浙江省葡萄氣候生產潛力及利用率分析

姚益平 郭芬芬 金志鳳 張寒 何寬科 肖晶晶

摘要：葡萄是浙江十大主導產業果品之一，其生長、結實與氣候條件關系密切，研究葡萄氣候生產潛力對于科學發展葡萄產業、提高氣候資源利用率意義明顯。基于1971—2017年浙江68個基本氣象站氣象資料、1985—2017年浙江省葡萄統計年鑒資料和2016年浙江省縣（市、區）葡萄面積、產量資料，采用逐步訂正、線性趨勢分析等方法研究葡萄的光合生產潛力（YQ）、光溫生產潛力（YT）和氣候生產潛力（YW）及其時空變化特征和氣候資源利用率。結果表明，浙江省葡萄YQ、YT和YW多年平均值分別為141.3、115.3、102.8 t/hm2。空間分布表現為：YQ，浙北高浙南低;YT，浙中高于浙南和浙北;YW，浙南高浙北低。近47年，YQ、YT和YW氣候傾向率分別為-2.6、-0.10、1.2 t/（hm2·10年）。2016年浙江省葡萄生產氣候資源利用率各地平均為20.5%，高值區主要分布在杭州建德、寧紹平原中部、嘉興南部等地區;低值區在浙西西部、浙南山區等地區。

關鍵詞：葡萄;氣候生產潛力;光合生產潛力;光溫生產潛力;氣候資源利用率;浙江

中圖分類號： S162.5+5? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0085-05

收稿日期：2018-10-10

基金項目：國家科技支撐計劃（編號：2012BAD20B02）;中國氣象局氣候變化專項（編號：CCSF201427）;浙江省科技計劃（編號：2015C02048、2015C33055）。

作者簡介：姚益平（1962—），男，浙江慶元人，博士，正研級高級工程師，主要從事應用氣象與生態氣象相關研究。Tel：（0571）86783568;E-mail：yyp96121@163.com。

通信作者：肖晶晶，碩士，高級工程師，主要從事氣候資源與氣象災害研究。Tel：（0571）86508672;E-mail：xiaojingjing2005@163.com。

葡萄（Vitis vinifera）是溫帶和亞熱帶落葉果樹之一，其生長和結實對氣候條件有較嚴格的要求[1-2]。浙江屬葡萄“美洲種和歐美雜種品種次適宜區”[3]，20世紀80年代以來，浙江葡萄產業迅速發展，1983年浙江葡萄種植面積為 27.0 hm2，到2016年達32.5×103 hm2，面積和產量分別占全國葡萄種植面積和產量的4.0%、5.7%，目前葡萄已成為浙江十大主導產業果品之一。研究表明，氣候對作物產量的影響占5%～25%，而我國氣候波動較大，生產力水平較低，受氣候影響的可能占10%～30%[4]。光、溫、水是葡萄生產不可或缺的氣候資源，氣候變化下浙江光、溫、水等氣候資源發生顯著變化，影響葡萄產量、品質和種植布局，研究葡萄氣候資源分布及其變化特征，因地制宜地建立和發展與自然條件最適應的優勢區，對于提高葡萄氣候資源利用率、優化葡萄產業布局具有積極意義。

氣候生產潛力是評價地區氣候資源的重要依據，通過對區域農業氣候生產潛力的評估，可以直接反映地區現實和未來情景下農業氣候生產中光、熱、水資源配置是否滿足作物需要[5-6]。氣候生產潛力研究較早，1840年Liebig首次從光能利用與同化CO2角度提出光合生產潛力模型，而后溫度和降水訂正函數被引入模型，建立的氣候生產潛力模型被認為是可以實現的作物產量[7]，建立的模型包括Hanks模型[8]、瓦赫寧根（Wageningen）模型[9]、農業生態區域（AEZ）模型[10]等;我國氣候生產潛力研究始于20世紀50年代，而后結合自然降水訂正法[11]、葉面積動態指數[12]、“衰減法”[13]等研究方法對我國不同地區、不同作物的作物氣候生產潛力進行了廣泛的分析和深入的研究，建立了包括水稻、玉米、小麥等糧食作物[14-15]，楊梅、茶葉等經濟作物的氣候生產潛力[16-17]，葡萄氣候生產潛力及其利用率的研究還未見報道。

本研究以浙江全省地面氣象監測資料和葡萄生長發育及產量資料為基礎，采用逐步訂正、線性趨勢分析等方法研究了葡萄的光合生產潛力（YQ）、光溫生產潛力（YT）和氣候生產潛力（YW）及其時空變化特征和氣候資源利用率。在此基礎上，討論了葡萄栽培可能發生的氣象災害及其對葡萄物候期和產量的影響，以期為提高葡萄氣候資源利用率、品質產量，優化葡萄產業布局提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 資料來源

氣象資料取自浙江省氣候中心，太陽輻射資料取自浙江省氣象網絡信息中心，氣象資料包括浙江省67個基本氣象站1971—2017年逐日的氣壓（hPa）、降水量（mm）、最高氣溫（℃）、最低氣溫（℃）、水氣壓（hPa）、風速（m/s）、日照時數（h）等氣象資料，個別資料缺失值用多年平均值代替。太陽輻射資料包括杭州（1971—2010年）、慈溪（1971—1990年）和洪家（1990—2010年）3站逐月的太陽總輻射（MJ/m2）資料。根據中國氣象局編制的《氣象輻射觀測方法》的規定，對1981年1月1日前的輻射觀測資料乘以系數1.022進行訂正。葡萄農業統計數據包括浙江省及其縣（市、區）的葡萄面積、產量等資料，浙江省葡萄面積、產量資料來自1985—2017年中國農村統計年鑒;縣（市、區）葡萄面積、產量資料來自2016年浙江省農業統計數據。

1.2 研究方法

1.2.1 太陽輻射計算 選用國內有代表性的孫治安等的經驗公式[18]來計算不同站點的輻射，計算公式：

式中：c=0.299-0.006 13e，e為年平均水氣壓，hPa;s為日照率，%;Q0為晴天太陽總輻射量，MJ/m2;參考FAO-56方法[19]進行計算。

1.2.2 氣候生產潛力計算 采用逐步訂正法對光合生產潛力逐步進行溫度訂正和水分含量訂正來計算氣候生產潛力[20]，計算公式：

式中：YQ、YT、YW分別為光合生產潛力、光溫生產潛力和氣候生產潛力，t/hm2;Q為太陽輻射，MJ/m2;f（Q）、f（T）、f（W）分別為光照、溫度和水分含量訂正函數。

光合生產潛力是當溫度、水分含量、土壤肥力和農業技術措施等參量處在最適宜的條件下，只由輻射所確定的作物產量。這是在當地氣候條件下作物產量的上限。計算公式：

式中：YQ為光合生產潛力，t/hm2;μ為光能轉化為化學能的效率（2.0）;E為光能利用率（0.039）;Qi為葡萄接收的輻射總量，MJ/m2;α為葡萄經濟系數（0.55）[21];Ω為葡萄固定CO2能力的比例（0.95）[22];K為單位轉換系數（10）;C為單位葡萄干物質所含熱量（17.79 MJ/kg）[20];I為葡萄無機灰分含量，其值一般為0.02～0.06，本研究取0.02[23];J為成熟鮮葡萄的水分含量，浙江葡萄以鮮食為主，水分含量較高（0.80）[1，24];ε為光合輻射占總輻射的比例，浙江地區為 0.49[25];R、t分別為葡萄群體反射率（0.06）和透射率（0.04）[24];n為非光合器官截獲輻射比例，通常取0.10[20];Rs為呼吸消耗占光合產物的比例（0.55）[24];γ為超過光飽和點光的比例（0.03）[13];φ為光合作用量子效率，一般取 0.224[20]。由于葡萄氣候生產潛力方面報道較少，本研究C為大多數作物（非油料作物）的均值，n、φ為一般情況下的取值，γ為大田作物研究所得系數，其余系數為報道中葡萄相關研究成果中所得。

光溫生產潛力是在光合生產潛力基礎上進一步考慮溫度的影響所形成的理論產值。溫度低于生物學下限或高于其生物學上限，光合產物趨于0。公式為：

式中：f（T）為溫度訂正系數。國內外關于溫度訂正系數的研究有許多，訂正函數形式一般為正弦函數、二次函數或分段函數等單波形式[26]，計算方式如下[13]：

式中：T是某一時期的平均溫度，℃;T1、T2和T0分別是葡萄生長發育期（4—8月）的下限溫度、上限溫度和產量形成的最適溫度[1]，℃（表1）。

氣候生產潛力是當土壤肥力和農業技術措施等參量處在最適宜的條件下，受輻射、氣溫、水分含量共同影響所確定的作物產量。計算公式為[16]

式中：A為葡萄冠層對降水的截留率（0.10）[27];B為徑流系數（0.15）[28];ETm為葡萄生育期需水量，mm;Kc為葡萄生育期作物系數（0.65）[19];ET0為葡萄參考蒸散量，mm，采用聯合國糧農組織（FAO）于1998年推薦的Penman-Monteith公式[29]求得。

1.2.3 農業氣候資源利用率 農業資源利用率即當前生產條件下，農業實際產量與生產潛力的比值，研究表明氣候生產潛力與實際產量最接近，公式[30]為：

式中：Yi1為作物的實際單位面積產量，t/hm2;Yi2為作物的氣候生產潛力，t/hm2。

1.2.4 氣候傾向率計算 采用最小二乘法計算樣本y與時間x的線性回歸系數a，各要素的變化可用一次線性方程表示[31]：

氣候傾向率為10a。

2 結果與分析

2.1 浙江葡萄氣候生產潛力

由式（1）～式（11）分別計算浙江葡萄光合生產潛力、光溫生產潛力和氣候生產潛力。由圖2可以看出，浙江葡萄光合生產潛力、光溫生產潛力與緯度、海拔關系密切，地域特征明顯。浙江全省光合生產潛力平均為141.3 t/hm2，各地分布在129.8～155.8 t/hm2，空間分布表現為浙北高于浙南，浙中偏大（圖2-a）。從地區分布來看，嘉興、杭州西部、紹興大部、寧波中北部、舟山和金衢盆地及以西部分地區等地光合生產潛力大于140.0 t/hm2;高值區分布在嘉興和紹興東部、寧波北部和舟山地區;浙南為相對低值區，大部地區光合生產潛力分布在134.0～140.0 t/hm2，其中天臺、洞頭超過 140.0 t/hm2。浙江全省光溫生產潛力平均為115.3 t/hm2，各地分布在 94.6～129.2 t/hm2，表現為兩頭小中間大的空間分布特點（圖2-b）;高值區分布在金衢盆地、寧紹平原、浙北沿海地區，大部分地區分布在120.0～125.0 t/hm2，最大值為金華婺城;沿海島嶼、浙南山區等地的氣候產量分布在 100.0 t/hm2 以下。氣候生產潛力浙江全省平均為 102.8 t/hm2，各地分布在75.4～114.0 t/hm2，空間分布與光合生產潛力相反，即浙南高于浙北（圖2-c）。從地區分布來看，金衢盆地、臺州中北部、浙南中東部、富陽、紹興、新昌等地的氣候生產潛力在100.0 t/hm2以上，最高值區在浙南文成，浙北北部、浙東沿海、浙南山區為低值區。

2.2 生產潛力時間變化特征

由圖3可以看出，1971—2017年浙江省葡萄光合生產潛力、光溫生產潛力、氣候生產潛力的氣候傾向率分別為-2.6 t/（hm2·10年）（P<0.1）、-0.10 t/（hm2·10年）（P>0.1）、1.2 t/（hm2·10年）（P>0.1）。光合生產潛力總體呈下降趨勢，這與浙江太陽輻射變化趨勢一致[25]，尤其是1971—1999年的下降趨勢達5.8 t/（hm2·10年）（P<0.01）;光溫生產潛力下降變化趨勢和速率存在一定的階段性，1971—1986年光溫生產潛力的氣候傾向率為2.8 t/（hm2·10年）（P>0.1），1987年以后光溫生產潛力在波動中減小，1999年達到最低值（88.8 t/hm2），而后2000—2017年光溫生產潛力下降趨勢為4.2 t/（hm2·10年）;氣候生產潛力總體呈上升趨勢，1971—1999年變化趨勢特征不明顯[0.7 t/（hm2·10年），P>0.1]，2000—2017年的上升趨勢明顯低于光溫生產潛力[1.5 t/（hm2·10年），P>0.1]。

從年代際的變化來看（圖略），浙江葡萄光合生產潛力在20世紀80年代達到最高值后（146.8 t/hm2），光合產量年際間減幅明顯，其中2011—2017年均值最低（133.6 t/hm2）;受溫度影響，光溫生產潛力在21世紀00年代均值最高（119.1 t/hm2），其次為20世紀80年代（115.0 t/hm2），其他年份均值在多年平均值（114.6 t/hm2）以下;受降水影響，氣候生產潛力從20世紀90年代開始逐年代際增加，到2001—2010年達到最高（106.1 t/hm2）。

2.3 浙江葡萄氣候氣候資源利用率

氣候資源利用率即農作物單位面積產量與氣候生產潛力的比率，即雨養條件下，通過品種改良、栽培措施改進等技術實現的氣候資源利用率。據2016年統計，浙江葡萄主產區主要集中在嘉興、寧波、金華和臺州地區，4個地區的葡萄面積和產量總量分別占全省的72.6%、70.6%，其中嘉興葡萄的面積（6 686 hm2）和產量（170 368 t）居全省首位，其次為寧波（面積和產量分別為6 509 hm2和159 668 t），各縣（市、區）葡萄的面積、產量如圖4-a所示。受栽培措施、品種等因素限制，2016年浙江各地葡萄單位面積產量分布在2.5～67.0 t/hm2。低值區分布在浙西北大部、浙南山區、浙西山區、浙中東陽等地區，葡萄單位面積產量小于10 t/hm2，其中浙西和浙南山區部分地區小于5 t/hm2;高值區分布在嘉興平原、寧紹平原、杭州富陽等地區（單位面積產量大于 30 t/hm2）。浙江省葡萄生產氣候資源利用率各地分布在 2.4%～62.8%，平均為20.5%（無種植或無數據的地區未統計），高值區主要分布在上虞、建德、嘉興南部等地區，氣候利用率超過30.0%;低值區在浙西西部、浙南山區等地，利用率低于10.0%（圖4-b）。葡萄氣候資源利用率的高值區基本與葡萄適宜性區劃結果一致[32]，即浙北、浙中、浙南分別為葡萄栽培生態氣候適宜區、次適宜區、可能種植區。

作物增產潛力是用來評判一個地區作物產量可能增產的空間水平。葡萄增產潛力在浙江各地差異顯著（圖5），其中高值區分布在浙西衢州、浙南山區（>90%），低值區主要為葡萄主產區（<50%）。浙江水網發達，大部地區水分基本能滿足葡萄生產，若以光溫產量作為生產潛力來計算，2011—2017年浙江葡萄氣候資源利用率平均僅為21.6%，增產潛力達784%。如以中長期目標實現50%的光溫生產潛力計算，浙江葡萄生育期（4—8月）平均單位面積產量可以達到57.7 t/hm2，在現有生產規模的基礎上，浙江葡萄總產達到187.5萬t（參照2017年中國農村統計年鑒數據）。

3 討論與結論

本研究應用逐步訂正法，開展浙江省葡萄氣候生產潛力

的定量評估，研究了葡萄光溫生產潛力、光合生產潛力、氣候生產潛力及氣候資源利用率。結果顯示，浙江全省光合生產潛力（YQ）平均為141.3 t/hm2，各地為129.8～155.9 t/hm2，空間分布為浙北高于浙南，浙中偏大;全省光溫生產潛力（YT）平均為 115.3 t/hm2，各地為94.6～129.2 t/hm2，空間上表現為兩頭小中間大;全省氣候生產潛力（YW）平均為 102.8 t/hm2，各地為75.4～114.0 t/hm2，空間分布為自北向南遞增。1971—2017年YQ、YT和YW的氣候傾向率分別為 -2.6 t/（hm2·10年）（P<0.1）、-0.10 t/（hm2·10年）（P>0.1）、1.2 t/（hm2·10年）（P>0.1）。2016年浙江葡萄氣候資源利用率平均為20.5%，增產潛力達79.5%。

太陽輻射是葡萄光合作用的基礎，是影響浙江葡萄氣候產量的最主要因素。1971—2017年浙江葡萄生育期（4—8月）日照時數的氣候傾向率達-38.5 h/10年（P<0.05），導致光合產量減少趨勢明顯。浙江地區葡萄平均氣候生產潛力分別是其光合生產潛力、光溫生產潛力的72.7%、89.1%，表明除日照時數外，限制浙江葡萄生產力發揮的因子按其重要性依次為溫、水，但各地的限制因素各有特點：浙北地區光、溫、水均適合葡萄生長[32];浙中、浙南影響葡萄生長的主要因素是降水，降水偏多達2倍以上，尤其是浙江西南部、南部山區和東南沿海地區，4—7月上旬雨量達600 mm或800 mm以上，易誘發葡萄病害;浙南南部限制葡萄生產的因素除降水外，越冬期平均氣溫偏高造成該地區葡萄不能自然越冬[32]。葡萄漿果生長期的氣候生產潛力占全生育期的50%左右，是葡萄氣候生產潛力增加的關鍵時期。

本研究的浙江葡萄氣候生產力利用率偏低，一方面是由浙江葡萄生態適宜性決定的[32]，另一方面是由于浙江葡萄以鮮食為主[3]，對品質的要求很高，往往要求以控產來保障葡萄品質[33]，因此追求產量增長和品質并重是浙江葡萄品種改良和栽培改進的研究重點。氣候變化下浙江光、溫、水年際間波動增大，葡萄開花期、果實膨大期遇災害性天氣概率增大，最終影響葡萄產量和品質，如強對流、高溫、臺風等容易造成葡萄植株或者果實損傷，導致產量波動。因此，在進一步評價氣候生產潛力時，災害因子對作物潛力的影響不容忽視[34]。需要說明的是，氣候生產潛力的模型不同，計算結論存在一定差異。本研究結論可以為葡萄發展提供一個參考，尤其是浙北葡萄生態適宜區、浙中葡萄較適宜區可以進一步發展葡萄產業。此外，本研究采用的基本氣象觀測站為縣級觀測站，未使用高密度的中尺度區域自動站，且浙江地形差異明顯，小氣候種類多樣，地形因素對氣候資源分布的影響未考慮，基于格點化環境要素的葡萄氣候生產潛力評價有待在以后的工作中進一步探索，從而使評價結果更具精細化和客觀性。

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