Drought stress impact on vegetable crop yields in the Elbe River lowland between 1961 and 2014

Abstract

The study is focused on drought stress that is detrimental to yield formation of field-grown vegetables in the lowland regions of the Czech Republic. Extensive vegetable yield losses are attributed to drought, often in combination with heat or other stresses. The objective of this research was to investigate, under field conditions, the effect of drought stress quantified by the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI) on yield variability of key vegetable crops growing in the Elbe River lowland, representing central European agriculture conditions. Additionally, we also tried to determine the period of crop with the highest sensitivity to drought (PCSD) of vegetable crops over the Elbe River lowland. Historical climate datasets for a regular gridded network with a high horizontal resolution of 10 km (CZGRIDS) and 305 climatological stations from the Czech Hydrometeorological Institute were applied. The SPEI at 1-, 3-, and 6-month lags was calculated for the period 1961-2014 based on precipitation and input dataset for the reference evapotranspiration (ETr) by the Penman-Monteith (PM) method. Moreover, the difference between daily precipitation and crop evapotranspiration (ETc) has been used to calculate the mean crop water balance (D) per main growth stages, as an indicator of plant stress. This improvement increased the applicability of the SPEI in agriculture drought impact on rainfed and/or irrigated field crops grown under various agronomic management systems. To understand how the SPEI, over the period 1989-2014, controlled the yield variation, we calculated the percentage of yield losses and gains for each crop. When the value of SPEI at 3-month lag–as a measure of the balance between the water availability and the atmospheric water demand–for PCSD was between -1.49 and 0.99, the yield moderately increased for Fruiting vegetables (e.g. tomatoes, cucumber). Conversely, when the SPEI-3 in the key development stage dropped below -3.0, the yield losses were about -30% and a negative influence is apparent from threshold of the SPEI≤-1.5. The effect of the SPEI on yield formation of vegetable cultivars grown under filed conditions was achieved up to 62% in the study region.El estudio se centra en los perjuicios causados por las sequías sobre los cultivos en las regiones bajas de la República Checa. Grandes pérdidas en los cultivos se han atribuido a las sequías, a menudo en combinación con el calor y otros tipos de estress. El objetivo de este trabajo fue investigar el efecto de las sequías cuantificado mediante el Índice de Precipitación Evapotranspiración estandarizada (SPEI) sobre la variabilidad de la producción de cultivos clave en las tierras bajas del río Elba. Se utilizaron bases climáticas históricas para una cuadrícula de alta resolución horizontal de 10 km y 305 estaciones climatológicas del Instituto Hidrometeorológico Checo. Se calculó el SPEI para intervalos de 1, 3 y 6 meses en el periodo 1961-2014, basado en la precipitación y en la evapotranspiración de referencia (ET) utilizando el método de Penman-Monteith. Además, la diferencia entre la precipitación diaria y la evapotranspiración del cultivo se  ha utilizado para calcular el balance medio del cultivo (D) para los principales estadios del crecimiento, como un indicador de estress de las plantas. Esta mejora metodológica aumentó la aplicabilidad del SPEI en el impacto agrícola de la sequía sobre cultivos de secano  y/o regadío bajo diferentes sistemas de gestión agronómica. Para comprender cómo controla el SPEI la variación de la producción, calculamos el porcentaje de pérdidas y ganancias para cada cultivo. Cuando el valor del SPEI en un plazo de tres meses  (como medida del balance entre la disponibilidad de aguay la demanda atmosférica de agua) estaba entre 1,49 y 0,99, la producción aumentaba moderadamente en el caso de las plantas de fruto (por ej., tomates, pepinos). Por el contrario, cuendo el SPEI-3 descendió por debajo de -3,0 en un estadio clave de desarrollo, las pérdidas de producción fueron de alrededor del 30%, y una influencia negativa fue apreciable a partir de un umbral de SPEI<1,5