Impact of progressive global warming on the global-scale yield of maize and soybean

השפעת התחממות גלובלית על תירס וסויה

 שיטות

2.1 מידול יבול

תפוקת יבול מודגמת באמצעות המודל הכללי של שטח גדול (GLAM) עבור יבולים חד-שנתיים (Challinor et al. 2004). מודל סימולציית יבולים מבוסס-מורכב זה של תהליך מורכבות לוכד את האינטראקציות הלא ליניאריות בין האקלים לתנובת היבול, אך אין די תשומות שניתן להריץ אותן בקנה מידה מרחבי הדומה למודלים אקלימיים גלובליים ואזוריים. גידולים שונים מיוצגים על ידי שינויים בערכי הפרמטרים ועל ידי שינויים קלים בפרמטריזציה.

GLAM פותח עבור מספר יבולים וישמש כאן לפולי סויה ((Osborne et al. 2013   ותירס (Greatrex 2012, Watson et al. 2014). הפחתות בתשואה מוצגות ב-% בהשוואה לנתוני הבסיס.

2.1.1 פרמטרים של יבול

GLAM הופעל באמצעות שלושה זנים של תירס ופולי סויה, המייצגים את שני הקצוות של תגובת הזמן הפוטותרמית ומגוון ביניים. אזורים גיאוגרפיים המתאימים לגידול כל זן זוהו על ידי אלגוריתם של התאמת גידולים המשולב כמתואר על ידי(  Osborne et al(2013) עם קו ההתחלה וכל תרחישי האקלים העתידיים. זמן תרמי מצטבר וערכי המשקעים חושבו והושוו מול ספי מינימום הקשורים לכל זן. אלגוריתם התאמת היבול קבע גם את תאריך הזריעה לגידול. מכיוון שהאלגוריתם השתלב במהלך השנה הקלנדרית, תאריכי הזריעה הנגזרים מייצגים את התאריך המוקדם ביותר האפשרי – בהתבסס על טמפרטורת הבסיס להנבטה שאולי לא יהיה אופטימלי לתשואה. עבור כל זן יבול בוצעו שתי הדמיות GLAM: הרצה אחת עבור יבול מוזן בגשם, ואחד גידול מושקה לחלוטין בו ההנחה הייתה שלא יתרחש לחץ על מי הקרקע.

2.1.2 קנה מידה גיאוגרפי

הסולם המרחבי בו פועל GLAM תלוי בסולם המרחבי של נתוני הקלט (Challinor et al. 2004). במחקר זה, כמו ב- Osborne et al. 2013 הוחל , GLAM על תחום גלובלי עם נתוני קלט ברזולוציה מרחבית של 0.5 °. נגזר מידע מסוג הקרקע ממאגר   (Batjes 2005) ISRIC WISE. תפוקת תשואות סוף העונה ברזולוציה של 0.5 °של GLAM נצבר לרמה הארצית תוך שימוש בשטח הנצפה של כל גידול בשטח מערך MIRCA2000 (Portman et al. 2010).

מוצגות התוצאות עבור 10 המדינות הגדולות המייצרות תירס / פולי סויה המייצגות 84% ו 94% מהתירס בעולם ייצור פולי סויה בהתאמה (FAOSTAT 2015). עבור כל מדינה, הייצור הכולל היה מחושב על ידי הכפלת התשואה הממוצעת למשך 30 שנה בכל נקודת רשת בשטח המעובד, והתשואה הלאומית חושבה על ידי חלוקת ייצור לאומי זה על סך השטח המעובד על פני כל תאי הרשת בכל מדינה בה GLAM הופעל.

2.2 תרחישי אקלים

נתוני מזג האוויר היומיים נגזרו מהיחידה לחקר האקלים באוניברסיטת מזרח אנגליה (CRU) וממערך נתונים TS3 של Mitchell and Jones (2005). תחת קנה המידה (1961–1990) התנהלו הנתונים החודשיים של טמפרטורה מקסימאלית ומינימלית, גשמים וכיסוי עננים, שולבו לסדרות זמן יומיות בשיטה של Gosling and Arnell (2011). אקלימים עתידיים היוו נגזרת באמצעות שימוש בגישה של שינוי גודל תבנית כמתואר אצל  Todd et al (2011).

בעיקרו של דבר, קנה המידה של התבניות מבוסס על ההנחה כי שינויים באקלים המקומי (כלומר תיבת הרשת) הם ליניאריים פרופורציונליים לטמפרטורה הממוצעת הגלובלית. לכן, אקלים עתידי מפורש מרחבית יכול להיווצר על ידי קנה מידה של שינויים מקומיים ועל ידי עליית הטמפרטורה הממוצעת העולמית.

השיטה הזאת שימשה במחקרים קודמים להפקות אקלים עתידי הקשורים לפרק זמן מסוים בתרחיש עתידי מסוים של פליטת גזי חממה (למשל  e.g. 2050 A1B in Osborne et al. 2013). במחקר זה, השיטה יושמה ליצירת אקלימים עתידיים המשויכים לרמות התחממות כדור הארץ שנקבעו, במיוחד עלייה של 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 ו- 4.0 מעלות צלזיוס מהממוצע של 1961–1990. נתוני מזג האוויר היומיים להפעלת מודל החיתוך היו אינטרפולציה מהערכים החודשיים.

מכיוון שגישה זו מפרקת בעצם את תרחישי שינויי האקלים מתרחישי הפליטה, אין ריכוזים ספציפיים קשורים של CO2 לכל רמה של התחממות. במקום זאת, אפשרי טווח, בהתחשב בטווח רגישות האקלים שנצפה למודלים אקלימיים גלובליים. מכיוון שריכוז CO2 הוא קלט נדרש עבור GLAM, ערך קבוע של 532 PPM  לדקה (הרמה המשויכת ל -2050 תחת ה- A1B תרחיש פליטת גזי חממה) ששימש לכל הדמיות עתידיות. מודל האקלים, כולל כל משתני האקלים הרלוונטיים המשמשים לקביעת דפוסי שינויי האקלים המקומיים היה HadCM3, מודל אקלימי נפוץ להערכת השפעות.

2.3 הסתגלות

הסתגלות אוטונומית מוגבלת הוצגה על ידי שינוי מגוון ו / או תאריך זריעה. תחת כל תרחיש אקלימי מתוך שלושת הזנים של כל גידול, כפי שנחשבו מתאימים על ידי אלגוריתם של התאמת יבול,  הודמה על ידי GLAM. לכן, הסתגלות אפשרית אחת תחת

תנאי אקלים שהשתנו ישמשו למעבר למגוון שונה מזה שהיה התשואה הגבוהה ביותר בתנאי אקלים בסיסיים. הדמיות אקלימים עתידיים בוצעו גם עם היבול שנזרע בתאריך שנקבע על פי התאמת האלגוריתם בתנאי הבסיס, ובתאריך שנקבע להפעלה על ידי האלגוריתם לתרחישי האקלים העתידיים. לכן, התאמה אפשרית אחרת יכולה להיות בשינוי תאריך הזריעה של היבול. עם זאת, חשוב להדגיש שתאריך הזריעה מעולם לא נבחר למטרת אופטימיזציה של התשואה.

תוצאות הדמיית התשואה מוצגות לשני תרחישי הסתגלות: ללא הסתגלות, כאשר תאריך הזריעה ובחירת הזן נקבעו כך שמתאימים לנתוני הבסיס של האקלים, וההסתגלות כאשר התאפשר תאריך זריעה ו / או בחירת זן שונים ממה שמתאים לאקלים הבסיסי.

3. תוצאות

עבור תירס וגם עבור פולי סויה, התשואה הממוצעת העולמית ירדה מתנאי הבסיס אל מתחת לרמות ההתחממות הגלובלית (איור 1), כאשר התירס מושפע לרעה יותר מאשר פולי הסויה. ירידת התשואה לשני הגידולים הייתה קטנה יותר בתרחיש ההסתגלות. לדוגמה, הפחתת תשואת התירס העולה על 30% הודמתה תחת התחממות של 1.5+ מעלות ללא הסתגלות, אך התרחשה בהתחממות של 4+ מעלות כאשר נשקלה הסתגלות. לפולי סויה, הסתגלות הובילה לעלייה קטנה בתשואה בתרחיש ההתחממות הגלובלית הפחות חמורה.

בשני הגידולים, עם או בלי הסתגלות, הועלו בהדמיה בתרחיש ההתחממות הגלובלית הגדול ביותר הפסדי תשואה העולים על 30%. שינויים ניכרים מההשפעה הגלובלית התרחשו בעת חישוב שינויים בתשואה לכל מדינה, במיוחד כאשר נבחנה השפעת ההסתגלות. עבור תירס, תחת ללא הסתגלות, הוצגו הפחתות גדולות (> 30%) בתשואה ממוצעת ארצית בכל המדינות המפיקות הגדולות, לרוב מתחת להתחממות 4+ מעלות, ולרוב אלה שמתחת להתחממות 2 + מעלות (איור 2).

איור 1 שינוי בתשואה הגלובלית של תירס ופולי סויה בתרחישים הולכים וגדלים של ההתחממות הגלובלית. לבן מציין השינוי בתשואה נמוך מהשונות הבין-שנתית (סטיית תקן) באקלים 1961–90.בקיעה אלכסונית מצביעה על כך שהשפעות תחת תרחיש של +3.5 מעלות לא דמו. מוצג עם וללא הסתגלות

איור 2 שינוי בתשואה הממוצעת הארצית של תירס בתרחישים הולכים וגדלים של ההתחממות הגלובלית מדינות מייצרות. לבן מציין שהשינוי בתשואה הוא פחות מסטיית תקן אחת של שונות התשואה כ-מדומה תחת האקלים 1961–90. בקיעה אלכסונית מצביעה על כך שהשפעות מתחת ל -3.5 מעלות צלזיוס לא היו מדומה. ההשפעות המוצגות עם ובלי הסתגלות

בכל מקרה, ההסתגלות קיזזה במידה ניכרת צמצומים כאלה. עבור צרפת, לא נצפתה הפחתה משמעותית בתשואה כאשר הותרה הסתגלות. עם זאת, עבור 6 מתוך עשר המדינות המובילות, הפחתה בתשואה של יותר מ -30% התרחשה בשלב כלשהו תחת טווח התחממות שנבדק. לכן, ההסתגלות פעלה ל Bdelay ^ הפחתה משמעותית בתשואה בין +1 עד +4 מעלות בהתחממות גלובלית.

שינויים גדולים יותר בהשפעה בין מדינות הודגמו, יותר לפולי סויה מאשר לתירס (איור 3). ללא תשואות הסתגלות, היתה ירידה ל- 9 מבין עשר המדינות המובילות ברוב תרחישי ההתחממות הגלובלית. היוצאת מן הכלל היתה הודו, אשר התשואות שלה גדלו תחת התחממות של יותר מ -3 מעלות צלזיוס. עבור כמה מדינות, ההסתגלות קיזזה הפסדי תשואה תחת שינוי אקלימי.

במקרה של קוריאה DPR זה הוביל לתשואה שעלתה ממדד הבסיס לרמות מתונות של שינויי אקלים. עבור פרגוואי ובוליביה, ההסתגלות השפיעה אך מעט על הפסדי התשואה שהודגמו בשינויי אקלים מתקדמים.

בהיעדר הסתגלות, הפחתות התשואות שהודגמו היו קשורות קשר הדוק לעלייה בטמפרטורת עונת הגידול (איורים 4 ו -5). צמצום התשואה מוסבר במידה רבה בקיצור עונת הגידול בתנאים חמים יותר. קיזוז הסתגלות בדרך זו נעשה באמצעות שינויים בתאריך השתילה, שהעביר את עונת הגידול לתקופות קרירות יותר של השנה, או על ידי מעבר לזנים עם דרישות זמן תרמיות גדולות יותר שהובילו להתארכות זמן עונת הגידול. מנגנונים אלה ניכרים באיורים. 4 ו -5 כמו או מעבר שמאלה (כלומר עונות גידול קרירות יותר) או כלפי מעלה (כלומר תשואה גדולה יותר מתחת לאותה טמפרטורה עקב עונת גידול ארוכה יותר).

איור 3 שינוי בתשואה הלאומית הממוצעת של פולי סויה בתרחישים הולכים וגדלים של ההתחממות הגלובלית מדינות מייצרות. לבן מציין שהשינוי בתשואה הוא פחות מסטיית תקן אחת של שונות התשואה כ-מדומה תחת האקלים 1961–90. בקיעה אלכסונית מצביעה על כך שהשפעות מתחת ל -3.5 מעלות צלזיוס לא היו מדומה. ההשפעות המוצגות עם ובלי הסתגלות

עבור תירס היו ארבע מדינות (ארה”ב, סין, צרפת ואיטליה) אצלן עונת הגידול הממוצעת עם הסתגלות עברה לתנאים קרירים יותר בהסתגלות (איור 4). עבור צרפת, ההסתגלות הובילה לצמיחה בעונה צוננת יותר מאשר תחת האקלים הבסיסי. התשואות גדלו עוד יותר על ידי המעברים בזנים (כלומר נקודות הנתונים באיור 4 הוסטו מעלה וגם שמאלה). עבור שש המדינות שנותרו, נראה כי העלייה בתשואה עם הסתגלות, קשורה אך ורק למעבר בין הזנים, מכיוון שטמפרטורת עונת הגידול לא התקררה. במקרים מסוימים (למשל בארגנטינה) היתה התחממות נוספת על ההסתגלות.

שינוי תאריך השתילה של פולי הסויה, הקטין את טמפרטורת עונת הגידול בארצות הברית, ארגנטינה, סין, איטליה וקוריאה DPR, אך הובילה לעונות גידול חמות יותר בבוליביה ובהודו (איור 5). בכל המדינות, למעט בפרגוואי, שינוי הזן הגדיל את תפוקת היבול בתגובה לעליית הטמפרטורה. לא שינוי תאריך הזריעה וגם לא הזן לא השפיעו על התשואה של פולי הסויה שגדלה בפרגוואי.

מילות מפתח

קנה מידה מרחבי – spatial scale

יבול – Crop

תשואה – yield

הסתגלות – adaptation

התחממות גלובלית –  Global warming