Omdefinering af tørke i det amerikanske majsbælte

Efterhånden som klimaet udvikler sig varmere og tørrere, global fødevaresikkerhed afhænger i stigende grad af afgrødernes evne til at modstå tørke. Men fokuserer forskere og producenter på den rigtige metrik, når de måler afgrøderelevant tørke? Ikke nøjagtigt, ifølge ny forskning fra University of Illinois-forskere, som opfordrer det videnskabelige samfund til at omdefinere begrebet.

"Anlæggene skal balancere vandforsyning og efterspørgsel. Begge dele er ekstremt kritiske, men folk overser efterspørgselssiden af ​​ligningen, især i det amerikanske majsbælte, " siger Kaiyu Guan, hovedforsker på to nye undersøgelser, Blue Waters professor ved Institut for Naturressourcer og Miljøvidenskab og National Center for Supercomputing Applications i Illinois.

Kravet Guan henviser til er atmosfærisk tørhed, ofte udtrykt som damptryksunderskud (VPD). Jo tørrere luft, jo mere fugt suges ud af porerne, eller stomata, i planteblade. Planter skal åbne stomata for at optage kuldioxid som føde, men hvis de mærker, at atmosfæren er for tør, de lukker porerne for at undgå udtørring. At holde stomata lukket for længe fører til reduktioner i fotosyntesen, plantevækst, og kornudbytte.

Kickeren? Planter lukker for stomata på grund af atmosfærisk tørhed, selv når der er tilstrækkelig tilførsel af fugt i jorden.

"Hvis du kun overvejer nedbør og jordfugtighed, sådan tænker de fleste mennesker om tørke, det er for det meste at beskrive udbudssiden. Selvfølgelig, hvis du har lav jordfugtighed, planter vil blive stresset af, hvor meget vand de får. Men udbuddet er ofte ret tilstrækkeligt, især her i U.S. Corn Belt, " siger Guan. "Men efterspørgselssiden fra atmosfæren kan også belaste planter alvorligt. Vi skal være mere opmærksomme på det tørkesignal."

Guans to nylige undersøgelser brugte flere teknologiske tilgange, inklusive feltmålinger, forskellige kilder til satellitdata, hydrologiske modelsimuleringer, og statslige afgrødeudbyttestatistikker. Den første undersøgelse, udgivet i Landbrugs- og skovmeteorologi , brugte data fra syv steder på tværs af majsbæltet til at konkludere, at VPD tegner sig for næsten 90 % af ændringerne i afgrødens stomatale ledningsevne, en proxy for tørkestress, og cirka 85 % af ændringerne i bruttoprimærproduktiviteten, et mål for produktivitet.

"Til sammenligning, jordfugtighed tegner sig typisk for 6-13% af disse mål for majs og sojabønner, og op til 35 %, når man overvejer tidsforsinkelseseffekter, " siger Hyungsuk Kimm, ph.d.-studerende i Guans gruppe og undersøgelsens hovedforfatter.

I den anden undersøgelse, offentliggjort i Journal of Hydrologi , Guans team fokuserede på kornudbytte. Udbytte afhænger af mange faktorer relateret til vandkredsløb, men forskerne fandt ud af, at VPD forklarer den største andel af variationer i afgrødeudbytte og giver også den tidligste advarsel om udbyttetab, når man sammenligner med andre vandcyklusmålinger og traditionelle tørkeindekser.

"Dette fik os til at bygge et nyt tørkeindeks, der integrerer VPD, jordfugtighed, og målinger af evapotranspiration, som kan tegne sig for mere end 70 % af udbyttevariationen. Vores indeks overgår alle de eksisterende tørkeindekser, " siger Wang Zhou, postdoc i Guans gruppe og studiets hovedforfatter.

Guan tilføjer, "I disse to undersøgelser, vi forsøgte at forstå efterspørgselssiden af ​​tørke fra to store vinkler, den ene bruger hvirvel-kovariansdata, som måler landskabsvand- og kulstofforbrug meget nøjagtigt - guldstandarden - og den anden udnytter satellitdata og modelsimulerede hydrologiske variabler korreleret med regionalt udbytte, " siger Guan. "I begge, Vi demonstrerer, at VPD er vigtigere end jordfugtighed for at forklare afgrødens tørkereaktion i det amerikanske midtvest."

Justering af tørkekonceptet for afgrøder vil være afgørende for global fødevaresikkerhed under et skiftende klima.

"Når vi ser på scenarier for klimaændringer, mængden af ​​nedbør ændrer sig ikke meget for majsbæltet, men vi ved med sikkerhed, at temperaturen og VPD vil stige her. Det betyder, at ikke meget vil ændre sig på udbudssiden, men efterspørgselsstressen vil stige markant. Og den type stress er så forbundet med afgrødeudbyttet i slutningen af ​​sæsonen, " siger Guan.

Hans gruppe arbejder på opfølgende undersøgelser, der evaluerer kunstvandings rolle i at øge udbuddet og faldende efterspørgsel, men for nu, Guan siger, at avl for forbedret vandforbrugseffektivitet kan være en vigtig del af løsningen.