У ученых теперь есть новый инструмент для прогнозирования будущих последствий изменения климата для урожайности.
Исследователи из Университета Иллинойса пытаются соединить два типа вычислительных моделей сельскохозяйственных культур, чтобы получить более надежные прогнозы урожайности в Кукурузном поясе США.
«Один класс моделей сельскохозяйственных культур основан на агрономии, а другой встроен в модели климата или модели системы Земли. Они разрабатываются для разных целей и применяются в разных масштабах», - говорит Кайю Гуан, ученый-эколог из Университет Иллинойса и главный исследователь исследования.«Поскольку каждая из них имеет свои сильные и слабые стороны, наша простая идея состоит в том, чтобы объединить сильные стороны обоих типов моделей, чтобы создать новую модель урожая с улучшенными характеристиками прогнозирования».
Гуан и его исследовательская группа внедрили и оценили новую модель роста кукурузы, представленную как модель CLM-APSIM, объединив превосходные функции как модели общинных земель (CLM), так и симулятора сельскохозяйственных производственных систем (APSIM).
"Исходная модель кукурузы в CLM имеет только три фенологических стадии, или жизненных цикла. Некоторые важные стадии развития, такие как цветение, отсутствуют, что делает невозможным применение некоторых критических стрессов, таких как водный стресс или высокая температура на этих стадиях. конкретных стадиях развития», - говорит Бин Пэн, научный сотрудник лаборатории Гуаня, а также ведущий автор. «Наше решение заключается в включении схемы развития жизненного цикла APSIM, состоящей из 12 стадий, в модель CLM. Благодаря этой интеграции в новой модели могут быть учтены стрессы, вызванные высокой температурой, дефицитом почвенной влаги и азота."
Пэн говорит, что они выбрали CLM в качестве основы для реализации новой модели, потому что она в большей степени основана на процессах и может сочетаться с моделями климата.
"Это важно, поскольку новый инструмент можно использовать для изучения двусторонней обратной связи между агроэкосистемой и климатической системой в наших будущих исследованиях."
В дополнение к замене исходной модели фенологии кукурузы в CLM моделью из модели APSIM, исследователи внесли в новую модель несколько других инновационных усовершенствований. Были добавлены новая схема распределения углерода и схема моделирования количества зерен, а также уточнение исходной схемы структуры полога.
«Самое заманчивое улучшение заключается в том, что наша новая модель ближе к получению нужной производительности с правильным механизмом», - говорит Гуань. «Исходная модель CLM недооценивает надземную биомассу, но переоценивает индекс урожая кукурузы, что приводит к очевидному правильному моделированию урожайности с неправильным механизмом. В нашей новой модели этот недостаток исправлен в исходной модели CLM."
Пэн добавляет, что фенологическая схема APSIM довольно общая. «Мы можем легко расширить нашу новую модель, чтобы смоделировать процессы роста других основных сельскохозяйственных культур, таких как соя и пшеница. Это определенно входит в наши планы, и мы уже работаем над этим».
«Вся работа проводилась на Blue Waters, мощном суперкомпьютере петамасштаба в Национальном центре суперкомпьютерных приложений (NCSA) в кампусе Университета Иллинойса», - говорит Пэн. «В настоящее время мы работаем над анализом чувствительности параметров и байесовской калибровкой этой новой модели, а также над региональной симуляцией с высоким разрешением для Кукурузного пояса США, и все это было бы невозможно без ценных вычислительных ресурсов, предоставляемых Blue Waters».
Исследование «Улучшение процессов роста кукурузы в модели общинных земель: реализация и оценка» опубликовано в журнале «Сельскохозяйственная и лесная метеорология». Работа была инициирована и разработана Кайю Гуаном и Бин Пэном из Университета Иллинойса и Мин Ченом из Объединенного научно-исследовательского института глобальных изменений Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Мэриленде. В соавторстве с ним работает группа из нескольких институтов, в которую входят Дэвид М. Лоуренс и Якионг Лу, оба из Национального центра атмосферных исследований; Яду Похрел из Университета штата Мичиган; и Эндрю Сайкер и Тимоти Аркебауэр из Университета Небраски в Линкольне.
Финансирование было предоставлено премией НАСА для новых исследователей (NNX16AI56G), премией Фондовой программы Национального института продовольствия и сельского хозяйства США (NIFA) (2017-67013-26253) и профессорством Blue Waters (Национальный центр суперкомпьютерных приложений в Университет Иллинойса) присужден Кайю Гуану, а награда USDA NIFA (2015-67003-23489) - Дэвиду М. Лоуренсу.
Это исследование является частью проекта устойчивых петамасштабных вычислений Blue Waters, который поддерживается Национальным научным фондом (награды OCI-0725070 и ACI-1238993) и штатом Иллинойс.
В дополнение к тому, что Гуан является доцентом в области экогидрологии и геоинформатики в Департаменте природных ресурсов и наук об окружающей среде в Колледже сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук в Университете I, Гуань имеет совместную должность в Blue Waters профессор, связанный с NCSA. У Пэн постдокторская должность в NCSA, а также он связан с NRES.