Zmiana klimatu wpływa na rolnictwo na wiele sposobów. Naukowcy wykorzystują dane satelitarne i modelowanie komputerowe do monitorowania i łagodzenia tych skutków. Źródło:NASA/Obserwatorium Ziemi/USDA/Jesse Kirsch
Ziemia się nagrzewa. Skutki globalnych zmian klimatycznych spowodowanych przez człowieka stają się coraz bardziej widoczne, ponieważ obserwujemy coraz więcej rekordowych fal upałów, intensywnych susz, zmian wzorców opadów i wzrostu średnich temperatur. A te zmiany środowiskowe dotykają każdej części produkcji roślinnej.
NASA wraz z agencjami i organizacjami partnerskimi monitoruje wszystkie te zmiany środowiskowe, które zachodzą dzisiaj. Ponadto NASA wykorzystuje zaawansowane modele komputerowe, które pobierają dane satelitarne, a następnie symulują, w jaki sposób klimat Ziemi zareaguje na ciągłe emisje gazów cieplarnianych w przyszłości. Naukowcy robią to dla szeregu przyszłych scenariuszy – a następnie wykorzystują powstałe prognozy klimatyczne, aby zobaczyć, jak zmiany klimatyczne wpłyną na globalne rolnictwo.
Na całym świecie praktyki rolnicze rozwinęły się w zależności od topografii, typu gleby, rodzaju uprawy, rocznych opadów i tradycji. Ten montaż sześciu obrazów z czujnika Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) na satelicie Terra NASA pokazuje różnice w geometrii i rozmiarze pola w różnych częściach świata. Źródło:Obserwatorium Ziemi NASA
„Kiedy patrzymy na przyszłą zmianę klimatu, nie jest to to samo, co obecne gorące lata, których doświadczamy” – powiedział Alex Ruane, współdyrektor Climate Impacts Group w NASA Goddard Institute for Space Studies (GISS) w Nowym Jorku. Koordynuje i kieruje zespołem ds. klimatu w ramach projektu Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project (AgMIP), międzynarodowego projektu łączącego naukę o klimacie, modelowanie upraw i modelowanie ekonomiczne w celu spojrzenia na potencjalną przyszłość plonów i bezpieczeństwa żywności.
„Gdybyśmy mieli znaleźć lokalizację i spojrzeć na gorący rok, który ostatnio przeżył, prawdopodobnie byłaby to fala upałów, która podniosłaby ogólną temperaturę” – powiedział Ruane. „Zmiany klimatu są inne. Zmiana klimatu jest każdego dnia, trochę więcej i więcej. Kiedy te fale upałów nadejdą [w przyszłości], będą tylko trochę bardziej intensywne lub ekstremalne, a to ma inny wpływ fizjologiczny [na rośliny]”.
Te zmiany fizjologiczne na roślinach mogą być złożone i są powiązane z rodzajem uprawy i skutkami klimatycznymi obserwowanymi na poziomie regionalnym i lokalnym.
Dwutlenek węgla jako nawóz
Dwutlenek węgla jest głównym gazem cieplarnianym odpowiedzialnym za wzrost globalnej temperatury Ziemi. Emitowany w wyniku spalania paliw kopalnych może pozostawać w atmosferze przez setki lat, co oznacza, że każdego roku dodajemy dwutlenek węgla do ilości, która zgromadziła się od początku rewolucji przemysłowej ponad 200 lat temu.
Departament Rolnictwa USA prowadzi eksperymenty nad tempem wzrostu upraw w komorach o kontrolowanym środowisku, w tym w szklarniach i poletkach, w których kontrolują temperaturę, wilgotność i atmosferyczny dwutlenek węgla. Źródło:USDA
Dwutlenek węgla jest usuwany z atmosfery przez rośliny podczas fotosyntezy (choć nie w ilościach wystarczających do usunięcia wszystkiego, co emitują ludzie). W rzeczywistości doświadczenia szklarniowe i polowe wykazały, że wyższy poziom dwutlenku węgla w atmosferze może działać jako nawóz i zwiększyć wzrost roślin. Wysokość korzyści, jaką uzyskuje uprawa, zależy od jej rodzaju. Na przykład pszenica, jęczmień i ryż odnoszą większe korzyści z wyższego stężenia dwutlenku węgla niż kukurydza. Większa ilość dwutlenku węgla w powietrzu sprawia, że roślina bardziej efektywnie pochłania gaz, a co za tym idzie traci mniej wody podczas procesu, co jest lepsze dla wzrostu rośliny. Przy wystarczającej ilości wody i innych składników odżywczych plony mogą znacznie wzrosnąć.
Jednak te wyższe plony często mają wady żywieniowe. „Uprawy rosną szybciej i większe przy wyższym CO2 ”, powiedział Jonas Jägermeyr, koordynator projektu Global Gridded Crop Model Intercomparison w ramach AgMIP w GISS. „Ale zawartość białka i mikroelementów jest proporcjonalnie niższa”.
Ilość kontra jakość to jedna z komplikacji, gdy przyjrzymy się wpływowi klimatu na uprawy. Innym jest to, że wyższy poziom dwutlenku węgla przynosi pewne korzyści, ale także ciepło.
Podkręcanie ciepła
Wzrost temperatury w regionie spowodowany zmianą klimatu, zwłaszcza w tropikach, może prowadzić do stresu cieplnego dla wszystkich rodzajów upraw. Wiele upraw zaczyna odczuwać stres w temperaturach powyżej około 90 do 95 stopni Fahrenheita (32 do 35 stopni Celsjusza), powiedział Jägermeyr, chociaż będzie się to różnić w zależności od rodzaju uprawy i dostępności wody. Najbardziej widocznym objawem stresu cieplnego jest więdnięcie spowodowane utratą wody i może prowadzić do trwałego uszkodzenia rośliny.
Ta oznaczona kolorami mapa w projekcji Robinsona przedstawia postęp zmieniających się anomalii globalnej temperatury powierzchni. Normalne temperatury to średnia z 30-letniego okresu odniesienia 1951-1980. Temperatury wyższe niż normalne są wyświetlane na czerwono, a temperatury niższe niż normalne są wyświetlane na niebiesko. Ostatnia ramka przedstawia 5-letnie anomalie temperatury na świecie w latach 2016-2020. Skala w stopniach Celsjusza. Źródło:Naukowe Studio Wizualizacji NASA
Różne regiony będą doświadczać różnych intensywności ciepła w przyszłym klimacie, zwłaszcza podczas ekstremalnych wydarzeń, takich jak fale upałów. „Wzorzec, w którym uprawiane są rośliny, decyduje o wzorcu oddziaływań” – powiedział Jägermeyr. „Im bardziej rośniesz w tropikach, tym mocniej zostaniesz uderzony. Ponieważ jest już dość ciepło, dodatkowe ocieplenie będzie bardziej dotkliwe niż na dużych szerokościach geograficznych”.
Badanie modelowe 2019 symulowało przyszłą globalną produkcję pszenicy przy przewidywanych globalnych temperaturach 1,5 stopnia Celsjusza i 2,0 stopni Celsjusza powyżej temperatur sprzed epoki przemysłowej. Biorąc pod uwagę efekt nawożenia dwutlenkiem węgla, wyniki wykazały, że plony zbóż na pszenicę ozimą lub na wiosnę wzrosły o około 5% w bardziej umiarkowanych regionach, takich jak Stany Zjednoczone i Europa, i spadły o około 2 do 3% w cieplejszych regionach, takich jak:jak Ameryka Środkowa i części Afryki. Ponadto w gorących regionach, w tym w Indiach, które produkują 14% globalnej pszenicy, częściej widziano lata z niskimi plonami pszenicy.
Temperatura wpływa również na cykl życiowy upraw. Niewielki wzrost codziennych temperatur w sezonie wegetacyjnym przyspiesza cykl życia rośliny, powiedział Ruane. „Więc kończy się to tym, że roślina dojrzewa szybciej i pod koniec sezonu, kiedy odkłada ziarno, po prostu nie spędzała tyle czasu na budowaniu liści, zbieraniu światła słonecznego i wytwarzaniu energii, której potrzebujesz do zboża. ”. Rezultatem jest mniej ziaren i mniejsze plony.
Pokaż mi wodę
Ostatnim ważnym elementem układanki jest woda. Zmiany klimatyczne wpływają na wzorce opadów deszczu i śniegu oraz powodują bardziej ekstremalne susze i opady deszczu.
„W niektórych obszarach wystąpią dodatkowe opady deszczu, a co za tym idzie korzyści”, powiedział Jägermeyr. „Niektóre regiony będą otrzymywać zbyt dużo dodatkowych opadów, a następnie odczują negatywne skutki nadmiernego deszczu. A wiele regionów rzeczywiście doświadczy suszy”. Na przykład monsuny mogą przynieść więcej deszczu w Azji Południowo-Wschodniej, a susze mogą nasilić się w zachodnich Stanach Zjednoczonych, Australii, Afryce i Ameryce Środkowej.
Ilość wody dostępnej do nawadniania już odczuwa skutki zmian klimatycznych. Góry śnieżne kurczą się w Himalajach i kalifornijskiej Sierra Nevada, które są głównym źródłem wody pitnej i do nawadniania.
Poziomy wód gruntowych są również wrażliwe na zmiany klimatu, takie jak uporczywe susze i nadmierne opady. Badanie z 2018 r. wykazało, że tam, gdzie wody gruntowe są wykorzystywane w rolnictwie, poziom wód gruntowych generalnie zmniejsza się zarówno z powodu wydobycia wody, jak i jej wrażliwości na zmiany. Ponadto rośliny mają dostęp do wody w glebie, która w cieplejszych regionach i w cieplejszej przyszłości jest bardziej podatna na parowanie, pozostawiając mniej roślinom do wykorzystania.
Dostęp do wody ma bezpośredni wpływ na zdrowie upraw, a obserwacje satelitarne są jednym z kluczowych danych wejściowych do narzędzi, które naukowcy i partnerzy NASA budują, aby pomóc w zarządzaniu naszą cieplejszą przyszłością.
Adaptacja
„Dbamy o zmiany klimatu nie z powodu stopni Celsjusza czy części na milion CO2 , ale ponieważ te z kolei wpływają na wszystkie sektory i nasze życie” – powiedział Ruane, odnosząc się nie tylko do wielkoskalowego sektora rolnego i gospodarki, ale także do codziennych zmian, które zajdą, gdy społeczności zareagują na zmiany klimatu.
Oprócz przyglądania się bezpośrednim skutkom środowiskowych czynników zmiany klimatu dla upraw, zespoły badawcze w ramach AgMIP przyglądają się również możliwościom adaptacji, praktykom zarządzania i zachętom ekonomicznym, które pomogą złagodzić najgorsze wyniki.
Ruane powiedział, że istnieją trzy rodzaje strategii adaptacyjnych:decyzje, które podejmuje się każdego roku, na przykład kiedy sadzić i płodozmian na polu; inwestycje długoterminowe, takie jak nowy ciągnik, ulepszone systemy nawadniające lub nowa infrastruktura nawadniająca na obszarach obecnie nawadnianych; oraz działania transformacyjne, takie jak hodowla nowych odmian roślin uprawnych lub reagowanie na zmiany w diecie populacji na dużą skalę.
„Możemy przetestować różne opcje w wirtualnych polach [modelu]” – powiedział Ruane. „Możemy również zadawać pytania o to, jak zmieniają się ceny [obliczone w] naszych modelach ekonomicznych, jeśli ludzie przyjmą rodzaj diety, którą mamy tutaj w USA, w porównaniu z dietą śródziemnomorską lub dietą wschodnioazjatycką”. Na przykład, co się dzieje, gdy populacja zjada więcej lub mniej mięsa lub przechodzi od jedzenia większej ilości produktów na bazie pszenicy do jedzenia większej ilości produktów na bazie ryżu lub odwrotnie? Modele mogą również badać inne skutki uboczne tych dużych zmian, zwłaszcza te nieoczekiwane.
Ruane dodaje:„Jeśli naprawdę chcemy wiedzieć, co stanie się z rolnikami lub konsumentami, musimy uwzględnić ekonomię sytuacji”. Ponieważ zmiany klimatyczne będą miały wpływ na systemy żywnościowe w przyszłości, skutki przejdą na gospodarkę i gospodarstwa domowe, ukształtowane przez reakcje ludzi.
