图片来源：美国宇航局
每天——实际上一天多达 30 次——Mark Mason 在加利福尼亚州蒙特雷县的 Nature's Reward Farms 的一名员工都会给他带来土壤测试的结果以供讨论。
梅森负责监督该农场沿加利福尼亚中央海岸的 5,000 英亩土地的施肥和灌溉，该海岸被称为“美国沙拉碗”，是世界上产量最高、种类最多的农业区之一。这些土壤测试结果是他最新工具之一的关键输入：CropManage，该工具由加州大学合作推广部运营，并使用来自 NASA 和其他来源的数据来创建定制的灌溉和施肥建议。除了对作物生长进行卫星测量外，它还可以测量当地天气、土壤特征和灌溉系统效率。
“CropManage 向外出并提取土壤样本的人提供建议，”梅森解释说。 “他得到结果，然后和我讨论。我知道田地的样子，所以我会采纳 CropManage 的建议，并根据我对灌溉方法、收获时间、土壤类型、作物的外观以及土地历史的了解做出决定一年中的那个时候。”
如果你今天吃了水果、蔬菜或坚果，很有可能它来自加利福尼亚中央海岸的 Nature's Reward Farms 等农场，或者来自附近的中央山谷。这些地区在金州占地 20,000 多平方英里，拥有数千个农场，种植数百种不同的作物，每年生产美国三分之一以上的蔬菜和三分之二的水果和坚果。
但加利福尼亚中部并没有下太多雨。中央山谷的大部分水来自溪流和水库，这些水流和水库收集山区融雪和地下水，这些水储存在地表以下深处的多孔沉积物中。由于气候变化、人类使用和自然变化，这些水源面临越来越大的压力，使水资源管理成为一个复杂且不断发展的问题。监控有多少水可用于种植我们的食品从未如此重要，NASA 的地球观测卫星和合作伙伴计划可帮助农民、水资源管理者和政策制定者监控和分配整个州日益稀缺的水资源。
美国宇航局研究地球淡水的研究人员提出的第一个问题是：水在哪里？由于它不断在水蒸气、雨雪以及地上和地下的水库之间循环，水被美国宇航局的一组卫星跟踪。图片来源：NASA / Katy Mersmann
观察供水
在理想的年份，加利福尼亚的山脉会下大雪，并在冬季和春季积雪。雪作为天然水库，随着春季天气变暖，将水逐渐储存并释放到河流和溪流中。从那里，一个由渡槽、运河和管道组成的系统将水输送到该州较干燥的地区。该州中部地区的许多农民使用这些水来灌溉庄稼，并且还严重依赖井中的地下水。
但并非每一年都是理想的一年。例如，2021 年，极端高温和干旱继续袭击西部。冬季低于平均水平的降水和极少的降雪在春季高温下迅速蒸发，或者融化并浸入因干燥的秋冬而仍然干燥的土壤中。结果，只剩下很少的水来填满水库并滋养山谷深处的植物。该地区的水资源已经分配得很紧，但现在变得更加稀缺，一些农民必须做出艰难的决定，决定哪些作物可以获得这些水。
NASA 研究人员密切观察加州中部的水源，它们如何随时间变化，以及为什么会发生变化——并产生可用于确定如何处理的信息。卫星、机载和实地任务跟踪降雪、降雨、土壤水分含量、地下水枯竭、作物健康和蒸散。通过提供有关进出系统的水量的更好信息，这些指标可帮助农民确定他们需要多少水以及可以获得多少水。
Matt Rodell 是位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心负责水圈、生物圈和地球物理学的地球科学副主任。他使用来自 NASA 的重力恢复和气候实验后续 (GRACE-FO) 任务的数据研究世界各地的地下水。地下水在中央山谷和中央海岸等降水量少且经常面临干旱的地方尤为重要。
“地下水非常重要，因为它通常总是可用的，”罗德尔说。 “它储存了很多年、几十年、几百年或几千年——就像你的储蓄账户。你总是想把水放在一边，这样它就可以在困难时期出现。”
加利福尼亚州是 GRACE 研究人员正在研究的全球热点之一。这是地下水消耗速度快于补给速度的众多地区之一。
“人们变得过度依赖地下水，”罗德尔说。 “理想情况下，就像您的储蓄账户一样，您希望在长期内花费少于投资。但在加利福尼亚，他们使用了如此多的地下水，以至于几十年来地下水位一直在下降。”
美国地质调查局水文学家、圣地亚哥美国地质调查局加州水科学中心地下水可用性和使用部门项目负责人克劳迪娅·法恩特说，加利福尼亚州最近通过了第一个全州地下水监管政策，部分原因是为了应对地下水枯竭的担忧。加利福尼亚。在某些地区，地下水位下降会导致下沉：随着水从下面的沉积物中提取，地表下沉，这些沉积物沉降并压实。
“沉降问题影响了基础设施的其他部分，当水位下降时，水井正在干涸，”Faunt 说。当井枯竭时钻得更深，或钻新井以寻找水源，成本高昂，而且会导致更多的地下水枯竭。
该地区供水面临的其他威胁——如积雪减少和冬季降水模式变化——是由气候变化驱动的。此外，气候变暖会增加蒸散量，从而导致土壤水分不足和植物水分胁迫，并可能影响当地天气。随着降水模式的变化，未来的降雨情景可能会变得越来越极端。在加利福尼亚州和美国西部的其他地区，这可能看起来像干旱，威胁到粮食生产。
在水资源稀缺的季节，由 NASA 数据提供支持的工具可以帮助像马克梅森这样的农民决定在哪里分配水和养分用于灌溉和施肥。图片来源：NASA / Mark Mason
利用 NASA 数据为加州农民服务
为了应对不断变化的条件，加州农民正在寻找新的工具和技术来帮助他们生产美国消费者不断需求的水果、坚果和蔬菜。
除了研究地下水的 GRACE-FO 之外，SMAP（土壤水分主动被动）和 MODIS（中分辨率成像光谱仪）等任务还测量土壤水分和蒸发量，而 GPM（全球降水测量任务）跟踪降雨和降雪。 NASA 和美国地质调查局联合开展的主力 Landsat 计划已测量作物健康和生长近 50 年。此外，NASA 与大学、私营公司、研究机构和其他政府机构合作，创建工具和程序，让所有这些数据发挥作用。通过 NASA Applied Sciences 及其粮食安全和农业计划（包括 NASA Harvest），农民可以访问有用的信息，从而对他们的农场做出更好的决策。
Lee Johnson 是美国宇航局艾姆斯研究中心和加州州立大学蒙特雷湾分校 (CSUMB) 的高级研究科学家。他与 NASA 应用科学项目的 Forrest Melton 以及 NASA Ames 的 Alberto Guzman 和 Will Carrara 合作，支持卫星灌溉管理支持 (SIMS) 系统，这是一个使用公开可用的地球卫星数据和开源模型绘制地图的在线数据平台1/4英亩规模的蒸散量。
“蒸散是水文循环的一个非常重要的部分，但在过去，很多关于它的信息很难获得或昂贵，”约翰逊说。 “每个人都知道降水；它在您手机的主屏幕上。但是蒸散是一种相反的过程。对于想要用它来指导作物生产的种植者来说，这些信息一直很少。如果你不能可靠地衡量它，就很难管理它。”
“对于大多数作物而言，蒸发蒸腾量代表了必须通过灌溉或降水替代的最小水量，以保持作物健康并最大限度地提高作物产量，”梅尔顿说。 “将 SIMS 中的基于卫星的数据与 CropManage 相关联，有助于像 Mark Mason 和他在 Nature's Reward 的团队这样的农民在估算作物的灌溉和肥料需求时无需进行猜测。”
另一个水资源管理工具 GRAPEX（葡萄遥感大气剖面和蒸发蒸腾实验）也使用 Landsat 数据，这一次是为了帮助葡萄园主。热图像和视觉陆地卫星图像为种植者提供有关其葡萄园蒸散量和植物健康状况的信息，并帮助他们确保不会太湿或太干。
NASA Ames 和 CSUMB 的高级软件工程师古兹曼说：“我们工作的目标是想办法将 NASA 的数据交到田间的农民和灌溉者手中，从而帮助提高加州农业的可持续性。”他的职业生涯始于加利福尼亚的领域。 “与 Nature's Reward 等创新生产商合作是确保我们能够获取 PB 级卫星数据并将其转化为可用于日常决策的信息的关键。”
把食物放在桌子上
无论是追踪内华达山脉的第一场冬季降雪，还是帮助加州农民在夏季分配稀缺的水源，NASA 的任务和计划都可以帮助种植者继续生产我们喜欢吃的水果和蔬菜——同时也准备和适应更温暖、更干燥的未来。
