شبیه‌سازی اثرات تغییر اقلیم بر مراحل فنولوژیک و عملکرد ذرت (Zea mays L.) و ارائه راهکارهای سازگاری تحت شرایط اقلیمی کرمانشاه

پژوهشهای زراعی ایران

مقاله 1، دوره 21، شماره 4 - شماره پیاپی 72، دی 1402، صفحه 385-401   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jcesc.2023.81417.1232

نویسندگان

فرزاد مندنی^{* 1}؛ پریسا کرمی²؛ روژین قبادی³

¹گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

²دانشجوی کارشناسی ارشد اگرواکولوژی، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

³دانش‌آموخته دکترای فیزیولوژی گیاهان زراعی، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

چکیده

پدیده گرمایش جهانی به‌طور مستقیم و غیرمستقیم بر میزان تولیدات کشاورزی و امنیت غذایی تأثیر می‌گذارد. بنابراین، این تحقیق به‌منظور شبیه‌سازی اثر تغییر اقلیم بر مراحل فنولوژیک و عملکرد ذرت در شرایط اقلیمی کرمانشاه و ارائه راهکار‏های سازگاری به این تغییرات انجام شد. صفات مورد ارزیابی شامل تعداد روز از کاشت تا گلدهی و رسیدگی فیزیولوژیک، وزن خشک کل و عملکرد دانه بود. پس از کسب اطمینان از تطابق قابل‌قبول بین مقادیر شبیه‌سازی شده با مقادیر واقعی برای صفات مذکور، از مدل CERES-Maize برای مطالعه اثر تغییرات اقلیم بر تولید ذرت در دوره‌های آینده نزدیک (2050-2021) و دور (2080-2051) طبق سناریوهای RCP4.5 و RCP8.5 و مقایسه آن با شرایط مبنا (2010-1981) استفاده شد. برای شبیه‌سازی پارامترهای هواشناسی در شرایط تغییر اقلیم از میانگین نتایج 17 مدل گردش عمومی استفاده شد. تغییر تاریخ کاشت (5 اردیبهشت، 26 فروردین، 15 اریبهشت، 25 اردیبهشت و 4 خرداد) و رقم (SC704, Simon, BC678) به‌عنوان راهکارهای سازگاری در نظر گرفته شدند. نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد صفات روز از کاشت تا گرده‌افشانی و رسیدگی فیزیولوژیک، وزن خشک کل و عملکرد دانه در شرایط تغییر اقلیم نزدیک در سناریوی RCP4.5 نسبت به شرایط مبنا به‌ترتیب، 5.1-، 4.1-، 2.7 و 3.3 درصد و در سناریوی RCP8.5 به‌ترتیب، 6.2-، 5.4-، 0.66- و 3.6- درصد تغییر کرد. این مقادیر در شرایط تغییر اقلیم دور و سناریوی RCP4.5 به‌ترتیب، 5.2-، 5.4-، 7.1- و 16.2- درصد و برای سناریوی RCP8.5 به‌ترتیب، 8.8-، 9.8-، 23.1- و 45.8- درصد بودند. در هر دو دوره اقلیمی آینده و طبق هر دو سناریو با کاشت ارقام مورد بررسی در تاریخ‌های دیرهنگام در مقایسه با تاریخ‌های زودهنگام و رایج، طول مراحل نمویی کوتاه‌تر ولی وزن خشک کل و عملکرد دانه بیشتر بود. در بین ارقام مورد بررسی نیز در هر دو دوره اقلیمی آینده و هر دو سناریو، رقم Simon بیشترین عملکرد دانه را داشت. در مجموع با توجه به نتایج به‌دست‌آمده کاشت رقم Simon در تاریخ 4 خرداد که در هر دو دوره اقلیمی آینده و هر دو سناریو مورد بررسی بیشترین عملکرد را داشت، می‌تواند به‌عنوان راهکاری برای مقابله با اثرات منفی تغییر اقلیم بر تولید ذرت منطقه کرمانشاه پیشنهاد گردد.

کلیدواژه‌ها

تاریخ کاشت؛ راهکار سازگاری؛ رقم؛ مدل CERES-Maize

مراجع

Ainsworth, E. A., & Ort, D. R. (2010). How do we improve crop production in a warming world? Plant Physiology, 154(2), 526-530. https://doi.org/10.1104/pp.110.161349

Alexandrov, V. A., & Hoogenboom, G. (2000). The impact of climate variability and change crop yield in Bulgaria. Agricultural and Forest Meteorology, 104(4), 315-327. https://doi.org/10.1016/s0168-1923(00)00166-0

Amouzou, K. A., Lamers, J. P., Naab, J. B., Borgemeister, C., Vlek, P., & Land Becker, M. (2019). Climate change impact on water-and nitrogen-use efficiencies and yields of maize and sorghum in the northern Benin dry savanna, West Africa. Field Crops Research, 235, 104-117. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2019.02.021

Araya, A., Kisekka, I., Lin, X., Prasad, P. V., Gowda, P. H., Rice, C., & Andales, A. (2017). Evaluating the impact of future climate change on irrigated maize production in Kansas. Climate Risk Management, 17, 139-154. https://doi.org/10.1016/j.crm.2017.08.001

Bowling, L. C. M., Widhalm, M., Cherkauer, K. A., Beckerman, J., Brouder, S., Buzan, J., Doering, O., Dukes, J., Ebner, P., & Frankenburger, J. (2018). Indiana’s Agriculture in a Changing Climate: A Report from the Indiana Climate Change Impacts Assessment. Agriculture Reports. https://doi.org/10.5703/1288284316778

Cairns, J. E., Crossa, J., Zaidi, P. H., Grudloyma, P., Sanchez, C., Araus, J. L., Thaitad, S., Makumbi, D., Magorokosho, C., Bänziger, M., & Menkir, A. (2013). Identification of drought, heat, and combined drought and heat tolerant donors in maize. Crop Science, 53(4), 1335-1346. https://doi.org/10.2135/cropsci2012.09.0545

Crafts-Brander, S. J., & Salvucci, M. E. (2002). Sensitivity of photosynthesis in a C₄ plant, maize to heat stress. Plant Physiology, 129(4), 1773-1780. https://doi.org/10.1104/pp.002170

Deryng, D., Elliott, J., Folberth, C., Müller, C., Pugh, T. A. M., & Boote, K. J. (2016). Regional disparities in the beneficial effects of rising CO₂ concentrations on crop water productivity. Nature Climate Change, 6(8), 786-790. https://doi.org/10.1038/nclimate2995

Dias, M. P. N. M., Navaratne, C. M., Weerasinghe, K. D. N., & Hettiarachchi, R. H. A. N. (2016). Application of DSSAT crop simulation model to identify the changes of rice growth and yield in Nilwala river basin for mid-centuries under changing climatic conditions. Procedia food science, 6, 159-163. https://doi.org/10.1016/j.profoo.2016.02.039

Doorenbos, J., & Kassam, A. H. (1979). Yield Response to Water. FAO. Irrigation and Drainage Paper No. 33. FAO, Rome, Italy.

Hatfield, J. L., & Prueger, J. H. (2015). Temperature extremes: effect on plant growth and development. Weather and Climate Extremes, 10, 4-10. https://doi.org/10.1016/j.wace.2015.08.001

Hay, R. K. M., & Walker, A. J. (1989). An Introduction to the Physiology of Crop Yield. Longman Scientific and Technical Press Inc., New York.

Hoogenboom, G., Jones, J. W., Wilkens, P. W., Porter, C. H., Boote, K. J., Hunt, L. A., Singh, U., Lizaso, J. L., White, J. W., Uryasev, O., Ogoshi, R., Koo, J., Shelia, V., & Tsuji, G. Y. (2015). Decision Support System for Agrotechnology Transfer (DSSAT) Version 4.6 (www.DSSAT.net). DSSAT Foundation, Prosser, Washington.

Islama, A., Ahuja, R. L., Garciab, L. A., Ma, L., Saseendran, A. S., & Trout, T. J. (2012). Modeling the impacts of climate change on irrigated maize production in the Central Great Plains. Agricaltural Water Management, 110(C), 94-108. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2012.04.004

Khabba, S., Ledent, J. F., & Lahrouni, A. (2001). Maize ear temperature. European Journal of Agronomy, 14(3), 197-208. https://doi.org/10.1016/S1161-0301(00)00095-2

Li, X., Takahashi, T., Suzuki, N., & Kaiser, H. M. (2011). The impact of climate change on maize yields in the United States and China. Agricultural Systems, 104, 348-353. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2010.12.006

Liu, Z., Hubbard, K. G., Lin, X., & Yang, X. (2013). Negative effects of climate warming on maize yield are reversed by the changing of sowing date and cultivar selection in Northeast China. Global Change Biology, 19(11), 3481-3492. https://doi.org/10.1111/gcb.12324

Lobell, D. B., & Burke, M. B. (2010). On the use of statistical models to predict crop yield responses to climate change. Agricultural and Forest Meteorology, 150(11), 1443-1452. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2010.07.008

MarkSim. (2018). http://gismap.ciat.cgiar.org/MarkSimGCM

Meza, F. J., Silva, D., & Vigil, H. (2008). Climate change impacts on irrigated maize in Mediterranean climates: Evaluation of double cropping as an emerging adaptation alternative. Agricultural Systems, 98(1), 21-30. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2008.03.005

Mondani, F. (2018). Simulation of Nitrogen Fertilizer Effect on Maize (Zea maize) Production by CERES-Maize Model under Kermanshah Climate Condition. Water and Soil, 31(6), 1665-1678. https://doi.org/10.22067/jsw.v31i6.61895. (in Persian with English abstract).

Mondani, F., Karami, P., & Ghobadi, R. (2021). Simulation of moisture regimes effect on maize (Zea mays) growth and yield in Kermanshah region by CERES-Maize model. Crop Science Research in Arid Regions, 3(1), 39-56. https://doi.org/10.22034/csrar.2021.280069.1091. (in Persian with English abstract).

Moradi, R., Koocheki, A., & Nassiri Mahallati, M. (2014). Effect of Climate Change on Maize Production and Shifting of Planting Date as Adaptation Strategy in Mashhad. Journal of Agricultural Science and Sustainable Production, 23(4), 111-130. (in Persian with English abstract).

Muchow, R. C., Sinclair, T. R., & Bennett, J. M. (1990). Temperature and solar radiation effects on potential maize yield across locations. Agronomy Journal, 82(2), 338-343. https://doi.org/10.2134/agronj1990.00021962008200020033x

Ozkan, B., & Akcaoz, H. (2002). Impacts of climate factors on yields for selected crops in southern Turkey. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 7, 367-380. https://doi.org/10.1023/A:1024792318063

Rahimi-Moghaddam, S., Kambouzia, J., & Deihimfard, R. (2018). Adaptation strategies to lessen negative impact of climate change on grain maize under hot climatic conditions: A model-based assessment. Agricultural and Forest Meteorology, 253, 1-14. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.01.032

RCP. (2014). https://en.wikipedia.org/wiki/Representative_Concentration_Pathway

Rezaei, E. E., Webber, H., Gaiser, T., Naab, J., & Ewert, F. (2015). Heat stress in cereals: mechanisms and modelling. European Journal of Agronomy, 64, 98-113. https://doi.org/10.1016/j.eja.2014.10.003

Rosenzweig, C., & Tubiello, F. N. (2007). Adaptation and mitigation strategies in agriculture: an analysis of potential synergies. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 12, 855-873. https://doi.org/10.1007/s11027-007-9103-8

Rowhani, P., Lobell, D. B., Linderman, M., & Ramankutty, N. (2011). Climate variability and crop production in Tanzania. Agricultural and Forest Meteorology, 151(4), 449-460. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2010.12.002

Sarker, K. K., Akanda, M. A., Biswas, S. H., Roy, D. K., Khatun, A., & Goftar, M. A. (2016). Field performance of alternate wetting and drying furrow irrigation on tomato crop growth, yield, water use efficiency, quality and profitability. Journal of Integrative Agriculture, 15(10), 2380-2392. https://doi.org/10.1016/S2095-3119(16)61370-9

Schoper, J. B., Lambert, R. J., & Vasilas, B. L. (1987). Pollen viability, pollen shedding and combining ability for tassel heat tolerance in maize. Crop Science, 27(1), 27-31. https://doi.org/10.2135/cropsci1987.0011183X002700010007x

Shiri, M. (2018). The mitigation of climate change effect on maize grain yield by changing of planting date in Moghan. Cereal Research, 7(4), 563-578. https://doi.org/10.22124/c.2018.5574.1216. (in Persian with English abstract).

Smit, B., & Skinner, M. W. (2002). Adaptation options in agriculture to climate change: a typology. Mitig Adapt Strat Glob Change, 7(1), 85-114. https://doi.org/10.1023/A:1015862228270

Southworth, J., Randolph, J. C., Habeck, M., Doering, O. C., Pfeifer, R. A. Rao, D. G., & Johnston, J. J. (2000). Consequences of future climate change and changing climate variability on maize yields in the midwestern United States. Agriculture, Ecosystems and Environment, 82, 139-158. https://doi.org/10.1016/S0167-8809(00)00223-1

Srivastava, A. K., Mboh, C. M., Zhao, G., Gaiser, T., & Ewert, F. (2018). Climate change impact under alternate realizations of climate scenarios on maize yield and biomass in Ghana. Agricultural Systems, 159, 157-174. https://doi.org/10.1016/j.agsy.2017.03.011

Teixeira, E. I., Fischer, G., Velthuizen, H., Walter, C., & Ewert, F. (2013). Global hot-spots of heat stress on agricultural crops due to climate change. Agricultural and Forest Meteorology, 170, 206-215. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2011.09.002

Tingem, M., & Rivington, M. (2009). Adaptation for crop agriculture to climate change in Cameroon: Turning on the heat. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 14, 153-168. https://doi.org/10.1007/s11027-008-9156-3

Trnka, M., Dubrovsky, M., & Ekzalud, Z. (2004). Climate change impacts and adaptation strategies in spring barley production in the Czech Republic. Climatic Change, 64, 227-255. https://doi.org/10.1023/B:CLIM.0000024675.39030.96

Tubiello, F. N., Jagtap, S., Rosenzweig, C., Goldberg, R., & Jones, J. W. (2002). Effects of climate change on US crop production from the National Assessment. Simulation results using two different GCM scenarios. Part I: Wheat, Potato, Corn, and Citrus. Climate research, 20(3), 259-270. https://doi.org/10.3354/cr020259

Tubiello, F. N., Soussana, J. F. O., & Howden, S. M. (2007). Crop and pasture response to climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 104(50), 19686-19690. https://doi.org/10.1073/pnas.0701728104

Ummenhofer, C., Xu, H., Twine, T., Girvetz, E., McCarthy, H., Chhetri, N., & Nicholas, K. (2015). How climate change affects extremes in maize and wheat yield in two cropping regions. Journal of Climate, 28(12), 4653-4687. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-13-00326.1

Wang, Z. R., Rui, Y. K., Shen, J. B., & Zhang, F. S. (2008). Effects of N fertilizer on root growth in Zea mays L. seedlings. Spanish Journal of Agricultural Research, 6(4), 677-682. https://doi.org/10.5424/sjar/2008064-360

Wheeler, T., & Vonbraun, J. (2013). Climate change impacts on global food security. Science, 341(6145), 508-513. https://doi.org/10.1126/science.1239402

Zheng, B., Chenu, K., Dreccer, M. F., & Chapman, S. C. (2012). Breeding for the future: what are the potential impacts of future frost and heat events on sowing and flowering time requirements for Australian bread wheat (Triticum aestivium) varieties? Global Change Biology, 18(9), 2899-2914. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2012.02724.x