Seceta a fost o cauză majoră a dezastrului agricol, dar modul în care afectează vulnerabilitatea producției de porumb și grâu în combinație cu mai mulți factori covarianți (de exemplu, faze fenologice, regiuni agro-climatice, textura solului) rămâne neclar. Tocmai de aceea, folosind o abordare de sinteză a datelor, Stefani Daryanto și Pierre-André Jacinthe, de la Department of Earth Sciences, Indiana University-Purdue University Indianapolis, au întocmit studiul cu titlul ”Global Synthesis of Drought Effects on Maize and Wheat Production”.

Variații în funcție de specie

Studiul și-a propus să caracterizeze mai bine efectele acelor factori covarianți cu seceta și să ofere informații esențiale cu privire la minimizarea pierderii de randament. Pentru aceasta, s-au colectat date din publicații evaluate între anii 1980 și 2015 care au examinat răspunsurile la randamentul porumbului și grâului la secetă, folosind experimente pe teren. Ulterior, s-a efectuat o analiză neponderată folosind raportul de răspuns pentru a calcula limitele de încredere ale răspunsurilor de producție și s-au calculat sensibilitățile la secetă în ceea ce privește acești factori covarianți.

Rezultatele au arătat că reducerea randamentului a variat în funcție de specie, grâul având o reducere mai mică a randamentului (20,6%), comparativ cu porumbul (39,3%), la o reducere de aproximativ 40% a apei. Porumbul a fost, de asemenea, mai sensibil la secetă decât grâul, în special în timpul fazei de reproducere și la fel de sensibil în regiunile uscate și non-secade.

Deși nu s-a observat nicio diferență de randament între regiuni sau textură diferită a solului, cultivarea grâului în zonele uscate a fost mai predispusă la pierderi de randament decât în ​​regiunea nesecenată. Informați de aceste rezultate, discutăm cauzele potențiale și posibilele abordări care pot minimiza impactul secetei.

Hrana lumii de mii de ani

Cerealele au hrănit omenirea de mii de ani în urmă și au rămas cea mai importantă sursă de calorii pentru majoritatea populației umane. Trei cereale majore (porumb, grâu și orez) și alte cereale minore (orz, sorg, ovăz, secară, mei) au furnizat aproximativ 56% din energia alimentară și 50% din proteinele consumate pe pământ. Numai porumbul și grâul au contribuit la peste 50% din producția mondială de cereale în 2013 sau la aproximativ 1.016 și, respectiv, 713 milioane de tone de producție de cereale. Aceste cifre trebuie să crească cu 60%, până la 110%, până în 2050, pentru a face față creșterii populației umane, a consumului de carne și lactate, precum și a industriei biocombustibililor.

Sursa noastră de hrană depinde în mare măsură de cereale, dar producția lor agricolă este foarte afectată de secetă. Seceta are loc practic în toate regiunile climatice, iar pierderile de recoltă induse de secetă sunt considerate printre cele mai mari pierderi în agricultură. În ultimele decenii, au fost înregistrate evenimente majore de secetă și se preconizează că se vor intensifica în majoritatea părților Asiei și nu numai, ceea ce ar putea face agricultura extrem de dificilă în unele țări.

Cu excepția Statelor Unite, se estimează că marii producători de porumb (de exemplu, China, Brazilia, Franța) și grâu (de exemplu, China, India, Rusia), vor experimenta scăderi ale producției din cauza variabilității climatice. Această variabilitate a fost suficient de mare pentru a compensa creșterile producției rezultate din îmbunătățirea tehnologiei și concentrația ridicată de dioxid de carbon, generând scăderi ale producției globale de porumb și grâu cu 3,8% și, respectiv, 5,5%.

O tendință similară a fost găsită și în regiunile mai puțin dezvoltate, cum ar fi Asia de Sud și Africa de Sud, unde populația umană subnutrită a fost concentrată. Odată cu schimbările climatice globale și incertitudinile legate de tiparele precipitațiilor, securitatea alimentară poate deveni mai vulnerabilă decât în ​​trecut. Totuși, există puține abordări viabile din punct de vedere economic pentru a sprijini producția de culturi în timpul secetei.

În ciuda eforturilor continue de ameliorare pentru a dezvolta soiuri rezistente la secetă, lipsa prelungită a apei în regiunile cu insecuritate alimentară poate provoca foamete, epidemii și decese, poate genera crize de apă din cauza secăturii râurilor perene, pot avea impact asupra sistemelor de trai bazate pe agricultură.

Securitatea alimentară și dezvoltarea economică generală

Pentru a înțelege pe deplin impactul secetei asupra securității alimentare, este necesară elucidarea variabilelor de mediu și a factorilor agronomici care determină vulnerabilitatea producției de cereale la secetă. Întrucât variabilitățile au însoțit adesea experimentele de teren specifice locului, meta-analiza poate fi utilizată pentru a rezuma rezultatele numeroaselor experimente independente asupra secetei.

Pe baza acestui raționament, studiul și-a propus să caracterizeze mai bine efectele covariabile ale mai multor factori importanți (de exemplu, speciile de cereale, regiunile agroclimatice, fazele fenologice ale plantelor și textura solului) și, în cele din urmă, să poată utiliza aceste informații pentru a ghida planificarea agricolă. și minimizați pierderile de recolte din cauza secetei.

Aceste informații pot ajuta, de asemenea, modelarea producției alimentare prin furnizarea de informații despre sensibilitatea la secetă în diferite condiții covariabile despre care se știe că constrâng modelele.

Întrebările principale de cercetare au fost:

• ​​cum variază reducerea producției de porumb și grâu indusă de secetă în funcție de diferite faze fenologice, regiuni agroclimatice și textura solului și

• ce putem învăța din această analiză pentru a minimiza reducerea randamentului de porumb și grâu ?

Răspunsul porumbului și grâului la secetă pe baza meta-analizei

Răspunsul porumbului și grâului la secetă pe baza meta-analiza tuturor datelor disponibile din literatura de specialitate, rezultatele noastre au indicat că porumbul și grâul au prezentat un răspuns semnificativ diferit la randament la secetă. Sub o reducere comparabilă a apei (aproximativ 40%), grâul a avut doar 20% reducere a randamentului, în timp ce porumbul a înregistrat o reducere a randamentului cu aproximativ 39% (P < 0,05).

Rezultatele au indicat, de asemenea, că porumbul, principala specie de cereale C4 (91,7% din producția globală de cereale C4 în 2013), a avut o sensibilitate mai mare decât grâul, principala specie C3 (42,9% din producția globală de cereale C3 în 2013) . Acest rezultat este surprinzător, având în vedere că plantele cu cale fotosintetică C4 au de obicei o eficiență mai mare în utilizarea apei decât plantele C3 și, prin urmare, sunt considerate mai puțin sensibile la secetă.

Deși nu a fost studiat toată familia de Poaceae, inclusiv în grâu și porumb, s-au observat conținuturi mai scăzute de clorofilă și o mortalitate mai mare a frunzelor în diferite genuri C4 (de exemplu, Heteropogon, Themeda, Tristachya), în comparație cu ierburile C3 (adică, Alloteropsis, Panicum), în aceeași condiție de secetă (adică 48 de zile fără apă în care conținutul de apă din sol a scăzut cu 0,4% zi-1). În timp ce rata fotosintetică a fost semnificativ mai mare la acele ierburi C4 decât C3 în condiții bine udate, opusul a avut loc atunci când apa era limitată. Rata fotosintetică a ierburilor C4 recuperate după secetă a crescut mai lent decât cea a ierburilor C3 cu reudare ulterioară, ceea ce ar putea explica parțial disparitatea sensibilităților la secetă dintre porumb și grâu.

Mai important, porumbul este considerat o plantă monoică diclinoasă, în care competiția pentru apă între florile femele și cele masculine în timpul secetei favorizează dezvoltarea inflorescenței masculine, mai degrabă decât feminine. Acest atribut duce la eșecul fertilizării și contribuie în continuare la susceptibilitatea porumbului la secetă în timpul fazei de reproducere.

În schimb, același efect este mai puțin pronunțat la planta monoclinică monoică (de exemplu, grâul), deoarece anterele și ovarele se dezvoltă în aceeași floare. Diferite sensibilități la secetă ale porumbului și grâului sunt probabil legate de variațiile trăsăturilor plantelor legate de secetă. Răspunsurile plantelor la secetă sunt, în general, împărțite în trei categorii:

• evadarea secetei (de exemplu, ciclu scurt de viață),

• evitarea secetei (adică, menținerea stării favorabile a apei în timpul secetei, folosind diferite mecanisme, cum ar fi închiderea stomatică și senescența persoanelor mai în vârstă). frunzele) și

• toleranța la secetă (adică capacitatea plantelor de a funcționa la un potențial de apă scăzut, inclusiv capacitatea de a se recupera după stres) ca rezultat al ajustării osmotice (OA), al pereților celulari rigidi, al celulelor mici și al speciilor reactive de oxigen scoaterea.

Variabilitatea răspunsului la randament

Variabilitatea răspunsului la randament și a sensibilității la porumb și grâu apar astfel, deoarece acestea adoptă diferite mecanisme de adaptare la secetă. Unele plante, cum ar fi grâul, se adaptează la secete prin capacitatea lor de a-și pierde frunzele vechi și de a menține turgul celular adecvat și conductanța stomatică pentru asimilarea carbonului de către frunzele lor tinere.

Această trăsătură de stare verde (senescență întârziată) a grâului este importantă pentru adaptarea acestuia la mediul în care seceta de sfârșit de sezon (adică seceta în timpul fazei de reproducere) este o condiție comună, deoarece permite umplerea normală a boabelor prin mobilizarea rezervei de tulpină a boabelor.

Grâul este, de asemenea, capabil să tolereze seceta, având OA ridicată și, împreună cu o eficiență ridicată a transpirației, ele permit recuperarea după seceta de sfârșit de sezon, cu condiția ca apa să fie disponibilă în perioada de umplere a cerealelor. Ajustarea osmotică a grâului facilitează funcțiile critice de creștere (de exemplu, creșterea rădăcinilor, metabolismul frunzelor, dezvoltarea polenului) care pot atenua unele dintre cele mai dăunătoare efecte ale deficitului de apă al plantelor.

Pentru porumb, se pare că există corelații puternice între randament și trăsăturile legate de organele de reproducere datorită sensibilității lor la secetă în timpul fazei de reproducere. Selecția soiurilor de porumb care dezvoltă ciucuri mici a avut succes, deoarece porumbul favorizează dezvoltarea inflorescențelor masculine (ciucuri) mai degrabă decât a inflorescențelor feminine (spice), în special în timpul secetei. Dimensiunea mică a ciucurii este corelată pozitiv cu randamentul, care s-ar putea datora suprimării umbririi și a unei mai bune interceptări a luminii de către frunzele superioare sau a transpirației reduse.

Răspunsuri diferite ale fazelor fenologice ale plantelor la secetă

Rezultatele au arătat că porumbul și grâul care se confruntă cu secetă în timpul fazei lor de reproducere au avut o pierdere de randament mai mare decât cei care au suferit secetă în timpul fazei vegetative (P < 0,05), deși o cantitate mai mare de apă disponibilă în timpul fazei vegetative probabil a contribuit. la randamentul mai mare.

În timp ce grâul a avut o sensibilitate similară la secetă în timpul fazei vegetative și reproductive, porumbul a fost mult mai sensibil decât grâul în timpul fazei de reproducere. Plantele au, de obicei, o sensibilitate diferită la secetă în diferite faze ale perioadei lor de creștere. Majoritatea plantelor cu semințe, inclusiv cerealele, încep să-și piardă rezistența trec la secetă odată ce au germinat.

De fapt, stabilirea însămânțării, inclusiv dezvoltarea rădăcinii coroanei și a zonei inițiale de frunze verzi este esențială. În zonele predispuse la secetă, uscarea patului de semințe este o cauză comună a eșecului culturii. Această circumstanță, totuși, nu este reflectată în analiza noastră, deoarece majoritatea experimentelor de secetă necesită o bună germinare și o dezvoltare inițială a plantelor pentru a observa efectele secetei în fazele ulterioare de viață a culturii. În timpul fazei vegetative ale plantei, am constatat că reducerea producției care a avut loc din cauza secetei a fost mai mică decât cea din timpul fazei de reproducere, în concordanță cu multe alte studii.

Deoarece majoritatea carbohidraților din boabele de porumb și grâu provin din fotosinteza postanteză, pierderea potențială a randamentului din cauza secetei în timpul etapei vegetative este de obicei mică. Există totuși unele excepții când stresul hidric inhibă dezvoltarea urechii și, prin urmare, capacitatea de stocare. În general, seceta din timpul fazei vegetative este considerată reparabilă deoarece deficitul de apă a indus doar închiderea stomatică și inhibă fotosinteza, ceea ce limitează sinteza carbohidraților și astfel diviziunea și expansiunea celulară.

Seceta care a avut loc în timpul fazei de reproducere, totuși, poate duce la avortul ovulului și sterilitatea polenului la unele specii de cereale (de exemplu, orez, porumb), sugerând că efectul secetei asupra producției în această fază nu a putut fi inversat prin adaugand apa dupa aceea. Seceta provoacă o întârziere semnificativă a mătăsirii, prevenind sincronia critică dintre mătase și anteză și ducând la reducerea randamentului porumbului.

Această observație explică de ce intervalul anteză-mătase (ASI) a fost redus la hibrizii moderni de porumb, iar ASI scurt a fost punctul central al programelor de ameliorare care vizează dezvoltarea soiurilor de porumb tolerante la secetă. Într-adevăr, ASI scurt (și dimensiunea ciucurii la porumbul temperat) au contribuit la creșterea randamentului cerealelor la hibrizii de porumb mai noi.

Similaritate și diferențe

La rândul său, grâul părea să aibă o sensibilitate similară la secetă, indiferent dacă a avut loc în faza vegetativă sau reproductivă. Acest rezultat este surprinzător, având în vedere că cea mai mare parte a literaturii ar sugera că faza de reproducere este cea mai crucială în determinarea randamentului culturii. Asemănarea, în sensibilitatea la secetă, între faza vegetativă și cea reproductivă ar putea fi posibilă, deoarece reducerea numărului de spice la grâu a fost raportată atunci când seceta a avut loc pe parcursul întregului sezon de vegetație sau între anteză și dezvoltarea timpurie a laptelui, dar nu și atunci când a avut loc în timpul maturității boabelor.

Grâul este aparent sensibil la stresul hidric în timpul fazei vegetative (adică seceta de la începutul sezonului), deoarece alocă mai mult din substanțele sale asimilate rădăcinilor, rezultând o suprafață redusă a frunzelor, numărul de frunze per plantă, dimensiunea frunzelor și longevitatea frunzelor. De asemenea, s-a constatat că seceta de la începutul sezonului care a avut loc cu patru săptămâni înainte de anteză reduce semnificativ randamentul prin scăderea numărului de boabe pe spic.

Dacă seceta se prelungește până la mijlocul sezonului (adică, între îmbinare și anteză), totuși, impactul ei asupra mărimii capetelor de grâu (adică, numărul de spiculeți pe spion) și creșterea rădăcinii poate fi ireversibil, deoarece rădăcinile care apar târziu nu contribuie la randament. Aici, combinația dintre reducerea absorbției fotosintetice și a capacității de absorbție a nutrienților ar putea scădea drastic randamentul.

Prin urmare, trăsăturile care permit economisirea umidității solului în timpul creșterii timpurii (de exemplu, stabilirea viguroasă a culturii pentru a umbri solul și a suprima competiția de apă din partea buruienilor, precum și frunzele mai subțiri, dar mai late pentru a crește acoperirea solului și eficiența utilizării radiațiilor) sunt deosebit de importante pentru grâu. în zonele uscate unde pierderile de apă din evaporarea solului sunt semnificative (de exemplu, mediteraneeană).

Răspunsul la seceta de porumb și grâu cultivat în clime diferite

Producția de porumb și grâu din diferite regiuni ale lumii este frecvent afectată de lipsa de apă, în special în regiunile uscate. Cu toate acestea, nu am găsit niciun efect semnificativ asupra reducerii randamentului între regiunile uscate și non-uscane (P > 0,05). Plantele de grâu cultivate în zonele uscate au avut o sensibilitate mai mare la secetă în comparație cu cele cultivate în regiunea nesecătă, în timp ce porumbul a fost la fel de sensibil în ambele regiuni (P < 0,05).

Seceta este una dintre cele mai proeminente caracteristici ale zonelor uscate, ceea ce îi face pe cei două miliarde de locuitori din aceste eco-regiuni vulnerabili la eșecul recoltei. Având în vedere umiditatea relativă scăzută și cererea potențială mare de evapotranspirație în regiunile uscate, nu este surprinzător faptul că culturile cultivate acolo au o sensibilitate relativ mare la secetă. Grâul a arătat o sensibilitate mai scăzută la secetă în regiunile care nu sunt uscate, sugerând că diferențele de origine și, prin urmare, trăsăturile de adaptabilitate moștenite între porumb și grâu ar putea fi atribuite diferenței.

Spre deosebire de porumb care probabil provenea din regiuni mai umede, grâul provine din regiunea uscată și, prin urmare, grâul ar putea prezenta o sensibilitate mai mică la secetă atunci când erau g rown in regiunile mai umede. Într-adevăr, cultivarea porumbului a fost mai frecventă în zonele în care disponibilitatea apei este nelimitantă. În timp ce 75% din suprafața terenului pe care se cultivă grâul primește între 375 și 875 mm de precipitații anuale cu o temperatură medie de 25 C, grâul poate tolera precipitații cuprinse între 250 și 1750 mm și temperaturi între 3 și 32C.

Răspunsul la secetă al porumbului și grâului cultivat pe soluri cu textură diferită

În cele mai multe cazuri, textura solului poate oferi o estimare bună pentru potențialul sol-apă, capacitatea de reținere a apei și disponibilitatea apei pentru creșterea plantelor. Rezultatele meta-analizei noastre, totuși, au sugerat că textura solului nu a fost un factor determinant major pentru reducerea producției de porumb și grâu indusă de secetă la nivel mondial. În mod similar, textura solului nu a afectat sensibilitatea porumbului și grâului la secetă.

Culturile de cereale, inclusiv porumb și grâu, au avut de obicei o masă mai mare a rădăcinilor și o densitate a lungimii rădăcinilor în comparație cu alte culturi alimentare (de exemplu, leguminoase), care au arătat variabilitate în diferite texturi ale solului. Cerealele au necesitat, de asemenea, un aport mai mic de apă pe unitatea de lungime a rădăcinii în comparație cu leguminoasele, iar acești factori au contribuit probabil la robustețea producției de cereale în texturi contrastante ale solului.

Grâul, de exemplu, și-a putut extinde rădăcinile la o medie de 113 cm și avea mai puțin de 50% din lungimea totală a rădăcinii în primii 20 cm, în timp ce leguminoasele (adică mazărea de câmp), la doar 65 cm cu mai mult de 70% dintre ei era în top 20 cm. În afară de o strategie de toleranță la secetă (de exemplu, rămâne verde, OA ridicat), grâul a avut și o strategie de evitare a secetei, având un sistem de rădăcină adâncă, care le-a permis să acceseze apa din subsol și a funcționat bine în condiții de secetă.

Concluzii

În general, am constatat că porumbul a avut tendința de a suferi o pierdere mai mare a randamentului din cauza secetei, parțial pentru că porumbul provine din regiunile mai umede, ceea ce probabil a contribuit la sensibilitatea lor în condițiile agro-climatice. Porumbul a fost, de asemenea, foarte sensibil în timpul fazei de reproducere. Deși grâul a avut o sensibilitate similară la secetă în timpul fazei vegetative și reproductive, aceasta a fost considerabil mai mică decât cea a porumbului.

Prin urmare, atunci când s-ar putea aplica o irigare suplimentară, momentul de irigare este esențial pentru a determina eficiența acesteia. Rezultatele noastre pot fi folosite ca bază pentru a modela interacțiunile dintre inputurile agronomice, pentru a cuantifica câștigurile de productivitate și costurile de producție pentru porumb și grâu și pentru a determina programarea optimă a irigațiilor în perioadele critice de creștere (de exemplu, înflorirea).

Într-adevăr, cercetările efectuate în mai multe zone au arătat că irigarea suplimentară a grâului și porumbului folosind recoltarea apei de ploaie stocate în rezervoare subterane ar putea îmbunătăți semnificativ randamentul în aceste zone cu lipsă de apă (precipitație medie anuală = 289 mm). Chiar și o cantitate mică de irigare suplimentară (350–750 m3 ha-1 sau 35–75 mm echivalent adâncime a apei), în timpul perioadei de creștere a generat o creștere cu aproximativ 28–88% a randamentului de grâu și, respectiv, porumb.

Astfel, creșterea randamentului a fost mai mult decât proporțională cu creșterea (12–25%) a apei ca irigare suplimentară. Deoarece nu există o singură abordare care să fie suficientă pentru a îmbunătăți performanța plantei, ar trebui luată în considerare o combinație de abordări atunci când se elaborează un plan de răspuns la secetă.

Managementul specific sitului care ia în considerare condițiile solului (adică, culturile intercalate, mulcirea și rotația culturilor) și selecția de trăsături care este ajustată la clima locală au mai multe șanse să aibă ca rezultat producții durabile ale culturilor într-un climat în schimbare.

Deși ameliorarea plantelor oferă o cale pentru dezvoltarea speciilor de cereale rezistente la secetă și, prin urmare, ar putea contribui la reducerea vulnerabilității producției agricole la imprevizibilitatea climei, aplicarea de succes a acestor inovații tehnologice necesită o atenție deosebită a condițiilor de mediu locale (de exemplu, precipitații, temperatură, etc.), și nutrienții din sol.