دادههای کشاورزی برای متغیرهای عملکرد محصول از دادههای خروجی کشاورزی ISIMIP3b گرفته شده است. دادههای نشان داده شده شامل مجموعهای از ۱۱ مدل کشاورزی مختلف است. دادههای ارائه شده از مدلهای جهانی محصول گرفته شدهاند که رشد محصول را در سراسر جهان با استفاده از فرضیات تعمیمیافته برای شرایط آب و هوایی، خاک و مدیریت شبیهسازی میکنند. از آنجا که محیطهای منطقهای متفاوت هستند، چنین مدلهایی معمولاً برای بهبود دقت با دادههای محلی کالیبره میشوند. نتایج نشان داده شده در اینجا به صورت منطقهای کالیبره نشدهاند و بنابراین ممکن است سطح عملکرد دقیقی را برای این منطقه نشان ندهند. آنها باید به عنوان نشان دهنده روندهای جهانی یا در مقیاس بزرگ تفسیر شوند، نه مقادیر دقیق محلی.
جزئیات مربوط به هر یک از مدلهای کشاورزی مورد استفاده به عنوان ورودی در زیر فهرست شده است.
CYGMA یک مدل شبکهبندی شده جهانی برای محصولات کشاورزی است. این مدل با وضوح 0.5 درجه در طول و عرض جغرافیایی عمل میکند و دارای گام زمانی روزانه است. در این مدل، رشد محصول به صورت کسری از درجه-روز رشد انباشته شده نسبت به نیازهای حرارتی محصول مدلسازی میشود. برای گندم، فقط گندم بهاره در نظر گرفته شده است، زیرا فرآیند بهارهسازی در حال حاضر در مدل گنجانده نشده است. رشد و پیری برگ بر اساس کسری از فصل رشد با استفاده از شکل تعیین شده منحنی شاخص سطح برگ محاسبه میشوند. عملکرد از تابش فعال فتوسنتزی که توسط تاج پوشش محصول جذب میشود، راندمان استفاده از تابش (RUE)، اثرات کوددهی CO2 بر RUE و کسری از کل افزایش زیست توده اختصاص داده شده به جزء قابل برداشت محاسبه میشود. زیر مدل تعادل آب خاک، که با زیر مدل پوشش برف همراه است، برای محاسبه تبخیر و تعرق واقعی استفاده میشود. در این مدل، رشد محصول به صورت کسری از درجه-روز رشد انباشته شده نسبت به نیازهای حرارتی محصول مدلسازی میشود. برای گندم، فقط گندم بهاره در نظر گرفته شده است، زیرا فرآیند بهارهسازی در حال حاضر در مدل گنجانده نشده است. رشد و پیری برگ بر اساس کسری از فصل رشد با استفاده از شکل تعیینشده منحنی شاخص سطح برگ محاسبه میشوند. عملکرد از تابش فعال فتوسنتزی جذبشده توسط سایبان محصول، راندمان استفاده از تابش (RUE)، اثرات کوددهی CO2 بر RUE و کسری از کل افزایش زیستتوده اختصاصیافته به جزء قابل برداشت محاسبه میشود. زیرمدل تعادل آب خاک، که با زیرمدل پوشش برف همراه است، برای محاسبه تبخیر و تعرق واقعی استفاده میشود. پنج نوع تنش مختلف، یعنی کمبود نیتروژن (N)، گرما، سرما، کمبود آب و آب اضافی در نظر گرفته شده است و غالبترین نوع تنش برای یک روز، افزایش پتانسیل روزانه در سطح برگ را برای دوره رشد رویشی و عملکرد را برای دوره رشد زایشی کاهش میدهد. رشد و عملکرد سویا در مدل نسبت به سایر محصولات مورد بررسی در اینجا، حساسیت کمتری به تنش کمبود نیتروژن دارد، زیرا سویا از خانواده حبوبات است که نیتروژن را تثبیت میکند. همه انواع تنش به جز کمبود نیتروژن، تابعی از آب و هوای روزانه هستند و تحمل هر محصول به این تنشها با افزایش موجودی دانش افزایش مییابد. موجودی دانش یک شاخص اقتصادی است که به صورت مجموع هزینههای عمومی سالانه تحقیق و توسعه کشاورزی (R&D) برای هر کشور از سال ۱۹۶۱ با نرخ منسوخ شدن مشخص محاسبه میشود و نشان دهنده میانگین سطح فناوری و مدیریت زراعی در بین کشاورزان یک کشور است. جزئیات بیشتر در مورد مدلسازی در Iizumi و همکاران (۲۰۱۷) موجود است.
CROVER یکی از ۱۵ مدلی است که از پروتکل ISIMIP3a/b پیروی میکنند و اساس شبیهسازیها برای خروجیهای بخش کشاورزی ISIMIP3a/b را تشکیل میدهند؛ برای شرح فنی کامل دادههای شبیهسازی ISIMIP3a از بخش کشاورزی، به این لینک DOI مراجعه کنید: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-281/
سیستم مدلسازی شبکهای جهانی محصولات کشاورزی مبتنی بر EPIC با نام "EPIC-IIASA" برای ارزیابی سیستمهای اصلی کشاورزی جهانی در پاسخ به مداخلات مدیریتی مانند شیوههای کشت، شیوههای کوددهی و آبیاری یا گزینههای حفاظت و کشاورزی ارگانیک و تغییرات محیطی، از جمله تغییرات اقلیمی و تخریب خاک، استفاده میشود. علاوه بر این، EPIC-IIASA برای مقایسه سیستمهای مدیریت زمینهای کشاورزی و تأثیرات آنها بر شاخصهای زیستمحیطی مانند دسترسی به آب، سطح نیتروژن و فسفر در خاک و انتشار گازهای گلخانهای استفاده میشود.
با تکیه بر مدل اقلیمی یکپارچه سیاست زیستمحیطی و مجموعه دادههای جهانی یا منطقهای در مورد آب و هوا، خاک، پوشش زمین و کاربری زمین، EPIC-IIASA میتواند انواع محصولات کشاورزی و مدیریت آنها را تحت شرایط مختلف آب و هوایی، توپوگرافی و خاک تجزیه و تحلیل کند. این مدل، بده بستان بین رشد گیاه و عملکرد از یک سو و اثرات زیستمحیطی و پایداری از سوی دیگر را بررسی میکند.
برای مثال، EPIC-IIASA میتواند بر اساس نوع خاک و شرایط آب و هوایی غالب، میزان شسته شدن مواد مغذی کود، مانند نیتروژن (N) به شبکههای رودخانهای و نهرهای مجاور را تخمین بزند. این مشکل نگرانی فزایندهای است زیرا در سطح جهان، دو پنجم نیتروژن مورد استفاده در کشاورزی در اکوسیستمهایی با اثرات مضر زیستمحیطی از بین میرود.
EPIC-IIASA میتواند گزینههای کشاورزی پایدار از جمله کنترل فرسایش خاک، مدیریت بقایای گیاهی، بهبود ذخیره کربن آلی خاک و کاهش انتشار گازهای گلخانهای را تجزیه و تحلیل کند. کاربردهای جهانی و منطقهای EPIC-IIASA به اطلاعرسانی در مورد پتانسیل سیستمهای کشاورزی برای کمک به دستیابی به اهداف جهانی آب و هوا و امنیت غذایی کمک میکند.
مدل ارزیابی یکپارچه علوم (ISAM) یک مدل بیوژئوشیمیایی و بیوژئوفیزیکی جفتشده با وضوح مکانی 0.5° × 0.5° و وضوح زمانی چندگانه از نیم ساعت تا سالانه است. این مدل، بودجههای کربن، نیتروژن، انرژی و آب را برای اکوسیستمهای مختلف زمینی از طریق فتوسنتز، هیدرولوژی سطحی، انتقال تابشی، تخصیص کربن و تنفس اکوسیستم شبیهسازی میکند (Barman et al., 2014a, 2014b; Yang et al., 2009). علاوه بر این، ISAM فرآیندهای رشد محصول برای محصولات غذایی C3 و C4 (ذرت، سویا، گندم و برنج) و علفهای زیستانرژی (miscanthus، cave-in-rock و alamo) را در بر میگیرد که در مقیاسهای مکانی، منطقهای و جهانی ارزیابی میشوند (Gahlot et al., 2020; Lin et al., 2017; Niyogi et al., 2015; Song et al., 2013, 2015, 2016). برخی از ویژگیهای مهم، منحصر به فرد ISAM و حیاتی برای محاسبات عملکرد محصول، عبارتند از (i) طرحهای فنولوژی پویا و تخصیص کربن مختص محصول (Song et al., 2013, 2015)، که حساسیت محصولات مختلف به شرایط محیطی شدید را در نظر میگیرد؛ (ii) ساختارهای پوشش گیاهی پویا، که تغییرات فصلی در شاخص سطح برگ (LAI)، ارتفاع سایبان و عمق ریشه را بهتر ثبت میکنند؛ (iii) فرآیندهای توزیع پویای ریشه در عمق که جذب و تعرق خاک شبیهسازی شده توسط ریشه را بهبود میبخشند.
LandscapeDNDC یکی از ۱۵ مدلی است که از پروتکل ISIMIP3a/b پیروی میکند و اساس شبیهسازیها برای خروجیهای بخش کشاورزی ISIMIP3a/b را تشکیل میدهد؛ برای شرح فنی کامل دادههای شبیهسازی ISIMIP3a از بخش کشاورزی، به این لینک DOI مراجعه کنید: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-281/
این مدل، نسخه گیاهی LPJ-GUESS است که در Lindeskog و همکاران (2013) شرح داده شده است. این مدل تا حدودی بر اساس LPJmL همانطور که در Bondeau و همکاران (2007) شرح داده شده است، ساخته شده است، اما از چندین جنبه مهم، از جمله عدم کالیبره شدن برای عملکرد مشاهده شده در سطح کشور، یک طرح فنولوژی جدید و محاسبه پویای واحدهای گرمایی بالقوه (PHU) مورد نیاز برای رسیدن یک محصول به بلوغ، متفاوت است. تاریخهای کاشت به صورت پویا با پیروی از Waha و همکاران (2012) محاسبه میشوند. مجموع PHU مورد نیاز برای رشد کامل یک محصول در یک سلول شبکه خاص با استفاده از میانگین 10 ساله مجموع واحدهای گرمایی انباشته شده از تاریخ کاشت تا پایان یک دوره نمونهبرداری (از 190 تا 245 روز) که از تاریخهای پیشفرض کاشت و محدودیت برداشت (Lindeskog و همکاران، 2013) مشتق شده است، محاسبه میشود. محصولات پس از رشد کامل برداشت میشوند. این تغییر پویای PHU به آب و هوا، به طور مؤثر سازگاری کامل رقم محصول با آب و هوای غالب را فرض میکند. محدودیت N در این نسخه از مدل به صراحت در نظر گرفته نشده است.
LPJmL یک مدل پوشش گیاهی جهانی پویا است که برای پوشش سیستمهای کشاورزی و چرخه هیدرولوژیکی زمینی گسترش یافته است. این مدل قادر به شبیهسازی گذرای محصولات مختلف، سیستمهای مرتع و پویایی پوشش گیاهی طبیعی است و میتواند جنبههای مختلف مدیریتی را در شبیهسازی محصولات در نظر بگیرد.
pDSSAT یکی از 15 مدلی است که از پروتکل ISIMIP3a/b پیروی میکند و اساس شبیهسازیها برای خروجیهای بخش کشاورزی ISIMIP3a/b را تشکیل میدهد؛ برای شرح فنی کامل دادههای شبیهسازی ISIMIP3 از بخش کشاورزی، به این لینک DOI مراجعه کنید: https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-281/
pDSSAT از محیط pSIMS برای اجرای مدل محصول DSSAT به صورت موازی و سراسری استفاده میکند. در GGCMI/ISIMIP فاز 3a/3b (گروه 1 و 2) از DSSAT نسخه 4.6 استفاده میکنیم که اکنون برای شبیهسازیهای فاز 3a ATTRICI و فاز 3b گروه 3 به نسخه 4.8 بهروزرسانی شده است.
PEPIC یک مدل مبتنی بر پایتون برای سیاستگذاری زیستمحیطی یکپارچه اقلیمی (EPIC) است.
مدل پرومت (PROMET) یک مدل فرآیند هیدرولوژیکی سطح زمین است که توسط یک جزء پوشش گیاهی پویای بیوفیزیکی برای مدلسازی رشد محصول و تشکیل عملکرد توسعه داده شده است. این مدل از اصول فیزیکی و فیزیولوژیکی مرتبه اول برای تعیین تولید اولیه خالص و تنفس بر اساس رویکردهای فارکوار و همکاران (1980) و بال و همکاران (1987) استفاده میکند و با یک جزء فنولوژی و معماری دو لایه سایبان یین و همکاران (2005) ترکیب شده است. پرومت وابستگی تولید اولیه خالص و فنولوژی را به شرایط محیطی از جمله هواشناسی، غلظت CO2 برای مسیرهای C3 و C4 و همچنین تنش آب و دما در نظر میگیرد. موازنه جرم و انرژی سایبان و سطح خاک زیرین به طور تکراری برای هر مرحله زمانی شبیهسازی بسته میشود. جزء سایبان و فنولوژی، مواد فتوسنتزی را بسته به مرحله فنولوژیکی توسعه، به اندامهای مختلف گیاهی سایبان اختصاص میدهد. مواد فتوسنتزی که در طول دوره رشد در بخش میوه انباشته میشوند، زیست توده خشک موجود برای تشکیل عملکرد را تعیین میکنند. شبیهسازی در یک گام زمانی ساعتی انجام میشود تا واکنشهای غیرخطی رشد محصول به شرایط محیطی (عمدتاً نور، آب، دما و باد) در نظر گرفته شود. تبدیل دادههای مدل اقلیمی روزانه به مقادیر ساعتی توسط TeddyTool نسخه ۱.۱ (Zabel and Poschlod 2023) انجام میشود. بسته به واکنش محصول مورد نظر به شرایط هواشناسی و خاک خاص، ممکن است محصول قبل از برداشت به دلیل تنش آب، گرما یا سرما از بین برود یا به بلوغ نرسد. در هر دو مورد، این منجر به کاهش کل عملکرد میشود.
SIMPLACE - یک چارچوب مدلسازی و شبیهسازی همهکاره برای محصولات کشاورزی و اکوسیستمهای کشاورزی پایدار hhttps://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad006