За матеріалами статті на тему «Чи вплинуть зміни клімату на вирощування цукрових буряків у ХХІ столітті?» («Will climate change affect sugar beet establishment of the 21st century?») Національного інституту сільськогосподарських досліджень INRA та Технічного інституту цукрових буряків Франції (ІТБ), лютий 2019 р.

Матеріали та методи

Моделювання появи сходів

Моделювання передбачає процес проростання насіння, появи сходів та їх кінцеві показники по відношенню до умов навколишнього середовища під час посіву. Раніше модель була пристосована до ряду сільськогосподарських культур, включаючи пшеницю, цукровий буряк, льон, гірчицю, цукрову квасолю, олійний ріпак та модель рослини Medicago truncatula, що дозволяє порівнювати різні види рослин із використанням одного і того ж набору критеріїв.

SIMPLE створює 3D-зображення насіннєвих лунок із визначенням глибини посіву, розмірами, кількістю та положенням ґрунтових агрегатів у якості вхідних змінних. Щоденна температура ґрунту та потенціал ґрунтової води в декількох шарах також використовувалися як вихідні змінні для моделювання разом із характеристиками рослин для проростання насіння, появи та розвитку сходів. Моделювання передбачає проростання насіння та появу сходів. Час, необхідний для проростання насіння, визначається випадковим чином при розподілі теплих періодів, та характеризує використовуваний посівний матеріал. Загальна тривалість теплого періоду після посівної обчислюється вище базової температури (Tb) для проростання насіння за умови, що вміст ґрунтової води на глибині посіву перевищує базовий водний потенціал (Ψb). Порогові значення Tb і Ψb для проростання насіння є вхідними змінними. Якщо насіння не проросло через вказаний час (як правило, за 30 днів моделювання), вважається, що воно вже не проросте. Якщо насіння проростає, то починають з’являтися та розвиватися сходи. Час виражається як теплий період із використанням значення Tb. Для кращого визначення впливу раннього водного стресу на розвиток сходів до моделі SIMPLE було додано функцію водного стресу, який зменшує появу сходів після проростання насіння. За допомогою цієї функції визначалася загибель сходів з урахуванням водного потенціалу ґрунтового шару, в якому через два дні після проростання насіння починає розвиватися зародковий корінь. У цей період, якщо потенціал ґрунтової води нижчий за Ψb, сходи не з’являються і наступного дня гинуть. В іншому випадку, час, необхідний для того, щоб сходи досягли поверхні ґрунту після проростання насіння, обчислюється на основі визначення глибини посіву, довжини шляху проходження пагону до поверхні землі та функції його подовження, параметри яких є вхідними змінними. Імовірність того, що сходи не зійдуть, залежить від розмірів та положення грудок у насіннєвій лунці. Утворення кірки на поверхні ґрунту залежить від загального рівня опадів після посівної, частина сходів залишається заблокованою під кіркою залежно від щоденного вмісту води в цій кірці (волога кірка не перешкоджає появі сходів). Моделювання на рівні глибини посіву проводилося 1000 разів для прогнозування швидкості проростання насіння та остаточного відсотка сходів. Умовними причинами відсутності сходів є (І) непроросле насіння, (ІІ) загибель сходів, спричинена водним стресом після проростання насіння, та (ІІІ) механічні перешкоди (грудки або ґрунтова кірка). Моделювання SIMPLE не враховує біотичних стресів, таких як шкідники та хвороби, чи вплив високих температур, які можуть гальмувати проростання насіння або викликати загибель сходів.

Нещодавні дослідження припустили, що деяровізація може відбутися, якщо рослини піддаються високій температурі протягом певного періоду їх розвитку. На основі цієї інформації було проаналізовано кількість днів з T_max > 25°C від 60 до 120 днів після посівної. У результаті, було встановлено, що якщо ця кількість була > 7, то потенційний ризик передчасного цвітіння прирівнювався до нуля.

Таблиця 1. Значення вхідних змінних SIMPLE для цукрових буряків, використані в дослідженні

Кліматичні сценарії та моделювання клімату насіннєвої лунки

Дослідження проводилося у типових регіонах вирощування цукрових буряків на півночі Франції. Здійснювалося моделювання щоденного вмісту води та температури ґрунту, відповідно до погодних умов та особливостей ґрунту. Зміни вологості ґрунту прогнозувалися за допомогою STICS на глибині 0-2, 2-4, 4-6 та 6-10 см. Розглянутий тип ґрунту мав наступні гранулометричні та хімічні характеристики на глибині 0-30 см: 0,197 г∙г^-1 глини, 0,747 г∙г^-1 мулу та 0,056 г∙г^-1 піску; 0 г∙г^-1 CaCO₃, 0,095 г∙г^-1 C, 0,001 г∙г^-1 N, співвідношення C/N 9,3 та 7,7 pH.

Було проаналізовано чотири погодні та ґрунтові параметри за 2020-2100 рік: середня температура ґрунту під час посівної, середня температура ґрунту та максимальна температура повітря та загальний рівень опадів 30 днів після посівної. Середні метеодані за останні 19 років (2000-2018 рр.), зареєстровані на метеостанції досліджуваної території, були розраховані для порівняння тенденції з модельованими даними погоди на наступні 81 років.

Моделювання посівної цукрових буряків

Насіннєва лунка, розглянута в цьому дослідженні, характеризувалася 15-25% ґрунтових агрегатів діаметром > 20 мм та 70-85% агрегатів, що мають діаметр < 20 мм. Глибина посіву склала 2,5 ± 0,4 см. Було проведено 405 моделювань посівної цукрових буряків на період з 2020 по 2100 рік з урахуванням п’яти термінів посіву: середина лютого, 1 березня, середина березня, 1 квітня та середина квітня. Аграрії Північної Франції найчастіше сіють буряки в середині березня, але в дослідженні також було враховано ранню (середина лютого та 1 березня) та пізню посівну (1 квітня та середина квітня) з урахуванням можливої в майбутньому зміни термінів посіву через кліматичні зміни.

Аналіз результатів моделювання

Кліматичні дані було об'єднано та проаналізовано за термінами посіву в розрізі 20-річних періодів (2000-2018, 2020-2040, 2041-2060, 2061-2080 та 2081-2100 роки). Для визначення потенційного впливу термінів та періодів посівної, їх залежності від погодних умов та ґрунтових параметрів було використано дисперсійний аналіз ANOVA.

Зміни коефіцієнта проростання, швидкості та тривалості появи сходів аналізували шляхом встановлення трьох класів швидкості чи тривалості, виражених як частота повторення кожного класу протягом 20-річного періоду в плані проростання насіння, швидкості та тривалості появи сходів. Щодо швидкості проростання, порогові значення вказували на низький рівень появи сходів (< 75%) та достатнє проростання (більше 75%). Стосовно швидкості появи сходів, порогові значення вказували на низьку (< 50%) та достатню швидкість (більше 50%). Відносно тривалості проростання, порогові значення вказували на малу тривалість, коли кількість днів, необхідних для досягнення максимального проростання (NGmax), складала < 14 днів, та довгу тривалість, коли NGmax > 14 днів. Щодо тривалості появи сходів, порогові значення вказували на малу тривалість, коли кількість днів, необхідних для досягнення максимальної появи (NEmax), складала < 28 днів, та довга тривалість, коли NEmax > 28 днів. Проаналізовано частоту поганого проростання насіння (< 75%) та появи сходів (< 50%), а також довгу тривалість NGmax (> 14 днів) та NEmax (> 28 днів), оскільки вони можуть стати основною причиною для пересівання.

Зміна причин відсутності сходів була проаналізована за допомогою встановлення двох класів загибелі насіння та сходів для кожної з причин. Щодо відсутності сходів, було встановлено два класи сходів із показниками < 25% та > 25% непророслого насіння. Стосовно загибелі сходів через грудки, кірку та посуху два класи мали низьку (< 15%) та високу (> 15%) смертність.

Зміна коефіцієнту передчасного цвітіння була представлена як середній прогнозований відсоток цвітучих рослин у розрізі 20-річного періоду. Ця зміна також була проаналізована шляхом визначення трьох класів коефіцієнту передчасного цвітіння: < 0,5%, 0,5-1% та > 1%.

Для визначення впливу на проростання насіння, появу сходів та коефіцієнт передчасного цвітіння, а також причини відсутності сходів, окрім статистичного аналізу, проведеного для визначення погодних умов (тобто лише за термінами посіву та 20-річним періодом, що об'єднує всі дані), також було проаналізовано дані за термінами посіву окремо для кожного 20-річного періоду.

Технічна доступність посівної кампанії

У зв’язку з майбутніми кліматичними змінами рання посівна (середина лютого, 1 березня) цілком може стати реальною. Однак цей зсув термінів залежить від доступу до поля для проведення посівних робіт. Тому було визначено технічну можливість фермерів для проведення ранньої посівної за допомогою моделювання термінів посіву та років із використанням двох підходів:

(І) на основі історичних даних (1987-2005 рр.): спостерігалося співвідношення між загальною кількістю опадів під час посівної в березні та відсотком площі посіву цукрових буряків у Франції наприкінці цього ж місяця (Графік 1). Потім минулі спостереження прирівнювалися з прогнозованими опадами за ті ж самі місяці (лютий та березень);

(ІІ) припускалося, що кількість опадів > 1 мм у день посіву технічно не дозволить фермерам отримати доступ до поля для проведення посівної в лютому та березні, оскільки в цей час поверхня ґрунту волога, а евапотранспірація — низька. Виходячи з цього, було обчислено частоту днів з опадами > 1 мм за лютий та березень.

Графік 1. Зв'язок загальної кількості опадів та відсотка засіяної площі, зафіксоваий наприкінці березня у зоні вирощування цукрових буряків у Франції (1987-2005 роки)

Результати

Умови посівної та їх зміна в майбутньому

Аналізуючи терміни посіву, різниця між середньою температурою ґрунту під час посівної, середньою температурою ґрунту та максимальною температурою повітря 30 днів після посівної була статистично значущою (P < 0,001) (Таблиця 2). Аналізуючи часовий період, всі середні значення погодних умов, пов'язані з температурою, збільшуються з часом зі статистично значущою різницею (P < 0,001). На відміну від цього, щодо середнього рівня опадів 30 днів після посівної (P = 0,220) не було виявлено жодної статистично значущої різниці.

Як очікується, середня температура ґрунту збільшиться під час пізньої посівної. Тенденція буде подібною для середньої температури ґрунту та максимальної температури повітря 30 днів після посівної. Загалом середня температура ґрунту під час посівної коливатиметься від 5°С в середині лютого до 11°C в середині квітня, тоді як середня температура ґрунту 30 днів після посіву складе від 6°C (середина лютого) до 13°C (середина квітня). Середня максимальна температура повітря 30 днів після посіву буде найнижчою (9°C) в середині лютого та найвищою (16°C) в середині квітня. На відміну від трьох температурних факторів, середня кількість опадів 30 днів після посівної для перших чотирьох термінів посіву буде високою (45-52 мм) без суттєвих змін, а потім різко зменшиться до 28 мм у середині квітня.

Якщо аналізувати періоди, середня температура ґрунту в день посівної буде найнижчою (7°C) в період 2020-2040, 2041-2060 років та поступово зростатиме в 2061-2080 та 2081-2100 роках до 8°C та 9°C відповідно. Аналогічна ситуація буде з середньою температурою ґрунту 30 днів після посівної, яка складе 9°С в 2020-2040 роках та 11°С в 2081-2100 роках. Ці зміни стануть більш суттєвими після 2060 року. На відміну від цього, середня максимальна температура повітря 30 днів після посівної змінюватиметься від одного періоду до іншого, збільшуючись, але не регулярно. Середній рівень опадів 30 днів після посівної складе від 39 до 47 мм із великою різницею між окремими роками, але без істотних відмінностей до 2100 року.

Таблиця 2. Різниця між погодними даними (середні значення ± стандартне відхилення) досліджуваної ділянки, аналізуючи в розрізі термінів посівної, 20-річних періодів та їх зв’язку

Середні значення істотно не відрізняються у розрізі років або термінів посівної; *** Р < 0,001; ** Р < 0,01; * P < 0,05 NS: не значний; dps: днів після посівної; ASTS: середня температура ґрунту під час посівної; AST: середня температура ґрунту; ATairmax: середньодобова максимальна температура повітря; TR: загальна кількість опадів.