葡萄主產(chǎn)區(qū)干旱時(shí)空分布特征

岳慧欣，何延波，劉崇懷，樊秀彩，張 穎，孫 磊，楊英軍,姜建福

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所，河南 鄭州 450009；2. 河南科技大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；3. 國(guó)家氣象中心，北京 100081)

葡萄(VitisL)是世界栽培最廣泛的果樹之一，在國(guó)際水果生產(chǎn)中占有重要地位[1-2]，其在我國(guó)黑龍江到海南島、東海之濱到西藏高原都有種植。我國(guó)地形復(fù)雜，氣候類型多樣，近年來全球氣候變暖且極端天氣頻繁發(fā)生，導(dǎo)致各種氣象災(zāi)害呈增多趨勢(shì)[3]。干旱是發(fā)生頻率最高、持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、影響面積最廣的氣象災(zāi)害，對(duì)葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)具有較大影響[4]。因此，明晰葡萄產(chǎn)區(qū)干旱時(shí)空分布特征規(guī)律，對(duì)于采取有效的預(yù)防措施具有重要意義。

農(nóng)業(yè)干旱的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括降雨量、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)(SPI)、降水距平百分率(Ipa)、作物水分虧缺指數(shù)(CWDI)等。其中，CWDI以蒸散作為參數(shù)的水分虧缺指標(biāo)能夠反映土壤、植物、氣象3個(gè)因素的綜合影響，從而真實(shí)地反映出水分虧缺狀況，對(duì)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)干旱狀況且有較強(qiáng)的適用性。黃晚華等[5]選取CWDI對(duì)湖南省春玉米的干旱災(zāi)害進(jìn)行分析，表明抽雄-吐絲階段及其后的生育階段干旱發(fā)生頻率較高，空間分布以湘中衡陽(yáng)一帶發(fā)生頻率最高。李雅善等[6]對(duì)寧夏釀酒葡萄干旱時(shí)空差異進(jìn)行了分析，表明在葡萄整個(gè)生育期內(nèi)水分虧缺指數(shù)呈現(xiàn)“升高-降低-升高”趨勢(shì)，且干旱空間分布由北向南逐漸減輕。我國(guó)葡萄栽培范圍廣，但針對(duì)葡萄主產(chǎn)區(qū)各生育階段的農(nóng)業(yè)干旱時(shí)空分布特征及發(fā)生規(guī)律的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究以CWDI為葡萄干旱評(píng)價(jià)指標(biāo)，探討我國(guó)東北中北部產(chǎn)區(qū)、西北產(chǎn)區(qū)、黃土高原產(chǎn)區(qū)等區(qū)域內(nèi)葡萄各生育階段不同干旱等級(jí)時(shí)間演變和空間分布規(guī)律，以期為我國(guó)葡萄生產(chǎn)干旱減災(zāi)防災(zāi)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料來源

氣象資料來源于1958—2019年中國(guó)氣象局的30個(gè)省、市和自治區(qū)607個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括日最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量等。

1.2 葡萄主產(chǎn)區(qū)區(qū)域及生育期階段劃分

參考《中國(guó)葡萄志》[2]，將全國(guó)劃分為7個(gè)葡萄產(chǎn)區(qū)。由于套袋、起壟、避雨栽培等技術(shù)的推廣，南方葡萄產(chǎn)區(qū)發(fā)展迅速，將云貴川高原半濕潤(rùn)區(qū)替換為西南高山產(chǎn)區(qū)，西藏、四川西部、云南劃分為西南高山產(chǎn)區(qū)，其他6個(gè)葡萄主產(chǎn)區(qū)不變[7]，區(qū)域劃分結(jié)果如圖1所示(204頁(yè))。

圖1 葡萄主產(chǎn)區(qū)分布圖Fig.1 Distribution of main grape production areas

葡萄生育期數(shù)據(jù)來源于不同產(chǎn)區(qū)葡萄生育期調(diào)研數(shù)據(jù)以及各產(chǎn)區(qū)的實(shí)際情況，主要以中熟品種‘巨峰’為主，本研究所涉及主產(chǎn)區(qū)葡萄生育期階段劃分情況如表1所示。

表1 不同主產(chǎn)區(qū)葡萄生育階段劃分(月-日)Table 1 Division of grape growth stages in different main production areas (m-d)

1.3 研究方法

1.3.1 參考作物蒸散量 采用FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算[8]。

1.3.2 作物水分虧缺指數(shù)計(jì)算及葡萄干旱判斷 作物水分虧缺指數(shù)參考李雅善等[9]、黃晚華等[5]的方法進(jìn)行計(jì)算。葡萄各旬的水分虧缺指數(shù)參考邱美娟等[10]的方法進(jìn)行計(jì)算。

由于葡萄產(chǎn)區(qū)實(shí)測(cè)資料存在缺失情況，同時(shí)國(guó)內(nèi)對(duì)葡萄作物系數(shù)研究也較少，所以采用FAO推薦的葡萄作物系數(shù)，即生育初期(萌芽～新梢生長(zhǎng)期)、中期(新梢生長(zhǎng)～開花坐果期、開花坐果～漿果成熟期)、后期(漿果成熟～落葉期)分別為0.30、0.85、0.45，萌芽前的作物系數(shù)為0。

將計(jì)算得到的CWDI作為判斷葡萄是否發(fā)生干旱的依據(jù)，并參考肖楠舒[11]提出的葡萄不同生育階段干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)(表2)，以及葡萄水分臨界期為萌芽期及果實(shí)生長(zhǎng)期，最終確定本研究葡萄水分臨界期生育階段為萌芽～新梢生長(zhǎng)期和開花坐果～漿果成熟期，由于萌芽～新梢生長(zhǎng)期氣象數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重，無法計(jì)算作物水分虧缺指數(shù)，所以不對(duì)該時(shí)期進(jìn)行計(jì)算。

表2 葡萄主產(chǎn)區(qū)不同生育階段干旱等級(jí)劃分Table 2 Classification of drought grades at different growth stages in main grape production areas

1.3.3 干旱發(fā)生頻率計(jì)算 參考邱美娟等[10]研究方法計(jì)算各個(gè)主產(chǎn)區(qū)不同葡萄生育階段的干旱發(fā)生頻率。

1.3.4 干旱發(fā)生強(qiáng)度計(jì)算 參考邱美娟等[10]研究方法計(jì)算干旱發(fā)生的平均強(qiáng)度。

1.3.5 干旱站次比計(jì)算 參考周揚(yáng)等[12]研究方法，計(jì)算干旱站次比。

1.3.6 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2017軟件對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用Arc GIS 10.2軟件柵格數(shù)據(jù)空間分析模塊進(jìn)行空間插值處理，并繪制干旱災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 葡萄主產(chǎn)區(qū)不同生育階段各等級(jí)干旱頻率空間分布特征

在葡萄新梢生長(zhǎng)～開花坐果期階段，無旱發(fā)生頻率呈現(xiàn)南高北低的空間分布特征，高值區(qū)主要分布在南方產(chǎn)區(qū)江西、湖南、福建等部分地區(qū)(61%～98%)，而其他產(chǎn)區(qū)大部分地區(qū)無旱發(fā)生頻率小于30%(圖2a)；輕旱、中旱以及重旱發(fā)生頻率大于50%情況主要分布在環(huán)渤海灣產(chǎn)區(qū)的遼寧、河北、北京等部分地區(qū)，低值區(qū)主要分布在南方產(chǎn)區(qū)和西北產(chǎn)區(qū)，其發(fā)生頻率小于25%(圖2b～d)；特旱發(fā)生頻率則呈現(xiàn)南低北高的空間分布特征，發(fā)生頻率大于60%情況主要分布在西北產(chǎn)區(qū)和西南高山產(chǎn)區(qū)，小于30%情況主要分布在南方產(chǎn)區(qū)(圖2e)。

圖2 葡萄主產(chǎn)區(qū)新梢生長(zhǎng)～開花坐果期各干旱等級(jí)發(fā)生頻率空間分布(1958—2019年)Fig.2 Spatial distribution of occurrence frequency of drought grades at the stage of shoot growth to flowering and fruit setting in main grape production areas (1958-2019)

在葡萄開花坐果～漿果成熟期階段，大部分產(chǎn)區(qū)出現(xiàn)無旱的頻率為0～20%，僅有南方產(chǎn)區(qū)的廣西靖西、安徽黃山、西南高山產(chǎn)區(qū)的云南江城、屏邊地區(qū)出現(xiàn)無旱的頻率高于40%(圖3a)；輕旱和中旱發(fā)生頻率小于30%主要分布在西北產(chǎn)區(qū)、西南高山產(chǎn)區(qū)的云南溫泉、四川峨眉山地區(qū)，而其他大部分地區(qū)發(fā)生頻率均高于60%(圖3b～c)；重旱發(fā)生頻率高值區(qū)在黃河故道產(chǎn)區(qū)河南、安徽、江蘇等部分地區(qū)、黃土高原產(chǎn)區(qū)的陜西、山西等部分地區(qū)、東北中北部產(chǎn)區(qū)的黑龍江、吉林等部分地區(qū)，發(fā)生頻率為61%～94%，低值區(qū)主要分布在南方產(chǎn)區(qū)的貴州、廣西、廣東等部分地區(qū)、西北產(chǎn)區(qū)的新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等部分地區(qū)，發(fā)生頻率為0～30%(圖3d)；特旱頻率高值區(qū)主要在西北產(chǎn)區(qū)和黃土高原產(chǎn)區(qū)，發(fā)生頻率為61%～100%，低值區(qū)主要分布在南方產(chǎn)區(qū)，發(fā)生頻率小于30%(圖3e)。

圖3 葡萄主產(chǎn)區(qū)開花坐果～漿果成熟期各干旱等級(jí)發(fā)生頻率空間分布特征(1958—2019年)Fig.3 Spatial distribution characteristics of occurrence frequency of various drought grades at flowering fruit setting to berry ripening stage in main grape production areas (1958-2019)

在葡萄漿果成熟期～落葉期階段，無旱發(fā)生頻率介于20%～31%地區(qū)僅有黃土高原產(chǎn)區(qū)的陜西太華山、略陽(yáng)、留壩地區(qū)，其余大部分地區(qū)無旱發(fā)生頻率小于10%(圖4a)；輕旱、中旱以及重旱發(fā)生頻率呈北低南高空間分布特征，大部分地區(qū)發(fā)生頻率大于60%，低值區(qū)主要分布在東北中北產(chǎn)區(qū)和西北產(chǎn)區(qū)，其發(fā)生頻率小于30%(圖4b～d);而發(fā)生特旱的頻率相比于其他4個(gè)干旱等級(jí)較高，大部分產(chǎn)區(qū)發(fā)生特旱頻率介于61%～100%，在黃土高原產(chǎn)區(qū)的陜西、山西等部分地區(qū)、西北產(chǎn)區(qū)的甘肅合作、岷縣地區(qū)、環(huán)渤海灣產(chǎn)區(qū)的遼寧本溪、寬甸地區(qū)發(fā)生特旱的頻率小于30%(圖4e)。

圖4 葡萄主產(chǎn)區(qū)漿果成熟～落葉期各干旱等級(jí)發(fā)生頻率空間分布特征(1958—2019年)Fig.4 Spatial distribution characteristics of occurrence frequency of drought grades in berry ripening to defoliation stage in main grape production areas (1958-2019)

2.2 葡萄主產(chǎn)區(qū)干旱發(fā)生平均強(qiáng)度空間分布特征

新梢生長(zhǎng)～開花坐果期階段干旱強(qiáng)度較大的區(qū)域集中在西北產(chǎn)區(qū)和西南高山產(chǎn)區(qū)，平均強(qiáng)度為3.1～4.0；強(qiáng)度較小的區(qū)域集中在南方產(chǎn)區(qū)的湖北、湖南、福建等地，黃土高原產(chǎn)區(qū)的陜西太白、華山、略陽(yáng)等地以及環(huán)渤海灣產(chǎn)區(qū)的清原、本溪、撫順等地，平均強(qiáng)度為1.0～2.0；其他地區(qū)干旱強(qiáng)度中等，平均強(qiáng)度為2.1～3.0(圖5a)。

開花坐果～漿果成熟期階段干旱強(qiáng)度較大的區(qū)域集中在西北產(chǎn)區(qū)，平均強(qiáng)度為3.1～4.0；強(qiáng)度較小的區(qū)域集中在南方產(chǎn)區(qū)貴州、廣東、廣西等地，環(huán)渤海灣產(chǎn)區(qū)的遼寧、河北以及西南高山產(chǎn)區(qū)的云南等部分地區(qū)，平均強(qiáng)度為1.0～2.0；強(qiáng)度中等的區(qū)域集中分布在黃河故道產(chǎn)區(qū)和黃土高原產(chǎn)區(qū)，平均強(qiáng)度為2.1～3.0(圖5b)。

漿果成熟～落葉期階段干旱強(qiáng)度較大的區(qū)域集中在東北中北部產(chǎn)區(qū)和西北產(chǎn)區(qū)，平均強(qiáng)度為3.1～4.0；強(qiáng)度小的區(qū)域僅分布在黃土高原產(chǎn)區(qū)的陜西佛坪、漢中、鎮(zhèn)安等地以及南方產(chǎn)區(qū)的海南瓊中、瓊海地區(qū)，平均強(qiáng)度為1.0～2.0；其他地區(qū)干旱強(qiáng)度中等，平均強(qiáng)度為2.1～3.0(圖5c)。

圖5 葡萄主產(chǎn)區(qū)干旱強(qiáng)度的空間分布特征(1958—2019年)Fig.5 Spatial distribution characteristics of drought intensity in main grape production areas (1958-2019)

2.3 葡萄主產(chǎn)區(qū)不同生育階段各干旱等級(jí)站次比年際變化特征

如圖6所示(見208、209頁(yè))，新梢生長(zhǎng)～開花坐果期階段，無旱、輕旱、中旱、重旱和特旱站次比依次為34%～65%、21%～47%、13%～36%、13%～37%和19%～53%，無旱、輕旱、中旱發(fā)生范圍整體呈上升趨勢(shì)，特旱發(fā)生范圍整體呈下降趨勢(shì)，中旱發(fā)生范圍整體趨勢(shì)則較平穩(wěn)；在開花坐果～漿果成熟期階段，不同干旱等級(jí)站次比依次為62%～82%、67%～87%、51%～75%、42%～63%和40%～70%，除重旱、特旱發(fā)生范圍呈降低趨勢(shì)外，其他干旱等級(jí)發(fā)生范圍的整體趨勢(shì)較平穩(wěn)；在漿果成熟～落葉期階段，不同干旱等級(jí)站次比依次為31%～68%、53%～72%、50%～70%、50%～70%和65%～94%，除重旱發(fā)生范圍呈上升趨勢(shì)外，其他干旱等級(jí)整體趨勢(shì)較平穩(wěn)。

圖6 葡萄主產(chǎn)區(qū)各生育階段各干旱等級(jí)發(fā)生站次比年際變化Fig.6 Inter-annual variation of station frequency ratio in different growth stages and drought grades in main grape production areas

續(xù)圖6 葡萄主產(chǎn)區(qū)各生育階段各干旱等級(jí)發(fā)生站次比年際變化Fig.6 Inter-annual variation of station frequency ratio in different growth stages and drought grades in main grape production areas

綜上所述，1958—2019年漿果成熟～落葉期階段特旱發(fā)生范圍最大，其他生育階段輕旱發(fā)生范圍最大；新梢生長(zhǎng)～開花坐果期和開花坐果～漿果成熟期階段重旱均呈下降趨勢(shì)，但其在漿果成熟～落葉期階段呈上升趨勢(shì)。

2.4 葡萄主產(chǎn)區(qū)各生育階段干旱風(fēng)險(xiǎn)分布特征

在葡萄新梢生長(zhǎng)～開花坐果期階段，無旱區(qū)域主要分布在南方產(chǎn)區(qū)的湖南、江西、上海等地；干旱風(fēng)險(xiǎn)高的特旱區(qū)域主要分布在西北產(chǎn)區(qū)和東北中北部產(chǎn)區(qū)(CWDI>65%)；風(fēng)險(xiǎn)性低的輕旱區(qū)域主要分在環(huán)渤海灣產(chǎn)區(qū)的遼寧、黃河故道產(chǎn)區(qū)的河南、安徽以及黃土高原產(chǎn)區(qū)的陜西等部分地區(qū)(30

隨著夏季降雨增加，開花坐果～漿果成熟期階段旱情得以緩解(圖7b，見210頁(yè))，此時(shí)風(fēng)險(xiǎn)高的特旱區(qū)域有所減少，主要分布于西北產(chǎn)區(qū)，大部分地區(qū)主要以輕旱為主；風(fēng)險(xiǎn)較高的重旱區(qū)域分布在黃河故道產(chǎn)區(qū)的河南安陽(yáng)、新鄉(xiāng)、三門峽等地以及黃土高原產(chǎn)區(qū)的陜西、山西等部分地區(qū)(50

在漿果成熟～落葉期階段，旱情較前兩個(gè)生育階段有所加重(圖7c)，風(fēng)險(xiǎn)高的特旱區(qū)域再次出現(xiàn)在西北產(chǎn)區(qū)和東北中北部產(chǎn)區(qū)，大部分地區(qū)以中旱為主；風(fēng)險(xiǎn)低的輕旱區(qū)域分布于環(huán)渤海灣產(chǎn)區(qū)的遼寧、黃土高原產(chǎn)區(qū)的陜西以及南方產(chǎn)區(qū)的四川、重慶等地區(qū)(30

圖7 葡萄主產(chǎn)區(qū)不同生育階段旱情等級(jí)空間分布Fig.7 Spatial distribution of drought grades at different growth stages in main grape production areas

3 討 論

干旱脅迫對(duì)葡萄生長(zhǎng)和品質(zhì)具有明顯影響，嚴(yán)重時(shí)將阻礙植株養(yǎng)分吸收，造成黃葉、落葉、落果，甚至死樹。本研究表明，不同生育階段各等級(jí)干旱發(fā)生頻率空間分布呈現(xiàn)自北向南逐漸減少的特征，這與吳乾慧[13]、王素艷[14]、張存杰等[15]對(duì)我國(guó)北方地區(qū)冬小麥干旱情況研究結(jié)果相吻合。程雪等[16]對(duì)我國(guó)北方地區(qū)蘋果干旱時(shí)空特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)北方地區(qū)蘋果在盛花～成熟期階段重旱發(fā)生范圍最大，而其他生育階段輕旱發(fā)生范圍最大，這與本研究結(jié)果基本一致。薛昌穎等[17]對(duì)我國(guó)北方地區(qū)冬小麥產(chǎn)量進(jìn)行災(zāi)損評(píng)估，發(fā)現(xiàn)山西黃土高原地區(qū)屬于高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，與本文研究結(jié)果基本一致。

本研究表明在葡萄漿果成熟～落葉期階段，各干旱等級(jí)發(fā)生頻率的空間分布特征呈現(xiàn)南低北高的特征，這與該生育期內(nèi)天氣情況有關(guān)，南方產(chǎn)區(qū)為12月下旬，而西北產(chǎn)區(qū)、東北中北部產(chǎn)區(qū)為10月下旬，因而造成不同產(chǎn)區(qū)葡萄生育期內(nèi)空間分布特征差異，這與吳乾慧[13]的北方冬小麥分蘗期干旱風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)南高北低分布特征研究結(jié)果一致。

我國(guó)葡萄主產(chǎn)區(qū)包含了30個(gè)省、市和自治區(qū)，不同地區(qū)氣候差異較大，本研究采用的各產(chǎn)區(qū)生育階段的起止日期為各產(chǎn)區(qū)并集的結(jié)果，在今后研究中，可細(xì)化各產(chǎn)區(qū)的不同生育階段數(shù)據(jù)，以更為準(zhǔn)確地了解各產(chǎn)區(qū)干旱災(zāi)害時(shí)空分布規(guī)律及風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

水分虧缺指數(shù)已應(yīng)用在小麥、玉米、水稻等作物，在葡萄上則應(yīng)用較少，本研究在進(jìn)行葡萄需水量計(jì)算時(shí)，未對(duì)各產(chǎn)區(qū)不同生育階段葡萄生長(zhǎng)系數(shù)進(jìn)行修正，但葡萄各生育階段干旱空間分布特征仍具有可比性。本研究選用作物水分虧缺指數(shù)作為干旱指標(biāo)，得到我國(guó)葡萄主產(chǎn)區(qū)干旱時(shí)空分布特征規(guī)律，但未考慮灌溉等因素對(duì)干旱指標(biāo)的影響，在以后的研究中需要進(jìn)一步考慮不同因素的影響，從而提高所選干旱指標(biāo)的精確性。此外，由于《中國(guó)氣象災(zāi)害年鑒》災(zāi)情資料對(duì)作物干旱的記載沒有明確作物分類，并且有關(guān)葡萄的歷年災(zāi)情數(shù)據(jù)有限，本研究并未對(duì)干旱分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在今后研究中，需要充實(shí)葡萄實(shí)際的災(zāi)情數(shù)據(jù)，以對(duì)葡萄生產(chǎn)進(jìn)行更準(zhǔn)確的干旱監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

本研究結(jié)果表明我國(guó)葡萄主產(chǎn)區(qū)干旱發(fā)生頻率高和強(qiáng)度大的地區(qū)主要分布在西北產(chǎn)區(qū)和東北中北部產(chǎn)區(qū)，在未來工作中，需針對(duì)干旱發(fā)生頻率高、葡萄種植面積大和產(chǎn)量高的地區(qū)進(jìn)行更深入分析，提出有針對(duì)性的防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策。

4 結(jié) 論

我國(guó)葡萄主產(chǎn)區(qū)新梢～開花坐果期階段中無旱、輕旱、中旱與漿果成熟～落葉期階段中重旱發(fā)生范圍年際變化呈上升趨勢(shì)，開花坐果～漿果成熟期階段重旱和特旱發(fā)生范圍呈降低趨勢(shì)，其他生育階段干旱等級(jí)年際變化趨勢(shì)整體比較平穩(wěn)。

我國(guó)葡萄主產(chǎn)區(qū)干旱發(fā)生頻率、平均強(qiáng)度以及各干旱等級(jí)的空間分布基本表現(xiàn)為北高南低，而漿果成熟～落葉期階段各干旱等級(jí)發(fā)生頻率與之規(guī)律相反，空間分布則呈北低南高特征。