Interaction of Climate Extremes, Air Pollution and Agro-ecosystems

Fremtidens matproduksjon, og dermed også mattrygghet, er svært følsom overfor både klimaendringer og luftforurensning. Foreløpig vet man lite om hvordan klimatekstremer og ozonforurensing påvirker landbruket, og om den relative effektiviteten til klimatilpasning og ozonreguleringstiltak for ulike avlinger og regioner. I CiXPAG-prosjektet undersøker vi de komplekse samspillene som finnes mellom klimaekstremer, luftforurensning og landbruksøkosystemer i ulike deler av verden. CiXPAGs felteksperimenter i India og Brasil viser at økt vanning demper reduksjonen av planteveksten som unormalt kalde eller varme temperaturer vanligvis fører til. Studier bekrefter også at den økte karbondioksid (CO2) konsentrasjonen i lufta kan forbedre plantenes fysiologiske toleranse mot de negative effektene av ozon (O3), men dette varierer mellom ulike typer planter. Særlig i India viste felteksperimenter en betydelig reduksjon av hveteavlingene i de tilfellene der det var høy forekomst av ozon. Ozon hadde både påvirkning på den totale biomassen, bladarealet og på vekten og kvaliteten på kornet, og dette tyder på at ozon er en alvorlig trussel mot hveteavlingene i det nordindiske lavlandet. Forskningsresultatene i CiXPAG-prosjektet indikerer at selv under kun moderat global oppvarming, vil India i fremtiden oppleve mer ekstremvarme. Å bruke vanning som klimatilpasningstiltak slik det gjøres i dag, kan etter hvert forsterke de negative effektene av ozon, fordi ozonopptaket øker hos planter som har tilstrekkelig vanntilgang. CiXPAG-prosjektet videreutvikler vi avlingsmodeller for å estimere den samlede effekten av ozon og klimavariabler, slik at vi kan beregne hvordan disse vil påvirke fremtidige avlinger og fremtidens produktivitet i landbruket. Slike beregninger vil kunne gi mer effektiv målretting av klimatilpasningstiltak og tiltak for å begrense skadene av klimaendringer. DO3SE-modellen har blitt evaluert under indiske forhold ved å bruke eksperimentelle data som viser effekten på hveteproduksjonen av forhøyet ozonkonsentrasjon i lufta (samlet under feltstudier foretatt som en del av CiXPAG-prosjektet). Modellen har deretter blitt brukt for å undersøke utviklingen av ozon og andre variabler som kan påvirke klimaet i perioden fra 1990 til 2050 ved hjelp av simulerte data for ozon og klima. Disse funnene tyder på at det kan være tilrådelig å etablere retningslinjer for luftkvalitet for å kunne redusere utslipp som kan komme til å påvirke landbruket, og dermed beskytte landbruket mot ozonforurensningen. Resultater fra CiXPAG viser at det å fjerne ozonforurensning (altså bedret luftkvalitet) vil virke positiv på Indias totale velferd. Spørreundersøkelser blant bønder og politiske beslutningstakere fra det nordindiske lavlandet har videre avdekket at konvensjonell (teknologifokusert) klimatilpasning begrenser problemkonteksten og ignorerer realitetene lokale beslutningstakere står overfor. Disse undersøkelsene har blant annet vist at teknologiske tilpasningsstrategier ikke er i samsvar med hvordan husholdninger tilpasser seg, og at tilpasning i landbruket må innbefatte mer enn bare påvirkningen på produksjonen. Dette innebærer at det er behov for å utvide rammene for klimatilpasning, ettersom klimaendringer kun er en av flere utfordringer folk nå står overfor på grunn av miljø- og samfunnsmessige endringer. Noen viktige punkter som ble fremmet for stakeholders var behovet for å øke overvåking av ozon, øke forståelse for forbindelsene mellom urbane og landlige områder (både mht. transport av forurensning, men også i samfunnsøkonomiske betydning), bruke en sirkulasjonstilnærming (altså basert på områder som er eksponert for den samme luften og luftforurensningen) i stedet for lokale tilnærminger for redusere konsekvenser, å skreddersy doseresponskurver for regionale avlingssorter, og for å modellere påvirkninger fra ulike typer stress som varme, vann, irrigasjon og ozon.

The CiXPAG project was impactful in raising awareness of the threats posed by surface level of ozone and its phytotoxic effects on crop productivity in combination with climate change. The project identify potential trade-offs between current agricultural management practices to enhance productivity under climate change (i.e. increased use of irrigation) but that may increase sensitivity to air pollution. The project also provided useful information on the role that air pollution impacts on agriculture may play in reducing the financial benefit of government policies aimed at supporting farmer's livelihoods. Workshops held during the project with scientists and stakeholders provided a good platform for sharing knowledge and experiences on crop yield impacts due to climate change and ozone, monitoring of pollution, and policy and science challenges. The project contributed overall to a better understanding and collaboration of scientists from different disciplines.

Future food production, and subsequently food security, is very sensitive to both climate change and air pollution. Climate extremes, in particular, can exert substantial stress to agricultural ecosystems and often co-occur with air pollution events. Ground-level ozone is being recognized as the major air pollutant responsible for crop yield losses. Little is known about how climate extremes and ozone pollution interact to affect agriculture, or about the relative effectiveness of climate change adaptation and ozone regulation measures for different crops and regions. In CiXPAG, we will investigate the complex interactions between climate extremes, air pollution and agricultural ecosystems. State-of-the-art global and regional climate model simulations will be combined with statistical downscaling approaches to provide better information on climate extremes relevant to agriculture. We will further develop a flux-based approach in ozone chemistry and climate models. A novel and more consistent approach to include the ozone effect in statistical crop growth models will increase our understanding of the interplay of environmental factors, such as downscaled climate information and air pollution, on agricultural ecosystems. The development of these models will be informed by field experiments describing the effect of climate and ozone on selected crops. The modelling results will be embedded in the particular socio-economic and political context of the study region (Indo-Gangetic-Plain, India) that contributes substantially to regional and global food supply, but is threatened by climate extremes and air pollution. A contextualized understanding of potential responses will be jointly developed by farmers, researchers and policy makers to support effective climate change adaptation and air pollution regulation measures. Knowledge generated in CiXPAG will be relevant also for other significant food producing and exporting countries and regions (e.g., Europe, Brazil).