SusCrop - Developing resilience and tolerance of crop resource use efficiency to climate change and air pollution

Klimaendringene vil påvirke avlinger de kommende tiårene. Samtidig har luftforurensning allerede fått betydelige konsekvenser for produktiviteten i landbruket, og forårsaker avkastningstap i hele Europa. Til tross for internasjonal innsats for utslippsreduksjon, forventes dårlig luftkvalitet i Europa å fortsette til minst 2050, og klimagassutslippene ser fortsatt ut til å føre til store endringer i klimaet de neste tiårene. I dette prosjektet undersøkte vi hva disse faktorene sett i sammenheng vil bety for vekst i avlinger, utvikling og avkastning. Dette gjorde vi gjennom å studere konsekvenser for viktige mekanismer som bestemmer hvor effektivt avlingene kan utnytte ressurser som stråling, vann og næringsstoffer. Vi utviklet en ny prosessbasert avlingsmodell for bedre å forstå mekanismene og konsekvensene av disse faktorene både for dagens klima og fremtidens klima i 2050. Den nye modellen gjorde det mulig for oss å identifisere størrelsen, frekvensen og den geografiske fordelingen av de kombinerte belastningene som mest sannsynlig vil begrense ressurseffektiviteten og dermed produktiviteten i landbruket. Eksperimenter utført i open-top chambers i det sentrale Spania i løpet av 2020 fant at høye ozonkonsentrasjoner forårsaket redusert fotosyntese og påfølgende avkastningstap på ~ 17%. Vannspenning ble funnet å begrense effekten av ozonskader, men både kombinasjonen av høye ozonnivåer og tørke resulterte i økte avlingstap på ~ 30% mer enn for de to påkjenningene hver for seg. Resultatene av disse eksperimentene har blitt brukt til å kalibrere og evaluere de nye generasjonene av avlingsmodeller, sammen med fjernmålingsdata og resultater fra AgMIP-ozonavlingsmodelleringsinitiativet. Den forbedrede nøyaktigheten til avlingsmodellene betyr at vi nå er i stand til å vurdere de kombinerte effektene av forurensning og klimastress på planteutvikling, vekst og avkastning i europeisk klima, både for nåtid og fremtid. En regional kjemisk transportmodell (WRF-Chem) ble satt opp ved hjelp av menneskeskapte brannutslipp, meteorologiske data og grenseforhold, og ble optimalisert ved å kjøre testsimuleringer av aerosoler og ozon. Modellresultatene var korrigert for skjevheter og fungerer nå som input for avlingsmodeller. Som et nytt bidrag ble multivariat skjevhetskorreksjon ikke bare utført for de konvensjonelle meteorologiske variablene, men også for overflateozon. For å analysere sammensatte hendelser som påvirker avlingene i Europa, er det utviklet en bivariat utvidelse av en statistisk metode for objektivt å definere ekstreme hendelser, og endringer i frekvensen av slike hendelser i CMIP6-klimaprojeksjoner ble undersøkt. Det er også viktig å knytte kunnskap, observasjoner og erfaring fra produsenter til modelleringsarbeidet. Vi har derfor gjennomført en litteraturgjennomgang for å vurdere dagens kunnskap om fordelene ved tilpasning til klimaendringer og luftforurensning for hvete i Europa. Resultatene tyder på at det har vært lite arbeid på tilpasning til luftforurensning, mens langt mer er gjort på fordelene med tilpasningsalternativer for klimaendringer. Disse spenner fra tekniske alternativer og ledelse til bredere transformasjonsendringer i agroøkologi og finans. Vi har gått systematisk gjennom over 250 artikler og sett på data om avkastningsfordeler for en rekke klimaforhold, anslått for kort og middels tidshorisont. Vi registrerer at fordelene med tilpasning varierer med region og type hvete, og at de oftest undersøkte tilpasningsalternativene er de som lettest kan modelleres av eksisterende avlingsmodeller kombinert med globale klimamodeller. Dette er imidlertid ikke alltid tilpasningsalternativene som kan ha positiv innvirkning på avkastning (for eksempel er barrierer for gjennomføring av tilpasning ofte knyttet til finans- og landbrukspolitikk). Et hovedmål med prosjektet har vært å involvere relevante aktører direkte, noe som var utfordrende da flere workshops måtte avlyses eller utsettes grunnet COVID-19-situasjonen. Egne intervjuer og spørreskjemaer for bønder, teknikere og selskaper er gjennomført. Et arrangement med ulike aktører, blant annet regjeringsrepresentanter, er avholdt i Spania. Prosjektet samlet informasjon fra interessenter om erfaringer med klimaendringer og luftforurensning, virkninger av tilpasningstiltak, og tilpasningsmetoder. Et faktaark er laget på flere språk for å gi informasjon om virkningene av klimaendringer på hveteproduksjon i forskjellige regioner i Europa, og om formålet med SUSCAP-prosjektet.

As climate change and air pollution will impact crop yields and food supply in Europe, farmers have implemented or are implementing adaptation measures to mitigate yield losses. Our project focused on the interaction between air quality and climate change, which is extremely important as our results indicate that adaptation to climate change may inadvertently increase crop losses due to ozone pollution. With the new generation of crop models developed in this project, we are now able to assess the combined impacts of these stresses in current and future climates. In the process of our stakeholder engagement work, it was found that the effect of ozone pollution on arable productivity is relatively unknown within the agricultural sector. We were therefore able to disseminate information and exchange knowledge directly with farmers, farming organizations, crop breeders, policy makers and other industry stakeholders. This project was trans-disciplinary in that it combined the efforts, knowledge and skills of experimental scientists, crop modelers, remote sensing experts and climate scientists. Combining these different backgrounds, as well as the varying experiences and approaches of multiple European countries, has allowed for opportunities to exchange information and research in a very open manner and will surely facilitate further collaboration on improving the sustainability and future productivity of arable agriculture in Europe.

This project will develop a new generation of process-based models capable of assessing key crop resource use efficiencies (Water Use Efficiency (WUE), Nitrogen Use Efficiency (NUE) and Radiation Use Efficiency (RUE)) that are affected by multiple stresses resulting from air pollution (specifically ozone and aerosol), climate change and CO2 fertilization. We will improve our understanding of the mechanisms by which pollution and climate stress influence these resource use efficiencies so that we can identify promising crop traits and crop management practices that provide adaptation to these stresses. Such adaptation would lead to improved crop growth, development and yield under future pollution and climates enhancing the economic resilience of European arable agriculture. Our consortium of eight world-leading expert groups skilled in climate change and air pollution in relation to crop experimental investigation and modelling will conduct this research with transnational stakeholders from across Europe to co-design appropriate solutions and interventions. We will use recent developments in climate and atmospheric chemistry modelling and statistical analysis to identify the magnitude, frequency, and geographical distribution of different combinations of abiotic stresses that will be prevalent over the coming decades up to 2050. We will apply an ensemble crop modelling approach to identify the future abiotic stress combinations that will be most likely to damage crop resource use efficiency, identifying thresholds and feedbacks that will lead to reduced crop productivity. We will identify the future geographical and temporal distribution of these combined stresses so that we can locate regions in which crop resources are already limiting, and have the potential to become more (or less) limiting in the future. Together these activities will improve the sustainability and future productivity of arable agriculture in Europe.