Impact of projected air temperature change on winter cereals phenology in Poland
No Thumbnail Available
Date
2013
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy w Puławach
Abstract
Description
The evaluation of changes in crop phenology is a very important element in studies of the impact of climate change on agriculture. Previous works on the phenology in Poland in terms of climate change were focused mainly on thermophilic plants, for which the impact of projected temperature rise in the twenty-first century is very significant. However, the wider needs to prepare the adaptation of agriculture to climate change should pay attention to the crops determining the production potential of agriculture, which in Poland are winter cereals, analysed in this work. There is also a need to discuss observed changes in crop phenology in recent years, arose due to already documented change in annual temperature cycle. Whilst, from the climate change science perspective there is a need to evaluate the recently evaluated climate scenarios in impacts assessment study.
The aim of this study is to assess trends in of the phenology of winter wheat, winter rye and winter barley in Poland in the years 1990–2011, the construction of phenological models based on observational data in the years 1990–2011 and the analysis of changes in phenology for the recently evaluated climate scenarios developed for the XXI century in regional climate models.
The phenological observation data were used to create simple statistical crop development models for analysed cereals, based on the concept of sum of effective temperature and impact of photoperiod during the period from spring vegetation renewal to heading. Then using evaluated models and climate scenarios from four regional climate models (RCM), developed by the ENSEMBLES project for 2021–2051 and 2071–2100, the changes in thermal requirements and phenology were analysed compered to period 1971–2000. Trends in the terms of analysed phenological stages during the period 1990–2011, were also analysed.
Records on dates of sowing, emergence, spring vegetation renewal, heading and yellow ripeness of analysed cereals were collected from field experiments managed by Research Centre for Cultivar Testing (COBORU) conducted during the period 1990–2011 in 36 experimental stations. The number of observations (site–year–combinations) varied with phenological phase, but reached maxima of 826, 545, 618 for winter wheat, winter rye and winter barley respectively. Data, describing the thermal conditions came from synoptic stations of the Institute of Meteorology and Water Management - National Research Institute located in the nearest distance to COBORU experimental station.
The study showed that the varieties of winter wheat, winter rye and winter barley grown in COBORU experiments in the years 1991–2011, did not differ in terms of the thermal requirements of same varieties cultivated before 1990. It can be concluded that the observed changes in terms of phenology in recent years are the result of the temperature rise in Poland. In the years 1990–2010 there were significant trends (days for 10 years) in advance of the sowing and emergence dates of winter barley (2,2 and 1,3) and winter wheat (1,5 and 3,5), but no change in the date of sowing rye however with a change of date of rye emergence (1,1). Consequently, there was an increase in the period from sowing to emergence of winter wheat (1,9) and rye (1,1), while in the case of winter barley (0,9). The results show also a trend for the advance in heading and yellow ripeness dates for the analysed cereals (days in 10 years), respectively, of winter wheat by 3,6 and 5,0, winter rye – 2,8 and 5,0, barley 2,6 and 4,3 days. There were also visible tendencies in advancing the time to spring vegetation renewal, especially for winter rye (1,5), but the trends were not significant at ? = 0,05.
According to the four RCM scenarios analysed in the study, in the years 2021–2050, spring vegetation renewal in Poland will be earlier than in the years 1971–2000 by four days, whilst in the years 2071–2100 by about 16 days. The change of the beginning of vegetation in the years 2071–2100 will significantly increase the thermal requirements of winter cereals, expressed in degree-days, reducing changes in phenology, which could result from an increase in temperature. In the years 2021–2050, RCM scenarios project that, the heading of winter wheat, winter rye and winter barley will be about four days earlier than in the years 1971–2000. The advance in heading in the years 2071–2100, in case of winter barley and rye will be 9 days while 10 days for winter wheat. In the years 2021–2050 the date of yellow ripeness of winter wheat and rye will advance by five days while four days in case of winter barley. Over the years 2071–2100 advances in yellow ripeness for winter wheat, rye, barley, will reach respectively 14, 12, 11 days.
Ocena zmian w fenologii roślin stanowi bardzo ważny element analiz wpływu zmian klimatu na rolnictwo. Dotychczasowe prace związane z fenologią roślin w Polsce w warunkach zmian klimatu koncentrowały się głównie na roślinach ciepłolubnych, dla których prognozowany w XXI w. wzrost temperatury ma bardzo duże znaczenie. Jednak w odpowiedzi na potrzeby przygotowania działań adaptacyjnych wobec zmian klimatu należy zwrócić uwagę głównie na uprawy decydujące o potencjale produkcyjnym rolnictwa, którymi są w Polsce analizowane w tej pracy zboża ozime. Potrzebna jest również dyskusja o obserwowanych w ostatnich latach zmianach w fenologii roślin w wyniku udokumentowanego już wzrostu temperatury. Z punktu widzenia nauki o zmianach klimatu istnieje natomiast konieczność prowadzenia analiz najnowszych scenariuszy klimatycznych w różnych zastosowaniach praktycznych. Celem niniejszej pracy jest ocena tendencji zmian w fenologii pszenicy ozimej, żyta ozimego i jęczmienia ozimego w Polsce w latach 1990–2011, budowa modeli fenologicznych na podstawie danych obserwacyjnych z wielolecia 1990–2011 i analiza zmian w fenologii dla najnowszych scenariuszy klimatycznych w XXI w. opracowanych w Regionalnych Modelach Klimatu. Dane dotyczące terminów siewu, wschodów, wiosennego wznowienia wegetacji, kłoszenia i dojrzałości woskowej analizowanych zbóż ozimych zostały zebrane w doświadczeniach polowych prowadzonych przez Centralny Ośrodek Badania Odmian Roślin Uprawnych (COBORU) w latach 1990–2011, w 36 stacjach doświadczalnych. Liczba obserwacji (kombinacja: rok – punkt obserwacyjny) różniła się dla poszczególnych faz fenologicznych i maksymalnie osiągnęła dla pszenicy ozimej, żyta ozimego i jęczmienia ozimego odpowiednio: 826, 545 i 618. Dane do opisu warunków termicznych pochodziły z najbliżej położonej od stacji doświadczalnej COBORU stacji synoptycznej Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowego Instytutu Badawczego w Warszawie. Analizę zmian w fenologii przeprowadzono z wykorzystaniem danych pochodzących z czterech modeli regionalnej cyrkulacji udostępnionych w ramach projektu ENSEMBLES. Dane obserwacyjne dotyczące fenologii zostały wykorzystane do opracowania prostych statystycznych modeli opisujących rozwój roślin, z wykorzystaniem metody sum temperatury efektywnej. W okresie od wiosennego wznowienia wegetacji do kłoszenia w konstrukcji modeli fenologicznych uwzględniono wpływ fotoperiodu. Opracowane modele fenologiczne zostały wykorzystane w ocenie zmian wymagań cieplnych i terminów pojawów fenologicznych analizowanych zbóż w warunkach prognozowanych na lata 2021–2050 i 2071–2100 w stosunku do lat 1971–2000. Oceniono również tendencje zmian terminów fenologicznych analizowanych zbóż w latach 1990–2011. W pracy wykazano, że odmiany pszenicy ozimej, żyta ozimego i jęczmienia ozimego uprawiane w doświadczeniach COBORU w latach 1991–2011 nie różniły się pod względem wymagań termicznych od uprawianych przed 1990 r. Można więc wnioskować, że obserwowane tendencje terminów fenologicznych w ostatnich latach są wynikiem wzrostu temperatury w Polsce. W latach 1990?2010 stwierdzono istotne tendencje zmian terminu siewu i wschodów jęczmienia ozimego (odpowiednio: 2,2 i 1,3 dnia na 10 lat) i pszenicy ozimej (odpowiednio: 1,5 i 3,5 dnia na 10 lat), natomiast brak zmian terminu siewu żyta przy zmianie terminu wschodów (1,1 dnia na 10 lat). W konsekwencji nastąpiło wydłużenie się okresu od siewu do wschodów pszenicy ozimej o 1,9 i żyta ozimego o 1,1 dnia na 10 lat, natomiast skrócenie w przypadku jęczmienia ozimego o 0,9 dnia na 10 lat. Stwierdzono tendencję do przyśpieszania terminów kłoszenia i dojrzałości woskowej analizowanych zbóż (dni na 10 lat): pszenicy ozimej odpowiednio o 3,6 i 5,0, żyta ozimego – 2,8 i 5,0, jęczmienia ozimego 2,6 i 4,3. Widoczna jest równocześnie tendencja do przyśpieszania terminu wznowienia wegetacji, szczególnie dla żyta ozimego (1,5 dnia na 10 lat), jednak są to tendencje nieistotne na poziomie ? = 0,05. Według analizowanych czterech scenariuszy RCM w latach 2021–2050 wiosenny termin wznowienia wegetacji w Polsce będzie wcześniejszy niż w latach 1971–2000 o 4 dni i przypadać ma na 27 marca. Natomiast w latach 2071–2100 termin wznowienia wegetacji ma być wcześniejszy o 16 dni niż w latach 1971–2000 i ma przypadać na 16 marca. Zmiana terminu wznowienia wegetacji w perspektywie lat 2071–2100 spowoduje wzrost wymagań cieplnych zbóż, wyrażonych w stopniodniach, co zmniejszy zmiany w fenologii, które mogłyby wynikać ze wzrostu temperatury. W latach 2021–2050, według scenariuszy RCM, termin kłoszenia pszenicy ozimej, żyta ozimego i jęczmienia ozimego będzie o 4 dni wcześniejszy niż w latach 1971–2000. Przyśpieszenie terminu kłoszenia w latach 2071–2100 względem lat 1971–2000 w przypadku jęczmienia i żyta wyniesie 9 dni, a pszenicy – 10 dni. W latach 2021–2050, według scenariuszy RCM, termin dojrzałości woskowej pszenicy ozimej i żyta ozimego będzie wcześniejszy o 5 dni, a jęczmienia ozimego – 4 dni. W perspektywie lat 2071–2100 przyśpieszenie dojrzałości woskowej pszenicy ozimej, żyta ozimego, jęczmienia ozimego wyniesie odpowiednio: 14, 12, 11 dni.
Ocena zmian w fenologii roślin stanowi bardzo ważny element analiz wpływu zmian klimatu na rolnictwo. Dotychczasowe prace związane z fenologią roślin w Polsce w warunkach zmian klimatu koncentrowały się głównie na roślinach ciepłolubnych, dla których prognozowany w XXI w. wzrost temperatury ma bardzo duże znaczenie. Jednak w odpowiedzi na potrzeby przygotowania działań adaptacyjnych wobec zmian klimatu należy zwrócić uwagę głównie na uprawy decydujące o potencjale produkcyjnym rolnictwa, którymi są w Polsce analizowane w tej pracy zboża ozime. Potrzebna jest również dyskusja o obserwowanych w ostatnich latach zmianach w fenologii roślin w wyniku udokumentowanego już wzrostu temperatury. Z punktu widzenia nauki o zmianach klimatu istnieje natomiast konieczność prowadzenia analiz najnowszych scenariuszy klimatycznych w różnych zastosowaniach praktycznych. Celem niniejszej pracy jest ocena tendencji zmian w fenologii pszenicy ozimej, żyta ozimego i jęczmienia ozimego w Polsce w latach 1990–2011, budowa modeli fenologicznych na podstawie danych obserwacyjnych z wielolecia 1990–2011 i analiza zmian w fenologii dla najnowszych scenariuszy klimatycznych w XXI w. opracowanych w Regionalnych Modelach Klimatu. Dane dotyczące terminów siewu, wschodów, wiosennego wznowienia wegetacji, kłoszenia i dojrzałości woskowej analizowanych zbóż ozimych zostały zebrane w doświadczeniach polowych prowadzonych przez Centralny Ośrodek Badania Odmian Roślin Uprawnych (COBORU) w latach 1990–2011, w 36 stacjach doświadczalnych. Liczba obserwacji (kombinacja: rok – punkt obserwacyjny) różniła się dla poszczególnych faz fenologicznych i maksymalnie osiągnęła dla pszenicy ozimej, żyta ozimego i jęczmienia ozimego odpowiednio: 826, 545 i 618. Dane do opisu warunków termicznych pochodziły z najbliżej położonej od stacji doświadczalnej COBORU stacji synoptycznej Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowego Instytutu Badawczego w Warszawie. Analizę zmian w fenologii przeprowadzono z wykorzystaniem danych pochodzących z czterech modeli regionalnej cyrkulacji udostępnionych w ramach projektu ENSEMBLES. Dane obserwacyjne dotyczące fenologii zostały wykorzystane do opracowania prostych statystycznych modeli opisujących rozwój roślin, z wykorzystaniem metody sum temperatury efektywnej. W okresie od wiosennego wznowienia wegetacji do kłoszenia w konstrukcji modeli fenologicznych uwzględniono wpływ fotoperiodu. Opracowane modele fenologiczne zostały wykorzystane w ocenie zmian wymagań cieplnych i terminów pojawów fenologicznych analizowanych zbóż w warunkach prognozowanych na lata 2021–2050 i 2071–2100 w stosunku do lat 1971–2000. Oceniono również tendencje zmian terminów fenologicznych analizowanych zbóż w latach 1990–2011. W pracy wykazano, że odmiany pszenicy ozimej, żyta ozimego i jęczmienia ozimego uprawiane w doświadczeniach COBORU w latach 1991–2011 nie różniły się pod względem wymagań termicznych od uprawianych przed 1990 r. Można więc wnioskować, że obserwowane tendencje terminów fenologicznych w ostatnich latach są wynikiem wzrostu temperatury w Polsce. W latach 1990?2010 stwierdzono istotne tendencje zmian terminu siewu i wschodów jęczmienia ozimego (odpowiednio: 2,2 i 1,3 dnia na 10 lat) i pszenicy ozimej (odpowiednio: 1,5 i 3,5 dnia na 10 lat), natomiast brak zmian terminu siewu żyta przy zmianie terminu wschodów (1,1 dnia na 10 lat). W konsekwencji nastąpiło wydłużenie się okresu od siewu do wschodów pszenicy ozimej o 1,9 i żyta ozimego o 1,1 dnia na 10 lat, natomiast skrócenie w przypadku jęczmienia ozimego o 0,9 dnia na 10 lat. Stwierdzono tendencję do przyśpieszania terminów kłoszenia i dojrzałości woskowej analizowanych zbóż (dni na 10 lat): pszenicy ozimej odpowiednio o 3,6 i 5,0, żyta ozimego – 2,8 i 5,0, jęczmienia ozimego 2,6 i 4,3. Widoczna jest równocześnie tendencja do przyśpieszania terminu wznowienia wegetacji, szczególnie dla żyta ozimego (1,5 dnia na 10 lat), jednak są to tendencje nieistotne na poziomie ? = 0,05. Według analizowanych czterech scenariuszy RCM w latach 2021–2050 wiosenny termin wznowienia wegetacji w Polsce będzie wcześniejszy niż w latach 1971–2000 o 4 dni i przypadać ma na 27 marca. Natomiast w latach 2071–2100 termin wznowienia wegetacji ma być wcześniejszy o 16 dni niż w latach 1971–2000 i ma przypadać na 16 marca. Zmiana terminu wznowienia wegetacji w perspektywie lat 2071–2100 spowoduje wzrost wymagań cieplnych zbóż, wyrażonych w stopniodniach, co zmniejszy zmiany w fenologii, które mogłyby wynikać ze wzrostu temperatury. W latach 2021–2050, według scenariuszy RCM, termin kłoszenia pszenicy ozimej, żyta ozimego i jęczmienia ozimego będzie o 4 dni wcześniejszy niż w latach 1971–2000. Przyśpieszenie terminu kłoszenia w latach 2071–2100 względem lat 1971–2000 w przypadku jęczmienia i żyta wyniesie 9 dni, a pszenicy – 10 dni. W latach 2021–2050, według scenariuszy RCM, termin dojrzałości woskowej pszenicy ozimej i żyta ozimego będzie wcześniejszy o 5 dni, a jęczmienia ozimego – 4 dni. W perspektywie lat 2071–2100 przyśpieszenie dojrzałości woskowej pszenicy ozimej, żyta ozimego, jęczmienia ozimego wyniesie odpowiednio: 14, 12, 11 dni.
Keywords
climate change, winter cereals, crop phenology trend, regional climate models, efective degree-days models, zmiany klimatu, zboża ozime, fenologia roślin, regionalne modele klimatu, modele sum temperatur efektywnych
Citation
Monografie i Rozprawy Naukowe, 40, ss. 114