Response of maize and olive to climate change under the semi-arid conditions of southern Spain

Gabaldón Leal, Clara (2016). Response of maize and olive to climate change under the semi-arid conditions of southern Spain. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Agrónomos (UPM) [antigua denominación].


Title: Response of maize and olive to climate change under the semi-arid conditions of southern Spain
  • Gabaldón Leal, Clara
  • Lorite Torres, Ignacio
  • Ruiz Ramos, Margarita
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2016
Faculty: E.T.S.I. Agrónomos (UPM) [antigua denominación]
Department: Producción Agraria
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Global climate projections indicate an increase in atmospheric CO2 concentration causing for Mediterranean regions an increase in both mean and maximum temperatures, an average decrease in precipitation and an increase in the temporal and spatial variability of extreme events related with rainfall, such as droughts. All these changes in many areas within Andalusia region (southern Spain) would have a direct impact on the agriculture, a critical sector with great social and economic importance. This Thesis is a further step in the knowledge of the impact assessment that climate projections may have on agriculture in the region. To achieve this purpose, two ensembles of regional climate models (ENS-EOBS and ENS-Spain02) with a bias correction in temperature and precipitation were used in order to reduce the uncertainty linked to the use of climate models. Crop development, growth and yield under these climate conditions were simulated using crop models previously sitespecific calibrated and validated. The assessment of these impacts aims to be useful for decision-making, allowing exploring the potential of adaptation measures to maintain or even increase the yield under future climate conditions. In this Thesis the impacts of climate change on two crops of great importance in Mediterranean regions were evaluated. On the one hand, the maize crop, a reference irrigated crop under semi-arid conditions, which was analyzed in the first two chapters of the Thesis. On the other hand, the olive, crop extensively cultivated in Andalusia, the main olive oil producer region in the World, that was analyzed in Chapter 3. Chapter 1 describes the impacts and adaptation to climate change for maize cultivated in five locations of Andalusia. For this purpose experimental data obtained from irrigated maize (FAO-700 cycle) under not limiting conditions of water and nutrients were considered. With these data CERES-Maize model under the DSSAT platform was calibrated and validated. For the consideration of climate data several sources were used; for the observed climate, data from the Agro-climatic Information Network of Andalusia (RIA) was used and for the simulated climate, data from an ensemble of twelve regional models (ENS-EOBS) with a bias correction in temperature and precipitation over the original European project ENSEMBLES was used. The results for the end of the 21st century project a reduction in the maize crop cycle length causing a decrease in the duration of the grain filling period and then, a decrease in yield maize and irrigation requirements. In addition, the stomatal closure caused by the increase in CO2 concentration, could lead to an increase in the water use efficiency. To reduce the negative impacts on maize crop, in this Thesis some adaptation measures were evaluated. Thus, some proposed adaptations were to advance the sowing date 30 days earlier than current and to change the maize cultivar seeking to increase the grain filling period and its efficiency. These adaptations offset the yield losses and even in some cases, the projected yield was increased. The impacts and the adaptation strategies effect were also evaluated from the point of view of the incidence of extreme temperature events at flowering, showing an increase in the number of extreme events as well as in the production damage at the end of the 21st century. The proposed adaptation strategies previously described resulted in an overall reduction of crop damage by extreme maximum temperatures at all locations with the exception of specific locations such as Granada, where losses were limited to 8 %. With this precedent, the Chapter 2 deals with the modelling of heat stress events on maize yield. A heat stress response function was developed and evaluated into the modeling framework SIMPLACE, within the Lintul5 crop model and the canopy temperature model (CanopyT). For this task, experimental data from Pergamino (Argentina) considering a maize temperate hybrid, and from Lleida (Spain), with a maize cultivar FAO-700 cycle, were used. In both experiments the maize plants were subjected to high temperature conditions around flowering by placing polyethylene tents. Argentine data were used to obtain a yield reduction factor in relation with thermal time under a critical temperature of 34 °C during the flowering period. On the other hand, the Spanish data were divided into two sets, one of them under control conditions to calibrate the model, and the other set to validate it using the reduction factor obtained from the Argentina data. The model evaluated consider canopy temperature (Tcan) or air temperature (Tair) for the simulation of impact of heat events on maize yield, obtaining better model performance using Tcan when the critical temperature was set to 34 °C. However, when critical temperature for Tair was increased to 39 °C, the results were similar for both temperatures (canopy and air) indicating that for irrigated and high radiation conditions the air temperature could be used as input in the model without the need to simulate the canopy temperature. The Chapter 3 evaluates the impacts of climate change on olive flowering for current and future climate conditions at southern Spain. For this purpose an experiment located at Cordoba from 1st October 2013 to the end of May 2014 was set to evaluate ten olive genotypes under two different climate conditions, one outdoors (OU) and the other inside of a greenhouse (GH). The aim of the experiments carried out in GH was to identify the impacts of the increase in temperatures on olive phenology, reproducing the mean increment of maximum and minimum temperatures (DTmax, DTmin) projected at the end of the 21st century. To quantify these increases, data from an ensemble of twelve regional climate models (ENS-Spain02), with a bias correction in temperature and precipitation from the original climate models of the ENSEMBLES European project were used. Once the foreseen climate conditions were reproduced in GH, olive flowering dates were evaluated under both climate conditions using previous flowering models, obtaining good results under OU conditions, but not for GH. Based on these results, a new model was proposed and evaluated taken into account on one hand the chilling hour accumulation and on the other hand obtaining the flowering dates achieved after heating accumulation. Once the new model was developed, flowering dates were evaluated for the whole region of Andalusia, obtaining a mean advance in the flowering date of 17 days for all the genotypes for the climate conditions foreseen at the end of the 21st century. A spatial analysis of the results was carried out, identifying the highest advance in flowering date in the mountainous area of Jaen and Granada provinces and the lowest in the Atlantic Ocean Coast area. Finally, a spatial analysis evaluating the vulnerable and suitable areas for olive cultivation in Andalusia at the end of the 21st century was held. Thus, several areas were vulnerable due to high temperatures in flowering (North and Northeast regions) or to lack of chilling hour accumulation in winter (Atlantic Ocean and the Southeast coast). Equally, potential new areas for olive cultivation were detected as the southern area of Andalusia. RESUMEN Las proyecciones climáticas globales indican un aumento en la concentración de CO2 atmosférico que, para las regiones mediterráneas, implican un aumento tanto en las temperaturas medias como en las máximas, una disminución promedio de las precipitaciones y un aumento de la variabilidad temporal y espacial de los fenómenos extremos relacionados tanto con la lluvia como con las sequías. Todos estos cambios tendrían un impacto directo en la agricultura de muchas áreas de la región de Andalucía (sur de España), sector crítico de gran importancia social y económica. Esta tesis es un paso más en el conocimiento de la evaluación de impactos que las proyecciones climáticas pueden tener sobre la agricultura en la región. Para lograr este propósito, se han utilizado dos conjuntos de modelos climáticos regionales (ENSEOBS y ENS-Spain02) con una corrección del sesgo de la temperatura y la precipitación con el fin de reducir la incertidumbre relacionada con el uso de modelos climáticos. El desarrollo del cultivo, crecimiento y rendimiento en estas condiciones climáticas se han simulado utilizando modelos de cultivos previamente calibrados y validados localmente. La evaluación de estos impactos pretende ser útil para la toma de decisiones, lo que permite explorar el potencial de las medidas de adaptación para mantener o incluso aumentar el rendimiento bajo condiciones climáticas futuras. En esta Tesis han evaluado los efectos del cambio climático en dos cultivos de gran importancia en las regiones mediterráneas. Por un lado, el maíz, un cultivo en regadío de referencia en condiciones semiáridas, analizado en los dos primeros capítulos de la tesis. Por otro lado, el olivo, ampliamente cultivado en Andalucía, siendo la principal región productora de aceite de oliva a nivel mundial; este cultivo se analiza en el Capítulo 3. El Capítulo 1 se describe los impactos y adaptaciones al cambio climático para el maíz cultivado en cinco localizaciones de Andalucía. Para este fin se han utilizado datos experimentales obtenidos a partir de maíz en regadío (ciclo FAO-700) bajo condiciones no limitantes de agua y nutrientes. Con estos datos el modelo CERES-Maize bajo la plataforma DSSAT se ha calibrado y validado. Los datos climáticos considerados en este estudio proceden de varias fuentes; para el clima observado, se han utilizado los datos de la Red de Información Agro-climáticas de Andalucía (RIA), y para el clima simulado, los datos de un conjunto de doce modelos regionales (ENS-EOBS) con una corrección del sesgo en la temperatura y la precipitación sobre los modelos originales del proyecto Europeo ENSEMBLES. Los resultados obtenidos para el final del siglo XXI proyectan una reducción en la longitud del ciclo del maíz causando una disminución en la duración del periodo de llenado de grano y, por tanto, una disminución del rendimiento del maíz y de las necesidades de riego. Además, el cierre estomático causado por el aumento de la concentración de CO2, podría conducir a un aumento en la eficiencia del uso del agua. Para reducir los impactos negativos sobre el cultivo de maíz, en esta Tesis se evalúan algunas medidas de adaptación. De este modo, algunas adaptaciones propuestas son el adelanto de la fecha de siembra 30 días antes de la fecha actual y el cambio de la variedad de maíz buscando aumentar la eficiencia y período de llenado del grano.. Estas adaptaciones compensan las pérdidas de rendimiento e incluso en algunos casos, las proyecciones indican un aumento del rendimiento. Los impactos y el efecto estrategias de adaptación también se han evaluado desde el punto de vista de la incidencia de eventos extremos de temperatura en la floración, mostrando un aumento en el número de eventos extremos, así como en el daño en la producción a finales del siglo XXI. Las estrategias de adaptación propuestas descritas anteriormente dieron lugar a una reducción en los daños por temperaturas máximas extremas en todos los lugares, con la excepción de zonas específicas, como Granada, donde las pérdidas se limitan al 8 %. Una vez identificado el problema en el Capítulo 1, una vía de solución se plantea en el Capítulo 2, que trata la modelización de eventos de estrés térmico en el rendimiento del maíz. Una función de respuesta al estrés térmico fue desarrollado y evaluado en el marco de modelado SIMPLACE, dentro del modelo de cultivo Lintul5 y de un modelo de temperatura de la cubierta (CanopyT). Para este cometido se han utilizado datos experimentales de Pergamino (Argentina) considerando un híbrido templado maíz, y de Lleida (España), con un ciclo de cultivo de maíz FAO-700. En ambos experimentos las plantas de maíz fueron sometidas a condiciones de alta temperatura alrededor de la floración mediante la colocación de tiendas de polietileno. Los datos de Argentina se han utilizado para obtener un factor de reducción de rendimiento en relación con el tiempo térmico durante el periodo de floración considerando una temperatura crítica de 34 °C. Por otra parte, los datos de España se dividieron en dos grupos, uno de ellos en condiciones de control para calibrar el modelo, y el otro conjunto para validarlo usando el factor de reducción obtenido a partir de los datos de Argentina. El modelo evaluado considera la temperatura de cubierta (Tcan) o la temperatura del aire (Tair) para la simulación del impacto de los eventos de calor sobre el rendimiento del maíz, obteniendo un mejor resultado utilizando Tcan cuando la temperatura crítica se fijó en 34 °C. Sin embargo, cuando la temperatura crítica para Tair se aumentó a 39 °C, los resultados fueron similares para ambas temperaturas (cubierta y aire) que indican que para las condiciones de riego y alta radiación la temperatura del aire se podría utilizar como dato de entrada en el modelo sin necesidad de simular la temperatura de la cubierta. El Capítulo 3 evalúa los impactos del cambio climático en la floración del olivo para las condiciones climáticas actuales y futuras en el sur de España. Para este propósito se ha llevado a cabo un experimento en la localidad de Córdoba desde el 1 de Octubre 2013 hasta finales de Mayo 2014 en el que se han evaluado diez genotipos de olivo en dos condiciones climáticas diferentes, uno en el exterior (OU) y el otro en el interior de un invernadero (GH). El objetivo de los experimentos llevados a cabo en GH fue identificar los impactos del aumento de las temperaturas en la fenología del olivo, reproduciendo el incremento medio de las temperaturas máximas y mínimas (DTmax, DTmin) proyectados al final del siglo XXI. Para cuantificar estos aumentos, se han utilizado los datos de un conjunto de doce modelos climáticos regionales (ENS-Spain02), con una corrección en el sesgo de la temperatura y la precipitación de los modelos climáticos sobre los originales del proyecto Europeo ENSEMBLES. Una vez que las condiciones climáticas previstas fueron reproducidas en GH, las fechas de floración del olivo han sido evaluadas bajo las dos condiciones climáticas usando modelos de floración anteriores, obteniendo buenos resultados en condiciones OU, pero no para GH. Basándose en estos resultados, se ha propuesto y evaluado un nuevo modelo teniendo cuenta por un lado la acumulación frío y por otra parte el cálculo de las fechas de floración después de un periodo de acumulación por calor. Una vez desarrollado el nuevo modelo, se han evaluado las fechas de floración para toda la región de Andalucía, obteniendo un adelanto medio en la fecha de floración de 17 días para todos los genotipos bajo las condiciones climatológicas previstas al final del siglo XXI. Finalmente se realizó un análisis espacial de los resultados, identificando el mayor adelanto en la fecha de floración en las zonas montañosas de las provincias de Jaén y Granada y la menor en la costa del océano Atlántico. Igualmente, se ha realizado un análisis espacial evaluando las áreas vulnerables y adecuadas para el cultivo del olivo en Andalucía a finales del siglo XXI. De este modo, varias zonas muestran vulnerables a las altas temperaturas en floración (regiones Norte y Nordeste) o por falta de acumulación de frío en invierno (costa del Océano Atlántico y la costa sureste). Igualmente, se han identificado nuevas áreas potenciales para el cultivo del olivo como la zona sur de Andalucía.

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Item ID: 43316
DC Identifier:
OAI Identifier:
DOI: 10.20868/UPM.thesis.43316
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 15 Sep 2016 11:02
Last Modified: 07 Apr 2017 08:00
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