Rekordstor torka och värme har gjort att vissa bönder oroar sig för var och när grödor kan odlas i framtiden, även i Kalifornien där oöverträffad mångfald av mikroklimat skapar idealiska odlingsförhållanden för många av de mest populära varorna i amerikanska livsmedelsbutiker. En tredjedel av grönsakerna och två tredjedelar av frukt och nötter som konsumeras av amerikaner odlas nu på mer än 76, 000 gårdar över hela staten, men om 20 år kan vissa regioner i Kalifornien helt enkelt bli för varma och torra för fortsatt produktion.

Ny forskning från Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) visar att fram till åren 2045-2049 kommer framtida temperaturer att ha mer inverkan på när den kalla årstiden skördar, som broccoli och sallad, kan odlas än där, medan för grödor under varma årstider (melonmelon, tomater, morötter) blir effekten större för var de kan odlas jämfört med när. Forskarna beskriver parning av datormodellering med information om historiska och idealiska odlingstemperaturer för fem viktiga grödor i Kalifornien i sin tidning, "Prognostiserade temperaturökningar kan kräva förändringar i växtsäsongen för grödor under kalla säsonger och odlingsplatserna för grödor under varma säsonger, " som förekom i tidningen Vetenskap om den totala miljön Tidigare den här månaden.

"För att säkerställa livsmedelssäkerhet för Kalifornien och resten av landet, det är viktigt att förutsäga hur framtida uppvärmning kommer att påverka Kaliforniens jordbruk, ", sa tidningens huvudförfattare Alison Marklein. "Vi behöver tillförlitlig information om hur framtida klimatförhållanden kommer att påverka våra grödor för att jordbrukssystemet ska kunna utveckla ett adekvat svar för att säkerställa livsmedelssäkerhet. Till exempel, en stor utmaning när man överväger att flytta grödor är att odlarna har specialiserad kunskap om sin mark och sina grödor. Om grödor inte längre kan odlas på deras nuvarande platser, då måste bonden antingen flytta till ett nytt område eller odla en annan gröda, vilket innebär en praktisk och ekonomisk börda för jordbrukaren."

Nu en vetenskapsman vid UC Riverside, Marklein hade tidigare lett projektet medan han avslutade ett postdoktorandstipendium vid Berkeley Lab och samarbetade med Peter Nico, en studie medförfattare och personalforskare i Berkeley Labs Earth and Environmental Sciences Area. Forskare från U.S.A. Department of Agriculture och UC Davis bidrog också. Finansieras av University of Californias Global Food Initiative, forskningen representerar ett betydande forskningsfokus för Berkeley Lab:hållbart jordbruk. En annan aktuell Berkeley Lab-studie tillämpar maskininlärning på att utveckla mikrobiella ändringar som kan fylla på jordar som är utarmade på näringsämnen som kol och fosfor.

Att bli van vid extrema klimat

Vid genomförandet av studien, forskarna valde först ut fem årliga grödor som produceras mer i Kalifornien än någon annan stat - sallad, broccoli, morötter, tomater, och cantaloupe. Dessa näringstäta grödor bidrog med 64 % av statens kontantvärde av grönsaks- och melongrödor 2016 och är avgörande för livsmedelssäkerhet, vilket framgår av deras plats bland de översta grönsakerna och frukterna som donerats till fyra studerade matbanker i Kalifornien.

Teamet fick sedan 15 års lufttemperaturdata från 1990 från platser över hela staten, samt information om trösklar för grödors temperatur – eller maximala och lägsta lufttemperaturer bortom vilka missväxt sker – och odlingsplatser för var och en av de fem grödorna som sträcker sig sju år tillbaka i tiden. De övervägde också en grödas optimala växtsäsongslängd:t.ex. broccoli kräver fyra månader i följd med minst 39 grader Fahrenheit och maximalt 95 grader.

För att jämföra hur varje gröda skulle klara sig i Kalifornien under olika möjliga klimatscenarier, en varm-torr och en annan kall-våt, forskarna tittade på hur högre temperaturer kan påverka grödorna på deras historiska odlingsplatser. Nästa, de identifierade möjligheter att utöka vilken gröda som helst till en mer idealisk odlingsplats baserat på den grödans temperaturtröskel, tittar på alla områden där den grödan inte har odlats, även där mark inte tidigare använts för jordbruk.

Till sist, teamet beräknade hur mycket av den mark som historiskt använts för att odla var och en av de fem grödorna som kan bibehållas under framtida uppvärmningsscenarier (varm-torr, kall-våt); hur mycket av den mark som används skulle vara ohållbar på grund av temperaturhöjning; och hur mycket mark som inte tidigare användes för jordbruk skulle potentiellt kunna stödja var och en av de fem grödorna i jämförelse med historisk jordbruksmark där dessa grödor ännu inte har odlats.

Tomater kan få växtvärk

"Vi hittade skillnader i hur varmare temperaturer kommer att påverka grödorna under den kalla säsongen jämfört med grödorna under varma säsongen, ", sa Marklein. "För grödor under säsongen som broccoli och sallad, det kan vara möjligt att förlänga deras växtsäsonger. Men det kan bli för varmt för att odla varma tomater där de historiskt har odlats på sommaren, och kan kräva att de flyttas till mildare klimat som är tillräckligt varma för att odla tomater under de nya klimatscenarierna."

Teamet fann att både den kalla säsongens grödor, broccoli och sallad, för närvarande odlas närmare sina lägre temperaturtrösklar under hösten och våren. Klimatmodellerna förutspår en ökning av vintertemperaturerna över minimitemperaturtröskeln för båda grödorna, vilket tyder på att dessa grödor vid mitten av seklet också kunde odlas till vintern, även i områden där de historiskt sett inte har odlats.

De varmare temperaturerna på hösten och våren tyder på att tomater kan dra nytta av en förändring i växtsäsongen. Men det kan visa sig vara svårare än det verkar.

"När man tittar på det varm-torra framtida klimatscenariot, även om temperaturerna på hösten och våren sannolikt kommer att öka liksom sommartemperaturerna, en förändring i växtsäsongen är inte en hållbar lösning eftersom sommartemperaturerna sannolikt kommer att överstiga de kritiska temperaturerna för tomater, ", sa Marklein. "Tomater behöver fyra månader i följd för sin växtsäsong, så luckan i mitten fylld av sommaren gör detta omöjligt."

Möjligheter kan dyka upp överallt

Även om det är sant att några av grödorna som studerades, speciellt tomater, kommer att förlora områden där de traditionellt har odlats på grund av framtida uppvärmning, det kan finnas några sätt att mildra dessa potentiella utmaningar. Till exempel, eftersom deras analys fokuserade på lufttemperatur snarare än grödans temperatur, i praktiken kan bevattning kunna minska vissa negativa värmeeffekter.

Totalt, Marklein sa att denna studie ger jordbruksplanerare mycket att tänka på. "Detta är verkligen ett första steg i planering för framtida klimatscenarier. Detta arbete kan användas för att hjälpa till att prioritera resurser som odlingsmark och vatten för att maximera jordbrukets produktivitet och livsmedelssäkerhet, " sa hon. "Det är viktigt att planera i förväg för framtida uppvärmningsscenarier, särskilt i områden som Kalifornien som matar nationen."