全球约70%的淡水消耗用于农业，对大规模灌溉开发的依赖因此持续扩大，并最终在许多地区提高了作物产量。
但与任何人为造成的土地覆盖变化一样，耕地灌溉的持续扩张也可能带来意料之外的后果。在实施此类人类活动之前，应当充分了解其后果。
在一项新论文中，麻省理工学院土木与环境工程系（CEE）的研究团队考察了大规模耕地灌溉对东非萨赫勒地区杰济拉灌溉工程（Gezira Irrigation Scheme）周边降雨模式的影响。该灌溉工程如今被视为世界上最大的灌溉项目之一。研究人员将理论建模分析与自1930年起数十年间收集的观测证据相结合开展探索，这在以往研究中是前所未有的方法。
该团队研究了60年的降雨、温度和河流流量数据，以实证方式推断灌溉开发对大气的影响。
“大规模灌溉系统的开发，是人类活动在世界许多地区显著改变土地覆盖和环境的一个典型例子，”共同作者、CEE副系主任Elfatih Eltahir教授说，“在所有开发项目中，我们都需要在盲目开发之前，更好地理解我们的行动可能对环境产生的潜在影响。”
根据研究人员基于其调查提出的理论，当大面积土地被灌溉时，地表气温会降低，地表气压会升高。这一反应被推测会减少灌溉土地上的降雨，同时产生一种顺时针环流，并与盛行的区域风相互作用。根据这种相互作用，该理论预测会形成特定的辐合区，从而增加周边部分地区的降雨。
研究人员对区域气候数据完成深入分析后，一致认为，东非萨赫勒地区的大规模灌溉开发持续增加了灌溉土地以东地区的降雨，同时直接减少了灌溉土地上的降雨。
共同第一作者兼CEE博士后研究员Ross Alter表示，降雨和温度的变化在时空上相互吻合，其吻合程度超出了研究团队的预期，几乎与最初的理论完全一致。
“当从理论和观测两方面归因区域气候变化时，我们通常很难获得如此清晰明确的吻合结果，”Alter说。
Eltahir表示，研究团队的发现表明，有必要进一步考量灌溉扩张可能带来的农业、水文和经济影响。
这篇论文今天发表在期刊 《Nature Geoscience》， 由Alter、共同第一作者Eun-Soon Im（任职于新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟，SMART）以及Eltahir共同完成。
量化影响
要界定一种气候，必须考虑至少30年的数据。因此，研究团队选取了1930年至1999年的记录，并留出10年间隔用于灌溉系统的建设，以量化灌溉对环境的影响。
研究的第一步是对数值模拟和建模进行互补分析。作者使用了一种先进的区域气候模型，该模型由Eltahir团队在过去25年间开发，既能表示大气状况，也能表示陆地上的状况，并分别在灌溉和非灌溉条件下进行了模拟。
在这方面，他们的目标是从理论角度量化杰济拉灌溉工程中灌溉土地对降雨的影响。随后，研究人员将其推测与60年间观测到的实际情况进行比较，以验证这些推测。
当研究团队将模拟结果与所收集的实证证据进行交叉比对时，灌溉扩张前后降雨变化的图示显示，杰济拉灌溉工程上空降雨显著减少，而东部土地则出现了明显增加。降雨增加的影响在位于杰济拉以东的盖达里夫（Gedaref）尤为明显。在过去半个世纪里，盖达里夫与杰济拉灌溉工程的扩张同期，降雨充沛，并已发展成为成功的雨养农业区。
这种气候表现与萨赫勒非洲大部分地区持续的干旱形成鲜明对比。
“要确定灌溉对气候的影响，关键在于识别相对变化，而非绝对变化，”Alter解释说，“由于该地区降雨总体上大幅减少，即使两个时期之间的降雨变化较大，甚至没有变化，也仍会被视为增加。”在这种情况下，降雨稳定仍然优于正在经历干旱的地区。
优化效率
尽管研究人员承认灌溉是应对农业挑战的理想方案，但所有人都认同，要实现可持续发展，就必须理解人为造成的土地覆盖变化及其对自然环境的影响。
“这项研究所获得的认识，为理解土地利用和土地覆盖变化对大气的影响提供了更为根本的理解，”Alter说。
研究人员指出，其研究并未考虑除灌溉开发之外、其他扰动气候的可能过程，例如大气化学成分的变化以及由此引发的全球气候变化。
在明确了大规模灌溉开发可能产生的一系列影响之后，研究人员认为，这一关于土地覆盖变化对气候系统影响的新认识，应有助于更严谨地归因全球气候变化的区域和局部影响。
科罗拉多大学高级研究科学家Roger Pielke Sr.（未参与本研究）表示：“虽然有许多研究表明景观具有这类影响，但利用真实世界的观测数据，使这项研究的贡献尤为重要。基于Alter等人的研究，全球灌溉景观，实际上所有受人类改造的景观，都应被认为在地方和区域天气与气候中发挥着重要作用。过去的气候变化评估低估了人类对气候系统的这一影响。Alter等人的论文在拓展我们对人类在气候系统中作用的理解方面，是一项非常重要的贡献。”
“非洲和其他地区无疑迫切需要大规模灌溉，”Eltahir说，“我们现在已经掌握了人为土地覆盖变化可能产生影响的基础认识，并可以在灌溉系统的设计阶段运用这一新知识，而不是等到事后。”
本研究的资金由Masdar Institute与麻省理工学院之间的合作协议提供，并由新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟提供资助。
本文与 MIT News合作发表。发表本文不代表世界经济论坛认同文中观点。
如需及时了解议程动态，请 订阅我们的每周电子邮件简报。
作者：Kelsey Damrad，为MIT News撰稿人。
图片：在塔斯马尼亚岛西北部朗塞斯顿郊外，可以看到农田上空的云层。REUTERS/David Gray
