Vorhersage der Brassica napus-Produktion unter dem Klimawandel mit einem mechanistischen Artenverteilungsmodell

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12656 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Brassica napus, eine vielseitige Kulturpflanze mit erheblicher sozioökonomischer Bedeutung, dient als wertvolle Nahrungsquelle für Mensch und Tier und wird auch in der Biodieselproduktion eingesetzt. Das Ausbreitungspotenzial von B. napus wird stark von klimatischen Schwankungen beeinflusst, dennoch gibt es nach wie vor nur wenige Studien, die den Zusammenhang zwischen klimatischen Faktoren und seiner Verbreitung untersuchen. Diese Forschung nutzt CLIMEX, um die aktuellen und zukünftigen ökologischen Nischen von B. napus im Emissionsszenario RCP 8.5 zu identifizieren, wobei die Modelle Access 1.0 und CNRM-CM5 für den Zeitraum 2040–2059 verwendet werden. Zusätzlich wurde eine Sensitivitätsanalyse der Parameter durchgeführt, um die primären klimatischen Faktoren zu bestimmen, die die Verteilung von B. napus und die Reaktionsfähigkeit des Modells beeinflussen. Die simulierten Ergebnisse zeigen eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit der bekannten aktuellen Verbreitung von B. napus, wobei 98 % der Vorkommensaufzeichnungen als mittel bis hoch klimatisch geeignet eingestuft wurden. Allerdings zeigt die Art eine hohe Empfindlichkeit gegenüber thermischen Parametern, was darauf hindeutet, dass Temperaturerhöhungen Verschiebungen in geeignete und ungeeignete Gebiete für B. napus auslösen könnten, was sich auf Regionen wie Kanada, China, Brasilien und die Vereinigten Staaten auswirken könnte.

Brassica napus L., allgemein bekannt als Raps oder Canola (kurz für Canadian Oil Low Acid), ist eine Ölsaat aus der Familie der Brassicaceae. Aufgrund des hohen Nährwerts des Öls kommt ihm eine erhebliche sozioökonomische Bedeutung zu, was es zu einer wertvollen Ressource für die Ernährung von Mensch und Tier macht1,2,3. Dies wiederum generiert erhebliche wirtschaftliche Erträge für die Produktionsländer4. In Kanada hat sich B. napus zu einer der am häufigsten angebauten Kulturpflanzen entwickelt und trägt durch seine hohe Ölproduktion jährlich beeindruckende 29,9 Milliarden US-Dollar zur Wirtschaft des Landes bei. Auch in den Vereinigten Staaten kam es zu einem deutlichen Anstieg der B. napus-Ölproduktion, wobei die Mengen von 486.251 Tonnen im Jahr 2010 auf 821.002 Tonnen im Jahr 2020 stiegen5,6. Infolgedessen verzeichnete das Land einen Anstieg der Importe, um die steigende Nachfrage nach Rapsöl zu decken, und erreichte im Jahr 2020 1827 Millionen Tonnen im Vergleich zu 1066 Millionen Tonnen im Jahr 20106.

Im Zeitraum 2020/2021 erreichte die weltweite Produktion von Brassica napus ein beachtliches Volumen von 73,6 Millionen Tonnen (Mt)7. Prognosen deuten darauf hin, dass das weltweite Angebot im Jahr 2022/237 voraussichtlich einen bemerkenswerten Anstieg von 100,5 Mio. t verzeichnen wird. Wenn man die Pflanzenölproduktion betrachtet, ist B. napus die ertragsstärkste Ölpflanze weltweit, knapp hinter Sojabohnen. Die jüngsten Ernten haben eine beträchtliche Menge von 20–30 Millionen Tonnen B. napus-Pflanzenöl hervorgebracht. Verschiedene Länder, darunter Mitglieder der Europäischen Union, Kanada, China und Indien, haben durch den Anbau dieser Art eine bemerkenswerte Ölproduktion erzielt. Bemerkenswert ist, dass die Europäische Union mit einem für die Ernte 2022/2023 prognostizierten Produktionsvolumen von 19,5 Millionen Tonnen der weltweit größte Produzent von B. napus ist1,4,7,8,9. China und die Europäische Union gelten als wichtige Rapsproduzenten und werden voraussichtlich bis 2030 eine Jahresproduktion von 31 Mio. t bzw. 30 Mio. t erreichen Steigerung der Produktion auf 20 Mio. t bis 2022/2023 und 23 Mio. t bis 20307,10. Die Ausweitung des Anbaus von B. napus stellt jedoch eine Herausforderung dar, da es an Informationen über dessen Anbau und Produktion in anderen Regionen mangelt. Die Art ist sehr anfällig für klimatische Schwankungen. Simulationen haben gezeigt, dass die Unsicherheit über die Auswirkungen des Klimawandels auf die Rapsproduktion mit der Zeit zunimmt und in bestimmten Regionen Chinas die Möglichkeit besteht, dass die Produktion von B. napus erheblich zunimmt11.

Im Vergleich zu anderen ölproduzierenden Pflanzen wie Sojabohnen gibt es immer noch einen Mangel an Informationen über die optimalen klimatischen Bedingungen für den Anbau von Brassica napus. Für den Sojaanbau liegen fundierte Daten für verschiedene Regionen auf der ganzen Welt vor. Daher müssen weitere Studien zu B. napus durchgeführt werden, um die spezifischen klimatischen Faktoren aufzuklären, die zu seiner erfolgreichen Kultivierung beitragen. Parameter wie Leuchtkraft, CO2-Gehalt, Niederschlag und Temperatur standen im Mittelpunkt der Forschung, um ein besseres Verständnis der Anbauanforderungen dieser Art zu erlangen12,13,14. Diese Studien zielen darauf ab, Wissenslücken zu schließen und wertvolle Einblicke in die klimatischen Vorlieben und die Anpassungsfähigkeit von B. napus zu liefern, um Landwirten und Forschern bei der Optimierung ihrer Anbaupraktiken zu helfen.

Um die Unsicherheiten im Zusammenhang mit den ökologischen Anforderungen und ökophysiologischen Merkmalen zu beseitigen, die für einen erfolgreichen Anbau von Brassica napus erforderlich sind, hat sich die Verwendung von Umweltnischenmodellen als wertvoller Ansatz erwiesen15,16,17,18. Diese Modelle bieten eine Möglichkeit, aktuelle und zukünftige Gebiete zu identifizieren, die für den Anbau von B. napus geeignet sind, und zwar unter Verwendung biologischer Daten, die durch Feldforschung gewonnen wurden16,19,20,21,22,23,24. Durch den Einsatz dieser Modelle wird es möglich, Gebiete mit Klimazonen zu projizieren, die den Anbau von B. napus unter verschiedenen Klimawandelszenarien begünstigen21. Umweltnische Nischenmodelle dienen als leistungsstarkes Instrument zum Verständnis der potenziellen Verbreitung und Ausbreitung von B. napus und unterstützen Entscheidungsprozesse im Zusammenhang mit landwirtschaftlichen Praktiken, Landmanagement und Richtlinienentwicklung. Durch die Einbeziehung einer Reihe von Variablen wie Temperatur, Niederschlag, Bodenzusammensetzung und Topographie liefern diese Modelle Einblicke in die ökologischen Nischenpräferenzen von B. napus und bieten Vorhersagen über seine zukünftige Verbreitung. Durch den Einsatz ökologischer Nischenmodelle können Forscher und politische Entscheidungsträger wertvolle Informationen gewinnen, um Strategien für die Pflanzenbewirtschaftung zu steuern und die Auswirkungen des Klimawandels auf den B. napus-Anbau vorherzusagen. Dieser Ansatz trägt zur Entwicklung fundierterer und nachhaltigerer Praktiken angesichts sich ändernder Umweltbedingungen bei.

Der Klimawandel hat zu erheblichen Unsicherheiten hinsichtlich des künftigen Anbaus verschiedener Nutzpflanzenarten geführt, mit potenziell negativen Auswirkungen auf deren Lebensfähigkeit. Dies gilt für wichtige Nutzpflanzen wie Zea mays L., Sorghum bicolor L. und Glycine max L., da Änderungen der Temperatur und der Niederschlagsmuster erhebliche Herausforderungen für deren Produktion darstellen können25,26,27. Laut Pullens et al.14 wird erwartet, dass der Klimawandel aufgrund steigender Temperaturen günstige Bedingungen für den Winteranbau von Brassica napus in den nördlichen Regionen Europas, insbesondere in der borealen Umweltzone, schaffen wird. Folglich sind Modellierungstechniken zu unverzichtbaren Werkzeugen für die Untersuchung von B. napus geworden. Diese Modelle ermöglichen die gleichzeitige Bewertung der Artenverteilung über verschiedene Standorte hinweg und umfassen sowohl räumliche als auch zeitliche Dimensionen. Sie spielen eine entscheidende Rolle beim Verständnis der möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf die Verbreitung und den Anbau von B. napus. Um unser Verständnis der B. napus-Produktion unter sich ändernden klimatischen Bedingungen zu verbessern, ist es entscheidend, sich auf Forschung zu konzentrieren, die die spezifischen Auswirkungen des Klimawandels auf diese Kulturpflanze untersucht. Solche Studien können wertvolle Einblicke in die Bereiche und Mechanismen liefern, durch die der Anbau von B. napus wahrscheinlich am stärksten vom Klimawandel betroffen sein wird14. Indem wir untersuchen, wie und wo die Kulturpflanze anfällig für Klimaveränderungen sein könnte, können wir uns besser auf potenzielle Herausforderungen vorbereiten und Anpassungsstrategien entwickeln, um die Auswirkungen auf die B. napus-Produktion abzumildern. Insgesamt sind der Einsatz von Modellierungsansätzen und die Durchführung gezielter Forschung zu den Auswirkungen des Klimawandels wichtige Schritte, um unser Verständnis des B. napus-Anbaus angesichts der sich verändernden Umweltbedingungen zu verbessern. Diese Bemühungen tragen zur Entwicklung wirksamer Anpassungs- und Eindämmungsstrategien bei, um die Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit der B. napus-Produktionssysteme sicherzustellen.

Die Vorhersage der Artenverteilung kann durch den Einsatz korrelativer und mechanistischer Vorhersagemodelle erreicht werden18,28. Korrelationsmodelle basieren auf Umweltprädiktorvariablen, die eng mit Aufzeichnungen über die Artenverteilung verknüpft sind, sodass Vorhersagen auf der Grundlage dieser Zusammenhänge möglich sind18,29. Andererseits gehen mechanistische Modelle über Aufzeichnungen zur Artenverteilung hinaus und umfassen detailliertere Informationen über die biophysikalischen und physiologischen Reaktionen der Arten. Diese Modelle stützen sich typischerweise auf spezifische Forschungsergebnisse, um die Umweltprädiktorvariablen zu definieren18,28,30. Angesichts der Ziele der Studie und des vorhandenen Wissens über Brassica napus wurde in dieser Forschung ein mechanistisches Modell, insbesondere CLIMEX, eingesetzt. Mechanistische Modelle bieten den Vorteil, detaillierte biophysikalische und physiologische Informationen einzubeziehen, die für das Verständnis der Reaktionen der Art auf Umweltfaktoren wertvoll sind17,30,31,32,33,34,35. Insbesondere CLIMEX hat gute Ergebnisse gezeigt und wird zunehmend in verschiedenen Studien eingesetzt. Durch die Verwendung eines mechanistischen Modells wie CLIMEX kann diese Studie differenziertere Einblicke in die potenzielle Verbreitung von B. napus liefern. Die Einbeziehung biophysikalischer und physiologischer Reaktionen erhöht die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Vorhersagen und ermöglicht ein umfassenderes Verständnis der ökologischen Nische der Art und ihrer Reaktion auf sich ändernde klimatische Bedingungen.

Die Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf Brassica napus ist aufgrund seiner weitreichenden Auswirkungen auf die landwirtschaftliche Produktivität, Ernährungssicherheit, Biodiversität und Kohlenstoffbindung von größter Bedeutung. Änderungen der Temperatur- und Niederschlagsmuster können das Wachstum, die Entwicklung und den Ertrag von B. napus erheblich beeinflussen. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie sich der Klimawandel auf diese Kulturpflanze auswirkt. Dieses Verständnis ermöglicht es Landwirten und politischen Entscheidungsträgern, sich proaktiv auf mögliche Veränderungen in der landwirtschaftlichen Produktivität vorzubereiten und nachhaltige Lebensmittelproduktionssysteme sicherzustellen36,37,38,39. Brassica napus spielt eine entscheidende Rolle für die globale Ernährungssicherheit als lebenswichtige Quelle von Pflanzenöl und Proteinen für den menschlichen Verzehr und als Tierfutter. Jede durch den Klimawandel verursachte Unterbrechung der Produktion kann schwerwiegende Folgen haben, insbesondere in Entwicklungsländern, die stark von dieser Kulturpflanze abhängig sind. Daher ist die Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf B. napus von entscheidender Bedeutung für die Gewährleistung der Ernährungssicherheit sowohl auf regionaler als auch auf globaler Ebene37,40. Darüber hinaus ist B. napus ein integraler Bestandteil natürlicher Ökosysteme und bietet Nahrung und Lebensraum für verschiedene Organismen. Der Klimawandel kann die Verbreitung und Häufigkeit dieser Art verändern und möglicherweise Auswirkungen auf die Artenvielfalt haben. Das Verständnis der Reaktionen der Art auf sich ändernde klimatische Bedingungen hilft bei der Vorhersage und Abschwächung der Kaskadeneffekte auf andere Organismen, deren Überleben und ökologische Interaktionen von B. napus abhängen41. Darüber hinaus weist B. napus eine bemerkenswerte Fähigkeit zur Kohlenstoffbindung auf. Als schnell wachsende Kulturpflanze kann sie erhebliche Mengen atmosphärischen Kohlendioxids (CO2) aufnehmen und in ihrer Biomasse und im Boden speichern. Die Untersuchung der Auswirkungen des Klimawandels auf B. napus ist von entscheidender Bedeutung für die Bewertung seines Potenzials als Instrument zur Minderung von Treibhausgasemissionen und zur Förderung von Strategien zur Kohlenstoffbindung4,42. Angesichts des derzeitigen Mangels an umfassendem Verständnis über die sich ändernden Klimafaktoren, die mit B. napus in der Gegenwart und Zukunft einhergehen, zielt diese Studie darauf ab, ein potenzielles ökologisches Nischenverteilungsmodell zu entwickeln. Mithilfe von Modellierungswerkzeugen soll die Empfindlichkeit der Art gegenüber klimatischen Faktoren bewertet und wertvolle Einblicke in ihre ökologischen Anforderungen unter sich ändernden Umweltbedingungen gewonnen werden. Diese Forschung wird dazu beitragen, die Wissenslücke zu schließen und eine fundierte Entscheidungsfindung im Kontext des Klimawandels und des B. napus-Anbaus zu ermöglichen13,43,44.

Das geografische Vorkommen von Brassica napus L. wurde durch eine systematische Untersuchung mehrerer Datenquellen umfassend charakterisiert. Die Umfrage umfasste die Website der Global Biodiversity Information Facility (GBIF) (http://www.gbif.org)45, die Europäische und Mittelmeer-Pflanzenschutzorganisation (EPPO) und das Centre for Agriculture and Biosciences International (CABI). Stichwort „Brassica napus“. Darüber hinaus wurde eine gründliche Literaturrecherche mit Google Scholar durchgeführt, wobei Schlüsselwörter wie „Brassica napus“, „Canola“ oder „Raps“ einbezogen wurden, die die wissenschaftlichen und gebräuchlichen Namen der Art darstellen (Ergänzende Informationen). Die Suche wurde im Mai 2022 durchgeführt und führte zur Identifizierung von 62.797 Datensätzen. Um die Qualität und Relevanz der Daten sicherzustellen, wurde eine Reihe von Datenbereinigungsschritten durchgeführt. Datensätze ohne Koordinaten wurden entfernt, was zur Eliminierung von 29.057 Datensätzen führte. Außerdem wurden doppelte Datensätze identifiziert und ausgeschlossen, was zur Entfernung von 9542 Datensätzen führte. Darüber hinaus wurden Datensätze, die sich in einem Umkreis von 50 km befanden, als äquidistant betrachtet und auf einen einzigen Datensatz reduziert, was zur Entfernung von 22.611 Datensätzen führte. Letztendlich wurden insgesamt 1587 Aufzeichnungen von B. napus für die Erstellung des Artenverteilungsmodells verwendet. Zur Modellvalidierung wurde eine Teilmenge von 1515 Datensätzen (64 % der 1587 Datensätze) zufällig ausgewählt, um eine repräsentative Stichprobe sicherzustellen. Diese Aufzeichnungen wurden verwendet, um die Leistung und Genauigkeit des Modells zu bewerten (Abb. 1). Durch den Einsatz strenger Datenerfassungs- und Validierungsverfahren gewährleistet diese Studie einen robusten und zuverlässigen Input für das Artenverteilungsmodell, erleichtert genaue Bewertungen des geografischen Vorkommens von B. napus und bietet eine solide Grundlage für nachfolgende Analysen und Vorhersagen.

(a) Vorkommen von Brassica napus weltweit. (b) Ökoklimatischer Index (EI) für das aktuelle Klimaszenario von B. napus, modelliert mit CLIMEX. Die Bereiche sind ungeeignet in Weiß (EI = 0), geeignet in Rosa (0 < EI < 30) und gut geeignet in Dunkelrot (30 < EI < 100).

Die in dieser Studie verwendeten Modelle wurden mit der CLIMEX-Software Version 4.046 implementiert. CLIMEX bietet ein leistungsstarkes Framework zum Vergleichen von Standorten und Zeiträumen und ermöglicht die Erstellung von Karten, die Veränderungen in der klimatischen Eignung verschiedener Arten über Raum und Zeit hinweg veranschaulichen. Durch die Einbeziehung klimatischer Parameter, die aus artspezifischen biologischen Informationen und geografischen Verbreitungsdaten abgeleitet werden, erleichtert CLIMEX die Simulation und Abschätzung potenzieller Gebiete, die das Wachstum und die Entwicklung von Zielarten begünstigen. Eine der Hauptstärken von CLIMEX ist seine Fähigkeit, Einblicke in die raumzeitliche Dynamik von Arten unter aktuellen klimatischen Bedingungen sowie in Zukunftsszenarien unter Berücksichtigung des Klimawandels zu gewinnen. Durch die Nutzung seiner Funktionalität können Forscher die Verbreitungsmuster und Klimapräferenzen von Arten umfassend und detailliert untersuchen. Durch den Einsatz von CLIMEX konnte diese Studie die potenzielle ökologische Nischenverteilung von Brassica napus L. unter aktuellen Bedingungen und zukünftigen, vom Klimawandel beeinflussten Szenarien simulieren und bewerten. Die Analysefunktionen der Software ermöglichen die Erkundung geeigneter Gebiete für die Art und erleichtern die Untersuchung, wie sich ihre Verbreitung im Laufe der Zeit als Reaktion auf sich ändernde klimatische Bedingungen verändern kann. Durch die Nutzung der robusten Modellierungsfunktionen von CLIMEX trägt diese Forschung dazu bei, unser Verständnis der räumlich-zeitlichen Dynamik und der ökologischen Reaktionen von Brassica napus L. auf den Klimawandel zu verbessern und so wertvolle Erkenntnisse für ein wirksames Artenmanagement und -schutz angesichts der anhaltenden Umweltherausforderungen zu liefern.

Die Entwicklung des CLIMEX-Modells für Brassica napus umfasste die Verwendung von Schlüsselparametern, die aus biologischen Daten abgeleitet wurden und die Wachstumsanforderungen der Art sowohl unter günstigen als auch unter ungünstigen Bedingungen charakterisieren. Diese Parameter konzentrierten sich hauptsächlich auf Temperatur und Luftfeuchtigkeit und umfassten maximale und minimale Schwellenwerte, die das optimale Wachstum von B. napus begünstigen. Umgekehrt wurden auch Indizes im Zusammenhang mit Stressfaktoren wie Kälte, Hitze, Trockenheit und Feuchtigkeit berücksichtigt, um Bereiche zu bestimmen, in denen die Art nicht ausreichend gedeihen oder sich nicht ausreichend entwickeln würde. Um Genauigkeit und Relevanz sicherzustellen, basierte die Auswahl dieser Parameter auf einer gründlichen Durchsicht der aktuellen Literatur zu den biologischen Eigenschaften von B. napus. Durch die Einbeziehung aktueller Informationen wurden die Parameter des Modells genau abgestimmt, um die spezifischen Bedürfnisse und Einschränkungen der Art widerzuspiegeln. Insgesamt wurden 16 Parameter ermittelt, die verschiedene Aspekte der ökologischen Anforderungen von B. napus abdecken. Diese Parameter bildeten die Grundlage für die Identifizierung und Abgrenzung der potenziellen Verteilung ökologischer Nischen, die für B. napus in verschiedenen geografischen Regionen geeignet sind. Um das Modell zu verfeinern und zu validieren, wurden die ursprünglich definierten Parameter basierend auf der beobachteten aktuellen Verteilung von B. napus weiter angepasst. Durch den Vergleich der Vorhersagen des Modells mit dem tatsächlichen Vorkommen der Art wurden notwendige Verfeinerungen und Kalibrierungen vorgenommen, um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Modells zu verbessern. Durch die Anwendung dieses strengen Ansatzes bei der Parameterauswahl und -anpassung bietet das CLIMEX-Modell für B. napus einen robusten Rahmen für die Vorhersage der potenziellen Verteilung ökologischer Nischen und das Verständnis der Reaktion der Art auf unterschiedliche Umweltbedingungen.

Die im Modell verwendeten Temperaturindizes spielen eine entscheidende Rolle bei der Festlegung des geeigneten Temperaturbereichs für das Wachstum von Brassica napus. Zu diesen Indizes gehören DV0 (untere Temperaturgrenze), DV1 (untere optimale Temperatur), DV2 (obere optimale Temperatur) und DV3 (obere Temperaturgrenze), wie von Morrison et al.47 beschrieben. DV0 stellt die Mindesttemperatur dar, die für das Pflanzenwachstum erforderlich ist. Nach Morrison et al.47 wird die Basistemperatur für Brassica napus auf 5 °C festgelegt. Unterhalb dieser Schwelle erreicht die Art nicht den für die physiologische Reife erforderlichen Entwicklungsfortschritt. Für eine optimale Entwicklung gedeiht B. napus bei etwa 20 °C, mit einem Temperaturbereich von 12–30 °C48. Höhere Temperaturen über 27 °C können jedoch zu Pflanzensterilität und Blütenabbruch führen, wie Morrison49 und andere Studien50,51 berichten. Folglich wurde DV3, die maximale Temperatur für das Pflanzenwachstum, auf 27 °C festgelegt. DV1 und DV2 bezeichnen die untere bzw. obere ideale Temperatur für die Entwicklung der Art. Nach der Feinabstimmung des Modells anhand von Vorkommensdaten aus Nordamerika wurden diese Temperaturen auf 10 °C bzw. 23 °C ermittelt, was besser mit der Verbreitung der Art in dieser Region übereinstimmt (Tabelle 1). Durch die Einbeziehung dieser Temperaturindizes und ihrer spezifischen Werte in das Modell kann das CLIMEX-Modell die Temperaturanforderungen für ein optimales Wachstum und eine optimale Entwicklung von Brassica napus genau erfassen und so Vorhersagen und Analysen seiner potenziellen ökologischen Nische unter variierenden Temperaturbedingungen erleichtern.

Brassica napus ist von Natur aus eine Kulturpflanze mit gemäßigtem bis hartem gemäßigtem Klima48. Um die Fähigkeit der Art, widrigen Bedingungen standzuhalten, zu berücksichtigen, werden Stressindizes in das CLIMEX-Modell einbezogen. Diese Indizes zielen darauf ab, die Überlebensfähigkeit der Art unter ungünstigen Umständen zu begrenzen. Der Temperaturschwellenwert für Kältestress (TTCS) stellt den Durchschnitt der wöchentlichen Mindesttemperaturen dar, die die Art tolerieren kann, während die Temperaturrate für Kältestress (THCS) die Anhäufung von Kältestress bezeichnet, wenn die Mindesttemperatur unter den Wert von TTCS46 fällt. Basierend auf den Untersuchungen von Thomas48 wurde festgestellt, dass die Grundtemperatur für Brassica napus zwischen 0 und 5 °C liegt. Folglich wurden TTCS und THCS auf 1 °C bzw. –0,00009 eingestellt, um eine bessere Übereinstimmung mit den Vorkommensdaten von B. napus zu gewährleisten (Tabelle 1). Der Hitzestress im Modell wird durch den Hitzestress-Temperaturschwellenwert (TTHS) und die Hitzestress-Temperaturrate (THHS) bestimmt. TTHS stellt die Temperaturschwelle dar, bei der Hitzestress beginnt, sich auf die Art auszuwirken, während THHS die Geschwindigkeit quantifiziert, mit der sich Stress ansammelt, wenn die Temperaturen den TTHS-Wert überschreiten46. Hohe Temperaturen haben einen erheblichen Einfluss auf die Blütezeit und die Lebensfähigkeit der Pollen von B. napus, wie Morrison49 bei Temperaturen über 27 °C beobachtete. Daher wurden TTHS und THHS bei 27 °C bzw. 0,001 ermittelt. Die Auswahl von THHS basierte auf dem empfohlenen Wert für gemäßigte Kulturen im CLIMEX-Handbuch und seiner Kompatibilität mit den Vorkommensdaten von B. napus in Nordamerika (Tabelle 1). Durch die Einbeziehung dieser Stressindizes in das CLIMEX-Modell wird es möglich, die Reaktion der Art auf Kälte- und Hitzestress zu erfassen, was ein umfassendes Verständnis ihrer ökologischen Nische ermöglicht und die Genauigkeit von Vorhersagen in Bezug auf ihre Verbreitung und Lebensfähigkeit unter verschiedenen klimatischen Bedingungen verbessert.

Bodenfeuchtigkeitsparameter spielen im CLIMEX-Modell eine entscheidende Rolle und steuern das Populationswachstum der Art als Reaktion auf die Luftfeuchtigkeit. Die vier Parameter, die zur Definition der Bodenfeuchtigkeit in CLIMEX verwendet werden, sind Begrenzung niedriger Bodenfeuchtigkeit (SM0), Untere optimale Bodenfeuchtigkeit (SM1), Obere optimale Bodenfeuchtigkeit (SM2) und Begrenzung hoher Bodenfeuchtigkeit (SM3). Diese Parameter sind wichtig für das Verständnis der Populationsdynamik der Art unter variierenden Feuchtigkeitsbedingungen. Im Bereich von SM1 und SM2 ist das Populationswachstum der Art maximiert, was auf die idealen Bodenfeuchtigkeitswerte für Brassica napus hinweist. Wenn die Bodenfeuchtigkeit unter SM0 fällt oder SM3 übersteigt, wird das Populationswachstum null, was auf die Schwellenwerte hindeutet, jenseits derer die Art nicht mehr gedeihen kann46. Brassica napus hat während seines gesamten Lebenszyklus einen relativ geringen Wasserbedarf und erfordert typischerweise einen durchschnittlichen jährlichen Niederschlag von über 450 mm52. Zu viel Wasser kann sich negativ auf den Kornertrag und den Ölgehalt in B. napus auswirken48. Während der Wasserbedarf im Allgemeinen gering ist, kann sich ein Wassermangel während der Blütephase negativ auf den Getreideertrag und den Ölgehalt auswirken53. Darüber hinaus kann ein Wasserüberschuss zu einer Verringerung der Anzahl der pro Pflanze entwickelten Schotenzweige führen54. Zur Modellierung des Bodenfeuchtigkeitsaspekts wurden die Feuchtigkeitsindizes SM0, SM1, SM2 und SM3 zu 0,1, 0,2, 0,8 bzw. 2,5 bestimmt. Diese Werte wurden auf der Grundlage der empfohlenen Richtlinien für gemäßigte Kulturpflanzen im CLIMEX-Benutzerhandbuch46 ausgewählt. Darüber hinaus wurden sie an die Vorkommensdaten von B. napus in Nordamerika angepasst, um eine genauere Darstellung der ökologischen Nische der Art und ihrer Reaktionen auf unterschiedliche Bodenfeuchtigkeitsniveaus zu gewährleisten (Tabelle 1).

Die Bodenfeuchtigkeit spielt eine entscheidende Rolle für das Wohlbefinden der Pflanzen, und extreme Feuchtigkeitsbedingungen, entweder zu trocken oder zu nass, können Stress für die Pflanze verursachen. Im CLIMEX-Modell wird dieser Stress anhand von Parametern wie der Trockenstressschwelle (SMDS) und der Nassstressschwelle (SMWS) sowie der Trockenstressrate (HDS) und der Nassstressrate (HWS)46 quantifiziert. Bei Brassica napus ist die Blütezeit besonders anfällig für Trockenstress, der den Ölertrag der Pflanze deutlich reduzieren kann. Umgekehrt kann eine hohe Bodenfeuchtigkeit im Vergleich zu gut entwässerten Böden auch zu Ertragseinbußen von bis zu 50 % führen48. Um diese Effekte im Modell zu erfassen, wurden die Spannungsindizes SMDS, SMWS, HDS und HWS auf bestimmte Werte eingestellt. SMDS und SMWS wurden als 0,1 bzw. 2,5 definiert, basierend auf den entsprechenden Werten von SM0 und SM3, die für B. napus verwendet wurden. Diese Schwellenwerte geben die Bodenfeuchtigkeit an, bei deren Unterschreitung Trockenstress bzw. bei deren Überschreitung Nassstress auftritt. Die HDS und HWS, die die Geschwindigkeiten darstellen, mit denen sich die Belastung als Reaktion auf trockene oder nasse Bedingungen aufbaut, wurden zu −0,005 bzw. 0,002 bestimmt. Diese Parameterwerte wurden auf der Grundlage der Empfehlungen im CLIMEX-Handbuch für Kulturpflanzen in gemäßigten Klimazonen und durch sorgfältige Anpassung an die Vorkommensdaten von B. napus in Nordamerika ausgewählt (Tabelle 1). Durch die Einbeziehung dieser Feuchtigkeitsstressindizes kann das Modell die Reaktionen der Art auf unterschiedliche Bodenfeuchtigkeitsbedingungen genauer simulieren und so wertvolle Einblicke in die potenziellen ökologischen Nischen von B. napus liefern.

Das Klimaeignungsmodell für Brassica napus wurde unter Verwendung des Ökoklimatischen Index (EI) entwickelt, einem umfassenden jährlichen Index, der den Wachstumsindex (günstige Bedingungen) und den Stressindex (ungünstige Bedingungen) der Art kombiniert. Der EI reicht von 0 bis 100, wobei Werte nahe 0 auf eine Ungeeignetheit für das Artenwachstum hinweisen und ein EI von 100 die idealen klimatischen Bedingungen für das Wachstum darstellt. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass ein EI von 100 typischerweise in kontrollierten klimatischen Umgebungen zu finden ist46. In dieser Studie wurden die Regionen anhand der EI-Werte in drei Klassen eingeteilt: unzureichende Regionen (EI = 0), angemessene Regionen (EI im Bereich von 0 bis 30) und Regionen mit hoher Eignung (EI ≥ 30)46. Diese Klassifizierung bietet einen nützlichen Rahmen zum Verständnis der potenziellen Eignung verschiedener Regionen für den B. napus-Anbau. Diese abgeleiteten Parameter können dann verwendet werden, um das potenzielle Verbreitungsgebiet der Arten in neuen Gebieten oder unter verschiedenen Klimaszenarien zu prognostizieren. Zur Entwicklung des Modells wurden Klimadaten aus dem CliMond 10′-Gitter verwendet. Die historische Angemessenheit wurde auf der Grundlage der maximalen und minimalen monatlichen Durchschnittstemperaturen, des monatlichen Durchschnittsniederschlags und der relativen Luftfeuchtigkeit um 9:00 Uhr und 15:00 Uhr modelliert und deckte den Zeitraum von 1961 bis 1990 ab. Dieser 30-Jahres-Zeitraum mit Schwerpunkt 1975 wurde als ausgewählt ein repräsentativer Zeitrahmen für die Modellierung der historischen Eignung von B. napus46. Zur Validierung des Modells wurde eine reservierte Region mit Vorkommensaufzeichnungen der Arten genutzt, die nicht zur Parameteranpassung verwendet wurden. Nach der Parameteranpassung wurde die Eignung der reservierten Region beurteilt, um zu überprüfen, ob sie mit den bekannten Vorkommen der Art übereinstimmt. In dieser Studie wurde der europäische Kontinent als Validierungsregion für das Modell ausgewählt. Durch die Verwendung der EI und die Einbeziehung historischer Klimadaten liefert dieser Modellierungsansatz Einblicke in die Eignung verschiedener Regionen für den Anbau von B. napus und hilft so, die potenzielle ökologische Nischenverteilung der Art zu verstehen.

Der Bericht des Zwischenstaatlichen Gremiums für Klimaänderungen (IPCC), insbesondere der Fünfte Sachstandsbericht (AR5), führt vier repräsentative Konzentrationspfade (RCPs) als Treibhausgasverläufe ein, um die SRES-Szenarien (Sonderbericht über Emissionsszenarien) zu ersetzen55. Diese RCPs, nämlich RCP 2.6, RCP 4.5, RCP 6.0 und RCP 8.5, repräsentieren unterschiedliche Niveaus der Energieabsorption durch die Erdatmosphäre und der anschließenden Energiereflexion zurück in den Weltraum, gemessen in Watt pro Quadratmeter. RCP 8.5 ist ein Szenario mit hohen Emissionen, bei dem der Strahlungsantrieb bis 2100 voraussichtlich 8,50 W/m2 erreichen wird56. Dieses Szenario geht von Faktoren wie einem erheblichen Bevölkerungswachstum und anhaltend niedrigeren Einkommen in Entwicklungsländern aus. Um die zukünftige Eignung von Brassica napus unter dem Klimawandel zu beurteilen, wurde das RCP 8.5-Emissionsszenario verwendet. Die Studie konzentrierte sich auf den Zeitraum von 2040 bis 2059, wobei der Schwerpunkt auf 2050 lag, und verwendete zwei Klimamodelle: Access 1.0 und CNRM-CM5. Klimadaten mit einer Auflösung von 30 Minuten (30′) wurden aus der CliMond-Datenbank (www.climond.org) bezogen. RCP 8.5 ist ein Szenario mit hohen Emissionen, das Ähnlichkeiten mit dem SRES A1FI-Szenario aufweist, das hohe Treibhausgasemissionen prognostiziert57. Durch den Einsatz dieser Klimamodelle und Daten zielte die Studie darauf ab, die potenzielle Eignung der Art unter zukünftigen Klimabedingungen, die durch hohe Treibhausgasemissionen gekennzeichnet sind, zu bewerten. Diese Informationen tragen zu unserem Verständnis darüber bei, wie Brassica napus auf verschiedene Klimaszenarien reagieren und sich an sie anpassen kann, helfen bei der Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels und informieren über Strategien zur Eindämmung und Anpassung.

Eine Sensitivitätsanalyse wurde durchgeführt, um die Auswirkung jedes Parameters auf die Modellausgabe zu bewerten, wobei unterschiedliche Grade der Sensitivität zwischen den Parametern festgestellt wurden. Die Analyse umfasste die Anpassung jedes Parameters sowohl an niedrige als auch an hohe Werte gemäß den Anweisungen der CLIMEX-Software. Die Temperaturparameter wurden um ± 1 °C angepasst, während die Bodenfeuchtigkeitsparameter, Spannungsindizes und Spannungsraten um ± 10 % angepasst wurden46. Insgesamt wurden in dieser Studie 16 Parameter verwendet. Zur Durchführung der Sensitivitätsanalyse wurde das Modell 32 Mal ausgeführt, jedes Mal mit unterschiedlichen Parameterwerten. Der Ökoklimatische Index (EI) wurde verwendet, um die Veränderungen in jeder Region zu bewerten, die sich aus den Anpassungen der Parameterwerte ergeben. Die Parameter, die den größten Einfluss auf die Modellausgabe hatten, wurden als „empfindlich“ kategorisiert, während diejenigen mit minimalem Einfluss als „unempfindlich“ gekennzeichnet wurden. Die potenziellen Änderungen, die sich aus der Anpassung jedes Parameters ergeben, wurden in verschiedenen Kategorien bewertet: unzureichend, ausreichend und hoch angemessen, um die Sensitivitätsniveaus der Parameter im Hinblick auf Flächenänderungen zu messen. Durch Neuanpassung der Parameter wurden die EI-Werte in jeder Angemessenheitskategorie entweder erhöht oder verringert. Positive Prozentsätze deuten auf einen Anstieg des EI hin, während negative Prozentsätze auf einen Rückgang des EI hinweisen. Diese gründliche Sensitivitätsanalyse liefert wertvolle Einblicke in die relative Bedeutung jedes Parameters und seinen Einfluss auf die Ergebnisse des Modells. Durch das Verständnis der Sensitivitätsniveaus können Forscher Prioritäten setzen und sich auf die Parameter konzentrieren, die den größten Einfluss haben, wodurch die Zuverlässigkeit und Robustheit des Klimaeignungsmodells für Brassica napus verbessert wird.

Die Analyse der Vorkommensaufzeichnungen ergab die Verbreitung von Brassica napus in verschiedenen Ländern (Abb. 1a). Die Mehrzahl der B. napus-Vorkommen kommt in Europa vor und macht 64 % der Vorkommen aus (1015 Vorkommen). Im Gegensatz dazu macht der afrikanische Kontinent nur 2 % der Artennachweise aus (32 Nachweise). Der amerikanische Kontinent trägt 15 % (238 Datensätze) bei, wobei der Schwerpunkt in der nördlichen Region liegt. Auf dem australischen und dem asiatischen Kontinent gibt es 9 % bzw. 10 % der B. napus-Aufzeichnungen, was 143 bzw. 159 Vorkommen entspricht (Abb. 1a). Das Modell demonstriert erfolgreich eine gute Übereinstimmung zwischen der tatsächlichen Verbreitung von B. napus und der für die Art modellierten potenziellen Verbreitung. Ungefähr 98 % der Vorkommensnachweise liegen in Regionen, die eine klimatische Eignung für die Art aufweisen. Von diesen Aufzeichnungen befinden sich 72 % in Regionen mit hoher Eignung (EI ≥ 30), während 26 % in Gebieten mit mäßig geeigneten Bedingungen (0 < EI < 30) liegen. Der Validierungsprozess konzentrierte sich aufgrund der Fülle an B. napus-Vorkommensaufzeichnungen in diesem Gebiet auf den europäischen Kontinent. Beim Vergleich der tatsächlichen Verteilung (Vorkommensaufzeichnungen) mit der potenziellen Verteilung (Klimaeignung) im Validierungsgebiet stellen wir fest, dass 100 % der Vorkommensaufzeichnungen in Europa mit Regionen übereinstimmen, die eine klimatische Eignung aufweisen. Dieser Validierungsprozess bestätigt die Wirksamkeit der ausgewählten Parameterwerte im CLIMEX-Modell (Abb. 1). Insgesamt zeigt die Analyse eine starke Übereinstimmung zwischen den Vorhersagen des Modells und der beobachteten Verbreitung von B. napus, was auf die Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Modells bei der Beurteilung der Klimaeignung für die Art hinweist.

Die Modellierungsergebnisse zeigen, dass ein erheblicher Teil des Territoriums der Vereinigten Staaten für den Anbau von Brassica napus geeignet ist und mehr als die Hälfte der Landfläche des Landes ausmacht. Darüber hinaus weisen mehrere Regionen in Mexiko, Guatemala, Costa Rica, Kolumbien, Venezuela, Ecuador, Peru, Bolivien, Chile, Süd- und Südostbrasilien, ganz Argentinien, Kanada, dem europäischen Kontinent und Uruguay eine hohe Eignung für den B. napus-Anbau auf (Abb. 1b). In Afrika weisen Länder wie Südafrika, Simbabwe, Angola, Sambia, Malawi, Tansania, Kenia, Uganda, Ruanda, Burundi, Äthiopien und Madagaskar geeignete und sehr geeignete klimatische Bedingungen auf. Ebenso bieten Regionen in Russland, China, der Türkei, Georgien, Aserbaidschan, Kasachstan, Iran, Afghanistan, Süd- und Nordkorea, Japan, Südaustralien (Küsten) und Neuseeland geeignete und sehr geeignete Gebiete für den Anbau von B. napus.

Umgekehrt gehören die Sahara, Zentralaustralien, bedeutende Teile Kanadas, über 80 % des brasilianischen Territoriums, Paraguay, Venezuela und Teile Russlands zu den Ländern oder Regionen, die keine klimatische Eignung (EI = 0) für B. aufweisen. Napuswachstum (Abb. 1b). Diese Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in die potenzielle geografische Verteilung geeigneter Klimabedingungen für den B. napus-Anbau und unterstützen politische Entscheidungsträger, Landwirte und Forscher bei der Identifizierung günstiger Gebiete für die Pflanzenproduktion und der Optimierung der Ressourcenallokation für nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken.

Die am Modell durchgeführte Sensitivitätsanalyse ergab, dass bestimmte Parameter einen größeren Einfluss hatten als andere. In Regionen mit ungeeigneten klimatischen Bedingungen (EI = 0) waren THCS, TTHS und THHS die empfindlichsten Parameter. Die Erhöhung von THCS auf einen hohen Wert (− 0,000099) und die Einstellung von TTHS auf einen niedrigen Wert (26 °C) führten zu einem Anstieg ungeeigneter Gebiete um etwa 6 %. Wenn THHS auf einen hohen Wert (0,0011) eingestellt wurde, vergrößerte sich der ungeeignete Bereich ebenfalls um 4 %. Generell trug die Neuanpassung aller Parameter zur Ausweitung der ungeeigneten Klimabereiche bei (Abb. 2a). Bei Änderung einzelner Modellparameter wurden deutliche Reduzierungen in geeigneten Klimaregionen (EI von 0 auf 30) beobachtet. Die empfindlichsten Parameter, die zu Rückgängen in geeigneten Klimazonen führten, waren DV1 (niedriger Wert von 9 °C), DV2 (hoher Wert von 24 °C), THCS (hoher Wert von − 0,000099) und TTHS (niedriger Wert von 26 °C). C), was zu Reduzierungen von 9,3 %, 8,9 %, 12,3 % bzw. 11,4 % führte (Abb. 2b). Es wurde festgestellt, dass Regionen mit hoher klimatischer Eignung empfindlicher auf Schwankungen der Modellparameter reagieren. Die Anpassung aller Parameter führte je nach spezifischem Parameter zu erheblichen Zu- und Abgängen in Regionen mit hoher Eignung. Durch Verringern der Werte der Parameter DV1 (niedriger Wert von 9 °C), DV2 (hoher Wert von 24 °C), DV3 (hoher Wert von 28 °C) und TTHS (hoher Wert von 28 °C) wurden die Bereiche mit hoher Eignung erhöht . Umgekehrt führte die Erhöhung der Werte der Parameter DV1 (hoher Wert von 11 °C), DV2 (niedriger Wert von 22 °C), DV3 (niedriger Wert von 26 °C) und TTHS (niedriger Wert von 26 °C) zu Rückgängen in Gebieten mit hoher klimatischer Eignung, was zu Reduzierungen von 9,2 %, 8,4 %, 7,7 % bzw. 11,7 % führt (Abb. 2c). Diese Sensitivitätsanalysen liefern wertvolle Einblicke in die relative Bedeutung verschiedener Parameter im Modell und ihre Auswirkungen auf ungeeignete, geeignete und sehr geeignete Klimaregionen für den Anbau von Brassica napus. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit einer sorgfältigen Berücksichtigung und genauen Kalibrierung dieser Parameter, um die Zuverlässigkeit und Robustheit des Klimaeignungsmodells sicherzustellen.

Gebietsänderungen in (A) ungeeigneten, (B) geeigneten Gebieten und (C) sehr geeigneten Gebieten für die potenzielle Verbreitung von Brassica napus, als eine Sensitivitätsanalyse basierend auf 16 CLIMEX-Parametern mit höherer Sensitivität in EI durchgeführt wurde. Die Werte für die verwendeten Parameter sind in Tabelle 1 angegeben. DV0 – untere Temperaturgrenze, DV1 – untere optimale Temperatur, DV2 – obere optimale Temperatur, DV3 – obere Temperaturgrenze, SM0 – Begrenzung niedriger Bodenfeuchtigkeit, SM1 – unterer optimaler Boden Feuchtigkeit, SM2 – Obere optimale Bodenfeuchtigkeit, SM3 – Begrenzung hoher Bodenfeuchtigkeit, TTCS – Temperaturschwelle für Kältestress, THCS – Temperaturrate für Kältestress, TTHS – Temperaturschwelle für Hitzestress, THHS – Akkumulationsrate für Hitzestress, SMDS – Schwelle für Trockenstress, HDS – Trockenstressrate, SMWS – Nassstressschwelle, HWS – Nassstressrate.

Die Analyse zukünftiger Szenarien mit dem Klimawandel (2040–2059) ergab in verschiedenen Ländern weltweit sowohl eine Verringerung als auch eine Zunahme klimatisch geeigneter Gebiete für den B. napus-Anbau (Abb. 3). Beim Vergleich der beiden Modelle zeigte Access 1.0 (Abb. 3b, d) im Vergleich zum CNRM-CM5-Modell im RCP 8.5-Szenario (Abb. 3c, e) eine deutlichere Reduzierung geeigneter Gebiete in den Vereinigten Staaten. Umgekehrt verzeichnete Kanada in der Access 1.0-Projektion (Abb. 3b, d) im Vergleich zum CNRM-CM5-Modell (Abb. 3c, e) einen Anstieg geeigneter klimatischer Bedingungen.

Ökoklimatischer Index (EI) für Brassica napus in verschiedenen Jahren (a) Gegenwart (b) 2040–2059 unter Access 1.0-Modell, Szenario RCP 8.5 (c) 2040–2059 unter CNRM-CM5-Modell, Szenario RCP 8.5 (d) Übereinstimmung in EI-Änderungen zwischen Access 1.0 und der Gegenwart (e) Übereinstimmung bei den EI-Änderungen zwischen dem CNRM-CM5-Modell und der Gegenwart (f) Übereinstimmung bei den EI-Änderungen zwischen dem Access 1.0-Modell und dem CNRM-CM5-Modell.

Auf dem europäischen Kontinent zeigten Gebiete mit hoher klimatischer Eignung im RCP 8.5-Szenario sowohl im CNRM-CM5-Modell (Abb. 3c) als auch im Access 1.0-Modell (Abb. 3b) einen Rückgang mit dem Klimawandel. Bemerkenswert ist, dass einige europäische Länder von hoher Eignung zu geeigneten Bedingungen übergegangen sind, wobei Access 1.0 (Abb. 3b) im Vergleich zu CNRM-CM5 (Abb. 3c) eine deutlichere Änderung aufwies.

Abbildung 3f stellt Regionen dar, in denen es aufgrund des Klimawandels in den beiden Modellen (Access 1.0 vs. CNRM-CM5) unter dem RCP 8.5-Emissionsszenario zwischen 2040 und 2059 zu einer Zunahme oder Abnahme der EI für B. napus kommen kann. Südperu, Teile Kanadas und Russland sowie Gebiete in der Mongolei und China wurden voraussichtlich einen Anstieg der EI verzeichnen, was auf eine verbesserte Klimaeignung für B. napus hinweist. Allerdings wurden für alle Kontinente, auf denen B. napus kultiviert wird, Verluste bei der Klimatauglichkeit prognostiziert. In Amerika wurden Rückgänge in den Vereinigten Staaten, Mexiko, Guatemala, Honduras, Kolumbien, Venezuela, Peru, Ecuador, Brasilien, Bolivien und Argentinien erwartet. In Afrika könnte es zu Eignungsverlusten in Südafrika, Simbabwe, Angola, Sambia, Tansania, Kenia, Uganda, Ruanda, Äthiopien und Madagaskar kommen. Auch in Europa könnte es zu gewissen Einbußen bei der Klimatauglichkeit kommen, insbesondere in Portugal und Spanien. Darüber hinaus könnten Kasachstan, Iran, die Mongolei, Indonesien, Australien und Teile der B. napus-produzierenden Regionen Chinas mit einer Verringerung der Klimaeignung für B. napus konfrontiert sein (Abb. 3f). Während einige Regionen in China, in denen derzeit B. napus produziert wird, möglicherweise in Zukunft eine geringere Eignung erfahren, ist die klimatische Eignung in anderen Regionen des Landes möglicherweise besser.

Abbildung 4 zeigt Veränderungen bei Hitze, Kälte, Dürre und Feuchtigkeitsstress für B. napus mit dem Klimawandel im RCP 8.5-Szenario zwischen 2040 und 2059, basierend auf den Modellen Access 1.0 und CNRM-CM5. Abbildung 4a und b zeigen einen Anstieg des Hitzestresses in bestimmten süd- und mittelamerikanischen Ländern, Teilen der Vereinigten Staaten, verschiedenen afrikanischen Ländern, Teilen Chinas und Australien. Abbildung 4c und d zeigen einen Rückgang des Kältestresses in einem erheblichen Teil Kanadas und Russlands. Darüber hinaus könnte es in Teilen Chinas, die derzeit unter Kältestress durch B. napus leiden, in Zukunft zu einem deutlichen Rückgang des Kältestresses kommen. Trockenstress (Abb. 4e, f) und Feuchtigkeitsstress (Abb. 4g, h) zeigten keine signifikanten Veränderungen im Klimawandelszenario für B. napus. In bestimmten Regionen Chinas wurde jedoch ein Anstieg des Trockenstresses beobachtet, während in Australien ein Rückgang des Feuchtigkeitsstresses festgestellt wurde (Abb. 4e, f). Erhöhter Feuchtigkeitsstress wurde nur in bestimmten Gebieten in Indien und Bangladesch beobachtet (Abb. 4g, h). Diese Ergebnisse liefern Einblicke in die möglichen Veränderungen der Klimaeignung sowie Hitze-, Kälte-, Trockenheits- und Feuchtigkeitsstress für B.

Projektion der Stressindizes für Brassica napus in der Welt in verschiedenen Jahren (a) Hitzestress in der Gegenwart (b) Hitzestress in den Jahren 2040–2059 unter den Szenarien RCP 8.5 (c) Kältestress in der Gegenwart (d) Kältestress in 2040–2059 unter Szenario RCP 8.5 (e) Trockenstress in der Gegenwart (f) Trockenstress 2040–2059 unter Szenario RCP 8.5; (g) Nässestress in Afrika und Asien gegenwärtig (h) Nässestress in Afrika und Asien in den Szenarien 2040–2059 RCP 8.5.

Die Länder mit der höchsten Anzahl an B. napus-Vorkommen (Abb. 1a) waren Kanada, die Vereinigten Staaten und der europäische Kontinent. Diese Regionen verfügen über ausgedehnte Gebiete mit geeigneten Klimazonen für den Anbau von B. napus (Abb. 1b) und sind das ganze Jahr über durch konstant niedrige Temperaturen gekennzeichnet. Die durchschnittlichen Jahrestemperaturen in diesen Gebieten betragen 6,5 °C in Kanada58, 11,1 °C in den Vereinigten Staaten59 und 10 °C in der Europäischen Union60. Die günstigen niedrigen Temperaturen in diesen Regionen fördern die Entwicklung von B. napus48. Regionen mit wärmeren Temperaturen, wie die meisten Gebiete in Brasilien, auf dem afrikanischen Kontinent und in Zentralaustralien, wiesen jedoch einen Mangel an Vorkommensaufzeichnungen auf und prognostizierten eine Ungeeignetheit (EI = 0) für den B. napus-Anbau. Diese Ergebnisse können auf die Empfindlichkeit von B. napus gegenüber hohen Temperaturen, insbesondere in der Zeit nach der Blüte, zurückgeführt werden61. Hohe Temperaturen können bei B. napus im Vergleich zu Pflanzen, die bei milderen Temperaturen wachsen, zu einer verringerten Stängellänge und -dicke, einer erhöhten Blattdicke und einer erheblichen Verringerung der Biomasse führen12. Darüber hinaus kann B. napus unter Hochtemperaturbedingungen eine abnormale Stängelverlängerung aufweisen, was das Risiko einer Lagerhaltung aufgrund des schnellen anfänglichen Wachstums erhöht14.

Unter den verschiedenen Umweltfaktoren, die die Entwicklung von B. napus beeinflussen, ist die Lufttemperatur die kritischste Variable für die Regulierung seines Wachstums und seiner Entwicklung48. Die in unserer Studie durchgeführte Sensitivitätsanalyse der Modellparameter bestätigte die Relevanz der Temperatur für die klimatischen Anforderungen von B. napus. Unabhängig von der Eignungskategorie erwiesen sich Parameter im Zusammenhang mit der Lufttemperatur als am empfindlichsten. Im Zusammenhang mit dem Klimawandel erwies sich Hitzestress als Hauptfaktor, der zur Verringerung der Klimaeignung für das Wachstum von B. napus beitrug. Länder, in denen die klimatische Eignung für B. napus künftig abnimmt, verzeichneten auch einen Anstieg des Hitzestressindex.

Der Anstieg des Hitzestresses stellt eine erhebliche Einschränkung für den Anbau von B. napus in mehreren wichtigen Produktionsländern oder -regionen dar, darunter China12. Laut Hu et al.62 ist B. napus mit einer Produktion von 14,7 Millionen Tonnen im Jahr 2014/2015 die wichtigste Ölsaatenpflanze und die viertgrößte Nutzpflanze in China. In China wird B. napus hauptsächlich im Einzugsgebiet des Jangtse-Flusses angebaut, wo die durchschnittliche Jahrestemperatur zwischen 14 und 20 °C und die jährliche Niederschlagsmenge zwischen 1000 und 1400 mm liegt63. Darüber hinaus hat sich der Anbau von B. napus schnell auf trockene und halbtrockene Regionen im Nordwesten Chinas ausgeweitet64, wo die durchschnittliche Jahrestemperatur 7,4 °C65 bis 9,1 °C66 beträgt und die jährliche Niederschlagsmenge zwischen 250 und 550 mm65 liegt. Durch den Klimawandel könnten diese Regionen, in denen B. napus derzeit angebaut wird, erheblichen Klimaveränderungen ausgesetzt sein, was zu potenziellen Verschiebungen der Eignung für den Anbau dieser Art in der Zukunft führen kann67. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, Anpassungsstrategien in landwirtschaftlichen Systemen umzusetzen, um die negativen Auswirkungen des Klimawandels auf Nutzpflanzen abzumildern68.

In dem von unserem Modell prognostizierten Zukunftsszenario des Klimawandels ist die Verringerung des Kältestresses mit der Ausweitung klimatisch geeigneter Gebiete für die Entwicklung von B. napus verbunden. Derzeit sind bestimmte Regionen in Kanada, Russland und China einem hohen Maß an Kältestress ausgesetzt, was sie für den Anbau von B. napus ungeeignet macht. Für die Zukunft (2040–2059) wird jedoch im RCP 8.5-Szenario prognostiziert, dass der Kältestress in diesen Regionen deutlich zurückgehen wird, was zu einer besseren klimatischen Eignung für B. napus führt. Wenn die Temperaturen aufgrund des Klimawandels steigen, werden Gebiete mit anfänglich niedrigen Temperaturen wärmer, was günstigere Bedingungen für die landwirtschaftliche Produktion schafft. Die Auswirkungen des Klimawandels auf das Agrarökosystem werden von Region zu Region unterschiedlich sein, wobei einige positive und andere negative Auswirkungen haben69.

Die Auswirkungen eines künftigen Anstiegs des atmosphärischen Kohlendioxids (CO2) auf die Pflanzenentwicklung waren Gegenstand zahlreicher Studien, die die Auswirkungen des Klimawandels auf die landwirtschaftliche Produktion untersuchten12,69,70. In unserer Studie könnten die beobachteten Veränderungen der klimatischen Eignung für B. napus in verschiedenen Regionen der Welt auch durch den prognostizierten Anstieg des atmosphärischen CO2 beeinflusst werden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass weitere Untersuchungen zur Entwicklungsreaktion von B. napus auf CO2-Konzentrationen wertvoll wären. Laut Van Vuuren et al.56 wird die durchschnittliche CO2-Konzentration für das RCP 8.5-Szenario im Zeitraum 2040–2059 voraussichtlich 540 ppm erreichen. Qaderi et al.12 beobachteten, dass erhöhte CO2-Konzentrationen in der Atmosphäre die Auswirkungen von Wasser- und Hitzestress auf B. napus-Pflanzen abschwächen. Höhere CO2-Werte führen bei einigen Pflanzen zu einer verringerten Spaltöffnung, was zu einer verminderten Blatttranspiration und einer erhöhten Photosynthese und Wassernutzungseffizienz führt. Folglich wird erwartet, dass das Wachstum und der Ertrag der meisten landwirtschaftlichen Pflanzen mit zunehmender Biomasseproduktion und verringerter Evapotranspiration zunehmen69.

Brassica napus hat das Potenzial, als alternative Nutzpflanze in Regionen zu dienen, in denen aufgrund verschiedener Belastungen derzeit ungünstige Wachstumsbedingungen herrschen. Um dies zu erreichen, konzentrieren sich laufende Forschungsbemühungen auf die Sortenverbesserung, beispielsweise das Projekt zur Tropisierung von B. napus. Das Ziel der Tropisierung besteht darin, B. napus-Sorten zu entwickeln, die besser an tropische Bedingungen angepasst sind und eine erhöhte Hitzetoleranz, eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Photoperioden und einen geringeren Bedarf an kalten Stunden für die Blüte aufweisen. Obwohl die Forschung auf diesem Gebiet noch im Gange ist, wurden in experimentellen Feldern vielversprechende Ergebnisse erzielt71. Angesichts der möglichen Folgen des Klimawandels für B. napus ist es von entscheidender Bedeutung, häufiger Studien zu dessen Verbesserung durchzuführen. Auf diese Weise können wir die Widerstandsfähigkeit von B. napus gegenüber sich ändernden klimatischen Bedingungen verbessern, wie in dieser Forschung gezeigt wurde.

In dieser Studie konzentrierte sich der CLIMEX-Modellierungsansatz ausschließlich auf die klimatischen Bedingungen, die für die Entwicklung von Brassica napus erforderlich sind. Dabei wurden Faktoren wie Schädlinge, natürliche Feinde, interspezifische Konkurrenz, edaphische Bedingungen (z. B. Bodentyp) und genetische Verbesserungen der Art nicht berücksichtigt. Daher ist es wichtig, Modellierungsstudien durch Feldstudien zu ergänzen, um die Genauigkeit und Anwendbarkeit der Ergebnisse zu verbessern. Die Ergebnisse unserer Studie sind besonders wertvoll für die Steuerung von Managementpraktiken, die Identifizierung dürregefährdeter Gebiete, in denen Bewässerung erforderlich sein wird, die Bestimmung von Änderungen in Anbaugebieten und die Erleichterung der Entwicklung lokal angepasster B. napus-Sorten. Während CLIMEX als nützliches Werkzeug für die Klima-Nischenmodellierung dient, weist es bestimmte Einschränkungen auf, die Benutzer berücksichtigen sollten: (1) Vereinfachte ökologische Annahmen: CLIMEX-Modelle basieren auf ökologischen Annahmen, die die realen Bedingungen möglicherweise nicht immer genau wiedergeben. Die Modelle gehen beispielsweise davon aus, dass Arten im Gleichgewicht mit ihrer Umwelt stehen und nur innerhalb eines engen Bereichs klimatischer Bedingungen existieren können. Diese Annahmen treffen möglicherweise nicht in allen Fällen zu, was zu möglichen Ungenauigkeiten bei den Vorhersagen führen kann. (2) Begrenzte Dateneingabe: CLIMEX-Modelle benötigen sowohl Klimadaten als auch Daten zum Artenvorkommen, um Vorhersagen zu erstellen. Allerdings kann die Datenverfügbarkeit für bestimmte Regionen oder Arten begrenzt sein, was zu unvollständigen oder weniger genauen Modellen führen kann. (3) Fehlende räumliche Dynamik: CLIMEX-Modelle sind statisch und berücksichtigen keine Veränderungen in der Artenverteilung im Laufe der Zeit. Folglich erfassen diese Modelle möglicherweise nicht vollständig, wie sich die Artenverteilung als Reaktion auf den Klimawandel verändern wird. (4) Unsicherheit bei zukünftigen Klimaprojektionen: CLIMEX-Modelle stützen sich auf Klimadaten, um Vorhersagen zu erstellen, und zukünftige Klimaprojektionen sind von Natur aus mit Unsicherheiten behaftet. Die Genauigkeit der Modelle kann durch die Zuverlässigkeit und Präzision der verwendeten Klimadaten beeinflusst werden. (5) Begrenzter Anwendungsbereich: CLIMEX ist in erster Linie für die Modellierung des potenziellen geografischen Verbreitungsgebiets von Pflanzen- und Tierarten konzipiert. Für die Modellierung anderer ökologischer Aspekte wie Arteninteraktionen oder Ökosystemprozesse ist es möglicherweise nicht gut geeignet. Angesichts dieser Einschränkungen ist es wichtig, die Ergebnisse der CLIMEX-Modellierung in Verbindung mit anderen Informationsquellen und Ansätzen zu interpretieren, um ein umfassenderes Verständnis der möglichen Auswirkungen des Klimawandels auf Brassica napus und seine ökologische Dynamik zu gewinnen.

Trotz seiner günstigen klimatischen Bedingungen wird Brassica napus derzeit in mehreren Ländern und Gebieten, die über geeignete Wachstumsbedingungen verfügen, nicht angebaut. Daher ist sie als Nutzpflanze für die Ölförderung in diesen Regionen vielversprechend. Allerdings können die mit dem Klimawandel verbundenen steigenden Temperaturen die B. napus-Produktion in verschiedenen Ländern und Regionen weltweit vor erhebliche Herausforderungen stellen. Insbesondere Gebiete, die derzeit klimatisch nicht für den Anbau geeignet sind, könnten mit steigenden Temperaturen geeignet werden. Dies könnte aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit gegenüber thermischen Parametern erhebliche Auswirkungen auf die Kultivierung von B. napus haben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Klimawandel je nach den spezifischen Bedingungen in der Anbauregion sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf die Produktion von Brassica napus haben kann. Zu den potenziellen negativen Auswirkungen des Klimawandels auf B. napus gehören: (a) Änderungen der Temperatur und der Niederschlagsmuster, die den Zeitpunkt und den Erfolg der Samenkeimung und des Pflanzenwachstums beeinträchtigen können. Dürrebedingungen können zu einem verringerten Saatgutertrag und einer beeinträchtigten Saatgutqualität führen. (b) Extreme Wetterereignisse wie Überschwemmungen, Wirbelstürme und Hitzewellen, die zu Schäden oder Zerstörung von Ernten führen können. (c) Erhöhte Häufigkeit und Schwere von Schädlingen und Krankheiten, was zu Ernteschäden und geringeren Erträgen führt. Zu den möglichen positiven Auswirkungen des Klimawandels auf B. napus gehören andererseits: (d) Höhere Temperaturen und erhöhte Kohlendioxidkonzentrationen, die ein beschleunigtes Wachstum und höhere Erträge ermöglichen können. (e) Längere Vegetationsperioden, die mehrere Ernten ermöglichen können. (f) Erweiterung des Anbauspektrums aufgrund veränderter klimatischer Bedingungen. Insgesamt werden die Auswirkungen des Klimawandels auf die B. napus-Produktion von zahlreichen Faktoren beeinflusst, wie z. B. der spezifischen Anbauregion, der Schwere und Häufigkeit extremer Wetterereignisse und der Fähigkeit der Landwirte, sich durch effektives Pflanzenmanagement an veränderte Bedingungen anzupassen Praktiken Methoden Ausübungen.

Die Autoren bestätigen, dass die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, im Artikel und seinen ergänzenden Materialien verfügbar sind.

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Wir bedanken uns für die Unterstützung verschiedener Institutionen, die diese Forschung ermöglicht haben. Insbesondere möchten wir die folgenden Finanzierungsquellen anerkennen: Die Koordination zur Verbesserung des Hochschulpersonals (Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Ensino Superior – CAPES), gemäß Finanzcode 001. Der Nationale Rat für wissenschaftliche und technologische Entwicklung (Conselho Nacional für wissenschaftliche und technologische Entwicklung - CNPq). Die Minas Gerais State Research Support Foundation (FAPEMIG). Der Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM) für die Bereitstellung der notwendigen Ressourcen zur Durchführung dieser Studie. Wir sind dankbar für ihre Unterstützung, die maßgeblich zum erfolgreichen Abschluss dieser Arbeit beigetragen hat.

Federal University of Vales Jequitinhonha und Mucuri, Campus JK, Rodovia MGT 367 – Km 583, Nr. 5.000, Alto da Jacuba, Diamantina, MG, CEP 39100-000, Brasilien

Cláudia Eduarda Borges, Ronnie Von dos Santos Veloso, Crislaine Alves da Conceição, Débora Sampaio Mendes, Marcela Carlota Nery und Ricardo Siqueira da Silva

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Nadiezhda YZ Ramirez-Cabral

INIFAP, Campo Experimental Zacatecas, km, 24,5 Carretera Zacatecas-Fresnillo, 98500, Calera de VR, ZAC, Mexiko

Nadiezhda YZ Ramirez-Cabral

Abteilung für Bio- und Umweltwissenschaften, College of Arts and Sciences, Universität Katar, Postfach 2713, Doha, Katar

Farzin Shabani

Kandilli-Observatorium und Erdbebenforschungsinstitut, Abteilung für Geodäsie, Bogazici-Universität, 34680, Cengelkoy, Istanbul, Türkei

Mahyat Shafapourtehrany

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CEB: Konzeptualisierung, Untersuchung und Schreiben. RVdSV: Supervision und Schreiben. CAdC: Untersuchung. DSM: Untersuchung. N.YZ.R.-C: Supervision, Konzeptualisierung. MCN: Überwachung und Untersuchung. FS: Konzeptualisierung, Supervision und Schreiben. RSdS: Konzeption, Überwachung, Projektverwaltung, Ressourcen.

Korrespondenz mit Farzin Shabani.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Borges, CE, Von dos Santos Veloso, R., da Conceição, CA et al. Vorhersage der Brassica napus-Produktion unter dem Klimawandel mit einem mechanistischen Artenverteilungsmodell. Sci Rep 13, 12656 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38910-3

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Eingegangen: 06. März 2023

Angenommen: 17. Juli 2023

Veröffentlicht: 04. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38910-3

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Vorhersage der Brassica napus-Produktion unter dem Klimawandel mit einem mechanistischen Artenverteilungsmodell