Germany
October 15, 2018
Quelle: Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e.V.
For plant breeders it is essential to know whether plants are more vulnerable to heat or drought. - Wilfried Mirschel / ZALF
Too hot and too dry: the summer of 2018 saw losses in arable crops of up to 50 percent in some regions of Germany. As such weather extremes are likely to increase in the future, adapting agriculture to climate change is crucial. Important strategies include agronomic management and breeding of more tolerant crops. For plant breeders it is essential to know whether plants are more vulnerable to heat or drought. An international research team led by the Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF) is providing new answers to this question.
"Understanding whether we expect most risk to crop production under climate change to come from drought or heat stress can help farmers and breeders select the right varieties and farm management," says Dr. Heidi Webber. The agricultural scientist, head of the working group "Integrated Crop System Analysis" at the Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF), is the lead author of the current publication.
Investigating yield losses across Europe
For the study, the international research team looked at yields of grain maize and winter wheat in European agriculture. Using 10 models, the team investigated, among others, the relative share of heat versus drought in explaining yield losses. Looking at national and regional (NUTSII) statistics between 1984 and 2009 allowed the team to evaluate that the models could reproduce past yield fluctuations before projecting yields of the two crops under climate change to 2055. If crop varieties and planting dates remain the same, the results suggest that the yields of grain maize will decrease, while those of winter wheat will increase. This was not surprising as additional CO2 in the atmosphere benefits winter wheat more than maize. Elevated CO2 was thought to help maize withstand more drought, though the study suggests that in extremely dry years increasing atmospheric CO2 will be of no benefit in protecting against losses from drought. Climate adaptation, whether through breeding, increasing irrigation, switching to new crops, or having insurance against losses is therefore crucial. Understanding that drought presents the biggest risk to arable crops can help farmers and policy makers in selecting among the options. This is where Webber sees the particular value of the new findings.
New research approach
In a new research approach, Webber and her team took current findings from plant physiology research into account to show, for the first time for large scale crop production, what it is about higher temperatures that cause yield losses. Warmer temperatures affect crop growth in three different ways. Rapid development in hot years means the plants mature before capturing as much radiation as in cooler years having thus less time to grow biomass. High temperatures also can disrupt critical reproductive function in flowers and seeds, leading to big reductions in grain yield. The third, and in this case decisive, possibility is the high evaporation rate which occurs on hot days and in turn can lead to drought stress when there is insufficient rainfall and no irrigation. "Earlier studies for Europe which showed that high temperatures explain the majority of yield losses, did not take into account that water stress is a likely important outcome of hot days," said Webber. Prof. Frank Ewert, Scientific Director at ZALF and Professor of Crop Science at the University of Bonn adds: "Another major achievement of this study is to take into account uncertainties in the estimation of drought and heat stress events of several models calculated by leading modelling groups in Europe and internationally."
When Dr. Webber explains these processes, she is aware of how contradictory it can seem at first: "If there is a heat spell in the fields, it's almost always also too dry. So it seems illogical to consider two separate problems here." The problem is that the protective mechanisms of plants against drought stress are very different from those against overheating. They can even be mutually exclusive and are difficult to control for in field experiments. When plants protect themselves from drought by evaporating less water, they no longer evaporate water from the soil to cool their flowers and leaves. They become hotter, which in turn can cause heat damage. This is why it is so important to make the right decision as to what the plants need to be adapted to. New modelling approaches and experimental tools can be combined to explain which responses and options are likely to be most robust.
Original publication: https://rdcu.be/85vY
Neue Erkenntnisse über Dürre und Hitzeanfälligkeit bei Mais und Weizen
Zu heiß und zu trocken: Im Sommer 2018 gab es in einigen Regionen Deutschlands Ernteverluste von bis zu 50 Prozent. Da solche Wetterextreme in Zukunft wahrscheinlich zunehmen werden, ist die Anpassung der Landwirtschaft an den Klimawandel von entscheidender Bedeutung. Wichtige Strategien sind das agronomische Management und die Züchtung resistenterer Anbaukulturen. Für Pflanzenzüchter ist es dabei wichtig zu wissen, ob Pflanzen anfälliger für Hitze oder Dürre sind. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung des Leibniz-Zentrums für Agrarlandschaftsforschung (ZALF) e. V. gibt neue Antworten auf diese Frage.
„Zu verstehen, ob das größte Risiko für die Pflanzenproduktion unter dem Klimawandel durch Dürre oder Hitzestress entsteht, kann Landwirten und Züchtern bei der Auswahl der richtigen Sorten und der Betriebsführung helfen“, sagt Dr. Heidi Webber. Die Agrarwissenschaftlerin, Leiterin der Arbeitsgruppe "Integrated Crop System Analysis" am Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF), ist Hauptautorin der aktuellen Publikation.
Untersuchung von Ertragsausfällen in ganz Europa
Für die Studie untersuchte das internationale Forschungsteam die Erträge von Körnermais und Winterweizen in der europäischen Landwirtschaft. Anhand von zehn Modellen untersuchte das Team unter anderem, zu welchem Anteil sich Ertragsausfälle durch Hitze bzw. Dürre erklären lassen. Anhand der nationalen und regionalen Statistiken (NUTSII) zwischen 1984 und 2009 überprüfte das Team, ob die Modelle vergangene Ertragsschwankungen reproduzieren können, bevor sie die Erträge der beiden Kulturen unter dem Klimawandel bis 2055 prognostizierten. Bei gleichbleibenden Pflanzensorten und Aussaatterminen deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Erträge von Körnermais zurückgehen, während die von Winterweizen steigen. Dies war nicht verwunderlich, da zusätzliches CO2 in der Atmosphäre Winterweizen mehr begünstigt als Mais. Es wurde aber angenommen, dass ein Anstieg von CO2 in der Atmosphäre Mais dürreresistenter werden lässt, die Studie deutet jedoch darauf hin, dass in extrem trockenen Jahren erhöhtes CO2 keinen Nutzen bei Dürreausfällen bringen wird. Eine Anpassung an den Klimawandel, sei es durch Züchtung, zunehmende Bewässerung, Umstellung auf neue Kulturen oder Versicherung gegen Verluste, ist daher von entscheidender Bedeutung. Die Erkenntnis, dass Dürre das größte Risiko für Ackerkulturen darstellt, kann Landwirten und politischen Entscheidungsträgern bei der Auswahl der Optionen helfen. Hier sieht Webber den besonderen Mehrwert der neuen Erkenntnisse.
Neuer Forschungsansatz
In einem neuen Forschungsansatz berücksichtigten Webber und ihr Team aktuelle Erkenntnisse aus der pflanzenphysiologischen Forschung, um erstmals für den großflächigen Pflanzenbau zu zeigen, wie genau Hitze zu Ertragseinbußen führt. Wärmere Temperaturen beeinflussen das Pflanzenwachstum auf drei verschiedene Arten. Das schnelle Wachstum in heißen Jahren lässt die Pflanzen reifen, ohne so viel Strahlung empfangen zu haben wie in kühleren Jahren. Somit bleibt weniger Zeit für den Aufbau von Biomasse. Hohe Temperaturen können auch wichtige Fortpflanzungsfunktionen von Blüten und Samen stören, was zu einer starken Verringerung der Getreideernte führt. Die dritte und in diesem Fall entscheidende Möglichkeit ist die hohe Verdunstungsrate, die an heißen Tagen auftritt und bei unzureichenden Niederschlägen und fehlender Bewässerung zu Trockenstress führen kann. „Frühere Studien für Europa, die zeigten, dass hohe Temperaturen den Großteil der Ertragsausfälle erklären, haben nicht berücksichtigt, dass Wasserstress ein wichtiges Ergebnis heißer Tage ist", sagte Webber. Prof. Frank Ewert, Wissenschaftlicher Direktor am ZALF und Professor für Pflanzenbau an der Universität Bonn, ergänzt: „Eine weitere große Leistung dieser Studie ist es, Unsicherheiten bei der Abschätzung von Dürre und Hitzestressereignissen mehrerer Modelle zu berücksichtigen, die durch führende Modellierungsgruppen in Europa und international berechnet wurden.“
Wenn Dr. Webber das Vorgehen erklärt, ist ihr bewusst, wie widersprüchlich es zunächst wirken kann: „Wenn es eine Hitzewelle auf den Feldern gibt, ist es fast immer auch zu trocken. Es erscheint also unlogisch, hier zwei separate Probleme zu betrachten.“ Das Problem ist, dass sich die Schutzmechanismen von Pflanzen gegen Trockenstress stark von denen gegen Überhitzung unterscheiden. Sie können sich sogar gegenseitig ausschließen und sind im Feldversuch schwer zu kontrollieren. Wenn Pflanzen sich vor Trockenheit schützen, indem sie weniger Wasser verdunsten lassen, leiten sie kein kühlendes Wasser mehr aus dem Boden in ihre Blüten und Blätter. Sie werden heißer, was wiederum zu Hitzeschäden führen kann. Deshalb ist es so wichtig, die richtige Entscheidung zu treffen, woran die Pflanzen angepasst werden müssen. Neue Modellierungs- und experimentelle Ansätze können kombiniert werden, um zu erklären, welche Optionen wahrscheinlich am resistenter sind.
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