Waarom water broodnodig is Dirk Raes, Sam Geerts, Eline Vanuytrecht Afdeling Bodem- en Waterbeheer

Transcriptie

1 Waarom water broodnodig is Dirk Raes, Sam Geerts, Eline Vanuytrecht Afdeling Bodem- en Waterbeheer Water en voedselproductie Om voedsel te produceren is enorm veel water nodig. Gedurende een volledige levenscyclus verdampt een gewas gemakkelijk een paar miljoen liter water per hectare via zijn huidmondjes. Tegelijk absorbeert het gewas via diezelfde weg ook tonnen CO 2 die via fotosynthese omgezet worden in carbohydraten, de bouwstenen voor biomassa. De hoeveelheid water die nodig is om voedsel te produceren, wordt uitgedrukt als de verhouding tussen het oogstbare gedeelte van de biomassa (in kilogram) en het volume water dat de gewassen verdampen tijdens hun groeicyclus (in liter). Deze verhouding, de gewas-waterproductiviteit, varieert tussen een paar honderd liter water voor 1 kilogram verse groenten en à liter water voor 1 kilogram graan. Het is dan ook niet verwonderlijk dat er per dag gemiddeld liter water nodig is om het voedsel van één persoon te produceren. Als vlees een belangrijk deel uitmaakt van het dieet, kan die hoeveelheid oplopen tot liter water per dag per persoon. De landbouw profileert zich dan ook als de grootste slokop (70 %) van water in de wereld. Met al dat water worden voedsel en vezels geproduceerd. De wereld heeft dus dorst omdat hij honger heeft. Waterschaarste Door de exponentiële stijging van de wereldbevolking en de verandering van dieet (grotere vleesconsumptie) schat de Landbouw- en Voedselorganisatie van de Verenigde Naties (FAO) dat in de komende vijftig jaar de vraag naar voedsel zal verdubbelen. Dat betekent dat er ook tweemaal zoveel water nodig zal zijn om al dat voedsel te produceren. Goed nieuws is dat het jaarlijks hernieuwbare zoetwatervolume op aarde meer dan voldoende is om de beoogde voedselproductie te realiseren. Slecht nieuws is dat de zoetwatervoorraden niet mooi verdeeld zijn over de verschillende streken op aarde. Het Internationaal Instituut voor Waterbeheer (IWMI) bracht de gebieden in kaart die kampen met fysische (uitgeputte watervoorraad) of economische (gebrek aan menselijke of financiële capaciteit om watervoorraden te exploiteren) waterschaarste. In de nabije toekomst zal ongeveer de helft van de wereldbevolking leven in gebieden met waterschaarste. i

2 Gebieden met fysische en economische waterschaarste (IWMI, 2007) More crop per drop Om de waterschaarste aan te pakken kan men beroep doen op alternatieve watervoorraden zoals zoutwater of afvalwater. Omdat gewassen geen zout irrigatiewater verdragen, moet zout water eerst ontzilt worden. Dat vraagt ontzettend veel energie en is economisch niet haalbaar voor de landbouw. Het duurzaam gebruik van afvalwater als irrigatiewater op grote schaal wordt dan weer afgeremd door de hoge kosten voor waterzuivering en kwaliteitscontrole. Een betere oplossing om de waterschaarste aan te pakken, bestaat erin overtollige neerslag tijdens het regenseizoen op te slaan. Nu verdwijnt dat regenwater in bepaalde regio s vaak via de rivieren naar de oceanen. Vandaag gebeurt er heel wat onderzoek naar hoe deze neerslag geoogst kan worden. Eenvoudige ingrepen op het veldbeheer kunnen al helpen om wat extra water op te slaan in de wortelzone zodat gewassen korte droogteperiodes kunnen overbruggen. Als alternatieve oplossing voor het waterprobleem wordt ook ingezet op de ontwikkeling van waterstress-tolerante gewasvariëteiten. Maar het is een werk van lange adem en op korte tijd kan men geen spectaculaire resultaten verwachten. Een ander antwoord op de waterschaarste bestaat erin de gewas-waterproductiviteit te verhogen, zodat men met minder water meer voedsel kan produceren. Een aangepast waterbeheer maakt het mogelijk om de gewasproductiviteit sterk te doen stijgen. De ii

3 slagzin more crop per drop verwoordt bondig de doelstelling van het onderzoek dat hierover loopt binnen de afdeling Bodem- en Waterbeheer. AquaCrop In samenwerking met FAO werd het gewas-waterproductiviteitsmodel AquaCrop ontwikkeld. Centraal in het model staat de bodemwaterbalans in de wortelzone die continu het evenwicht weergeeft tussen de waterinstroom en de waterverliezen. Met behulp van stresscoëfficiënten worden de gewasontwikkeling en -verdamping gekoppeld aan de bodemwaterbalans. Het hart van het AquaCrop model is de lineaire relatie tussen de hoeveelheid water die verdampt wordt door een gewas en de hoeveelheid biomassa die geproduceerd wordt. De oogstindex, die verandert onder invloed van de droogtestress die een gewas ondervindt, bepaalt vervolgens het oogstbare deel van de gesimuleerde biomassa (bessen, granen,...). Na een wereldwijde kalibratie en validatie voor een aantal belangrijke landbouwgewassen is AquaCrop nu beschikbaar op het web ( Gebruikers beschrijven de specifieke omgeving waarin het gewas groeit (weersgegevens, bodemkarakteristieken, type veldbeheer (bemesting, irrigatie, )) waarna AquaCrop de biomassaproductie en oogstopbrengst simuleert voor het geselecteerde gewas in de specifieke omgeving. AquaCrop vormt een uitgelezen instrument om strategieën uit te testen om de waterproductiviteit van gewassen te optimaliseren. De resultaten van dat onderzoek leiden na intensieve modellering onder meer tot eenvoudige irrigatiekalenders die, rekening houdend met wisselende weersomstandigheden, aangeven hoe landbouwers hun irrigatiewater efficiënt kunnen aanwenden. Het model laat ook toe om het effect op oogst en waterproductiviteit te bestuderen van verschillende types veldbeheer of van veranderingen in de plantdatum en de lengte van de groeicyclus. Als er in een regio iii

4 onvoldoende irrigatiewater beschikbaar is, kan er via het model nagegaan worden of een alternatieve aanpak (zoals deficit irrigatie) de waterproductiviteit kan verhogen. Onderzoek van de waterproductiviteit van lokale maïsvariëteiten in Zimbabwe Deficit irrigatie als optimalisatiestrategie Deficit irrigatie vormt een van de strategieën om de gewas-waterproductiviteit te optimaliseren. In periodes van het groeiseizoen waarin gewassen stresstolerant zijn, krijgen ze bewust te weinig water. Omdat niet voldaan is aan de waterbehoefte van de planten, kampen de gewassen met droogtestress wat resulteert in productieverlies. Tijdens de meest kritische groeistadia, zoals bloei en vruchtzetting, zorgt de landbouwer er echter wel voor dat de planten geen droogtestress ondervinden. Deficit irrigatie leidt op die manier tot een minder ontwikkeld gewas en dus onvermijdelijk tot een zekere oogstvermindering. Maar de hoeveelheid oogst per eenheid verbruikt water (gewaswaterproductiviteit) is wel optimaal. Het water dat uitgespaard werd, kunnen landbouwers gebruiken om extra velden te irrigeren of voor huishoudelijke of industriële doeleinden. Recent onderzoek bevestigt dat deficit irrigatie de gewas-waterproductiviteit sterk kan doen stijgen terwijl het oogstniveau enkel matig daalt. Sinds enkele jaren loopt er veldonderzoek naar de gewas-waterproductiviteit van quinoa, in het kader van een VLIR UOS project in Bolivia. Quinoa is het basisvoedsel van de bevolking op de Boliviaanse Hoogvlakte (Altiplano) en is erg voedzaam. Zeer variabele weersomstandigheden veroorzaken vaak oogstverliezen in de streek, maar de geringe watervoorraden sluiten volledige irrigatie uit om de productie van quinoa te verhogen. Deficit irrigatie maakt het iv

5 echter mogelijk om watergiften strategisch te plannen. Zo kunnen de lokale boeren hun oogsten stabiliseren rond een niveau van 1,6 ton per hectare, en dat met minder dan de helft van het irrigatiewater dat nodig is voor volledige irrigatie. Quinoa op de Boliviaanse hoogvlakte Om deficit irrigatie correct toe te passen is een grondige kennis nodig over de gewasverdamping, de gewasrespons op watertekorten in verschillende groeistadia en de economische impact van oogstvermindering. Als aanvulling op veldproeven vormen softwaremodellen zoals AquaCrop erg goede hulpmiddelen om al de nodige kennis te vergaren. De klimaatverandering De klimaatverandering is onafwendbaar en uit zich op verschillende manieren: verhoogde temperaturen, gewijzigde neerslagpatronen en verhoogde CO 2 -concentraties in de lucht. Deze effecten hebben een niet te verwaarlozen effect op de ontwikkeling van planten en beïnvloeden op die manier ook de bodemwaterbalans en de waterhuishouding op grotere schaal. Om ook in de toekomst de gewasontwikkeling en bodemwaterbalans correct te kunnen simuleren, wordt momenteel gewerkt om AquaCrop aan te passen voor de invloed van de klimaatverandering. Binnen het labo voor Bodem- en Waterbeheer wordt met de steun van het FWO nagegaan welk effect de verschillende aspecten van de klimaatverandering hebben op de gewasontwikkeling en hoe AquaCrop bijgewerkt kan worden om die effecten correct te simuleren. Verhoogde luchttemperaturen en gewijzigde neerslagpatronen vragen geen grote aanpassingen aan het model. Scenario s voor deze klimaatvariabelen, die via klimaatmodellen gegenereerd worden, kunnen eenvoudig als gewijzigde input ingevoerd v

6 worden. Verhoogde CO 2 -concentraties in de atmosfeer vragen wel om een bijsturing van het model. Meer CO 2 in de lucht zorgt ervoor dat gewassen hun huidmondjes meer gesloten kunnen houden om dezelfde hoeveelheid CO 2 op te nemen. Een direct gevolg is dat de gewastranspiratie, die via dezelfde weg verloopt, vermindert per eenheid bladoppervlakte en dat tegelijk de gewasgroei en biomassaproductie verhogen. Secundaire effecten kunnen er evenwel voor zorgen dat de totale gewastranspiratie niet substantieel daalt. Dankzij de winst aan biomassa verbetert de gewas-waterproductiviteit wel onder invloed van hogere CO 2 -concentraties. Ook de oogstindex verbetert lichtjes, met een hogere opbrengst als gevolg. Al deze CO 2 -effecten zullen ingebouwd worden in AquaCrop, waarna het mogelijk is om de gecombineerde (en mogelijk tegengestelde of net versterkende) effecten van een verhoogde luchttemperatuur, een gewijzigde neerslagpatroon en een verhoogde CO 2 -concentratie op de gewasontwikkeling na te gaan. Wijzigingen in de gewasgroei veroorzaken veranderingen in de bodemwaterbalans, die op grotere schaal een invloed kunnen hebben op de oppervlakkige afstroming, de grondwateraanrijking, en overstroming- en droogterisico s in bepaalde regio s. Voor dit deel van onderzoek werkt de afdeling Bodem- en Waterbeheer samen met de collega s burgerlijk ingenieurs. Het team van professor Patrick Willems van de afdeling Hydraulica van het departement Burgerlijke Bouwkunde heeft expertise in de modellering van de effecten van de klimaatverandering op hydrologische processen. Tot nu toe ging men er bij de modelleringen steeds vanuit dat de eigenschappen van vegetatie in de hydrologische bekkens niet zouden veranderen onder invloed van de toekomstige klimaatwijziging. Door de gewijzigde gewasgroei, zoals gesimuleerd door AquaCrop, wel te verwerken in hydrologische modellen, kan de invloed van de klimaatverandering op de hydrologische cyclus meer accuraat blootgelegd worden. vi