贺兰山东麓酿酒葡萄需水量变化特征及影响因素分析

尚艳，张磊，王静，李娜，徐蕊，姜琳琳，郭伟

（1. 中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室/宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏银川 750002；2. 宁夏气象台，宁夏银川 750002；3. 宁夏气象科学研究所，宁夏银川 750002；4. 西鸽酒庄，宁夏吴忠 751100）

葡萄是世界栽培面积最大的果树作物之一，其中80%的葡萄用于酿酒[1-2]。宁夏是我国最重要的葡萄酒产区之一，2020年酿酒葡萄面积为3.28万 hm2，约占全国酿酒葡萄面积的1/3[3]。宁夏贺兰山东麓独特的地理环境与气候条件为优质葡萄原料的生产奠定了基础。但该区常年干旱少雨，属典型的灌溉农业区，水资源供需矛盾十分突出。如何高效利用水资源和节水灌溉已成为该区酿酒葡萄生产面临的重要课题之一。

作物需水量和有效降水量在水分管理上占据重要地位。为了更深入了解作物的生长发育与品质形成过程，需要对作物的需水量和有效降水量进行深入研究。目前，粮食作物需水量的变化规律已有很多报道[4-5]。在对葡萄需水量的研究中，国内学者主要分析了河南、甘肃、云南、新疆等区域[6-9]葡萄需水量的变化趋势，发现不同地区的葡萄生育期内需水量差异较大，变化趋势也不一致，可见在湿润区及半湿润区葡萄需水量变化具有差异性。贺兰山东麓作为世界公认的酿酒葡萄适栽区[3]，其气象条件具有特殊性，然而水资源利用不高是限制葡萄特色优势产业升级发展与国际接轨的“瓶颈”，研究贺兰山东麓酿酒葡萄需水量变化特征及其影响因素对葡萄酒产业高质量发展十分重要。因此，基于宁夏回族自治区6个标准国家气象站的气象资料，分析1981—2020年贺兰山东麓产区酿酒葡萄全生育期需水量、缺水量、有效降雨及水分盈亏指数的变化规律，把握贺兰山东麓酿酒葡萄水资源利用现状，为生产上节水灌溉和水分管理提供有力支撑。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

贺兰山东麓酿酒葡萄产区位于37°43′～39°23′N，105°45′～106°47′E，为贺兰山东麓冲积扇与黄河冲积平原之间的宽阔地带。贺兰山是我国季风气候与大陆性气候的分界线，这决定了贺兰山东麓既有季风气候的特点，又具有大陆气候的特点。年日照时数2851～3106 h，≥10 ℃有效积温3300 ℃左右，年降水量不到200 mm[3]，雨热同季，冬季漫长而干燥寒冷，夏季炎热而短促；干燥少雨，光照充足，昼夜温差大。目前有灌溉条件的葡萄种植区采用地面畦灌、沟灌、滴灌为主的灌溉方式[10]。

1.2 数据来源

本文选取贺兰山东麓酿酒葡萄产区6个标准国家气象站（石嘴山、贺兰、银川、永宁、青铜峡、同心）40年（1981—2020）的逐日气象数据。具体站点见图1。气象资料主要包括：平均气温、最高气温、最低气温、日照时数、平均相对湿度、平均风速、降水量等，以及各气象站点的经度、纬度、海拔等地理特征数值，数据来自宁夏回族自治区气象信息中心。根据贺兰山东麓酿酒葡萄的发育期，选择4月1日—9月30日时间段分析酿酒葡萄需水量。

图1 贺兰山东麓气象站点分布Figure 1 Distribution of meteorological stations at the eastern foot of Helan Mountains

1.3 研究方法

1.3.1 酿酒葡萄需水量计算

本文采用Penman-Monteith公式[5]计算作物需水量ETc：

式中，ET0为参考作物蒸散量（mm·d-1），Kc为作物系数

ET0的计算公式见（2）：

式中：Δ为饱和水汽压-温度曲线斜率（kPa·℃-1）；Rn为净辐射（MJ·m-2·d-1）；G为土壤热通量（MJ·m-2·d-1）；γ为干湿计常数（kPa·℃-1）；T为日均气温（℃）；u2为2 m高处风速（m·s-1）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）。

1.3.2 作物系数的确定

采用FAO推荐的方法，以及Romero等[11]对酿酒葡萄生育期各月份的作物系数进行详细划分，4—9月作物系数依次为0.35、0.45、0.52、0.76、0.70、0.60。

1.3.3 有效降雨量的计算

有效降雨量是指作物在生长发育阶段内，自然降水中实际补充到作物根层土壤中的降水量[12]。有效降雨量的计算方法如下：

式中：Pe为生育阶段的有效降雨量（mm），Pj为j次降水的总量（mm），j为降水次数。

1.3.4 缺水量和水分盈亏指数计算

缺水量是作物全生育期或各个生育阶段需水量与同期有效降雨量之差，即：

式中：Dw为作物全生育期内的缺水量，ETc为作物全生育期内的需水量，Pe为作物全生育期内的有效降雨量。若Dw＞0，则表明有效降雨不能满足作物需水需求；反之，则表明有效降雨可以满足作物需水需求。

水分盈亏指数（CWSDI）表征了作物生育阶段的水分盈亏程度，即：

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2010进行基础数据的计算、整理，采用SPSS 21.0进行单因素方差分析、相关性分析、回归分析和通径分析，处理间差异显著性分析采用Duncan检验法。

2 结果与分析

2.1 酿酒葡萄生育期有效降雨量的变化特征

近40年贺兰山东麓产区酿酒葡萄生育期内有效降雨量整体呈增加趋势，气候倾向率为每10年4.2 mm，其中可以分为2个阶段：1981—2005年呈减少趋势，气候倾向率为每10年-3.15 mm；2006—2020年呈增加趋势，气候倾向率为每10年19.31 mm（图2）。

图2 1981—2020年贺兰山东麓酿酒葡萄生育期有效降雨量年际变化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可见，各小产区葡萄生育期平均有效降雨量为157.2 mm，空间分布差异显著，其中同心产区的有效降雨量最大（212.5 mm），石嘴山产区最小（139.9 mm）。1981-2020年间，除同心产区有效降雨量以每10年5.39 mm速率下降外，其他产区均呈上升趋势，其中石嘴山上升速率最快，为每10年9.40 mm，银川上升速率最慢，为每10年4.01 mm。

表1 1981—2020年贺兰山东麓酿酒葡萄生育期有效降雨量各月变化特征Table 1 Monthly variation characteristics of effectiveprecipitation during growth period of wine grapesin the eastern foot of Helan Mountains from 1981 to 2020 mm

从表1还可以看出，4月贺兰山东麓产区平均有效降雨量为9.4 mm，仅占葡萄全生育期的5.98%，其中石嘴山产区最少，同心产区最多；5月平均有效降雨量为18.8 mm，占葡萄全生育期的11.96%，其中石嘴山产区最少，同心产区最多；6月平均有效降雨量为25.4 mm，占酿酒葡萄全生育期的16.16%，其中贺兰产区最少，同心产区最多；7月、8月平均有效降雨量分别为38.3、 39.2 mm，分别占葡萄全生育期的24.36%、24.94%，均为永宁产区最少，同心产区最多；9月平均有效降雨量为26.1 mm，仅为葡萄全生育期的16.6%，其中石嘴山产区最少，同心产区最多。

2.2 酿酒葡萄需水量、缺水量的变化特征

1981—2020年间，贺兰山东麓产区酿酒葡萄生育期需水量为458.04～546.74 mm，平均为494.30 mm，1997年之前需水量为上升趋势，1997—2006年达需水量高峰期，2006年之后需水量呈下降趋势（图3G）。从贺兰山东麓各产区来看，需水量由大到小的产区分别是同心、石嘴山、银川、永宁、青铜峡、贺兰。

图3 贺兰山东麓产区酿酒葡萄各月需水量、缺水量的变化特征Figure 3 Variation characteristics of monthly water demand and water shortage of wine grapes in eastern foothills of Helan Mountains

从贺兰山东麓酿酒葡萄整个生育期需水量来看（图3A～3F），呈现“低-高-低”抛物线走势，且表现为4月需水量最少，7月最大。其中，4月需水量呈增加趋势，为36.55～53.39 mm，气候倾向率为每10年0.53 mm。5月呈增加趋势，在60.09～87.61 mm，气候倾向率为每10年0.42 mm。6月呈增加趋势，在73.54～102.98 mm，气候倾向率为每10年1.01 mm。7月呈减少趋势，在112.96～156.08 mm，气候倾向率为每10年-0.18 mm。8月呈减少趋势，在87.57～115.89 mm，气候倾向率为每10年-0.61 mm。9月呈减少趋势，在46.35～73.79 mm，气候倾向率为每10年-1.29 mm。

从1981—2020年贺兰山东麓产区葡萄缺水量的时间变化特征可知（图3G），葡萄生育期缺水量变化趋势与需水量一致，在236.21～468.49 mm。全区近40年中所有年份的葡萄缺水量均为正值，说明该产区需要补充灌溉才能满足葡萄生育期内的需水量。从贺兰山东麓各产区来看，缺水量由大到小的产区分别是石嘴山、银川、永宁、青铜峡、贺兰、同心。

从各月来看，贺兰山东麓产区缺水量（图3A～3F）在4月呈增加趋势，气候倾向率为每10年0.94 mm，其中仅1989年缺水量为负值，有效降雨足以满足葡萄的需水量；5月呈增加趋势，气候倾向率为每10年2.09 mm；6月呈减少趋势，气候倾向率为每10年-1.80 mm；7月呈减少趋势，气候倾向率为每10年-2.55 mm；8月呈增加趋势，气候倾向率为每10年2.11 mm；9月呈减少趋势，气候倾向率为每10年-5.13 mm，其中仅2001、2015年缺水量为负值，有效降雨足以满足酿酒葡萄的需水量。

对贺兰山东麓酿酒葡萄生育期需水量进行小波分析，得到能量谱。图4中黑色实线代表影响锥（COI），只考虑此曲线之内的能量谱，以免受边界效应的干扰，需水量在1987—1998期间有个4年左右的周期。

图4 贺兰山东麓酿酒葡萄生育期需水量小波分析实部图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 酿酒葡萄水分盈亏指数的变化特征

水分盈亏指数一方面将有效降水量和作物需水量考虑在内，另一方面也体现了实际供水与作物最大水分需求量的平衡，可以较好地体现土壤墒情。贺兰山东麓产区近40年酿酒葡萄生育期的水分盈亏指数如图5所示，1981—2020年逐年水分盈亏指数为-87%～-49%，表现出这一时期贺兰山东麓酿酒葡萄生育期内水资源始终处于严重亏缺状态。

从各产区来看，石嘴山、永宁、贺兰、青铜峡、银川产区40年水分盈亏指数均呈上升趋势，仅同心产区呈下降趋势。水分盈亏指数由小到大的产区分别是石嘴山、永宁、贺兰、青铜峡、银川、同心。

通过小波小系数等值线图，预测水分盈亏指数在不同时间尺度的演变趋势。从图6可以看出，各产区均有3个峰值较为明显，贺兰、青铜峡、石嘴山、同心、银川、永宁、贺兰山东麓产区水分盈亏指数变化的第一主周期分别为22年、4年、4年、5年、4年、4年、4年，周期震荡明显；第二主周期分别为5年、7年、25年、25年、21年、23年、22年。

图6 1981—2020年贺兰山东麓酿酒葡萄生育期水分盈亏指数小波分析图（续）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 气象要素对酿酒葡萄生育期需水量的影响

为了分析贺兰山东麓酿酒葡萄生育期需水量差异性的影响因素，选取最高气温、平均气温、有效降水、日照时数、风速5个气象要素与酿酒葡萄生育期需水量进行通径分析，根据所得出的通径系数来计算各气象因子对需水量的直接与间接作用，见表2。需水量的变化与5种要素均相关，但各气象因素对需水量的直接作用和间接作用存在差异。风速、平均气温、日照时数、有效降水、最高气温对E的总贡献分别为0.481、0.170、0.126、0.108、0.061，表明风速是影响该区域需水量的决定性因素；平均气温对E的总贡献为0.170，表明平均气温对该区域需水量的影响程度仅次于风速；日照时数和有效降水对E的总贡献表明这两个要素是影响该区域需水量的重要气象要素；最高气温对E的总贡献表明最高气温对研究区需水量的影响程度最小。各气象要素对E的总贡献排序为：风速＞平均气温＞日照时数＞有效降水＞最高气温。按直接通径系数进行排序：风速＞平均气温＞日照时数＞有效降水＞最高气温；按各气象因素的间接通径系数进行排序：有效降水＞最高气温＞日照时数＞风速＞平均气温。因此，风速和平均气温对需水量的影响较大。

表2 1981—2020年贺兰山东麓酿酒葡萄需水量与气象要素的通径分析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 讨论

贺兰山东麓产区年均降水量少，蒸发大，且降水分布不均，主要集中在6—9月，属于典型的季节性降雨地区。有效降雨量以增加为主，需水量以减少为主，有效降雨量的高值区也是需水量的高值区，酿酒葡萄生育期内降水量的减少对产量形成和品质不利，但需水量的下降一定程度上弥补了降雨量减少对酿酒葡萄的影响。整个生育期内需水量呈现“低-高-低”抛物线走势，这与张芮等[13]研究结果一致，主要表现为4月需水最少，7月最大。4月需水少，是由于此时期酿酒葡萄处于萌芽期，气温较低，叶片尚未出现，需水量在生长季中最小；5月进入第一个需水高峰，新梢生长较快，以保证正常开花、坐果；6月逐步进入坐果期，需水量有所下降；7月正值浆果生长期，为葡萄需水关键期，也是葡萄营养生长和生殖生长的高峰，也是产量形成的关键期，同时气温较高，蒸发较大，需水量达到最大。8月开始逐步进入果实成熟期，水分过多虽然能提高产量，但是果实质量却大大降低；相反，水分亏缺对葡萄浆果成分有显著的影响，其通过增加果实色泽、风味和香气从而提高葡萄酒质量[14-16]。

从2006—2020年来看，降水量呈增加趋势，需水量呈减少趋势，虽然这在一定程度上缓解农业用水的压力，但有效降水依然无法满足酿酒葡萄的用水需求，灌溉水仍然是实际生产的主要补给水源。根据宁夏酿酒葡萄滴灌种植技术规程[10]，贺兰山东麓砂质土全生育期需要295～315 m3滴灌量，壤土全生育期需要275～295 m3滴灌量；同心区砂质土全生育期需要280～300 m3滴灌量，壤土全生育期需要260～280 m3滴灌量。贺兰山东麓产区葡萄7—8月的平均有效降雨量占全生育期有效降雨量的50%，此时期也是酿酒葡萄需水关键期，应根据土壤墒情及时补充灌溉水来缓解降雨不足带来的生产损失。

贺兰山东麓酿酒葡萄需水量与气象要素的通径分析表明，风速是影响该区域需水量的重要气象要素，与姬兴杰等[17]和周迎平等[18]研究一致。有效降雨与需水量呈负相关，这可能与近年来宁夏贺兰山东麓产区降水增多、相对湿度偏高、气候变暖和变湿有关。

本研究主要考虑了自然降水对酿酒葡萄生育期需水量的影响，下一步将综合考虑不同土壤类型和纬度差异对酿酒葡萄需水规律的影响。

4 结论

（1）1981—2020年间，贺兰山东麓产区酿酒葡萄生育期需水量为458.04～546.74 mm，总体呈现“低-高-低” 抛物线走势，且表现为4月需水量最少，7月需水量最大；有效降雨呈增加的趋势，需水量、缺水量均呈减少趋势。（2）1981—2020年逐年水分盈亏指数为-87%～-49%，石嘴山、永宁、贺兰、青铜峡、银川产区40年水分盈亏指数均呈上升趋势，仅同心产区呈下降趋势。（3）影响贺兰山东麓产区酿酒葡萄生育期需水量的要素主要有风速、平均气温、最高气温、日照时数和有效降水，其中风速对需水量的影响最大，平均气温影响次之。