寧夏釀酒葡萄晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)研究

張 磊 ，曹 寧 ，段曉鳳 ，李紅英 ，馬國(guó)飛 ，郭曉雷

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；3.銀川市氣象局，寧夏 銀川 750002）

寧夏的賀蘭山東麓是繼河北昌黎、山東煙臺(tái)之后，第3個(gè)被國(guó)家認(rèn)定為葡萄酒原產(chǎn)地保護(hù)認(rèn)證的產(chǎn)區(qū)，是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的釀酒葡萄最佳產(chǎn)區(qū)之一，屬于世界優(yōu)質(zhì)釀酒葡萄種植的“黃金地帶”[1-2]，在國(guó)際上和國(guó)內(nèi)的影響越來(lái)越大。賀蘭山東麓產(chǎn)區(qū)的地域優(yōu)勢(shì)得到了寧夏自治區(qū)政府和領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，自治區(qū)政府和行業(yè)主管部門相繼制定了一系列法規(guī)、政策大力發(fā)展葡萄酒產(chǎn)業(yè)，先后印發(fā)了《賀蘭山東麓葡萄酒原產(chǎn)地域保護(hù)管理辦法》、《關(guān)于加快葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》等文件[3-4]；全國(guó)第1部葡萄酒產(chǎn)區(qū)保護(hù)法規(guī)《寧夏賀蘭山東麓葡萄酒產(chǎn)區(qū)保護(hù)條例》，于2012年12月5日被自治區(qū)十屆人大常委會(huì)審議通過(guò)。截至2015年底，寧夏釀酒葡萄種植面積達(dá)3.3萬(wàn)hm2，占全國(guó)總面積的30%以上，位列國(guó)內(nèi)第一；產(chǎn)量20萬(wàn)t，葡萄酒加工能力近27萬(wàn)t，共建設(shè)酒莊達(dá)185家，綜合產(chǎn)值達(dá)65億元，釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)已成為寧夏最重要的優(yōu)勢(shì)特色產(chǎn)業(yè)之一。寧夏計(jì)劃“十三五”期間繼續(xù)大力發(fā)展釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)，力爭(zhēng)在2020年形成總規(guī)模達(dá)6.7萬(wàn)hm2的葡萄產(chǎn)業(yè)帶，使賀蘭山東麓成為世界級(jí)的葡萄產(chǎn)業(yè)帶及文化長(zhǎng)廊。

雖然寧夏賀蘭山東麓地區(qū)有著發(fā)展釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，釀酒葡萄種植面積逐年擴(kuò)大，但是，由于位居西北內(nèi)陸，冬季寒冷、春秋冷空氣活動(dòng)頻繁、氣溫起伏大，該地區(qū)極易遭受低溫凍害的影響，給釀酒葡萄生產(chǎn)造成重大損失。其中，春季霜凍害（晚霜凍）一直是寧夏釀酒葡萄生產(chǎn)中最主要的災(zāi)害之一，嚴(yán)重制約著產(chǎn)業(yè)發(fā)展[5-6]。例如1991年5月1—2日強(qiáng)大的西伯利亞寒流，使寧夏葡萄產(chǎn)業(yè)遭受百年不遇的特大劫難，玉泉營(yíng)農(nóng)場(chǎng)數(shù)百公頃葡萄園嚴(yán)重受損，葡萄樹(shù)大量死亡；2004年5月3—4日出現(xiàn)的晚霜凍，其強(qiáng)度雖不及1991年那樣劇烈，但由于當(dāng)時(shí)正在大力發(fā)展釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)，種植面積較大，也給葡萄產(chǎn)業(yè)帶來(lái)巨大損失，全區(qū)受災(zāi)面積超過(guò)0.13萬(wàn)hm2，產(chǎn)量損失達(dá)30%以上；2008年4月22—24日出現(xiàn)的連續(xù)霜凍使賀蘭山東麓已放條的葡萄70%以上受凍；而2010，2012，2013年春季出現(xiàn)的霜凍天氣均給釀酒葡萄生產(chǎn)帶來(lái)較大損失。

開(kāi)展寧夏特別是賀蘭山東麓產(chǎn)區(qū)釀酒葡萄晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)研究工作，評(píng)估其氣候風(fēng)險(xiǎn)狀況，進(jìn)行氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃，可為寧夏釀酒葡萄霜凍災(zāi)害防御及發(fā)展規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展過(guò)水稻、小麥、玉米、大豆的霜凍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃工作，在經(jīng)濟(jì)林果上開(kāi)展了蘋果、杏、蜜桃等的霜凍風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃[7-15]，尚未見(jiàn)到關(guān)于釀酒葡萄的晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)研究工作。

本試驗(yàn)以寧夏的釀酒葡萄晚霜凍害為研究對(duì)象，分析并選取晚霜凍害的氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子，構(gòu)建氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，開(kāi)展寧夏釀酒葡萄的氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 資料和霜凍指標(biāo)

1.1 資料來(lái)源

選取寧夏引黃灌區(qū)和中部干旱帶16個(gè)臺(tái)站1961—2015年55 a的逐日最低氣溫資料，包括陶樂(lè)、惠農(nóng)、平羅、賀蘭、銀川、永寧、靈武、吳忠、青銅峽、中寧、中衛(wèi)、鹽池、同心、興仁、海原和麻黃山氣象站。南部山區(qū)各地由于不適宜釀酒葡萄種植，目前尚未種植釀酒葡萄，因此，不做分析。

1.2 釀酒葡萄晚霜凍氣候指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)時(shí)段

一般情況下，作物最容易發(fā)生霜凍危害的溫度是氣溫降到0℃以下[16]。在國(guó)內(nèi)主要葡萄產(chǎn)區(qū)的晚霜凍害的調(diào)查結(jié)果顯示，當(dāng)日最低氣溫低于0℃時(shí)，葡萄的嫩梢、開(kāi)放的芽、花序等器官就會(huì)受凍[17]，溫度越低，受害越重；在寧夏賀蘭山東麓地區(qū)的葡萄霜凍調(diào)查也有類似的結(jié)論。因此，本研究將0℃作為統(tǒng)計(jì)寧夏釀酒葡萄晚霜凍的界限溫度。寧夏氣象科研所于2015—2016年利用霜凍試驗(yàn)箱開(kāi)展了釀酒葡萄霜凍指標(biāo)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)-4℃的低溫持續(xù)1 h，釀酒葡萄的開(kāi)放芽、新梢和花序即會(huì)受到嚴(yán)重凍害，并且無(wú)法恢復(fù)，同時(shí)，在各葡萄產(chǎn)區(qū)實(shí)際的霜凍調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，如果日最低氣溫低于-3℃，一般情況下葡萄受凍會(huì)非常嚴(yán)重。為了方便統(tǒng)計(jì)分析研究且更好地反映不同程度晚霜凍對(duì)釀酒葡萄的影響，將2℃作為一個(gè)等級(jí)，對(duì)寧夏釀酒葡萄晚霜凍作輕、中、重分級(jí)，因此，本研究采用的釀酒葡萄晚霜凍的氣候指標(biāo)為：輕霜凍，-2℃＜Tmin≤0℃；中霜凍，-4℃＜Tmin≤-2℃；重霜凍，Tmin≤-4℃，其中，Tmin為氣象站觀測(cè)的日最低氣溫。寧夏的釀酒葡萄芽開(kāi)放一般在4月中旬，開(kāi)花期一般在5月下旬至6月上旬，寧夏中北部地區(qū)的晚霜凍結(jié)束日期最遲在5月下旬，為了不遺漏，在統(tǒng)計(jì)晚霜凍日數(shù)時(shí)，選擇的時(shí)段為4月15日至6月15日。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)因子和評(píng)價(jià)模型

2.1 評(píng)價(jià)因子

影響釀酒葡萄晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)高低的氣候因子很多，頻率、日數(shù)及其相應(yīng)的程度等級(jí)是其中最為重要的幾個(gè)因子，可以分別用不同程度晚霜凍發(fā)生的頻率及日數(shù)構(gòu)建出兩類評(píng)價(jià)指標(biāo)因子：晚霜凍頻率指數(shù)和晚霜凍日數(shù)指數(shù)。

2.1.1 晚霜凍頻率指數(shù)

2.1.1.1 不同程度晚霜凍的發(fā)生頻率 霜凍發(fā)生頻率指在一定年限內(nèi)霜凍年占總年數(shù)的百分率。

式中，P為頻率；i為晚霜凍發(fā)生年數(shù)；N為總年數(shù)，此處為55。此處需要分別計(jì)算出輕、中、重霜凍的發(fā)生頻率，分別用 P1，P2，P3表示。

2.1.1.2 晚霜凍綜合頻率指數(shù) 晚霜凍綜合頻率指數(shù)是指不同級(jí)別晚霜凍頻率的加權(quán)平均值，計(jì)算公式如下。

式中，PI為晚霜凍綜合頻率指數(shù)；n代表霜凍級(jí)別，其中，1代表輕霜凍，2代表中霜凍，3代表重霜凍；Wn為對(duì)應(yīng)級(jí)別晚霜凍的權(quán)重系數(shù)；Pn為對(duì)應(yīng)級(jí)別晚霜凍的發(fā)生頻率。采用專家經(jīng)驗(yàn)法確定不同霜凍級(jí)別晚霜凍的權(quán)重系數(shù)，從低到高三者權(quán)重比設(shè)定為1∶2∶3，因此，輕霜凍、中霜凍、重霜凍的權(quán)重系數(shù)分別為0.17，0.33和0.50。

2.1.2 晚霜凍綜合日數(shù)指數(shù) 晚霜凍綜合日數(shù)指數(shù)是指不同級(jí)別晚霜凍日數(shù)的加權(quán)平均值，計(jì)算公式如下。

式中，DI為晚霜凍綜合日數(shù)指數(shù)；Dn為對(duì)應(yīng)級(jí)別晚霜凍的日數(shù)，此處需要分別計(jì)算出每年輕、中、重霜凍的發(fā)生日數(shù)，然后求取多年平均值。公式（3）中的權(quán)重系數(shù)確定方法同公式（2）。

2.2 晚霜凍綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

為了綜合反映釀酒葡萄晚霜凍的氣候風(fēng)險(xiǎn)，將2.1中經(jīng)過(guò)計(jì)算的綜合頻率指數(shù)和綜合日數(shù)指數(shù)2個(gè)有代表意義的氣候風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，進(jìn)行極差歸一化處理后，消除量綱影響，然后采用等權(quán)重求平均方法，得到釀酒葡萄晚霜凍的氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值。其氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)模型如下。

式中，Q為釀酒葡萄晚霜凍綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)；SPI為晚霜凍綜合頻率指數(shù)極差歸一化值；SDI為晚霜凍綜合日數(shù)指數(shù)極差歸一化值。極差歸一化公式如（5）式。

式中，Xi為歸一化后的值；X為原始值；Xmax樣本中的最大值；Xmin為樣本中的最小值。

3 結(jié)果與分析

3.1 晚霜凍頻率及綜合頻率指數(shù)

表1 各站不同級(jí)別霜凍頻率及綜合頻率指數(shù)值

通過(guò)公式（1），（2）計(jì)算的各站不同級(jí)別霜凍的發(fā)生頻率及綜合頻率指數(shù)值列于表1。

由表1可知，各站輕霜凍頻率在36.4%～87.3%，其中，興仁站最高，中寧站最低；中霜凍頻率在14.5%～60.0%，其中，興仁站最高，吳忠站和青銅峽站最低；重霜凍頻率在7.3%～45.5%，其中，興仁站最高，永寧和銀川站最低。從各級(jí)別霜凍頻率來(lái)看，輕霜凍頻率＞中霜凍頻率＞重霜凍頻率。綜合頻率指數(shù)值在0.158～0.574，其中，興仁站最高，吳忠站最低。

3.2 晚霜凍日數(shù)及綜合日數(shù)指數(shù)

通過(guò)公式（3），（4）計(jì)算的各站不同級(jí)別霜凍的年均日數(shù)及綜合日數(shù)指數(shù)值列于表2。各站輕霜凍日數(shù)在0.58～2.62 d/a，其中，興仁站最多，賀蘭站、永寧站、吳忠站和中寧站最少；中霜凍日數(shù)在0.16～1.16 d/a，其中，興仁站最多，吳忠站和青銅峽站最少；重霜凍日數(shù)在0.09～0.89 d/a，其中，興仁站最多，銀川和同心站最少。從各級(jí)別霜凍日數(shù)來(lái)看，輕霜凍日數(shù)＞中霜凍日數(shù)＞重霜凍日數(shù)。綜合日數(shù)指數(shù)值在0.217～1.275，其中，興仁站最高，吳忠站最低。

表2 各站不同級(jí)別霜凍日數(shù)及綜合日數(shù)指數(shù)值

3.3 晚霜凍綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)分析

利用公式（5）計(jì)算了各站釀酒葡萄綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值，采用K-means聚類方法將氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)值進(jìn)行分類，以相鄰聚類中心值的平均值為標(biāo)準(zhǔn)，制定了晚霜凍綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)（表3），根據(jù)制定的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各站的氣候風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了劃分，結(jié)果如表4所示。

表3 釀酒葡萄晚霜凍綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)分類指標(biāo)

表4 各站釀酒葡萄綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)及等級(jí)

利用GIS技術(shù)，制作了寧夏釀酒葡萄晚霜凍綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，結(jié)果如圖1所示。從區(qū)劃結(jié)果看，釀酒葡萄晚霜凍的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在興仁及海原南部，次高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在陶樂(lè)、鹽池東部、沙坡頭西部、海原中部和同心南部等地，中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在惠農(nóng)東部、平羅東部、鹽池中西部、靈武東部、同心中部和海原北部等地，次低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在大武口、平羅西部、靈武西部、山坡頭東北部、同心西北部等地，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在平羅西南部、賀蘭、銀川、永寧、吳忠、青銅峽、中寧和同心北部。

4 討論和結(jié)論

4.1 討論

由于影響作物霜凍災(zāi)害的因素很多，溫度、品種、灌溉條件、樹(shù)齡、樹(shù)勢(shì)、地形等都會(huì)對(duì)霜凍發(fā)生與否及發(fā)生程度產(chǎn)生影響，因此，想要綜合、準(zhǔn)確地評(píng)估作物晚霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大小是非常困難的。在實(shí)際研究工作中，常常利用長(zhǎng)期的氣候觀測(cè)資料，結(jié)合某一作物霜凍災(zāi)害的氣候指標(biāo)，對(duì)其氣候風(fēng)險(xiǎn)大小進(jìn)行評(píng)估。在開(kāi)展寧夏釀酒葡萄晚霜凍的氣候風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究中，分別選取不同級(jí)別霜凍情況下的發(fā)生頻率和年均日數(shù)，構(gòu)建了綜合頻率指數(shù)和綜合日數(shù)指數(shù)2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子，這2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)可以較好地反映溫度條件對(duì)釀酒葡萄晚霜凍風(fēng)險(xiǎn)的影響情況。

寧夏的國(guó)土面積本身就小，加上釀酒葡萄種植的區(qū)域主要在引黃灌區(qū)的西部和中部干旱帶的紅寺堡一代，這一區(qū)域內(nèi)的氣候差異不是很大，在進(jìn)行晚霜凍的綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃時(shí)，雖然按照習(xí)慣把寧夏分為了5個(gè)釀酒葡萄晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，但其實(shí)各級(jí)別之間都是相對(duì)的，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的釀酒葡萄遭遇晚霜凍的概率不見(jiàn)得小。例如，即便是綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最小的吳忠站，其輕霜凍、中霜凍、重霜凍的頻率也分別達(dá)到38.2%，14.5%和9.1%，而輕霜凍、中霜凍、重霜凍的年均霜凍日數(shù)也分別有0.58，0.16，0.13 d。況且，在氣候變暖背景下，近年來(lái)極端天氣氣候事件有所增加，未來(lái)晚霜凍氣候風(fēng)險(xiǎn)到底怎樣變化還難以預(yù)料。因此，在寧夏釀酒葡萄生產(chǎn)中，要充分考慮晚霜凍的不利影響，做好晚霜凍災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)管理工作，保障釀酒葡萄健康發(fā)展。

4.2 結(jié)論

（1）總體上，寧夏釀酒葡萄種植區(qū)的晚霜凍頻率不低，其中輕霜凍差不多為2 a一遇，中霜凍3 a一遇，重霜凍7 a一遇；從地域上看，興仁站的綜合頻率指數(shù)最大，吳忠站的最小。

（2）寧夏釀酒葡萄種植區(qū)多年平均晚霜凍日數(shù)，輕霜凍為1.07d/（站·a），中霜凍為0.40 d/（站·a），重霜凍為0.21 d/（站·a），從地域上看，興仁站的綜合日數(shù)指數(shù)最大，吳忠站的最小。

（3）各站的晚霜凍綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在0.000～1.000，其中，興仁站最大，吳忠站最小。晚霜凍綜合氣候風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域主要分布在沙坡頭西南、海原南部、同心南部、鹽池東部和陶樂(lè)等地，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在引黃灌區(qū)中南部大部地區(qū)及中部干旱帶的同心北部地區(qū)。

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