Forskare har nu ett nytt verktyg för att förutsäga klimatförändringarnas framtida effekter på grödorna.

Forskare från University of Illinois försöker överbrygga två typer av beräkningsmodeller för grödor för att bli mer tillförlitliga prediktorer för växtproduktion i USA:s majsbälte.

"En klass av odlingsmodeller är agronomibaserad och den andra är inbäddad i klimatmodeller eller jordsystemmodeller. De är utvecklade för olika ändamål och tillämpas i olika skalor, "säger Kaiyu Guan, en miljöforskare vid University of Illinois och huvudutredare för forskningen. "Eftersom var och en har sina egna styrkor och svagheter, vår enkla idé är att kombinera styrkorna i båda typerna av modeller för att skapa en ny skördemodell med förbättrad förutsägelseprestanda. "

Guan och hans forskargrupp implementerade och utvärderade en ny majstillväxtmodell, representerad som CLM-APSIM-modellen, genom att kombinera överlägsna funktioner i både Community Land Model (CLM) och Agricultural Production Systems sIMulator (APSIM).

"Den ursprungliga majsmodellen i CLM har bara tre fenologiska stadier, eller livscykler. Några viktiga utvecklingsstadier som blomning saknas, gör det omöjligt att utöva vissa kritiska påfrestningar, såsom vattenspänning eller hög temperatur vid dessa specifika utvecklingsstadier, "säger Bin Peng, en postdoktor i Guans labb och även huvudförfattaren. "Vår lösning innefattar APSIM:s utvecklingsschema för livscykler, som har 12 etapper, in i CLM-modellen. Genom denna integration, påfrestningar som orsakas av hög temperatur, underskott av markvatten och kväve, kan beaktas i den nya modellen. "

Peng säger att de valde CLM som värdram för att implementera den nya modellen eftersom den är mer processbaserad och kan kopplas till klimatmodeller.

"Detta är viktigt eftersom det nya verktyget kan användas för att undersöka tvåvägsåterkopplingen mellan ett agroekosystem och ett klimatsystem i våra framtida studier."

Förutom att ersätta den ursprungliga majsfenologimodellen i CLM med den från APSIM -modellen, forskarna har gjort flera andra innovativa förbättringar i den nya modellen. Ett nytt koltilldelningsschema och ett kornnummersimuleringssystem lades till, samt en förfining till det ursprungliga baldakinstrukturschemat.

"Den mest lockande förbättringen är att vår nya modell är närmare att få rätt avkastning med rätt mekanism, " säger Guan. "Den ursprungliga CLM-modellen underskattar biomassan ovan jord men överskattar skördeindexet för majs, vilket leder till uppenbar högeravkastningssimulering med fel mekanism. Vår nya modell korrigerade denna brist i den ursprungliga CLM -modellen. "

Peng tillägger att fenologischemat för APSIM är ganska generiskt. "Vi kan enkelt utöka vår nya modell för att simulera tillväxtprocesser för andra stapelgrödor, såsom sojabönor och vete. Detta är definitivt i vår plan och vi arbetar redan med det.

"Allt arbete utfördes på Blue Waters, en kraftfull superdator i petascale vid National Center for Supercomputing Applications (NCSA) på University of Illinois campus, " säger Peng. "Vi arbetar för närvarande med parameterkänslighetsanalys och Bayesiansk kalibrering av denna nya modell och även på en högupplöst regional simulering över det amerikanska majsbältet, allt detta skulle inte vara möjligt utan de värdefulla beräkningsresurser som Blue Waters tillhandahåller. "