Impact of meteorological drought on crop water deficit and crop yield reduction in Polish agriculture

• Autorzy: Łabędzki L. , Bąk B.

Identyfikatory

DOI

10.1515/jwld-2017-0052

Warianty tytułu

PL

Wpływ suszy meteorologicznej na deficyt wody i zmniejszenie plonu roślin uprawnych w polskim rolnictwie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The study presents the quantification of the effect of meteorological drought on crop water deficit and crop yield reduction in different agro-climatic regions of Poland. The regression equations describing the relationship between the standardized precipitation index SPI (meteorological drought) and the crop drought index CDI (evapotranspiration reduction) were used in a first step. Then the FAO equation describing the relationship between CDI and yield reduction was used. Crop water deficit measured by CDI is spatially differentiated and depends on the intensity of meteorological drought and soil water availability. The greatest evapotranspiration reduction is found for late potato growing in the central-west Poland (30–60%). The smallest reduction of evapotranspiration was stated for winter rape (12–16%) in the same region on soils with small water retention and no reduction can be on soils with large water retention. A good correlation between estimated and observed yield reduction was found. Potential yield reduction of late potato can reach more than 50% in central Poland. Least yield reduction is for winter wheat and winter rape. The main advantage of the method used in the study is the combination of meteorological drought, soil water retention capacity, evapotranspiration, soil water balance and crop yield, and so help provide more accurate assessments.

PL

W pracy zaprezentowano ilościową ocenę wpływu suszy meteorologicznej na deficyt wody i zmniejszenie plonu roślin uprawnych w różnych regionach agroklimatycznych Polski. W pierwszym etapie zastosowano równania regresji opisujące zależność między wskaźnikiem standaryzowanego opadu SPI (susza meteorologiczna) i wskaźnikiem suszy rolniczej CDI (ograniczenie ewapotranspiracji). Następnie zastosowano równanie opisujące zależność między CDI i zmniejszeniem plonu. Deficyt wody roślin uprawnych, którego miarą jest CDI, jest przestrzennie zróżnicowany i zależy od intensywności suszy meteorologicznej i dostępności wody w glebie. Ewapotranspiracja zmniejszyła się najbardziej w przypadku ziemniaka późnego w środkowo-zachodniej Polsce (30–60%), a najmniej w przypadku rzepaku ozimego (12–16%) w tym samym regionie na glebach o małej retencji wodnej, natomiast na glebach o dużej retencji wodnej ewapotranspiracja się nie zmniejszyła. Stwierdzono dobrą korelację między obliczonym i rzeczywistym zmniejszeniem plonu. W centralnej Polsce zmniejszenie plonu ziemniaka późnego może przekroczyć 50%. Plony najmniej się zmniejszyły w przypadku pszenicy ozimej i rzepaku ozimego. Główną zaletą metody zastosowanej w pracy jest skojarzenie suszy meteorologicznej, zdolności retencjonowania wody w glebie, ewapotranspiracji, bilansu wody w glebie oraz plonów i umożliwienie dzięki temu bardziej dokładnych i wiarygodnych ocen.

Słowa kluczowe

EN

crop drought index CDI; crop water deficit; drought; soil water balance; standardized precipitation index SPI; yield reduction

PL

wskaźnik standaryzowanego opadu SPI; wskaźnik suszy rolniczej CDI; deficyt wody roślin uprawnych; susza; bilans wody w glebie; zmniejszenie plonu

• Wydawca: Wydawnictwo ITP
• Czasopismo: Journal of Water and Land Development
• Rocznik: 2017
• Tom: no. 34
• Strony: 181--190
• Opis fizyczny: Bibliogr. 55 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łabędzki L.

• Institute of Technology and Life Sciences, Kujawsko-Pomorski Research Centre, ul. Glinki 60, 85-174 Bydgoszcz, Poland

autor

Bąk B.

• Institute of Technology and Life Sciences, Kujawsko-Pomorski Research Centre, ul. Glinki 60, 85-174 Bydgoszcz, Poland

Bibliografia

• ALLEN R.G., PEREIRA L.S., RAES D., SMITH M. 1998. Crop evapotranspiration. Guidelines for computing crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper. Rome, Italy. No. 56. ISBN 95-5-104219-5 pp. 300.
• AROCA R. (ed.) 2012. Plant responses to drought stress. Berlin–Heidelberg, Germany. Springer–Verlag. ISBN 978-3-642-32653-0 pp. 466. DOI 10.1007/978-3-642-32653-0_1.
• BARANOWSKI A., MITURA K., TAMAS D. 2012. Analiza i typologia strat z tytułu klęsk w latach 1999–2011 w województwie kujawsko-pomorskim ze szczególnym uwzględnieniem powodzi [The analysis and typology of losses from disasters in the years 1999–2011 in Kujawsko-Pomorskie Voivodeship with special regard to flood]. Wiadomości Melioracyjne i Łąkarskie. Nr 4 p. 170–175.
• BĄK B. 2006. Wskaźnik standaryzowanego opadu SPI jako kryterium oceny suszy rolniczej na glebach o różnej retencji użytecznej [Standardized Precipitation Index SPI as the criterion of agricultural drought in soils of different water retention capacity]. PhD Thesis. Falenty. IMUZ pp. 160.
• BOUBACAR I. 2012. The effects of drought on crop yields and yield variability: An economic assessment. International Journal of Economics and Finance. No. 4 p. 51–60.
• BRUNINI O., DIAS DA SILVA P.L., GRIMM A.M., ASSAD DELGADO E., BOKEN V.K. 2005. Agricultural drought phenomena in Latin America with focus on Brazil. In: Monitoring and predicting agricultural drought. Eds. V.K. Boken, A.P. Cracknell, R.L. Heathcote. Oxford Univ. Press p. 156–168.
• DODD I.C., WHALLEY W.R., OBER E.S., PARRY M.A. 2011. Genetic and management approaches to boost UK wheat yields by ameliorating water deficits. Journal of Experimental Botany. No. 62 (15) p. 5241–5248.
• DOORENBOS J., KASSAM A.H. 1979. Yield response to water. FAO Irrigation and Drainage Paper. No. 33. Rome, Italy pp. 176.
• DOROSZEWSKI A., JADCZYSZYN J., KOZYRA J., PUDEŁKO R., STUCZYŃSKI T., MIZAK K., ŁOPATKA A., KOZA P., GÓRSKI T., WRÓBLEWSKA E. 2012. Podstawy systemu monitoringu suszy rolniczej [Fundamentals of the agricultural drought monitoring system]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. T. 12. Z. 2 (38) p. 77–91.
• DOROSZEWSKI A., JÓŹWICKI T., WRÓBLEWSKA E., KOZYRA J. 2014. Susza rolnicza w Polsce w latach 1961–2010 [Agricultural drought in Poland in the years 1961–2010]. Puławy. IUNG–PIB. ISBN 978-83-7562-171-6 pp. 144.
• DZIEŻYC J. (ed.) 1989. Potrzeby wodne roślin uprawnych [Water requirements of cultivated crops]. Warszawa. PWN. ISBN 8301086807 pp. 418.
• DZIEŻYC J. (ed.). 1993. Czynniki plonotwórcze – plonowanie roślin [Yield-forming factors – crop yielding]. Warszawa. PWN. ISBN 978-83-0111-120-5 pp. 475.
• ERS 2017. Risk in Agriculture [online]. Economic Research Service, United States Department of Agriculture. [Access 05.02.2017]. Available at: https://www.ers.usda.gov/topics/farm-practices-management/riskmanagement/risk-in-agriculture.aspx
• EITZINGER J., FORMAYER H., KUBU G., SCHAUMBERGER A., TRNKA M. 2006. Comparison of simplified methods for drought yield loss detection on crops and grassland in Austria. Hydrometeorological Service of Republic of Macedonia: Conference on Water Observation and Information Systems for Decision Support [BALWOIS 2006], 23–26 May 2006, Ohrid, Macedonia pp. 7.
• GUS 2017. Roczniki statystyczne rolnictwa 1999–2015 [Statistical Yearboooks of Agriculture 1999–2015]. Główny Urząd Statystyczny [online]. [Access 01.02.2017]. Available at: www. stat.gov.pl
• GUTTMAN N.B. 1999. Accepting the standandardized precipitation index: a calculation algorithm. Journal of the American Water Resources Association. No. 35(2) p. 311–322.
• HANKS R.J. 1974. Model for predicting plant yield as influenced by water use. Agronomy Journal. No. 66 p. 660–664.
• JENSEN M.E. 1968. Water consumption by agricultural plants. In: Water deficits and plant growth. Ed. T.T. Kozlowski. Vol. 2. New York, USA. Academic Press. pp. 22.
• KACZMAREK Z. 1970. Metody statystyczne w hydrologii i meteorologii [Statistical methods in hydrology and meteorology]. Warszawa. WKiŁ pp. 312.
• KARCZMARCZYK S., NOWAK L. (eds). 2006. Nawadnianie roślin [Crop irrigation]. Poznań. PWRiL. ISBN 978-83-09-01009-8 pp. 480.
• KIPKORIR E., RAES D. 2002. Transformation of yield response factor into Jensen’s sensitivity index. Irrigation and Drainage Systems. Vol. 16 p. 47–52.
• KOPACZ M., TWARDY S. 2016. Potencjalne zagrożenie suszą rolniczą w północnej części województwa małopolskiego [Potential risk of agricultural drought in the northern part of Małopolska Voivodeship]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. T. 16. Z. 1 (53) p. 5–19.
• KOWALIK P. 1989. Relacja między zaopatrzeniem w wodę a plonem roślin. W: Potrzeby wodne roślin uprawnych [Relation between water supply and crop yield. In: Water requirements of cultivated crops]. Ed. J. Dzieżyc. Warszawa. PWN p. 36–50.
• KOWALIK P. 1995. Obieg wody w ekosystemach lądowych [Water cycle in terrestrial ecosystems]. Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN. Z. 9. ISSN 0867-7816 pp. 84.
• KOWALIK P. 2010. Agrohydrologia obliczeniowa [Computational agrohydrology]. Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN. Z. 33. ISSN 0867-7816 pp. 207.
• KOZYRA J., GÓRSKI T. 2005. Występowanie susz atmosferycznych w Polsce [Atmospheric drought occurence in Poland]. Poster. XXXI National Congress of Agrometeorology. Bydgoszcz, 14–16 September 2005.
• KOŹMIŃSKI C., GÓRSKI T., MICHALSKA B. 1990. Atlas klimatyczny elementów i zjawisk szkodliwych dla rolnictwa w Polsce [Climatic atlas of elements and phenomena harmful for agriculture in Poland]. Puławy. IUNG, Szczecin. AR pp. 63.
• KOŹMIŃSKI C., MICHALSKA B. 2001. Atlas klimatycznego ryzyka upraw i roślin w Polsce [Atlas of climatic risk to crop cultivation in Poland]. Szczecin. AR. ISBN 83-87327-24-7 pp. 81.
• KUCHAR L. 1987. Modele pogoda–plon i metody prognozowania plonów roślin uprawnych [Weather–crop models and the methods of yield forecasting for cultivated plants]. Fragmenta Agronomica. Nr 1 (13) p. 15–30.
• ŁABĘDZKI L. 2006. Susze rolnicze – zarys problematyki oraz metody monitorowania i klasyfikacji [Agricultural droughts – an outline of problems and methods of monitoring and classification]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. Rozprawy naukowe i monografie. Nr 17. ISBN 83-88763-63-6 pp. 107.
• ŁABĘDZKI L. 2007. Estimation of local drought frequency in central Poland using the standardized precipitation index SPI. Irrigation and Drainage. Vol. 56. Iss. 1 p. 67–77. DOI 10.1002/ird.285.
• ŁABĘDZKI L., BĄK B. 2006. Związek między suszą meteorologiczną i redukcją plonu buraków cukrowych w okresie wzmożonego zapotrzebowania na wodę [The relationship of meteorological drought and yield reduction of sugar beet in the period of intensive water demand]. Roczniki AR Poznań. Rolnictwo. T. 66 p. 205–210.
• ŁABĘDZKI L., BĄK B. 2015. Susza w Polsce w 2015 r. i ocena skutków na trwałych użytkach zielonych [Drought in Poland in 2015 and an assessment of impacts in permanent grassland]. Wiadomości Melioracyjne i Łąkarskie. Nr 3 p. 102–106.
• ŁABĘDZKI L., BĄK B., KANECKA-GESZKE E., KASPERSKA-WOŁOWICZ W., SMARZYŃSKA K. 2008. Związek między suszą meteorologiczną i rolniczą w różnych regionach agroklimatycznych Polski [Relationship between meteorological and agricultural drought in different agroclimatic regions in Poland]. Woda-Środowisko-Obszary Wiejskie. Rozprawy Naukowe i Monografie. Nr 25. ISBN 978-83-61875-03-1 pp. 137.
• MCKEE T.B., DOESKEN N.J., KLEIST J. 1993. The relationship of drought frequency and duration to time scales. Proceedings 8th Conference on Applied Climatology. 17–22 January 1993. Anaheim, California p. 179–184.
• MCKEE T.B., DOESKEN N.J., KLEIST J. 1995. Drought monitoring with multiple time scales. Preprints 9th Conference on Applied Climatology. 15–20 January 1995. Dallas, Texas p. 233–236.
• MIODUSZEWSKI W. 2009. Water for agriculture and natural environment. Journal of Water and Land Development. No. 13b p. 3–16.
• MLADENOVA B., VARLEV I. 2007. Impact of extreme climate years on relative “yield–evapotranspiration” relationships. Journal Water Land Development. No. 11 p. 71–77.
• MURTHYA C.S., LAXMANB B., SESHA SAIC M.V.R., DIWAKARD P.G. 2014. Analysing agricultural drought vulnerability at sub-district level through exposure, sensitivity and adaptive capacity based composite index. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XL-8 p. 65–70.
• NARASIMHAN B., SRINIVASAN R. 2005. Development and evaluation of soil moisture deficit index (SMDI) and evapotranspiration deficit index (ETDI) for agricultural drought monitoring. Agricultural and Forest Meteorology. No 133 p. 69–88. DOI 10.1016/j.agrformet.2005.07.012.
• NIEUWENHUIS G.J.A., DE WIT A.J.W., VAN KRAALINGEN D.W.G., VAN DIEPEN C.A., BOOGAARD H.L. 2015. Monitoring crop growth conditions using the global water satisfaction index and remote sensing [online]. [Access 7.04.2015]. Available at: http://www.isprs.org/proceedings/XXXVI/part7/PDF/066.pdf
• PAULO A.A., PEREIRA L.S. 2006. Drought concepts and characterization. Comparing drought indices applied at local and regional scales. Water Intern. Vol. 31. Iss. 1 p. 37–49.
• POWELL J.P., REINHARD S. 2016. Measuring the effects of extreme weather events on yields. Weather and Climate Extremes. No. 12 p. 69–79.
• RAES D. 2004. BUDGET – a soil water and salt balance model. Reference Manual, Version 6.0 [online]. Leuven. K.U. Leuven, Department Land Management. [Access 1.04.2015]. Available at: http://www.iupware.be
• RAES D., GEERTS S., KIPKORIR E., WELLENS J., SAHLI A. 2006. Simulation of yield decline as a result of water stress with a robust soil water balance model. Agricultural Water Management. No. 81 p. 335–357.
• RAO N.H., SRMA P.B.S., CHANDER S. 1988. A simple dated water-production function for use in irrigated agriculture. Agricultural Water Management. No. 13 p. 25–32.
• ROJEK M. 1987. Przegląd aktualnie stosowanych modeli pogoda–plon w świetle literatury zagranicznej [Overview of currently used weather – yield models in the light of foreign literature]. Fragmenta Agronomica. Nr 4 (16) p. 49–67.
• STEWART S.A., NIELSEN D.R. 1990. Irrigation of agricultural crops. Series Agronomy. No. 30. Madison, Wisconsin, USA. American Society of Agronomy. ISBN 0891181024 pp. 1218.
• TIAN G., BOKEN V.K. 2005. Monitoring agricultural drought in China. In: Monitoring and predicting agricultural drought. Eds. V.K. Boken, A.P. Cracknell, R.L. Heathcote. Oxford Univ. Press p. 354–368.
• TRNKA M., KERSEBAUM K.C., EITZINGER J., HAYES M., HLAVINKA P., SVOBODA M., DUBROVSKÝ M., SEMERÁDOVÁ D., WARDLOW D., POKORNÝ E., MOŽNÝ M., WILHITE D., ŽALUD Z. 2013. Consequences of climate change for the soil climate in Central Europe and the central plains of the United States. Climatic Change. No. 120 p. 405–418. DOI 10.1007/s10584-013-0786-4.
• VAN der VELDE M., TUBIELLO F.N., VRIELING A., BOURAOUI F. 2012. Impacts of extreme weather on wheat and maize in France: evaluating regional crop simulations against observed data. Climatic Change. No. 113 p. 751–765. DOI 10.1007/s10584-011-0368-2.
• VERMES L. 1998. How to work out a drought mitigation strategy. An ICID guide. Guidelines for water management. No. 309. DVWK. Bonn, Germany. ISBN 3-89554-092-7. pp. 29.
• WILHELMI O.V., WILHITE D.A. 2002. Assessing vulnerability to agricultural drought: A Nebraska case study. Natural Hazards. No. 25 p. 37–58.
• WILHITE D.A. 2000. Drought as a natural hazard: Concepts and definitions. In: Drought: A global assessment. Ed. D.A. Wilhite. London. Routledge p. 3–18.
• WOLI P., JONES J.W., INGRAM K.T., HOOGENBOOM G. 2014. Predicting crop yields with the agricultural reference index for drought. Journal of Agronomy and Crop Science. No. 200 p. 163–171. DOI 10.1111/jac.12055.