FENNTARTHATÓ BÚZATERMESZTÉS, A VÁLTOZÓ KLÍMA EGYIK KIHÍVÁSA HARNOS N. 1 – ERDÉLYI É. 2 – VEISZ O.
1
1
MTA Mezőgazdasági Kutatóintézete, 2462 Martonvásár, Brunszvik u. 2. Budapesti Corvinus Egyetem, Kertészettudományi Kar, 1118 Budapest, Villányi út 29-43.
2
Összefoglalás Napjainkban a klímaváltozás mezőgazdasági növényekre gyakorolt hatásainak tanulmányozása jelentős szerephez jutott a kutatásban. A vizsgálatokat segítik a növénynövekedési szimulációs modellek, melyekkel költségkímélően sokféle tényező hatását (pl. hőmérséklet és csapadék) tudjuk egymástól függetlenül és egymással kölcsönhatásban is vizsgálni. Tanulmányunkban a CERES-Wheat és az AFRCWHEAT2 őszi búza növekedési modelleket használtuk. Eredményeinket meteorológiai jellemzőkben különböző három megye példáján keresztül mutatjuk be. Megállapítható, hogy hagyományos termesztési módszerek mellett a termésmennyiség a felső határt súrolja. Elengedhetetlen a megváltozó körülményekhez való alkalmazkodáshoz új, optimalizált agrotechnikák vizsgálata és bevezetése, valamint indokolt a kutatásban stressztűrő fajták nemesítésére összpontosítani.
SUSTAINABLE WINTER WHEAT PRODUCTION, A CHALLENGE OF THE CHANGING CLIMATE Summary In this study we have analysed the dependence of winter wheat production of spring temperature and precipitation. We have used the method of simulation modelling for analysing the possibilities in growing winter wheat in Hungary for future climates. The location of our research was heterogeneous according to meteorological circumstances: GyőrMoson-Sopron county which is well of precipitation, Hajdú-Bihar county which represents nicely the agricultural territories and Pest county in the middle of the country. We did our evaluations using the AFRCWHEAT2 and the CERES-Wheat crop models. Analysing the simulation results we can conclude agricultural productivity is close to its upper limits if we think of the conventional methods. It is unambiguous that we have to make effort in breeding for resistance, improving plants to environmental stresses.
BEVEZETÉS Magyarország az atlanti, a mediterrán és a kontinentális éghajlati övek találkozásánál helyezkedik el. Ez a három klímatípus határozza meg az időjárás alakulását, ami ezáltal nagyon változékony. Az extrém időjárási hatások ellenére a magyarországi időjárás általában igen kedvező a mezőgazdasági termelés számára. Adottságaink jó minőségű gabonatermesztést, pl. búza és kukoricatermesztést, mérsékelt övi zöldségfélék és gyümölcsök termesztését, szőlőtermesztést tesznek lehetővé (HARNOS 1996).
A globális klímaváltozási (GCM) szcenáriók általánosságban 3 °C hőmérsékletemelkedést „jósolnak” az üvegház hatású gázok légkörben való megduplázódásának hatására. A felmelegedés hatására a növekvő mértékű párolgás a csapadékmennyiség növekedését is okozhatja világszerte. A GCM szcenáriók szerint azonban a kontinensek közepén a csapadék mennyisége csökken. A csapadék csökkenése által okozott nyári szárazságok főleg a középső szélességi fokok mentén jelentkezhetnek, amik a mezőgazdaságra és a természetes ökoszisztémákra drámai hatással lesznek (GATES 1993). A Magyarországra vetített klímaváltozási szcenáriók a tavaszi és őszi hónapokra átlagosan 1°C-os, a téli és nyári hónapokra 2-4°C-os hőmérsékletemelkedést írnak le az évszázad közepéig, az évszázad végére a hőmérsékletemelkedés elérheti a 3-5°C-ot is. A csapadékösszeg változása az ország nyugati és keleti felében eltérően alakulhat. A téli hónapokban várhatóan emelkedik, míg az ország keleti felében nyáron akár 20-30%-al is csökkenhet a csapadék mennyisége (BARTHOLY et al. 2007). A globális klímaváltozás mezőgazdasági hatásai közül várhatóan az egyik legjelentősebb termésbiztonságot korlátozó tényező a vegetációs periódusban egyre gyakrabban és egyre hosszabb ideig tartó aszály lesz. Az évi átlaghőmérséklet emelkedésének önmagában is jelentős hatása van a különböző búzafajták produkciójára, viszont a csapadékcsökkenés és a fokozódó evapotranszspiráció a talaj hasznosítható vízkészletének csökkenését eredményezhetik, ami tovább növelheti az aszálykockázatot hazánkban. Tanulmányunkban hosszú távú adatsoron vizsgáltuk, hogy milyen szorosan függ az őszi búza termésmennyisége a tavaszi hőmérséklettől és a csapadékmennyiségtől, illetve szimulációs modellel leírtuk, milyen változások várhatók a jövő klímája mellett.
ANYAG ÉS MÓDSZER A statisztikai elemzést Fejér megyére vonatkozóan 1981-2008-as időszakra, megyei átlagos őszi búzatermést és napi hőmérséklet és csapadékmennyiség adatokat alapul véve regresszióanalízissel végeztük. Szimulációs kísérletünket két, a nemzetközi szakirodalom által elismert búzanövekedési szimulációs modellel végeztük: AFRCWHEAT2 (PORTER 1993) módosított változatával AF2MOD modellel, melyben biokémiai modellt használtuk a nettó CO2 asszimiláció matematikai leírására (HARNOS 2003), DSSAT döntést támogató, szaktanácsadó rendszer Ceres-Wheat modellje (RITCHIE ÉS OTTER 1985). A Ceres-Wheat és az AF2MOD búzanövekedési szimulációs modelleket korábban hosszútávú időjárási és termésadatokkal sikeresen teszteltük és validáltuk (HARNOS és ERDÉLYI 2008). Munkánk során a klímaváltozás hatását vizsgáltuk őszi búza termésére az ország három egymástól távol levő, időjárás szempontjából eltérő területén: Győr-Moson-Sopron megye nyugaton található, csapadékosabb terület, Pest megye az ország középső részét jól jellemző terület, Hajdú-Bihar megye melegebb és szárazabb, a kelet-magyarországra jellemző fontos mezőgazdasági terület. Így a klímaváltozás hatását nyugat-kelet irányban közel azonos szélességi körön vizsgálhattuk. A szimulációkhoz használt klímaváltozási adatsorokat az ELTE Meteorológiai Tanszékének honlapjáról töltöttük le a 2070-2100 időszakra Hajdú-Bihar megyére, Pest megyére és Győr-Moson-Sopron megyére (BARTHOLY et al. 2007). Két különböző adatsort használtunk, mindkettőhöz egy-egy kontroll adatsor tartozik, mely az elmúlt évszázad utolsó harmadát jellemzi. A két adatsort a Hadley Centre (HC) illetve a Max Planck Institute (MPI)
készítette. Mindkét klímasorból a kontroll futtatásokat (1960-1990) és az A2 szcenáriót (16 modellfuttatás kompozitja) használtuk. Az adatsorok napi minimum és maximum hőmérsékleteket illetve napi csapadékmennyiséget tartalmaztak. A hiányzó, a modellek által igényelt időjárási adatokat Harnos (2003) által leírt módon a meglévő adatokból számítottuk ki, illetve a napsugárzás adatokat a Ritchie-Fodor módszerrel, a 4M modell segítségével becsültük (FODOR et al. 2000). A kontroll és szcenárió adatsorokon való futtatási eredmények átlagát t-próbával a szórásukat pedig F-próbával hasonlítottuk össze. EREDMÉNYEK A meteorológiai elemek közül elsősorban a hőmérséklet és a csapadék befolyásolja a növénytermesztést. Az 1. ábra szemlélteti, hogy az őszi búza termése milyen mértékben függ az időjárási körülményektől: Fejér megyei, közel 30 éves adatsoron tanulmányoztuk a megyei átlagtermés függését a hőmérséklettől és a csapadéktól. Adataink azt mutatják, hogy az őszi búza termése harmadrészt az április-júniusi átlaghőmérséklet alakulásától, fele arányban pedig a március-júniusi csapadék mennyiségétől függ. A szélsőséges időjárási viszonyok felerősítik egymás hatását, pozitív és negatív irányban egyaránt; 1984-ben, 1985-ben és 1989ben a kedvező hőmérséklet viszonylag sok csapadékkal párosulva magas termést eredményezett, míg 2003-ban a szélsőségesen nagymértékű csapadékhiány magas átlaghőmérséklet mellett jelentős terméskiesést okozott. Terméscsökkenést okozhat önmagában a nagyon forró tavasz-nyár (2007), a csapadékhiány (1993) vagy a nagyon hideg tél is (1996). Fejér megyei őszi búza termésátlagok 1981-2008 időszakban a hőmérséklet függvényében 7 000
1984
6 500 6 000
1989
Termés (kg/ha)
5 500
1985
5 000 R2 = 0.3684
4 500 4 000
1996 hideg tél
3 500 3 000
2007
1993 aszály
2003 aszály
2 500 2 000 12
13
14
15
16
Április-június hőmérséklet átlag (°C)
17
18
19
Termés (kg/ha)
Fejér megyei őszi búza termésátlagok 1981-2008 időszakban a csapadék függvényében y = -0.1048x2 + 46.581x + 179.47 R2 = 0.4876
7 000 6 500 6 000 5 500 5 000 4 500 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000
1984 1985
1993 2003 12
62
112
2007 nagy meleg 162
1989
1996 hideg tél
212
262
312
Március-júniusi csapadék összege (mm)
1. ábra: Fejér megyei őszi búza termésátlagok az 1981-2008 időszakban a tavaszi átlaghőmérséklet (fent) illetve a csapadékmennyiség (lent) függvényében. A kiugró termésátlagok évszámát külön jelöltük. Az összefüggő vonalak a pontokra illesztett görbék: a hőmérséklettől lineárisan (R2=0,36), a csapadék mennyiségétől négyzetesen (R2=0,48) függ a az őszi búza termésmennyisége (1996 évet kivéve). A tavaszi és a nyári aszály negatív hatását ellensúlyozhatja a téli csapadéktöbblet. A téli csapadék, valamint a búzatermés korrelációs együtthatói általában szintén pozitívak (GYŐRFFY ÉS SVÁB 1993). Magyarország időjárásában (hőmérséklet és csapadék tekintetében) a 2070-2100 időszakban a legkisebb változások az ország nyugati területein, míg a legdrasztikusabb hőmérsékletemelkedés és csapadékcsökkenés keleten várható (1. táblázat) (BARTHOLY et al. 2007). 1. táblázat. Magyarországon, a 2070-2100 időszakban az A2 klímaszcenárió alapján várható átlagos, maximum és minimum hőmérsékletemelkedés illetve a csapadékmennyiség változása (BARTHOLY et al. 2007). A2 szcenárió Tavasz Nyár Ősz Tél Átlaghőmérséklet 2.9-3.2 °C 4.5-5.1 °C 4.1-4.3 °C 3.7-4.3 °C Maximum 2.8-3.3 °C 4.9-5.3 °C 4.3-4.6 °C 3.7-4.2 °C Minimum 3.0-3.2 °C 4.2-4.8 °C 4.0-4.2 °C 3.8-4.6 °C Csapadék 0 – (+10) % (-24) – (-33) % (-3) – (-10) % (+23) – (+37) % Szimulációs modellekkel végzett kísérleteink kimutatták, hogy az évszázad második felében a fent leírt klimatikus körülményeken (1. táblázat) a jelenlegi termesztési feltételek mellett (agrotechnika és fajták) az őszi búza termésmennyisége várhatóan csökkenni fog a kontrollhoz, azaz a jelenlegihez képest (2. ábra). Termés tekintetében az AF2MOD modell Pest megyében a HC szcenárión nem jelez terméscsökkentést, a többi esetben azonban csökken a szemtermés, ami Hajdú-Bihar megyében mindkét klímaszcenárió esetén, és GyőrMoson-Sopron megyében a Max Planck Institute klímaszcenáriója esetén statisztikailag mérhető is (2. ábra). A Ceres-Wheat modell minden klímaszcenárió esetére szignifikáns terméscsökkenést szimulált. A terméskiesés kockázata Pest megyében és Hajdú-Bihar megyében növekedett szignifikánsan a kontrollhoz képest.
termés (t/ha)
7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0
**
**
*
*
*
*
*
*
* Kontroll Szcenárió
HC
MPI
HC
AF2MOD Pest
MPI
CeresWheat
HC
MPI
AF2MOD
HC
MPI
CeresWheat
HC
MPI
AF2MOD
Győr-Moson-Sopron
HC
MPI
CeresWheat
Hajdú-Bihar
megye / modell / szcenárió
2. ábra: A HC és MPI klímaszcenáriókkal a Ceres-Wheat és az AF2MOD modellek által szimulált szemtermés átlagos mennyisége és szórása. A ** és * jelek kontrolltól való szignifikáns eltérést mutatják 1% ill. 5% valószínűségi szinten. KÖVETKEZTETÉSEK A mezőgazdasági termelés eredményességét legnagyobb mértékben a kedvezőtlen környezeti hatások csökkentik, melyek közül a vízhiány jelentősége kiemelkedő. A talajban tárolt, a növények számára felvehető vízkészlet hasznosításának kiemelkedő jelentőségét a csapadék mennyiségének és a megoszlásának várható kedvezőtlen változása még tovább növeli (VÁRALLYAY 2008). A vízellátottság mesterséges úton – öntözéssel – elvileg megoldható, de ez Magyarországon nem járható út, mert ökológiai feltételeink hosszú távon is csak a mezőgazdasági területek legfeljebb 10%-án biztosítják az öntözés lehetőségét. A vízhiány káros hatásai bizonyos mértékig csökkenthetők okszerű talajműveléssel és megfelelő tápanyag gazdálkodással. A múlt század végén egyértelművé vált, hogy a mezőgazdasági termelés a hagyományos módszerekkel teljesítőképességének felső határához érkezett, a korábbi technológiák már nem újíthatók meg, környezeti ártalmak nélkül a kemikáliák mennyisége sem növelhető, a hozamok sem fokozhatók. A fenntartható fejlődés érdekében szükségessé vált, hogy a növénynemesítési és genetikai kutatások prioritásai között szerepeljen a biodiverzitás megőrzése, a fajtaválaszték fenntartása, annak megújítása és kiszélesítése (BEDŐ 2009). Fenntartható fejlődés csak abban az esetben valósítható meg, amennyiben tudásalapú mezőgazdaság alakul ki, és ebben a növénynemesítés a megváltozott feltételeknek megfelelő növényfajtákat hoz létre. Mindezek a feladatok új kihívást jelentenek a növénynemesítők számára, amit nagy valószínűséggel a hagyományos és molekuláris nemesítés módszereinek együttes alkalmazásával, az integrált növénynemesítéssel lehet csak megoldani (BEDŐ 2009). A legújabb nemesítési eljárások körébe tartoznak a transzgénikus technikák, amik jelentősen lerövidíthetik a nemesítési folyamatot. A géntechnológiai úton nemesített növények egyre nagyobb vetésterületet foglalnak el világszerte. Térhódításuk egyes társadalmi csoportok aggályai ellenére várhatóan tovább folytatódik, beleértve az Európai Unió országait is. A szárazságtűrésre történő nemesítésben a nagy termőképességre való kizárólagos szelekció nem ígér gyors előrehaladást, ezért a szelekciónak fiziológiai tulajdonságokra kell irányulnia. Másrészt, mivel a termőképesség természetesen hatással van a stresszkörülmények közötti teljesítményre is, az ideális genotípusnak nem csak szárazságtűrőnek, hanem nagy
termőképességűnek is kell lennie. A termőképesség és a szárazságtolerancia között kompromisszumot kell találnunk (CSEUZ 2009). Mivel hazánk éghajlata nem szélsőségesen száraz és a szárazság mértéke előre kiszámíthatatlan, a keresztezési program összeállításakor elsősorban olyan genotípusokat kell keresnünk, amelyek nagy potenciális termőképességgel rendelkeznek és emellett a száraz körülményekhez is jól adaptálódnak. A kedvezőtlen gazdasági hatásokat mérsékelheti a légkör növekvő CO2 koncentrációja. A kalászos gabonák eltérően hasznosítják a rendelkezésre álló többlet CO2-ot, melynek hatására elsősorban a szemtermés mennyiségének alakulásában figyeltek meg kedvező változásokat, így szelekcióval kiválaszthatók azok a genotípusok, melyek hatékonyan képesek alkalmazkodni a megváltozott körülményekhez (VARGA et al. 2009). Kimutatták, hogy a búza szemtermésének mennyisége rossz vízellátottságon és emelt légköri CO2 koncentráción megegyezik a jó vízellátottságon és jelenlegi légköri CO2 koncentráción nevelt búza szemtermésével (VARGA et al. 2009). Ebből arra következtethetünk, hogy az emelt légköri CO2 koncentráció valamilyen szintig képes kompenzálni a vízhiány okozta károkat. A legnagyobb variabilitást az agrotechnikai elemek között találjuk, ami egyúttal arra is felhívja a figyelmet, hogy a sokoldalú interaktív hatások miatt nagy szakértelemmel és odafigyeléssel szükséges az optimális egyensúlyt megteremteni. Abban az esetben, ha a talaj és az éghajlati adottságok, illetőleg a termesztéstechnológiai feltételek nem a lehető legjobbak, nem ajánlott a csúcsteljesítményre képes fajtákat választani. A fajták egyik jellegzetessége az alkalmazkodóképesség, amely lehetővé teszi, hogy a fajta akkor is jó teljesítményt nyújtson, ha minden igényét nem tudjuk maximálisan kielégíteni. A megfelelő alkalmazkodóképességű fajták termésbiztonsága is kedvezőbb, e fajták termesztésénél a termésingadozás kisebb mértékű. Ma az elsődleges feladat nem a hozam növelése, hanem a termésminőség, termésbiztonság javítása és a szélsőséges időjárási körülményeknek ellenálló fajták létrehozása. A klímaváltozáshoz való alkalmazkodásban a különféle területen munkálkodó szakemberek feladata tehát a szárazság- és melegtűrő fajták előállításával, a vetési időpont alkalmas megváltoztatásával, víztakarékos agrotechnikával és optimális talajműveléssel nagyobb termést biztosítani, a termésbiztonságot növelni, valamint vizsgálni a széndioxid minél jobb hasznosításának lehetőségét is. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A munkánk az AGRISAFE 203288 sz. EU-FP7-REGPOT 2007-1, a Budapesti Corvinus Egyetem Kutatási Kiválósági ösztöndíja, a TÁMOP 4.2.1.B-09/1/KMR-2010-0005 számú kutatási program és a K63369 számú OTKA pályázat támogatásával készült. IRODALOMJEGYZÉK Bedő Z. (2009): Közhasznú növénynemesítés (in. A martonvásári agrárkutatások hatodik évtizede 1999–2009 szerk.: Veisz O.) MTA Mezőgazdasági Kutatóintézet, Martonvásár 3-8. p Cseuz L. (2009): A szárazságtűrő őszi búza (Triticum aestivum L.) nemesítésének lehetőségei és korlátai. Doktori értekezés. SZIE, Gödöllő. 125 o. Gates D.M. (1993): Climate Change and Its Biological Consequences. Massachusetts: Sinauer Associates, Inc. Publishers Sunderland, 280 p. Bartholy J., Pongrácz R., Gelybó Gy. (2007): Regional climate change expected in Hungary for 2071-2100. Applied ecology and environmental research. 5: 1-17.
Fodor N., Kovács G.J., Ritchie J.T. (2000): A New Solar Radiation Generator for Hungary. Poster. ASA-CSA-SSSA, Annual Meetings. November 5-9, 2000, Minneapolis, MN, Abstract pp. 23. Győrffy B., Sváb J. (1993): Az 1983-as évi termesztés táblasoros aszályelemzése. (in. Aszály 1983. szerk.: Baráth Cs., Győrffy B., Harnos Zs.) AKAPRINT Bp. 47-110. p Harnos N. (2003): A klímaváltozás hatásának szimulációs vizsgálata őszi búza produkciójára. „AGRO-21” Füzetek, 31, 56-73. Harnos N., Erdélyi É. (2008): Alkalmazkodási stratégiák őszi búza termelékenységének fenntartásához szimulációs modellek használatával (in. Klímaváltozás: környezet-kockázattárasadalom szerk.: Harnos Zs., Csete L.) 329-328. p Harnos Zs. (1996): Modelling crop response in Hungary. (in. Harrison P.A., Butterfield R.E., Cowning T.E. szerk.: Climate Change, Climatic Variability and Agriculture in Europe. Annual Report. Environmental Change Unit) University of Oxford. 179-189. p. Porter J.R. (1993): AFRCWHEAT2 A model of the growth and development of wheat incorporating responses to water and nitrogen. Eu. J. Agr., 2, 69-82. Ritchie J.T., Otter S. (1985): Description and Performance of CERES-Wheat: a User-oriented Wheat Yield Model. US Dept. Agric., ARS, 38, 159-175. Varga B. Bencze Sz., Veisz O. (2009): A szárazság és az emelt légköri CO2 hatása az őszi búza produktivitására. (in. Hagyomány és haladás a növénynemesítésben. XV. Növénynemesítési napok (2009.III.17.) szerk.: Veisz O.) 517-521. p Várallyay Gy. (2008): Extreme soil moisture regime as limiting factor of the plants’ water uptake, Cereal Research Communications. 36: 3-6.
