甘肅河西走廊釀酒葡萄栽培區(qū)旱情時空特征差異分析

李雅善，王振吉＊，王艷君，李 華，王 波，范樹國

（1.楚雄師范學院 化學與生命科學學院，云南 楚雄675000；2.西北農(nóng)林科技大學 葡萄酒學院，陜西 楊陵712100）

甘肅省是我國重要的釀酒葡萄原料生產(chǎn)基地之一，根據(jù)《甘肅省葡萄酒產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2010-2020年）》，到2020年釀酒葡萄種植面積將達到3.33萬hm2左右。甘肅省釀酒葡萄栽培區(qū)域主要集中在河西走廊地區(qū)，特別是廣大沿沙漠地區(qū)是世界釀酒葡萄原料的最佳產(chǎn)區(qū)之一。河西走廊地處西北內(nèi)陸，年蒸發(fā)量大，降雨稀少。雨水的短缺致使旱災(zāi)頻發(fā)，而旱災(zāi)也成為制約該區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的最主要的自然災(zāi)害，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境影響較大［1］。水分是葡萄生存的重要因子，也是釀酒葡萄產(chǎn)量和質(zhì)量形成的重要因素［2］。干旱不僅造成植株生物量和光合作用降低，而且也打破了植株內(nèi)源激素的平衡，從而影響釀酒葡萄的產(chǎn)量和質(zhì)量［3-4］。如何有效防控旱災(zāi)，成為區(qū)內(nèi)釀酒葡萄生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前用于分析農(nóng)業(yè)干旱的指標較多，有降水量指標、土壤含水量指標、作物旱情指標、作物需水指標、Palmer指標等［5］。作物水分虧缺指數(shù)（CWDI）是表征作物水分虧缺程度的指標之一，其能較好地反映土壤、植物和氣象三因素的綜合影響，真實地反映出作物水分虧缺狀況［6］。前人將作物水分虧缺指數(shù)這一指標應(yīng)用于農(nóng)業(yè)旱情災(zāi)害的分析中，并取得了一系列成果［7-11］。但是這些研究資料中的研究對象多集中于小麥、玉米和油菜等糧油作物，而在將作物水分虧缺指數(shù)分析法應(yīng)用于釀酒葡萄等經(jīng)濟果木尚屬空白。本研究利用作物水分虧缺指數(shù)這一指標，以氣象資料為基礎(chǔ)，通過Arcgis軟件的空間分析功能及Mann-Kendall檢測方法，以期得出河西走廊地區(qū)釀酒葡萄栽培區(qū)旱情時空分布特征，量化生育期內(nèi)不同階段水分虧缺的實際情況，為區(qū)內(nèi)釀酒葡萄優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)、灌溉安排及災(zāi)害防控等提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域的確定

河西走廊位于甘肅省西北部祁連山和北山之間，又叫甘肅走廊。東西長約1 200km，南北寬約100～200km。該區(qū)氣候干燥、冷熱變化劇烈，風大沙多。云量稀少，日照時間較長。光照資源豐富，對作物的生長發(fā)育十分有利。甘肅釀酒葡萄種植區(qū)域主要分布在河西走廊地區(qū)，河西走廊地區(qū)包括武威、張掖、金昌、酒泉和嘉峪關(guān)五市（圖1）。

1.2 氣象數(shù)據(jù)采集

氣象資料來源于國家氣象局，選取甘肅省河西走廊地區(qū)19個氣象站點1959-2008年50a間4月下旬-10月中旬的逐日氣象資料，包括日最高氣溫、日最低氣溫、日平均氣溫、降水量、日照時數(shù)、相對濕度、平均風速等。

圖1 甘肅河西走廊釀酒葡萄種植區(qū)Fig.1 Wine grape planting areas in Hexi corridor of Gansu

1.3 釀酒葡萄生育階段的劃分

根據(jù)已有的研究資料［12-13］及當?shù)氐膶嶋H情況，確定出甘肅河西走廊地區(qū)釀酒葡萄的平均生育期，即萌芽期在4月下旬，新梢生長期為5月上中旬，5月下旬至6月上旬為開花坐果期，從6月中旬開始到7月中旬為漿果生長期，7月下旬至9月中旬為漿果成熟期，9月下旬至10月中旬為新梢成熟及落葉期。

1.4 釀酒葡萄水分虧缺指數(shù)的計算方法

根據(jù)水分虧缺指數(shù)（CWDI）的定義和計算方法，采用下式計算：

式中，CWDI——釀酒葡萄生育期按旬時段計算的累計水分虧缺指數(shù)，分別計算4月下旬至10月中旬共18旬，由于作物干旱主要體現(xiàn)為累積效應(yīng)，一般計算連續(xù)5旬的作物虧缺指數(shù)；CWDIi、CWDIi-1、CWDIi-2、CWDIi-3、CWDIi-4分別為該旬及前4旬水分虧缺指數(shù)；a、b、c、d、e分別為對應(yīng)旬的累積權(quán)重系數(shù)，取值分別為0.3、0.25、0.2、0.15、0.1。

參考黃晚華［8］等的研究方法，CWDIi表示為：

式中，CWDIi為第i旬釀酒葡萄水分虧缺指數(shù)（%）；ETci為該旬釀酒葡萄的需水量（mm），為逐日需水量的累加值；Pi為該旬的有效降雨量（mm）；Ki為有效降水量遠大于需水量時的水分盈余系數(shù)。

CWDI的計算分3種情況考慮：當釀酒葡萄需水量（ETc）大于有效降水量（P）時，發(fā)生水分虧缺，CWDI為正值；當釀酒葡萄需水量（ETc）小于有效降水量（P），且有效降水量不大時（Pi＜30mm），不發(fā)生水分虧缺，CWDI為0；有效降水量遠大于釀酒葡萄需水量（河西走廊地區(qū)釀酒葡萄近50a平均旬需水量約為30mm）時，參考黃晚華［8］等、尹海霞［9］等的方法，分3個量級計算盈余的不同效應(yīng)。即：

1.5 釀酒葡萄需水量及作物系數(shù)的確定

作物需水量用FAO推薦方法計算，即

式中，ETc為作物需水量（mm）；ET0為潛在蒸散量（mm）；Kc為作物系數(shù)。

日潛在蒸散量采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計算，即

式中，Rn為冠層表明凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）；T 為日平均氣溫（℃）；es為飽 和水汽壓 （kPa）；ea為實際 水 汽 壓（kPa）；Δ為飽和水汽壓—氣溫關(guān)系曲線在T處的切線斜率（kPa／℃）；γ為濕度計常數(shù)（kPa／℃）；U2為2m高處的風速（m·s-1）。

由于缺少當?shù)蒯劸破咸炎魑锵禂?shù)的實測資料，因此，利用FAO提供的釀酒葡萄基礎(chǔ)作物系數(shù)，并根據(jù)各地歷年的實際氣候情況進行了必要的調(diào)整，F(xiàn)AO在確定作物系數(shù)時將釀酒葡萄的初始生長期、快速發(fā)育期、生長中期和生長末期的時長跨度分別為20、50、60d和50d。

1.6 干旱等級劃分及干旱頻率計算

基于作物水分虧缺指數(shù)的釀酒葡萄干旱評價分級參照國家標準《農(nóng)業(yè)干旱等級》，并根據(jù)釀酒葡萄實際情況，確定其干旱等級劃分（表1）。依據(jù)已有研究資料［14-15］，確定釀酒葡萄水分臨界期為萌芽期和漿果生長期。

表1 作物水分虧缺指數(shù)的農(nóng)業(yè)干旱等級Table 1 Agricultural drought grades of crop water deficit index（CWDI）

按旬計算不同生育期干旱發(fā)生的頻率［9］：

式中，n為該生育階段出現(xiàn)干旱的年數(shù)；N為統(tǒng)計的總年數(shù)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

用Excel進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，采用Arcgis軟件柵格數(shù)據(jù)空間分析模塊中普通克里金插值的方法，對研究區(qū)不同階段釀酒葡萄的作物水分虧缺指數(shù)統(tǒng)計量進行插值，得到干旱等級分布圖。文中CWDI變化趨勢及趨勢檢測圖均利用origin8.0專業(yè)制圖軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 釀酒葡萄生長季內(nèi)干旱變化特征

2.1.1 釀酒葡萄生長季內(nèi)水分虧缺指數(shù)變化特征

由前述方法分別按旬計算出甘肅河西走廊地區(qū)釀酒葡萄全生育期各個階段的作物需水量（ETc）、降雨量（Pi）和水分虧缺指數(shù)（CWDI），獲得區(qū)內(nèi)19個站點50a來的平均值（圖2）。

由圖2可見，甘肅河西走廊地區(qū)釀酒葡萄生長季內(nèi)各旬降水量均較少，旬降雨量均在15mm以下，其中降雨相對較多的時段分布在6月下旬-9月上旬，在7月上旬平均降水量最大，達14.6mm，基本呈現(xiàn)出峰行的態(tài)勢，但由于總體水平較低，旬間相差幅度不大。在釀酒葡萄生長過程中，旬需水量也呈現(xiàn)出明顯的峰行的趨勢，從4月下旬萌芽期開始需水量逐漸增加，到7月中旬達到最大值40.0 mm，隨后逐漸下降。對比需水量與降雨量的圖柱可以發(fā)現(xiàn)，各旬的降水量遠遠不能滿足釀酒葡萄的水分需求，但由于新梢生長期需水量的增加增快，與降水量增加幅度不同，至前期水分缺口較大，CWDI值增加較快，至6月中旬釀酒葡萄開花坐果期達到峰值68.43%，然后隨著雨季來臨略有減小，但仍然保持高于60%以上的水平。總體上看，由于降水不足，導(dǎo)致甘肅河西走廊地區(qū)釀酒葡萄生長季CWDI在生殖生長階段都處于高位，缺水現(xiàn)象嚴重。

圖2 研究區(qū)釀酒葡萄生長季旬需水量（ETc）、降水量（Pi）和水分虧缺指數(shù)（CWDI）的變化過程（19站50 a平均值）Fig.2 Variation course of crop evapotranspiration（ETc），precipitation（Pi）and crop water deficit index（CWDI）of each 10-day during wine grape growth stage in the study area

2.1.2 釀酒葡萄各生育階段干旱頻率的發(fā)生特征

由公式計算出整個河西走廊地區(qū)及其典型氣象站點各生育期不同等級干旱發(fā)生的頻率（表2）。

從河西走廊地區(qū)不同等級干旱頻率上看，河西走廊輕旱和中旱的發(fā)生頻率除萌芽期稍高外，其余生育階段都相對較低。重旱發(fā)生頻率在萌芽期較低，而在新梢生長期較高。特旱發(fā)生頻率除萌芽期沒發(fā)生外，其余階段都較高，尤以漿果生長期為甚，幾乎達到每年必發(fā)的程度。整體來看，輕旱發(fā)生頻率較低，而特旱發(fā)生頻率較高。具體來說，輕旱發(fā)生頻率為0%～28%，中旱發(fā)生頻率為0%～68%，重旱發(fā)生頻率為0%～58%，特旱發(fā)生頻率為0%～98%。

表2 甘肅河西走廊地區(qū)及典型站點釀酒葡萄不同生育期干旱頻率變化Table 2 Variations of drought frequency at different growth stages of wine grape in the whole Hexi corridor and typical stations of Gansu %

從不同典型站點來看，輕旱的發(fā)生頻率由東往西大致呈降低趨勢，中旱發(fā)生頻率的地域變化則規(guī)律性不強。重旱發(fā)生頻率明顯呈東高西低的現(xiàn)象，而特旱發(fā)生頻率則與此相反。這表明河西走廊地區(qū)偏西地區(qū)的旱情較東部地區(qū)的旱情嚴重。

從不同生育階段上來看，輕旱和中旱的發(fā)生頻率在萌芽期較高，隨后迅速降低。而重旱和特旱發(fā)生頻率在萌芽期較低，而后迅速增加。這是因為無旱、輕旱、中旱、重旱和特旱是 “此增彼減”的，但其值總和為1。由于在萌芽期旱情相對較輕，因此旱情集中于輕旱和中旱上。接著，旱情逐漸加重，重旱和特旱的發(fā)生頻率快速增加，這就造成了輕旱和中旱發(fā)生頻率迅速降低。顯見，這種輕旱和中旱發(fā)生頻率降低的現(xiàn)象并不代表旱情的減輕，恰恰相反，則是旱情加重的寫照。

2.2 基于作物水分虧缺指數(shù)的干旱變化

2.2.1 基于作物水分虧缺指數(shù)的釀酒葡萄干旱空間分布 依據(jù)農(nóng)業(yè)干旱等級對作物水分虧缺指數(shù)范圍的劃分，以Arcgis軟件為手段，分析獲得甘肅河西走廊地區(qū)釀酒葡萄不同生長階段的干旱等級空間分布圖（圖3）。由圖3可知，近50a來，在釀酒葡萄的萌芽期（圖3a），只有2個旱情等級，即輕旱和中旱。其中輕旱區(qū)域分布在肅南、張掖、山丹、永昌和武威一線以南，其他地方則屬于中旱區(qū)域。在新梢生長期（圖3b），旱情等級迅速增加，主要表現(xiàn)為重旱和特旱等級面積占該區(qū)面積80%以上，特旱區(qū)域更是超過一半比例，輕旱和中旱區(qū)域主要分布在肅南、民樂、永昌和武威一線以南。在開花坐果期（圖3c），特旱面積進一步增大占到該區(qū)總面積的80%以上，重旱、中旱和輕旱區(qū)域主要分布在肅南、民樂、永昌和武威一線以南，且向南呈旱情遞減趨勢。漿果生長期（圖3d），特旱所占面積發(fā)展到最大，占全區(qū)的90%以上，在其東南部的古浪、烏鞘嶺一帶旱情相對較輕，但是所占面積比例較小。在漿果成熟期（圖3e），特旱面積有所退卻，保持在肅南、山丹、永昌和武威一線以北，在該線以南，旱情等級逐次遞減，至烏鞘嶺一帶時，則出現(xiàn)了無旱的區(qū)域。在新梢成熟及落葉期（圖3f），河西走廊全區(qū)旱情與漿果成熟期時相比，特旱區(qū)域略微擴大，中旱和無旱區(qū)域有所減小，輕旱和重旱面積基本保持不變，整體來看，該期旱情比漿果成熟期稍微嚴重。

圖3 甘肅河西走廊地區(qū)釀酒葡萄不同生長階段干旱等級空間分布Fig.3 Spatial distribution of drought grade at different growth stages of wine grape in Hexi corridor of Gansu

2.2.2 基于作物水分虧缺指數(shù)的釀酒葡萄干旱年際變化趨勢 選取整個河西走廊地區(qū)釀酒葡萄的萌芽期和漿果生長期這2個需水關(guān)鍵期，利用Mann-Kendall方法［16］對這2個生育階段的作物水分虧缺指數(shù)的年際變化特征進行分析，分析結(jié)果見圖4。

在利用Mann-Kendall方法檢測變化趨勢時，UF＞0，表示有上升趨勢，UF＜0，則表示有下降趨勢。同時，利用Mann-Kendall方法也可進行突變點分析，當UF與UB有交點且交點在顯著水平的臨界線之間時，該點即為突變開始點。在釀酒葡萄萌芽期作物水分虧缺指數(shù)年際變化檢測中（圖4a），整體來看，萌芽期作物水分虧缺指數(shù)在20世紀70年代中期以前是不斷下降的，其后則時而上升，時而下降，但都在0附近反復(fù)振蕩。具體來說，1974-1975、1984-1989、1993-1997、1999-2000、2006年萌芽期作物水分虧缺指數(shù)有上升趨勢，其他年份則都是下降趨勢，尤其是在1960-1965年下降趨勢顯著，達到0.05顯著水平。由于UF在20世紀70年代中期以后的反復(fù)振蕩，勢必會造成多個突變點的出現(xiàn)，這在圖4a中清晰地顯示出來，共有4個突變點，分別是在1984年、1986年、1991年、1994年，1984年和1991年是上升趨勢的突變開始點，而1986年和1994年則是下降趨勢開始的突變點，但是無論上升還是下降持續(xù)時間都不長。

漿果生長期的M-K檢測圖（圖4b），該圖表示內(nèi)容較為簡單，很明顯，從1959年開始，漿果生長期的作物水分虧缺指數(shù)一直處于下降趨勢，并且在1979-1983、1985-2003年下降趨勢達到0.05顯著水平。同時，這種下降趨勢還是一種突變現(xiàn)象，具體的突變時間是從1960年開始的。

圖4 甘肅河西走廊釀酒葡萄生育階段CWDI的M-K檢測曲線Fig.4 Variations of Mann-Kendall test of CWDI in growth stages for wine grape in Hexi corridor of Gansu

3 結(jié)論與討論

河西走廊釀酒葡萄生育期內(nèi)，作物需水量和降水量均呈峰行變化趨勢，尤以需水量變化更加顯著。而作物水分虧缺指數(shù)則在生長開始后迅速上升，隨后則一直維持在高位，且在生長季末期持續(xù)走高，至10月中旬達到最大。在這3個要素的變化中，釀酒葡萄水分虧缺指數(shù)的變化趨勢與其他作物的差別較大，如春玉米［8-9，11］，這些研究中，CWDI的走向或者是正“V”形，或者是倒“V”形，沒有出現(xiàn)本文中的變化趨勢。這可能與當?shù)貧夂?、作物種類、生育期等有關(guān)，其中最主要的應(yīng)該是生育期的不同。因為對糧食作物來說，都是1年生作物，而釀酒葡萄則是多年生的，糧食作物在收獲后其植株已被或很快被收割，而釀酒葡萄在采收后植株上的葉片還要持續(xù)很長一段時間才霜打脫落。

就不同生育階段不同等級的旱情發(fā)生頻率而言，萌芽期中旱發(fā)生頻率較高，新梢生長期重旱發(fā)生頻率較高，而其后階段特旱發(fā)生頻率較高，尤其是在漿果生長期，特旱頻率幾乎達到100%。這從側(cè)面說明了該區(qū)干旱威脅的嚴重性，因此應(yīng)通過灌溉來補充水分。鑒于該區(qū)水資源較為短缺，建議采用綜合節(jié)水措施來提高水分利用效率和經(jīng)濟效益，如滴灌、覆膜、調(diào)虧灌溉、部分根區(qū)干燥、坑滲、雨水搜集等。

從作物水分虧缺指數(shù)角度空間分布角度分析，其特點是萌芽期旱情相對較輕，其他生育階段旱情較重；特旱、重旱占比較大，持續(xù)時間長，無旱區(qū)域較小，持續(xù)時間較短。在漿果生長期旱情最為嚴重，該期是葡萄產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期，必須保證足夠的水分。而漿果成熟期，則要保持適當?shù)母珊?，這有利于釀酒葡萄品質(zhì)提高［2］。

近50a來，該區(qū)釀酒葡萄萌芽期的作物水分虧缺指數(shù)的年際變化較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)在20世紀80年代以前幾乎都是下降趨勢，此后變化趨勢呈現(xiàn)在0附近反復(fù)振蕩。由于本文是基于氣象資料進行分析研究的，為了分析這一變化趨勢，仍然在氣候變化中尋找原因。根據(jù)王澄海［17］等的研究結(jié)果，20世紀80年代以來我國西北地區(qū)氣候存在著反復(fù)變化，這一結(jié)果似乎與本文的研究結(jié)果存在著內(nèi)在相關(guān)性。漿果生長期作物水分虧缺指數(shù)的年際變化則較為簡單，從1929年開始一直處于下降的趨勢，這一趨勢是突變現(xiàn)象，突變開始的時間是1960年。根據(jù)已有研究資料［18-19］，20世紀50年代以來我國河西走廊及西部地區(qū)年降水量呈逐漸增加的趨勢，而降雨主要分布在夏季，這也造成了釀酒葡萄生長季期間降水量增多，這一原因能很好地解釋漿果生長期作物水分虧缺指數(shù)年際變化是一直下降的這一現(xiàn)象。

河西走廊地區(qū)是我國重要的釀酒葡萄原料生產(chǎn)基地，但是，水資源短缺成為該區(qū)葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸因素之一。因此，當?shù)卣谶M行產(chǎn)業(yè)規(guī)劃時應(yīng)充分考慮區(qū)內(nèi)水資源的承載能力，并進行合理的調(diào)水配水，尤其是在釀酒葡萄漿果生長期應(yīng)給予足夠的水分供應(yīng)。河西走廊除其東南部旱情不太嚴重外，其余地區(qū)在釀酒葡萄生育期內(nèi)都存在相對嚴重的干旱，且多數(shù)地區(qū)幾乎都是每年必旱，應(yīng)合理規(guī)劃，統(tǒng)籌安排，確保經(jīng)濟效益與生態(tài)效益均衡發(fā)展。

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