методов сохранения и укреплять федеральную программу страхования урожая, чтобы отразить повышенный профиль риска. Будущее Великих равнин как глобально значимого региона, производящего продовольствие, зависит не от возвращения к дозасуха базовому уровню, которого больше нет, но от создания устойчивой системы, которая может поглощать потрясения и поддерживать производительность в рамках физических и экологических ограничений этого замечательного, сложного ландшафта.