葡萄栽培生態指標體系建設及生態區劃

杜遠鵬，張一帆，黃文尉，李響，朱化平，唐美玲，王趙盼，高振，翟衡

（1. 山東農業大學園藝科學與工程學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018；2. 青島大好河山葡萄酒業有限公司，山東青島 266600；3. 煙臺市農業科學研究院，山東煙臺 265599）

進入21世紀中國葡萄產業迅猛發展，葡萄產量及栽培面積分別位居世界第一和第二位，葡萄酒產量位居世界第六位，葡萄酒進口量躍居世界第三位[1]。葡萄具有完整的產業鏈，有利于形成產業化，實現較高的經濟效益和社會效益。

歐亞種在世界釀酒葡萄生產中起主導作用，其最佳生態適宜區是冬春溫潤、夏秋干燥的地中海氣候類型。中國北方葡萄主產區屬于典型的大陸季風氣候區，即冬季干寒、夏季濕熱[2]，并不屬于歐亞種葡萄的優生區。歐美學者對葡萄生態區劃指標的選擇評價大多基于地中海氣候類型或其本國氣候類型，提出了很多葡萄生態區劃的評價指標，溫度、光照、降水和土壤條件的作用均被認可，但在具體評價方法上則各有不同，主要提出了活動積溫[3]、有效積溫[4]、日光能系數[5]、水熱系數[3]、土壤-氣候指數和生物-土壤-氣候指數[6]等理論，較少針對大陸性季風氣候進行驗證。中國科研人員從20世紀80年代開始進行葡萄生態區劃工作，基本沿用了國外的指標，同時也根據中國北方冬季嚴寒的氣候條件提出了補充指標。中國葡萄專家羅國光[7]以有效積溫或活動積溫、水熱系數進行生態區域劃分，進入21世紀李華團隊以三級復合指標（無霜期、干燥度、埋土防寒線或成熟季降水量）對多個省區進行了區劃[8]，其中，干燥度是葡萄在生長季的蒸發蒸騰量（實際需水量，ETc）與降水量的比值，由于ETc屬于估算數值，因此存在準確性問題。大部分國內專家認為，我國日照時數不是限制因子，因此較少納入區劃指標[9-12]，但我國季風氣候特征明顯，光照不足是制約釀酒葡萄生產的重要因素。因此，本團隊在對國內外有關葡萄區劃的各種指標進行了歸納和分析[6]的基礎上，采用活動積溫、降水量、水熱系數、日照時數指標進行區劃分析，創建了濕熱指數，最終構建了影響釀酒葡萄次生代謝品質為核心的復合指標，并對中國的優勢釀酒葡萄產區進行生態區劃，為鮮食葡萄栽培模式及釀酒葡萄區化提供了參考。

1 研究方法

1.1 氣象資料

收集了中國839個氣象站點2008—2017年逐日氣象數據，主要氣象要素包括逐日最高氣溫、最低氣溫、降雨量、相對濕度、日照時數；各站點的經緯度、海拔高度等。90 m（3 s）分辨率的數字高程數據（DEM）由SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）傳感器獲得，地理信息數據來源于中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站地理空間數據云平臺（http://www.gscloud.cn），后經鑲嵌、掩模、重采樣后得到500 m分辨率的高程數據，插值生成的各指標柵格分辨率為500 m。

1.2 生態指標

計算各站點6—9月的水熱系數（K）并進行劃分，計算公式為：K＝∑P/(0.1·∑Ta)

式中：∑Ta為＞10 ℃時的日均溫之和，∑P為同時期降水量之和。劃分K為＜1.5、1.5～2.5、＞2.5的區域。

計算全年、4—9月及7—9月的日照時數并進行劃分，以全年日照時數＞2000 h和4—9月日照時數≥1250 h為葡萄生產臨界線，并以7—9月日照時數作為評價紅色釀酒葡萄次生代謝品質的指標。

借鑒評價人類舒適度的炎熱指數，并針對我國雨熱同季的氣候特征[13]，構建了濕熱指數ET并進行劃分，以ET＜65劃為低濕熱區，ET介于65～70劃為較低濕熱區，ET介于70～75劃為中等濕熱區，ET介于75～80劃為較高濕熱區，ET＞80劃為高濕熱區。ET計算公式為：

當RH≤80%時，ET＝1.8×Ta－0.55×(1.8×Ta－35)×(1－0.8)＋32；

當RH＞80%時，ET＝1.8×Ta－0.55×(1.8×Ta－35)×(1－RH)＋32

式中：Ta為日最高溫，RH為空氣相對濕度。

1.3 區劃方法

采用三級復合指標進行優勢區域綜合評價，一級指標為7—9月日照時數（＜600 h弱光照，600～700 h較適光照，700～800 h適宜光照，＞800 h強光照）；二級指標為7—8月水熱系數K（＜1.5優質，1.5～2.0優良，2.0～2.5一般，＞2.5不適宜）；三級指標為7—8月濕熱指數ET（＜65低濕熱區，65～70較低濕熱區，70～75中等濕熱區，75～80較高濕熱區，＞80高濕熱區）。

1.4 數據處理

對熱量指標采用基于DEM的多元線性回歸模型插值[14-16]，熱量指標的多元回歸模型為：

∑＝?(φ,ω,h)＋ε。其中，φ為經度，ω為緯度，h為海拔，ε為地理模型殘差，模型建立后使用反距離權重插值法對模型殘差插值，訂正后得到最終的熱量指標柵格。其中生長季活動積溫：

∑＝﹣29.621·φ－63.143·ω－0.964·h＋9659.640，R2=0.942**；7月份濕熱指數：

∑＝﹣0.183·φ－0.266·ω＋0.008·h＋110.007，R2=0.918**；8月份濕熱指數：

∑＝﹣0.164·φ－0.388·ω＋0.008·h＋110.491，R2=0.934**。

對水熱系數和日照時數插值的過程中采用普通克里金插值，以交叉驗證作為精度檢驗方法，其中6、7、8、9月的水熱系數插值的標準均方根誤差分別為4.25、4.26、3.78、4.89；7—9月日照時數、4—9月日照時數的標準均方根誤差分別為0.910、0.918。

2 結果與分析

2.1 葡萄優質栽培生態指標

2.1.1 水熱系數指標

由于我國南北跨度大，葡萄成熟時間差異大，將水熱系數的統計時間擴展到6—9月可以看出（圖1），6月南方地區K＞2.5的區域較普遍，北方大部分葡萄產區K＜1.5；7月南方及華北大部分地區K值處于1.5～2.5區間，K＞2.5的區域縮小到湖北東部、江蘇中部、安徽中部及南部、山東中南部地區；8月K＞2.5的區域集中于西南、華南南部以及東北的吉林東南部、遼寧東部，K＜1.5的區域分布于西北及內蒙古大部、河北中部及北部地區、山西中部及南部、黑龍江西南部、吉林西部等地區；9月份K＜1.5的區域主要分布于新疆大部、甘肅西部及沿河西走廊北部地區、賀蘭山東麓、內蒙古大部、山西南部，以及河北、北京、天津、山東、遼寧、吉林、黑龍江南部、湖北中部及東部、安徽南部、湖南大部、江西、福建西部、貴州中部、兩廣北部地區，K＞2.5的區域集中在西北、西南、華南及東北少部分地區，主要有甘肅河西走廊以南、甘肅南部、寧夏南部、陜西南部、四川大部、青海、西藏、云南北部及南部、兩廣南部地區、福建與浙江部分沿海地區、黑龍江北部、內蒙古呼倫貝爾中部及北部等地區。

圖1 我國 6—9月份水熱系數分布區域Figure 1 Regional distribution of hydrothermal coefficient from June to September in China

2.1.2 日照時數指標

世界釀酒葡萄的著名產區生長季（4—9月）日照時數都在1250 h以上。日照時數在1200～1400 h是葡萄生長季光照條件的臨界區或基本適宜區，通過統計我國4—9月的日照時數（圖2），1200～1400 h臨界區域（除去東北山葡萄特殊栽培區）從東至西南呈帶狀分布，從膠東半島向西經過河北、北京、天津、山西、陜西北部、甘肅南部、寧夏南部、青海東南及西藏中部等地區。臨界光照帶以北的地區包含了我國大部分傳統的葡萄產區，日照時數從東至西、從南向北兩個方向呈帶狀分布的增強趨勢。與全年日照時數劃分差異較大的是位于西南的云南省。但在西南地區年光照的臨界帶從四川盆地西部向南延伸至云南東部地區，由此可以看出云南地區4—9月的光照條件不佳，但全年光照與山東半島類似。

圖2 4—9月生長季日照時數分布Figure 2 Sunshine hours distribution in growing season from April to September

由圖3可知，全國7—9月日照時數600～700 h這一臨界區域從東北向西南延伸，包括黑龍江大部，內蒙古呼倫貝爾北部，吉林中部、遼寧大部，河北秦皇島、唐山、承德南部、張家口懷來、涿鹿、蔚縣、陽原等；山西北部、陜西北部、寧夏南部、甘肅中部，繼續向西南經青海中部延伸至西藏中部，這條線以北日照時數呈梯度增加趨勢。這一臨界區域以南地區包括山東半島煙臺北部和東南沿海地區7—9月日照時數也在600～700 h范圍內。

圖3 7—9月轉色期日照時數分布Figure 3 Distribution of sunshine hours in veraison period from July to September

700～800h光照區域中著名葡萄產區包括寧夏（石嘴山、銀川、吳忠）、內蒙古（烏海）、甘肅（張掖、武威）以及南疆（和田、于田、民豐等），此外還有東南地區的江西東部、福建南部以及廣東沿海地區；＞900 h的區域集中在新疆北部與東部、甘肅敦煌北部及內蒙古阿拉善西部。

2.1.3 濕熱指數指標

對中國7、8月份濕熱指數進行分析和區域劃分（圖4）發現，7月是全國濕熱情況比較嚴重的月份，ET值（＜55）較小的地區主要位于高海拔地區如青藏高原、昆侖山脈、天山山脈、新疆阿勒泰北部地區、四川西部等地區。葡萄主產區中只有云南、山西大部、寧夏南部及沿河西走廊南部至隴南地區濕熱指數＜70，山東、陜西中部、河北南部和東部、寧夏賀蘭山東麓、新疆天山北麓、江蘇東北部、四川盆地西部等地區濕熱指數在75～80，南方大部分地區處于高溫濕熱狀態，濕熱指數在80以上；8月甘肅、寧夏及新疆北部率先退出濕熱狀態，濕熱指數比7月下降近一個梯度，濕熱指數在80以上的區域縮小，而濕熱指數在75～80的區域進一步擴大至河南、山東、河北、安徽北部、江蘇北部、湖北北部等地區；新疆除天山、昆侖山等山區外，大部分較7月下降一個梯度。

圖4 全國7月（左）和8月（右）濕熱指數分布圖Figure 4 Distribution map of damp heat indicator in July (left) and August (right)

2.2 我國釀酒葡萄優勢生態區域

基于轉色期光照對釀酒葡萄次生代謝及品質的重要作用，成熟季節水熱系數對積溫條件和降水量的綜合反應及插值模型較降水量具有的優越性，濕熱指數綜合考慮到對葡萄光合、呼吸及蒸騰的影響且合理性得以驗證的基礎上，本文提出了優勢區域評價的綜合指標，即一級指標為7—9月日照時數（＜600 h弱光照，600～700 h較適光照，700～800 h適宜光照，＞800 h強光照），二級指標為7—8月水熱系數K（＜1.5優質，1.5～2.0優良，2.0～2.5一般，＞2.5不適宜），三級指標為7—8月濕熱指數ET（＜65低濕熱區，65～70較低濕熱區，70～75中等濕熱區，75～80較高濕熱區，＞80高濕熱區）。

利用三級組合指標（表1）進行了釀酒葡萄優勢生態區劃分，得到我國優勢產區評價（圖5）。由A到C優勢區級別逐漸降低，A區主要分布于寧夏賀蘭山東麓，甘肅酒泉、張掖及武威地區和新疆南部。B區分為兩個亞區，B1分布于新疆北部地區，B2分布于環渤海地區，主要包括遼東半島、山東半島、北京、天津、河北秦皇島及懷涿盆地等地區，這一區域7—9月日照時數處于600～700 h臨界值，受年份影響較大，日照時數接近700 h的年份葡萄著色較好，靠近600 h的年份著色較差。C區7—9月日照時數較低，不足600 h，分為3個亞區，C1分布于陜西中部及山西晉中太原盆地，C2分布于河南地區，C3分布于云南及四川南部地區。

表1 我國釀酒葡萄優勢產區區劃指標Table 1 Regionalization index of wine grape superiority producing areas in China

圖5 釀酒葡萄生態優勢產區評價Figure 5 Evaluation of ecological advantages of wine grapes

3 討論

3.1 釀酒葡萄優質栽培生態指標體系

評價釀酒葡萄品質的重要指標是果皮顏色和次生代謝物質。7—9月是釀酒葡萄轉色關鍵時期，此時期的光照、溫度和水分對葡萄果實次生代謝品質具有重要的作用。因此，本研究在構建釀酒葡萄生態指標評價體系時著重綜合評價7—9月的光照、溫度和水分指標。光照一方面通過影響光合作用進而影響次生代謝產物的形成，另一方面通過影響花青素合成途徑從而影響花色苷的合成與分解[17]。據調查，生長季節1200～1400 h光照臨界區的煙臺地區（蓬萊、龍口）7—9月日照時數達到700 h的年份葡萄著色較好，當日照時數只有600 h時的年份葡萄著色較差。由此本研究將7—9月日照時數納入區劃指標，并以日照時數＞700 h作為優勢產區劃分的依據。

我國季風氣候特征為雨熱同季，因此區劃指標需要綜合考慮溫度和濕度。冷涼的溫度有利于釀酒葡萄次生代謝產物的積累，溫度過高影響植物花青素的代謝，引起果實著色困難甚至促進花青素的降解[18]。研究表明，葡萄花青素在20 ℃顯著上升，當溫度達到35 ℃顯著降低[19]。濕度包括土壤和大氣濕度，土壤水分過多促進葡萄枝葉生長，導致葉幕郁閉，加重病蟲害發生，并影響果實受光抑制著色[21]。反應土壤水分的指標主要有降水量和水熱系數，轉色至成熟期的降水量是葡萄品質發育及病害防治的關鍵因素之一，為此有學者參照波爾多地區若干年葡萄成熟期的降水條件，將7—9月份的降水量作為葡萄氣候區劃的水分指標，以280、380 mm為成熟季降雨總量的分節點[21-22]。修德仁等[23]認為，葡萄果實成熟季節的月降水量應≤100 mm或旬降水量≤30 mm，以此作為紅葡萄品種區劃的水分指標。但降水量未反應積溫條件，而水熱系數指標綜合反映了積溫條件和降水量，應用范圍廣，并且成熟期水熱系數＜1.5是世界著名產區的共同特征。因此國內諸多學者認為水熱系數比較適宜[4,24-25]。本研究認為，在較大區域進行葡萄栽培的適宜性評價時建議采用水熱系數。在某一小區域如省、市等進行規劃時可以采用水熱系數，也可以采用降水量指標，如波爾多地區通常依據該產區不同年份葡萄成熟期降雨量的多寡來判斷葡萄酒的好壞年份。大氣濕度不僅影響病害發生，還對葡萄葉片生理功能產生影響，仝培江等[26]的研究表明，高溫高濕顯著降低了黃瓜葉片凈光合速率Pn和ΦPSⅡ，且高溫高濕傷害略大于高溫常濕。基于此，本研究創新引入反映濕度及溫度的濕熱指數，并對該指標參與葡萄區劃體系的科學性以及實際應用的合理性得到了驗證。因此，我們最終構建了能夠反應中國大陸性季風氣候的生態區劃評價指標體系，即一級指標為7—9月日照時數，二級指標為7—8月水熱系數K，三級指標為7—8月濕熱指數ET。該復合指標為中國釀酒葡萄生態區劃提供可靠的參考指標體系。

3.2 中國優勢釀酒葡萄區劃

利用7—9月日照時數、7—8月水熱系數和濕熱指數三級組合指標對中國釀酒葡萄優勢生態區進行劃分，得到A區主要分布于寧夏賀蘭山東麓，甘肅酒泉、張掖及武威地區和新疆南部，該區7—9月日照時數在700 h以上，7—8月水熱系數均＜1.5，7—8月濕熱指數70～75，說明該區域果實著色期日照充足，氣溫冷涼，空氣和土壤含水量低有利于果實糖分和次生代謝產物的積累，適合種植經典優質歐亞種釀酒葡萄品種，如‘赤霞珠’‘霞多麗’‘西拉’等。B區分為兩個亞區，B1分布于新疆北部地區，該區域日照時數充足，在700 h以上，7—8月水熱系數均＜1.5，但7—8月濕熱指數70～75，高于A區，該區域也較適合歐亞種釀酒葡萄的生產，容易生產出優質葡萄酒；B2區分布于環渤海地區，主要包括遼東半島、山東半島、北京、天津、河北的秦皇島及懷涿盆地等地區。這一區域7—9月日照時數處于600～700 h臨界值，該區域7—8月水熱系數均在2～2.5，7—8月濕熱指數在70～75，均較高，不同年份間日照時數和降雨差別較大，因此受年份影響大，如遇上光照不足、降雨較多的年份則不能生產優質葡萄酒，建議該區域適當種植一定比例抗性釀酒葡萄品種如‘香百川’（Chambourcin）、‘白維拉’（Villard Blanc）等，來生產大眾佐餐酒。C區7—9月日照時數較低，不足600 h，分為3個亞區，C1分布于陜西中部及山西晉中太原盆地；C2分布于河南地區，兩區域7—8月水熱系數較低，分別為＜1.5和1.5～2，7—8月濕熱指數均在75～80，日照時數均較低，低于600 h，不利于釀酒葡萄著色，建議種植對直射光不敏感的品種，也可考慮種植一定比例抗性釀酒葡萄品種；C3分布于云南及四川南部地區，其中云南以山地高原、山中盆地為主，高海拔增加了光照強度，紫外光強度也高于平原，而高光強和紫外線對釀酒葡萄次生代謝品質尤為重要[27]，這在一定程度上彌補了光照時間不足對葡萄果實的影響。但由于我國安裝的氣象監測系統基本都是監測日照時數，只有少數國外進口設備是監測光照強度，因此目前條件下所能大范圍比較的還是以日照時數為主，對生態復雜的地區進行區劃可引入光照強度進行區劃。