Climate change impact on grain yields in drought vulnerable plains of the Northern Hemisphere  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
128970
Type PD
Principal investigator Pinke, Zsolt
Title in Hungarian Klímaváltozás hatása a gabona termésátlagokra az északi félteke síkságain
Title in English Climate change impact on grain yields in drought vulnerable plains of the Northern Hemisphere
Keywords in Hungarian felmelegedés, gabona termésátlagok stagnálása, ökoszisztéma szolgáltatás, sérülékenység, talajvíz hatása terméshozamokra, terméshozam,
Keywords in English cereal production stagnation, climate warming, climate sensitivity, ecosystem service, food security, grain yield impact, groundwater driven grain yield
Discipline
Social geography: interactions between the environment and the society (Council of Complex Environmental Sciences)40 %
Climatology and climate change (Council of Complex Environmental Sciences)40 %
Agrometeorology (Council of Complex Environmental Sciences)20 %
Panel Complex agricultural sciences
Department or equivalent Department of Physical Geography (Eötvös Loránd University)
Starting date 2018-09-01
Closing date 2023-04-30
Funding (in million HUF) 15.807
FTE (full time equivalent) 2.74
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A kutatás fő célja, hogy a gabonatermesztés klímaérzékenységét elemezze és egy a mainál fenntarthatóbb földhasználati rendszer megvalósításához járuljon hozzá az északi félteke kontinentális klímájú gabonatermesztési központjait reprezentáló vizsgálati területeken.
Elsőként éghajlati változók, a búza és a kukorica közötti kapcsolatok szorosságát és területi különbségeit elemzem regressziós tesztek alkalmazásával táji típusonként különböző bioklimatológiai zónákban 1991-2014 között. A vizsgálati területek, öt észak-kínai tartomány, Magyarország (1991–2010) és az USA öt középnyugati állama a globális gabonatermesztés kulcsrégióit képviselik, de napjainkban egyes területeik a szántóföldi elhagyással és a termésátlagok stagnálásával vagy csökkenésével szembesülnek.
Ezt követően az 1921-2010 közötti csapadék és hőmérséklet, valamint gabona termésátlagok közötti statisztikai kapcsolatot vizsgálom 30 éves időszakokban az amerikai és magyar vizsgálati területeken. Az időkeret az IPCC 5. jelentésével összhangban lett kialakítva.
Hipotézisem szerint a talajvízkészletek növelése az aszálynak kitett síkságokon a klímaváltozás kihívásaihoz való alkalmazkodás kulcseleme lesz a jövőben. Ezért regressziós tesztek használatával fogom vizsgálni a csapadék és talajvízszint ingadozás, valamint a talajvíz és termésátlagok közötti statisztikai összefüggéseket a magyar Alföldön 1961-2010 között. Végül egykori vizes élőhelyek restaurációjával elérhető élelmiszertermelő ökoszisztéma szolgáltatás értékét fogom becsülni.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A búza és a kukorica jelentős hozamnövekedést mutattak az un. mezőgazdasági forradalom során, azonban a termésátlagok emelkedése egyes régiókban megtorpant vagy csökkenést mutat. Kutatásom tájanként térképezi a búza és kukorica termésátlagaiban mutatkozó változási tendenciákat, meghatározva a csökkenés és stagnálás helyszíneit és a változási tendenciák alapján klasszifikálja a tájakat. Ezután éghajlati változók és gabonatermésátlagok közötti statisztikai összefüggés elemzésével táji szinten azonosítom a gabonatermesztés klimatikus kitettségét az félteke nagy gabonatermelő régióit reprezentáló vizsgálati területeken. A Global Change Biology-ban publikált előzetes eredményeink Magyarország felmelegedésnek való fokozott kitettségére utalnak. Feltételezem, hogy a magyarországi tájak nagyfokú érzékenységet mutatnak majd az összehasonlító elemzésben. Hipotézisem szerint a vizsgálat a klimatikus kitettség és a stagnáló/csökkenő termésátlagok közötti pozitív területi korrelációt fog feltárni.
A magyar Alföld szántóföldi állományának közel harmada korábbi vizes élőhelyek helyén található, melyet a gabonatermesztés dominanciája jellemez. A többnyire gyenge talajú egykori árterek földhasználói komoly kihívásokkal szembesülnek: a Közös Agrárpolitika 2020 után várható átalakításával, az európai agrárpiac protekcionista védettségének feloldásával és a klímaváltozás negatív hatásaival. Hipotézisem szerint e kutatás a restaurált wetlandek olyan robosztus értékű ellátó szolgáltatását tárja fel, mely árvíz védelmi szolgáltatási értékükkel kiegészítve megoldást kínálhat az alföldi földhasználati rendszer egyik legsúlyosabb problémájára, a sok víz, kevés antinómiára.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Bioklimatológiai vizsgálatok rámutattak Közép és Kelet Európa és más kontinentális övbe tartozó gabonatermesztési régiók fokozott klímaérzékenységére. Azonban a nagy gabonatermesztési régiók összehasonlításával, mely a felmelegedés eltérő mértékét, ennek hatását a termésátlagokra és a gabona termésátlagok tájtípusonként eltérő mértékű klímaváltozásnak való kitettségét tárgyalná kevéssé találkozunk.
Bár összetett ismerettel rendelkezünk arról, hogy a restaurált vizes élőhelyek emelik környezetük talajvízszintjeit és a talajvízszint emelkedés aszályvédelmi funkcióval bír, a talajvíz-gabona termésátlagok regionális analíziseinek hiánya gátolja egy a mainál ökológiai és ökonómiai értelemben is fenntarthatóbb földhasználati rendszer megvalósítását. Vizsgálatomban részben ennek a hiánynak a pótlására fogok összpontosítani és arra törekszem majd, hogy kvantitatív becslést készítsek a felszínen visszatartott és beszivárogtatott víz ellátó funkciójának értékéről.
A kutatás a vizsgált területeken folyó gabonatermesztés eltérő klímaérzékenységét definiálja tájtípusonként, a klímaváltozás és a globális élelmiszerbiztonság kihívásaihoz egy a mainál területileg differenciáltabb és elveiben ökológiai és ökonómiai értelemben is fenntarthatóbb alkalmazkodási stratégia kialakításához való hozzájárulásként. A vizsgálat másik része, melyben célom szerint a restaurált vizes élőhelyeken megvalósuló vízvisszatartás ellátó funkciójának magas értékét igazolom majd, földhasználók és intézményi aktorok számára nyújthat „win-win” megoldást földhasználati és vízkormányzási konfliktusokban. Egy fenntartható földhasználati modellben a gyenge agrár alkalmasságú egykori árterek jövedelmezőségében érdekelt földhasználók az Alföld magasabb fekvésű és jó agráralkalmasságú földjein gazdálkodó föld használók számára a talajvízkészletek utánpótlásával, míg az árvízvédelemben és a földhasználók széles körét sújtó gazdasági krízis megoldásában érdekelt intézményi szereplők számára a veszteséges szántóföldi művelés felhagyásával és árvízvédelmi szolgáltatással tudnak jövedelmező tevékenységet folytatni.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
Bár a klímarendszer átalakulása nem egyik napról a másikra lezajló folyamat és hatása a globális élelmiszerbiztonság szempontjából oly fontos növénytermesztésre vitathatatlan, alig rendelkezünk a klimatikus viszonyok és a gabonatermesztés közötti összefüggéseket néhány évtizednél hosszabb távon tisztázó eredményekkel. Legfőbb célom, hogy a búza és kukorica termésátlagok klímaérzékenységét vizsgáljam az északi félteke három jelentős gabonatermesztési régiójában az 1921–2010 közötti időszakban és hozzájáruljak egy a mainál gazdasági és ökológiai értelemben is fenntarthatóbb földhasználati rendszer kialakításához. A vizsgálat első felében a csapadék és hőmérsékleti értékek, valamint gabona termésátlagok közötti statisztikai összefüggéseket elemzem táji típusonként észak-kínai tartományokban, Magyarországon és az USA középnyugati államaiban. Az elemzés eredménye a kontinentális övbe tartozó, de eltérő csapadékrendszerekkel és egyéb klimatikus adottságokkal jellemezhető táji típusokon zajló gabonatermesztés klimatikus kitettségének összehasonlítása lesz térképi és szöveges megjelenítésben.
Mivel a felszíni víztestekből a talajba szivárgó víz védelmet nyújt növényzet számára a nyári aszályok idején, a vizes élőhelyek restaurációja a klímaváltozás kihívásaihoz való alkalmazkodás egy fenntartható formája. A kutatás második szakaszában statisztikai eszközökkel azt elemzem, hogy a talajvízszintek megemelkedése szinten milyen mértékben emeli a magyar Alföld termésátlagait. Álláspontom szerint a várható eredmények egy a mainál fenntarthatóbb földhasználati rendszer kialakítása mellett szóló fontos érvek lesznek és a magyar agrárium egészének az érdekeit szolgálják.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of the project is to investigate the climate sensitivity of grain production and support the implementation of a more sustainable land use system in drought prone plains of the Northern Hemisphere under continental climate that are transitional zones of extensive grasslands.
First, by using various regression tests I aim to analyse the relationship between climate indices and the yields of maize and wheat, comparing spatial differences of climate-crop yield relationships among landscape types under different subzones of continental climate between 1991–2014. Study areas: five Northern Chinese provinces, Hungary (1991–2010) and five states of the Midwestern United States are key areas of global crop production, but recently, some of their parts have been suffering from cropland abandonment and the stagnation or decline of crop yields.
Next, I will investigate long-term relationship between temperature, precipitation indices and the yields of maize and wheat in Hungary and the Midwestern states at county level over three 30-year periods between 1921–2010. This timeframe is in accordance with the time window of the 5th IPCC report.
My hypothesis is that the raise of groundwater levels will be a key component in the future adaptation of agriculture to climate change challenges in the drought prone plains. Thus, using regression tests I will investigate the precipitation-groundwater statistical relationship then the relationship between the groundwater level and cereal yield fluctuations in the Great Hungarian Plain between 1961-2000. Finally, I will estimate the food production ecosystem service of restored wetlands.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
First, the dynamic growth of crop yields associated with the Green Revolution from the 1940s has recently slowed down; with registered decrease or stagnation in some regions. The proposed research will map the changes of maize and wheat yields by landscape types defining the location of decline and stagnation in yield change tendencies classifying the landscape by these tendencies in representative areas of Eastern Europe and other key regions of global crop production. It also will analyse the relationship between climate indices and the fluctuation of the yields of maize and wheat identifying climate sensitivity of crop yields by landscapes. Our preliminary country scale analysis published in Global Change Biology defined an extreme vulnerability of cereal production to warming climate in Hungary. Thus, I assume that Hungarian landscapes will show high vulnerability in the comparative analysis. I also presume that I will find a positive spatial correlation between yield decrease/stagnation and crop vulnerability to climate.
Second, almost one third of croplands in the Great Hungarian Plain (GHP) are situated in former wetlands where grain production is dominant. Land users are facing serious challenge due to breakdown of European protectionism, transforming CAP and warming climate in their lands with low agro-ecological potential. My hypothesis is that this research will find a robust value of provision service of restored wetlands, which integrated with their flood defence value may help resolve one of the most structural problem of the land use system in the GHP: the simultaneous drought and flood vulnerability.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Bioclimatic studies underline the high climatic sensitivity of Eastern and Central Europe and other main regions of maize and wheat production in the continental climate zone. Still the comparison of different warming dynamics and their impact on crop yields or the identification of climate sensitivity of different landscape types within key areas of global crop production, which will be discussed in my project, has not been investigated.
Although we have a complex acknowledge on that water retaining in restored aquatic habitats may raise groundwater levels and growing water balance has a drought protection function, the lack of regional analyses on groundwater-cereal yield relationship hampers the implementation of an ecologically and economically sustainable land use system. Here, I will focus on filling this gap and estimate the food production ecosystem service value of retained surface water.
This research will identify differences among climate sensitivity of grain production in certain landscape types as an important contribution to develop spatially divers adaptation strategies in core areas of global food security.
As for the hypothesized value of provision service due to water retention, it could provide ‘win-win’ solutions for land users and institutional actors. Land users are interested in profitability in low-lying areas with weak agroecological potential (i.e. former wetlands) where water retention could be a profitable activity providing groundwater supply for good and excellent croplands situated in higher surfaces of plains and providing flood defence service for institutional actors who are also targeted to resolve economic crisis of wide circle of land users.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The transformation of climatic regime has an undeniable impact on plant production, but we rarely have long enough data series to scrutinise the unfolding of such effects and the spatially explicit analysis of the pattern of climate-cereal yield relationship. The main goal of this project is to analyse the climate-cereal yield relationship in Hungary and the states of the Midwestern United States between 1921–2010 and between 1991–2010 in Northern China supporting the implementation of a more sustainable land use system in plains under continental climate conditions. To achieve this objective, I will analyse the relationship between precipitation and temperature indices, maize and wheat yields in the study areas, comparing spatial differences of crop yield-climate relationships in different landscape types. It will map the climate sensitivity of plains, hills and mountains under continental climate for cereal yields.
Due to groundwater-surface water interactions, restoration of aquatic habitats is a sustainable adaptation to recent climate change in drought prone plains. I presume a positive causal relationship between the fluctuation of groundwater levels and crop yields at regional scale that can be interpreted as a quantifiable provisioning ecosystem service. Consequently, I plan to analyse this relationship and estimate the cereal yield change accompanying the ground water alteration. I claim that the expected results will highly supportive factors for planning and managing an ecologically and economically sustainable land use system and they will be published in flagship journals of the concerned fields.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Megvalósultak az Aarhusi Egyetem Agroökológia Tanszékének és a BME Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszékének munkatársaival tervezett tréningek és szakmai konzultációk. A kutatás során sikerült igazolni a központi hipotézist (Science of Total Environment 2020). Területileg kiterjesztve a magyarországi vizsgálatot, a projekt 2. évében elvégzett európai vizsgálat a talajnedvesség és a gabona termésátlagok közötti kapcsolatok vonatkozásában látványos eredményeket hozott (Journal of European Agronomy 2022). A COVID miatt meghiúsult szorosabb együttműködés következtében a kínai adatok felhasználásának a lehetőségét meghiúsult. E körülményekre való tekintettel a magyarázó klimatikus faktorok és az eredményváltozók (termésátlagok) közötti kapcsolat szorosságát az USA-ban állami szinten vizsgáltam. (A kutatási terv módosítását 2021-ben a finanszírozó NKFIH elfogadta.) A vizsgálatot térbeli és időbeli kereteit a tervezettnél nagyobbra tágítottam lefedve az egész észak-amerikai kontinenst és az USA-ban a 1871-2020 közötti időszakot (Global Food Security bírálat alatt). A klimatikus faktorok és a termésátlagok közötti magyarországi kapcsolatok szorosságát a kutatási tervben előirányzottnál nagyobb időablakban sikerült elemezni (Landscape Ecology bírálat alatt). A kutatási program eredményeit nemzetközi és hazai konferenciákon ismertettem, népszerűsítésüket nyomtatott és elektronikus sajtótermékekben, rádió- és tévéműsorokban, lakossági és szakmai fórumokon sikerült megvalósítani.
Results in English
As far as the restrictions due to the COVID epidemic allowed, the planned trainings and professional consultations with the staff of the Department of Agroecology of Aarhus University and the Department of Water Utilities and Environmental Engineering of the Budapest University of Technology and Economics were realized. It was possible to verify the central hypothesis (Science of Total Environment 2020). A European analysis was accomplished regarding the relationship between soil water and grain yields (European Journal of Agronomy 2022). The closer cooperation failed at Aarhus University due to the COVID epidemic, thus using Chinese data was blocked. Therefore, the relationship between climatic factors and cereal yields was examined at the state level in the USA. (This modification was accepted by the NKFIH in 2021.) However, the spatial and temporal framework of the study was expanded and the tests were conducted for the entire North American continent and the period between 1871-2020 in the USA (Global Food Security under review). The status of this paper is under review. The relationships between the explanatory climatic factors and the yield averages were also analysed in Hungary in a larger time window than that foreseen in the research plan (Landscape Ecology under review). The results of the research were presented at international and domestic conferences and promoted in printed and electronic articles, radio and TV programs, and public and professional forums.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=128970
Decision
Yes





 

List of publications

  
Pinke, Z.: 150-y climate impact on wheat and maize yields in North America: a gap in the literature, Global Food Security (under review), 2023
Pinke, Z., Decsi, B., Demeter, G., Kalicz, P., Kern, Z., Ács, T.: Rising crop vulnerability in lowlands: a structural change in regional sensitivity of crop yields under changing climate in Hungary over 1921–2010, Landscape Ecology (under review), 2023
Demeter, G., Szilágyi, Z., Pinke, Z.: Sártenger és búzatenger. Mérlegen az alföldi gabonakonjunktúra és a vízszabályozások regionális következményei (1720–2020), Századok, 2022
Pinke, Z., Decsi, B., Kardos, M.K., Kern, Z., Kozma, Z., Pászot, L., Ács, T.: Changing patterns of soil water content and relationship with national wheat and maize production in Europe, European Journal of Agronomy, 2022
Pinke, Z., Decsi, B., Kardos, M.K., Kern, Z., Kozma, Z., Pászot, L., Ács, T.: A klímaváltozás hatása az európai és a magyar búza és kukorica terméshozamokra, Első Országos Interdiszciplináris Éghajlatváltozási Tudományos Konferencia, 2021
A klímaváltozás hatása az európai és a magyar búza és kukorica terméshozamokra: Pinke, Z., Decsi, B., Kardos, M.K., Kern, Z., Kozma, Z., Pászot, L., Ács, T., X. Magyar Földrajzi Konferencia, 2021
Pinke, Z., Demeter, G.: A településállomány, a földhasználat és a felszínborítás mintázataiban bekövetkezett változások az Alföld vizes élőhelyein a 18. század végétől napjainkig, Tájtörténeti konferencia, 2021
Czibolya, L., Makra, L., Pinke, Z., Horváth, J., Csépe, Z.: Dependence of the crop yields of maize, wheat, barley and rye on precipitation and temperature in Hungary., Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 2020
Pinke, Z., Decsi, B., Kozma, Z., Vári, Á. & Lövei, G. L.: A spatially explicit analysis of wheat and maize yield sensitivity to changing groundwater levels in Hungary, 1961-2010., Sciences of Total Environment, 2020
Pinke, Z., Pow, S., Kern, Z.: Volcanic mega-eruptions may trigger major cholera outbreaks., Climate Research, 2019
Pinke, Z., Decsi, B., Kozma, Z., Vári, Á. & Lövei, G. L.: A spatially explicit analysis of wheat and maize yield sensitivity to changing groundwater levels in Hungary, 1961-2010., Sciences of Total Environment, 2020
Pinke, Z., Decsi, B., Kozma, Z., Vári, Á. & Lövei, G. L.: A spatially explicit analysis of wheat and maize yield sensitivity to changing groundwater levels in Hungary, 1961-2010., Sciences of Total Environment, 2020
Czibolya, L., Makra, L., Pinke, Z., Horváth, J., Csépe, Z.,: Dependence of the crop yields of maize, wheat, barley and rye on precipitation and temperature in Hungary., Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 2020
Pinke, Z., Decsi, B., Kozma, Z., Vári, Á., Lövei, L.G.: Sensitivity of wheat and maize yields to groundwater levels in Eastern Europe, 1961-2010, Science of Total Environment (under review), 2019
Pinke, Z.: Miért lángol a dél-szibériai tajga?, Greenfo, 2019
Vári, Á., Zlinszky, A., Bakacsi, Z., Centeri, C., Erős, T., Jolánkai, G., Jolánkai, Z., Kozma, Z., Mattányi, Z., Pásztor, L., Pataki, B., Pinke, Z., Pomogyi, P., Varga, I., Tanács, E.: Aquatic ecosystems and their services: how to assess their condition at national level., Abstract Book of the 6th Fresh Blood for Fresh Water Conference, 23-27.04.2019, Tihany, Hungary, 2019
Pinke, Z., Pow, S., Kern, Z.: Volcanic mega-eruptions may trigger major cholera outbreaks., Climate Research (under review), 2019
Pinke, Z.: Gabona terméshozamok és klímatrendek, Bureau Veritas Ügyfélnap 2019, 2019



Back »