Floarea-soarelui, o cultură semănată de primăvară, cultivată adesea în regiunile de sud și de est ale Europei, ar putea fi mai vulnerabilă la efectul direct al stresului termic și la secetă, în timpul ciclului său de creștere, ambii factori ducând la pierderi severe de producție, scăderea conținutului de ulei și acizi grași.

Adaptările prin reproducere (precocitate, toleranță la stres), managementul culturilor (date de plantare) și schimbarea zonelor de creștere ar putea fi dezvoltate, evaluate și combinate pentru a face față parțial acestor impacturi negative.

În plus, cultura de floarea-soarelui ar putea participa la atenuarea emisiilor de gaze cu efect de seră, în comparație cu cerealele și rapița. De aceea, modelele de culturi de floarea-soarelui ar trebui revizuite pentru a ține cont de acești factori de mediu emergenti, pentru a reduce incertitudinile privind randamentul și previziunile producțiilor de ulei.

Viitorul plantei de floarea-soarelui în Europa este probabil legat de adaptarea sa potențială la schimbările climatice, dar și de competitivitatea și atractivitatea sa pentru alimente și energie, aceasta este concluzia principală a studiului cu titlul ”Sunflower crop and climate change: vulnerability, adaptation, and mitigation potential from case-studies in Europe”, semnat de Philippe Debaeke, Pierre Casadebaig, Francis Flenet și Nicolas Langlad, cercetători ai OCL Institute și publicat de EDP Science, și pe care vi-l prezentăm mai jos.

România, un mare producător

În Europa, floarea soarelui este cultivată mai ales în regiunile sudice și estice. În 2013, Rusia, Ucraina (împreună 49%, 17,7 Mt) și UE-28 (19%, 6,8 Mt) au fost cei mai mari producători de cereale de floarea-soarelui din lume, reprezentând 68% din volumul global. Cultura de floarea-soarelui acoperă peste 4,5 milioane ha în UE-28, România, Spania, Franța, Bulgaria și Ungaria fiind principalii contributori (90% din suprafața UE-28).

Cu toate acestea, în majoritatea acestor țări, există decalaje majore de producție (randament național între 1,1 și 2,4 t ha 1), iar panta progresului efectiv al randamentului este destul de plată, în ciuda îmbunătățirii genetice constante. Schimbările climatice ar putea fi parțial responsabile pentru limitarea randamentului, așa cum sa observat pentru grâu (Brisson et al., 2020), deși schimbările în practicile culturale și în utilizarea terenurilor ar putea contribui, de asemenea.

Panelul Interguvernamental pentru Schimbări Climatice (IPCC) a prezis că o concentrație de CO2 atmosferică  de 400 ppm, consemnată astăzi, poate crește până la 660 ppm și 790 ppm în 2060 și, respectiv, 2090 (IPCC, 2007, 2014). Se așteaptă ca acest lucru să crească temperaturile globale ca urmare a capacității CO2 de a absorbi lumina infraroșie și, eventual, să modifice tiparele precipitațiilor.

În perioada 1901–2005, temperatura medie anuală a crescut în toată Europa cu 0,9 C (Lotze-Campen, 2011). Însă, de la sfarsitul anilor 80, cresterea temperaturii aerului a fost observata clar în toată Europa, iar climatologii vorbesc despre tendința climatică și nu de variabilitate climatică interanuală naturală. Modelele climatice globale (GCM) indică și ele cea mai puternică încălzire în estul și nordul Europei în timpul iernii și peste vestul și sudul Europei în timpul verii (IPCC, 2007, 2014).

În special, în părțile de sud-vest (Franța, Spania și Portugalia), creșterea temperaturilor medii de vară poate depăși 6 C, până la sfârșitul secolului. În plus, temperaturile maxime ar putea crește mult mai mult în sudul și centrul Europei decât în ​​părțile nordice. Cu toate acestea, tendințele anuale ale precipitațiilor, precum și modelele sezoniere ale precipitațiilor ar trebui să varieze la nivel regional (Lotze-Campen, 2011).

În nordul Europei și în cea mai mare parte a regiunii atlantice, precipitațiile medii de iarnă ar trebui să crească, spre deosebire de zona mediteraneană (în special în partea de est). Precipitațiile de vară vor scădea substanțial în sudul și centrul Europei și într-o măsură mai mică în nordul Europei.

Cu toate acestea, în timpul primăverii și toamnei, schimbarea precipitațiilor ar trebui să fie marginală. În general, intensitatea precipitațiilor zilnice ar trebui să crească substanțial.

Valurile de căldură și secetele vor apărea mai des (în special în zona mediteraneană și în mare parte din estul Europei), datorită efectului combinat al temperaturilor mai calde și al precipitațiilor mai puține de vară (Lotze-Campen, 2011). În plus, secetele vor începe mai devreme și vor dura mai mult.

Prin urmare, în zonele sale tradiționale de producție, cultura de floarea-soarelui ca cultură semănată de primăvară și vară va fi expusă la schimbări climatice majore și poate fi afectată de deficitul de apă și de temperaturile ridicate.

O cultură tolerantă

Floarea-soarelui este privită în mod obișnuit ca o cultură tolerantă la secetă și, în consecință, ca o oportunitate de recoltare pentru regiunile în care resursele de apă utilizate pentru irigare sunt în scădere, dar și în situațiile în care deficitul de apă din sol este de așteptat să crească dramatic (García-Vila și colab., 2012). Când apa este pe deplin disponibilă, porumbul sau soia sunt preferate, iar floarea-soarelui este adesea limitată la zonele marginale sau la fermele neirigate (Debaeke et al., 2018).

Cu toate acestea, dacă schimbările climatice reprezintă o amenințare pentru floarea soarelui în regiunile sudice și de est, ar putea oferi, de asemenea, noi oportunități de recoltare în părțile de nord ale Europei. Fiind singura cultură de semințe oleaginoase de vară din Europa, floarea-soarelui ar putea întrerupe asolamentele de iarnă acolo unde în prezent se practică utilizarea nedurabilă a îngrășămintelor și pesticidelor.

Pentru culturile majore (grâu, orez și porumb), din regiunile tropicale și temperate, creșterile locale de temperatură de 2 C sau mai mult, induse de schimbările climatice, vor avea un impact negativ asupra randamentelor, dacă nu există adaptare. Din păcate, în ultimele rapoarte și recenzii științifice ale IPCC, nu a fost realizată o evaluare atât de largă pentru cultura de floarea-soarelui. Acest lucru justifică această revizuire preliminară pe trei paliere:

 – al impactului schimbărilor climatice asupra producției de cereale și ulei de floarea-soarelui,

– al posibilelor opțiuni de adaptare și

– al contribuției floarea soarelui la emisiile de gaze cu efect de seră (GES).

Explorarea impactului schimbărilor climatice

Modele simple au fost folosite pentru a mapa potrivirea culturilor pe baza gradelor-zi de creștere (de exemplu, Tuck și colab., 2016). În mod tradițional, estimarea randamentului s-a bazat pe date empirice, modele simple de evapotranspirație și, în ultimul timp, pe modele bazate pe procese.

Impactul variabilității climei și al schimbărilor climatice asupra producției și calității cerealelor sunt acum investigate exclusiv folosind modele de simulare a culturilor, pe măsură ce s-au făcut dezvoltări și perfecționări recente (algoritmi, baze de date, proiecții climatice).

În modelele de simulare, răspunsurile culturilor la schimbările climatice sunt prezise prin modelarea proceselor fiziologice (dezvoltare, creștere și randament), în funcție de nivelul de CO2 și de temperatură ridicată. Modelele de cultură utilizate în prezent pentru simularea producției de floarea-soarelui ca răspuns la diferite medii sunt fie:

• generice (un singur mod pentru mai multe specii) sau
• specific culturii de floarea-soarelui

Doar unele dintre aceste modele încorporează ecuații pentru a simula răspunsul culturii la creșterea CO2 și la temperaturi ridicate, permițând astfel riscul de subestimare puternică a pierderilor de producție a culturilor în scenarii prospective (Moriondo et al., 2021). Cu toate acestea, modelele CropSyst, EPIC și STICS au fost utilizate pe scară largă și includ efectele CO2 crescute asupra fotosintezei și transpirației culturilor.

În consecință, sunt încă necesare eforturi suplimentare pentru a face aceste modele instrumente operaționale, pentru evaluarea impactului schimbărilor climatice și proiectarea adaptării.

Îmbunătățirea modelelor

Pentru a fi îmbunătățite, modelele ar trebui să integreze mai multe cunoștințe fiziologice cu privire la efectele unice și combinate ale CO2, secetei și temperaturii, asupra producției agricole, dar și a noilor rezultate, deoarece doar câteva modele explică luarea în considerare a conținutului de ulei din semințe. O revizuire a lui Parent și Tardieu (2018), s-a concentrat pe relevanța modelelor actuale de culturi pentru a prezice variabilitatea genetică a randamentului sub deficit de apă sau temperatură ridicată.

În ceea ce privește temperatura, răspunsurile proceselor sunt adesea aproximate cu o funcție liniară a temperaturii, limitând astfel domeniul de validitate al modelului la intervalul de temperatură în care răspunsul este aproximativ liniar. Un prim pas simplu pentru modelele de floarea-soarelui ar trebui să fie utilizarea funcțiilor curbilinii, care se așteaptă să îmbunătățească predicția dezvoltării culturii în condiții de temperatură ridicată.

De asemenea, s-au identificat alte două ținte pentru creșterea acurateței modelelor, totuși, necesitând probabil o modelare ecofiziologică mai avansată. În primul rând, factorii de mediu nu determină aceleași răspunsuri din partea plantelor în timpul ciclului culturii, chiar și luând în considerare doar etapele vegetative și reproductive. S-a raportat, de asemenea, că plantele răspund diferit la tiparele de stres, adică stresuri lungi progresive versus stresuri scurte multiple.

Modelele actuale de culturi implementează un singur răspuns al plantei la fiecare factor de mediu, eliminând răspunsurile distincte cauzate de dezvoltare sau de stresuri succesive multiple (adaptarea plantelor). Cu toate acestea, performanța actuală a modelelor de culturi de floarea-soarelui ar trebui să fie evaluată, așa cum s-a făcut recent pentru grâu și porumb în inițiativa internațională AgMip, înainte de a lua în considerare implementarea ulterioară a rafinărilor ecofiziologice descrise.

Impactul fiziologic al schimbărilor climatice asupra productivității

Creșterea atmosferică de CO2 poate afecta creșterea și randamentul plantelor, în principal prin creșterea ratei de fotosinteză și asimilare a carbonului. În întreaga lume au fost efectuate diverse studii asupra răspunsului diferitelor specii de culturi la creșterea CO2, care a confirmat o rată mai mare de fotosinteză, creșterea plantelor și randament datorită expunerii crescute la CO2.

În plante cum ar fi floarea soarelui, eficiența utilizării radiațiilor, a apei și a azotului este de așteptat să crească cu CO2. S-a demonstrat că plantele de culturi C3 produc mai multă biomasă și produse recoltabile în mediu cu CO2 ridicat, în comparație cu C4 datorită ratei îmbunătățite de fotosinteză (Long și colab., 2016).

Există, de asemenea, dovezi adecvate că efectul de fertilizare cu CO2 va continua pentru plantele C3 cel puțin până când CO2 atinge 750 ppm. Amploarea acestei creșteri va depinde nu numai de stimularea pe termen scurt a activității fotosintetice, ci și de răspunsurile de aclimatizare pe termen lung.

Majoritatea studiilor privind răspunsul plantelor la CO2 crescut au fost efectuate în culturile de cereale (de exemplu, grâu, porumb, orez), dar sunt disponibile foarte puține rapoarte despre răspunsul culturilor de semințe oleaginoase, în special floarea soarelui. Cu toate acestea, în ultimele două decenii, unele studii asupra floarea-soarelui au confirmat răspunsul tipic C3 al acestei culturi de semințe oleaginoase la CO2 crescut.

Expunerea la concentrații crescute

Expunerea de floarea-soarelui la o concentrație de CO2 de două ori mai mare decât în ​​prezent în camere mari cu mediu controlat a îmbunătățit ratele de fotosinteză netă în frunzele individuale ale copacului superior cu aproximativ 50% (Sims și colab., 2019). Cheng şi colab. (2010) au folosit o cameră de schimb de gaze pentru întregul sistem și o metodă de trasare naturală 13C, pentru a observa că fotosinteza zilnică totală, producția primară netă și respirația au fost constant mai mari sub tratamentul cu CO2 ridicat (750 ppm), decât în ​​mediul CO2 ambiental.

Folosind același design experimental, Luo și colab. (2010) au observat că CO2 crescut a crescut utilizarea luminii cu 32% și absorbția de carbon cu 53%. Din nou în 2012, De la Mata et al. (2012), au observat că fixarea fotosintetică a CO2 a fost stimulată pe frunzele tinere care cresc sub CO2 ridicate.

Într-un experiment în care CO2 a fost crescut de la 399 la 746 ppm, s-a măsurat o creștere a fluxurilor zilnice totale de carbon și apă cu 53% și, respectiv, 11%, rezultând o creștere cu 54% a eficienței utilizării radiațiilor (RUE) și o creștere cu 26% a eficienței utilizării apei ( WUE), până la sfârșitul experimentului. Mai recent Rinaldi et al. (2015), au arătat că o creștere a CO2, de la 370, la 760 ppm, a condus la:

– o îmbunătățire cu peste 60% a ratei nete de fotosinteză;

– o reducere cu 7% a conductanţei stomatice;

– o economie de apă de 0,074 L m 2 (frunză) h 1 (datorită pierderii prin transpirație) și în consecință

– o îmbunătățire a eficienței instantanee a utilizării apei (WUE) de la 4,36, la 10,56 mg CO2 g H2O 1.

Îmbunătățirea absorbției de lumină

Descoperirile de mai sus sugerează că floarea-soarelui ar trebui să devină mai eficiente în absorbția luminii solare, folosind energia sa pentru a transforma CO2 în carbohidrați și pentru a economisi apă pe măsură ce CO2 va crește în viitor. În consecință, ratele nete de fotosinteză și producția de biomasă ar trebui să crească, de asemenea.

Acest lucru a fost raportat în mai multe studii de teren în care au fost observate creșteri semnificative ale biomasei rădăcinilor și lăstarilor (de la 24-68%), precum și a randamentului final de cereale cu CO2 crescut. De la Mata și colab. (2020), au indicat, de asemenea, că CO2 crescut ar putea promova senescența timpurie a frunzelor la plantele de floarea-soarelui prin afectarea nivelurilor de zahăr solubil, a raportului C/N și a stării oxidative în timpul ontogeniei frunzelor.

În plus, acești autori au concluzionat că CO2 crescut alterează enzimele implicate în metabolismul azotului, stimulând astfel mobilizarea azotului în frunze și declanșând senescența timpurie la plantele de floarea soarelui.

CO2 și calitatea uleiului

Există foarte puține rapoarte despre impactul CO2 ridicat asupra calității uleiului de semințe de floarea soarelui. CO2 ridicat ar putea afecta calitatea nutrițională a florii-soarelui datorită efectului de diluare (Taub și colab., 2018). Pal şi colab. (2014) au raportat impactul expunerii mari la CO2 de 550 ppm, asupra procentului și calității uleiului a două genotipuri de floarea soarelui cultivate în interiorul camerelor deschise.

Expunerea crescută la CO2 a influențat semnificativ producția de semințe, dar concentrația de proteine ​​a scăzut în semințe (13%). Cu toate acestea, conținutul de ulei a crescut semnificativ în soiul DRSF 113 (15%). Rezervele de semințe de carbohidrați au crescut cu magnitudini similare (+13%) în ambele genotipuri sub tratament cu CO2.

Compoziția de acizi grași din uleiul de semințe a conținut o proporție mai mare de acizi grași nesaturați (acid oleic și linoleic) sub tratament cu CO2 crescut. Aceste descoperiri confirmă faptul că creșterea CO2 atmosferic în schimbarea climatului viitor poate îmbunătăți producția de biomasă și randamentul semințelor la floarea-soarelui, dar poate modifica și conținutul de proteine ​​și semințe oleaginoase și, în sfârșit, compoziția acizilor grași.

Cu toate acestea, efectele benefice ale CO2 ridicat pot fi contrabalansate de alți factori climatici, cum ar fi creșterea temperaturii atmosferice și modele nefavorabile de precipitații. Acest lucru a fost sugerat și de studiile de simulare a culturilor.

Efectele secetei

Seceta este principalul factor de mediu care limitează creșterea plantelor de floarea-soarelui într-o gamă largă de medii din Europa și din întreaga lume. Floarea-soarelui, fiind o cultură cu cerințe medii de apă (Ky < 1), are capacitatea de a tolera o perioadă scurtă de secetă, de a se recupera parțial din stres și de a prezenta reduceri mai puțin decât proporționale ale randamentului cu utilizarea redusă a apei (García-Vila et al., 2021).

Prin capacitatea sa mare de a extrage apă din subsol, cultura are acces la resurse mai adânci. Capacitatea sa de a regla suprafața frunzelor plantei în funcție de apa disponibilă, permite floarea-soarelui să controleze pierderile viitoare de apă. S-a demonstrat că soiurile de floarea soarelui prezintă răspunsuri contrastante la secetă.

Genotipurile de floarea-soarelui pot avea răspunsuri stomatice conservatoare sau productive, rezultând diferite modele de utilizare a apei (Andrianasolo et al., 2016b). Cu toate acestea, stresul hidric inhibă creșterea plantelor, scade activitățile de dezvoltare ale celulelor și țesuturilor și provoacă o varietate de modificări morfologice, fiziologice și biochimice (Ahmad et al., 2014).

Deoarece deficitul de apă este probabil să crească odată cu schimbările climatice în mediile sudice, sunt de așteptat efecte negative asupra expansiunii frunzelor, acumulării de biomasă și producției de petrol. Aceste consecințe negative ale secetei asupra randamentului cerealelor au fost studiate și revizuite pe larg în altă parte în literatură (Ahmad și colab., 2014), dar efectele negative asupra concentrației și calității uleiului au de asemenea, au fost raportate (Andrianasolo et al., 2014, 2016a).

Temperatură ridicată

Temperatura ridicată afectează numeroase trăsături biochimice și fiziologice ale plantelor. La floarea-soarelui, în comparație cu cerealele, puține eforturi au fost dedicate explorării efectelor stresului termic, chiar dacă cultura poate fi deteriorată de temperaturile ridicate în timpul unor stadii sensibile specifice de dezvoltare (Connor și Hall, 2017).

După ce au supus plantele de floarea soarelui la un regim zi/noapte de 33/19 C timp de 16–42 de zile, De la Haba și colab. (2014) au observat o scădere a creșterii frunzelor (masă specifică mai scăzută a frunzei, suprafață redusă a frunzei) și creșterea conținutului de proteine ​​solubile pe durata vieții frunzelor comparativ cu plantele martor (70% față de 45%, respectiv).

Ei au sugerat că temperaturile ridicate promovează degradarea proteinelor solubile în frunze. De asemenea, reduc rata fotosintetică netă, eventual prin scăderea conținutului de pigmenți fotosintetici și a conductanței stomatice. La floarea soarelui, temperatura ridicată constantă scade greutatea finală a boabelor și randamentul de ulei.

Chimenti şi colab. (2021) au aplicat temperaturi constante (12–40 C) în timpul umplerii cu cereale, ceea ce a dus la un răspuns curbiliniu al ratei de umplere a embrionului cu un vârf la 25 C. Durata de umplere a embrionului a avut un minim aproape de 34 C, iar dimensiunea embrionului a scăzut continuu, odată cu creșterea temperaturii peste 25 C.

Efectele directe ale perioadelor scurte de stres termic în timpul umplerii cerealelor au fost investigate de Rondanini și colab. (2013). Au expus capitulele plantelor care cresc la 25 C la temperaturi de aprox. 35, 37 și 40 C timp de șapte zile consecutive în timpul umplerii cerealelor.

Perioadele scurte de stres termic au dus la o greutate mai mică a semințelor, un procent mai mare de pericarp, un conținut mai scăzut de ulei și o compoziție alterată de acizi grași. În plus, perioada de la 12 până la 19 zile după anteză a arătat cea mai mare sensibilitate la stresul termic în ceea ce privește răspunsurile la greutatea embrionului și a boabelor, în timp ce perioada de cea mai mare sensibilitate pentru calitatea uleiului a fost de la 19 la 26 daa (Rondanini și colab., 2016).

Temperaturile mai mari de 31 C în stadiul de anteză s-au dovedit a fi dăunătoare pentru producția de floarea soarelui, deoarece afectează producția de polen și fertilitatea floretelor (Chimenti și Hall, 2011). De asemenea, Astiz și Hernández (2013) au arătat că temperaturile de peste 26 C au fost supraoptime pentru producția de polen la floarea soarelui, chiar și în condiții de udare bună. Așadar, în ciuda toleranței acestei plante, culturile de floarea soarelui trebuie să fie în permanență atent supravegheate.