Klimatförändringarna påverkar jordbruket på flera sätt. Forskare använder satellitdata och datormodellering för att övervaka och mildra dessa effekter. Kredit:NASA/Earth Observatory/USDA/Jesse Kirsch
Jorden värms upp. Effekterna av mänskligt orsakade globala klimatförändringar blir mer och mer uppenbara i takt med att vi ser fler rekordstora värmeböljor, intensiva torka, förändringar i nederbördsmönster och en ökning av medeltemperaturen. Och dessa miljöförändringar berör alla delar av växtodlingen.
NASA, tillsammans med partnerbyråer och organisationer, övervakar alla dessa miljöförändringar som sker idag. Dessutom använder NASA avancerade datormodeller som drar in satellitdata och sedan simulerar hur jordens klimat kommer att reagera på fortsatta växthusgasutsläpp i framtiden. Forskare gör detta för en rad framtidsscenarier – och sedan använder de de resulterande klimatprognoserna för att se hur klimatförändringarna kommer att påverka det globala jordbruket.
Runt om i världen har jordbruksmetoder utvecklats som en funktion av topografi, jordtyp, typ av gröda, årlig nederbörd och tradition. Detta montage av sex bilder från sensorn Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) på NASA:s Terra-satellit visar skillnader i fältgeometri och storlek i olika delar av världen. Kredit:NASA:s Earth Observatory
"När vi tittar på framtida klimatförändringar är det inte samma sak som de nuvarande varma åren som vi upplever", säger Alex Ruane, meddirektör för Climate Impacts Group vid NASA:s Goddard Institute for Space Studies (GISS) i New York City. Han koordinerar och leder klimatteamet för Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project (AgMIP), ett internationellt projekt som kopplar samman klimatvetenskap, grödemodellering och ekonomisk modellering för att titta på den potentiella framtiden för skördar och livsmedelssäkerhet.
"Om vi skulle hitta en plats och titta på ett varmt år som nyligen upplevdes, skulle det troligen ha varit en värmebölja som skulle ha höjt den totala temperaturen," sa Ruane. "Klimatförändringarna är annorlunda. Klimatförändringarna sker varje dag, lite mer och mer. När dessa värmeböljor kommer [i framtiden] är de bara lite mer intensiva eller extrema, och det har en annan fysiologisk inverkan [på växter].”
Dessa fysiologiska förändringar på växter kan vara komplexa och är kopplade till grödas typ och klimateffekterna på regional och lokal nivå.
Koldioxid som gödningsmedel
Koldioxid är den primära växthusgasen som är ansvarig för ökningen av jordens globala temperatur. Det släpps ut från förbränning av fossila bränslen och kan stanna kvar i atmosfären i hundratals år, vilket innebär att vi varje år tillför koldioxid till den mängd som har ackumulerats sedan starten av den industriella revolutionen för över 200 år sedan.
U.S.A. Jordbruksdepartementet genomför experiment på grödans tillväxthastighet i kammare med kontrollerad miljö, inklusive med växthus och fält där de kontrollerar temperatur, luftfuktighet och atmosfärisk koldioxid. Kredit:USDA
Koldioxid avlägsnas från atmosfären av växter under fotosyntesen, (dock inte i tillräckliga mängder för att ta bort allt som människor släpper ut.) Faktum är att växthus- och fältexperiment har visat att högre halter av koldioxid i atmosfären kan fungera som gödningsmedel och öka växternas tillväxt. Mängden nytta en gröda får beror på dess typ. Vete, korn och ris har till exempel större nytta av högre koldioxidkoncentrationer än majs. Mer koldioxid i luften gör växten mer effektiv på att absorbera gasen, och följaktligen förlorar den mindre vatten under processen, vilket är bättre för växtens tillväxt. Med tillräckligt med vatten och andra näringsämnen kan skörden öka avsevärt.
Men dessa högre avkastning kommer ofta med nackdelar för näring. "Grödorna växer snabbare och större under högre CO2 , säger Jonas Jägermeyr, koordinator för Global Gridded Crop Model Intercomparison-projektet under AgMIP på GISS. "Men innehållet av protein och mikronäringsämnen är proportionellt lägre."
Kvantitet kontra kvalitet är en komplikation när man tittar på klimateffekter på grödor. En annan är att även om högre koldioxidnivåer ger vissa fördelar, ger de också värmen.
Öka värmen
Ökade regionala temperaturer på grund av klimatförändringar, särskilt i tropikerna, kan leda till värmestress för alla typer av grödor. Många grödor börjar känna sig stressade vid temperaturer över cirka 90 till 95 grader Fahrenheit (32 till 35 grader Celsius), sa Jägermeyr, även om detta kommer att variera beroende på gröda och beror på vattentillgången. Värmestressens mest synliga tecken är vissnande av vattenförlust och kan leda till permanent skada på växten.
Denna färgkodade karta i Robinson-projektion visar en utveckling av förändrade globala yttemperaturavvikelser. Normala temperaturer är genomsnittet under den 30-åriga baslinjeperioden 1951-1980. Högre än normala temperaturer visas i rött och lägre än normala temperaturer visas i blått. Den sista ramen representerar de 5-åriga globala temperaturavvikelserna från 2016-2020. Skala i grader Celsius. Kredit:NASA:s Scientific Visualization Studio
Olika regioner kommer att uppleva olika värmeintensiteter i det framtida klimatet, särskilt under extrema händelser som värmeböljor. "Mönstret för var grödor odlas avgör mönstret för påverkan," sa Jägermeyr. "Ju mer du växer i tropikerna, desto hårdare kommer du att drabbas. Eftersom det redan är ganska varmt, kommer ytterligare en uppvärmning att bli mer allvarlig än på höga breddgrader."
En modellstudie från 2019 simulerade framtida global veteproduktion med förväntade globala temperaturer 1,5 grader Celsius och 2,0 grader Celsius över förindustriella temperaturer. Med hänsyn till koldioxidens gödslingseffekt visade resultaten att spannmålsskördarna för vinter- eller vårplanterat vete steg med cirka 5 % i mer tempererade regioner som USA och Europa, och minskade med cirka 2 till 3 % i varmare områden som t.ex. som Centralamerika och delar av Afrika. Dessutom, i heta regioner inklusive Indien, som producerar 14 % av det globala vetet, såg de oftare år med låga veteskördar.
Temperaturen påverkar också grödornas livscykel. En liten ökning av dagliga temperaturer under växtsäsongen accelererar växtens livscykel, sa Ruane. "Så det som till slut händer är att växten mognar snabbare och i slutet av säsongen när den lägger ner säden har den helt enkelt inte lagt ner så mycket tid på att bygga upp löv, samla in solljus och göra den energin du behöver för säden. .” Resultatet är färre spannmål och mindre skördar.
Visa mig vattnet
Den sista stora pusselbiten är vatten. Klimatförändringarna påverkar regn- och snöfallsmönster och ger upphov till fler extremer i torka och nederbörd.
"Vissa områden kommer att se ytterligare nederbörd och därmed fördelar", sa Jägermeyr. "Vissa regioner kommer att få för mycket ytterligare nederbörd och sedan se negativa effekter av överskottsregn. Och massor av regioner kommer faktiskt att se torka.” Till exempel kan monsuner ge mer regn till Sydostasien, och torkan kan bli mer intensiv i västra USA, Australien, Afrika och Centralamerika.
Mängden vatten som är tillgänglig för bevattning har redan påverkat klimatförändringarna. Bergsnöpackningar krymper i Himalaya och Kaliforniens Sierra Nevada, som är primära källor till både dricks- och bevattningsvatten.
Grundvattennivåer är också känsliga för förändringar i klimatet som ihållande torka och överdrivet regn. En studie från 2018 visade att där grundvatten används för jordbruk minskar grundvattennivåerna generellt både från att vattnet har utvunnits och dess känslighet för förändringar. Dessutom får växter tillgång till vatten i jorden, som i varmare regioner och en varmare framtid är mer benägna att avdunsta, vilket gör att växterna kan använda mindre.
Tillgång till vatten har en direkt effekt på grödors hälsa, och satellitobservationer är en av de viktigaste ingångarna till verktyg som NASA-forskare och partners bygger för att hantera vår varmare framtid.
Anpassning
"Vi bryr oss om klimatförändringarna inte på grund av grader Celsius eller delar per miljon CO2 , utan för att de i sin tur påverkar alla sektorer och våra liv”, sa Ruane och syftade inte bara på den storskaliga jordbrukssektorn och ekonomin, utan även de vardagliga förändringar som kommer att ske när samhällen reagerar på klimatförändringarna.
Förutom att titta på de direkta konsekvenserna av miljöfaktorer av klimatförändringar på grödor, tittar forskarteam inom AgMIP också på potentialen för anpassningar, förvaltningsmetoder och ekonomiska incitament som hjälper till att mildra de värsta resultaten.
Det finns tre typer av anpassningsstrategier, sa Ruane:saker som beslutas om varje år, som när man ska plantera och en åkers växtföljd; långsiktiga investeringar, såsom en ny traktor, förbättrade bevattningssystem eller ny bevattningsinfrastruktur i för närvarande regnmatade områden; och transformativa åtgärder, som att föda upp nya grödor eller reagera på storskaliga förändringar i en populations kost.
"Vi kan testa olika alternativ i de virtuella fälten [av modellen]," sa Ruane. "Vi kan också ställa frågor om hur priserna [beräknat i] våra ekonomiska modeller förändras om folk antar den typ av diet som vi har här i USA jämfört med medelhavsdieten eller östasiatisk kost." Till exempel, vad händer när en befolkning äter mer eller mindre kött, eller går över från att äta mer vetebaserad mat till att äta mer risbaserad mat, eller vice versa? Modellerna kan också utforska andra sekundära effekter av dessa stora förändringar, särskilt oväntade sådana.
Ruane tillägger, "Om vi verkligen vill veta vad som kommer att hända med bönder eller konsumenter, måste vi ta in ekonomin i situationen." Eftersom klimatförändringarna påverkar livsmedelssystemen i framtiden kommer effekterna att spridas ut genom ekonomin och in i hushållen, formade av hur människor reagerar.
