Bioclimatic constraints and edaphic preferences of wheat: implications for environmental suitability forecasting under climate change

Abstract

Background. Understanding how environmental factors influence the spatial suitability of wheat is critical for sustaining productivity under climate change. In regions like Ukrainian Polissia and the Forest-Steppe, where climatic and soil gradients are strong, changes in agroecological conditions may substantially affect cultivation potential. While global studies exist, regional assessments that integrate both climate and soil data remain limited. Identifying key environmental drivers and their response patterns supports targeted adaptation and land use planning, helping ensure food security in a changing climate. Materials and Methods. The spatial suitability of wheat cultivation in the Polissia and Forest-Steppe regions of Ukraine was assessed using agroecological modelling. We compiled a dataset of observed wheat cover from official agricultural statistics. The environmental predictors included 19 bioclimatic variables (WorldClim), soil properties (texture, pH, and organic matter content), and topographic factors. Multicollinearity was reduced via principal component analysis and correlation filtering. Four modelling approaches: ordinary least squares (OLS), ridge regression, generalised additive models (GAM), and random forest (RF), were applied to identify key predictors and response patterns.

Передумови. В умовах глобальних кліматичних змін розуміння того, як екологічні чинники впливають на просторову придатність сільськогосподарських культур, є надзвичайно важливим для збереження продуктивності сільського господарства. Пшениця, одна з найважливіших зернових культур у світі, є дуже чутливою до змін температури, кількості опадів і властивостей ґрунту. У таких регіонах як Українське Полісся й Лісостеп, де кліматичні та ґрунтові градієнти є вираженими, зміни агроекологічних умов можуть мати значний вплив на потенціал сталого вирощування пшениці. Матеріали та методи. Просторову придатність вирощування пшениці в Поліссі та лісостепових регіонах України було оцінено за допомогою агроекологічного моделювання. Ми склали базу даних спостережень за посівами пшениці на основі офіційної сільськогосподарської статистики. Екологічні предиктори включали 19 біокліматичних змінних (WorldClim), властивості ґрунту (текстура, рН та вміст органічної речовини) і топографічні фактори. Для виявлення ключових предикторів і моделей реакції було застосовано чотири підходи до моделювання: метод найменших квадратів (OLS), регресію Ріджа, узагальнені адитивні моделі (GAM) та випадковий ліс (RF).