Irigațiile în condițiile schimbărilor climatice

Scop

Irigațiile se referă la practicile și operațiile utilizate pentru a asigura în mod artificial necesarul de apă al diferitelor culturi, mai ales în perioadele în care cantitatea de precipitații este redusă și există un deficit de apă în sol. De-a lungul timpului aceste practici au permis oamenilor să aibă o sursă de hrană independentă de absența precipitațiilor, cum ar fi de exemplu în sezonul uscat întâlnit în zonele tropicale și subtropicale. Irigarea terenurilor pare o metodă foarte simplă; cu toate acestea vom arăta că există mulți factori ce trebuie luați în considerare. Mai întâi este crucială disponibilitatea unei surse de apă. Găsirea unei surse de apă poate fi o provocare uneori datorită poluării și utilizării apei și în alte direcții decât în agricultură [1]. Aproximativ 70% din sursele globale de apă dulce sunt utilizate în agricultură pentru irigații [2]. Datorită creșterii continue a necesității hranei, s-a intensificat consumul de apă din sursele naturale existente. La nivel global, regiunile cele mai irigate corespund țărilor cele mai populate (China, India) la care se adaugă și Statele Unite.

În acest context este necesară adaptarea tuturor practicilor agricole, inclusiv a irigațiilor, astfel încât acestea să fie adaptate schimbărilor climatice și să nu inducă schimbări climatice.

Schimbări climatice induse de irigații

Pentru a satisface nevoile crescânde pentru hrană, fie se extind suprafețele arabile, fie se intensifică producția pe terenurile arabile existente. În ultimul caz se utilizează tehnologii de cultivare moderne care se bazează și pe irigații pentru creșterea producției de cel puțin două ori așa cum arată studii recente [4,5]. Pe de altă parte, odată cu intensificarea utilizării sistemelor de irigare, crește cantitatea de apă potabilă utilizată preluată din surse naturale, ceea ce influențează negativ biodiversitatea acestor ecosisteme.

Impactul irigațiilor asupra climei nu este complet cunoscut în toate condițiile climatice, deoarece există încă o lipsă a studiilor în majoritatea regiunilor agricole. Unele studii recente asupra evaporării apei la nivelul solului în zonele irigate au evidențiat existența unor schimbări climatice regionale [6]. În agricultură, irigațiile modifică umiditatea și temperatura în apropierea suprafeței solului. Impactul irigațiilor este foarte puțin studiat, în ciuda faptului că irigațiile se extind pe suprafețe mari în toată lumea. Evaporarea apei în atmosferă depinde de mai mulți factori printre care radiația solară, temperatură, umiditatea aerului, mișcarea maselor de aer, surplusul de apă din atmosferă datorat irigațiilor având un impact considerabil asupra climatului local prin modificarea tiparului precipitațiilor și chiar tipul acestora, influențând astfel indirect și cantitatea de apă disponibilă ulterior în sol și sursele naturale. Fluxurile de căldură la nivelul solului sunt puternic afectate de irigații. Se presupune că și aceste modificări duc la producerea precipitațiilor convective, așa cum se poate observa și din tiparele evenimentelor de grindină de exemplu, modificate în multe regiuni de pe glob, și care devin mult mai extinse în timp și spațiu. Ținând seama de aceste lucruri, se poate spune că transferul de căldură și transferul apei în atmosferă sunt modificate în special în zonele irigate extinse și au un impact puternic asupra climei, modificând-o local. Sistemele sustenabile de irigații trebuie să ia în considerare toți factorii implicați, de la securitatea hranei, impactul hidroclimatic, calitatea apei, impactul asupra solului și energia utilizată.

O altă problemă este cea legată de stocarea apei. Creșterea necesarului de apă duce la creșterea necesității realizării unei infrastructuri capabile să depoziteze apă, cum ar fi rezervoarele sau barajele. Această apă provine din cursurile de apă, ceea ce face ca nu doar ecosistemul să fie afectat dar și producerea de electricitate în hidrocentrale, poate duce la creșterea riscului apariției unor inundații, implicând astfel costuri suplimentare operaționale, motiv pentru care managementul apei este extrem de important când vine vorba de irigații. În același timp, lipsa precipitațiilor datorită schimbărilor climatice afectează puternic resursele de apă și exploatarea acestora.

Intensificarea irigațiilor rezultă într-o creștere a aplicării pesticidelor și fertilizatorilor care pătrund ulterior în circuitul apei și o poluează. Acest lucru are un impact negativ asupra ecosistemului și prezintă riscuri mari pentru sănătatea populației deoarece influențează calitatea resurselor de apă. Datorită creșterii evapotranspirației, sărurile se concentrează la suprafața solului, fiind transportate în râuri sau, pur și simplu, crescând salinitatea solului și expunând plantele la stres salin. Salinizarea solurilor duce la degradarea acestora și scăderea fertilității care determină direct scăderea producției culturilor deoarece sărurile acumulate în sol limitează cantitatea de apă care ajunge în plante. Planificarea sistemelor de irigație trebuie să țină seama de toate aceste aspecte pentru un mai bun management al calității apei și un rezultat pozitiv asupra culturii în cazul utilizării sistemelor de irigații.

Un caz special este cel al plantelor utilizate pentru captarea și stocarea carbonului (BECCS – bioenergy with carbon capture and storage). Acestea sunt specii de plante care cresc foarte repede și a căror biomasă este utilizată pentru a produce energie, în același timp ele captând dioxid de carbon din atmosferă. În general se presupune că în timpul creșterii, aceste plante au un potențial bun de reținere a CO₂, asigurând cantități importante de energie. Pe de altă parte, creșterea acestor specii de plante în condițiile schimbărilor climatice necesită cantități mari de apă, fiind în competiție cu alte culturi și inducând stres hidric. Este de așteptat ca plantațiile utilizate pentru biomasă să crească stresul hidric în sol cu de la 20% până la 90% mai mult decât schimbările climatice în următorul secol [8], mai ales în zonele foarte populate și în țările în care se cultivă intens astfel de specii. De aici apare și necesitatea stabilirii și implementării unor politici de utilizare a apei care să limiteze efectele negative ale irigațiilor intense pentru culturile producătoare de biomasă.

Impactul schimbărilor climatice asupra irigațiilor

Datorită încălzirii globale, tiparele precipitațiilor s-au schimbat, crescând stresul hidric pe o arie mare care beneficia înainte de precipitații. Tot datorită schimbărilor climatice se manifestă valuri de căldura puternice, ceea ce duce la creșterea stresului termic asupra culturilor și scăderea productivității acestora. În același timp, scade evaporarea și crește nivelul de dioxid de carbon din atmosferă, astfel încât într-un climat mai cald culturile vor avea nevoie de mai multă apă. Este de așteptat ca, datorită schimbărilor climatice, cele mai sensibile zone să fie cele care se bazau exclusiv pe precipitații pentru creșterea culturilor.

Studiile au arătat că doar folosirea irigațiilor nu este suficientă pentru a lupta cu aceste schimbări climatice. Chiar și în cazul existenței unor strategii extrem de planificate și controlate, cu bază științifică, s-a arătat că acestea nu sunt de ajuns pentru a duce la o creștere maximă a producțiilor în zonele studiate [7]. De obicei în zonele irigate productivitatea este mai mică decât cea maximă posibilă deoarece plantele sunt expuse la alți factori din care mulți sunt legați de schimbările climatice (ex. stres termic, hidric, salin), iar alții rezultă dintr-un management deficitar al irigațiilor care nu ia în considerare toți factorii implicați (de exemplu disponibilitatea resurselor de apă, limitări economice).

Necesarul de apă al plantelor se modifică în condițiile schimbărilor climatice. În primul rând unii factori duc la modificarea parametrilor biometrici și a duratei fazelor de creștere ceea ce duce la modificarea fenologiei culturilor, influențând direct necesarul de apă și astfel productivitatea. De aceea este necesar un management al irigațiilor care să țină seama de nevoile de creștere ale plantelor în ciuda schimbărilor climatice. Vom discuta într-un alt capitol despre cele mai bune practici pentru managementul irigațiilor.

Sustenabilitatea irigațiilor

Apa utilizată pentru irigații poate proveni din resurse diferite, metoda de irigației utilizată depinzând de context. În general se folosesc resurse de apă dulce (râuri, lacuri); în unele cazuri se poate utiliza apa reziduală, tratată astfel încât să poată fi folosită pentru irigații, sau chiar apa din mări și oceane după ce a fost desalinizată în același scop. Tehnica de irigații depinde în general de tipul culturii, dar și de necesarul energetic, trebuind luați în considerare și alți factori de cele mai multe ori economici. Astfel, eficacitatea diferitelor sisteme de irigații diferă de la caz la caz; studiile au arătat că cel mai eficient sistem este cel prin picurare, urmat de cel prin aspersie și irigarea la suprafață.

Cea mai mare problemă a sistemelor de irigații este faptul că nu sunt sustenabile, deoarece consumul de apă depinde foarte mult de resursele de apă existente. Printre efectele negative ale practicilor nesustenabile le amintim pe cele asupra sistemelor acvatice, degradarea solului și cursurilor de apă, toate acestea punând în pericol securitatea apei și cea alimentară. Pe baza acestor efecte trebuie luate noi măsuri care să limiteze efectele negative și să facă irigațiile sustenabile. Practicile de mitigare includ reducerea necesarului de apă prin adaptarea culturilor și crearea de plante rezistente la secetă, creșterea eficienței consumului de apă, menținerea umidității solului prin reducerea evaporării și creșterea infiltrării apei în sol, acestea putându-se realiza folosind tehnologii fără arat (no-till), prin îndepărtarea buruienilor, creșterea eficienței sistemelor de irigații, implementarea de metode de colectare și stocare a apei de ploaie pentru a suplimenta resursele de apă, utilizarea resurselor de energie regenerabilă pentru operarea sistemelor de irigații.

Pentru implementarea unor sisteme de irigații sustenabile în condițiile schimbărilor climatice, sunt luate în considerare în prezent două abordări:

1. soluții legate de sol – acestea sunt legate de factorii fizici care determină producția și eficiența unei culturi. Aceste soluții sunt menite să:

-crească umiditatea în sol prin reducerea evaporării și scăderea expunerii solului la radiația solară

-îmbunătățirea retenției de apă în sol

-utilizarea eficientă a tehnicilor de irigații pentru a nu expune plantele la stres hidric ridicat și utilizarea de surse de energie regenerabilă pentru operarea sistemelor de irigații, precum și utilizarea diferitelor tehnici de colectare și stocare a apei provenite din precipitații

-utilizarea diferitelor tehnologii pentru îmbunătățirea retenției apei în sol

2. soluții legate de plantă – acestea sunt menite să:

-crească rezistența plantelor la secetă

-îmbunătățească productivitate

-utilizeze culturi care se comportă bine la stres hidric.

Extinderea irigațiilor poate avea un impact negativ pe multe planuri, influențând securitatea alimentară, mediul (prin feedback-ul hidroclimatic, resursele de apă și calitatea acestora, energie utilizată, etc.), salinizarea solului și așa mai departe.

O alternativă sustenabilă pentru protejarea culturilor este reprezentată de cultura în sere unde sistemele de irigații sunt automate, reglând controlul de apă și crescând eficiența aplicării irigațiilor pentru o productivitate maximă.

Concluzii

Irigațiile pot avea multe efecte negative, din punct de vedere climatic ducând la modificări locale ale precipitațiilor și temperaturii datorită creșterii cantității de apă din atmosferă datorită evaporării. O cantitate de apă crescută la nivelul solului duce la creșterea ratei evapotranspirației modificând bilanțul energetic la acest nivel și gradientului de temperatură ceea ce duce la modificare transferului de căldură în atmosferă. Chiar dacă reduce efectele temperaturilor crescute asupra plantelor, umiditatea rezultată din irigații produce un climat mai cald prin creșterea umidității aerului. Acesta este feedbackul hidroclimatic al irigațiilor. Irigarea intensivă poate duce și la creșterea salinității solului datorită creșterii ratei de evaporare, salinitatea fiind în detrimentul culturilor.

Pentru realizarea unor sisteme sustenabile de irigații trebuie considerate toate aspectele menționate mai sus legate de factori externi. Planificarea acestor sisteme pentru diferite culturi trebuie să ia în seamă în primul rând tipul de cultură și factorii climatici. În condițiile schimbărilor climatice, o serie de alți factori sunt de asemenea importanți pentru creșterea sustenabilității:

• alegerea unor culturi care să țină seama de condițiile climatice din zona respectivă și resursele de apă pentru irigații

• o atenție deosebită trebuie acordată feedbackului hidroclimatic și tiparelor de modificare a transferului de căldură în zonele irigate

• trebuie luate în considerarea efectele altor factori abiotici legați ce însoțesc schimbările climatice, cum ar fi stresul termic și cel salin, și, pe cât posibil, utilizarea unor culturi care răspund pozitiv la aceste tipuri de stres; rotația și diversificarea culturilor sunt de asemenea măsuri de mitigare

• proiectarea de infrastructuri de colectare și/sau stocare a apei potrivite pentru zona respectivă astfel încât folosirea resurselor de apă să aibă un impact cât mai mic asupra ecosistemelor și a altor activități care beneficiază de respectivele surse de apă

• un mai bun control a aplicării diferitelor substanțe chimice (pesticide, fertilizatori) deoarece acestea se vor trece în sol, fiind purtate în circuitul apei nu doar în zona irigată

• eficiența irigațiilor trebuie evaluată și din punct de vedere economic

• implementarea unor măsuri menite să limiteze și să contracareze efectele negative ale schimbărilor climatice trebuie să țină seama de cât mai mulți factori menționați.

Bibliografie

[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