岳慧欣，何延波，刘崇怀，樊秀彩，张 颖，孙 磊，杨英军,姜建福
(1.中国农业科学院郑州果树研究所，河南 郑州 450009；
2. 河南科技大学园艺与植物保护学院，河南 洛阳 471023；
3. 国家气象中心，北京 100081)
葡萄(VitisL)是世界栽培最广泛的果树之一，在国际水果生产中占有重要地位[1-2]，其在我国黑龙江到海南岛、东海之滨到西藏高原都有种植。我国地形复杂，气候类型多样，近年来全球气候变暖且极端天气频繁发生，导致各种气象灾害呈增多趋势[3]。干旱是发生频率最高、持续时间最长、影响面积最广的气象灾害，对葡萄产量和品质具有较大影响[4]。因此，明晰葡萄产区干旱时空分布特征规律，对于采取有效的预防措施具有重要意义。
农业干旱的评价指标主要包括降雨量、标准化降水指数(SPI)、降水距平百分率(Ipa)、作物水分亏缺指数(CWDI)等。其中，CWDI以蒸散作为参数的水分亏缺指标能够反映土壤、植物、气象3个因素的综合影响，从而真实地反映出水分亏缺状况，对监测农业干旱状况且有较强的适用性。黄晚华等[5]选取CWDI对湖南省春玉米的干旱灾害进行分析，表明抽雄-吐丝阶段及其后的生育阶段干旱发生频率较高，空间分布以湘中衡阳一带发生频率最高。李雅善等[6]对宁夏酿酒葡萄干旱时空差异进行了分析，表明在葡萄整个生育期内水分亏缺指数呈现“升高-降低-升高”趋势，且干旱空间分布由北向南逐渐减轻。我国葡萄栽培范围广，但针对葡萄主产区各生育阶段的农业干旱时空分布特征及发生规律的研究鲜有报道。因此，本研究以CWDI为葡萄干旱评价指标，探讨我国东北中北部产区、西北产区、黄土高原产区等区域内葡萄各生育阶段不同干旱等级时间演变和空间分布规律，以期为我国葡萄生产干旱减灾防灾提供参考。
1.1 材料来源
气象资料来源于1958—2019年中国气象局的30个省、市和自治区607个气象站点数据，包括日最高气温、最低气温、平均气温、降水量等。
1.2 葡萄主产区区域及生育期阶段划分
参考《中国葡萄志》[2]，将全国划分为7个葡萄产区。由于套袋、起垄、避雨栽培等技术的推广，南方葡萄产区发展迅速，将云贵川高原半湿润区替换为西南高山产区，西藏、四川西部、云南划分为西南高山产区，其他6个葡萄主产区不变[7]，区域划分结果如图1所示(204页)。
图1 葡萄主产区分布图Fig.1 Distribution of main grape production areas
葡萄生育期数据来源于不同产区葡萄生育期调研数据以及各产区的实际情况，主要以中熟品种‘巨峰’为主，本研究所涉及主产区葡萄生育期阶段划分情况如表1所示。
表1 不同主产区葡萄生育阶段划分(月-日)Table 1 Division of grape growth stages in different main production areas (m-d)
1.3 研究方法
1.3.1 参考作物蒸散量 采用FAO推荐的Penman-Monteith公式计算[8]。
1.3.2 作物水分亏缺指数计算及葡萄干旱判断 作物水分亏缺指数参考李雅善等[9]、黄晚华等[5]的方法进行计算。葡萄各旬的水分亏缺指数参考邱美娟等[10]的方法进行计算。
由于葡萄产区实测资料存在缺失情况，同时国内对葡萄作物系数研究也较少，所以采用FAO推荐的葡萄作物系数，即生育初期(萌芽～新梢生长期)、中期(新梢生长～开花坐果期、开花坐果～浆果成熟期)、后期(浆果成熟～落叶期)分别为0.30、0.85、0.45，萌芽前的作物系数为0。
将计算得到的CWDI作为判断葡萄是否发生干旱的依据，并参考肖楠舒[11]提出的葡萄不同生育阶段干旱等级划分标准(表2)，以及葡萄水分临界期为萌芽期及果实生长期，最终确定本研究葡萄水分临界期生育阶段为萌芽～新梢生长期和开花坐果～浆果成熟期，由于萌芽～新梢生长期气象数据缺失严重，无法计算作物水分亏缺指数，所以不对该时期进行计算。
表2 葡萄主产区不同生育阶段干旱等级划分Table 2 Classification of drought grades at different growth stages in main grape production areas
1.3.3 干旱发生频率计算 参考邱美娟等[10]研究方法计算各个主产区不同葡萄生育阶段的干旱发生频率。
1.3.4 干旱发生强度计算 参考邱美娟等[10]研究方法计算干旱发生的平均强度。
1.3.5 干旱站次比计算 参考周扬等[12]研究方法，计算干旱站次比。
1.3.6 数据处理 采用Excel 2017软件对基础数据进行处理，采用Arc GIS 10.2软件栅格数据空间分析模块进行空间插值处理，并绘制干旱灾害的风险区划图。
2.1 葡萄主产区不同生育阶段各等级干旱频率空间分布特征
在葡萄新梢生长～开花坐果期阶段，无旱发生频率呈现南高北低的空间分布特征，高值区主要分布在南方产区江西、湖南、福建等部分地区(61%～98%)，而其他产区大部分地区无旱发生频率小于30%(图2a)；
轻旱、中旱以及重旱发生频率大于50%情况主要分布在环渤海湾产区的辽宁、河北、北京等部分地区，低值区主要分布在南方产区和西北产区，其发生频率小于25%(图2b～d)；
特旱发生频率则呈现南低北高的空间分布特征，发生频率大于60%情况主要分布在西北产区和西南高山产区，小于30%情况主要分布在南方产区(图2e)。
图2 葡萄主产区新梢生长～开花坐果期各干旱等级发生频率空间分布(1958—2019年)Fig.2 Spatial distribution of occurrence frequency of drought grades at the stage of shoot growth to flowering and fruit setting in main grape production areas (1958-2019)
在葡萄开花坐果～浆果成熟期阶段，大部分产区出现无旱的频率为0～20%，仅有南方产区的广西靖西、安徽黄山、西南高山产区的云南江城、屏边地区出现无旱的频率高于40%(图3a)；
轻旱和中旱发生频率小于30%主要分布在西北产区、西南高山产区的云南温泉、四川峨眉山地区，而其他大部分地区发生频率均高于60%(图3b～c)；
重旱发生频率高值区在黄河故道产区河南、安徽、江苏等部分地区、黄土高原产区的陕西、山西等部分地区、东北中北部产区的黑龙江、吉林等部分地区，发生频率为61%～94%，低值区主要分布在南方产区的贵州、广西、广东等部分地区、西北产区的新疆、甘肃、内蒙古等部分地区，发生频率为0～30%(图3d)；
特旱频率高值区主要在西北产区和黄土高原产区，发生频率为61%～100%，低值区主要分布在南方产区，发生频率小于30%(图3e)。
图3 葡萄主产区开花坐果～浆果成熟期各干旱等级发生频率空间分布特征(1958—2019年)Fig.3 Spatial distribution characteristics of occurrence frequency of various drought grades at flowering fruit setting to berry ripening stage in main grape production areas (1958-2019)
在葡萄浆果成熟期～落叶期阶段，无旱发生频率介于20%～31%地区仅有黄土高原产区的陕西太华山、略阳、留坝地区，其余大部分地区无旱发生频率小于10%(图4a)；
轻旱、中旱以及重旱发生频率呈北低南高空间分布特征，大部分地区发生频率大于60%，低值区主要分布在东北中北产区和西北产区，其发生频率小于30%(图4b～d);而发生特旱的频率相比于其他4个干旱等级较高，大部分产区发生特旱频率介于61%～100%，在黄土高原产区的陕西、山西等部分地区、西北产区的甘肃合作、岷县地区、环渤海湾产区的辽宁本溪、宽甸地区发生特旱的频率小于30%(图4e)。
图4 葡萄主产区浆果成熟～落叶期各干旱等级发生频率空间分布特征(1958—2019年)Fig.4 Spatial distribution characteristics of occurrence frequency of drought grades in berry ripening to defoliation stage in main grape production areas (1958-2019)
2.2 葡萄主产区干旱发生平均强度空间分布特征
新梢生长～开花坐果期阶段干旱强度较大的区域集中在西北产区和西南高山产区，平均强度为3.1～4.0；
强度较小的区域集中在南方产区的湖北、湖南、福建等地，黄土高原产区的陕西太白、华山、略阳等地以及环渤海湾产区的清原、本溪、抚顺等地，平均强度为1.0～2.0；
其他地区干旱强度中等，平均强度为2.1～3.0(图5a)。
开花坐果～浆果成熟期阶段干旱强度较大的区域集中在西北产区，平均强度为3.1～4.0；
强度较小的区域集中在南方产区贵州、广东、广西等地，环渤海湾产区的辽宁、河北以及西南高山产区的云南等部分地区，平均强度为1.0～2.0；
强度中等的区域集中分布在黄河故道产区和黄土高原产区，平均强度为2.1～3.0(图5b)。
浆果成熟～落叶期阶段干旱强度较大的区域集中在东北中北部产区和西北产区，平均强度为3.1～4.0；
强度小的区域仅分布在黄土高原产区的陕西佛坪、汉中、镇安等地以及南方产区的海南琼中、琼海地区，平均强度为1.0～2.0；
其他地区干旱强度中等，平均强度为2.1～3.0(图5c)。
图5 葡萄主产区干旱强度的空间分布特征(1958—2019年)Fig.5 Spatial distribution characteristics of drought intensity in main grape production areas (1958-2019)
2.3 葡萄主产区不同生育阶段各干旱等级站次比年际变化特征
如图6所示(见208、209页)，新梢生长～开花坐果期阶段，无旱、轻旱、中旱、重旱和特旱站次比依次为34%～65%、21%～47%、13%～36%、13%～37%和19%～53%，无旱、轻旱、中旱发生范围整体呈上升趋势，特旱发生范围整体呈下降趋势，中旱发生范围整体趋势则较平稳；
在开花坐果～浆果成熟期阶段，不同干旱等级站次比依次为62%～82%、67%～87%、51%～75%、42%～63%和40%～70%，除重旱、特旱发生范围呈降低趋势外，其他干旱等级发生范围的整体趋势较平稳；
在浆果成熟～落叶期阶段，不同干旱等级站次比依次为31%～68%、53%～72%、50%～70%、50%～70%和65%～94%，除重旱发生范围呈上升趋势外，其他干旱等级整体趋势较平稳。
图6 葡萄主产区各生育阶段各干旱等级发生站次比年际变化Fig.6 Inter-annual variation of station frequency ratio in different growth stages and drought grades in main grape production areas
续图6 葡萄主产区各生育阶段各干旱等级发生站次比年际变化Fig.6 Inter-annual variation of station frequency ratio in different growth stages and drought grades in main grape production areas
综上所述，1958—2019年浆果成熟～落叶期阶段特旱发生范围最大，其他生育阶段轻旱发生范围最大；
新梢生长～开花坐果期和开花坐果～浆果成熟期阶段重旱均呈下降趋势，但其在浆果成熟～落叶期阶段呈上升趋势。
2.4 葡萄主产区各生育阶段干旱风险分布特征
在葡萄新梢生长～开花坐果期阶段，无旱区域主要分布在南方产区的湖南、江西、上海等地； 随着夏季降雨增加，开花坐果～浆果成熟期阶段旱情得以缓解(图7b，见210页)，此时风险高的特旱区域有所减少，主要分布于西北产区，大部分地区主要以轻旱为主； 在浆果成熟～落叶期阶段，旱情较前两个生育阶段有所加重(图7c)，风险高的特旱区域再次出现在西北产区和东北中北部产区，大部分地区以中旱为主； 图7 葡萄主产区不同生育阶段旱情等级空间分布Fig.7 Spatial distribution of drought grades at different growth stages in main grape production areas 干旱胁迫对葡萄生长和品质具有明显影响，严重时将阻碍植株养分吸收，造成黄叶、落叶、落果，甚至死树。本研究表明，不同生育阶段各等级干旱发生频率空间分布呈现自北向南逐渐减少的特征，这与吴乾慧[13]、王素艳[14]、张存杰等[15]对我国北方地区冬小麦干旱情况研究结果相吻合。程雪等[16]对我国北方地区苹果干旱时空特征进行分析发现，我国北方地区苹果在盛花～成熟期阶段重旱发生范围最大，而其他生育阶段轻旱发生范围最大，这与本研究结果基本一致。薛昌颖等[17]对我国北方地区冬小麦产量进行灾损评估，发现山西黄土高原地区属于高风险地区，与本文研究结果基本一致。 本研究表明在葡萄浆果成熟～落叶期阶段，各干旱等级发生频率的空间分布特征呈现南低北高的特征，这与该生育期内天气情况有关，南方产区为12月下旬，而西北产区、东北中北部产区为10月下旬，因而造成不同产区葡萄生育期内空间分布特征差异，这与吴乾慧[13]的北方冬小麦分蘖期干旱风险呈现南高北低分布特征研究结果一致。 我国葡萄主产区包含了30个省、市和自治区，不同地区气候差异较大，本研究采用的各产区生育阶段的起止日期为各产区并集的结果，在今后研究中，可细化各产区的不同生育阶段数据，以更为准确地了解各产区干旱灾害时空分布规律及风险区划。 水分亏缺指数已应用在小麦、玉米、水稻等作物，在葡萄上则应用较少，本研究在进行葡萄需水量计算时，未对各产区不同生育阶段葡萄生长系数进行修正，但葡萄各生育阶段干旱空间分布特征仍具有可比性。本研究选用作物水分亏缺指数作为干旱指标，得到我国葡萄主产区干旱时空分布特征规律，但未考虑灌溉等因素对干旱指标的影响，在以后的研究中需要进一步考虑不同因素的影响，从而提高所选干旱指标的精确性。此外，由于《中国气象灾害年鉴》灾情资料对作物干旱的记载没有明确作物分类，并且有关葡萄的历年灾情数据有限，本研究并未对干旱分析结果进行验证，在今后研究中，需要充实葡萄实际的灾情数据，以对葡萄生产进行更准确的干旱监测和预警。 本研究结果表明我国葡萄主产区干旱发生频率高和强度大的地区主要分布在西北产区和东北中北部产区，在未来工作中，需针对干旱发生频率高、葡萄种植面积大和产量高的地区进行更深入分析，提出有针对性的防灾减灾对策。 我国葡萄主产区新梢～开花坐果期阶段中无旱、轻旱、中旱与浆果成熟～落叶期阶段中重旱发生范围年际变化呈上升趋势，开花坐果～浆果成熟期阶段重旱和特旱发生范围呈降低趋势，其他生育阶段干旱等级年际变化趋势整体比较平稳。 我国葡萄主产区干旱发生频率、平均强度以及各干旱等级的空间分布基本表现为北高南低，而浆果成熟～落叶期阶段各干旱等级发生频率与之规律相反，空间分布则呈北低南高特征。
干旱风险高的特旱区域主要分布在西北产区和东北中北部产区(CWDI>65%)；
风险性低的轻旱区域主要分在环渤海湾产区的辽宁、黄河故道产区的河南、安徽以及黄土高原产区的陕西等部分地区(30
风险较高的重旱区域分布在黄河故道产区的河南安阳、新乡、三门峡等地以及黄土高原产区的陕西、山西等部分地区(50
风险低的轻旱区域分布于环渤海湾产区的辽宁、黄土高原产区的陕西以及南方产区的四川、重庆等地区(30
