Exposure of mediterranean vineyards to tropospheric ozone: a modelling approach

Abstract

The main objective of this Thesis is to develop and evaluate a modeling system capable of simulating in detail the exposure and uptake of ambient ozone (O₃) by vineyards in Mediterranean environments. It also aims to contribute to the state of the art on the influence of climate in viticulture in the context of climate change. The selected study area was the Douro Demarcated Region (DDR) in Portugal. The assessment on climate change potential impact was based on WRF downscaled ERA-Interim and MPI-ESM-LR global simulations forced with a RCP8.5 GHG emission scenario, for recent-past (1986–2005) and future periods (2046–2065, 2081–2100). For the evaluation of phytotoxic risk due to ozone, a validation of a simulation with the WRF-CHIMERE system was carried out. This simulation covered a grapevine growing season from April to September 2017. In the same period, a field campaign was carried out, including measurements of ambient ozone, phenology, and leaf gas-exchange and water relations for the grapevine along representative vineyards of the study area. The field campaign indicated that the phytotoxicity threshold for ambient O₃ (40 ppb) was reached in all stages of grapevine development, including a sensitive period such as flowering. Regarding ambient O₃ exposure standards, the measured May-Jun AOT40, 8 ppm-h, exceeded the long-term objective for the protection of vegetation, 3 ppm-h, and was close to that established as a general annual standard by the 2002/03 and 2008/50 European Directives, 9 ppm-h. The validated ambient ozone simulations by the WRF-CHIMERE system also indicated that grapevine-specific thresholds for Jun-Sep AOT40 could be exceeded, mainly in the drier, warmer Douro Superior eastern subregion. On the other hand, the standard based on the phytotoxic ozone dose introduced into the plant, POD, also indicated risk of phytotoxicity, this time mostly located in the Baixo and Cima Corgo western DDR subregions. The POD risk had a lesser extension when adjusted to the physiological behavior of local grapevine varieties, mainly due to the inclusion of the plant water stress effect throughout the region. It has also been possible to relate the WRF-ERA recent-past climate simulations with vintage yield and quality in the DDR. The mid-term and long term WRF-MPI climate scenarios revealed shifts to warmer and drier conditions not remaining within the ranges for quality and production. Important conclusions of this work are the relevance of including phenological and physiological parametrizations of local grapevine varieties to refine standards related with ozone phytotoxic risk and climate change. A current limitation is the lack of valid O₃ exposure and dose-effect relationships for the grapevine.

O principal objectivo desta Tese consiste no desenvolvimento e validação de um sistema de modelação capaz de simular em detalhe a exposição e a absorção do ozono (O₃) ambiental pelas vinhas em ambientes mediterrânicos. Visa também contribuir para o estado da arte sobre a influência do clima na viticultura no contexto das alterações climáticas. A área de estudo seleccionada foi a Região Demarcada do Douro (DDR), em Portugal. A avaliação do impacto potencial das alterações climáticas baseou-se no refinamento da resolução das simulações globais de ERA-Interim e MPI-ESMLR, forçadas com um cenário de emissão de GEE RCP8.5 para períodos recentes (1986-2005) e futuros (2046-2065, 2081-2100), recorrendo ao modelo WRF. Para a avaliação do risco fitotóxico devido ao ozono, foi efetuada uma validação de uma simulação do sistema WRF-CHIMERE. Esta simulação abrangeu um período de crescimento para as vinhas entre Abril e Setembro de 2017. No mesmo período, foi realizada uma campanha experimental, incluindo medições do ozono ambiente, fenologia, troca de gases foliares e relações de água, ao longo de vinhas representativas da área de estudo. A campanha indicou que o limiar de fitotoxicidade para O₃ ambiental (40 ppb) foi atingido em todas as fases de desenvolvimento das vinhas, incluindo um período sensível como a floração. Em relação aos padrões de exposição ambiental ao O₃, o indicador AOT40 entre Maio-Junho, 8 ppm-h, excedeu o objetivo a longo prazo para a proteção da vegetação, 3 ppm-h, e aproximou-se do estabelecido como norma geral anual pelas Diretivas Europeias 2002/03 e 2008/50, 9 ppm-h. As simulações de ozono ambiente, validadas pelo sistema WRF-CHIMERE, também indicaram que os limiares específicos para as vinhas, para AOT40 entre Junho-Setembro, podiam ser excedidos, principalmente na sub-região mais seca e quente mais oriental da DDR, o Douro Superior. Por outro lado, o padrão baseado na dose de ozono fitotóxico introduzida na planta, POD, indicou também risco de fitotoxicidade, principalmente nas sub-regiões ocidentais da DDR, o Baixo Corgo e o Cima Corgo. O risco indicado pelo POD teve uma menor extensão quando ajustado ao comportamento fisiológico das castas de videira locais, sobretudo devido à inclusão do efeito de stress hídrico das plantas em toda a região. Os resultados das simulações climáticas WRFERA para o período recente revelaram também uma relação coerente com o rendimento e qualidade da vinha na DDR em clima presente. Os cenários climáticos de médio e longo prazo do WRF-MPI indicaram uma tendência para condições mais quentes e secas, que propiciarão valores de produção e de qualidade inferiores aos recomendados. Conclusões importantes deste trabalho são a relevância de incluir parametrizações fenológicas e fisiológicas das castas de videira locais para refinar as normas relacionadas com o risco fitotóxico do ozono e as alterações climáticas. Uma limitação atual é a falta de relações exposição ou dose-efeito válidas para o O₃ e as vinhas.