Naarmate het klimaat warmer en droger wordt, mondiale voedselzekerheid hangt in toenemende mate af van het vermogen van gewassen om droogte te weerstaan. Maar richten wetenschappers en producenten zich op de juiste maatstaf bij het meten van gewasrelevante droogte? Niet precies, volgens nieuw onderzoek van wetenschappers van de Universiteit van Illinois, die de wetenschappelijke gemeenschap aansporen om de term opnieuw te definiëren.

"Planten moeten vraag en aanbod van water in evenwicht brengen. Beide zijn uiterst kritisch, maar mensen zien de vraagzijde van de vergelijking over het hoofd, vooral in de Amerikaanse Corn Belt, " zegt Kaiyu Guan, hoofdonderzoeker van twee nieuwe onderzoeken, Blue Waters-professor bij het Department of Natural Resources and Environmental Sciences en het National Center for Supercomputing Applications in Illinois.

De vraag waar Guan naar verwijst, is atmosferische droogte, vaak uitgedrukt als dampdrukdeficit (VPD). Hoe droger de lucht, hoe meer vocht uit de poriën wordt gezogen, of huidmondjes, in plantenbladeren. Planten moeten huidmondjes openen om koolstofdioxide als voedsel op te nemen, maar als ze voelen dat de atmosfeer te droog is, ze sluiten de poriën om uitdroging te voorkomen. Huidmondjes te lang gesloten houden leidt tot verminderde fotosynthese, Plantengroei, en graanopbrengst.

De kicker? Planten sluiten huidmondjes af vanwege een droge atmosfeer, zelfs als er voldoende vocht in de grond is.

"Als je alleen rekening houdt met regenval en bodemvocht, dat is hoe de meeste mensen over droogte denken, dat beschrijft vooral de aanbodzijde. Natuurlijk als u een laag bodemvocht heeft, planten zullen gestrest raken door de hoeveelheid water die ze krijgen. Maar het aanbod is vaak ruim voldoende, vooral hier in de U.S. Corn Belt, " zegt Guan. "Echter, ook de vraagzijde van de atmosfeer kan planten zwaar onder druk zetten. We moeten meer aandacht besteden aan dat droogtesignaal."

De twee recente studies van Guan gebruikten meerdere technologische benaderingen, inclusief veldmetingen, verschillende bronnen van satellietgegevens, hydrologische modelsimulaties, en gewasopbrengststatistieken van de overheid. De eerste studie, gepubliceerd in Landbouw- en bosmeteorologie , gebruikte gegevens van zeven locaties in de Corn Belt om te concluderen dat VPD verantwoordelijk is voor bijna 90% van de veranderingen in de stomatale geleiding van gewassen, een proxy voor droogtestress, en ongeveer 85% van de veranderingen in de bruto primaire productiviteit, een maatstaf voor productiviteit.

"Ter vergelijking, bodemvocht is typisch verantwoordelijk voor 6-13% van deze maatregelen voor maïs en sojabonen, en tot 35% wanneer rekening wordt gehouden met vertragingseffecten, " zegt Hyungsuk Kimm, promovendus in de groep van Guan en de hoofdauteur van de studie.

In de andere studie gepubliceerd in de Tijdschrift voor Hydrologie , Guans team richtte zich op de graanopbrengst. Opbrengst hangt af van veel factoren die verband houden met watercycli, maar de onderzoekers ontdekten dat VPD het grootste deel van de variabiliteit in gewasopbrengst verklaart en ook de vroegste waarschuwing geeft voor opbrengstverlies in vergelijking met andere watercyclusstatistieken en traditionele droogte-indexen.

"Dit leidde ertoe dat we een nieuwe droogte-index hebben gebouwd waarin VPD is geïntegreerd, bodemvocht, en maatregelen van verdamping, die meer dan 70% van de opbrengstvariatie kunnen verklaren. Onze index presteert beter dan alle bestaande droogte-indexen, " zegt Wang Zhou, postdoctoraal onderzoeker in de groep van Guan en de hoofdauteur van de studie.

Guan voegt toe, "In deze twee onderzoeken we probeerden de vraagzijde van droogte te begrijpen vanuit twee belangrijke invalshoeken:één met behulp van eddy-covariantiegegevens die het landschapswater- en koolstofgebruik zeer nauwkeurig meten - de gouden standaard - en de andere die gebruikmaakt van satellietgegevens en modelgesimuleerde hydrologische variabelen die gecorreleerd zijn met regionale opbrengst, " zegt Guan. "In beide, we tonen aan dat VPD belangrijker is dan bodemvocht om de droogtereactie van gewassen in het middenwesten van de VS te verklaren."

Het aanpassen van het droogteconcept voor gewassen zal van cruciaal belang zijn voor de wereldwijde voedselzekerheid in een veranderend klimaat.

"Als we kijken naar scenario's voor klimaatverandering, de hoeveelheid regen verandert niet veel voor de Corn Belt, maar we weten zeker dat de temperatuur en VPD hier zullen stijgen. Dat betekent dat er aan de aanbodzijde niet veel zal veranderen, maar de vraagstress zal aanzienlijk toenemen. En dat soort stress is zo verbonden met de oogstopbrengst aan het einde van het seizoen, "zegt Guan.

Zijn groep werkt aan vervolgstudies die de rol van irrigatie evalueren bij het vergroten van het aanbod en het verminderen van de vraag, maar voor nu, Guan zegt dat fokken voor een efficiënter watergebruik een belangrijk onderdeel van de oplossing kan zijn.