Uticaj klimatskih promena na biljnu proizvodnju

Abstract

Kvantifikovanjem uticaja klimatskih promena na biljnu proizvodnju stiče se mogućnost obrazovanja dugoročnih planova u poljoprivrednoj proizvodnji kako bi se održao visok i stabilan prinos ključnih gajenih kutura (pšenice, kukuruz). Najpre su urađene analize klime i agroklimatskih pokazatelja za sadašnje uslove 1971-2000. i očekivane uslove za 2030. i 2050. godinu za 11 lokaliteta Republike Srbije. Tek nakon analize klime uzima se u obzir poznata činjenica da postoji međusobna interakcija između meteoroloških uslova, zemljišta i biljke. Na ovoj interakciji zasnivaju se modeli biljne proizvodnje i upotrebljavaju se u cilju kvantifikovanja uticaja klimatskih promena na biljnu proizvodnju tj. na dinamiku vegetacije i prinos. U radu su korišćeni osmotreni dnevni meteorološki podaci sa jedanaest stanica sakupljenih u Republičkom Hidrometeorološkom Zavodu Srbije. Za buduće stanje klime korišćeni su izlazni podaci globalnih klimatskih modela (ECHAM, HadCM, NCAR) i njihovom statističkom regionalizacijom Met & Roll vremenskim generatorom dobijeni su podaci o budućem stanju klime na području jedanaest izabranih lokaliteta. Podaci o zemljištu (mehaničke i hemijske osobine) preuzeti su od Agencije za zaštitu životne sredine iz Beograda. Ulazni podaci o biljnoj vrsti i njenoj agrotehnologiji, neophodni u radu sa modelom biljne proizvodnje (kalibraciji i validaciji), obezbeđeni su sa višegodišnjih ogleda zasnovanih na oglednim poljima Rimskih Šančeva Insituta za ratarstvo i povrtarstvo u Novom Sadu. Kao metod korišćeni su modeli za određivanje agroklimatskih parametara Agriclim i model biljne proizvodnje DSSAT v. 4.2. 4 Analizom buduće klime, temperature vazduha i padavina, utvrđeno je da se može očekivati porast temperature vazduha na godišnjem nivou i tokom svih delova vegetacinog perioda, a količina padavina se očekuje da bude viša tokom zimskog perioda, dok u prolećnom periodu (mart – april - maj) nešto niža do 10 mm, a tokom letnjih meseci jun-jul-avgust značajno niža. Analizom rezultata DSSAT 4.2 modela biljne proizvodnje, utvrđeno je da u očekivanim klimatskim uslovima 2030. i 2050. godine pri koncentraciji CO2 od 330 ppm prinos zrna ozime pšenice ostaje nepromenjen u većini lokaliteta izuzev Kruševcu, Somboru i Vranju gde prinos opada do 12% u 2030. i do 11% u 2050. godini. Uzrok visokih i stabilnih prinosa su povećane količine padavina i povećanje temperature vazduha u zimskom periodu, manji broj mraznih i ledenih dana. Jedan od najvažnijih faktora stabilnosti prinosa je i dovoljna količina rezerve vlage u zemljištu za prolećni period i količina padavina za prolećni period, koji je u literaturi određen kao kritični period potrebe pšenice za vodom. U budućim uslovima analizom rezultata broja dana potrebnih od setve do cvetanja i od setve do zrelosti, ustanovljeno je da se očekuje manji broj dana, tj. da će fenofaze kraće trajati do cvetanja i zrelosti što je posledica očekivanih viših temperatura vazduha i suma efektivnih temperatura. U uslovima 2030. i 2050. godine i očekivane koncentracije CO2 po IPCC izveštaju iz 2007. godine, uticaj povišene koncentracije CO2 na prinos zrna pšenice je pozitivan. Prinosi kod većine lokaliteta ostaju nepromenjeni dok je mali pad prinosa zrna bio primećen na lokalitetima Kruševac i Sombor, gde neznatno opada do 7% u 2030. godini i 2050. godini. U Somboru se očekuje nepromenjena količina padavina za mart – april - maj period i mnogo manja količina padavina u periodu jun – jul - avgust, a u Kruševcu nešto manja količina padavina u periodu mart – april – maj i do 40% manja količina u periodu jun – jul - avgust u 2050. godini. Analizom rezultata prinosa zrna kukuruza za 2030. i 2050. godinu pri koncentracije CO2 od 330 ppm dobijen je veoma značajan pad prinosa i u uslovima bez navodnjavanja i u uslovima navodnjavanja normom od 180 mm za sve lokalitete. U 2030. i 2050. godini u uslovima povišene koncentracije CO2 uticaj očekivane koncentracije CO2 na prinos zrna kukuruza simulacijama ocenjen je kao negativan, jer je dobijeni prinos zrna kukuruza bio još niži nego pri koncentraciji CO2 od 330 ppm. Veoma značajan pad prinosa posledica je viših temperatura vazduha u JJA periodu, povećanja fiziološkog stresa kod biljaka usled povećanja broja letnjih i tropskih dana, značajno smanjenje količine padavina, posebno u periodu jun – jul – avgust i povećanje broja sušnih dana tokom istog perioda. Analizom dužine trajanja vegetativne sezone za oba režima uzgajanja kukuruza moglo se zapaziti da se u budućim uslovima očekuje skraćenje perioda vegetacije zbog viših temperatura vazduha i sume temperatura. Analizom rezultata simulacije prinosa zrna soje za 2030. i 2050. godinu pri koncentraciji CO2 od 330 ppm, očekuje se nepromenjen prinos zrna u lokalitetima Ćuprija, Niš, Vranje i Prizren, ili neznatno viši do 9 % u lokalitetima Kraljevo, Kruševac, Novi Sad, Sombor i Zaječar. Samo u istočnom lokalitetu Dimitrovgrad i centralnom Požega se očekuje značajno viši prinos do 14% u 2030. godini i do 23% u 2050. godini. U 2030. i 2050. godini pri povišenoj koncentracije CO2 po IPCC izveštaju iz 2007. godine očekuje se veoma značajno viši prinos u svim lokalitetima, a posebno je naglašeno u lokalitetima Dimitrovgrad i Požega gde su dobijene najniže srednje temperature vazduha za AMJ i JJA period, najmanji broj letnjih i tropskih dana. Nakon dobijenih rezultata prinosa zrna za izabrane biljne kulture, rezultati prinosa zrna kukuruza ukazivali su na potrebu definisanja i uvođenja mera adaptacija u dosadašnju agrotehnologiju. DSSAT model biljne proizvodnje je izabran u istraživanju i kvantifikovanju mera adpatacija, jer se potrebe i fiziološke reakcije biljke u simulacijama mogu pratiti na dnevnom nivou (Wang et al., 2011). Kao mere adaptacije analizirane su adaptacija roka setve i navodnjavanje. Adaptacija roka setve urađena je za kukuruz u uslovima bez navodnjavanja, da bi se ocenio isključivo uticaj primene ranijeg roka setve na prinos, a ne i navodnjavanje. Na osnovu analize 5 rezultata relativne promene prinosa za sve lokalitete, pokazalo se da se u uslovima ranijeg roka setve očekuju viši prinosi nego u uslovima uobičajenog datuma setve. Međutim, u svim lokalitetima i dalje se očekuje veoma značajan pad prinosa, izuzev u Dimitrovgradu, Vranju i Prizrenu, gde se očekuje značajan porast u odnosu na prinose perioda 1971-2000. godina. Na osnovu analize rezultata simuliranih prinosa za ozimu pšenicu, kukuruz i soju, konstatovano je da se pšenica može proizvoditi u uslovima bez navodnjavanja, a prolećni usevi kukuruz i soja bi morali da se navodnjavaju zbog očekivanog velikog smanjenja količine padavina u letnjem periodu. Da bi se procenila adekvatna norma navodnjavanja u proizvodnji kukuruza u simulacijama u DSSAT modelu biljne proizvodnje izabrana je opcija 50 % dostupne vode biljci. Simulacije proizvodnje kukuruza u uslovima 50% dostupne vode biljci dale su pozitivne rezultate prinosa. Prinosi su bili nepromenjeni u lokalitetima Ćuprija, Kruševac, Kraljevo, Niš, Novi Sad, Sombor, Vranje, Zaječar u 2030. godini i 2050. godini izuzev u Kraljevu gde je prinos bio niži do 17% u 2050. godini. U lokalitetima Dimitrovgrad, Požega i Prizren prinos je bio viši oko 9% u 2030. godini i nepromenjen u 2050. godini. Uvećanje norme navodnjavanja je bilo veoma značajno na većini lokaliteta od 20% do 30% sa maksimumom u Požegi do 45% u 2030. i 84% u 2050. godini. Lokalitet Požega imao je zemljište tipa ilovasti fluvisol i izmeren visok procenat peska, iznad 50% u svom mehaničkom sastavu, što je uslovilo i veću propusnost vode, njeno kraće zadržavanje u profilu zemljišta i potrebu za većom količinom vode u navodnjavanju. Simulacije prinosa soje odmah su urađene u uslovima navodnjavanja od 50% dostupne vode biljci, jer je opcija u uslovima bez navodnjavanja davala jako niske prinose, a opcija 50% dostupne vode je davala takve norme navodnjavanja koje su bile slične u našim uslovima na Institutu za ratarstvo i povrtarstvoPri takvoj opciji navodnjavanja u svim lokalitetima norma navodnjavanja je u budućim uslovima veoma značajno rasla od 10 do 40% u 2030. godini i od 13 do 110% u 2050. godini, a rezultati relativne promene prinosa ukazivali su na veoma značajno povećanje prinosa u budućim uslovima.

DSSAT 4.0 is a crop model commonly used to quantify the climate change impact on agriculture production. The model predictions are very important for long term planning in agriculture to keep high and stable yield production. At the first, the climate was analysed for 1971-2000 period, 2030 and 2050 year. After these analyses the crop model was run. Crop model is based on interaction between climate, soil and plant. Simulations were predicted the yield and dynamic in vegetation for 2030 and 2050 climate conditions. As input parameters were used observed daily weather data from eleven weather stations for 1971-2000 period. For 2030 and 2050, the data were used from global climatology models ECHAM5, HadCM3 and NCAR-PCM for two scenarios A1B and A2. Before crop simulations, the out results from global climatology models had to be regionalised and downscaled with Met & Roll weather generator. The soil input data were assumed from Agency for Environmental Safety from Belgrade. The data were consist of mechanical and chemical characteristics of soil which were chosen near the weather station. The crop input data were collected from the literature and personal communication of Institute of Field and Vegetable Crops and their long term period experiments. A current and future agroclimatic indices were calculated with Agriclim model. As a crop model, DSSAT v. 4.2. was chosen for crop simulations of major field crops: winter wheat, maize and soybean. The results of climate shown that the air temperature should be higher in all vegetation phases, and precipitation should be higher during winter months, lower for 10 mm in spring and significantly lower in summer months June- July-August. In 2030 and 2050 year (CO2=330 ppm) simulations shown that winter wheat yield might be the same as in 1971-2000 period in most locations except in Krusevac, Sombor and Vranje where yield might be lower for 12% in 2030 year and lower for 11% in 2050 year. It is a consequence of expected higher precipitation and higher air temperatures during winter period, less frosty and frozen days, higher precipitation during spring, which is a critical period for winter wheat production. It was analysed the dinamyc in vegetation in future 9 conditions. The results showed the shorter vegetation, less number of days from seeding to anthesis and seeding to maturity. These changes in vegetation duration were caused by expected higher air temperatures and higher effective temperatures. The yield results were also analysed for expected conditions under future CO2 concentration from IPCC report 2007, and shown that winter wheat yields were not changed for most locations except in Krusevac and Sombor in 2030 and 2050 year. The maize yield results for 2030 and 2050 under CO2 concentration of 330 ppm shown a significant decrease in yield in non irrigated conditiond and irrigated conditions with 180 mm water added per vegetation season. Also, the results given under expected CO2 concentration from IPCC Report 2007, shown great decrease in 2030 and 2050 and lower yield than under CO2 was set on 330 ppm. The significant decrease in yield was caused by expected higher temperatures in JJA period, higher physiologicaly stress caused by more days with extreme high temperatures (summer and tropical days) and very significant decrease in precipitation during JJA period. The results showed the shorter vegetation, less number of days from seeding to anthesis and seeding to maturity. These changes in vegetation duration were caused by expected higher air temperatures and higher effective temperatures. The soybean yield analyses for 2030 and 2050 under CO2 concentration of 330 ppm shown no changes in yield for Cuprija, Nis, Vranje and Prizren, a little higher to 10% in Kraljevo, Krusevac, Novi Sad, Sombor, Zajecar and up to 24% higher in Dimitrovgrad and Pozega. In 2030 and 2050 under future CO2 concentrations from IPCC Report 2007, it is expected a significantly higher yield in all locations especially for Dimitrovgrad and Pozega, where the air temperatures were lowest in AMJ and JJA period. The results showed the shorter vegetation in soybean production, less number of days from seeding to anthesis and seeding to maturity. These changes in vegetation duration were caused by expected higher air temperatures and higher effective temperatures. After all simulations for winter wheat, maize and soybean, it is concluded that maize production need some adaptation measures for future conditions. As an adaptation measure it were chosen two measures: the shift in sowing date and irrigation quantity. The adaptation in sowing date was set for maize under non irrigated conditions, to analyse only the time of sowing not irrigation. The sowing date was set 15 days earlier, on the 5th of April. The yield results shown less decrease than results given at usual sowing date (20th of April), but in all locations the predicted yield decreased except in DM, VR and PR where the yield shown significant increase in a comparison with 1971-2000 yield. The change in irrigation quantity was more efficient for yield. It was done for maize production and soybean, because winter wheat irrigation was estimated as non economic. The irrigation method was set on 50% available water for plant. The maize yield was stable in Ćuprija, Kruševac, Kraljevo, Niš, Novi Sad, Sombor, Vranje, Zaječar in 2030 and 2050 year except in Kraljevo where the yield decreased up to 17% in 2050 year. In Dimitrovgrad, Požega and Prizren the yield was higher for 9% in 2030 year and not chaged in 2050 year. The water requirements had significantly higher values than in 1971-2000 period up to 20-30% in 2030 year with maximum in Požega up t 45% in 2030 year and 84% in 2050 year. The location Požega has soil with a high percent of sand in structure, above 50%, what caused quick water filtration and more water in irrigation. The soybean simulations were done in irrigation option of 50% available water at the begining, because the non irrigated method did not gave the satisfied yield results in crop model. The 50% irrigation method gave adequate yield and water requirements as in experiments on Institute. The water requirements had significantly higher values in 2030 year from 10-40% and from 13% to 110% in 2050 year than in 1971-2000 period. Key words: climate change, CO2 fertilization, DSSAT v. 4.2. crop model, effective irrigation, maize yield, soybean yield, vegetation, winter wheat yield.