黃娟 劉紀疆 高明華 王森

摘要：通過分析新疆伊寧縣1987—2017年的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、日照時數(shù)等氣象要素的年際變化特征，結(jié)合主要農(nóng)業(yè)氣象災害，運用Mann-Kendall突變檢驗法綜合分析伊寧縣冰葡萄種植的農(nóng)業(yè)氣象條件。結(jié)果表明：（1）1987—2017年30年間伊寧縣的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫分別為10.2、16.6、4.7 ℃，氣溫的突變現(xiàn)象大多發(fā)生在1998年前后，隨年份的增長整體呈上升趨勢;熱量條件充足，有利于冰葡萄糖分積累，提高品質(zhì)和產(chǎn)量;（2）日照時數(shù)多年平均值、年均日照時數(shù)及年平均相對濕度分別為2 748.6 h、7.5 h、61%，能夠滿足冰葡萄生長所需光照水分條件;（3）伊寧縣穩(wěn)定通過10 ℃積溫的多年平均值為3 559.1 ℃·d，穩(wěn)定通過10 ℃日數(shù)為182 d，無霜期為166 d，降水量為378.0 mm;1996—1999年及2017年氣象條件對葡萄產(chǎn)量為負影響，其他年份均為正影響，2009、2014、2015年氣象產(chǎn)量值高，平均最低氣溫、相對濕度及日照時數(shù)值低，白天高溫有利于光合作用，有機質(zhì)積累較多;夜間低溫，呼吸作用較弱，降低有機物消耗，有利于糖分的積累。除霜凍、大風對冰葡萄生長略有影響，需采取適當防凍措施外，整體氣候環(huán)境良好，符合冰葡萄生長適宜條件，建議產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：伊寧縣;氣候變化規(guī)律;小氣候;冰葡萄;種植可行性;影響

中圖分類號： S162.5+5? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）15-0136-06

收稿日期：2020-10-12

基金項目：中亞大氣科學研究基金（編號：CASS201819）;中國沙漠氣象科學研究基金（編號：Sqj2019009）。

作者簡介：黃 娟（1990—），女，新疆烏魯木齊人，碩士，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。E-mail：1321265319@qq.com。

通信作者：劉紀疆，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)氣象和信息化研究。E-mail：at1321265319@163.com。

冰酒是一種推遲葡萄收獲而釀制成的葡萄酒。當溫度低于-8 ℃時，葡萄留在樹枝上冷凍一段時間，然后收獲、壓榨，用獨特的釀造工藝制作的葡萄酒稱為冰酒[1]。冰酒是葡萄酒中的貴族，具有極高的市場價值，其釀造原料冰葡萄的品質(zhì)至關(guān)重要[2]。適宜的氣候條件，能栽培出糖酸平衡、香味充足的冰葡萄原料[3]。獨特的氣候及生態(tài)環(huán)境，形成了冰葡萄獨特的品質(zhì)和極強的地域性特點，不同地區(qū)氣候條件的差異和年際氣候變化對冰葡萄的品質(zhì)和產(chǎn)量影響很大[4]。因此，探索影響冰葡萄生產(chǎn)的氣候機制，分析冰葡萄產(chǎn)區(qū)，合理調(diào)控種植基地位置及大小，使得生產(chǎn)方式規(guī)?；饰鲆M冰葡萄種植的農(nóng)業(yè)氣象條件，分析原產(chǎn)地與當前種植區(qū)域的氣候差異，進行小氣候調(diào)節(jié)與補償[5]，對未來冰葡萄規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有深遠的意義。

目前，國內(nèi)外學者主要從2個方面展開研究。一方面研究氣候年際變化特征。李小樂等分析了璧山區(qū)葡萄種植的可行性和生長適宜性[6]。陳嘯天等通過分析河北省涉縣1982—2012年的氣象數(shù)據(jù)年際變化特征，作出涉縣冰葡萄種植可行性的判斷[7]。另一方面，研究氣候指標及相關(guān)系數(shù)。譚志昌等分析了桓龍湖山地氣候指標，制定出符合冰葡萄威代爾生長的各項指標[8]。也有研究表明，法國的光熱系數(shù)值在2.95～6.70之間，屬于適宜種植釀酒葡萄的區(qū)間;而當光熱系數(shù)值低于2.60時，不適宜種植[9]。另外，當光熱指數(shù)>2 400或<1 500 時，不適宜種植釀酒葡萄[9]。其他研究中，有利用維度-溫度指數(shù)對新西蘭進行適宜度劃分[10]，也有按照熱量指標劃分澳大利亞的不同種植區(qū)[11]。前人針對葡萄適宜區(qū)劃分及種植可行性做了相關(guān)研究，但是冰葡萄相關(guān)研究較少，且缺乏綜合氣象要素與氣象災害相結(jié)合的系統(tǒng)性分析。本試驗通過研究新疆伊寧縣1987—2017年的氣象要素變化規(guī)律，結(jié)合冰葡萄生長特性，分析伊寧縣種植冰葡萄的可行性，有利于順應自然，根據(jù)冰葡萄種植需求改善環(huán)境氣象條件，打造適宜冰葡萄生長的種植基地，減少盲目開發(fā)造成的損失，以期為伊寧縣冰葡萄生產(chǎn)的提高和未來合理化區(qū)域管理提供參考[12-13]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

伊寧縣隸屬于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州，位于新疆維吾爾自治區(qū)西部，天山山脈西部，伊犁河谷中部。地理坐標在81°13′40″～82°42′20″E、43°35′10″～44°29′30″N之間，縣境東西距最長116 km，南北距最寬95 km，總面積 6 152.55 km2[14]。冰葡萄種植基地占地面積約 8 km2，光照充足，晝夜溫差大，位于“三山夾兩谷”的地理環(huán)境中，與世界生產(chǎn)葡萄酒的法國波爾多、生產(chǎn)冰酒的加拿大安大略緯度一致。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 氣象數(shù)據(jù) 以伊寧縣1987—2017年的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、日照時數(shù)、積溫、無霜期、降水量等氣象要素為伊寧縣地面氣象站數(shù)據(jù)資料。

1.2.2 災害數(shù)據(jù) 來自伊寧縣地面氣象站數(shù)據(jù)觀測資料、《伊寧縣農(nóng)業(yè)區(qū)劃》《中國氣象災害大典（新疆卷）》以及伊寧縣林業(yè)和草原局。

1.2.3 產(chǎn)量數(shù)據(jù) 來自新疆統(tǒng)計年鑒和伊寧縣林業(yè)和草原局。

1.3 研究方法

Mann-Kendall的檢驗方法是非參數(shù)方法[15]。非參數(shù)檢驗方法亦稱無分布檢驗，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便。對于具有n個樣本量的時間序列X，構(gòu)造秩序列：

Sk=∑ki=1ri，ri=1，xi>xj0，else j=1，2，…，i。（1）

可見，秩序列Sk是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量

UFk=Sk-E（Sk）var（Sk），k=1，2，…，n。（2）

式中：UF1=0，E（Sk），var（Sk）是累計數(shù)Sk的均值和方差，在X1，X2，…，Xn相互獨立且有相同連續(xù)分布時，它們可由下式算出：

E（Sk）=n（n+1）4，var（Sk）=n（n-1）（2n+5）72。（3）

式中：UFi為標準正態(tài)分布，它是按時間序列x順序X1，X2，…，Xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若|UFi|>Ua，則表明序列存在明顯的趨勢變化。

按時間序列x逆序Xn，Xn-1，…，X1，再重復上述過程，同時使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，1。UB1=0。

該方法不僅計算簡便，而且可以明確突變開始的時間，并指出突變區(qū)域，因此是一種常用的突變檢測方法[16-18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均氣溫變化規(guī)律

圖1為1987—2017年伊寧縣的年平均氣溫變化情況。年平均氣溫較高值出現(xiàn)在2006、2007、2013、2016年，年平均氣溫較低值出現(xiàn)在1993、1996年，氣溫值隨年份的增長整體呈上升趨勢，y=0.036 8x+9.627 7（r2=0.256），P=1.771 1×10-133，30年平均氣溫值為10.2 ℃，2006年為近30年年平均氣溫最高值出現(xiàn)年份。為研究近30年年平均氣溫的變化趨勢及突變性質(zhì)，運用Mann-Kendall突變檢驗法進行突變時間點的判別（圖2）。1998年之后UFk>0，即1998年之后年平均氣溫呈增高趨勢，并于2006年通過0.05顯著性檢驗。UFk曲線和UBk曲線僅存在1個交點，說明僅存在1個突變點，則年平均氣溫在1998年之后的升高是個突變現(xiàn)象。自1999年起，突變前（1987—1998年）的氣溫平均值為9.7 ℃，突變后（1999—2017年）的氣溫平均值為10.5 ℃，較突變前上升了 0.8 ℃。隨著溫度的升高，葡萄的生理生化反應加快，生長發(fā)育速度也相應加快。一方面，充足的熱量條件在一定程度上有利于酶活性的提高;另一方面，有利于提高葡萄糖分積累及品質(zhì)。

2.2 年平均最高氣溫變化規(guī)律

圖3為1987—2017年伊寧縣的年平均最高氣溫。年平均最高氣溫較高值出現(xiàn)在1997、2006、2007、2008年，年平均最高氣溫較低值出現(xiàn)在1993、1996年，最高氣溫值隨年份的增長整體呈上升趨勢，y=0.030 6x+16.119（r2=0.193），P=2.121 4×10-133，30年最高氣溫平均值為16.6 ℃，1997年和2007年為近30年年平均最高氣溫最高值出現(xiàn)年份。為研究近30年年平均最高氣溫的變化趨勢及突變性質(zhì)，運用Mann-Kendall突變檢驗法進行突變時間點的判別（圖4）。1989年之后UFk值均大于0，即1989年之后年平均最高氣溫呈增高趨勢，并于2007年通過0.05顯著性檢驗。由UFk曲線和UBk曲線交點判斷，確定1989年之后年平均最高氣溫的升高是一突變現(xiàn)象，在突變點1999年之前，年平均最高氣溫為16.2 ℃，突變后（至2017年）年平均最高氣溫為16.9 ℃，較突變前升高0.7 ℃。夏季氣溫升高，有效積溫值偏高，有利于果實糖分的積累，但果酸含量低，果香不足，對葡萄酒的品質(zhì)形成不利。且夏季氣溫過高，日照過強，容易發(fā)生“日灼”災害。

2.3 年平均最低氣溫變化規(guī)律

圖5為1987—2017年伊寧縣的年平均最低氣溫。年平均最低氣溫較高值出現(xiàn)在2002、2006、2007、2016年，年平均最低氣溫較低值出現(xiàn)在1994、2014年，氣溫值隨年份的增長整體呈上升趨勢，y=0.025 7x+4.295 5（r2=0.132 6），P=1.486 9×10-133。30年最低氣溫平均值為4.7 ℃，2002年為近30年年平均最低氣溫最高值出現(xiàn)年份，1994、2014年為最低值出現(xiàn)年份。為研究近30年年平均最高氣溫的變化趨勢及突變性質(zhì)，運用Mann-Kendall突變檢驗法進行突變時間點的判別（圖6）。由UFk曲線與UBk曲線變化規(guī)律可知，年平均最低氣溫突變點數(shù)量唯一。1999年之后UFk值大于0，即1999年之后年平均最低氣溫呈增高趨勢，并于2004年通過0.05顯著性檢驗。由UFk曲線和UBk曲線交點的判斷，在1999年之后年平均最低氣溫的升高是個突變現(xiàn)象，在突變點1999年之前，突變前（1987—1998年）的年平均最低氣溫為4.3 ℃，突變后（1999—2017年）的年平均最低氣溫為5.0 ℃，較突變前上升了0.7 ℃。在葡萄各發(fā)育期，低于適宜生長范圍的溫度易造成細胞內(nèi)及細胞外結(jié)冰，嚴重破壞原生質(zhì)的各項機能，花期遇0 ℃以下低溫會導致花期凍害。因此，適宜的溫度條件對葡萄的生長發(fā)育至關(guān)重要。

2.4 年平均相對濕度變化規(guī)律

圖7為1987—2017年伊寧縣的年平均相對濕度。年平均相對濕度較高值出現(xiàn)在1987、1993、1998、2002年，年平均相對濕度較低值出現(xiàn)在2013、2015年。相對濕度值隨年份的增長整體呈下降趨勢，y=-0.263 8x+64.843（r2=0.399 4），P=8.701 3×10-131。年平均相對濕度多年平均值為61%，1998年為近30年年平均相對濕度最高值出現(xiàn)年份，最低值出現(xiàn)在2015年。為研究近30年年平均相對濕度的變化趨勢及突變性質(zhì)，運用Mann-Kendall突變檢驗法進行突變時間點的判別（圖8）。由UFk曲線與UBk曲線變化規(guī)律可知，年平均相對濕度突變點數(shù)量唯一。UFk值在2005年開始出現(xiàn)突變，且UFk值小于0，所以年平均相對濕度值隨年份的增長整體呈下降趨勢，至2011年下降趨勢顯著。突變前（1987—2004年）的年平均相對濕度為63%，突變后（2005—2017年）的年平均相對濕度為58%，較突變前下降了5百分點。

2.5 年平均日照時數(shù)變化規(guī)律

圖9為1987—2017年伊寧縣的年平均日照時數(shù)。年平均日照時數(shù)較高值出現(xiàn)在1995、2001、2004、2006年，年平均日照時數(shù)較低值出現(xiàn)在2016、2017年，日照時數(shù)值隨年份的增長整體呈下降趨勢，y=-0.009 9x+7.691（r2=0.068），P=1.456 6×10-133， 平均日照時數(shù)多年平均值為7.5 h，1995年為近30年年平均日照時數(shù)最高值出現(xiàn)年份，2016年為最低值出現(xiàn)年份。為研究近30年年平均日照時數(shù)的變化趨勢及突變性質(zhì)，運用Mann-Kendall突變檢驗法進行突變時間點的判別（圖10）。由UFk曲線與UBk曲線變化規(guī)律可知，年平均日照時數(shù)有2個突變點。1999年之前UFk值<0（1988年視為特殊點），即在1987—1998年之間年平均日照時數(shù)呈減少趨勢，故年平均日照時數(shù)在1999年后的增加是個突變現(xiàn)象。在突變點 1994年以前，年平均日照時數(shù)平均值為7.4 h，突變后（至2015年）年平均日照時數(shù)平均值為7.6 h，較突變增加0.2 h;2015年為下一個突變點，此后日照時數(shù)呈減少趨勢。強烈的太陽輻射和較長的日照時間有利于葡萄的光合作用和有機物質(zhì)的產(chǎn)生，使葡萄藤結(jié)實，葉片明亮，產(chǎn)量高，漿果質(zhì)量好[19]。

2.6 影響釀酒葡萄品質(zhì)、產(chǎn)量的氣象條件及災害分析

釀酒葡萄優(yōu)質(zhì)生態(tài)區(qū)一般的要求有：冬季未出現(xiàn)極端低溫天氣，夏季光溫適宜，能滿足葡萄正常生長發(fā)育所需的各項光照、降水、溫度條件;氣溫日較差大，生長季日照時間大于1 250 h，成熟期降水少，晚霜和早霜危害小;土壤通透性良好，排水通暢， pH值在6～8之間， 鹽分含量低于0.1%;地勢較高，不在低洼地帶等[20-26]。伊寧縣冰葡萄種植采用晚熟品種，晚熟適宜區(qū)需要的熱量條件為3 500～4 200 ℃·d，次適宜為4 200～4 500 ℃·d，不適宜為<3 500 ℃·d或>4 500 ℃·d[27]。研究區(qū)穩(wěn)定通過10 ℃積溫多年平均值為3 559.1 ℃·d，為適宜區(qū)。在冰酒用葡萄氣候區(qū)劃指標中，無霜期劃分為適宜、次適宜、不適宜3級，持續(xù)時間分別為180～200 d、180～200 d、≤180 d或>200 d，伊寧縣為次適宜區(qū)[28]（表1）。

依據(jù)伊寧縣1996—2017年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)（2004、2006年沒有相關(guān)數(shù)據(jù)，伊寧縣大面積引進釀酒葡萄是1999年，在2007年正式將經(jīng)濟林分類匯總），運用5年滑動平均法分離出趨勢產(chǎn)量，得到1996—2017年伊寧縣釀酒葡萄氣象產(chǎn)量（圖11）。由圖11可知，1996—1999年及2017年氣象產(chǎn)量為負值，說明這些年份氣象條件對葡萄產(chǎn)量為負影響;其他年份均為正影響，這與1998年之后氣溫呈增高趨勢并于2006年通過0.05顯著性檢驗相符。2009、2014、2015年氣象產(chǎn)量值較大，平均最低氣溫低，相對濕度低，日照時間短。白天高溫有利于光合作用，有機質(zhì)積累較多;夜間低溫，呼吸作用較弱，降低有機物消耗，有利于糖分的積累。

在伊寧縣，春季冷空氣活動頻繁，并常常伴有霜凍、大風天氣，這在一定程度上影響了葡萄的生長狀況和產(chǎn)量。據(jù)《伊寧縣農(nóng)業(yè)區(qū)劃》記載，伊寧縣大風天氣全年各月均可出現(xiàn)，其中以4—7月為最多，該時期是葡萄開花坐果至果實膨大期，大風易造成落花落果。旱風型大風加速種植區(qū)葡萄蒸散，影響有機物輸送，不利于糖度的形成，降低產(chǎn)量[29]。據(jù)伊犁州農(nóng)業(yè)氣象服務中心及伊寧縣林業(yè)和草原局調(diào)查，4月下旬至5月初的霜凍對冰葡萄生長影響最嚴重，新梢新芽極易受凍，埋土前緩期受凍也有不利影響，5—9月冰雹和成熟期大風影響次之（冰雹和大風損壞果實品相及葡萄藤的木質(zhì)部分，影響有機物輸送，導致減產(chǎn)）。有研究表明，春季冷空氣入侵時，當日最低氣溫降至0 ℃，即可視為葡萄受凍的臨界溫度[30]。伊寧縣近年僅出現(xiàn)2次凍害：（1）2014年10月1—9日，伊寧縣降水量達 44 mm，屬特多級，超過歷年10月整月平均降水量，氣溫較歷年偏低，10月10—12日，最低氣溫-2 ℃，出現(xiàn)重霜凍;（2）2015年3月29日夜間至31日8時，伊寧縣本站降水總量達14.7 mm，新增積雪厚度13 cm，平均氣溫下降12.2 ℃，平原最低氣溫降至 -8～-10 ℃，山區(qū)最低氣溫降至-10～-13 ℃。這2次災害性天氣致使伊寧縣的葡萄不同程度受災，但其他年份長勢良好。

3 結(jié)論與討論

近30年間伊寧縣的年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的平均值分別為10.2、16.6、4.7 ℃，均呈增長趨勢。氣溫的突變現(xiàn)象大多發(fā)生在1998年前后，突變后（1999—2017年）的年平均氣溫值為10.5 ℃，較突變前上升0.8 ℃;突變后的年平均最高氣溫（至2017年）平均值為16.9 ℃，較突變前升高0.7 ℃;突變后（1999—2017年）的年平均最低氣溫為5.0 ℃，較突變前上升0.7 ℃;突變后（2005—2017年）的年平均相對濕度為58%，較突變前下降5百分點;突變后（至2015年）年平均日照時數(shù)平均值為7.6 h，較突變前增加 0.2 h，2015年為下一個突變點，此后日照時數(shù)呈減少趨勢。伊寧縣冰葡萄種植采用晚熟品種，區(qū)劃類型劃分中，伊寧縣穩(wěn)定通過10 ℃積溫多年平均值為 3 559.1 ℃·d，穩(wěn)定通過10 ℃日數(shù)為182 d，無霜期為166 d，降水量為378.0 mm，綜合熱量條件為適宜區(qū)。1996—1999年及2017年氣象條件對葡萄產(chǎn)量為負影響，其他年份均為正影響，這與伊寧縣的生產(chǎn)實際情況相符，近年該縣僅出現(xiàn)2次凍害，其他年份長勢良好。葡萄品質(zhì)對葡萄酒的品質(zhì)起著決定性的作用，獨特的氣候和生態(tài)環(huán)境形成了冰葡萄獨特的品質(zhì)和濃郁的地域特色。因此，了解影響冰葡萄品質(zhì)的氣候機制，通過局部小氣候的調(diào)整和補償，優(yōu)化冰葡萄品質(zhì)，對今后葡萄酒的發(fā)展和農(nóng)民的增產(chǎn)增收具有積極意義。

通過分析伊寧縣1987—2017年的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、日照時數(shù)等氣象要素的年際變化特征，并結(jié)合伊寧縣實際生產(chǎn)中的冰葡萄生長特性及主要農(nóng)業(yè)氣象災害，運用Mann-Kendall突變檢驗法綜合分析伊寧縣冰葡萄種植的農(nóng)業(yè)氣象條件及變化特征，與冰葡萄適宜種植環(huán)境相一致[28]。一方面，基于多種氣象因子的綜合考量能更全面地反映伊寧縣多年小氣候特征，與王豪的研究[14]相一致;另一方面，結(jié)合實際冰葡萄品質(zhì)、產(chǎn)量特征及災害影響分析，較全面地反映實際生產(chǎn)中的需求及現(xiàn)狀，應用價值較高，符合生產(chǎn)實際需求[30]。氣象條件對冰葡萄生長的影響極為重要，但也不可忽視土肥灌水及人工管理措施的影響。現(xiàn)有研究中，大多采用區(qū)劃方法判定生長可行性，在空間尺度上更具優(yōu)勢，能夠體現(xiàn)空間變化趨勢及分布關(guān)系。本研究探究時間尺度的變化趨勢，在空間變化規(guī)律方面有局限性。未來可綜合利用遙感、GIS等技術(shù)，從多維尺度上探究小氣候?qū)ψ魑锷L的影響。

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