Spring wheat (Triticum aestivum L.) ideotype responses to elevated CO2 and temperature levels : A cereal yield modeling study using satellite information

Abstract

The wheat (Triticum aestivum L.) ideotype concept is defined as the optimal wheat genotype with a maximum potential for grain yield under optimal growing conditions. The ideotype concept has been widely reviewed in agronomy research for a variety of crops. The wheat ideotype with optimum yielding capacity and with adaptation to elevated atmospheric CO2 concentrations should have rapid canopy closure at the tillering stage and a long grain-filling period, with high temperature sum requirements from anthesis to maturity.

The CERES-Wheat modeling results using the non-limited Open Top Chamber (OTC) data (1992-1994) indicated, when using the CERES-Wheat potential, non-limiting model, that the simulated grain yield of high-latitude cv. Polkka increased under elevated CO2 conditions (700 ppm) to 142 % and to 161 % for the mid-European cv. Nandu, as compared with the reference level (ypot, 100%). The corresponding observed average 1992-1994 increase in OTC experiments was lower (112 % cv. Polkka). The elevated temperature (+ 3 °C) accelerated phenological development, especially during the generative phase, according to the CERES-Wheat model estimations. The yield of cv. Polkka decreased on average to 80.4 % (59 % cv. Nandu, vs. 84 % OTC observed) due to temperature increase from the simulated reference level (ypot, 100%). When modeling the elevated temperature and CO2 interaction, the increase in grain yield under elevated CO2 was reduced by the elevated temperature, accelerating phenological development, especially during the generative phase, resulting in a shorter grain-filling period. The combined CO2 and temperature effect increased cv. Polkka grain yield to 106 % (107 % for cv. Nandu) under non-limited growing conditions (vs. 102 % OTC observed) as compared with the simulated reference level (ypot,100 %). The modeling results from the CERES-Wheat crop model, ideotype and cultivation value models imply that with new high yielding mid-European ideotypes, the nonpotential baseline yield (yb) would be on average 5150 kg ha-1 (+ 108 %) vs. new highlatitude ideotypes (yb 4770 kg ha-1, 100%) grown under the elevated CO2(700ppm)×temperature(+3ºC) growing conditions projected for the year 2100 FINSKEN climate change scenario for southern Finland, with elevated CO2 (733 ppm) and temperature (+4.4 °C) levels. The Ideotype, Cultivation value, Mixed structural covariance, Path and yield component analysis results emphasized that especially grains/ear, harvest index (HI) and maximum 1000 kernel weight were significant factors defining the highest yield potential for high-latitude and mid-European spring wheat genotypes. In addition, the roles of flag leaf area and dry weight, especially during the generative phase after heading, were important factors defining the final grain yield potential for new highyielding wheat ideotypes.

The 1989-2004 averaged cereal yield modeling results using optical and microwave satellite data from southern Finland with Vegetation Indices (VGI) and Composite Multispectral (CMM) models, suggest a non-potential baseline yield level (yb, kg ha-1) of 3950 kg ha-1 (R2 0.630, RMSE 9.1 %) for spring cereals (including spring wheat, barley (Hordeum vulgare L.), and oats (Avena sativa L.) cultivars), 4330 kg ha-1 (R2 0.630, RMSE 6.7 %) for winter cereals (winter wheat and rye (Secale cereale L.) cultivars) and 4240 kg ha-1 (R2 0.764, RMSE 6.6 %) for spring wheat cultivars grown in actual field conditions on farms in southern Finland. The modeled VGI and CMM yield estimates (yb) were compared with corresponding measured averaged yields in the 6 experimental areas in the Etelä-Pohjanmaa, Nylands Svenska and Häme Agricultural Advisory and Rural Development Centres (Growing zones I-III) in southern Finland.

The combined modeling results from this study suggest that the 5 t ha-1 yield barrier will be surpassed with new high yielding mid-European and high-latitude optimal ideotypes introduced into cultivation after the 1990s, when also taking into account the elevated atmospheric CO2 and temperature effects, thereby increasing the average spring wheat non-potential yield levels by 1-6 % of high-latitude ideotypes (4-13 % for mid-European ideotypes) by 2100 in southern Finland. The extrapolation modeling results, combined with earlier sowing and elevated atmospheric CO2 (700 ppm) and temperature (+3 ºC) effects, suggest an average net increase of 30 million kg annually in spring wheat total production in Finland by 2100 using new high-latitude wheat ideotypes (60 million kg with new mid-European ideotypes) and assuming no changes in wheat cultivated area and land use. Currently the averaged annual spring wheat total production is on the 600 million kg level in Finland, varying significantly between years with changes in wheat total cultivation area in Finland.

Tutkimuksessa arvioitiin kasvumalleilla nykyisten ja uusien kevätvehnägenotyyppien (alkuperä Keski-Eurooppa/Skandinavia) sekä potentiaalista, ympäristö ja kasvutekijöiden rajoittamatonta (ypot, kg ha-1) että non-potentiaalista (yb,kg ha-1) sadontuottokykyä tulevaisuuden kohonneiden ilmakehän CO2 ja keskilämpötilojen kasvuolosuhteissa Etelä-Suomessa vuosien 2000-2100 aikavälillä.

Lisäksi tutkimuksessa arvioitiin mahdollisuuksia arvioida kevätviljojen ja erityisesti kevätvehnän non-potentiaalista satotasoa laajoilla viljelyalueilla Etelä-Suomen ja Pohjanmaan maaseutukeskuksissa (Etelä-Suomen ja Pohjanmaan kasvuvyöhykkeet I-IV) hyödyntäen sekä optisten että mikroaaltotaajuus kaukokartoitussatelliittien mittausdataaa (1998-2004).

CERES wheat -kasvumallilla simuloitiin kohotettujen CO2:n (700 ppm, parts per million) ja lämpötilan(+3 °C) vaikutuksia kevätvehnälajike Polkan (Triticum aestivum L.) fenologiseen kehitykseen sekä biomassa- ja sadontuottomahdollisuuksiin optimaalisissa kasvuoloissa (potentiaalinen kasvumalli). Toinen simulointi suoritettiin kasvukauden aikaisten stressitekijöiden (sää, kuivuus, sadanta ja typpilannoitus) vaikuttaessa fenologiseen kehitykseen ja sadontuotantoon (non-potentiaalinen kasvumalli). Suomen ilmastonmuutos -tutkimusohjelman (SILMU) skenaarioiden mukaan Suomen kasvuolosuhteet tulevat muistuttamaan v. 2100 olosuhteita,jotka vallitsevat tällä hetkellä Tanskassa ja Pohjois-Saksassa. Tällöin keskilämpötila on kohonnut 3 °C ja ilmakehän CO2-taso kaksinkertaistunut vuoden 1990 keskimääräisestä 350 ppm tasota 700 ppm tasoon.

CERES wheat -kasvumallituksen tulokset indikoivat kaksinkertaisen CO2-tason kohottavan Polkka lajikkeen satoa 142 % potentiaalisella mallilla (167 % non-potentiaalisella) laskettuna nykyisestä referenssitasosta (100 %, ambientti lämpötila, CO2 350 ppm). Kohotettu lämpötila (+3 °C) pienensi Polkan satoa 80,4 %:iin referenssitasosta (100 %, 6,16 t ha -1) potentiaalisella mallilla (76,8 % non-potentiaalisella mallilla referenssitasosta 4,49 t ha -1).

Kohotettu lämpötila lyhensi kasvin kasvuaikaa kiihdyttämällä kasvua vegetatiivisessa ja generatiivisessa vaiheessa. Kasvuajan lyhentyminen puolestaan alensi Polkka kevätvehnän satoa. Simuloitaessa kohotettujen CO2-tason ja lämpötilan yhteisvaikutusta Polkan satoon, kiihdytti kohotettu CO2-taso vegetatiivisessa vaiheessa biomassan muodostumista ja generatiivisessa vaiheessa sadonmuodostusta. Toisaalta kohotettu lämpötila lyhensi kasvin generatiivista vaihetta ja pienensi CO2:n satoa kohottavaa vaikutusta. Tällöin kohotettu lämpötila aiheutti tähkän täystuleentumisen aikaisemmin ja sato jäi alhaisemmaksi (106 % potentiaalinen malli, 122 % non-potentiaalinen malli laskettuna ambientista lämpötila ja CO2 tasosta). Tulokset olivat samansuuntaiset Maatalouden tutkimuskeskuksessa v. 1992-1994 Polkka kevätvehnällä tehtyjen open top-kasvukammio (OTC) kokeiden kanssa (Hakala 1998).

Ideotyyppi, Cultivation value, Mixed structural covariance, Path ja yield component mallitustulokset indikoivat jyvien lukumäärä/tähkä, satoindeksi (HI), ja 1000 siemenen paino olevan merkittäviä satokomponentteja, jotka vaikuttivat merkittävästi uusien (alkuperä Keski-Eurooppa/Skandinavia) korkea satoisten kevätvehnägenotyyppien loppusatoon.

Vuosina 1989-2004 Etelä-Suomessa ja Pohjanmaalla suoritetuissa kenttäkokeissa verrattiin sekä optisten että mikroaaltosatelliittien antaman reflektanssi ja takaisinsironta informaation ennustavuutta kevätviljojen loppusatojen arvioinnissa käyttäen VGI (Vegetation Indices) ja CMM (Composite Multispectral Model) malleja.VGI ja CMM mallien estimoima non-potentiaalinen keskisatoestimaatti (yb) oli kevätviljoille (kevätvehnä, ohra, kaura) 3950 kg ha-1 (R2 0.630, RMSE 9.1 %) ja 4240 kg ha-1 (R2 0.764, RMSE 6.6 %) kevätvehnälle. VGI ja CMM mallien satoestimaatteja verrattiin Maa ja Metsätalousministeriön vuosittaisiin kevätviljojen keskimääräisiin inventaario-satotasoihin maaseutukeskuksissa sekä vastaaviin MTT maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskuksen virallisten lajikekokeiden satotuloksiin Etelä-Suomen ja Pohjanmaan kasvuvyöhykkeillä I-IV.

Tutkimuksen yhteenvetona eri osajulkaisuista voidaan päätellä, että uusien korkeasatoisten kevätvehnien (alkuperä Keski-Eurooppa/Skandinavia, viljelykseen otto 1990 jälkeen) non-potentiaalinen keskimääräinen satotaso (yb) ylittää 5 t ha-1 tason 2050-2100 aikavälillä Etelä-Suomessa kun huomioidaan keskilämpötilan ja ilmakehän CO2 pitoisuuden kohoaminen yhdessä viljelytekniikan ja kasvinjalostuken keskimääräistä satotasoa kohottavat tekijät.

Tutkimuksen perusteella arvioitiin uusien korkeasatoisten Skandinaavisten kevätvehnälajikkeiden lisäävän keskimäärin 30 miljoona kg/vuosi (+ 60 miljoonaa kg/vuosi käyttäen uusia korkeasatoisia Keski-Eurooppalaisia lajikkeita) Suomen kansallista kevätvehnän kokonaissatoa 2050-2100 aikavälillä yhdessä kohotetun CO2 ja lämpötilatason kanssa laskettuna Suomen keskimääräisestä 600 miljoonan kg/vuosi tuotantotasosta. Vuotuinen kevätvehnän kokonaistuotantotaso vaihtelee kuitenkin voimakkaasti vuosien välillä riippuen voimakkaast kevätvehnän kokoviljelyalasta Suomessa.