< Terug naar vorige pagina
Project
Invloed van de gewijzigde gewasrespons door klimaatverandering op het hydrologische systeem in België.
Stijgende atmosferische CO2-concentraties ([CO2]) en de bijhorende opwarming van de aarde veroorzaken wereldwijd klimaatveranderingen: hogere temperaturen, veranderde neerslagpatronen en meer extreme weersomstandigheden. In België verwacht men nattere winters, drogere zomers en hogere temperaturen in zowel winter als zomer. De landbouwsector en haar beschikbare watervoorraden zijn zeer kwetsbaar voor die klimaatveranderingen. De precieze impact hiervan op de landbouwproductie en de bodemwaterbalansis erg afhankelijk van locatie en omgevingscondities. In theorie is eenverhoogde [CO2] gunstig voor gewasproductie omdat dit de fotosynthese stimuleert en tegelijk de gewastranspiratie vermindert. Minder neerslag kan leiden tot waterstress voor gewassen en drogere bodems. Anderzijds kunnen overstromingen en veranderingen in neerslagintensiteit evenzeer schadelijk zijn voor de akkers en gewassen. Temperatuurstijgingen leiden tot een hogere atmosferische watervraag. Als de temperaturen bovendien stijgen boven de optimale temperaturen voor gewassen, komt de gewasproductie onvermijdelijk in gevaar. In gematigde klimaten (op hogere breedtegraden) kan een matige temperatuurstijging het groeiseizoen verlengen. Dit laat toe om laatrijpe variëteiten met een hoger productiepotentieel te telen. In dit onderzoek wordt de impact van verschillende klimatologische en [CO2]-veranderingen op vier belangrijke gewassen in Vlaanderen onderzocht. Dit gebeurt met behulp van gewasmodellen, waarvoor de input bestaat uit klimaatscenarios voor de toekomst afkomstig van klimaatmodellen.
In een eerste stap werden lokale klimaatscenarios voorde jaren 2050 gegenereerd voor het studiegebied. Dit gebeurde door klimaatsignalen afkomstig van twee ensembles van globale (GCMs, van het Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3)) en regionale klimaatmodellen (RCMs, van het EU-ENSEMBLES project (ENS)) te herschalen naar het lokaleniveau met behulp van de stochastische weersgenerator LARS-WG. Alle klimaatmodellen die voor dit onderzoek gebruikt werden, verwachtten een temperatuurstijging. Minder eenduidigheid was er in de verwachte neerslagtrends. In het algemeen waren de CMIP3-scenarios wel meer uitgesproken dan de ENS-scenarios, zowel voor temperatuur als neerslag.
Vervolgens werd het AquaCrop model geselecteerd als gewasmodel en gebruiksklaargemaakt voor de impactstudie. AquaCrop is een functioneel, water-gedreven model dat de ontwikkeling en productie van gewassen simuleert. Centraal staat de biomassa, geproduceerd op basis van het water dat getranspireerd wordt door het gewas. De proportionele factor die de gewastranspiratie en de biomassaproductie verbindt, is de waterproductiviteit.
Om de gewasrespons op verhoogde [CO2] beter te begrijpen en correct te kunnen inbouwen in AquaCrop werd een statistische meta-analyseuitgevoerd op de onderzoeksresultaten van veldstudies met verhoogde [CO2] (de zogenaamde free air CO2 enrichment (FACE) studies). De meestprominente analyseresultaten waren de positieve relatie tussen [CO2] en biomassa-/oogstproductieenerzijds, en de negatieve relatie tussen [CO2] en gewastranspiratie anderzijds. Deze twee aspecten leiden samen tot een aanzienlijke verhoging van de waterproductiviteit van gewassen (voor zowel C3- als C4-types). Daarnaast waren er ook duidelijke veranderingen in de gewasfenologie en in de verhouding tussen boven- en ondergrondse biomassa. Op basis van de resultaten van de meta-analyse werd een correctiefactor geïntroduceerd in AquaCrop die de gewastranspiratie naar beneden bijstelt met stijgende [CO2]. Ook werd er een flexibelecorrectiefactor voor de waterproductiviteitparameter ingevoerd die de parameter naar boven bijstelt met stijgende [CO2]. Deze correctiefactor is flexibel om de variatie in gewasrespons weer te geven. Die variatie houdt verband met de (variabele) opslagcapaciteit van een gewas (de zogenaamde sink strength; dit is de mate waarin het gewas in staat is om CO2 op te slaan in de vorm van biomassa). Beperkte opslagcapaciteit van een gewas, bijvoorbeeld ten gevolge van suboptimale beschikbaarheid van stikstof op het veld of ten gevolge van intrinsieke gewaskenmerken, kan de respons op [CO2] onderdrukken. De verkregen onderzoeksresultatensuggereren dat het in acht nemen van de opslagcapaciteit en de variatiein responsiviteit die daarmee verband houdt, even relevant is als het in rekening brengen van klimatologische veranderingen en verhoogde [CO2] bij de inschatting van de toekomstige gewasproductie. Indicatieve waarden voor de gewasrespons zijn voorgesteld voor alle gewassen die momenteel beschikbaar zijn in het AquaCrop model.
In een volgende stap werd een globale gevoeligheidsanalyse van AquaCrop (gevoeligheid van de modeloutput voor veranderingen in modelparameters) uitgevoerd, en werdhet model geijkt en gevalideerd voor het gematigd-maritiem klimaat van Vlaanderen. De gevoeligheidsanalyse bestond uit een Morris-screening gevolgd door een EFAST-analyse. De analyse toonde belangrijke interactie-effecten tussen modelparameters en een aantal irrelevante parameters, waarop suggesties voor modelvereenvoudiging geformuleerd werden. Ook was hetduidelijk dat de gevoeligheid van de modeloutput sterk afhangt van de omgevingscondities. Toch kon een overzicht van belangrijke parameters voor verschillende omstandigheden opgesteld worden volgens thematische categorieën.
De ijking en validatie van het AquaCrop model werd gedaan op basis van veldgegevens. AquaCrop kon afdoende geijkt en gevalideerdworden voor wintertarwe (Triticum aestivum L.), maïs (Zea mays L.), aardappel (Solanum tubersosum L.) en suikerbiet (Beta vulgaris L.) in het huidige gematigd-maritiem klimaat van Vlaanderen. Gezien de eerderesuccesvolle validatie van het model in warmere en drogere omstandigheden en bij verhoogde [CO2], en gezien de fysiologische basis van het model, werd aangenomen datAquaCropook gebruikt kan worden onder toekomstige klimaatomstandigheden. Een uitzondering hierop vormen de wintergewassen, omdat enkele bijzondere processen kenmerkend voor deze gewassen, zoals kiemrust, ontwikkeling van de koudeweerstand en bloei-inductie, nietexpliciet gesimuleerd worden in AquaCrop. Zonder de expliciete representatie van deze processen, reageert de gewasontwikkeling te sterk op de verwachte temperatuurstijging in de toekomst. Daarom werd het Sirius tarwemodel, dat deze processen wel expliciet simuleert, geselecteerd voor deimpactstudie van wintertarwe.
Na de voorgaande stappen werd tenslotte de finale impactstudie van toekomstige klimaatveranderingen op de vier belangrijkste gewassen in Vlaanderen gemaakt. De gegenereerde klimaatprojecties werden gebruikt als input voor de impactmodellen, AquaCrop en Sirius. Hoewel effecten verschillen naargelang gewas, omgevingscondities en verwachte klimaatveranderingen, zijn er ook enkele duidelijke trends waarneembaar. Tegen het midden van de 21ste eeuw domineren voor de gemiddelde oogstcijfers de voordelen van de klimaatverandering over de nadelen. Verhoogde [CO2] stimuleert voornamelijk de productie van wintertarwe, aardappel en suikerbiet (allen C3-gewassen), en neutraliseert de potentiële negatieve effecten van supra-optimale temperaturen en neerslagveranderingen. Maïs profiteert minder van verhoogde [CO2] dan de C3-gewassen en lijdt onder droogtestress door de verwachte klimaatveranderingen. Aanpassing van het veldbeheer (inclusief vroegere zaaidata enlaatrijpe variëteiten) laat toe om de gemiddelde productie van de lentegewassen nog te verhogen. Helaas hebben de klimaatveranderingen en het aangepast beheer ook een invloed op de opbrengststabiliteit doorheen de jaren. Deze neemt grotendeels af voor de lentegewassen. Hoewel de verwachte klimaatveranderingen kunnen leiden tot een verhoging van het gemiddelde productieniveau in Vlaanderen, kan tegelijk de bodemwaterbalans negatief beïnvloed worden. Dit verhoogt de droogtestress voor landbouwgewassen, wat kan leiden tot een verhoogde kwetsbaarheid en een verminderde opbrengststabiliteit. Alleen voor wintertarwe hebben de verwachte klimaatveranderingen een veel minder negatieve invloed op de bodemwaterbalans en de productiestabiliteit.
Dit onderzoek pretendeert niet om de toekomst te voorspellen. In plaats daarvan toont het waarschijnlijke toekomstige trends die verwacht kunnen worden in de landbouw in de komende decennia met een veranderend klimaat. De onzekerheid die gepaard gaat met het genereren van klimaatscenarios, komt ook tot uiting in de impactstudies waarin de klimaatscenarios gebruikt worden. Hoewel enkel gespeculeerd kan worden dat scenarios van RCMs meer geavanceerd zijn dan scenarios van GCMs voor lokale landbouwimpactstudies, tonen de onderzoeksresultaten ongetwijfeld aan dat de keuze voor een of ander ensemble van klimaatmodellen (met verschillende resolutie) bijdraagt aan de totale onzekerheid van landbouwimpactstudies.
In een eerste stap werden lokale klimaatscenarios voorde jaren 2050 gegenereerd voor het studiegebied. Dit gebeurde door klimaatsignalen afkomstig van twee ensembles van globale (GCMs, van het Coupled Model Intercomparison Project (CMIP3)) en regionale klimaatmodellen (RCMs, van het EU-ENSEMBLES project (ENS)) te herschalen naar het lokaleniveau met behulp van de stochastische weersgenerator LARS-WG. Alle klimaatmodellen die voor dit onderzoek gebruikt werden, verwachtten een temperatuurstijging. Minder eenduidigheid was er in de verwachte neerslagtrends. In het algemeen waren de CMIP3-scenarios wel meer uitgesproken dan de ENS-scenarios, zowel voor temperatuur als neerslag.
Vervolgens werd het AquaCrop model geselecteerd als gewasmodel en gebruiksklaargemaakt voor de impactstudie. AquaCrop is een functioneel, water-gedreven model dat de ontwikkeling en productie van gewassen simuleert. Centraal staat de biomassa, geproduceerd op basis van het water dat getranspireerd wordt door het gewas. De proportionele factor die de gewastranspiratie en de biomassaproductie verbindt, is de waterproductiviteit.
Om de gewasrespons op verhoogde [CO2] beter te begrijpen en correct te kunnen inbouwen in AquaCrop werd een statistische meta-analyseuitgevoerd op de onderzoeksresultaten van veldstudies met verhoogde [CO2] (de zogenaamde free air CO2 enrichment (FACE) studies). De meestprominente analyseresultaten waren de positieve relatie tussen [CO2] en biomassa-/oogstproductieenerzijds, en de negatieve relatie tussen [CO2] en gewastranspiratie anderzijds. Deze twee aspecten leiden samen tot een aanzienlijke verhoging van de waterproductiviteit van gewassen (voor zowel C3- als C4-types). Daarnaast waren er ook duidelijke veranderingen in de gewasfenologie en in de verhouding tussen boven- en ondergrondse biomassa. Op basis van de resultaten van de meta-analyse werd een correctiefactor geïntroduceerd in AquaCrop die de gewastranspiratie naar beneden bijstelt met stijgende [CO2]. Ook werd er een flexibelecorrectiefactor voor de waterproductiviteitparameter ingevoerd die de parameter naar boven bijstelt met stijgende [CO2]. Deze correctiefactor is flexibel om de variatie in gewasrespons weer te geven. Die variatie houdt verband met de (variabele) opslagcapaciteit van een gewas (de zogenaamde sink strength; dit is de mate waarin het gewas in staat is om CO2 op te slaan in de vorm van biomassa). Beperkte opslagcapaciteit van een gewas, bijvoorbeeld ten gevolge van suboptimale beschikbaarheid van stikstof op het veld of ten gevolge van intrinsieke gewaskenmerken, kan de respons op [CO2] onderdrukken. De verkregen onderzoeksresultatensuggereren dat het in acht nemen van de opslagcapaciteit en de variatiein responsiviteit die daarmee verband houdt, even relevant is als het in rekening brengen van klimatologische veranderingen en verhoogde [CO2] bij de inschatting van de toekomstige gewasproductie. Indicatieve waarden voor de gewasrespons zijn voorgesteld voor alle gewassen die momenteel beschikbaar zijn in het AquaCrop model.
In een volgende stap werd een globale gevoeligheidsanalyse van AquaCrop (gevoeligheid van de modeloutput voor veranderingen in modelparameters) uitgevoerd, en werdhet model geijkt en gevalideerd voor het gematigd-maritiem klimaat van Vlaanderen. De gevoeligheidsanalyse bestond uit een Morris-screening gevolgd door een EFAST-analyse. De analyse toonde belangrijke interactie-effecten tussen modelparameters en een aantal irrelevante parameters, waarop suggesties voor modelvereenvoudiging geformuleerd werden. Ook was hetduidelijk dat de gevoeligheid van de modeloutput sterk afhangt van de omgevingscondities. Toch kon een overzicht van belangrijke parameters voor verschillende omstandigheden opgesteld worden volgens thematische categorieën.
De ijking en validatie van het AquaCrop model werd gedaan op basis van veldgegevens. AquaCrop kon afdoende geijkt en gevalideerdworden voor wintertarwe (Triticum aestivum L.), maïs (Zea mays L.), aardappel (Solanum tubersosum L.) en suikerbiet (Beta vulgaris L.) in het huidige gematigd-maritiem klimaat van Vlaanderen. Gezien de eerderesuccesvolle validatie van het model in warmere en drogere omstandigheden en bij verhoogde [CO2], en gezien de fysiologische basis van het model, werd aangenomen datAquaCropook gebruikt kan worden onder toekomstige klimaatomstandigheden. Een uitzondering hierop vormen de wintergewassen, omdat enkele bijzondere processen kenmerkend voor deze gewassen, zoals kiemrust, ontwikkeling van de koudeweerstand en bloei-inductie, nietexpliciet gesimuleerd worden in AquaCrop. Zonder de expliciete representatie van deze processen, reageert de gewasontwikkeling te sterk op de verwachte temperatuurstijging in de toekomst. Daarom werd het Sirius tarwemodel, dat deze processen wel expliciet simuleert, geselecteerd voor deimpactstudie van wintertarwe.
Na de voorgaande stappen werd tenslotte de finale impactstudie van toekomstige klimaatveranderingen op de vier belangrijkste gewassen in Vlaanderen gemaakt. De gegenereerde klimaatprojecties werden gebruikt als input voor de impactmodellen, AquaCrop en Sirius. Hoewel effecten verschillen naargelang gewas, omgevingscondities en verwachte klimaatveranderingen, zijn er ook enkele duidelijke trends waarneembaar. Tegen het midden van de 21ste eeuw domineren voor de gemiddelde oogstcijfers de voordelen van de klimaatverandering over de nadelen. Verhoogde [CO2] stimuleert voornamelijk de productie van wintertarwe, aardappel en suikerbiet (allen C3-gewassen), en neutraliseert de potentiële negatieve effecten van supra-optimale temperaturen en neerslagveranderingen. Maïs profiteert minder van verhoogde [CO2] dan de C3-gewassen en lijdt onder droogtestress door de verwachte klimaatveranderingen. Aanpassing van het veldbeheer (inclusief vroegere zaaidata enlaatrijpe variëteiten) laat toe om de gemiddelde productie van de lentegewassen nog te verhogen. Helaas hebben de klimaatveranderingen en het aangepast beheer ook een invloed op de opbrengststabiliteit doorheen de jaren. Deze neemt grotendeels af voor de lentegewassen. Hoewel de verwachte klimaatveranderingen kunnen leiden tot een verhoging van het gemiddelde productieniveau in Vlaanderen, kan tegelijk de bodemwaterbalans negatief beïnvloed worden. Dit verhoogt de droogtestress voor landbouwgewassen, wat kan leiden tot een verhoogde kwetsbaarheid en een verminderde opbrengststabiliteit. Alleen voor wintertarwe hebben de verwachte klimaatveranderingen een veel minder negatieve invloed op de bodemwaterbalans en de productiestabiliteit.
Dit onderzoek pretendeert niet om de toekomst te voorspellen. In plaats daarvan toont het waarschijnlijke toekomstige trends die verwacht kunnen worden in de landbouw in de komende decennia met een veranderend klimaat. De onzekerheid die gepaard gaat met het genereren van klimaatscenarios, komt ook tot uiting in de impactstudies waarin de klimaatscenarios gebruikt worden. Hoewel enkel gespeculeerd kan worden dat scenarios van RCMs meer geavanceerd zijn dan scenarios van GCMs voor lokale landbouwimpactstudies, tonen de onderzoeksresultaten ongetwijfeld aan dat de keuze voor een of ander ensemble van klimaatmodellen (met verschillende resolutie) bijdraagt aan de totale onzekerheid van landbouwimpactstudies.
Datum:1 okt 2008 → 15 okt 2014
Trefwoorden:Hydrological modelling, Grote Nete, Climate change, Crop development, MIKE-SHE, Dynamic model, AquaCrop, Soil water balance
Disciplines:Bodemwetenschappen, uitdagingen en vervuiling, Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer, Fysische geografie en omgevingsgeowetenschappen, Bouwkunde en constructietechnologie, Aardbevingsengineering, Geotechnische en omgevingsingenieurswetenschappen, Waterbouwkunde, Windtechnologie
Project type:PhD project