Závlahy při změně klimatu

Nezbytnost a rozsah

Zavlažováním se rozumí operace a postupy používané k umělému dodávání potřebné vody pro plodiny, zejména v obdobích, kdy není dostatek srážek a půda má nedostatek vody. Tyto metody umožňují lidem mít zdroj potravy nezávislý na snížených srážkách, jako například během období sucha v tropických a subtropických oblastech. Zavlažování se zdá jako jednoduchý postup; je však třeba vzít v úvahu mnoho faktorů. Za prvé, dostupnost vodních zdrojů je zásadní. Kvůli znečištění může být nalezení dobrého zdroje vody pro zavlažování náročné [1]. Přibližně 70 % sladkovodních globálních zdrojů se využívá na zavlažování [2]. Odběr vody ze sladkovodních zdrojů se zintenzivňuje kvůli rostoucí poptávce po potravinách. Ze všech regionů nejvíce zavlažování odpovídá nejvíce zalidněným zemím (Čína, Indie) a USA.

Změna klimatu vyvolaná zavlažováním

K uspokojení potřeby potravin se provádí buď rozšiřování orné plochy, nebo intenzifikace rostlinné výroby na stávající půdě. Intenzifikace zahrnuje moderní pěstební technologie, které využívají zavlažování a podle posledních zpráv zvyšují produkci nejméně dvakrát [4,5]. Na druhou stranu s rostoucím zavlažováním roste vyčerpávání sladkovodních zdrojů, což negativně ovlivňuje biodiverzitu těchto ekosystémů.

Dopad zavlažování na změnu klimatu stále není dobře znám ve všech klimatických podmínkách a v mnoha zemědělských oblastech chybí informace. Některé nedávné analýzy vzorců vypařování prokázaly regionální změny klimatu [6]. V zemědělství mění zavlažování vlhkost a teplotu v blízkosti povrchu půdy. Dopad zavlažování je obtížně hodnocen, navzdory rozšíření zavlažovacích postupů po celém světě. Odpařování vody v atmosféře závisí na několika faktorech, jako je sluneční záření, teplota, vlhkost vzduchu a vítr, nadbytečné množství vody v atmosféře ovlivňuje klima změnou struktury a průběhu srážek, což dále ovlivňuje dostupnost vodní zdroje. Tepelné toky na úrovni půdy jsou silně ovlivněny zavlažováním. Předpokládá se také, že tyto změny ovlivňují produkci konvektivních srážek, jak to lze pozorovat například ze vzoru událostí krupobití v některých oblastech, které se rozšířily v čase a prostoru. Celkově se přenos tepla a vody v atmosféře mění ve vysoce zavlažovaných oblastech, což má silný dopad na životní prostředí a mění klima. Udržitelné zavlažování musí brát v úvahu všechny faktory počínaje potravinovou bezpečností, dopadem na hydroklima, kvalitou vody, dopadem na půdu a spotřebovanou energií.

Důležitá otázka souvisí se zdroji vody. Nárůst poptávky po vodě vede k vyšší potřebě budování infrastruktur schopných zadržovat vodu, jako jsou nádrže, přehrady. Voda většinou pochází z toků řek, její využití v zemědělství tedy může ovlivnit nejen ekosystémy, ale i výrobu vodní energie, může zvýšit povodňová rizika a znamená dodatečné provozní náklady, proto je v této věci vodní hospodářství důležitou otázkou. Nedostatek srážek v důsledku klimatických změn zároveň ovlivňuje a vytváří tlak na sladkovodní zdroje.

Intenzifikace zavlažování má za následek zvýšenou aplikaci pesticidů a hnojiv, které se vyluhují ve vodním cyklu a ovlivňují kvalitu vody. To má vliv na ekosystém a má velká rizika pro lidské zdraví ovlivňující kvalitu vodních zdrojů. V důsledku zvýšené evapotranspirace se soli koncentrují na povrchu půdy, jsou pak transportovány vodou nebo pouze zvyšují salinitu půdy a vystavují rostliny stresu ze zasolení. Zasolování půdy vede k degradaci půdy a snížení úrodnosti, což přímo ovlivňuje výnos, protože množství vody, které se dostane k rostlinám, je omezeno akumulací solí v půdě. Plánování zavlažování musí také vzít v úvahu tyto aspekty, aby se dosáhlo lepšího řízení kvality vody a úspěšného výsledku zavlažování plodin.

Zvláštní případ je u rostlin používaných jako BECCS (bioenergie se zachycováním a ukládáním uhlíku). Jedná se o rychle rostoucí druhy pěstované a jejich biomasa se využívá k výrobě energie a zároveň zachycuje velké množství oxidu uhličitého z atmosféry. Celkově se předpokládá, že růst rostlin má dobrý potenciál sekvestrace CO₂ a dodává důležité množství energie. Na druhé straně pěstování takových plodin v podmínkách změny klimatu vyžaduje velké množství vody, což konkuruje jiným plodinám a vyvolává vodní stres. Očekává se, že plantáže na biomasu zvýší vodní stres v půdě více než změna klimatu až o 20 % až na přibližně 90 % rozlohy půdy v přístím století [8], především v hustě osídlených oblastech.

Vliv změny klimatu na zavlažování

V důsledku globálního oteplování se výskyt srážek mění, což zvyšuje vodní stres také v oblastech, které jsou zavlažovány. Zvýšené teploty jsou spojené s tepelným stresem plodin a klesajícím výnosem. Současně se snižuje odpařování a zvyšují se úrovně atmosférického CO₂, takže v teplejším klimatu by plodiny potřebovaly více vody. Nejvyšší citlivost na změnu klimatu lze tedy očekávat v případě plodin bez závlahy.

Studie ukázaly, že ke zmírnění klimatických změn nestačí pouze zavlažování. Ani plánované a vysoce kontrolované strategie zavlažování nebyly schopny vést v některých oblastech k maximálnímu zvýšení výnosu [7]. Zavlažované plodiny obvykle poskytují nižší výnosy, než jsou potenciální výnosy, protože rostliny jsou vystaveny dalším faktorům, z nichž některé přímo souvisejí se změnou klimatu (např. bez zohlednění dostupnosti vodních zdrojů, ekonomických omezení).

Potřeba vody rostlin se mění v podmínkách klimatických změn. Některé faktory mění délku růstových fází rostlin až do zralosti, takže změna fenologie plodin ovlivňuje nároky na vodu a může ovlivnit výnos. To je důvod, proč je zapotřebí dobré řízení zavlažování, aby byly uspokojeny potřeby plodin navzdory klimatickým podmínkám. V další kapitole probereme osvědčené postupy pro řízení zavlažování.

Udržitelné zavlažování

Voda používaná k zavlažování může mít různé zdroje. Využívají se především sladkovodní pozemní zdroje (např. řeky, jezera); v některých případech je odpadní voda upravena tak, aby mohla být použita pro zavlažování, nebo dokonce mořská a oceánská voda může být odsolována za stejným účelem. Technika zavlažování závisí především na plodině, ale také na energetické náročnosti a dalších faktorech, které jsou většinou závislé na nákladech. Proto by byla i účinnost zavlažování jiná; bylo zjištěno, že nejúčinnější je kapkové zavlažování, po kterém následuje postřikovač a povrchové zavlažování.

Největším problémem v této situaci je, že většina realizovaných závlah není udržitelná, což znamená, že spotřeba vody silně vyčerpává zásoby sladké vody. Mezi příklady neudržitelných postupů můžeme jmenovat negativní dopady na vodní ekosystémy a degradaci půdy a toků, které ohrožují bezpečnost vody a potravin. Na základě těchto vlivů by měla být zvážena nová opatření k omezení negativních vlivů, čímž se zavlažování stane udržitelnějším. Tyto postupy zahrnují snížení poptávky po vodě přizpůsobením plodin a vytvořením rostlin odolných vůči suchu, zvýšením efektivity využívání vody a udržením vlhkosti půdy snížením odpařování a zvýšením infiltrace vody (např. účinnost zavlažovacích systémů, zavádění dešťové vody pro doplnění sladkovodních zdrojů pro zavlažování, využívání obnovitelných zdrojů energie k provozu zavlažovacích systémů).

V současné době se zvažují dva přístupy pro implementaci udržitelného zavlažování v podmínkách změny klimatu:

• řešení založená na půdě – jsou prováděna ve spojení s fyzikálními faktory, které určují výnos a efektivitu plodin. Tato řešení jsou určena pro:

  • zvýšit vlhkost půdy snížením výparu a snížením vystavení půdy slunečnímu záření,

  • zlepšit zadržování vody v půdě,

  • používat účinné zavlažovací techniky k udržení mírného vodního stresu pro rostliny a využívat alternativní zdroje zelené energie k provozu zavlažovacích systémů a také přijímat techniky zaměřené na sběr dešťové vody,

  • využívat technologie, které zlepšují zadržování vody v půdách.

• Řešení založená na plodině:

  • zvýšit odolnost rostlin vůči stresu ze sucha,

  • zvýšit efektivitu využití vody v rámci rostliny,

  • pěstovat plodiny, které lépe hospodaří s vodou.

Rozšíření zavlažování by mohlo negativně ovlivnit mnoho úrovní, ovlivnit bezpečnost produkce potravin, životní prostředí (hydroklimatická zpětná vazba, vodní zdroje a jejich kvalitu), zasolování půdy a tak dále.

Další udržitelnou variantu pro pěstování plodin pod závlahou představují skleníky, které jsou řízeny automatickými systémy, které řídí spotřebu vody a zvyšují efektivitu její aplikace pro maximální produktivitu.

Závěr

Mnoho oblastí bylo ovlivněno změnou v distribuci srážek a teplotním vzorci v důsledku intenzivního zavlažování. Více vody v půdě zvyšuje rychlost evapotranspirace a mění energetickou bilanci na této úrovni, což vede ke změně teplotních gradientů, a tím i přenosu tepla v atmosféře. Navzdory snížení účinků vysokých teplot vytváří vlhkost vznikající ze zavlažování teplejší klima v důsledku zvýšené vlhkosti vzduchu. To představuje hydroklimatickou zpětnou vazbu zavlažování. Intenzivní zavlažování může také vyvolat zvýšenou salinitu v půdě v důsledku zvýšené rychlosti odpařování, přičemž slanost půdy má většinou negativní dopad na plodiny.

U udržitelných závlahových systémů je nutné zvážit všechny výše uvedené aspekty související s vnějšími faktory. Plánování zavlažovacích systémů pro různé plodiny obvykle bere v úvahu typ plodiny a klimatické faktory. V rámci změny klimatu je však třeba zvážit více aspektů, aby bylo dosaženo udržitelných postupů zavlažování, jako například:

• Volba rostlin vhodných pro danou oblast s ohledem na klimatické podmínky a vodní zdroje pro zavlažování,

• Větší pozornost by měla být věnována hydroklimatické zpětné vazbě a měnícím se vzorcům přenosu tepla v zavlažovaných oblastech,

• Zohlednění vlivu dalších abiotických faktorů, jako je tepelný stres a stres ze zasolení půdy, volba odolných plodin; střídání plodin a diverzifikace plodin,

• Optimalizace infrastruktury prozadržování vody,

• Efektivní aplikace agrochemikálií (např. pesticidů, hnojiv),

• Ekonomická optimalizace zavlažování,

• Implementace výše uvedených opatření jako celku.

Zdroje

1. Cai, X. Risk in Irrigation Water Supply and the Effects on Food Production, Journal of the American Water Resources Association (JAWRA), 2005, 41(3), 679-692, https://doi.org/10.1111/j.1752-1688.2005.tb03763.x

2. Corinsh, G.A., Kielen, N.C. Wastewater irrigation – hazard or lifeline? Empirical results from Nairobi, Kenya and Kumasi, Ghana, in Wastewater use in irrigated agriculture: confronting the livelihood and environmental realities, 2004, pp.69-79, https://doi.org/10.1079/9780851998237.0069

3. Rosa, L. Adapting agriculture to climate change via sustainable irrigation: biophysical potentials and feedbacks. Environmental Research Letters, 2022, 17(6), 063008, https://orcid.org/0000-0002-1280-9945

4. Nocco, M.A.; Smail, R.A.; Kucharik, C.J. Observation of irrigation-induced climate change in the Midwest United States, Global Change Biology, 2019, 25(10), 1-13, https://doi.org/10.1111/gcb.14725

5. World Bank 2022 Water in agriculture available at: www.worldbank.org/en/topic/water-in-agriculture#1(Accessed March 2022)

6. Nocco, M.A.; Smail, R.A.; Kucharik, C.J. Observation of irrigation-induced climate change in the Midwest United States, Global Change Biology, 2019, 25(10), 3472-3484, https://doi.org/10.1111/gcb.14725

7. Kaini, S.; Harrison, M.T.; Gardner, T.; Nepal, S.; Sharma, A.K. The impact of climate change on the irrigation water demand, grain yield of wheat crop in Nepal, Water, 2022, 14, 2728, https://doi.org/10.3390/w14172728

8. Stenzel, F.; Greve, P.; Lucht, W.; Tramberend, S.; Wada, Y.; Gerten, D. Irrigation of biomass plantations may globally increase water stress more than climate change, Nature communications, 2021, 12, 1512, https://doi.org/10.1038/s41467-021-21640-3

9. Nikolaou, G.; Neocleous, D.; Christou, A.; Kitta, E.; Katsoulas, N. Implementing sustainable irrigation in water-scarce regions under the impact of climate change, Agronomy, 2020, 10(8), 1120, https://doi.org/10.3390/agronomy10081120