杜遠(yuǎn)鵬,張一帆,黃文尉,李響,朱化平,唐美玲,王趙盼,高振,翟衡
(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實驗室,山東泰安 271018;2. 青島大好河山葡萄酒業(yè)有限公司,山東青島 266600;3. 煙臺市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,山東煙臺 265599)
進(jìn)入21世紀(jì)中國葡萄產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,葡萄產(chǎn)量及栽培面積分別位居世界第一和第二位,葡萄酒產(chǎn)量位居世界第六位,葡萄酒進(jìn)口量躍居世界第三位[1]。葡萄具有完整的產(chǎn)業(yè)鏈,有利于形成產(chǎn)業(yè)化,實現(xiàn)較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
歐亞種在世界釀酒葡萄生產(chǎn)中起主導(dǎo)作用,其最佳生態(tài)適宜區(qū)是冬春溫潤、夏秋干燥的地中海氣候類型。中國北方葡萄主產(chǎn)區(qū)屬于典型的大陸季風(fēng)氣候區(qū),即冬季干寒、夏季濕熱[2],并不屬于歐亞種葡萄的優(yōu)生區(qū)。歐美學(xué)者對葡萄生態(tài)區(qū)劃指標(biāo)的選擇評價大多基于地中海氣候類型或其本國氣候類型,提出了很多葡萄生態(tài)區(qū)劃的評價指標(biāo),溫度、光照、降水和土壤條件的作用均被認(rèn)可,但在具體評價方法上則各有不同,主要提出了活動積溫[3]、有效積溫[4]、日光能系數(shù)[5]、水熱系數(shù)[3]、土壤-氣候指數(shù)和生物-土壤-氣候指數(shù)[6]等理論,較少針對大陸性季風(fēng)氣候進(jìn)行驗證。中國科研人員從20世紀(jì)80年代開始進(jìn)行葡萄生態(tài)區(qū)劃工作,基本沿用了國外的指標(biāo),同時也根據(jù)中國北方冬季嚴(yán)寒的氣候條件提出了補(bǔ)充指標(biāo)。中國葡萄專家羅國光[7]以有效積溫或活動積溫、水熱系數(shù)進(jìn)行生態(tài)區(qū)域劃分,進(jìn)入21世紀(jì)李華團(tuán)隊以三級復(fù)合指標(biāo)(無霜期、干燥度、埋土防寒線或成熟季降水量)對多個省區(qū)進(jìn)行了區(qū)劃[8],其中,干燥度是葡萄在生長季的蒸發(fā)蒸騰量(實際需水量,ETc)與降水量的比值,由于ETc屬于估算數(shù)值,因此存在準(zhǔn)確性問題。大部分國內(nèi)專家認(rèn)為,我國日照時數(shù)不是限制因子,因此較少納入?yún)^(qū)劃指標(biāo)[9-12],但我國季風(fēng)氣候特征明顯,光照不足是制約釀酒葡萄生產(chǎn)的重要因素。因此,本團(tuán)隊在對國內(nèi)外有關(guān)葡萄區(qū)劃的各種指標(biāo)進(jìn)行了歸納和分析[6]的基礎(chǔ)上,采用活動積溫、降水量、水熱系數(shù)、日照時數(shù)指標(biāo)進(jìn)行區(qū)劃分析,創(chuàng)建了濕熱指數(shù),最終構(gòu)建了影響釀酒葡萄次生代謝品質(zhì)為核心的復(fù)合指標(biāo),并對中國的優(yōu)勢釀酒葡萄產(chǎn)區(qū)進(jìn)行生態(tài)區(qū)劃,為鮮食葡萄栽培模式及釀酒葡萄區(qū)化提供了參考。
收集了中國839個氣象站點(diǎn)2008—2017年逐日氣象數(shù)據(jù),主要?dú)庀笠匕ㄖ鹑兆罡邭鉁?、最低氣溫、降雨量、相對濕度、日照時數(shù);各站點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔高度等。90 m(3 s)分辨率的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM)由SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)傳感器獲得,地理信息數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站地理空間數(shù)據(jù)云平臺(http://www.gscloud.cn),后經(jīng)鑲嵌、掩模、重采樣后得到500 m分辨率的高程數(shù)據(jù),插值生成的各指標(biāo)柵格分辨率為500 m。
計算各站點(diǎn)6—9月的水熱系數(shù)(K)并進(jìn)行劃分,計算公式為:K=∑P/(0.1·∑Ta)
式中:∑Ta為>10 ℃時的日均溫之和,∑P為同時期降水量之和。劃分K為<1.5、1.5~2.5、>2.5的區(qū)域。
計算全年、4—9月及7—9月的日照時數(shù)并進(jìn)行劃分,以全年日照時數(shù)>2000 h和4—9月日照時數(shù)≥1250 h為葡萄生產(chǎn)臨界線,并以7—9月日照時數(shù)作為評價紅色釀酒葡萄次生代謝品質(zhì)的指標(biāo)。
借鑒評價人類舒適度的炎熱指數(shù),并針對我國雨熱同季的氣候特征[13],構(gòu)建了濕熱指數(shù)ET并進(jìn)行劃分,以ET<65劃為低濕熱區(qū),ET介于65~70劃為較低濕熱區(qū),ET介于70~75劃為中等濕熱區(qū),ET介于75~80劃為較高濕熱區(qū),ET>80劃為高濕熱區(qū)。ET計算公式為:
當(dāng)RH≤80%時,ET=1.8×Ta-0.55×(1.8×Ta-35)×(1-0.8)+32;
當(dāng)RH>80%時,ET=1.8×Ta-0.55×(1.8×Ta-35)×(1-RH)+32
式中:Ta為日最高溫,RH為空氣相對濕度。
采用三級復(fù)合指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)勢區(qū)域綜合評價,一級指標(biāo)為7—9月日照時數(shù)(<600 h弱光照,600~700 h較適光照,700~800 h適宜光照,>800 h強(qiáng)光照);二級指標(biāo)為7—8月水熱系數(shù)K(<1.5優(yōu)質(zhì),1.5~2.0優(yōu)良,2.0~2.5一般,>2.5不適宜);三級指標(biāo)為7—8月濕熱指數(shù)ET(<65低濕熱區(qū),65~70較低濕熱區(qū),70~75中等濕熱區(qū),75~80較高濕熱區(qū),>80高濕熱區(qū))。
對熱量指標(biāo)采用基于DEM的多元線性回歸模型插值[14-16],熱量指標(biāo)的多元回歸模型為:
∑=?(φ,ω,h)+ε。其中,φ為經(jīng)度,ω為緯度,h為海拔,ε為地理模型殘差,模型建立后使用反距離權(quán)重插值法對模型殘差插值,訂正后得到最終的熱量指標(biāo)柵格。其中生長季活動積溫:
∑=﹣29.621·φ-63.143·ω-0.964·h+9659.640,R2=0.942**;7月份濕熱指數(shù):
∑=﹣0.183·φ-0.266·ω+0.008·h+110.007,R2=0.918**;8月份濕熱指數(shù):
∑=﹣0.164·φ-0.388·ω+0.008·h+110.491,R2=0.934**。
對水熱系數(shù)和日照時數(shù)插值的過程中采用普通克里金插值,以交叉驗證作為精度檢驗方法,其中6、7、8、9月的水熱系數(shù)插值的標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差分別為4.25、4.26、3.78、4.89;7—9月日照時數(shù)、4—9月日照時數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)均方根誤差分別為0.910、0.918。
2.1.1 水熱系數(shù)指標(biāo)
由于我國南北跨度大,葡萄成熟時間差異大,將水熱系數(shù)的統(tǒng)計時間擴(kuò)展到6—9月可以看出(圖1),6月南方地區(qū)K>2.5的區(qū)域較普遍,北方大部分葡萄產(chǎn)區(qū)K<1.5;7月南方及華北大部分地區(qū)K值處于1.5~2.5區(qū)間,K>2.5的區(qū)域縮小到湖北東部、江蘇中部、安徽中部及南部、山東中南部地區(qū);8月K>2.5的區(qū)域集中于西南、華南南部以及東北的吉林東南部、遼寧東部,K<1.5的區(qū)域分布于西北及內(nèi)蒙古大部、河北中部及北部地區(qū)、山西中部及南部、黑龍江西南部、吉林西部等地區(qū);9月份K<1.5的區(qū)域主要分布于新疆大部、甘肅西部及沿河西走廊北部地區(qū)、賀蘭山東麓、內(nèi)蒙古大部、山西南部,以及河北、北京、天津、山東、遼寧、吉林、黑龍江南部、湖北中部及東部、安徽南部、湖南大部、江西、福建西部、貴州中部、兩廣北部地區(qū),K>2.5的區(qū)域集中在西北、西南、華南及東北少部分地區(qū),主要有甘肅河西走廊以南、甘肅南部、寧夏南部、陜西南部、四川大部、青海、西藏、云南北部及南部、兩廣南部地區(qū)、福建與浙江部分沿海地區(qū)、黑龍江北部、內(nèi)蒙古呼倫貝爾中部及北部等地區(qū)。
圖1 我國 6—9月份水熱系數(shù)分布區(qū)域Figure 1 Regional distribution of hydrothermal coefficient from June to September in China
2.1.2 日照時數(shù)指標(biāo)
世界釀酒葡萄的著名產(chǎn)區(qū)生長季(4—9月)日照時數(shù)都在1250 h以上。日照時數(shù)在1200~1400 h是葡萄生長季光照條件的臨界區(qū)或基本適宜區(qū),通過統(tǒng)計我國4—9月的日照時數(shù)(圖2),1200~1400 h臨界區(qū)域(除去東北山葡萄特殊栽培區(qū))從東至西南呈帶狀分布,從膠東半島向西經(jīng)過河北、北京、天津、山西、陜西北部、甘肅南部、寧夏南部、青海東南及西藏中部等地區(qū)。臨界光照帶以北的地區(qū)包含了我國大部分傳統(tǒng)的葡萄產(chǎn)區(qū),日照時數(shù)從東至西、從南向北兩個方向呈帶狀分布的增強(qiáng)趨勢。與全年日照時數(shù)劃分差異較大的是位于西南的云南省。但在西南地區(qū)年光照的臨界帶從四川盆地西部向南延伸至云南東部地區(qū),由此可以看出云南地區(qū)4—9月的光照條件不佳,但全年光照與山東半島類似。
圖2 4—9月生長季日照時數(shù)分布Figure 2 Sunshine hours distribution in growing season from April to September
由圖3可知,全國7—9月日照時數(shù)600~700 h這一臨界區(qū)域從東北向西南延伸,包括黑龍江大部,內(nèi)蒙古呼倫貝爾北部,吉林中部、遼寧大部,河北秦皇島、唐山、承德南部、張家口懷來、涿鹿、蔚縣、陽原等;山西北部、陜西北部、寧夏南部、甘肅中部,繼續(xù)向西南經(jīng)青海中部延伸至西藏中部,這條線以北日照時數(shù)呈梯度增加趨勢。這一臨界區(qū)域以南地區(qū)包括山東半島煙臺北部和東南沿海地區(qū)7—9月日照時數(shù)也在600~700 h范圍內(nèi)。
圖3 7—9月轉(zhuǎn)色期日照時數(shù)分布Figure 3 Distribution of sunshine hours in veraison period from July to September
700~800h光照區(qū)域中著名葡萄產(chǎn)區(qū)包括寧夏(石嘴山、銀川、吳忠)、內(nèi)蒙古(烏海)、甘肅(張掖、武威)以及南疆(和田、于田、民豐等),此外還有東南地區(qū)的江西東部、福建南部以及廣東沿海地區(qū);>900 h的區(qū)域集中在新疆北部與東部、甘肅敦煌北部及內(nèi)蒙古阿拉善西部。
2.1.3 濕熱指數(shù)指標(biāo)
對中國7、8月份濕熱指數(shù)進(jìn)行分析和區(qū)域劃分(圖4)發(fā)現(xiàn),7月是全國濕熱情況比較嚴(yán)重的月份,ET值(<55)較小的地區(qū)主要位于高海拔地區(qū)如青藏高原、昆侖山脈、天山山脈、新疆阿勒泰北部地區(qū)、四川西部等地區(qū)。葡萄主產(chǎn)區(qū)中只有云南、山西大部、寧夏南部及沿河西走廊南部至隴南地區(qū)濕熱指數(shù)<70,山東、陜西中部、河北南部和東部、寧夏賀蘭山東麓、新疆天山北麓、江蘇東北部、四川盆地西部等地區(qū)濕熱指數(shù)在75~80,南方大部分地區(qū)處于高溫濕熱狀態(tài),濕熱指數(shù)在80以上;8月甘肅、寧夏及新疆北部率先退出濕熱狀態(tài),濕熱指數(shù)比7月下降近一個梯度,濕熱指數(shù)在80以上的區(qū)域縮小,而濕熱指數(shù)在75~80的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大至河南、山東、河北、安徽北部、江蘇北部、湖北北部等地區(qū);新疆除天山、昆侖山等山區(qū)外,大部分較7月下降一個梯度。
圖4 全國7月(左)和8月(右)濕熱指數(shù)分布圖Figure 4 Distribution map of damp heat indicator in July (left) and August (right)
基于轉(zhuǎn)色期光照對釀酒葡萄次生代謝及品質(zhì)的重要作用,成熟季節(jié)水熱系數(shù)對積溫條件和降水量的綜合反應(yīng)及插值模型較降水量具有的優(yōu)越性,濕熱指數(shù)綜合考慮到對葡萄光合、呼吸及蒸騰的影響且合理性得以驗證的基礎(chǔ)上,本文提出了優(yōu)勢區(qū)域評價的綜合指標(biāo),即一級指標(biāo)為7—9月日照時數(shù)(<600 h弱光照,600~700 h較適光照,700~800 h適宜光照,>800 h強(qiáng)光照),二級指標(biāo)為7—8月水熱系數(shù)K(<1.5優(yōu)質(zhì),1.5~2.0優(yōu)良,2.0~2.5一般,>2.5不適宜),三級指標(biāo)為7—8月濕熱指數(shù)ET(<65低濕熱區(qū),65~70較低濕熱區(qū),70~75中等濕熱區(qū),75~80較高濕熱區(qū),>80高濕熱區(qū))。
利用三級組合指標(biāo)(表1)進(jìn)行了釀酒葡萄優(yōu)勢生態(tài)區(qū)劃分,得到我國優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)評價(圖5)。由A到C優(yōu)勢區(qū)級別逐漸降低,A區(qū)主要分布于寧夏賀蘭山東麓,甘肅酒泉、張掖及武威地區(qū)和新疆南部。B區(qū)分為兩個亞區(qū),B1分布于新疆北部地區(qū),B2分布于環(huán)渤海地區(qū),主要包括遼東半島、山東半島、北京、天津、河北秦皇島及懷涿盆地等地區(qū),這一區(qū)域7—9月日照時數(shù)處于600~700 h臨界值,受年份影響較大,日照時數(shù)接近700 h的年份葡萄著色較好,靠近600 h的年份著色較差。C區(qū)7—9月日照時數(shù)較低,不足600 h,分為3個亞區(qū),C1分布于陜西中部及山西晉中太原盆地,C2分布于河南地區(qū),C3分布于云南及四川南部地區(qū)。
表1 我國釀酒葡萄優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)區(qū)劃指標(biāo)Table 1 Regionalization index of wine grape superiority producing areas in China
圖5 釀酒葡萄生態(tài)優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)評價Figure 5 Evaluation of ecological advantages of wine grapes
評價釀酒葡萄品質(zhì)的重要指標(biāo)是果皮顏色和次生代謝物質(zhì)。7—9月是釀酒葡萄轉(zhuǎn)色關(guān)鍵時期,此時期的光照、溫度和水分對葡萄果實次生代謝品質(zhì)具有重要的作用。因此,本研究在構(gòu)建釀酒葡萄生態(tài)指標(biāo)評價體系時著重綜合評價7—9月的光照、溫度和水分指標(biāo)。光照一方面通過影響光合作用進(jìn)而影響次生代謝產(chǎn)物的形成,另一方面通過影響花青素合成途徑從而影響花色苷的合成與分解[17]。據(jù)調(diào)查,生長季節(jié)1200~1400 h光照臨界區(qū)的煙臺地區(qū)(蓬萊、龍口)7—9月日照時數(shù)達(dá)到700 h的年份葡萄著色較好,當(dāng)日照時數(shù)只有600 h時的年份葡萄著色較差。由此本研究將7—9月日照時數(shù)納入?yún)^(qū)劃指標(biāo),并以日照時數(shù)>700 h作為優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)劃分的依據(jù)。
我國季風(fēng)氣候特征為雨熱同季,因此區(qū)劃指標(biāo)需要綜合考慮溫度和濕度。冷涼的溫度有利于釀酒葡萄次生代謝產(chǎn)物的積累,溫度過高影響植物花青素的代謝,引起果實著色困難甚至促進(jìn)花青素的降解[18]。研究表明,葡萄花青素在20 ℃顯著上升,當(dāng)溫度達(dá)到35 ℃顯著降低[19]。濕度包括土壤和大氣濕度,土壤水分過多促進(jìn)葡萄枝葉生長,導(dǎo)致葉幕郁閉,加重病蟲害發(fā)生,并影響果實受光抑制著色[21]。反應(yīng)土壤水分的指標(biāo)主要有降水量和水熱系數(shù),轉(zhuǎn)色至成熟期的降水量是葡萄品質(zhì)發(fā)育及病害防治的關(guān)鍵因素之一,為此有學(xué)者參照波爾多地區(qū)若干年葡萄成熟期的降水條件,將7—9月份的降水量作為葡萄氣候區(qū)劃的水分指標(biāo),以280、380 mm為成熟季降雨總量的分節(jié)點(diǎn)[21-22]。修德仁等[23]認(rèn)為,葡萄果實成熟季節(jié)的月降水量應(yīng)≤100 mm或旬降水量≤30 mm,以此作為紅葡萄品種區(qū)劃的水分指標(biāo)。但降水量未反應(yīng)積溫條件,而水熱系數(shù)指標(biāo)綜合反映了積溫條件和降水量,應(yīng)用范圍廣,并且成熟期水熱系數(shù)<1.5是世界著名產(chǎn)區(qū)的共同特征。因此國內(nèi)諸多學(xué)者認(rèn)為水熱系數(shù)比較適宜[4,24-25]。本研究認(rèn)為,在較大區(qū)域進(jìn)行葡萄栽培的適宜性評價時建議采用水熱系數(shù)。在某一小區(qū)域如省、市等進(jìn)行規(guī)劃時可以采用水熱系數(shù),也可以采用降水量指標(biāo),如波爾多地區(qū)通常依據(jù)該產(chǎn)區(qū)不同年份葡萄成熟期降雨量的多寡來判斷葡萄酒的好壞年份。大氣濕度不僅影響病害發(fā)生,還對葡萄葉片生理功能產(chǎn)生影響,仝培江等[26]的研究表明,高溫高濕顯著降低了黃瓜葉片凈光合速率Pn和ΦPSⅡ,且高溫高濕傷害略大于高溫常濕?;诖?,本研究創(chuàng)新引入反映濕度及溫度的濕熱指數(shù),并對該指標(biāo)參與葡萄區(qū)劃體系的科學(xué)性以及實際應(yīng)用的合理性得到了驗證。因此,我們最終構(gòu)建了能夠反應(yīng)中國大陸性季風(fēng)氣候的生態(tài)區(qū)劃評價指標(biāo)體系,即一級指標(biāo)為7—9月日照時數(shù),二級指標(biāo)為7—8月水熱系數(shù)K,三級指標(biāo)為7—8月濕熱指數(shù)ET。該復(fù)合指標(biāo)為中國釀酒葡萄生態(tài)區(qū)劃提供可靠的參考指標(biāo)體系。
利用7—9月日照時數(shù)、7—8月水熱系數(shù)和濕熱指數(shù)三級組合指標(biāo)對中國釀酒葡萄優(yōu)勢生態(tài)區(qū)進(jìn)行劃分,得到A區(qū)主要分布于寧夏賀蘭山東麓,甘肅酒泉、張掖及武威地區(qū)和新疆南部,該區(qū)7—9月日照時數(shù)在700 h以上,7—8月水熱系數(shù)均<1.5,7—8月濕熱指數(shù)70~75,說明該區(qū)域果實著色期日照充足,氣溫冷涼,空氣和土壤含水量低有利于果實糖分和次生代謝產(chǎn)物的積累,適合種植經(jīng)典優(yōu)質(zhì)歐亞種釀酒葡萄品種,如‘赤霞珠’‘霞多麗’‘西拉’等。B區(qū)分為兩個亞區(qū),B1分布于新疆北部地區(qū),該區(qū)域日照時數(shù)充足,在700 h以上,7—8月水熱系數(shù)均<1.5,但7—8月濕熱指數(shù)70~75,高于A區(qū),該區(qū)域也較適合歐亞種釀酒葡萄的生產(chǎn),容易生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)葡萄酒;B2區(qū)分布于環(huán)渤海地區(qū),主要包括遼東半島、山東半島、北京、天津、河北的秦皇島及懷涿盆地等地區(qū)。這一區(qū)域7—9月日照時數(shù)處于600~700 h臨界值,該區(qū)域7—8月水熱系數(shù)均在2~2.5,7—8月濕熱指數(shù)在70~75,均較高,不同年份間日照時數(shù)和降雨差別較大,因此受年份影響大,如遇上光照不足、降雨較多的年份則不能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)葡萄酒,建議該區(qū)域適當(dāng)種植一定比例抗性釀酒葡萄品種如‘香百川’(Chambourcin)、‘白維拉’(Villard Blanc)等,來生產(chǎn)大眾佐餐酒。C區(qū)7—9月日照時數(shù)較低,不足600 h,分為3個亞區(qū),C1分布于陜西中部及山西晉中太原盆地;C2分布于河南地區(qū),兩區(qū)域7—8月水熱系數(shù)較低,分別為<1.5和1.5~2,7—8月濕熱指數(shù)均在75~80,日照時數(shù)均較低,低于600 h,不利于釀酒葡萄著色,建議種植對直射光不敏感的品種,也可考慮種植一定比例抗性釀酒葡萄品種;C3分布于云南及四川南部地區(qū),其中云南以山地高原、山中盆地為主,高海拔增加了光照強(qiáng)度,紫外光強(qiáng)度也高于平原,而高光強(qiáng)和紫外線對釀酒葡萄次生代謝品質(zhì)尤為重要[27],這在一定程度上彌補(bǔ)了光照時間不足對葡萄果實的影響。但由于我國安裝的氣象監(jiān)測系統(tǒng)基本都是監(jiān)測日照時數(shù),只有少數(shù)國外進(jìn)口設(shè)備是監(jiān)測光照強(qiáng)度,因此目前條件下所能大范圍比較的還是以日照時數(shù)為主,對生態(tài)復(fù)雜的地區(qū)進(jìn)行區(qū)劃可引入光照強(qiáng)度進(jìn)行區(qū)劃。