USA
November 1, 2021

Climate change may affect the production of maize (corn) and wheat as early as 2030 under a high greenhouse gas emissions scenario, according to a new NASA study published in the journal, Nature Food. Maize crop yields are projected to decline 24%, while wheat could potentially see growth of about 17%.

Using advanced climate and agricultural models, scientists found that the change in yields is due to projected increases in temperature, shifts in rainfall patterns, and elevated surface carbon dioxide concentrations from human-caused greenhouse gas emissions. These changes would make it more difficult to grow maize in the tropics, but could expand wheat’s growing range.

“We did not expect to see such a fundamental shift, as compared to crop yield projections from the previous generation of climate and crop models conducted in 2014,” said lead author Jonas Jägermeyr, a crop modeler and climate scientist at NASA’s Goddard Institute for Space Studies (GISS) and The Earth Institute at Columbia University in New York City. The projected maize response was surprisingly large and negative, he said. “A 20% decrease from current production levels could have severe implications worldwide.”

Average global crop yields for maize, or corn, may see a decrease of 24% by late century, with the declines becoming apparent by 2030, with high greenhouse gas emissions, according to a new NASA study. Wheat, in contrast, may see an uptick in crop yields by about 17%. The change in yields is due to the projected increases in temperature, shifts in rainfall patterns and elevated surface carbon dioxide concentrations due to human-caused greenhouse gas emissions, making it more difficult to grow maize in the tropics and expanding wheat’s growing range. - Credits: NASA/Katy Mersmann

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To arrive at their projections, the research team used two sets of models. First, they used climate model simulations from the international Climate Model Intercomparison Project-Phase 6 (CMIP6). Each of the five CMIP6 climate models used for this study runs its own unique response of Earth’s atmosphere to greenhouse gas emission scenarios through 2100. These responses differ somewhat due to variations in their representations of the Earth's climate system.

Then the research team used the climate model simulations as inputs for 12 state-of-the-art global crop models that are part of the Agricultural Model Intercomparison and Improvement Project (AgMIP), an international partnership coordinated by Columbia University. The crop models simulate on a large scale how crops grow and respond to environmental conditions such as temperature, rainfall and atmospheric carbon dioxide, which are provided by the climate models. Each crop species’ behavior is based on their real life biological responses studied in indoor and outdoor lab experiments. In the end, the team created about 240 global climate-crop model simulations for each crop. By using multiple climate and crop models in various combinations, the researchers were more confident in their results.

“What we're doing is driving crop simulations that are effectively growing virtual crops day-by-day, powered by a supercomputer, and then looking at the year-by-year and decade-by-decade change in each location of the world,” said Alex Ruane, co-director of the GISS Climate Impacts Group and a co-author of the study.

This study focused on climate change impacts. These models do not address economic incentives, changing farming practices, and adaptations such as breeding hardier crop varieties, although that is an area of active research. The research team plans to look at these angles in follow-up work, since these factors will also determine the fate of agricultural yields in the future as people respond to climate-driven changes.

The team looked at changes to long-term average crop yields and introduced a new estimate for when climate change impacts “emerge” as a discernable signal from the usual, historically known variability in crop yields. Soybean and rice projections showed a decline in some regions but at the global scale the different models still disagree on the overall impacts from climate change. For maize and wheat, the climate effect was much clearer, with most of the model results pointing in the same direction.

Maize, or corn, is grown all over the world, and large quantities are produced in countries nearer the equator. North and Central America, West Africa, Central Asia, Brazil, and China will potentially see their maize yields decline in the coming years and beyond as average temperatures rise across these breadbasket regions, putting more stress on the plants.

Wheat, which grows best in temperate climates, may see a broader area where it can be grown as temperatures rise, including the Northern United States and Canada, North China Plains, Central Asia, Southern Australia, and East Africa, but these gains may level off mid-century.

Temperature is not the only factor the models consider when simulating future crop yields. Higher levels of carbon dioxide in the atmosphere have a positive effect on photosynthesis and water retention, increasing crop yields, though often at a cost to nutrition. This effect happens more so for wheat than maize, which is more accurately captured in the current generation of models. Rising global temperatures also are linked with changes in rainfall patterns, and the frequency and duration of heat waves and droughts, which can affect crop health and productivity. Higher temperatures also affect the length of growing seasons and accelerate crop maturity.

“You can think of plants as collecting sunlight over the course of the growing season,” said Ruane. “They're collecting that energy and then putting it into the plant and the grain. So, if you rush through your growth stages, by the end of the season, you just haven't collected as much energy.” As a result, the plant produces less total grain than it would with a longer development period. “By growing faster, your yield actually goes down.”

“Even under optimistic climate change scenarios, where societies enact ambitious efforts to limit global temperature rise, global agriculture is facing a new climate reality,” Jägermeyr said. “And with the interconnectedness of the global food system, impacts in even one region’s breadbasket will be felt worldwide.”
 

Un estudio de la NASA predice impactos del cambio climático global en los cultivos en 10 años

El cambio climático podría afectar la producción de maíz y trigo para el año 2030 en un escenario de altas emisiones de gases de efecto invernadero, según un nuevo estudio de la NASA publicado en la revista Nature Food. Se proyecta que el rendimiento de los cultivos de maíz disminuyan un 24%, mientras que el trigo podría ver un aumento de alrededor del 17%.

Utilizando avanzados modelos climáticos y agrícolas, los científicos descubrieron que el cambio en los rendimientos se debe al aumento proyectado de la temperatura, los cambios en los patrones de lluvias y las elevadas concentraciones de dióxido de carbono en la superficie debido a las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por las actividades humanas. Estos cambios dificultarían el cultivo de maíz en los trópicos, pero podrían ampliar el rango de cultivo del trigo.

“No esperábamos ver un cambio tan fundamental, en comparación con las proyecciones de rendimiento de los cultivos basadas en la generación anterior de modelos climáticos y de cultivos realizados en 2014”, dijo el autor principal Jonas Jägermeyr, creador de modelos de cultivos y científico del clima en el Instituto Goddard de Investigaciones Espaciales (GISS, por sus siglas en inglés) de la NASA y el Instituto de la Tierra de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York. La respuesta proyectada del maíz fue sorprendentemente grande y negativa, dijo. “Una disminución del 20% de los niveles actuales de producción podría tener graves implicaciones a escala mundial”.
 

Según un nuevo estudio de la NASA, los rendimientos promedio de los cultivos mundiales de maíz podrían experimentar una disminución del 24% a fines de siglo en un escenario con altas emisiones de gases de efecto invernadero. Estas disminuciones se harán evidentes para el 2030. El trigo, por el contrario, podría experimentar un aumento en el rendimiento de los cultivos en aproximadamente un 17%. Estos cambios en los rendimientos se deben a los aumentos previstos en la temperatura, cambios en los patrones de lluvia y las elevadas concentraciones de dióxido de carbono en la superficie debido a las emisiones de gases de efecto invernadero causadas por la actividad humana, lo que dificulta el cultivo de maíz en los trópicos y amplía el rango de cultivo del trigo. - Credits: NASA/Katy Mersmann
 

Descargar desde el Estudio de Visualización Cientíifica de la NASA

Para obtener sus proyecciones, el equipo de investigadores empleó dos conjuntos de modelos. Primero, utilizaron simulaciones de modelos climáticos del Proyecto internacional de intercomparación de modelos climáticos -Fase 6 (CMIP6). Cada uno de los cinco modelos climáticos del CMIP6 utilizados para este estudio ejecuta su propia respuesta única de la atmósfera de la Tierra a los escenarios de emisión de gases de efecto invernadero hasta el año 2100. Estas respuestas difieren un poco entre sí debido a las variaciones en sus representaciones del sistema climático de la Tierra.

A continuación, el equipo de investigadores introdujo las simulaciones de modelos climáticos en 12 modelos de cultivos globales de última generación que forman parte del Proyecto de intercomparación y mejora de modelos agrícolas (AgMIP, por sus siglas en inglés), una asociación internacional coordinada por la Universidad de Columbia en Nueva York. Los modelos de cultivos simulan a gran escala cómo los cultivos crecen y responden a condiciones ambientales como la temperatura, las lluvias y el dióxido de carbono atmosférico, las cuales son proporcionadas por los modelos climáticos. El comportamiento de cada especie de cultivo se basa en sus respuestas biológicas de la vida real estudiadas en experimentos realizados en el laboratorio y al aire libre. Al final, el equipo creó alrededor de 240 simulaciones de modelos climáticos globales para cada tipo de cultivo. Al utilizar múltiples modelos climáticos y de cultivos en diversas combinaciones, los investigadores tenían más confianza en sus resultados.

“Lo que estamos haciendo es que manejamos simulaciones de cultivos desarrollados por una supercomputadora que producen efectivamente cosechas virtuales día tras día, y luego observamos el cambio año por año y década por década en cada lugar del mundo”, dijo Alex Ruane, codirector del grupo de impactos climáticos del GISS y coautor del estudio.

Este estudio se centró en los impactos del cambio climático. Estos modelos no abordan los incentivos económicos, los cambios en las prácticas agrícolas y las adaptaciones, como el cultivo de variedades más resistentes, aunque esa es un área de investigación activa. El equipo de investigadores planea observar estos aspectos en su trabajo de seguimiento, ya que estos factores también determinarán el destino futuro de los rendimientos agrícolas a medida que la gente responda a los cambios impulsados por el clima.

El equipo analizó los cambios en los promedios de rendimiento de los cultivos a largo plazo e introdujo una nueva estimación del momento en que “emergen” los impactos del cambio climático como una señal perceptible de la variabilidad habitual e históricamente conocida en el rendimiento de los cultivos. Las proyecciones de soja y arroz mostraron una disminución en algunas regiones, pero a escala global los diferentes modelos aún no están de acuerdo sobre los impactos generales del cambio climático. Para el maíz y el trigo, el efecto climático fue mucho más claro, y la mayoría de los resultados de los modelos apuntaron en la misma dirección.

El maíz se cultiva en todo el mundo y se producen grandes cantidades en países más cercanos al ecuador. Norteamérica y Centroamérica, África Occidental, Asia Central, Brasil y China potencialmente verán disminuir sus rendimientos de maíz en los próximos años y más adelante, a medida que aumenten las temperaturas promedio en estas regiones que son “graneros” del mundo, poniendo más estrés en las plantas.

El trigo, que crece mejor en climas templados, podría tener un área más amplia de cultivo a medida que aumenten las temperaturas, incluyendo el norte de Estados Unidos y Canadá, las llanuras del norte de China, Asia Central, el sur de Australia y el este de África. Pero estas ganancias podrían estabilizarse a mediados de siglo.

La temperatura no es el único factor que tienen en cuenta los modelos al simular el rendimiento futuro de los cultivos. Los niveles más altos de dióxido de carbono en la atmósfera tienen un efecto positivo en la fotosíntesis y la retención de agua, aumentando el rendimiento de los cultivos, aunque a menudo esto los hace menos nutritivos. Este efecto se da más para el trigo que para el maíz, lo que se capta con mayor precisión en la generación actual de modelos. El aumento de las temperaturas globales también está relacionado con los cambios en los patrones de lluvias y la frecuencia y duración de las olas de calor y sequías, que pueden afectar la salud y la productividad de los cultivos. Las temperaturas más altas también afectan la duración de las temporadas de crecimiento y aceleran la madurez de los cultivos.

“Se puede pensar que las plantas recolectan luz solar en el transcurso de la temporada de crecimiento”, dijo Ruane. “Obtienen esa energía y la ponen en la planta y en el grano. Así pues, si apresuran sus etapas de crecimiento, al final de la temporada simplemente no han recolectado tanta energía”. Como resultado, la planta produce menos granos en total de lo que lo produciría con un período de desarrollo más largo. “Al crecer más rápido, su rendimiento disminuye”.

“Incluso en escenarios optimistas de cambio climático, donde las sociedades promulgan esfuerzos ambiciosos para limitar el aumento de la temperatura global, la agricultura mundial se enfrenta a una nueva realidad climática”, dijo Jägermeyr. “Y con la interconexión del sistema alimentario mundial, los impactos incluso en un solo granero regional se sentirán en todo el mundo”.