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(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/寧夏氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750002；2. 寧夏氣象臺(tái)，寧夏銀川 750002；3. 寧夏氣象科學(xué)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(chǎn)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(dú)特的地理環(huán)境與氣候條件為優(yōu)質(zhì)葡萄原料的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。但該區(qū)常年干旱少雨，屬典型的灌溉農(nóng)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(chǎn)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(jù)重要地位。為了更深入了解作物的生長發(fā)育與品質(zhì)形成過程，需要對作物的需水量和有效降水量進(jìn)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(bào)道[4-5]。在對葡萄需水量的研究中，國內(nèi)學(xué)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(nèi)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(rèn)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展十分重要。因此，基于寧夏回族自治區(qū)6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)國家氣象站的氣象資料，分析1981—2020年賀蘭山東麓產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(fēng)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(fēng)氣候的特點(diǎn)，又具有大陸氣候的特點(diǎn)。年日照時(shí)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(jù)來源

本文選取賀蘭山東麓釀酒葡萄產(chǎn)區(qū)6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(jù)。具體站點(diǎn)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(shí)數(shù)、平均相對濕度、平均風(fēng)速、降水量等，以及各氣象站點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、海拔等地理特征數(shù)值，數(shù)據(jù)來自寧夏回族自治區(qū)氣象信息中心。根據(jù)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(shí)間段分析釀酒葡萄需水量。

圖1 賀蘭山東麓氣象站點(diǎn)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(jì)算

本文采用Penman-Monteith公式[5]計(jì)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(jì)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(jì)常數(shù)（kPa·℃-1）；T為日均氣溫（℃）；u2為2 m高處風(fēng)速（m·s-1）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實(shí)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(jìn)行詳細(xì)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(jì)算

有效降雨量是指作物在生長發(fā)育階段內(nèi)，自然降水中實(shí)際補(bǔ)充到作物根層土壤中的降水量[12]。有效降雨量的計(jì)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(jì)算

缺水量是作物全生育期或各個(gè)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(nèi)的缺水量，ETc為作物全生育期內(nèi)的需水量，Pe為作物全生育期內(nèi)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(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算、整理，采用SPSS 21.0進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)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(yàn)法。

2 結(jié)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(chǎn)區(qū)釀酒葡萄生育期內(nèi)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(gè)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(chǎn)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(chǎn)區(qū)的有效降雨量最大（212.5 mm），石嘴山產(chǎn)區(qū)最小（139.9 mm）。1981-2020年間，除同心產(chǎn)區(qū)有效降雨量以每10年5.39 mm速率下降外，其他產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)區(qū)最少，同心產(chǎn)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(chǎn)區(qū)最少，同心產(chǎn)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(chǎn)區(qū)最少，同心產(chǎn)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(chǎn)區(qū)最少，同心產(chǎn)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(chǎn)區(qū)最少，同心產(chǎn)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(chǎn)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(dá)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(chǎn)區(qū)來看，需水量由大到小的產(chǎn)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(chǎn)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(gè)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(chǎn)區(qū)葡萄缺水量的時(shí)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(chǎn)區(qū)需要補(bǔ)充灌溉才能滿足葡萄生育期內(nèi)的需水量。從賀蘭山東麓各產(chǎn)區(qū)來看，缺水量由大到小的產(chǎn)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(chǎn)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(fù)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(fù)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(jìn)行小波分析，得到能量譜。圖4中黑色實(shí)線代表影響錐（COI），只考慮此曲線之內(nèi)的能量譜，以免受邊界效應(yīng)的干擾，需水量在1987—1998期間有個(gè)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(shí)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(nèi)，另一方面也體現(xiàn)了實(shí)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(chǎn)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(shí)期賀蘭山東麓釀酒葡萄生育期內(nèi)水資源始終處于嚴(yán)重虧缺狀態(tài)。

從各產(chǎn)區(qū)來看，石嘴山、永寧、賀蘭、青銅峽、銀川產(chǎn)區(qū)40年水分盈虧指數(shù)均呈上升趨勢，僅同心產(chǎn)區(qū)呈下降趨勢。水分盈虧指數(shù)由小到大的產(chǎn)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(yù)測水分盈虧指數(shù)在不同時(shí)間尺度的演變趨勢。從圖6可以看出，各產(chǎn)區(qū)均有3個(gè)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(chǎn)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(shí)數(shù)、風(fēng)速5個(gè)氣象要素與釀酒葡萄生育期需水量進(jìn)行通徑分析，根據(jù)所得出的通徑系數(shù)來計(jì)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(guān)，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(fēng)速、平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、有效降水、最高氣溫對E的總貢獻(xiàn)分別為0.481、0.170、0.126、0.108、0.061，表明風(fēng)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(xiàn)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(fēng)速；日照時(shí)數(shù)和有效降水對E的總貢獻(xiàn)表明這兩個(gè)要素是影響該區(qū)域需水量的重要?dú)庀笠?；最高氣溫對E的總貢獻(xiàn)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(xiàn)排序?yàn)椋猴L(fēng)速＞平均氣溫＞日照時(shí)數(shù)＞有效降水＞最高氣溫。按直接通徑系數(shù)進(jìn)行排序：風(fēng)速＞平均氣溫＞日照時(shí)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(jìn)行排序：有效降水＞最高氣溫＞日照時(shí)數(shù)＞風(fēng)速＞平均氣溫。因此，風(fēng)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(chǎn)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(nèi)降水量的減少對產(chǎn)量形成和品質(zhì)不利，但需水量的下降一定程度上彌補(bǔ)了降雨量減少對釀酒葡萄的影響。整個(gè)生育期內(nèi)需水量呈現(xiàn)“低-高-低”拋物線走勢，這與張芮等[13]研究結(jié)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(shí)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?。?月進(jìn)入第一個(gè)需水高峰，新梢生長較快，以保證正常開花、坐果；6月逐步進(jìn)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(guān)鍵期，也是葡萄營養(yǎng)生長和生殖生長的高峰，也是產(chǎn)量形成的關(guān)鍵期，同時(shí)氣溫較高，蒸發(fā)較大，需水量達(dá)到最大。8月開始逐步進(jìn)入果實(shí)成熟期，水分過多雖然能提高產(chǎn)量，但是果實(shí)質(zhì)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(shí)色澤、風(fēng)味和香氣從而提高葡萄酒質(zhì)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(nóng)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(shí)際生產(chǎn)的主要補(bǔ)給水源。根據(jù)寧夏釀酒葡萄滴灌種植技術(shù)規(guī)程[10]，賀蘭山東麓砂質(zhì)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(zhì)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(chǎn)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(shí)期也是釀酒葡萄需水關(guān)鍵期，應(yīng)根據(jù)土壤墑情及時(shí)補(bǔ)充灌溉水來緩解降雨不足帶來的生產(chǎn)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(fēng)速是影響該區(qū)域需水量的重要?dú)庀笠?，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(fù)相關(guān)，這可能與近年來寧夏賀蘭山東麓產(chǎn)區(qū)降水增多、相對濕度偏高、氣候變暖和變濕有關(guān)。

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(jié)論

（1）1981—2020年間，賀蘭山東麓產(chǎn)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(chǎn)區(qū)40年水分盈虧指數(shù)均呈上升趨勢，僅同心產(chǎn)區(qū)呈下降趨勢。（3）影響賀蘭山東麓產(chǎn)區(qū)釀酒葡萄生育期需水量的要素主要有風(fēng)速、平均氣溫、最高氣溫、日照時(shí)數(shù)和有效降水，其中風(fēng)速對需水量的影響最大，平均氣溫影響次之。