賀蘭山東麓釀酒葡萄需水量變化特征及影響因素分析

尚艷，張磊，王靜，李娜，徐蕊，姜琳琳，郭偉

（1. 中國氣象局旱區(qū)特色農業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室/寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏銀川 750002；2. 寧夏氣象臺，寧夏銀川 750002；3. 寧夏氣象科學研究所，寧夏銀川 750002；4. 西鴿酒莊，寧夏吳忠 751100）

葡萄是世界栽培面積最大的果樹作物之一，其中80%的葡萄用于釀酒[1-2]。寧夏是我國最重要的葡萄酒產區(qū)之一，2020年釀酒葡萄面積為3.28萬 hm2，約占全國釀酒葡萄面積的1/3[3]。寧夏賀蘭山東麓獨特的地理環(huán)境與氣候條件為優(yōu)質葡萄原料的生產奠定了基礎。但該區(qū)常年干旱少雨，屬典型的灌溉農業(yè)區(qū)，水資源供需矛盾十分突出。如何高效利用水資源和節(jié)水灌溉已成為該區(qū)釀酒葡萄生產面臨的重要課題之一。

作物需水量和有效降水量在水分管理上占據重要地位。為了更深入了解作物的生長發(fā)育與品質形成過程，需要對作物的需水量和有效降水量進行深入研究。目前，糧食作物需水量的變化規(guī)律已有很多報道[4-5]。在對葡萄需水量的研究中，國內學者主要分析了河南、甘肅、云南、新疆等區(qū)域[6-9]葡萄需水量的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的葡萄生育期內需水量差異較大，變化趨勢也不一致，可見在濕潤區(qū)及半濕潤區(qū)葡萄需水量變化具有差異性。賀蘭山東麓作為世界公認的釀酒葡萄適栽區(qū)[3]，其氣象條件具有特殊性，然而水資源利用不高是限制葡萄特色優(yōu)勢產業(yè)升級發(fā)展與國際接軌的“瓶頸”，研究賀蘭山東麓釀酒葡萄需水量變化特征及其影響因素對葡萄酒產業(yè)高質量發(fā)展十分重要。因此，基于寧夏回族自治區(qū)6個標準國家氣象站的氣象資料，分析1981—2020年賀蘭山東麓產區(qū)釀酒葡萄全生育期需水量、缺水量、有效降雨及水分盈虧指數(shù)的變化規(guī)律，把握賀蘭山東麓釀酒葡萄水資源利用現(xiàn)狀，為生產上節(jié)水灌溉和水分管理提供有力支撐。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

賀蘭山東麓釀酒葡萄產區(qū)位于37°43′～39°23′N，105°45′～106°47′E，為賀蘭山東麓沖積扇與黃河沖積平原之間的寬闊地帶。賀蘭山是我國季風氣候與大陸性氣候的分界線，這決定了賀蘭山東麓既有季風氣候的特點，又具有大陸氣候的特點。年日照時數(shù)2851～3106 h，≥10 ℃有效積溫3300 ℃左右，年降水量不到200 mm[3]，雨熱同季，冬季漫長而干燥寒冷，夏季炎熱而短促；干燥少雨，光照充足，晝夜溫差大。目前有灌溉條件的葡萄種植區(qū)采用地面畦灌、溝灌、滴灌為主的灌溉方式[10]。

1.2 數(shù)據來源

本文選取賀蘭山東麓釀酒葡萄產區(qū)6個標準國家氣象站（石嘴山、賀蘭、銀川、永寧、青銅峽、同心）40年（1981—2020）的逐日氣象數(shù)據。具體站點見圖1。氣象資料主要包括：平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、日照時數(shù)、平均相對濕度、平均風速、降水量等，以及各氣象站點的經度、緯度、海拔等地理特征數(shù)值，數(shù)據來自寧夏回族自治區(qū)氣象信息中心。根據賀蘭山東麓釀酒葡萄的發(fā)育期，選擇4月1日—9月30日時間段分析釀酒葡萄需水量。

圖1 賀蘭山東麓氣象站點分布Figure 1 Distribution of meteorological stations at the eastern foot of Helan Mountains

1.3 研究方法

1.3.1 釀酒葡萄需水量計算

本文采用Penman-Monteith公式[5]計算作物需水量ETc：

式中，ET0為參考作物蒸散量（mm·d-1），Kc為作物系數(shù)

ET0的計算公式見（2）：

式中：Δ為飽和水汽壓-溫度曲線斜率（kPa·℃-1）；Rn為凈輻射（MJ·m-2·d-1）；G為土壤熱通量（MJ·m-2·d-1）；γ為干濕計常數(shù)（kPa·℃-1）；T為日均氣溫（℃）；u2為2 m高處風速（m·s-1）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實際水汽壓（kPa）。

1.3.2 作物系數(shù)的確定

采用FAO推薦的方法，以及Romero等[11]對釀酒葡萄生育期各月份的作物系數(shù)進行詳細劃分，4—9月作物系數(shù)依次為0.35、0.45、0.52、0.76、0.70、0.60。

1.3.3 有效降雨量的計算

有效降雨量是指作物在生長發(fā)育階段內，自然降水中實際補充到作物根層土壤中的降水量[12]。有效降雨量的計算方法如下：

式中：Pe為生育階段的有效降雨量（mm），Pj為j次降水的總量（mm），j為降水次數(shù)。

1.3.4 缺水量和水分盈虧指數(shù)計算

缺水量是作物全生育期或各個生育階段需水量與同期有效降雨量之差，即：

式中：Dw為作物全生育期內的缺水量，ETc為作物全生育期內的需水量，Pe為作物全生育期內的有效降雨量。若Dw＞0，則表明有效降雨不能滿足作物需水需求；反之，則表明有效降雨可以滿足作物需水需求。

水分盈虧指數(shù)（CWSDI）表征了作物生育階段的水分盈虧程度，即：

1.4 數(shù)據處理

利用Microsoft Excel 2010進行基礎數(shù)據的計算、整理，采用SPSS 21.0進行單因素方差分析、相關性分析、回歸分析和通徑分析，處理間差異顯著性分析采用Duncan檢驗法。

2 結果與分析

2.1 釀酒葡萄生育期有效降雨量的變化特征

近40年賀蘭山東麓產區(qū)釀酒葡萄生育期內有效降雨量整體呈增加趨勢，氣候傾向率為每10年4.2 mm，其中可以分為2個階段：1981—2005年呈減少趨勢，氣候傾向率為每10年-3.15 mm；2006—2020年呈增加趨勢，氣候傾向率為每10年19.31 mm（圖2）。

圖2 1981—2020年賀蘭山東麓釀酒葡萄生育期有效降雨量年際變化Figure 2 The interannual variation of effective precipitation during growth period of wine grapes in the eastern foot of Helan Mountains from 1981 to 2020

由表1可見，各小產區(qū)葡萄生育期平均有效降雨量為157.2 mm，空間分布差異顯著，其中同心產區(qū)的有效降雨量最大（212.5 mm），石嘴山產區(qū)最小（139.9 mm）。1981-2020年間，除同心產區(qū)有效降雨量以每10年5.39 mm速率下降外，其他產區(qū)均呈上升趨勢，其中石嘴山上升速率最快，為每10年9.40 mm，銀川上升速率最慢，為每10年4.01 mm。

表1 1981—2020年賀蘭山東麓釀酒葡萄生育期有效降雨量各月變化特征Table 1 Monthly variation characteristics of effectiveprecipitation during growth period of wine grapesin the eastern foot of Helan Mountains from 1981 to 2020 mm

從表1還可以看出，4月賀蘭山東麓產區(qū)平均有效降雨量為9.4 mm，僅占葡萄全生育期的5.98%，其中石嘴山產區(qū)最少，同心產區(qū)最多；5月平均有效降雨量為18.8 mm，占葡萄全生育期的11.96%，其中石嘴山產區(qū)最少，同心產區(qū)最多；6月平均有效降雨量為25.4 mm，占釀酒葡萄全生育期的16.16%，其中賀蘭產區(qū)最少，同心產區(qū)最多；7月、8月平均有效降雨量分別為38.3、 39.2 mm，分別占葡萄全生育期的24.36%、24.94%，均為永寧產區(qū)最少，同心產區(qū)最多；9月平均有效降雨量為26.1 mm，僅為葡萄全生育期的16.6%，其中石嘴山產區(qū)最少，同心產區(qū)最多。

2.2 釀酒葡萄需水量、缺水量的變化特征

1981—2020年間，賀蘭山東麓產區(qū)釀酒葡萄生育期需水量為458.04～546.74 mm，平均為494.30 mm，1997年之前需水量為上升趨勢，1997—2006年達需水量高峰期，2006年之后需水量呈下降趨勢（圖3G）。從賀蘭山東麓各產區(qū)來看，需水量由大到小的產區(qū)分別是同心、石嘴山、銀川、永寧、青銅峽、賀蘭。

圖3 賀蘭山東麓產區(qū)釀酒葡萄各月需水量、缺水量的變化特征Figure 3 Variation characteristics of monthly water demand and water shortage of wine grapes in eastern foothills of Helan Mountains

從賀蘭山東麓釀酒葡萄整個生育期需水量來看（圖3A～3F），呈現(xiàn)“低-高-低”拋物線走勢，且表現(xiàn)為4月需水量最少，7月最大。其中，4月需水量呈增加趨勢，為36.55～53.39 mm，氣候傾向率為每10年0.53 mm。5月呈增加趨勢，在60.09～87.61 mm，氣候傾向率為每10年0.42 mm。6月呈增加趨勢，在73.54～102.98 mm，氣候傾向率為每10年1.01 mm。7月呈減少趨勢，在112.96～156.08 mm，氣候傾向率為每10年-0.18 mm。8月呈減少趨勢，在87.57～115.89 mm，氣候傾向率為每10年-0.61 mm。9月呈減少趨勢，在46.35～73.79 mm，氣候傾向率為每10年-1.29 mm。

從1981—2020年賀蘭山東麓產區(qū)葡萄缺水量的時間變化特征可知（圖3G），葡萄生育期缺水量變化趨勢與需水量一致，在236.21～468.49 mm。全區(qū)近40年中所有年份的葡萄缺水量均為正值，說明該產區(qū)需要補充灌溉才能滿足葡萄生育期內的需水量。從賀蘭山東麓各產區(qū)來看，缺水量由大到小的產區(qū)分別是石嘴山、銀川、永寧、青銅峽、賀蘭、同心。

從各月來看，賀蘭山東麓產區(qū)缺水量（圖3A～3F）在4月呈增加趨勢，氣候傾向率為每10年0.94 mm，其中僅1989年缺水量為負值，有效降雨足以滿足葡萄的需水量；5月呈增加趨勢，氣候傾向率為每10年2.09 mm；6月呈減少趨勢，氣候傾向率為每10年-1.80 mm；7月呈減少趨勢，氣候傾向率為每10年-2.55 mm；8月呈增加趨勢，氣候傾向率為每10年2.11 mm；9月呈減少趨勢，氣候傾向率為每10年-5.13 mm，其中僅2001、2015年缺水量為負值，有效降雨足以滿足釀酒葡萄的需水量。

對賀蘭山東麓釀酒葡萄生育期需水量進行小波分析，得到能量譜。圖4中黑色實線代表影響錐（COI），只考慮此曲線之內的能量譜，以免受邊界效應的干擾，需水量在1987—1998期間有個4年左右的周期。

圖4 賀蘭山東麓釀酒葡萄生育期需水量小波分析實部圖Figure 4 Real part of wavelet analysis of water demand of wine grape in growth period in the eastern foot of Helan Mountains

2.3 釀酒葡萄水分盈虧指數(shù)的變化特征

水分盈虧指數(shù)一方面將有效降水量和作物需水量考慮在內，另一方面也體現(xiàn)了實際供水與作物最大水分需求量的平衡，可以較好地體現(xiàn)土壤墑情。賀蘭山東麓產區(qū)近40年釀酒葡萄生育期的水分盈虧指數(shù)如圖5所示，1981—2020年逐年水分盈虧指數(shù)為-87%～-49%，表現(xiàn)出這一時期賀蘭山東麓釀酒葡萄生育期內水資源始終處于嚴重虧缺狀態(tài)。

從各產區(qū)來看，石嘴山、永寧、賀蘭、青銅峽、銀川產區(qū)40年水分盈虧指數(shù)均呈上升趨勢，僅同心產區(qū)呈下降趨勢。水分盈虧指數(shù)由小到大的產區(qū)分別是石嘴山、永寧、賀蘭、青銅峽、銀川、同心。

通過小波小系數(shù)等值線圖，預測水分盈虧指數(shù)在不同時間尺度的演變趨勢。從圖6可以看出，各產區(qū)均有3個峰值較為明顯，賀蘭、青銅峽、石嘴山、同心、銀川、永寧、賀蘭山東麓產區(qū)水分盈虧指數(shù)變化的第一主周期分別為22年、4年、4年、5年、4年、4年、4年，周期震蕩明顯；第二主周期分別為5年、7年、25年、25年、21年、23年、22年。

圖6 1981—2020年賀蘭山東麓釀酒葡萄生育期水分盈虧指數(shù)小波分析圖（續(xù)）Figure 6 Wavelet analysis of water profit and loss index of wine grape during growth period in the eastern foot of Helan Mountains from 1981 to 2020

2.4 氣象要素對釀酒葡萄生育期需水量的影響

為了分析賀蘭山東麓釀酒葡萄生育期需水量差異性的影響因素，選取最高氣溫、平均氣溫、有效降水、日照時數(shù)、風速5個氣象要素與釀酒葡萄生育期需水量進行通徑分析，根據所得出的通徑系數(shù)來計算各氣象因子對需水量的直接與間接作用，見表2。需水量的變化與5種要素均相關，但各氣象因素對需水量的直接作用和間接作用存在差異。風速、平均氣溫、日照時數(shù)、有效降水、最高氣溫對E的總貢獻分別為0.481、0.170、0.126、0.108、0.061，表明風速是影響該區(qū)域需水量的決定性因素；平均氣溫對E的總貢獻為0.170，表明平均氣溫對該區(qū)域需水量的影響程度僅次于風速；日照時數(shù)和有效降水對E的總貢獻表明這兩個要素是影響該區(qū)域需水量的重要氣象要素；最高氣溫對E的總貢獻表明最高氣溫對研究區(qū)需水量的影響程度最小。各氣象要素對E的總貢獻排序為：風速＞平均氣溫＞日照時數(shù)＞有效降水＞最高氣溫。按直接通徑系數(shù)進行排序：風速＞平均氣溫＞日照時數(shù)＞有效降水＞最高氣溫；按各氣象因素的間接通徑系數(shù)進行排序：有效降水＞最高氣溫＞日照時數(shù)＞風速＞平均氣溫。因此，風速和平均氣溫對需水量的影響較大。

表2 1981—2020年賀蘭山東麓釀酒葡萄需水量與氣象要素的通徑分析Table 2 Path analysis of water demand for wine grapes and meteorological elements in the eastern foothill of Helan Mountains from 1981 to 2020

3 討論

賀蘭山東麓產區(qū)年均降水量少，蒸發(fā)大，且降水分布不均，主要集中在6—9月，屬于典型的季節(jié)性降雨地區(qū)。有效降雨量以增加為主，需水量以減少為主，有效降雨量的高值區(qū)也是需水量的高值區(qū)，釀酒葡萄生育期內降水量的減少對產量形成和品質不利，但需水量的下降一定程度上彌補了降雨量減少對釀酒葡萄的影響。整個生育期內需水量呈現(xiàn)“低-高-低”拋物線走勢，這與張芮等[13]研究結果一致，主要表現(xiàn)為4月需水最少，7月最大。4月需水少，是由于此時期釀酒葡萄處于萌芽期，氣溫較低，葉片尚未出現(xiàn)，需水量在生長季中最小；5月進入第一個需水高峰，新梢生長較快，以保證正常開花、坐果；6月逐步進入坐果期，需水量有所下降；7月正值漿果生長期，為葡萄需水關鍵期，也是葡萄營養(yǎng)生長和生殖生長的高峰，也是產量形成的關鍵期，同時氣溫較高，蒸發(fā)較大，需水量達到最大。8月開始逐步進入果實成熟期，水分過多雖然能提高產量，但是果實質量卻大大降低；相反，水分虧缺對葡萄漿果成分有顯著的影響，其通過增加果實色澤、風味和香氣從而提高葡萄酒質量[14-16]。

從2006—2020年來看，降水量呈增加趨勢，需水量呈減少趨勢，雖然這在一定程度上緩解農業(yè)用水的壓力，但有效降水依然無法滿足釀酒葡萄的用水需求，灌溉水仍然是實際生產的主要補給水源。根據寧夏釀酒葡萄滴灌種植技術規(guī)程[10]，賀蘭山東麓砂質土全生育期需要295～315 m3滴灌量，壤土全生育期需要275～295 m3滴灌量；同心區(qū)砂質土全生育期需要280～300 m3滴灌量，壤土全生育期需要260～280 m3滴灌量。賀蘭山東麓產區(qū)葡萄7—8月的平均有效降雨量占全生育期有效降雨量的50%，此時期也是釀酒葡萄需水關鍵期，應根據土壤墑情及時補充灌溉水來緩解降雨不足帶來的生產損失。

賀蘭山東麓釀酒葡萄需水量與氣象要素的通徑分析表明，風速是影響該區(qū)域需水量的重要氣象要素，與姬興杰等[17]和周迎平等[18]研究一致。有效降雨與需水量呈負相關，這可能與近年來寧夏賀蘭山東麓產區(qū)降水增多、相對濕度偏高、氣候變暖和變濕有關。

本研究主要考慮了自然降水對釀酒葡萄生育期需水量的影響，下一步將綜合考慮不同土壤類型和緯度差異對釀酒葡萄需水規(guī)律的影響。

4 結論

（1）1981—2020年間，賀蘭山東麓產區(qū)釀酒葡萄生育期需水量為458.04～546.74 mm，總體呈現(xiàn)“低-高-低” 拋物線走勢，且表現(xiàn)為4月需水量最少，7月需水量最大；有效降雨呈增加的趨勢，需水量、缺水量均呈減少趨勢。（2）1981—2020年逐年水分盈虧指數(shù)為-87%～-49%，石嘴山、永寧、賀蘭、青銅峽、銀川產區(qū)40年水分盈虧指數(shù)均呈上升趨勢，僅同心產區(qū)呈下降趨勢。（3）影響賀蘭山東麓產區(qū)釀酒葡萄生育期需水量的要素主要有風速、平均氣溫、最高氣溫、日照時數(shù)和有效降水，其中風速對需水量的影響最大，平均氣溫影響次之。