Forudsige effekten af ​​klimaændringer på afgrødeudbyttet

Forskere har nu et nyt værktøj til at forudsige de fremtidige virkninger af klimaændringer på afgrødeudbyttet.

Forskere fra University of Illinois forsøger at bygge bro mellem to typer af beregningsmæssige afgrødemodeller for at blive mere pålidelige forudsigere for afgrødeproduktion i det amerikanske majsbælte.

"Den ene klasse af afgrødemodeller er agronomisk-baserede, og den anden er indlejret i klimamodeller eller jordsystemmodeller. De er udviklet til forskellige formål og anvendt i forskellige skalaer, " siger Kaiyu Guan, en miljøforsker ved University of Illinois og hovedforsker i forskningen. "Fordi hver har sine egne styrker og svagheder, Vores enkle idé er at kombinere styrkerne ved begge typer modeller for at lave en ny afgrødemodel med forbedret forudsigelsesydelse."

Guan og hans forskerhold implementerede og evaluerede en ny majsvækstmodel, repræsenteret som CLM-APSIM-modellen, ved at kombinere overlegne funktioner i både Community Land Model (CLM) og Agricultural Production Systems sIMulator (APSIM).

"Den originale majsmodel i CLM har kun tre fænologiske stadier, eller livscyklusser. Nogle vigtige udviklingsstadier såsom blomstring mangler, gør det umuligt at påføre nogle kritiske belastninger, såsom vandstress eller høj temperatur på disse specifikke udviklingsstadier, " siger Bin Peng, en postdoc-forsker i Guans laboratorium og også hovedforfatteren. "Vores løsning inkorporerer livscyklusudviklingsplanen for APSIM, som har 12 faser, ind i CLM-modellen. Gennem denne integration, spændinger forårsaget af høj temperatur, underskud af jordvand og kvælstof, kan tages i betragtning i den nye model."

Peng siger, at de valgte CLM som hostingramme for at implementere den nye model, fordi den er mere procesbaseret og kan kobles sammen med klimamodeller.

"Dette er vigtigt, da det nye værktøj kan bruges til at undersøge to-vejs feedback mellem et agroøkosystem og et klimasystem i vores fremtidige undersøgelser."

Ud over at erstatte den originale majsfænologimodel i CLM med modellen fra APSIM-modellen, forskerne har lavet flere andre innovative forbedringer i den nye model. En ny kulstofallokeringsordning og en korntalsimuleringsordning blev tilføjet, samt en forfining af det oprindelige baldakinstrukturskema.

"Den mest dragende forbedring er, at vores nye model er tættere på at få det rigtige udbytte med den rigtige mekanisme, " siger Guan. "Den originale CLM-model undervurderer overjordisk biomasse, men overvurderer høstindekset for majs, fører til tilsyneladende rigtigt udbytte-simulering med den forkerte mekanisme. Vores nye model korrigerede denne mangel i den originale CLM-model."

Peng tilføjer, at fænologiskemaet for APSIM er ret generisk. "Vi kan nemt udvide vores nye model til at simulere vækstprocesserne for andre basisafgrøder, såsom sojabønner og hvede. Dette er bestemt i vores plan, og vi arbejder allerede på det.

"Alt arbejde blev udført på Blue Waters, en kraftfuld petascale supercomputer ved National Center for Supercomputing Applications (NCSA) på University of Illinois campus, " siger Peng. "Vi arbejder i øjeblikket på parameterfølsomhedsanalyse og Bayesiansk kalibrering af denne nye model og også på en højopløsnings regional simulering over US Corn Belt, alt dette ville ikke være muligt uden de dyrebare beregningsressourcer leveret af Blue Waters."