Jordbruksmark är ofta ett slagfält i kampen mot klimatförändringarna. Solpaneler och energigrödor ställs mot livsmedelsproduktion, medan välmenande politiska val kan skapa incitament för jordbrukare att bruka upp ny mark, vilket släpper ut ännu mer värmefångande gas i atmosfären.
Det är därför strategier för hållbara växtbaserade bränslen fokuserar på marginella marker – fält som är för svåra att odla eller inte ger tillräckligt bra avkastning för att anses vara lönsamma.
Ett nytt verktyg som utvecklats av forskare vid University of Wisconsin-Madison kan hjälpa till att lindra denna spänning.
Under ledning av Yanhua Xie och Tyler Lark, forskare vid Great Lakes Bioenergy Research Center, använde teamet maskininlärning för att kartlägga nästan 30 miljoner hektar odlingsmark i USA som övergivits sedan 1980-talet och skapa ett verktyg som kan vägleda beslut om hur man balanserar produktionen av energi och mat.
Deras resultat, publicerade i tidskriften Environmental Research Letters, inkluderar den mest detaljerade kartläggningen av tidigare odlad mark i USA hittills. De ger upplösning på fältnivå av övergiven jordbruksmark som kan användas för att odla grödor som switchgrass eller sorghum, som kan fånga kol i jorden och fungera som råvaror för biobränslen och ersättningar för petrokemikalier.
”Om vi kan förstå var dessa marker finns och vilka egenskaper de har, kan vi verkligen förstå deras verkliga potential för saker som klimatbegränsning”, säger Lark, en forskare vid UW-Madisons Center for Sustainability and the Global Environment.
Lark, som studerar förändrad markanvändning och dess inverkan på mark- och vattenresurser, säger att denna förståelse kan användas för att rikta investeringar i ren energi dit där de konkurrerar minst med andra användningsområden.
”Det är en viktig tillämpning av detta”, säger Lark. ”Oavsett om det handlar om solceller, jordbrukssolceller, cellulosabaserad bioenergi eller bara återställande av naturliga ekosystem: De här platserna skulle kunna vara utmärkta kandidater för många av dessa tillämpningar.”
Studien var ett samarbete mellan forskare vid UW-Madison och Michigan State University. De resulterande uppgifterna är allmänt tillgängliga i GLBRC: s interaktiva atlas över USA: s odlingsmark, som också kartlägger trender i jordbruksmarkens expansion och bevattning.
Forskare har traditionellt förlitat sig på dataset som USDA: s Census of Agriculture, som ger uppskattningar på länsnivå av jordbruksmark med fem års intervall och kan användas för att uppskatta hur mycket mark som har tagits ur produktion.
Men fram till nu har det inte funnits något sätt att veta exakt var den marken fanns eller när den övergavs.
”De flesta av dessa uppskattningar har gjorts på länsnivå”, säger Lark. ”Det här är verkligen den analys med högst upplösning som finns tillgänglig, där man tittar direkt på landskapet – fält för fält, hektar för hektar – för att se var dessa odlingsmarker finns.”
Satellitbilder har funnits i årtionden, men utan de senaste framstegen inom molnbaserad databehandling var det enligt Lark omöjligt att klassificera de nästan 2 miljarder hektar mark som finns i USA.
För att konstruera teamets analyser använde Xie, som nu är professor vid University of Oklahoma, befintliga data om marktäcke för att träna en dator att läsa dessa bilder och känna igen odlingsmönster. Forskarna lät sedan den algoritmen analysera satellitdata från 1986 till 2018 och kategorisera varje pixel för att avgöra om den var odlad.
Resultaten förutsäger exakt den exakta platsen för övergivna odlingsmarker nio gånger av 10 och kan till och med fastställa året de övergavs med cirka 65% noggrannhet.
Teamet fann att mer än 30 miljoner tunnland odlingsmark övergavs under de 32 åren. Den mest övergivna marken var koncentrerad till Great Plains och längs Mississippifloden mellan södra Illinois och Mexikanska golfen.
Dessa 30 miljoner tunnland inkluderar inte urbaniserad mark, som Lark säger är osannolikt att någonsin återvända till odling. Av den övergivna odlingsmarken ändrades mer än hälften till betesmark eller gräsmark och ungefär en tredjedel var antingen buskmark, skog, våtmark eller bar.
Lark blev förvånad när han upptäckte att mindre än en femtedel av den övergivna marken ingick i ett formellt bevarandeprogram, till exempel USDA:s Conservation Reserve Program, som betalar jordbrukare för att ta miljökänslig mark ur produktion. Det innebär att mer mark än man tidigare trott potentiellt skulle kunna användas för att odla bioenergigrödor.
”Många av antagandena var att den här tidigare odlingsmarken hade en hel del överlappning med formella bevarandeprogram”, säger Lark. ”Men vi såg att de är nästan helt separata pooler.”
Forskarna kan nu använda de data som framkommit för att modellera hur mycket biomassa som skulle kunna odlas på dessa marker samt deras potential att fånga upp koldioxid från atmosfären i marken.
Studien förklarar inte varför markerna övergavs. ”Nästa steg är att ta reda på drivkrafterna”, säger Lark.
För att göra det säger Lark att teamet kan dra in annan information som socioekonomiska data och skatteregister för att få en bättre känsla för vad som händer på paketnivå – till exempel om en jordbrukare tog ett fält ur produktion eller sålde hela gården – och använda det för att identifiera potentiella användningsområden för marken.
”Om de odlar en massa hö är det förmodligen lättare att anpassa det till cellulosabaserad biobränsleråvara, eftersom de kanske redan har utrustningen … och du kan skörda något som switchgrass då också”, säger Lark. ”Om det är någonstans där det inte finns någon jordbruksproduktion alls längre kan det vara svårare att göra det, men kanske mer lämpat för en solcellsanläggning.”
Ytterligare information: Yanhua Xie et al, Cropland abandonment between 1986 and 2018 across the United States: spatiotemporal patterns and current land uses, Environmental Research Letters (2024). DOI: 10.1088/1748-9326/ad2d12
