Projections of moisture conditions in the Sevastopol region for grapes growing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The climatic and orographic features of the Sevastopol region are the basis for the development of viticulture, winemaking and obtaining a wide range of high-quality wines. Viticulture is a specialization of agriculture in the Sevastopol region. Observed and predicted climate changes lead to a shift in favorable zones for growing grapes. The amount of precipitation is a key parameter, along with air temperature, for obtaining high quality grapes, and later wine. The water requirements of grapes vary with the season and phase of plant development. The article assesses the possible changes in the conditions of moisture conditions in the Sevastopol region for the grapes growing. The work uses data from numerical calculations of global climate models of the CMIP6 project under an unfavorable scenario of greenhouse gas concentrations SSP5-8.5. The assessment was carried out using two agroclimatic indices - the Selyaninov hydrothermal coefficient and the dryness index, by the middle and end of the 21st century. According to the predicted values of agroclimatic indices, by the middle and the end of the century, the Sevastopol region will remain in the zone where the cultivation of grapes will be possible without irrigation. The results obtained showed the likelihood of an increase in the aridity of the region in future periods, especially towards the end of the century, which will entail additional stress for the grapes. Adaptation measures such as selection of drought-tolerant grape varieties, changes in tillage systems, and placement of vineyards on northern slopes will be required to minimize unfavorable conditions.

Full Text

Введение Температура воздуха и атмосферные осадки являются основными метеорологическими параметрами для выращивания винограда (Vitis Vinifera L.). Многочисленные исследования о влиянии температурных условий на развитие виноградной лозы, созревание ягод и качество вина проведены для многих винодельческих районов мира (например, [1-3]). Влиянию количества осадков на виноградарство посвящено меньше работ, а роли отдельных характеристик осадков на фенологию винограда еще меньше [4]. Необходимость в осадках и их количестве изменяется в зависимости от сезона и фазы развития виноградного растения. Осадки оказывают существенное влияние на водный баланс почвы, определяя доступность воды для растений [5]. Осадки необходимы в зимне-весенний период для накопления воды в почве [6], а в начале вегетации для развития соцветий [7]. В период цветения и созревания ягод наоборот нужны сухие атмосферные условия [8]. Избыточное количество осадков может увеличить урожай, однако снизить содержание сахара в ягодах, чрезмерные дожди могут вызвать грибковые заболевания и прервать опыление цветов, а также задержать сбор урожая. В то же время дефицит осадков отрицательно сказывается на растении, нарушая процесс созревания, и, как следствие, снижает качество вина [7; 9]. Наблюдаемое потепление климата привело к сдвигу климатических зон, в первую очередь в виде увеличения засушливости климата [10]. Наряду с этим, по данным наблюдений, произошел рост экстремальных событий, связанных с осадками и этот рост, как показывают расчеты глобальных моделей, в будущем сохранится [11]. На Европейской территории России в летний сезон наблюдается уменьшение количества осадков, существенное в южных областях [12]. По данным IPCC, изменение атмосферных осадков при дальнейшем потеплении не будет однородным [11]. При неблагоприятном сценарии концентрации парниковых газов (RCP8.5) во многих засушливых регионах средних широт и в субтропиках среднее количество осадков, вероятно, уменьшится, в то время как во многих влажных регионах в средних широтах к концу этого столетия оно, вероятно, возрастет. В XXI в. осадки на территории России в целом будут возрастать, причем наиболее значительный их рост ожидается зимой. К середине XXI в. на юге Европейской части России ожидается тенденция к уменьшению количества осадков в летний сезон [12]. Виноградарство является специализацией сельского хозяйства Севастопольского региона. На конец 2020 г. общая площадь виноградных насаждений составила в регионе более 5,9 тыс. га, из них плодоносящих - свыше 4,7 тыс. га. В регионе ведется работа над реализацией приоритетного проекта «Терруар Севастополь», который предполагает развитие винодельческой инфраструктуры и увеличение площадей виноградников до 10 тыс. га к 2030 г. [13]. Виноградарство в регионе неполивное. По данным метеорологических наблюдений, Севастопольский регион обладает достаточными тепловыми условиями для выращивания винограда всех сроков созревания [14]. Цель работы - оценка возможных изменений влагообеспеченности Севастопольского региона к середине и концу XXI в. Материалы и методы Будущие изменения влагообеспеченности региона оценивались на основе данных результатов моделирования глобальных климатических моделей проекта CMIP6 [15]. Для шестой фазы проекта CMIP разработан новый набор сценариев, которые отражают различные социально-экономические изменения (SSP - Shared Socioeconomic Pathways), а также различные пути антропогенного изменения концентрации парниковых газов в атмосфере [16]. В работе использованы данные расчетов при сценарии SSP5-8.5. Сценарий SSP5-8.5 - это крайний сценарий, который считается самым неблагоприятным. Радиационное воздействие к 2100 г. при таком сценарии составляет 8,5 Вт/м², а концентрация парниковых газов - 1100 ppm [17], инновации и технологии растут за счет интенсивного использования природного ископаемого топлива [18]. Для получения оценок будущих изменений условий влагообеспеченности региона использован ансамбль из результатов моделирования шести моделей: ACCESS-CM2, CMCC-CM2-SR5, HadGEM3-GC31-LL, INM-CM4-8, KACE-1-0-G, NESM3. Использование ансамбля результатов моделей позволяет уменьшить неопределенность, связанную с отдельной моделью [19]. Анализ основан на первом члене ансамбля (member_id = r1i1p1f1) каждой модели. Интерполяция данных из узлов сетки моделей в район Севастопольского региона выполнена методом линейной интерполяции. За исторический (базовый) период принят 1981-2014, и два будущих периода - 2021-2050 и 2051-2080. Выбраны 30-летние периоды, так как период обновления виноградной лозы составляет 25-30 лет. В статье проанализированы следующие параметры влагообеспеченности региона: 1) количество осадков за вегетационный период (мм), определяется как сумма осадков за вегетационный период (с апреля по октябрь в Северном полушарии) и дает информацию о влиянии осадков за этот период на фенологию и созревание ягод, что, в свою очередь, влияет на качество винограда и здоровье виноградной лозы [20]; 2) гидротермический коэффициент Селянинова (ГТК) [21]; 3) индекс сухости (dryness index - DI) [22]. Формулы для расчета индексов: , (1) , (2) где P - осадки, мм; W0 - начальная влажность почвы, мм; - сумма температур выше 10 °С; Et - потеря воды через транспирацию, Es - количество воды, испаряющейся с поверхности земли. Значения гидротермического коэффициента больше 1,0 свидетельствуют о достаточном увлажнении территории, в то время как меньше 1,0 - о недостаточном соответственно. Индекс сухости делится на четыре класса: DI+2 «очень сухой» со значениями меньше -100 мм; DI+1 - «умеренно сухой», от -100 до 50 мм; DI-1 «умеренно влажный», от 50 до 150 мм и DI-2 - «влажный», с величинами индекса более 150 мм. Материалами служили векторная карта Крымского полуострова, цифровая модель рельефа SRTM-3, климатическая модель Worldclim 2.0. Моделирование пространственного распределения величины гидротермического коэффициента Селянинова осуществлялось на основе раздельного моделирования двух климатических факторов, формирующих данный коэффициент - суммы активных температур выше 10 °С (с использованием формулы Софрони-Энтензона с предложенными для территории Крымского полуострова поправками [23]) и суммы осадков за вегетационный период (на основе модели Worldclim 2.0). Моделирование пространственного варьирования индекса сухости также основано на модели Worldclim 2.0. При этом начальное значение водного баланса (W0) для исследуемого региона принято за 200 мм, а потенциальная эвапотранспирация - 5 мм/сут. Для моделирования агроклиматических индексов и визуализации результатов использован ArcGIS. Результаты и обсуждение Сравнение данных наблюдений и ансамбля климатических моделей по температуре воздуха показало высокую связь (коэффициент корреляции составил 0,88). Значения атмосферных осадков по данным моделирования имеют низкие значения корреляции с данными наблюдений. Это ожидаемый результат, поскольку ежедневные осадки характеризуются сильной пространственной неоднородностью. Проведено сравнение линейных трендов данных наблюдений осадков и ансамбля из моделей, которое показало совпадение тенденций в данных за исторический период. Проведенные тесты позволяют использовать ансамбль модельных данных для дальнейших расчетов индексов влагообеспеченности региона. Для базового периода 1981-2014 получено количество осадков за вегетационный период - 224 мм. При сценарии SSP5-8.5 ожидается сначала рост в первый будущий период до 227 мм (выше, чем в базовый период 1981-2014), а затем уменьшение до 195 мм. В целом в Севастопольском регионе наблюдается динамика к уменьшению суммы осадков за вегетационный период к середине и концу XXI в. Гидротермический коэффициент. ГТК показывает уровень влагообеспеченности региона [21], используется в агрономии для общей оценки климата и выделения зон различного уровня влагообеспеченности с целью определения целесообразности выращивания тех или иных сельскохозяйственных культур. Изменение значений гидротермического коэффициента по территории Севастопольского региона на два будущих периода при сценарии SSP5-8,5 относительно базового периода (1981-2014) представлено на рис. 1. Как видно, в будущие периоды наблюдается увеличение площади региона со значениями ГТК менее 0,6 за счет уменьшения площадей с другими интервалами коэффициента. В первый будущий период процент площади региона с недостаточным увлажнением (ГТК < 1,0) возрастает до 96,2 %, в то время как в исторический период он составлял 94,3 %. Во второй будущий период процент площади региона с достаточным увлажнением (ГТК > 1,0) сокращается до 2 %. Надпись: cНадпись: bНадпись: а Рис. 1. Гидротермический коэффициент (ГТК) для территории Севастопольского региона для исторического (а) и будущих периодов (б, в) при сценарии SSP5-8,5 и диаграммы распределения площадей (в %) / Figure 1. Hydrothermal coefficient (HTC) for the territory of the Sevastopol region for the historical (a) and future periods (b, c) under the SSP5-8.5 scenario and the area distribution diagram (in %) Значение ГТК, равное 0,5, считается границей для возделывания винограда без орошения в богарной зоне [24; 25]. В современный период и в будущие периоды Севастопольский регион по значениям ГТК остается в зоне, в которой возделывание винограда возможно без искусственного орошения. Снижение уровня обеспеченности территории осадками в период роста и созревания ягод винограда обнаружено в агроэкологических регионах промышленного виноградарства Краснодарского края и Ростовской области (Россия) [26]. Индекс сухости (DI). Индекс сухости - это климатический индекс, используемый в виноградарстве для характеристики водной составляющей региона, тесно связанной с качественными характеристиками винограда и вина [27]. Индекс учитывает климатические требования виноградника, испарение с открытой почвы, количество осадков без вычета поверхностного стока или дренажа. Он указывает на потенциальную доступность воды в почве, связанную с уровнем засушливости в регионе. По значениям индекса сухости вся территория Севастопольского региона в первый и второй будущие периоды будет находиться в классе DI+1 “умеренно сухой” виноградарского климата, при котором виноградная лоза потенциально может столкнуться с определенным уровнем сухости. Это класс с большим интервалом значений от 50 до -100 мм [22]. Мы разделили этот класс на небольшие интервалы с шагом в 20 мм, чтобы посмотреть динамику изменения индекса к середине и концу века. Как видно на рис. 2, увеличивается процент площади с преобладающими значениями индекса сухости от -80 до -100. Эти регионы можно классифицировать как климат средиземноморского типа с дефицитом воды летом [22]. Таким образом территория Севастопольского региона к концу второго будущего периода находится на грани перехода в класс DI+2. Надпись: cНадпись: bНадпись: а Рис. 2. Индекс сухости (мм) для территории Севастопольского региона для исторического (а) и будущих периодов (б, в) при сценарии SSP5-8,5 и диаграммы распределения площадей (в %) / Figure 2. Dryness index (mm) for the territory of the Sevastopol region for the historical (a) and future periods (b, c) under the SSP5-8.5 scenario and area distribution diagrams (in %) Наши результаты согласуются с ранее полученными, например, в работе [28] в период 2071-2100 территория Крымского полуострова будет находится в этом классе DI. Использование биоклиматических индексов для оценки будущих изменений условий влагообеспеченности в будущем проведено для некоторых винодельческих районов Европы и мира. В целом для винодельческих районов Европы характерно увеличение засушливости в будущем, что особенно будет выражено на юге (Средиземноморская часть). Заключение В работе по данным результатов моделей проекта CMIP6 получены оценки возможных изменений условий влагообеспеченности Севастопольского региона к середине и концу XXI в. Для этого использованы два индекса, основанных на атмосферных осадках - гидротермический коэффициент и индекс сухости. Гидротермический коэффициент (ГТК), предложенный Г.Т. Селяниновым, наиболее полно характеризует условный баланс влаги и тепла. Результаты показали увеличение площади региона с показателями ГТК менее 0,6, что свидетельствует об увеличении засушливости региона. По нашим расчетам Севастопольский регион в будущие периоды будет находиться в классе «умеренно сухо» по значениям индекса сухости. Ожидаемые тенденции к потеплению и увеличению засушливости могут создать дополнительные проблемы для выращивания винограда. Прогнозируемое уменьшение осадков, более высокие температуры воздуха и почвы, более частые и продолжительные экстремальные климатические явления (например, волны тепла, экстремальная засуха) негативно скажутся на виноградарстве. Подобные климатические изменения приведут к увеличению теплового стресса и водного дефицита, что потребует изменений в системе обработки почвы, выбору более устойчивых к засухе подвоев, увеличению потребности растений в воде и необходимости орошения, а также использования видового разнообразия винного винограда. Полученные результаты важны для выбора мер адаптации к текущим и будущим климатическим изменениям и будущим. Исследование требует продолжения ввиду прогрессирующих изменений климата.
×

About the authors

Elena V. Vyshkvarkova

Institute of Natural and Technical Systems; Sevastopol State University

Author for correspondence.
Email: aveiro_7@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4890-3247

PhD (Geogr.), Leading Researcher, Laboratory Large-scale Interaction Atmosphere and Ocean and Climate Change, Institute of Natural and Technical Systems; Associate Professor, Department of Monitoring and Theory of Climate, Sevastopol State University

28 Lenina St, Sevastopol, 299011, Russian Federation; 33 Universitetskaya St, Sevastopol, 299053, Russian Federation

Evgeniy A. Rybalko

All-Russian National Research Institute of Viticulture and Winemaking ‘Magarach’ RAS

Email: agroeco-magarach@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4579-3505

PhD (Agric.), Head of Agroecology Sector

31 Kirova St, Yalta, 298600, Russian Federation

Olesia V. Marchukova

Institute of Natural and Technical Systems

Email: olesjath@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6205-9946

junior researcher, Laboratory Large-scale Interaction Atmosphere and Ocean and Climate Change

28 Lenina St, Sevastopol, 299011, Russian Federation

Natalia V. Baranova

All-Russian National Research Institute of Viticulture and Winemaking ‘Magarach’ RAS

Email: natali.v.0468@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2588-360X

PhD (Agric.), Leading Researcher, Laboratory Agroecology

31 Kirova St, Yalta, 298600, Russian Federation

References

  1. Venios X, Korkas E, Nisiotou A, Banilas G. Grapevine Responses to Heat Stress and Global Warming. Plants. 2020;9:1754. https://doi.org/10.3390/plants9121754
  2. Fraga H, Pinto JG, Santos JA. Climate change projections for chilling and heat forcing conditions in European vineyards and olive orchards: A multi-model assessment. Clim. Chang. 2019;152:179–193. https://doi.org/10.1007/s10584-018-2337-5
  3. Gutiérrez-Gamboa G, Zheng V, Toda M. Current viticultural techniques to mitigate the effects of global warming on grape and wine quality: A comprehensive review. Food Research International. 2021;139:109946. https://doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109946
  4. Carlo P, Aruffo E, Brune WH. Precipitation intensity under a warming climate is threatening some Italian premium wines. Science of the Total Environment. 2019;685:508–513. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.05.449
  5. Santos JA, Fraga H, Malheiro AC, Moutinho-Pereira J, Dinis L-T, Correia C, Moriondo M, Leolini L, Dibari C, Costafreda-Aumedes S, Kartschall T, Menz C, Molitor D, Junk J, Beyer M, Schultz HR. A Review of the Potential Climate Change Impacts and Adaptation Options for European Viticulture. Appl. Sci. 2020;10:3092. https://doi.org/10.3390/app10093092
  6. Gladstones J. Wine, Terroir and Climate Change. Wakefield Press: Kent Town South Australia; 2011.
  7. Novikova LYu, Naumova LG. Dependence of Fresh Grapes and Wine Taste Scores on the Origin of Varieties and Weather Conditions of the Harvest Year in the Northern Zone of Industrial Viticulture in Russia. Agronomy. 2020;10:1613. https://doi.org/10.3390/agronomy10101613
  8. Jones GV, Davis RE. Climate Influences on grapevine phenology, grape composition, and wine production and quality for Bordeaux, France. Am. J. Enol. Vitic. 2000;51:249–261.
  9. de Orduña MR. Climate change associated effects on grape and wine quality and production. Food Res. Int. 2010;43:1844–1855.
  10. Jia G, Shevliakova E, Artaxo P, Noblet-Ducoudré D, Houghton R, House J, Kitajima K, Lennard C, Popp A, Sirin A. Land–climate interactions. In: Climate Change and Land: An IPCC Special Report on Climate Change, Desertification, Land Degradation, Sustainable Land Management, Food Security, and Greenhouse Gas Fluxes in Terrestrial Ecosystems. Shukla PR, Skea J, Buendia EC, Masson-Delmotte V, Pörtner H-O, Roberts DC, Zhai P, Slade R, Connors S, van Diemen R, editors. 2019. in press.
  11. AR6 Climate change 2022. Impacts, adaptation and vulnerability. Summary for policymakers. 2022, in press.
  12. Second assessment report of Roshydromet on climate change and its consequences on the territory of the Russian Federation. Moscow: Rosgidromet; 2014. (In Russ).
  13. Strategy for socio-economic development of the city of Sevastopol until 2030. Law of the city of Sevastopol. Sevastopol; 2017. (In Russ).
  14. Vyshkvarkova EV, Rybalko EA, Baranova NV, Voskresenskaya EN. Favorability Level Analysis of the Sevastopol Region’s Climate for Viticulture. Agronomy. 2020;10:1226. https://doi.org/10.3390/agronomy10091226
  15. Eyring V, Bony S, Meehl GA, Senior CA, Stevens B, Stouffer RJ, Taylor KE. Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization. Geosci. Model Dev. 2016;9:1937–1958. https://doi.org/10.5194/gmd-9-1937-2016
  16. Meinshausen M, Nicholls ZRJ, Lewis J, Gidden MJ, Vogel E, Freund M, Beyerle U, Gessner C, Nauels A, Bauer N, Canadell JG, Daniel JS, John A, Krummel PB, Luderer G, Meinshausen N, Montzka SA, Rayner PJ, Reimann S, Smith SJ, van den Berg M, Velders GJM, Vollmer MK, Wang RHJ. The shared socio-economic pathway (SSP) greenhouse gas concentrations and their extensions to 2500. Geosci. Model Dev. 2020;13:3571–3605. https://doi.org/10.5194/gmd-13-3571-2020
  17. O'Neill BC, Tebaldi C, van Vuuren DP, Eyring V, Friedlingstein P, Hurtt G, Knutti R, Kriegler E, Lamarque J-F, Lowe J, Meehl GA, Moss R, Riahi K, Sanderson BM. The Scenario Model Intercomparison Project (ScenarioMIP) for CMIP6. Geosci. Model Dev. 2016;9:3461–3482. https://doi.org/10.5194/gmd-9-3461-2016
  18. Riahi K, van Vuuren DP, Kriegler E, Edmonds J, O'Neil B, Fujimori S, Bauer N, Calvin K. The shared socioeconomic pathways and their energy, land use, and greenhouse gas emissions implications: An overview. Global Environmental Change. 2017;42:153–168. https://doi.org/10.1016/j.gloenvcha.2016.05.009
  19. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). Good Practice Guidance Paper on Assessing and Combining Multi Model Climate Projections; National Center for Atmospheric Research. Boulder: CO; 2010.
  20. Cabré F, Nuñez M. Impacts of climate change on viticulture in Argentina. Regional Environmental Change. 2020;20:12. https://doi.org/10.1007/s10113-020-01607-8
  21. Selyaninov GT. Agro-climatic map of the world. Leningrad: Gidrometeoizdat; 1966. (In Russ).
  22. Tonietto J, Carbonneau A. A multicriteria climatic classification system for grape-growing regions worldwide. Agricultural and Forest Meteorology. 2004;124(1–2):81–97.
  23. Rybalko EA. Adaptation of the mathematical model of the spatial distribution of the heat supply of the territory in order to effectively locate industrial vineyards on the territory of the Crimean Peninsula. Magarach. Vinogradarstvo i vinodelie. 2014;2:10–11. (In Russ).
  24. Smirnov KV, Maltabar LM, Radzhabov AK, Matuzok NV, Troshin LP. Vinogradarstvo: uchebnik. Moscow: Izd-vo MSHA; 2017. (in Russ).
  25. Davitaya FF. Climatic zones of grapes of the USSR. Moscow: Pishhepromizdat; 1948. (In Russ).
  26. Petrov VS, Aleynikova GYu. The influence of climate changes the grape phenology. Plodovodstvo i vinogradarstvo Juga Rossii. 2019;57(03):29–50. (In Russ). https://doi.org/10.30679/2219-5335-2019-3-57-29-50
  27. Tonietto J, Ruiz VS, Gomez-Miguel VD, editors. Clima, Zonification y Tipicidad del Vino en Regiones Vitivinicolas Iberoamericanas. Madrid: CYTED; 2012.
  28. Malheiro AC, Santos JA, Pinto JG, Jones GV. European viticulture geography in a changing climate. Bulletin de l’OIV. 2012;85:15–22.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2022 Vyshkvarkova E.V., Rybalko E.A., Marchukova O.V., Baranova N.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.