Modelling the impacts of climate change on the growth and development of thermophilic vegetables

Ing. Nina Muntean

Doctoral thesis

Modelování dopadů klimatické změny na růst a vývoj teplomilných zelenin

Abstract:

Modelování dopadů klimatické změny Pro predikci vývoje výrobního procesu potravin, závislého na mnoha faktorech, je často využíváno propojení experimentů a nové generace růstových modelů se socio-ekonomickými modely (Angulo et al., 2013; Asseng et al., 2015; Bindi et al., 2015; Lopes et al., 2015; Potopová et al., 2018; Potopová, 2020). Výsledky modelů ukazují, že ceny potravin by mohly zůstat na stejné úrovni jako dnes, pokud se globální změna teploty udrží do +2,0 °C (Challinor et al., 2018). Ovšem základní rys změny klimatu je, že podmínky prostředí se mění neustále a odrůdám, kterým se dnes daří, se velmi rychle může přestat dařit. Struktura zemědělské výroby (osevní postupy, volba plodin, agrotechnika, šetrné zacházení s půdou, aj.) nebude však v budoucnu záležet pouze na změnách klimatu, ale i na realizačních cenách produkce a dotační politice. Můžeme mít rentabilní výrobu, ale pouze za předpokladu konkurenceschopnosti českých farmářů v tržním prostředí EU. Pěstování polních plodin je v současné době stále více vystavováno vlivům souvisejících s probíhající změnou klimatu (Potopová, 2018). Přes velký pokrok ve šlechtění a technologiích způsobují sdružené klimatické a meteorologické události abiotický stres, velké fluktuace a propady výnosů a také vytvářejí podmínky pro rozvoj škodlivých organismů. Rajče jedlé (Solanum lycopersicum L.), lilek vejcoplodý (Solanum melongena L.) a paprika roční (Capsicum annuum L.) patří mezi teplomilnou zeleninu a limitujícím faktorem pro rentabilní pěstování plodové zeleniny v ČR jsou teplotní poměry stanoviště. Polní pěstování rajčat v klimatických podmínkách České republiky je prozatím pouze doplňkovou činností zelinářských farem (Potopová et al., 2017; Potopová et al., 2020). Pro plodovou zeleninu jsou v poslední dekádě v České republice vhodné agrometeorologické podmínky, kvalita výnosů vzrůstá, což je kromě nepochybné snahy pěstitelů i důsledkem probíhající změny klimatu. V neposlední řadě se také uplatnila vhodná dotační politika Ekologických opatření (bio zelenina, podpora tuzemských potravin). Plocha oblastí s teplotními podmínkami splňujícími nároky teplomilných zelenin bude na území ČR (a celé střední Evropy) narůstat. Tyto plodiny často velmi dobře snášejí nedostatek vláhy a dovedou s ní velmi dobře hospodařit a zároveň díky hlubokému kořenovému systému umí získat vodu a živiny z větších hloubek.

Abstract:

The presented work is based on the relationship of crop growth models, and regional climate models with experimental fields as tools for predicting the development of the production process of thermophilic vegetables tested in the context of climate change. For research on thermophilic vegetables, soil-plant-atmosphere growth models included in the Decision Support System for Agrotechnology Transfer (DSSAT) models were used, and their results were validated by experiments under field conditions. For the first time, the ability of the CROPGRO-Tomato and CROPGRO-Pepper models to simulate growth, development, and yield parameters of thermophilic vegetables (pepper hybrid Superamy F1, Tornado F1 and Thomas F1 tomato varieties) in various pedoclimatic conditions in Elbe lowland region was investigated. This work provides a crucial information for the development of different possible adaptation scenarios for the model crops and for evaluating the effectiveness of adaptation measures. Scenarios were developed regarding the impact of climate risks on the soil-plant-atmosphere culture system in the context of climate change. In the environment module of DSSAT, temperature impact scenarios combined with an increase in CO2 concentration or a decrease/increase in precipitation during tomato and pepper crop cycles have been developed. The median of simulated yields at the current CO2 concentration, but an increase in air temperature by 1 °C and a 25% increase in total precipitation showed a yield of 21% compared to the median of experimental data. When comparing the simulation results with the increase of CO2 at the Sc2 scenario level with the data from the field experiment, the model overestimated the result compared to the field experiment. This means that a simultaneous increase in air temperature by 2 °C and an increase of 670 ppm CO2 compared to current conditions and with the current variability of precipitation, the model estimates a higher productivity of tomatoes and peppers. This positive effect exceeds the negative effect of increased air temperature and rainfall variability (when applying irrigation). Based on the evaluation by the combined climate and crop model, the favourable temperature for fruit ripening of tomato areas will increase in the Czech Republic corresponding with the probability of the occurrence of GDD >1000 °C. For the observed period (2001-2020), the area with the sum of effective temperatures for growing tomatoes (GDD >1000 °C) represents about 36.60 % of the territory. In the future, according to the climate models used, for the periods 2021-2040 and 2041-2060, the area with a probability of effective temperatures above 1000 °C will increase considerably.

Keywords

teplomilni zelenin, Modelování, klimatické změny

Keywords

Thermophilic vegetables, Climate change, Crop simulation model, DSSAT, Spring frost, Heat waves, LAI, Dry biomass

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 8. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 25. 9. 2023
• Supervisor: doc. Dr. Mgr. Vera Potopová
• Reader: Tatiana Alexiou Ivanova, doc. Ing., Ph.D., Petr Hlavinka, externi, Adéla Musilová, externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Doctoral programme:
Plant Sciences