Öronen ovan är från ett majsstativ som inte upplevde någon vattenspänning. Öronen nedan är från ett majsstativ som upplevde vattenspänning under blomningen. De ojämna och kortare öronen med avbrutna kärnor är typiska för majs under vattenspänning på grund av torr jord eller mycket torr luft - och visar hur grödan reagerar på klimatförhållanden. Upphovsman:Amanda Burton, Penn State
Om uppvärmningen fortsätter oförminskat i Mellanvästern, på 50 år kan vi förvänta oss att de bästa förutsättningarna för majs- och sojabönor har flyttat från Iowa och Illinois till Minnesota och Dakotas, enligt forskare från Penn State.
Med hjälp av maskininlärning-en form av artificiell intelligens som gör det möjligt för ett datasystem att lära av data-ansåg laget mer än tre decennier på länsnivå, skördeavkastningsdata från U.S. Department of Agriculture National Agricultural Statistics Service för 18 stater i den centrala regionen i USA. Det området producerar majoriteten av dessa grödor.
Forskarna utvärderade skördeavkastningen tillsammans med väderdata. De övervägde grundläggande klimatvariabler för att hitta avkastningsprediktorer specifika för var och en av växtodlingsfaserna. Studien analyserade också sambandet mellan klimat och majs, sorghum och sojabönor från 1980 till 2016.
"Den här typen av forskning var omöjlig före den tid av big data vi lever i nu, och naturligtvis, det kan bara göras med hjälp av den kraftfulla datorkapacitet som vi kan komma åt i Penn State, "sa forskaren Armen Kemanian, docent i produktionssystem och modellering vid College of Agricultural Sciences. "Denna studie är viktig eftersom i ett klimat som förändras relativt snabbt, dessa tekniker gör att vi kan förutse vad som kan hända. "
Resultaten, publicerad i Miljöforskningsbrev , betyder inte nödvändigtvis att skiftningen norr och väst i majs- och sojabönor kommer att ske, sa huvudforskaren Alexis Hoffman, som tog sin doktorsexamen i meteorologi vid Penn State 2018. Men, baserat på uppgifterna, forskare drar slutsatsen att en sådan förändring pågår, och det finns en stor sannolikhet att det kommer att fortsätta.
"Vi föreslår inte att en sådan förändring skulle vara en katastrof, "Kemanian sa." Det betyder inte att Iowa kommer att sluta producera grödor, men det kan innebära att Iowa-bönder anpassar sig till ett varmare klimat som producerar två grödor på ett år eller en annan blandning av grödor istället för den dominerande majs-sojabönorotationen. Förändringarna kommer sannolikt att ske gradvis, och jordbrukare och leveranskedjan ska kunna anpassa sig. Men saker kommer att förändras. "
De tre grödorna i studien har tydliga svar på luftfuktighet och temperatur, ett av de mest avslöjande resultaten av studien, noterade Hoffman. I allmänhet, majs behöver mer luftfuktighet, sorghum tål högre temperaturer och sojabönor är någonstans däremellan.
Grafiken visar överlagringen av nederbörd och temperaturfärgkodade för att representera de bästa platserna för majs 2016 och i ett klimatscenario som är representativt för 2064 om utsläppen inte begränsas. Den mörkaste nyansen av lila är där temperatur och nederbörd anpassas för att ge det bästa vädret för majs - till exempel från norra Ohio ända västerut genom delar av Indiana, Michigan, Illinois och Iowa, bland andra stater. I den beräknade panelen 2060, den bästa kombinationen av nederbörd och temperatur blir smalare och rör sig norrut från nuvarande förhållanden. Upphovsman:Kemanian Research Group/Penn State
För varje år under studietiden, forskare uppskattade planteringsdatum för varje län, baserad på temperaturer på länsnivå för att simulera jordbrukarens anpassning till kalla eller varma år, Hon sa. De uppskattade att plantering sker när 21-dagars glidande medelvärde stiger till en grödespecifik tröskeltemperatur. Planteringstemperaturer för majs, sorghum och sojabönor var 50, 59, och 53,6 grader Fahrenheit, respektive.
Majs uppvisade ett unikt starkt svar av ökat utbyte på ökande luftfuktighet under sin kritiska fas, från före till efter blomning, samt en stark känslighet för exponering för extrema temperaturer, Hoffman förklarade.
"Luftfuktighet är en faktor för alla grödor som studeras, men vad uppgifterna säger är att det är mer en faktor för majs än för sojabönor eller sorghum, och i ett mycket smalt tidsfönster, "sa hon." Och av fuktighet, vi menar att jordar kan vara fuktiga, men data visar att fukt i luften spelar roll, oavsett. Det var inte känt förut. "
Dock, sojabönor har ett starkt svar på både högsta och lägsta temperatur, Hon sa. "Alla grödor hade tröskelliknande svar på hög temperatur, även om vi dokumenterade en jämförelsevis högre tolerans mot hög temperatur för sorghum vid 90,5 F mot ett intervall på 84,2 till 86 F för majs och sojabönor. Vi beskrev inte det svaret - maskininlärning avslöjade det för oss. "
Forskningen kan få konsekvenser för företag som säljer grödoförsäkring, Kemanian föreslår.
"Högtemperatursvängningar är skadliga. Att lära sig när och hur mycket för både majs och sojabönor är kritiskt viktigt, "sa han." Skördeförsäkringsbolag har ett intresse av detta eftersom de måste bedöma risken för att en viss stress inträffar och hur mycket de kommer att betala som följd. "
Chris Forest, professor i jord- och mineralvetenskap, Hoffmans doktorsexamen var involverad i forskningen. Denna forskning bygger på tidigare arbete från Hoffman och teamet i Afrika söder om Sahara.
