Simulation of spring wheat responses to elevated CO2 and temperature by using CERES-wheat crop model

Abstract

CERES wheat -kasvumallilla simuloitiin kohotettujen CO2:n (700 ppm, parts per million) ja lämpötilan (+3 °C) vaikutuksia kevätvehnälajike Polkan (Triticum aestivum L., cv. Polkka) fenologiseen kehitykseen sekä biomassa- ja sadontuottomahdollisuuksiin optimaalisissa kasvuoloissa (potentiaalinen kasvumalli). Toinen simulointi suoritettiin kasvukauden aikaisten stressitekijöiden (sää, kuivuus, sadanta ja typpilannoitus) vaikuttaessa fenologiseen kehitykseen ja sadontuottoon (non-potentiaalinen kasvumalli). Suomen ilmastonmuutos -tutkimusohjelman (SILMU 1992-1994) skenaarioiden mukaan Suomen kasvuolosuhteet tulevat muistuttamaan v. 2100 olosuhteita, jotka vallitsevat tällä hetkellä Tanskassa ja Pohjois-Saksassa. Tällöin keskilämpötila on kohonnut 3 °C ja ilmakehän CO2-taso kaksinkertaistunut nykyisestä 350:stä 700 ppm:ään. CERES wheat -kasvumallituksen tulokset indikoivat kaksinkertaisen CO2-tason kohottavan Polkka-lajikkeen satoa 142 % potentiaalisella mallilla (167 % non-potentiaalisella) laskettuna nykyisestä referenssitasosta (100 %, ambientti lämpötila, CO2 350 ppm). Kohotettu lämpötila (+3 °C) pienensi Polkan satoa 80,4 %:iin referenssitasosta (100 %, 6,16 t ha-1) potentiaalisella mallilla (76,8 % non-potentiaalisella mallilla referenssitasosta 4,49 t ha-1). Kohotettu lämpötila lyhensi kasvin kasvuaikaa kiihdyttämällä kasvua vegetatiivisessa ja generatiivisessa vaiheessa. Kasvuajan lyhentyminen puolestaan alensi Polkka-vehnän satoa. Kun simuloitiin kohotettujen CO2-tason ja lämpötilan yhteisvaikutusta Polkan satoon, kiihdytti kohotettu CO2-taso vegetatiivisessa vaiheessa biomassan muodostumista ja generatiivisessa vaiheessa sadonmuodostusta. Toisaalta kohotettu lämpötila lyhensi kasvin generatiivista vaihetta ja kumosi CO2-tason kohottamisen vaikutuksen. Tällöin kohotettu lämpötila aiheutti tähkän täystuleentumisen aikaisemmin ja sato jäi alhaisemmaksi (106 % potentiaalinen malli, 122 % non-potentiaalinen malli). Tulokset olivat samansuuntaiset Maatalouden tutkimuskeskuksessa v. 1992-1994 Polkka kevätvehnällä tehtyjen open top -kasvukammio kokeiden kanssa (Hakala 1998a). Simuloitaessa aikaisempaa kylvöaikaa (15 päivää aiempi kylvö, referenssi 15.5.) sato kohosi potentiaalisella mallilla 178 %:iin referenssitasosta (100%) kohotetussa lämpötilassa ja CO2-tasossa.

The CERES-wheat crop simulation model was used to estimate the changes in phenological development and yield production of spring wheat (Triticum aestivum L., cv. Polkka) under different temperature and CO2 growing conditions. The effects of elevated temperature (3-4°C) and CO2 concentration (700 ppm) as expected for Finland in 2100 were simulated. The model was calibrated for long-day growing conditions in Finland. The CERES-wheat genetic coefficients for cv. Polkka were calibrated by using the MTT Agrifood Research Finland (MTT) official variety trial data (1985-1990). Crop phenological development and yield measurements from open-top chamber experiments with ambient and elevated temperature and CO2 treatments were used to validate the model. Simulated mean grain yield under ambient temperature and CO2 conditions was 6.16 t ha-1 for potential growth (4.49 t ha-1 non-potential) and 5.47 t ha-1 for the observed average yield (1992-1994) in ambient open-top chamber conditions. The simulated potential grain yield increased under elevated CO2 (700 ppm) to 142% (167% non-potential) from the simulated reference yield (100%, ambient temperature and CO2 350 ppm). Simulations for current sowing date and elevated temperature (3°C) indicate accelerated anthesis and full maturity. According to the model estimations, potential yield decreased on average to 80.4% (76.8% non-potential) due to temperature increase from the simulated reference. When modelling the concurrent elevated temperature and CO2 interaction, the increase in grain yield due to elevated CO2 was reduced by the elevated temperature. The combined CO2 and temperature effect increased the grain yield to 106% for potential growth (122% non-potential) compared to the reference. Simulating the effects of earlier sowing, the potential grain yield increased under elevated temperature and CO2 conditions to 178% (15 days earlier sowing from 15 May, 700 ppm CO2, 3°C) from the reference. Simulation results suggest that earlier sowing will substantially increase grain yields under elevated CO2 growing conditions with genotypes currently cultivated in Finland, and will mitigate the decrease due to elevated temperature. A longer growing period due to climate change will potentially enable cultivation of new cultivars adapted to a longer growing period. Finally, adaptation strategies for the crop production under elevated temperature and CO2 growing conditions are presented.