Susceptibility of global crop production to climate variability and change

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2022-02-25
Date
2022
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
57 + app. 73
Series
Aalto University publication series DOCTORAL THESES, 28/2022
Abstract
For millennia, humans have grown their food in relatively stable Holocene climatic conditions, which are now perturbed by anthropogenic climate change. Weather is an inseparable part of food production, and floods, droughts, and heatwaves remain a nuisance to farmers around the globe. Approximately, a third of global crop yield variability is caused by climate variations with even higher sensitivities reported for maize and wheat, both highly important global food commodities. Hence, a comprehensive understanding about the impacts of climate variability and change on global crop production is imperative to ensure a sufficient and stable food supply for the growing global population. Although the threats posed by climate change are widely acknowledged and researched, the extent of global food crop production at risk of experiencing novel climatic conditions due to climate change has not yet been quantified. Climate change is also projected to increase the frequency of extreme weather events. However, it remains unclear how these changes will relate to agriculture. For example, it is not fully understood how co-occurring extremes impact crop yields, and whether there have been any historical changes in their probability. Interannual variations in climatic conditions are also partially driven by climate oscillations. Predictions about their status could potentially provide useful information for preparing against adverse weather. However, this would require more detailed understanding about their relationship with crop productivity. This dissertation reveals that climate change might push up to a third of global food crop production to unprecedented climatic conditions if nations continue to increase their greenhouse gas emissions. Further, it finds that weather extremes often reduce crop productivity, with co-occurring heat and drought leading to the largest impacts. Alarmingly, the probability of hot and dry weather has increased in recent decades, especially during the wheat growing season for example in Europe and North America. Finally, this dissertation finds that large-scale climate cycles, such as the El Niño Southern-Oscillation, influence agriculture across all continents that produce crops, with strong impacts observed, for example, in many parts of Australia, Africa, and South America. Climate change has already affected global crop production; future solutions should therefore concentrate on increasing the resilience of farming systems to anomalous weather, in addition to mitigation actions. Development of early warning systems, and agricultural monitoring as well as improving water and soil management with, for example, irrigation and conservation agriculture could provide viable options to manage these increased climatic risks.

Vuosituhansien saatossa ihmiskunta on sopeutunut kasvattamaan ruokansa suotuisassa holoseenikauden ilmastossa. Nyt ihmistoiminnan aiheuttama ilmastonmuutos uhkaa muokata ilmastoa niin, että maatalouden sopeutuminen ei pysy perässä. Sää on erottamaton osa ruoantuotantoa: tulvat, kuivuudet ja lämpöaallot ovat piinanneet maanviljelijöitä kautta historian, ja noin kolmasosa maailman viljelykasvien satoisuuden vaihteluista johtuu kasvukauden säästä. Jotta voisimme taata riittävästi ravintoa kasvavalle ihmiskunnalle, on välttämätöntä, että meillä on globaali ymmärrys ilmastonvaihtelun ja -muutoksen vaikutuksista maatalouteen. Vaikka ilmastonmuutoksen uhat on tunnustettu ja niitä on tutkittu laajalti, on yhä epäselvää, missä määrin ilmastonmuutos uhkaa siirtää ruoantuotantoa ilmasto-olosuhteisiin, joissa ei tällä hetkellä tuoteta ruokaa lainkaan. Ilmastonmuutoksen on myös arvioitu lisäävän ilmaston ääri-ilmiöitä, mutta niiden vaikutuksia ruoantuotantoon ei vielä tunneta hyvin. Esimerkiksi arviot samanaikaisten ääri-ilmiöiden vaikutuksista ruokakasvien satoisuuteen ovat yhä epävarmoja, minkä lisäksi on epäselvää, onko niiden esiintyvyydessä tapahtunut muutoksia. Myös laajat ilmastosyklit vaikuttavat ilmaston ääri-ilmiöiden esiintymiseen ympäri maailman. Ymmärrys niiden yhteyksistä satoisuuteen voisi auttaa varautumaan ilmastonvaihteluista aiheutuviin haittoihin maataloudessa. Tämä väitöskirja arvioi, että ilmastonmuutos siirtää kolmanneksen maailman viljelykasvien tuotannosta ilmastollisesti ennennäkemättömiin olosuhteisiin, mikäli kasvihuonepäästöt jatkavat kasvuaan. Tämän lisäksi väitöskirja havaitsi, että ilmaston ääri-ilmiöt laskevat satoisuutta yleisesti, samanaikaisten helleaaltojen ja kuivuuksien aiheuttaessa suurimmat satomenetykset. Huolestuttavasti, samanaikaisten helteiden ja kuivuuksien todennäköisyys on kasvanut viimeisten vuosikymmenten aikana erityisesti vehnän kasvukaudella esimerkiksi Euroopassa ja Pohjois-Amerikassa. Lopuksi, tämä väitöskirja havaitsi, että laajat ilmastosyklit, kuten El Niño Southern-Oscillation -ilmiö, vaikuttavat maatalouteen ympäri maailman, erityisesti Australiassa, sekä monissa osissa Afrikkaa ja Etelä-Amerikkaa. On selvää, että ilmastonmuutos vaikuttaa ruoantuotantoon ympäri maailman; päästövähennysten lisäksi olisikin tärkeää sopeuttaa ruoantuotantoa muuttuviin ilmasto-olosuhteisiin jo nyt. Maatalouden systemaattinen monitorointi ja järjestelmät, jotka mahdollistavat ennenaikaisen varautumisen epäsuotuisiin sääoloihin, sekä esimerkiksi kastelun sekä hiiliviljelyn edistäminen voivat olla vaihtoehtoja kasvattamaan globaalin ruokajärjestelmän resilienssiä lisääntyville ilmastoriskeille.
Description
Defence is held on 25.2.2022 12:00 – 15:00 Zoom; https://aalto.zoom.us/s/66893209461
Supervising professor
Kummu, Matti, Assoc. Prof., Aalto University, Department of Built Environment, Finland
Keywords
food production, crop production, climate change, climate variability, ruoantuotanto, ilmastonvaihtelut, ilmastonmuutos
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Kummu, Matti; Heino, Matias; Taka, Maija; Varis, Olli; Viviroli, Daniel. 2021. Climate change risks pushing one-third of global food production outside the safe climatic space. One Earth, volume 4, issue 5.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202106097260
    DOI: 10.1016/j.oneear.2021.04.017 View at publisher
  • [Publication 2]: Heino, Matias; Kinnunen, Pekka; Anderson, Weston; Ray, Deepak; Puma, Michael J.; Varis, Olli; Kummu, Matti. Increased probability of hot and dry weather extremes during the growing season threatens global crop yields . Submitted to PNAS on August 31st, 2021 and subsequently accepted for peer review
  • [Publication 3]: Borgomeo, Edoardo; Khan, Hassaan F.; Heino, Matias; Zaveri, Esha; Kummu, Matti; Brown, Casey; Jägerskog, Anders. 2020. Impact of green water anomalies on global rainfed crop yields. Environmental Research Letters, volume 15, issue 12.
    DOI: 10.1088/1748-9326/abc587 View at publisher
  • [Publication 4]: Heino, Matias; Puma, Michael J.; Ward, Philip J.; Gerten, Dieter; Heck, Vera; Siebert, Stefan; Kummu, Matti. 2018. Two-thirds of global cropland area impacted by climate oscillations. Nature Communications, volume 9, issue 1.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201805222251
    DOI: 10.1038/s41467-017-02071-5 View at publisher
  • [Publication 5]: Heino, Matias; Guillaume, Joseph H.A.; Müller, Christoph; Iizumi, Toshichika; Kummu, Matti. 2020. A multi-model analysis of teleconnected crop yield variability in a range of cropping systems. Earth System Dynamics, volume 11, issue 1.Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202002282315.
    DOI: 10.5194/esd-11-113-2020 View at publisher
Citation