氣候變化背景下關(guān)中地區(qū)葡萄水分盈虧變化特征

宋天媛，陳滇豫，胡笑濤，王文娥，汝 晨，何雪霞

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

葡萄是多年生藤本植物，具有較高經(jīng)濟價值和營養(yǎng)價值[1]。由于葡萄的生長發(fā)育期處于夏旱和伏旱高頻率發(fā)生期，干旱已成為提高葡萄生產(chǎn)力的第一限制因素。陜西關(guān)中西部平原區(qū)屬于灌溉條件較為優(yōu)越的半濕潤易旱地區(qū)[2]，因此，研究葡萄需水量的變化特征與水分盈虧狀況能夠確定葡萄不同生育階段發(fā)生干旱的風(fēng)險，對提高葡萄產(chǎn)量和促進區(qū)域水資源高效利用具有重要意義。

作物需水量是指作物在適宜的土壤水分、肥力水平及其他管理條件下，經(jīng)過正常生長發(fā)育并獲得高產(chǎn)時的植株蒸騰和棵間蒸發(fā)水量之和[3]，也是制定作物灌溉制度的基礎(chǔ)。目前在葡萄需水量方面已有大量的研究，如雷筱等[4]對寧夏賀蘭山麓滴灌葡萄耗水規(guī)律的研究表明葡萄果實膨大期為耗水高峰期，日均耗水量在2.26～4.48 mm之間，全生育期耗水總量在316.16～475.15 mm之間。Zhang等[5]利用波文比-能量平衡法對西北干旱地區(qū)葡萄的耗水規(guī)律進行研究，結(jié)果表明全生育期總需水量為226～399 mm。在葡萄栽培方面，有研究指出[6]，葡萄需水量高峰值出現(xiàn)在果實膨大期，占全生育期需水總量的30%～40%。高德凱[7]研究發(fā)現(xiàn)，在葡萄萌芽期、果實膨大期和著色成熟期遭遇過度的干旱脅迫均會抑制植物正常生長。

氣候變化對作物生長發(fā)育、產(chǎn)量及耗水量均產(chǎn)生影響，開展氣候變化對作物需水量的研究有助于提高作物生產(chǎn)潛能[8]。近年來國內(nèi)學(xué)者針對氣候變化對作物需水量的影響展開大量研究。張新鼎等[9]采用Penman-Monteith公式、線性回歸等方法分析了貴州省中西部1960—2017年玉米需水量的時空變化，研究發(fā)現(xiàn)58 a間該地區(qū)玉米需水量整體呈現(xiàn)不同程度的下降。曹言等[10]基于1961—2013年滇中地區(qū)48個氣象站逐日氣象數(shù)據(jù)，并利用Penman-Monteith公式和單作物系數(shù)法計算分析了近53 a滇中不同分區(qū)水稻不同生育期需水量，研究發(fā)現(xiàn)需水量呈顯著減小趨勢。國內(nèi)學(xué)者關(guān)于作物需水量變化的研究主要集中在小麥、玉米、水稻等大宗糧食作物[11-14]，關(guān)于果樹的研究相對較少，而針對陜西關(guān)中平原葡萄需水量及水分盈虧分析的研究更是鮮有報道。

近年隨著葡萄產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，陜西省葡萄種植面積及產(chǎn)量增加，水資源的供需矛盾日益尖銳，研究氣候變化條件下葡萄需水變化規(guī)律及各生育期水分供應(yīng)情況對制定科學(xué)灌溉策略、減少氣候變化對葡萄生產(chǎn)的負面影響具有重要意義。因此，本研究從水分盈虧的角度分析1990—2019年關(guān)中平原葡萄需水量變化特征及葡萄水分盈虧情況，并對不同水文年葡萄需水量、水分盈虧以及干旱等級進行探討，旨在為提高陜西關(guān)中平原地區(qū)水資源利用效率、實現(xiàn)葡萄園的節(jié)水灌溉提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域地處陜西關(guān)中西部平原，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，光照資源較為豐富，屬于暖溫帶季風(fēng)半濕潤氣候。多年平均氣溫12.9℃，多年平均降雨量579.5 mm，多年平均累積日照時數(shù)1 900 h，年有效積溫(≥10 ℃)4 180 ℃，無霜期221 d，年蒸發(fā)量在900～1 100 mm之間。根據(jù)最新陜西省統(tǒng)計年鑒，2021年陜西省葡萄種植規(guī)模已突破6.7萬hm2。研究區(qū)域葡萄果園地勢平坦，根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類標準，土壤類型為粉砂壤土。土壤容重為1.35 g·cm-3，田間持水量為0.324 cm3·cm-3，地下水埋深大于12 m。

1.2 作物需水量、有效降雨量計算方法

采用FAO推薦公式[15]，根據(jù)葡萄不同生長階段作物系數(shù)計算葡萄需水量，如式(1)：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中，ET0為參考作物需水量(mm·d-1)，采用FAO-56推薦的Penman-Monteith公式[15]計算；Kc為作物系數(shù)(無量綱)，本文采用余昭君等[16]根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚣巴寥罈l件修正后的Kc值，Kc值在生長初始階段、生育中期、成熟階段分別為0.30、0.78、0.50；ETc為實際作物需水量(mm·d-1)。

有效降雨量采用美國農(nóng)業(yè)部土壤保持局(USDA Soil Conservation Service)推薦的方法(USDA-SCS法)進行計算[17]，公式如下：

(2)

式中，Pe為有效降雨量(mm)；P為降雨量(mm)。

1.3 Mann-Kendall檢驗法和滑動t檢驗

Mann-Kendall(M-K)檢驗法是一種基于非參數(shù)統(tǒng)計的檢測方法，常用于分析降水、徑流、氣溫等氣象要素時間序列的趨勢變化[18]。在M-K檢驗后，若存在突變點，可結(jié)合滑動t檢驗進行驗證以增強突變分析結(jié)果的可信度[19]。本研究通過M-K檢驗和滑動t檢驗判定作物需水量的變化趨勢及突變點。

1.4 Morlet小波分析

Morlet小波是一個Gauss包絡(luò)的復(fù)小波，實部與虛部有90°相位差，易得到信號的瞬時相位和頻率等信息，具有良好的分辨率[20]。本研究通過小波等值線圖和小波方差圖判定作物需水量的變化周期。

1.5 水文年型劃分

根據(jù)1990—2019年的降雨資料，分別統(tǒng)計每年降雨量之和并進行頻率計算，由皮爾遜-Ⅲ型適線法[21]可以得到不同水文年型的降雨量。從1990—2019年中篩選出與降雨頻率P=25%、P=50%和P=75%對應(yīng)的降雨量接近的年份作為典型年，故本研究選取2006、2009、2013年分別為典型濕潤年、平水年和干旱年。不同水文年型月均降雨量如表1所示。

表1 不同水文年型降雨量均值/mm

1.6 水分盈虧指數(shù)及干旱等級劃分

水分盈虧指數(shù)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測與管理方面的重要指標[22]，通過計算可以得到作物在各生育期的需水特性與水分供應(yīng)情況。當(dāng)有效降雨量小于作物需水量，說明天然降雨供應(yīng)不足，若無其他水分來源作物會出現(xiàn)缺水。二者差值占同時期作物需水量比例越大，則干旱程度越嚴重，即：

CWSDI=(Pe-ETc)/(ETc)

(3)

式中，CWSDI為水分盈虧指數(shù)；Pe為有效降雨量(mm)；ETc為作物需水量(mm)。根據(jù)《中國農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測指標方法與等級劃分》，CWSDI>-0.50為無旱(No Drought, ND)，-0.70

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄需水量年際變化特征

1990—2019年葡萄需水量M-K趨勢檢驗及滑動t檢驗如圖1所示，UF、UB曲線分別為時間正序與逆序統(tǒng)計量曲線，通過分析統(tǒng)計序列UF和UB可以進一步分析序列的趨勢變化。由圖1a中UF曲線可以看出，1990—2007年間葡萄需水量呈下降趨勢，2008—2015年間需水量變化趨勢不明顯，2015年后呈顯著上升趨勢。UF曲線和UB曲線在2018年存在一個相交點，且交點介于兩條臨界線之間，因此滿足顯著性要求(P<0.05)，由此可以初步判定在2015—2019年間葡萄需水量發(fā)生突變。通過M-K趨勢檢驗得到可能發(fā)生突變的時間后，進一步通過滑動t檢驗驗證，如圖1b所示，發(fā)生超出臨界水平的時間為2015年附近，因此認為葡萄需水量在2015年發(fā)生了突變。

圖1 1990—2019年葡萄需水量M-K趨勢檢驗和滑動t檢驗

1990—2019年葡萄需水量周期分析如圖2所示。圖2a中等值曲線為小波系數(shù)實部值，實線代表需水量偏多期，虛線代表需水量偏少期,可以看出葡萄需水量在1990—2019年演變過程中存在10～20、2～5、5～8 a尺度的周期變化規(guī)律;其中在10～20 a尺度出現(xiàn)了準兩次震蕩，且此尺度周期變化在整個分析時段表現(xiàn)穩(wěn)定，具有全域性。圖2b中存在3個較為明顯的峰值，依次對應(yīng)著3、7、15 a的時間尺度；其中最大峰值對應(yīng)15 a的時間尺度，說明15 a左右的震蕩周期最強，為變化的第一主周期；3 a時間尺度對應(yīng)第二峰值，為第二主周期；第三峰值對應(yīng)7 a的時間尺度，為第三主周期。

圖2 1990—2019年葡萄需水量周期分析

2.2 不同水文年型的葡萄需水量

本研究選取2006、2009、2013年分別為典型濕潤年、平水年和干旱年，各典型年葡萄需水量如圖3所示，圖中各點代表每旬葡萄需水量的累積值。由圖3可知，不同水文年型葡萄需水量總體呈先增加后減小趨勢，濕潤年、平水年、干旱年需水量分別為269.5、331.4、358.9 mm。從葡萄生育期開始到6月中旬，各水文年中葡萄需水量總體呈增加趨勢。干旱年和平水年中葡萄需水量在6月中間達到極值，分別為40.0 mm和37.8 mm；濕潤年中葡萄需水量在5月下旬達到極值，為27.8 mm。從6月中旬到葡萄生育期結(jié)束，各水文年中葡萄需水量總體呈降低趨勢。對于不同水文年型，生育前期需水量差異較小，生育盛期差異最大，生育后期差異減小。

圖3 不同水文年葡萄需水量變化

2.3 水分盈虧指數(shù)的年際變化趨勢

1990—2019年葡萄生育期內(nèi)水分盈虧指數(shù)(CWSDI)變化趨勢如圖4a所示，總體來看90%的年份CWSDI均為負值，多年平均值為-26.22%。CWSDI在1990—1994年間呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，從4.27%降低至-53.21%；CWSDI在1995—2008年間呈鋸齒狀變化，在1997年達到30 a內(nèi)的第一個極小值點(-69.52%)，次年達到第一個極大值點(9.93%)；CWSDI在2009—2017年間總體呈現(xiàn)減小趨勢，CWSDI值的變化幅度趨于平緩，均值為-27.23%，且在多年均值附近波動；2018年后，CWSDI表現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。由圖4a中的多年CWSDI擬合方程可知，CWSDI值在30 a內(nèi)總體呈小幅度上升趨勢，但增長幅度不顯著，這是由于多年內(nèi)出現(xiàn)較多極值造成的。

葡萄生長季4—8月份CWSDI值隨年份的變化趨勢如圖4b～f所示。整體來看4—6月份CWSDI值呈降低趨勢，其中6月份降低幅度最顯著，而7—8月份CWSDI值呈增加趨勢，其中7月份CWSDI值隨年份的增加趨勢不顯著。4—8月份CWSDI多年平均值分別為13.57%、-39.09%、-38.36%、-27.03%和50.16%。對比發(fā)現(xiàn)，5、6和7月份的各年份CWSDI值總體小于0，而4月份和8月份這種規(guī)律不明顯。整個葡萄生長季CWSDI值的波動范圍相對穩(wěn)定，各年份CWSDI值較擬合趨勢線的離散程度較小；4—8月份CWSDI值隨年份的波動幅度相對較大，尤其以4月份和8月份最為顯著，表明葡萄生長季內(nèi)不同月份的干旱程度存在明顯差異。7月份和8月份CWSDI值隨年際的變化趨勢總體相似，但8月份CWSDI值明顯高于7月份。

圖4 1990—2019年葡萄水分盈虧指數(shù)(CWSDI)變化趨勢

2.4 不同水文年型干旱等級分析

不同水文年型各月份發(fā)生干旱的概率如表2所示。由表2可知，在1990—2019年的濕潤年4—8月份均遭受干旱脅迫威脅；葡萄生育期內(nèi)各月份干旱等級存在顯著差異，其中濕潤年中4、7和8月份無旱占比較高(75%～91.67%)；相比其他月份，濕潤年中的6月份存在多種干旱等級，但中旱和重旱占比較低(8.33%)。與濕潤年相比，平水年6、7和8月份的無旱占比有所提升，且各月份均不存在重旱和特旱風(fēng)險。不同于濕潤年和平水年，干旱年中各月份均存在不同的干旱等級事件，且主要增加了中旱、重旱和特旱發(fā)生的概率；除4月份外，其他月份均增加了干旱發(fā)生的概率，尤其5月份重旱和特旱發(fā)生的概率增加顯著。

表2 葡萄生育期內(nèi)干旱等級分析/%

3 討 論

采用 M-K趨勢檢驗對關(guān)中地區(qū)葡萄需水量進行分析，從1990—2019年，葡萄生育期需水量呈現(xiàn)先下降后上升的變化規(guī)律，僅出現(xiàn)1個突變點，并未出現(xiàn)“反復(fù)震蕩”的變化趨勢。李雅善等[23]研究認為，近30 a來，甘肅省釀酒葡萄需水量一直呈現(xiàn)上升趨勢，這表明不同地區(qū)氣候變化對葡萄需水量的影響有所不同。M-K趨勢檢驗對于均值突變的檢測較為準確，但對于轉(zhuǎn)折突變、變率突變等檢驗存在不確定性[24]。在本研究中，雖然在30 a間葡萄作物需水量僅存在一個突變點，但本研究將M-K趨勢檢驗與滑動t檢驗相結(jié)合進一步印證了此突變點的真實性，這兩種檢驗方法的結(jié)合對于作物需水量長時間序列變化規(guī)律的準確分析具有重要的參考價值。

通過對不同水文年型葡萄需水量的研究發(fā)現(xiàn)(圖3)，在萌芽期和新稍生長期作物需水量較低，這是因為該生育期氣溫較低、植株冠層覆蓋度小，葉片蒸騰作用均較弱；開花后隨著氣溫逐漸升高，葡萄葉片逐漸增多，蒸騰作用增強，使得作物需水量增加；6—7月份果實迅速膨大且根系加速生長，同時太陽輻射和氣溫的升高使葡萄需水量達到峰值；著色成熟期氣溫略降低，生殖生長變緩，因此葡萄需水量變小?？梢钥闯?，葡萄生育期內(nèi)需水量呈現(xiàn)先增后減的拋物線趨勢，這與張芮等[25]研究結(jié)果一致。

對不同水文年型各月份干旱等級進行研究(表2)，在干旱年5—7月份發(fā)生干旱的概率更高，這是由于5—7月份正值葡萄生殖生長的關(guān)鍵階段，在灌溉水量有限的條件下應(yīng)考慮優(yōu)先分配至此時期以保證葡萄產(chǎn)量最大化。研究還發(fā)現(xiàn)，雖然在濕潤年和平水年降雨量較為充沛，但5—6月份依然有較大概率發(fā)生輕旱，其中應(yīng)特別注意6月份的葡萄水分虧缺狀況。王開榮等[26]研究發(fā)現(xiàn)，萌芽期至開花期初始時水分虧缺有利于提高果實品質(zhì)，故4—5月份發(fā)生輕旱對葡萄負面影響較小，存在一定積極作用。葡萄在6月份正值需水關(guān)鍵期，此時干旱脅迫會很大程度抑制植株生長進而降低果實產(chǎn)量。這表明在作物生育期內(nèi)進行適度虧水，可以減少土壤水分的無效蒸發(fā)、降低植株蒸騰速率，從而達到提高作物水分生產(chǎn)力的目的。

關(guān)中地區(qū)發(fā)生夏旱頻率較高，夏旱主要表現(xiàn)為伏旱，這是由于盛夏的西太平洋副熱帶高壓和東南亞高壓北躍不同步形成相對少雨期。有研究表明關(guān)中地區(qū)在不同水文年型均可能發(fā)生干旱[27]，以2017年(濕潤年)為例，《中國水旱災(zāi)害公報》[28]指出，2017年7月6—25日陜西省大部分地區(qū)無明顯降雨過程，7月下旬旱情嚴重；8月26日—10月12日全省具有大范圍長歷時的秋雨過程，形成洪澇災(zāi)害。由此可以看出，水文年型雖在一定程度上可以反映干旱發(fā)生的概率，但也應(yīng)根據(jù)葡萄實際的水分情況適時加以灌溉。

本研究僅從水分供需的角度考慮葡萄干旱情況，并未考慮其內(nèi)在生長機理對氣候變化的響應(yīng)，下一步研究應(yīng)進一步結(jié)合作物生長模型，定量分析葡萄水分盈虧與氣候變化的關(guān)系。在了解作物需水規(guī)律的基礎(chǔ)上，合理制定灌溉制度以應(yīng)對未來氣候變化對作物產(chǎn)量及品質(zhì)帶來的威脅。

4 結(jié) 論

1)葡萄需水量在2015年發(fā)生突變后呈現(xiàn)顯著上升趨勢，15 a為需水量變化的第一主周期。葡萄生育期內(nèi)需水量呈先增加后減小變化趨勢，在各水文年型中，葡萄需水量在果實膨大期差異達到最大。

2)1990—2019年葡萄全生育期水分盈虧指數(shù)變化趨勢較為平緩，平均值為-26.22%；4—6月份水分盈虧指數(shù)呈降低趨勢，在6月份降低趨勢顯著。

3)各水文年葡萄生育期內(nèi)均存在不同程度的干旱風(fēng)險，應(yīng)尤其關(guān)注濕潤年和平水年6月份葡萄水分虧缺情況，以確保葡萄需水關(guān)鍵期供水充足。