Messung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Produktion verschiedener Zuckerrohrsorten im Süden von Goiás

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11637 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Ein entscheidender Aspekt, der in den letzten Jahren analysiert wurde, um die Zuckerrohrproduktion zu verbessern, ist der Einfluss des Klimawandels auf die Zuckerrohrproduktivität. Eine der Strategien zur Abmilderung der Auswirkungen des Klimawandels auf den Zuckerrohrertrag ist die Entwicklung neuer Sorten, die sich bekanntermaßen positiv auf die Pflanzenproduktion auswirken. In diesem Artikel wurde analysiert, wie sich der Klimawandel auf die Zuckerrohrproduktion in Bezug auf die verschiedenen angebauten Sorten auswirkt. Daten zur Zuckerrohrernte wurden von einer Genossenschaft im Süden des Bundesstaates Goiás – Brasilien, dem zweitgrößten nationalen Zuckerrohrproduzenten – gesammelt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einfluss des Klimas auf den Zuckerrohrertrag bei der Kontrolle verschiedener Sorten irrelevant ist. Angesichts der in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse sollte die brasilianische Regierung die Anreize für die Entwicklung neuer Zuckerrohrsorten aufrechterhalten und gleichzeitig Zuckerrohrproduzenten dazu anregen, die neuen Zuckerrohrsorten zu verwenden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei richtiger Auswahl der Sorte Zuckerrohr produziert werden kann, ohne die Umwelt zu schädigen, und so zur Erreichung von SDG 15 beiträgt Beitrag zur Erreichung der SDGs Nr. 1 und 2.

Brasilien ist der größte Zuckerrohrproduzent der Welt und hat in der Ernte 2020/2021 mehr als 654 Millionen Tonnen produziert. Im selben Jahr produzierte Goiás 74,04 Millionen Tonnen Zuckerrohr1. Diesen Daten zufolge ist der Bundesstaat Goiás nach dem Bundesstaat São Paulo der zweitgrößte brasilianische Zuckerrohrproduzent.

Brasilien blickt auf eine lange Geschichte der Entwicklung neuer Zuckerrohrsorten zurück und investiert seit über 30 Jahren in diese Forschung2. Oliveira, Barbosa und Daros2 geben an, dass im Jahr 2020 gentechnisch veränderte Zuckerrohrsorten, die ausschließlich von RIDESA (dem ältesten brasilianischen Unternehmen für genetische Zuckerrohrforschung) bereitgestellt wurden, mehr als 60 % der brasilianischen Zuckerrohrfelder ausmachten, nachdem sie 2015 68 % erreicht hatten2. Das brasilianische Agrarforschungsunternehmen – EMBRAPAs Technologische Informationsagentur (EMBRAPA-AGEITEC)3 argumentiert, dass ein erheblicher Teil des Anstiegs der Zuckerrohrproduktivität mit der Verwendung neuer Zuckerrohrsorten zusammenhängt.

Nach Ansicht einiger Autoren ist die Ausweitung der Zuckerrohrproduktion auf die Besetzung des Naturgebiets durch Abholzung zurückzuführen, was zu Umwelt- und Sozialproblemen führt4,5,6. Antonelli7 argumentiert beispielsweise, dass die Lebensmittelproduktion stark zum Klimawandel und zur Umweltverschmutzung beiträgt.

Die erstgenannten diskutierten Themen verdeutlichen die Bedeutung der Forschung für die Steigerung der nachhaltigen Zuckerrohrproduktion und die Reduzierung sozialer und ökologischer Auswirkungen. Ein wichtiger Schritt besteht darin, das Verhalten jeder Variablen bei der Zuckerrohrproduktion zu verstehen. In diesem Sinne wurde in einigen Studien versucht, die Auswirkungen bestimmter Variablen auf die Zuckerrohrproduktion abzuschätzen8,9,10,11,12.

Ein Aspekt, der kürzlich analysiert wurde, ist der Einfluss des Klimawandels auf die Zuckerrohrproduktivität. Gbetibouo und Hassan13, Adhikari, Nejadhashemi und Woznicki14, Ali et al.15 und Knox et al.16 stimmen beispielsweise darin überein, dass der Klimawandel erhebliche Auswirkungen auf die Landwirtschaft, einschließlich der Zuckerrohrproduktion, hatte und haben wird. Der Klimawandel hat mitunter zu schweren wirtschaftlichen und nichtwirtschaftlichen Verlusten geführt17. Wheeler und Von Braun18 geben an, dass der Klimawandel die Nahrungsmittelproduktion gefährden, den Fortschritt in Richtung Ende des Hungers verlangsamen und die Ernährungsunsicherheit verschlimmern kann.

Ein Ansatz zur Abmilderung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Zuckerrohrproduktion und -produktivität ist die Entwicklung neuer Sorten19,20,21,22,23,24.

Trotz der möglichen positiven Auswirkungen erfordert die Entwicklung neuer Zuckerrohrsorten weitere pflanzensortenspezifische Forschung25. Dennoch haben sich nur wenige Forscher wie Linnenluecke et al.26 und Verma et al.27 mit diesem Thema befasst. Andere, wie Dias und Sentelhas23, führten ihre Analyse unter Berücksichtigung spezifischer Zuckerrohrsorten durch. Dieser Mangel an Informationen über Zuckerrohrpflanzen verschiedener Sorten weist auf eine erhebliche Forschungslücke hin, da sich die Besonderheiten der Sorten möglicherweise auf die Endproduktion auswirken.

Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, zu analysieren, wie sich der Klimawandel auf den Zuckerrohrertrag unter Berücksichtigung der klimatischen Variablen und der verschiedenen angebauten Sorten auswirkt. Die dieser Forschung zugrunde liegende Hypothese besagt, dass die klimatischen Auswirkungen auf die Zuckerrohrproduktivität durch die Kontrolle der Zuckerrohrsorten an Stärke verlieren.

Das Hauptforschungsziel orientiert sich an den Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDG) 2 (kein Hunger) und 15 (Leben an Land) der Vereinten Nationen. Dennoch gibt Aguilar-Rivera28 an, dass die Verbesserung der Zuckerrohrproduktion und -produktivität auch dazu beiträgt, SDG Nr. 1 (Armut in all ihren Formen überall zu beenden), 3 (Gewährleistung eines gesunden Lebens und Förderung des Wohlbefindens für alle in jedem Alter) und 7 (Zugang gewährleisten) zu erreichen zu bezahlbarer, zuverlässiger, nachhaltiger und moderner Energie für alle), 9 (Aufbau einer widerstandsfähigen Infrastruktur, Förderung einer integrativen und nachhaltigen Industrialisierung und Förderung von Innovation).

Ein entscheidender Ansatz zur Steigerung der Zuckerrohrproduktivität besteht darin, das Verhalten jeder Variablen zu verstehen und so die Struktur zuverlässigerer Produktionsmodelle zu ermöglichen.

Ahmad et al.29 und Abdoulaye et al.30 betonen die Bedeutung der Analyse der Auswirkungen des Klimawandels auf die Zuckerrohrproduktion. Singh et al.31 und Swami, Dave und Parthasarathy32 argumentieren, dass der Klimawandel zu einer erheblichen Bedrohung für eine nachhaltige Landwirtschaft geworden ist. Santos et al.19 argumentieren, dass der Klimawandel zu einer höheren Nachfrage nach Nutzpflanzen führte, einschließlich einer höheren Wasserknappheitsresistenz und schwierigeren Bodenbedingungen. Khan, Shah und Iftikhar-Ul-Husnain33 behaupten, dass der Klimawandel zu globaler Erwärmung, unvorhergesehenen Stürmen, Dürre, Überschwemmungen und Ernteverlusten geführt hat, was die landwirtschaftliche Produktivität beeinträchtigt und Ernährungsunsicherheit verursacht hat. Akbar und Gheewala34 sowie Mulinde et al.35 diskutieren die möglichen Bedrohungen, die der Klimawandel für die Landwirtschaft und Lebensmittelproduktion darstellt.

Khan, Shah und Iftikhar-Ul-Husnain33, Silva et al.36, McGree et al.37, Kelkar, Kulkarni und Rao38 und Chandio et al.39 analysierten die Auswirkungen des Klimawandels auf die Zuckerrohrproduktion an verschiedenen Orten und kamen zu dem Ergebnis eine ähnliche Schlussfolgerung. Die Autoren behaupten, dass die Regenmenge positiv mit der Produktivitätssteigerung zusammenhängt, während der Temperaturanstieg einen umgekehrten Zusammenhang aufweist. Singh et al.31 und Swami, Dave und Parthasarathy32 sind sich einig, dass steigende Temperaturen den Zuckerrohrertrag beeinträchtigen. Jyoti und Singh40 wiederum kamen zu einer anderen Schlussfolgerung hinsichtlich der Auswirkungen der Regenfälle auf die Zuckerrohrproduktion. Sie argumentierten, dass sich Klimawandel und Regenfälle negativ auf den indischen Zuckerrohrertrag auswirken.

Die Analyse der Auswirkungen des Klimawandels auf die südöstliche Region Punjab, Pakistan, Akbar und Gheewala34 kam zu dem Schluss, dass die Evapotranspirationsrate in Zukunft voraussichtlich zunehmen wird, was zu einem Anstieg des Wasserbedarfs für Zuckerrohr- und Baumwollpflanzen führen wird. Linnenluecke et al.26 untersuchten, wie sich der Klimawandel auf die Zuckerrohrproduktion in verschiedenen Regionen Australiens auswirkte. Die Autoren geben an, dass eine erhöhte atmosphärische Kohlenstoffkonzentration und Höchsttemperaturen die Zuckerrohrproduktion nach 1995 beeinträchtigt haben. Linnenluecke et al.26 untersuchten die Auswirkungen der verschiedenen Zuckerrohrsorten auf die Zuckerrohrproduktion. Soweit wir wissen, ist dies die einzige Studie, die diese Besonderheit im ökonometrischen Modell berücksichtigt.

Ahmad et al.29 kamen zu dem Schluss, dass Bewässerung, Niederschlag und Bodenbeschaffenheit einen positiven und signifikanten Einfluss auf den Rückgang der Zuckerrohrproduktion in Pakistan haben. Heureux et al.41 untersuchten, wie sich Klimatrends auf die landwirtschaftliche Produktion Pakistans im Indus-Einzugsgebiet auswirken werden. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass der durch den Klimawandel verursachte Temperaturanstieg die Primärpflanzenproduktion in der Region, einschließlich der Zuckerrohrproduktion, negativ beeinflussen würde. Rehman et al.42 analysierten, wie Pakistans landwirtschaftliche Ernte mit dem CO2-Ausstoß zusammenhängt, und fanden heraus, dass Zuckerrohr positiv mit diesem Gas verbunden ist, das für die globale Erwärmung verantwortlich ist. Ncoyini, Savage und Strydom43 geben an, dass der Klimawandel und der fehlende Zugang von Kleinbauern zu Informationen zum Klimawandel zu einem Rückgang der Zuckerrohrproduktion in Südafrika geführt haben.

Einige Forscher fanden jedoch keine Auswirkungen des extremen Klimawandels auf die Zuckerrohrproduktion. Kumar et al.44 argumentieren beispielsweise, dass weder der Monsunregen im indischen Sommer noch der El Niño in den analysierten Jahren einen Einfluss auf die Zuckerrohrproduktion in Indien hatten. Die Autoren behaupten, dass Strategien der Zuckerrohrproduzenten, wie etwa die Bewässerung, den Einfluss des Klimas verringern konnten. Andere wie Ray et al.45 argumentieren, dass die Auswirkungen des Klimawandels auf die Pflanzenproduktion (einschließlich Zuckerrohr) je nach untersuchter Region unterschiedlich sind. Daher hat der Klimawandel inzwischen die Zuckerrohrproduktion verringert, beispielsweise in Nordafrika, Afrika südlich der Sahara sowie in West-, Süd- und Südostasien. In anderen Regionen hat der Klimawandel die Zuckerrohrproduktion erhöht (Amerika, Zentral- und Ostasien sowie West- und Südamerika). Südeuropa).

Einige Autoren versuchten vorherzusagen, wie sich der Klimawandel in Zukunft auf die Zuckerrohrproduktion auswirken wird. Santos et al.19 simulierten mithilfe des DSSAT/CANEGRO-Modells mehrere Szenarien für die Produktion in Alagoas, Brasilien. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass der Temperaturanstieg bis 2060 zu einem Anstieg des Energiezuckerrohrertrags führen wird. Da Silva et al.46 warnen, dass aufgrund des durch den Klimawandel verursachten Mangels an Niederschlägen in Zukunft ein erheblicher Teil der Zuckerrohrernte im Bundesstaat São Paulo wird Bewässerung benötigen. Jaiswal et al.47 verwendeten das CANEGRO-Zuckerrohr-Erntemodell, um den Einfluss des Klimawandels auf die Zuckerrohrproduktion in der mittleren und langen Zukunft vorherzusagen. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass ein Anstieg der minimalen und maximalen Temperatur in Zukunft zu einem beschleunigten Pflanzenwachstum, aber einer geringeren Saccharosemenge führen wird.

Verma et al.27 verwendeten DSSAT-CSM-CANEGRO zur Simulation der Auswirkungen des Klimawandels auf verschiedene indische Zuckerrohrsorten. Die Autoren zeigen, wie sich der Klimawandel unterschiedlich auf die verschiedenen Zuckerrohrsorten auswirkt. Obwohl wichtig, muss die Pflanzensimulation sorgfältig analysiert werden. Yin et al.48 zeigen, dass die von 1980 bis 2009 durchgeführte Simulation des chinesischen Zuckerrohranbaus aufgrund von Problemen mit den verwendeten Hauptmodellen falsche Ergebnisse liefert.

Die Eigenschaften von Zuckerrohr im Zusammenhang mit der Widerstandsfähigkeit gegen widrige klimatische Bedingungen, einschließlich hoher oder niedriger Temperaturen und Dürreproblemen, wurden bereits von mehreren Autoren beobachtet19,20,21,22,23,24,49.

Unterschiedliche Pflanzensorten erfordern unterschiedliche pflanzensortenspezifische Forschung25,50. Laut EMBRAPA-AGEITEC3 war die von verschiedenen Labors geförderte genetische Verbesserung des Zuckerrohrs mit dem Ziel, besser auf Boden- und Klimawidrigkeiten und -krankheiten zu reagieren, in den letzten Jahren von größter Bedeutung für die Steigerung der Zuckerrohrproduktivität. Antonelli7 gibt an, dass Genomsequenzierungs- und Genbearbeitungstechniken von entscheidender Bedeutung sind, um die Pflanzenproduktion zu steigern, ohne die Umwelt zu schädigen, dem Klimawandel zu widerstehen und Schädlingen und Krankheiten standzuhalten. Ali et al.15 geben an, dass es zur Abmilderung der Auswirkungen des Klimawandels notwendig sei, verschiedene Nutzpflanzensorten zu entwickeln.

Oliveira, Barbosa und Daros2 geben an, dass das Hauptziel von Programmen zur genetischen Verbesserung von Zuckerrohr die Steigerung der Produktivität ist. IAC51 besagt, dass neue Sorten entwickelt werden, um eine bessere Produktivität zu gewährleisten und sich dabei auf regionale Besonderheiten zu konzentrieren. EMBRAPA-AGEITEC3 und CTC52 behaupten, dass mehrere Sorten verwendet werden müssen, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Oliveira, Barbosa und Daros2 stellen die wichtigsten Sorten dar, die in Brasilien in der Ernte 2019/2020 verwendet werden. Diese Informationen sind in Anhang A wiedergegeben.

Laut EMBRAPA-AGEITEC3 stammen die wichtigsten in Brasilien verwendeten Zuckerrohrsorten aus folgenden Labors: Interuniversity Network for the Sugar Energy Sector Development (RIDESA), COPERSUCAR, Sugarcane Technology Center (CTC) und Campinas Agronomic Institute (IAC). Jede Zuckerrohrsorte besitzt unterschiedliche Eigenschaften und ist daher für verschiedene Regionen geeignet. EMBRAPA-AGEITEC3 zeigt die Unterschiede zwischen den wichtigsten in Brasilien verwendeten Zuckerrohrsorten. Tabelle 1 fasst die wichtigen Informationen zusammen.

Die in Tabelle 1 dargestellten Informationen zeigen, dass es wichtig ist, die geeignete Sorte entsprechend der Region und den unterschiedlichen Merkmalen jedes Betriebs auszuwählen.

Angesichts der erheblichen Unterschiede zwischen verschiedenen Sorten wird deutlich, dass die Zuckerrohrforschung berücksichtigen muss, welche Sorte untersucht wird, um falsche Ergebnisse zu vermeiden.

Brasilien hat eine lange Geschichte der genetischen Forschung im Zusammenhang mit Zuckerrohr. Wie Oliveira, Barbosa und Daros2 darlegten, schuf das Zucker- und Alkoholinstitut (IAA), das zum Industrie- und Handelsministerium gehörte, 1971 das nationale Zuckerrohrverbesserungsprogramm (Planalsucar), dessen Hauptziel darin bestand, den nationalen Zuckerrohranbau zu steigern Ertrag. Laut Oliveira, Barbosa und Daros2 entwickelte und brachte Planalsucar die Zuckerrohrsorte RB auf den Markt, die zu einer der wichtigsten in Brasilien verwendeten Zuckerrohrsorten werden sollte. Heute wird die RB-Sorte von RIDESA entwickelt, nachdem Planalsucar 1990 geschlossen wurde. Gazaffi et al.53 geben an, dass in der Saison 2015/2016 68 % der Zuckerrohranbaufläche aus RB-Sorten bestanden. Machado Jr und Braga Jr54 argumentieren, dass die RB-Sorten zu denen mit einer längeren Lebensdauer gehören und dass einige der Sorten, obwohl sie zu Beginn der 1990er Jahre entwickelt wurden, immer noch zu den besten verfügbaren Optionen gehören.

In Brasilien wurden verschiedene genetische Forschungen zum Zuckerrohr entwickelt. Wie im vorherigen Abschnitt erwähnt, gibt es in Brasilien vier bedeutende Forschungsinstitute für Zuckerrohrgenetik: RIDESA, COPERSUCAR, CTC und IAC. Rossetto et al.55 geben an, dass in Brasilien jedes Jahr acht neue Zuckerrohrsorten auf den Markt kommen und dass die Erzeuger zur Steigerung des Zuckerrohrertrags die richtige Zuckerrohrsorte auswählen müssen, die am besten zu ihrem Standort passt.

Boschiero et al.56 stimmen darin überein, dass die Wahl der richtigen Zuckerrohrsorte entscheidend für das Erreichen besserer Ergebnisse ist.

Mit dem Ziel, die Produktivität des brasilianischen Zuckerrohrs zu verbessern, untersuchten Dias et al.57 die Auswirkungen der Siliziumbehandlung bei vier verschiedenen Zuckerrohrsorten, die in São Paulo verwendet werden: RB867515, RB72454, SP81-3250 und SP83-2847. Die Autoren behaupten, dass die Sorten RB72454 und SP83-2847 reaktionsschneller waren (eine bessere Produktivität aufwiesen) als die anderen. Chapola et al.58 zeigen, dass einige Zuckerrohrsorten in Brasilien besser auf die Orangenrostkrankheit reagierten. Die Autoren kommen zu dem Schluss, dass Zuckerrohrproduzenten im Laufe der Jahre auf Zuckerrohrsorten umgestiegen sind, die resistenter gegen die Krankheit sind. Nach vielen Jahren der Genforschung wurde 2017 die erste gentechnisch veränderte Zuckerrohrsorte (CTC20BT) kommerzialisiert. Cheavegatti-Gianotto et al.59 präsentieren die Entwicklung, Deregulierung und Kommerzialisierung dieser Sorte.

Daten zur Zuckerrohrernte wurden in einer Zuckerrohrkooperative im Süden von Goiás gesammelt. Die von der Genossenschaft übermittelten Daten beziehen sich auf die Gesamtflächenproduktion, die Produktion getrennt nach Zuckerrohrsorte, die Schnitte getrennt nach Ernte, den Ertrag jeder Sorte und die Stadt, in der die Ernte geerntet wurde. Alle Daten beziehen sich auf das Jahr 2021 und sind auf Betriebsebene detailliert. Nach Angaben der Zuckerrohrgenossenschaft werden in dieser Region 27 Zuckerrohrsorten von den Landwirten verwendet. Tabelle 2 zeigt die verwendeten Zuckerrohrsorten, die Häufigkeit im Datensatz, ihren prozentualen Anteil an der Produktion und den kumulierten Prozentsatz.

Trotz der großen Vielfalt an Sorten machen die ersten elf Sorten über 90 % der Gesamtproduktion aus. Um Kollinearitätsprobleme zu vermeiden, wurden daher nur diese elf ersten Sorten in der Analyse berücksichtigt.

Alle Klimadaten wurden entsprechend der Stadt erhoben, in der sich die Farm befindet. Bei INMET60 wurden Klimadaten wie Niederschlag und Durchschnittstemperatur gesammelt. Die CO2-Emissionsdaten wurden bei SEEG61 gesammelt und betrafen das Jahr 2019, das letzte Jahr mit verfügbaren Daten. Den Ergebnissen von Silva et al.36 zufolge wird erwartet, dass die Durchschnittstemperatur einen negativen Zusammenhang aufweist, während der Niederschlag einen positiven Zusammenhang mit dem Zuckerrohrertrag aufweist. Marengo et al.62 bestätigen, dass Temperaturschwankungen den Zuckerrohrertrag beeinflussen. Bezüglich der CO2-Emissionen wird laut Linnenluecke et al.26 erwartet, dass diese Variable einen positiven Einfluss auf den Zuckerrohrertrag hat.

Erntekostendaten und Fixkosten wurden bei CONAB63 gesammelt. Die detaillierten Produktionskostendaten sind in Tabelle 3 dargestellt.

Es ist wichtig zu beachten, dass sich die brasilianische Kostenstruktur von der anderer Länder wie Pakistan unterscheidet, wo laut Muzammil, Zahid und Breuer64 ein erheblicher Teil der Kosten für die Zuckerrohrernte auf die Bewässerungsstruktur entfällt. Darüber hinaus erhöht der Bewässerungsprozess nicht nur die Produktionskosten, sondern kann auch die Umweltverschmutzung erhöhen, wenn er auf Dieselantrieb basiert. Nach Ali, Zubair und Hussain65 wird erwartet, dass die Erntekosten eine positive Beziehung zum Zuckerrohrertrag aufweisen.

Um die statistischen Merkmale (Mittelwert, Standardabweichung, Maximal- und Minimalwerte) der betrachteten Daten zu analysieren, wurde die deskriptive Statistik der analysierten Variablen durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Anhang B dargestellt.

Die Analyse zeigt, dass Niederschlag und Durchschnittstemperatur zwar in der Region geringfügige Schwankungen aufweisen, dies jedoch nicht über die CO2-Emissionen gesagt werden kann. Auch die Erntekosten weisen große Unterschiede auf; Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Anbaufläche von Landwirt zu Landwirt unterschiedlich ist, was sich auf die Erntekosten auswirkt.

Die in dieser Arbeit verwendete Forschungsmethodik basierte auf der Untersuchung von Silva et al.36. Die Autoren sammelten Daten auf Gemeindeebene und führten eine Panel-Datenanalyse durch, wobei sie die Region kontrollierten, in der Daten im brasilianischen Bundesstaat Paraíba gesammelt wurden. Trotz der Bedeutung der von den Autoren durchgeführten Forschung hielten wir es bei dem Versuch, eine ähnliche Analyse im Bundesstaat Goiás durchzuführen, für notwendig, dem Modell einige Informationen hinzuzufügen. Aufgrund der Verfügbarkeit von Daten wurde bei dieser Untersuchung eine Querschnittsanalyse durchgeführt. Außerdem konzentrierte sich diese Arbeit auf eine bestimmte Region im Süden des Bundesstaates Goiás. Dadurch wurde der Einfluss des Bodens auf die Zuckerrohrproduktion neutralisiert.

Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit im Gegensatz zu Silva et al.36 der Zuckerrohrertrag als abhängige Variable verwendet. Ahmad et al.29 erklären, dass der Klimawandel den Zuckerrohrertrag erheblich beeinträchtigen kann. Daher wird die Verwendung des Zuckerrohrertrags jeder Zuckerrohrvariablen ein besseres Verständnis des Zusammenhangs zwischen Klimawandel und Zuckerrohrproduktion ermöglichen.

Nach Ali, Zubair und Hussain65 wurden die Gesamtkosten für Düngemittel und Maschinen als Kontrollvariable verwendet. Anders als bei Ali, Zubair und Hussain65 wurden bei dieser Arbeit jedoch die gesamten Ernteausgaben und gesamten Fixkosten jedes Betriebs verwendet. Wie bereits dargelegt, werden diese Zahlen von CONAB bereitgestellt und stellen eine durchschnittliche Schätzung der Ausgaben des Betriebs dar, getrennt nach der Größe des Betriebs. CONAB klassifiziert die Farmen auf der Grundlage des brasilianischen Gesetzes 11.326/2006 66 in Familiar Agriculture oder Company, was Kleinbauern einzigartige Vorteile bietet. Daher wurden vor der Datenerhebung bei CONAB alle von der Zuckerrohrkooperative aufgelisteten Landwirte nach ihrer Größe getrennt.

Linnenluecke et al.26, Chandio et al.39 und Rehman et al.42 argumentieren, dass CO2-Emissionen auch Auswirkungen auf die Zuckerrohrproduktion haben können. Diese Arbeit folgte diesen Autoren und bezog die CO2-Variable in das Modell ein.

Nach der Datenerhebung wurde eine Clusteranalyse durchgeführt. Das Dendrogramm wurde nach Wards Linkage-Clustering mit euklidischer Unähnlichkeitsmessung erstellt, basierend auf dem durchschnittlichen Zuckerrohrertrag jeder Sorte der Ernte 2021.

Nach Durchführung der Clusteranalyse wurden die Daten für die Regressionsuntersuchung aufbereitet. Für die Regressionsanalyse wurde die Software Stata 17 verwendet. Zunächst wurden Heteroskedastizitäts- und Multikollinearitätstests durchgeführt. Heteroskedastizitätsprobleme wurden mithilfe von Cluster-Standardfehlern gelöst. Für die Multikollinearität wurde der Varianz-Inflationsfaktor-Test (VIF) verwendet. Nach dem Einfügen von Strahlungs- und Feuchtigkeitsvariablen traten Multikollinearitätsprobleme auf. Um zu verhindern, dass die Studie falsche Ergebnisse liefert, wurden diese Variablen gemäß Gujarati und Porter67 aus der Studie abgerufen.

Nach den Kontrolltests wurde die Regressionsanalyse mit dem im nächsten Abschnitt vorgestellten Modell durchgeführt.

Das in der Regressionsanalyse verwendete ökonometrische Modell ist in Gl. dargestellt. (1):

Υi ist der Zuckerrohrertrag der analysierten Sorte im Zeitraum. \(\beta 0\) ist der Koeffizient der Konstante der Gleichung. Niederschlag, Durchschnittstemperatur und CO2 beziehen sich auf die Klimainformationen jeder Stadt, in der sich die Farm befindet. β4 ist die Häufigkeit, mit der die Ernte geschnitten (geerntet) wurde. Erntekosten und Fixkosten beziehen sich auf die Produktionskosten. Schließlich ist µ der Fehlerterm der Gleichung.

Nach der Etablierung des ökonometrischen Modells wurde die Regressionsanalyse nach der Methode der kleinsten Quadrate durchgeführt.

Abbildung 1 zeigt das Dendrogramm.

Dendrogramm der analysierten Zuckerrohrsorten.

Die Abb. 1 zeigt den durchschnittlichen Zuckerrohrertrag jeder Sorte und den Namen jeder Sorte direkt darunter. Wie man sehen kann, gibt es vier Hauptgruppen. Die erste umfasst die Sorten CTC4, IACSP95-5000, RB965902, IAC91-1099 und RB867515. Die zweite Gruppe besteht ausschließlich aus der Sorte SP80-1816. Die Sorten CTC9003, IACSP95-5094 und RB855156 bilden die dritte Sorte. Die vierte Gruppe umfasst die Sorten RB855453 und RB966928. Abbildung 1 zeigt, dass die Sorte SP80-1816 in der Gruppe weniger produktiv ist.

Was die Produktion betrifft, so machen die beiden produktivsten Sorten (RB855453 und RB966928) nur 1,10 % der Gesamtproduktion aus (berücksichtigt man nur die Produktion der elf wichtigsten Sorten). Die zweitproduktivste Gruppe – Gruppe Nummer 3 – ist für 0,7 % der Produktion verantwortlich, während Gruppe 2 (die weniger produktive) für 0,06 % der Gesamtproduktion verantwortlich ist. Der größte Teil der genossenschaftlichen Zuckerrohrproduktion umfasst Gruppe 1 mit mehr als 98 % der Gesamtproduktion.

Bezüglich der Regressionsanalyse zeigt Tabelle 4 die Ergebnisse:

Die Ergebnisse in Tabelle 4 zeigen, dass weder Niederschlag, Durchschnittstemperatur noch CO2-Emissionen den Zuckerrohrertrag für die meisten Sorten beeinflussen. Das Niederschlagsergebnis in Tabelle 4 stimmt mit 26,50 überein. Die Ergebnisse aus Tabelle 4 zeigen, dass klimatische Variablen bei Verwendung der entsprechenden Zuckerrohrsorte an Bedeutung für den Zuckerrohrertrag verlieren.

Bezüglich der Variablen Niederschlag war RB855453 (Spalte 9) die einzige Zuckerrohrsorte mit signifikantem Ergebnis.

Schließlich lieferte die Zuckerrohrsorte RB965902 (Spalte 10), obwohl klein, signifikante Ergebnisse für Erntekosten und Fixkosten.

Die Regressionsanalyse wurde erneut durchgeführt, um zu analysieren, wie die Zuckerrohrproduktion auf extreme Klimabedingungen reagierte, wobei die mittlere Temperaturvariable durch maximale und minimale Temperatur ersetzt wurde. Aufgrund von Kollinearitätsproblemen wurde die Regression separat durchgeführt. Abbildung 2 zeigt, wie sich die maximale und minimale Temperatur auf den Zuckerrohrertrag jeder Sorte auswirkt. Die Tabellen mit den Regressionsergebnissen finden Sie in Anhang C.

Maximaler und minimaler Einfluss der Temperatur auf den Zuckerrohrertrag.

Keines der präsentierten Ergebnisse war signifikant. Dennoch lässt sich beobachten, dass die Mindesttemperatur einen größeren Einfluss auf den Zuckerrohrertrag hat als die Höchsttemperatur.

Aufgrund der geringen Anzahl an Beobachtungen wurde eine Bootstrap-Analyse durchgeführt. Die Bootstrap-Methode wurde erstmals von Efron und Tibshirani68 vorgestellt und nutzt laut Joshi, Seidel-Morgenstern und Kremling69 stochastische Elemente und wiederholte Simulationen, um die betrachteten Eigenschaften zu analysieren und die theoretischen Einschränkungen einer endlichen Stichprobe zu überwinden. Die Bootstrap-Regression wurde unter Berücksichtigung der drei Temperaturvariablen durchgeführt. Die Regressionen sind in Anhang D dargestellt.

Die Niederschlagsergebnisse lieferten nur wenige signifikante Ergebnisse, was darauf hindeutet, dass Niederschläge keinen Einfluss auf den Zuckerrohrertrag haben. In einigen Fällen lieferte der Niederschlag tatsächlich negative Ergebnisse (RB855156, Spalte 5, Tabelle C1 und Tabelle D2, RB867515, Spalte 2, Tabelle D1 und Tabelle D3). Diese Ergebnisse bestätigen Ali et al.15, Knox et al.16 und Kumar et al.44. Was die brasilianischen Studien betrifft, glauben wir, dass die widersprüchlichen Ergebnisse dieser Forschung durch zwei Hauptgründe erklärt werden können: 1° Silva et al. 36 führten ihre Forschung im Bundesstaat Paraíba durch, der viel trockener ist als der Süden von Goiás. 2° Santos et al.19 und Da Silva et al.46 führten Simulationen für zukünftige Nutzpflanzen durch, die Prognosen und keine echte Interaktion zwischen den Variablen lieferten.

Das Fehlen signifikanter Ergebnisse bei allen Temperaturregressionen (Mittelwert, Minimum und Maximum) bestätigt die Arbeiten von Knox et al.16 und Kumar et al.44. Obwohl sie unbedeutend war, zeigen Abb. 2 und die Tabellen C1, C2, D2 und D3, dass die Mindesttemperatur einen entscheidenderen Einfluss auf den Zuckerrohrertrag hat. Dieses Ergebnis deckt sich mit Swami, Dave und Parthasarathy32, die in ihrer Studie das gleiche Muster beobachteten.

Darüber hinaus bestätigen die Ergebnisse in Abb. 2 und den Tabellen C2 und D3 Marengo et al.62 nicht. Die Autoren zeigen, dass mehrere Pflanzenproduktionen, darunter Zuckerrohr, von den ungewöhnlichen Kältebedingungen beeinträchtigt wurden, die für die Winterperiode 2021 (Juni–August) gemeldet wurden. Eine mögliche Erklärung für die unterschiedlichen Ergebnisse dieser Studie ist, dass der Großteil der Zuckerrohrproduktion im Bundesstaat Goiás aus der „Jahreszucker“-Methode stammt, bei der die Zuckerrohrernte zwischen Oktober und Dezember gepflanzt und nach einem Jahr geerntet wird. Daher hatte das im Jahr 2021 registrierte Kälteereignis keine Auswirkungen auf die Zuckerrohrernte in der südlichen Region von Goiás, da die Zuckerrohrernte zum Zeitpunkt der Kälte gerade geerntet wurde oder kurz davor stand.

Was die CO2-Variable betrifft, lieferte die Sorte RB867515 (Spalte 2) signifikant positive Ergebnisse für die CO2-Emissionen in Tabelle D1 und wurde in den Tabellen D2 und D3 bestätigt. Dieses Ergebnis bedeutet, dass der Temperaturanstieg, der sich aus dem Anstieg der CO2-Emissionen ergibt, auch wenn er gering ist, dem Ertrag dieser Sorte zugute kommen kann.

In Bezug auf die CO2-Emissionen in Tabelle 4 kann die fehlende Signifikanz im Gegensatz zu den Ergebnissen von Linnenlücke et al.26 durch den unterschiedlichen Standort des Zuckerrohranbaus erklärt werden. Da der Bundesstaat Goiás deutlich näher an der Äquatorlinie liegt als Australien, könnten die CO2-Emissionen in dieser Region für ein wärmeres Klima sorgen, was der Zuckerrohrernte zugute kommt. Es muss betont werden, dass abgesehen von den signifikanten Ergebnissen, die die Sorte RB867515 in der Bootstrap-Regression lieferte (Tabellen D1, D2 und D3), auch alle anderen Zuckerrohrsorten in allen anderen Analysen (Tabellen 4, C1, C2, D1, D2 und D3) ) präsentierte nicht signifikante Ergebnisse, was die obige Hypothese bestätigt.

Angesichts der Tatsache, dass unsere Forschung so wenige Ergebnisse bestätigte, glauben wir, dass es vier mögliche Erklärungen gibt:

Es wurden weitere Kontrollvariablen eingefügt, um sicherzustellen, dass die Klimavariablen ihre tatsächliche Wirkung zeigen, ohne dass die Ergebnisse fehlender Variablen „aggregiert“ werden. Die Cut-Variable zum Beispiel, die angibt, wie oft die Ernte geerntet wurde, ist eine wichtige Information bei der Analyse der Zuckerrohrernte und lieferte in fast allen Fällen signifikante Ergebnisse. Sie wird kaum jemals als Kontrollvariable verwendet. Silva et al.36 präsentierten beispielsweise nur Kontrollvariablen für die verschiedenen Landesregionen. McGree et al.37 verwendeten in ihrem Modell nur Klimavariablen. Das gleiche Problem lässt sich in der Forschung von Kelkar Kulkarni und Rao38 beobachten. Ahmad et al.29 untersuchten einzelne klimatische Ereignisse wie Regenfälle, ohne Temperaturvariablen in ihre Studie einzubeziehen.

Als wir die verschiedenen Zuckerrohrsorten kontrollierten, verlor der Einfluss der Klimavariablen an Stärke; Daher waren ihre Ergebnisse nicht signifikant. Obwohl sich viele Autoren der Bedeutung der Berücksichtigung verschiedener Zuckerrohrsorten bewusst waren, berücksichtigten nur wenige Autoren wie Dias & Sentelhas23, Linnenluecke et al.26 und Verma et al.27 diese Informationen.

Der Mangel an Informationen könnte sich auf die präsentierten Ergebnisse (aus dieser und anderen Arbeiten) ausgewirkt haben. Knox et al.16 argumentieren, dass der Mangel an Daten zu widersprüchlichen und nicht signifikanten Ergebnissen in ihrer Arbeit geführt habe. Der schwierige Zugang zu realen Daten stellt ein Hindernis bei der Erforschung der Auswirkungen des Klimawandels auf den Zuckerrohrertrag dar. Diese Situation erklärt möglicherweise auch den Arbeitsaufwand, der sich auf Zukunftsprognosen konzentriert, die möglicherweise korrekte Antworten liefern oder auch nicht, wenn sie nicht auf alle zukünftigen Ergebnisse zugreifen können, die den Zuckerrohrertrag beeinflussen könnten. Tatsächlich kann man feststellen, dass viele Simulationsforschungen widersprüchliche Ergebnisse liefern, wenn man sie mit denen vergleicht, die Zugang zu realen Daten hatten – Santos et al.19 und Silva et al.36 für Brasilien, Singh et al.31 und Swami, Dave und Parthasarathy32 zum Beispiel für Maharashtra – Indien. Laut Yin et al.48 liefern viele für China bereitgestellte Erntesimulationen falsche Ergebnisse aufgrund von Problemen mit den verwendeten Modellen, die den mehrjährigen Zuckerrohrertrag unterschätzen und das Muster der zwischenjährlichen Variabilität nicht simulieren.

Die Ergebnisse können je nach untersuchter Region variieren. Knox et al.16, Swami, Dave und Parthasarathy32, Jyoti und Singh40 sowie Ray et al.45 haben es in ihrer Arbeit bewiesen. Darüber hinaus können subtilere Fakten die Auswirkungen des Klimawandels auf den Zuckerrohrertrag beeinflussen. Ncoyini, Savage und Strydom43 zeigen beispielsweise, dass der fehlende Zugang zu Informationen zum Klimawandel und das Fehlen von Know-how für den Umgang damit den potenziellen Schaden erhöhen, der durch den Klimawandel in Südafrika verursacht wird.

Seit Anfang der 1970er Jahre investiert Brasilien in die Genforschung von Zuckerrohr. Trotz aller Bemühungen im genetischen Bereich wurden jedoch nur wenige Forschungsarbeiten durchgeführt, die darauf abzielten, zu analysieren, wie diese neuen Sorten mit den Bedingungen des Klimawandels interagieren. Dieses Papier sollte diese Frage beantworten.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Klimabedingungen bei der Kontrolle der Zuckerrohrsorte keinen Einfluss auf den Zuckerrohrertrag haben. Diese Schlussfolgerung stimmt nicht mit den meisten Untersuchungen über den Zusammenhang zwischen Zuckerrohr und Klimawandel überein. Allerdings berücksichtigen die meisten Untersuchungen, wie in den vorherigen Kapiteln dargelegt, die verschiedenen Zuckerrohrsorten nicht. Darüber hinaus fehlen den meisten von ihnen konsistente Kontrollvariablen in ihrem ökonometrischen Modell.

Ergebnisse sind für die Steigerung der Zuckerrohrproduktivität und der Endproduktion von entscheidender Bedeutung. Es wird deutlich, dass bei der Auswahl der richtigen Zuckerrohrsorten die widrigen klimatischen Bedingungen minimiert werden, was es ermöglicht, Zuckerrohr zu produzieren, ohne die Umwelt zu schädigen, was zur Erreichung von SDG 15 beiträgt. Darüber hinaus ist es weniger wahrscheinlich, dass ein widriges klimatisches Ereignis das Zuckerrohr zerstört bepflanzte Fläche und verhindert so, dass Zuckerrohrproduzenten ihre Investition verlieren. Dieses Ergebnis ist wichtig, wenn wir den Kleinproduzenten betrachten, der nicht in der Lage ist, erhebliche Verluste zu verkraften. Dieses Ergebnis ist für die Erreichung der SDGs Nr. 1 und 2 von entscheidender Bedeutung.

Darüber hinaus trägt diese Arbeit gemäß den Ergebnissen von Pienkowski et al.70, indem sie dazu beiträgt, die Zuckerrohrproduktion zu steigern und die Ernährungsunsicherheit zu verringern, auch zu SDG 3 bei. Den oben zitierten Autoren zufolge kann Ernährungsunsicherheit zu Depressionen und psychischen Gesundheitsproblemen in der Bevölkerung führen.

Trotz aller Vorteile, die die verschiedenen Zuckerrohrsorten angesichts des Klimawandels bieten, ist es wichtig zu beachten, dass die meisten von den Zuckerrohrproduzenten der untersuchten Region verwendeten Sorten in den 1990er Jahren entwickelt wurden. Machado Jr und Braga Jr54 behaupten, dass der Großteil der brasilianischen Zuckerrohrproduktion auf „älteren“ Sorten basiert. Unter Berücksichtigung der in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse sollte die brasilianische Regierung daher die Anreize aufrechterhalten und die Entwicklung neuer Zuckerrohrsorten unterstützen, um die nachhaltige Zuckerrohrproduktion zu steigern, eine Gefährdung der natürlichen Ressourcen zu verhindern, den Hunger einzudämmen und nicht durch den Klimawandel bedroht zu werden , und gleichzeitig die Zuckerrohrproduzenten dazu anspornen, die neuen Zuckerrohrsorten zu verwenden.

Die genetische Zuckerrohrforschung ist in Brasilien gut entwickelt und mehrere Institutionen fördern verschiedene Zuckerrohrsorten, um unterschiedliche Produktionsschwierigkeiten zu überwinden. Dies ist jedoch nur bei einigen Zuckerrohrproduzenten in Ländern der Fall. Daher sollten die politischen Entscheidungsträger anderer Länder langfristige Richtlinien ausarbeiten, die die Erforschung und Einführung verschiedener Zuckerrohrsorten unterstützen. Mit der richtigen Zuckerrohrsorte werden die Auswirkungen des Klimawandels auf die Zuckerrohrproduktion abgemildert und sichergestellt, dass es in Zukunft nicht zu Produktionsausfällen kommt.

Trotz der Originalität dieser Arbeit weist sie einige Einschränkungen auf. Erstens wurde nur eine einjährige Datenbeobachtung berücksichtigt. Es wird empfohlen, andere Studien mit größeren Datensätzen durchzuführen. Zweitens wurde nur eine Produktionsregion beobachtet. In zukünftigen Forschungsarbeiten sollten verschiedene Regionen analysiert werden, um das Verständnis der Auswirkungen des Klimawandels zu verbessern. Schließlich liefert die Nutzung jährlicher Daten keinen guten Überblick über den Zusammenhang zwischen Klimawandel und Zuckerrohrertrag, der wiederum entscheidender ist als die Niederschlagsmenge in der bestimmten Region, wenn solcher Regen fällt. Das Gleiche gilt auch für heißes Wetter. Bei den Niederschlägen muss beispielsweise analysiert werden, ob es regnet, wenn Zuckerrohr angebaut wird oder nicht. Daher sollte zukünftige Forschung eine monatliche Datenbank verwenden, die angibt, wann Zuckerrohr gepflanzt und geerntet wird.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind von der untersuchten Zuckerrohrgenossenschaft erhältlich, es gelten jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Verfügbarkeit dieser Daten, die für die aktuelle Studie unter Lizenz verwendet wurden und daher nicht öffentlich verfügbar sind. Daten sind jedoch auf begründete Anfrage und mit Genehmigung der Zuckerrohrgenossenschaft beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von FAPEG (Forschungsunterstützungsstiftung in Goiás) und CAPES (Koordination zur Verbesserung des Hochschulpersonals) unterstützt.

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Thiago Vizine Da Cruz & Ricardo Luiz Machado

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Korrespondenz mit Thiago Vizine Da Cruz.

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Eingegangen: 28. Oktober 2022

Angenommen: 06. Juni 2023

Veröffentlicht: 19. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36582-7

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