寧夏釀酒葡萄晚霜凍氣候風險研究

張 磊 ，曹 寧 ，段曉鳳 ，李紅英 ，馬國飛 ，郭曉雷

（1.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏氣象防災減災重點實驗室，寧夏 銀川 750002；3.銀川市氣象局，寧夏 銀川 750002）

寧夏的賀蘭山東麓是繼河北昌黎、山東煙臺之后，第3個被國家認定為葡萄酒原產地保護認證的產區，是國內外公認的釀酒葡萄最佳產區之一，屬于世界優質釀酒葡萄種植的“黃金地帶”[1-2]，在國際上和國內的影響越來越大。賀蘭山東麓產區的地域優勢得到了寧夏自治區政府和領導的高度重視，自治區政府和行業主管部門相繼制定了一系列法規、政策大力發展葡萄酒產業，先后印發了《賀蘭山東麓葡萄酒原產地域保護管理辦法》、《關于加快葡萄產業發展的實施意見》等文件[3-4]；全國第1部葡萄酒產區保護法規《寧夏賀蘭山東麓葡萄酒產區保護條例》，于2012年12月5日被自治區十屆人大常委會審議通過。截至2015年底，寧夏釀酒葡萄種植面積達3.3萬hm2，占全國總面積的30%以上，位列國內第一；產量20萬t，葡萄酒加工能力近27萬t，共建設酒莊達185家，綜合產值達65億元，釀酒葡萄產業已成為寧夏最重要的優勢特色產業之一。寧夏計劃“十三五”期間繼續大力發展釀酒葡萄產業，力爭在2020年形成總規模達6.7萬hm2的葡萄產業帶，使賀蘭山東麓成為世界級的葡萄產業帶及文化長廊。

雖然寧夏賀蘭山東麓地區有著發展釀酒葡萄產業的獨特優勢，釀酒葡萄種植面積逐年擴大，但是，由于位居西北內陸，冬季寒冷、春秋冷空氣活動頻繁、氣溫起伏大，該地區極易遭受低溫凍害的影響，給釀酒葡萄生產造成重大損失。其中，春季霜凍害（晚霜凍）一直是寧夏釀酒葡萄生產中最主要的災害之一，嚴重制約著產業發展[5-6]。例如1991年5月1—2日強大的西伯利亞寒流，使寧夏葡萄產業遭受百年不遇的特大劫難，玉泉營農場數百公頃葡萄園嚴重受損，葡萄樹大量死亡；2004年5月3—4日出現的晚霜凍，其強度雖不及1991年那樣劇烈，但由于當時正在大力發展釀酒葡萄產業，種植面積較大，也給葡萄產業帶來巨大損失，全區受災面積超過0.13萬hm2，產量損失達30%以上；2008年4月22—24日出現的連續霜凍使賀蘭山東麓已放條的葡萄70%以上受凍；而2010，2012，2013年春季出現的霜凍天氣均給釀酒葡萄生產帶來較大損失。

開展寧夏特別是賀蘭山東麓產區釀酒葡萄晚霜凍氣候風險研究工作，評估其氣候風險狀況，進行氣候風險區劃，可為寧夏釀酒葡萄霜凍災害防御及發展規劃提供科學依據，對釀酒葡萄產業健康可持續發展具有重要意義。目前，國內已開展過水稻、小麥、玉米、大豆的霜凍風險區劃工作，在經濟林果上開展了蘋果、杏、蜜桃等的霜凍風險區劃[7-15]，尚未見到關于釀酒葡萄的晚霜凍風險研究工作。

本試驗以寧夏的釀酒葡萄晚霜凍害為研究對象，分析并選取晚霜凍害的氣候風險評價因子，構建氣候風險評價模型，開展寧夏釀酒葡萄的氣候風險評估。

1 資料和霜凍指標

1.1 資料來源

選取寧夏引黃灌區和中部干旱帶16個臺站1961—2015年55 a的逐日最低氣溫資料，包括陶樂、惠農、平羅、賀蘭、銀川、永寧、靈武、吳忠、青銅峽、中寧、中衛、鹽池、同心、興仁、海原和麻黃山氣象站。南部山區各地由于不適宜釀酒葡萄種植，目前尚未種植釀酒葡萄，因此，不做分析。

1.2 釀酒葡萄晚霜凍氣候指標和統計時段

一般情況下，作物最容易發生霜凍危害的溫度是氣溫降到0℃以下[16]。在國內主要葡萄產區的晚霜凍害的調查結果顯示，當日最低氣溫低于0℃時，葡萄的嫩梢、開放的芽、花序等器官就會受凍[17]，溫度越低，受害越重；在寧夏賀蘭山東麓地區的葡萄霜凍調查也有類似的結論。因此，本研究將0℃作為統計寧夏釀酒葡萄晚霜凍的界限溫度。寧夏氣象科研所于2015—2016年利用霜凍試驗箱開展了釀酒葡萄霜凍指標試驗，發現-4℃的低溫持續1 h，釀酒葡萄的開放芽、新梢和花序即會受到嚴重凍害，并且無法恢復，同時，在各葡萄產區實際的霜凍調查中也發現，如果日最低氣溫低于-3℃，一般情況下葡萄受凍會非常嚴重。為了方便統計分析研究且更好地反映不同程度晚霜凍對釀酒葡萄的影響，將2℃作為一個等級，對寧夏釀酒葡萄晚霜凍作輕、中、重分級，因此，本研究采用的釀酒葡萄晚霜凍的氣候指標為：輕霜凍，-2℃＜Tmin≤0℃；中霜凍，-4℃＜Tmin≤-2℃；重霜凍，Tmin≤-4℃，其中，Tmin為氣象站觀測的日最低氣溫。寧夏的釀酒葡萄芽開放一般在4月中旬，開花期一般在5月下旬至6月上旬，寧夏中北部地區的晚霜凍結束日期最遲在5月下旬，為了不遺漏，在統計晚霜凍日數時，選擇的時段為4月15日至6月15日。

2 評價指標因子和評價模型

2.1 評價因子

影響釀酒葡萄晚霜凍風險高低的氣候因子很多，頻率、日數及其相應的程度等級是其中最為重要的幾個因子，可以分別用不同程度晚霜凍發生的頻率及日數構建出兩類評價指標因子：晚霜凍頻率指數和晚霜凍日數指數。

2.1.1 晚霜凍頻率指數

2.1.1.1 不同程度晚霜凍的發生頻率 霜凍發生頻率指在一定年限內霜凍年占總年數的百分率。

式中，P為頻率；i為晚霜凍發生年數；N為總年數，此處為55。此處需要分別計算出輕、中、重霜凍的發生頻率，分別用 P1，P2，P3表示。

2.1.1.2 晚霜凍綜合頻率指數 晚霜凍綜合頻率指數是指不同級別晚霜凍頻率的加權平均值，計算公式如下。

式中，PI為晚霜凍綜合頻率指數；n代表霜凍級別，其中，1代表輕霜凍，2代表中霜凍，3代表重霜凍；Wn為對應級別晚霜凍的權重系數；Pn為對應級別晚霜凍的發生頻率。采用專家經驗法確定不同霜凍級別晚霜凍的權重系數，從低到高三者權重比設定為1∶2∶3，因此，輕霜凍、中霜凍、重霜凍的權重系數分別為0.17，0.33和0.50。

2.1.2 晚霜凍綜合日數指數 晚霜凍綜合日數指數是指不同級別晚霜凍日數的加權平均值，計算公式如下。

式中，DI為晚霜凍綜合日數指數；Dn為對應級別晚霜凍的日數，此處需要分別計算出每年輕、中、重霜凍的發生日數，然后求取多年平均值。公式（3）中的權重系數確定方法同公式（2）。

2.2 晚霜凍綜合氣候風險評價模型

為了綜合反映釀酒葡萄晚霜凍的氣候風險，將2.1中經過計算的綜合頻率指數和綜合日數指數2個有代表意義的氣候風險指標，進行極差歸一化處理后，消除量綱影響，然后采用等權重求平均方法，得到釀酒葡萄晚霜凍的氣候風險指數值。其氣候風險指數評價模型如下。

式中，Q為釀酒葡萄晚霜凍綜合氣候風險指數；SPI為晚霜凍綜合頻率指數極差歸一化值；SDI為晚霜凍綜合日數指數極差歸一化值。極差歸一化公式如（5）式。

式中，Xi為歸一化后的值；X為原始值；Xmax樣本中的最大值；Xmin為樣本中的最小值。

3 結果與分析

3.1 晚霜凍頻率及綜合頻率指數

表1 各站不同級別霜凍頻率及綜合頻率指數值

通過公式（1），（2）計算的各站不同級別霜凍的發生頻率及綜合頻率指數值列于表1。

由表1可知，各站輕霜凍頻率在36.4%～87.3%，其中，興仁站最高，中寧站最低；中霜凍頻率在14.5%～60.0%，其中，興仁站最高，吳忠站和青銅峽站最低；重霜凍頻率在7.3%～45.5%，其中，興仁站最高，永寧和銀川站最低。從各級別霜凍頻率來看，輕霜凍頻率＞中霜凍頻率＞重霜凍頻率。綜合頻率指數值在0.158～0.574，其中，興仁站最高，吳忠站最低。

3.2 晚霜凍日數及綜合日數指數

通過公式（3），（4）計算的各站不同級別霜凍的年均日數及綜合日數指數值列于表2。各站輕霜凍日數在0.58～2.62 d/a，其中，興仁站最多，賀蘭站、永寧站、吳忠站和中寧站最少；中霜凍日數在0.16～1.16 d/a，其中，興仁站最多，吳忠站和青銅峽站最少；重霜凍日數在0.09～0.89 d/a，其中，興仁站最多，銀川和同心站最少。從各級別霜凍日數來看，輕霜凍日數＞中霜凍日數＞重霜凍日數。綜合日數指數值在0.217～1.275，其中，興仁站最高，吳忠站最低。

表2 各站不同級別霜凍日數及綜合日數指數值

3.3 晚霜凍綜合氣候風險分析

利用公式（5）計算了各站釀酒葡萄綜合氣候風險指數值，采用K-means聚類方法將氣候風險指數值進行分類，以相鄰聚類中心值的平均值為標準，制定了晚霜凍綜合氣候風險等級分類標準（表3），根據制定的標準，對各站的氣候風險等級進行了劃分，結果如表4所示。

表3 釀酒葡萄晚霜凍綜合氣候風險分類指標

表4 各站釀酒葡萄綜合氣候風險指數及等級

利用GIS技術，制作了寧夏釀酒葡萄晚霜凍綜合氣候風險區劃圖，結果如圖1所示。從區劃結果看，釀酒葡萄晚霜凍的高風險區分布在興仁及海原南部，次高風險區分布在陶樂、鹽池東部、沙坡頭西部、海原中部和同心南部等地，中等風險區分布在惠農東部、平羅東部、鹽池中西部、靈武東部、同心中部和海原北部等地，次低風險區分布在大武口、平羅西部、靈武西部、山坡頭東北部、同心西北部等地，低風險區分布在平羅西南部、賀蘭、銀川、永寧、吳忠、青銅峽、中寧和同心北部。

4 討論和結論

4.1 討論

由于影響作物霜凍災害的因素很多，溫度、品種、灌溉條件、樹齡、樹勢、地形等都會對霜凍發生與否及發生程度產生影響，因此，想要綜合、準確地評估作物晚霜凍災害風險大小是非常困難的。在實際研究工作中，常常利用長期的氣候觀測資料，結合某一作物霜凍災害的氣候指標，對其氣候風險大小進行評估。在開展寧夏釀酒葡萄晚霜凍的氣候風險評估研究中，分別選取不同級別霜凍情況下的發生頻率和年均日數，構建了綜合頻率指數和綜合日數指數2個風險評價指標因子，這2個評價指標可以較好地反映溫度條件對釀酒葡萄晚霜凍風險的影響情況。

寧夏的國土面積本身就小，加上釀酒葡萄種植的區域主要在引黃灌區的西部和中部干旱帶的紅寺堡一代，這一區域內的氣候差異不是很大，在進行晚霜凍的綜合氣候風險區劃時，雖然按照習慣把寧夏分為了5個釀酒葡萄晚霜凍氣候風險區域，但其實各級別之間都是相對的，低風險區的釀酒葡萄遭遇晚霜凍的概率不見得小。例如，即便是綜合風險指數最小的吳忠站，其輕霜凍、中霜凍、重霜凍的頻率也分別達到38.2%，14.5%和9.1%，而輕霜凍、中霜凍、重霜凍的年均霜凍日數也分別有0.58，0.16，0.13 d。況且，在氣候變暖背景下，近年來極端天氣氣候事件有所增加，未來晚霜凍氣候風險到底怎樣變化還難以預料。因此，在寧夏釀酒葡萄生產中，要充分考慮晚霜凍的不利影響，做好晚霜凍災害的風險管理工作，保障釀酒葡萄健康發展。

4.2 結論

（1）總體上，寧夏釀酒葡萄種植區的晚霜凍頻率不低，其中輕霜凍差不多為2 a一遇，中霜凍3 a一遇，重霜凍7 a一遇；從地域上看，興仁站的綜合頻率指數最大，吳忠站的最小。

（2）寧夏釀酒葡萄種植區多年平均晚霜凍日數，輕霜凍為1.07d/（站·a），中霜凍為0.40 d/（站·a），重霜凍為0.21 d/（站·a），從地域上看，興仁站的綜合日數指數最大，吳忠站的最小。

（3）各站的晚霜凍綜合氣候風險指數在0.000～1.000，其中，興仁站最大，吳忠站最小。晚霜凍綜合氣候風險較高的區域主要分布在沙坡頭西南、海原南部、同心南部、鹽池東部和陶樂等地，低風險區主要分布在引黃灌區中南部大部地區及中部干旱帶的同心北部地區。

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