气候变化背景下关中地区葡萄水分盈亏变化特征

2022-05-24宋天媛陈滇豫胡笑涛王文娥何雪霞

干旱地区农业研究 2022年3期

宋天媛，陈滇豫，胡笑涛，王文娥，汝晨，何雪霞

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

葡萄是多年生藤本植物，具有较高经济价值和营养价值[1]。由于葡萄的生长发育期处于夏旱和伏旱高频率发生期，干旱已成为提高葡萄生产力的第一限制因素。陕西关中西部平原区属于灌溉条件较为优越的半湿润易旱地区[2]，因此，研究葡萄需水量的变化特征与水分盈亏状况能够确定葡萄不同生育阶段发生干旱的风险，对提高葡萄产量和促进区域水资源高效利用具有重要意义。

作物需水量是指作物在适宜的土壤水分、肥力水平及其他管理条件下，经过正常生长发育并获得高产时的植株蒸腾和棵间蒸发水量之和[3]，也是制定作物灌溉制度的基础。目前在葡萄需水量方面已有大量的研究，如雷筱等[4]对宁夏贺兰山麓滴灌葡萄耗水规律的研究表明葡萄果实膨大期为耗水高峰期，日均耗水量在2.26～4.48 mm之间，全生育期耗水总量在316.16～475.15 mm之间。Zhang等[5]利用波文比-能量平衡法对西北干旱地区葡萄的耗水规律进行研究，结果表明全生育期总需水量为226～399 mm。在葡萄栽培方面，有研究指出[6]，葡萄需水量高峰值出现在果实膨大期，占全生育期需水总量的30%～40%。高德凯[7]研究发现，在葡萄萌芽期、果实膨大期和着色成熟期遭遇过度的干旱胁迫均会抑制植物正常生长。

气候变化对作物生长发育、产量及耗水量均产生影响，开展气候变化对作物需水量的研究有助于提高作物生产潜能[8]。近年来国内学者针对气候变化对作物需水量的影响展开大量研究。张新鼎等[9]采用Penman-Monteith公式、线性回归等方法分析了贵州省中西部1960—2017年玉米需水量的时空变化，研究发现58 a间该地区玉米需水量整体呈现不同程度的下降。曹言等[10]基于1961—2013年滇中地区48个气象站逐日气象数据，并利用Penman-Monteith公式和单作物系数法计算分析了近53 a滇中不同分区水稻不同生育期需水量，研究发现需水量呈显著减小趋势。国内学者关于作物需水量变化的研究主要集中在小麦、玉米、水稻等大宗粮食作物[11-14]，关于果树的研究相对较少，而针对陕西关中平原葡萄需水量及水分盈亏分析的研究更是鲜有报道。

近年随着葡萄产业的迅猛发展，陕西省葡萄种植面积及产量增加，水资源的供需矛盾日益尖锐，研究气候变化条件下葡萄需水变化规律及各生育期水分供应情况对制定科学灌溉策略、减少气候变化对葡萄生产的负面影响具有重要意义。因此，本研究从水分盈亏的角度分析1990—2019年关中平原葡萄需水量变化特征及葡萄水分盈亏情况，并对不同水文年葡萄需水量、水分盈亏以及干旱等级进行探讨，旨在为提高陕西关中平原地区水资源利用效率、实现葡萄园的节水灌溉提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域地处陕西关中西部平原，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，光照资源较为丰富，属于暖温带季风半湿润气候。多年平均气温12.9℃，多年平均降雨量579.5 mm，多年平均累积日照时数1 900 h，年有效积温(≥10 ℃)4 180 ℃，无霜期221 d，年蒸发量在900～1 100 mm之间。根据最新陕西省统计年鉴，2021年陕西省葡萄种植规模已突破6.7万hm2。研究区域葡萄果园地势平坦，根据国际制土壤质地分类标准，土壤类型为粉砂壤土。土壤容重为1.35 g·cm-3，田间持水量为0.324 cm3·cm-3，地下水埋深大于12 m。

1.2 作物需水量、有效降雨量计算方法

采用FAO推荐公式[15]，根据葡萄不同生长阶段作物系数计算葡萄需水量，如式(1)：

ETc=Kc×ET0

(1)

式中，ET0为参考作物需水量(mm·d-1)，采用FAO-56推荐的Penman-Monteith公式[15]计算；Kc为作物系数(无量纲)，本文采用余昭君等[16]根据当地气候及土壤条件修正后的Kc值，Kc值在生长初始阶段、生育中期、成熟阶段分别为0.30、0.78、0.50；ETc为实际作物需水量(mm·d-1)。

有效降雨量采用美国农业部土壤保持局(USDA Soil Conservation Service)推荐的方法(USDA-SCS法)进行计算[17]，公式如下：

(2)

式中，Pe为有效降雨量(mm)；P为降雨量(mm)。

1.3 Mann-Kendall检验法和滑动t检验

Mann-Kendall(M-K)检验法是一种基于非参数统计的检测方法，常用于分析降水、径流、气温等气象要素时间序列的趋势变化[18]。在M-K检验后，若存在突变点，可结合滑动t检验进行验证以增强突变分析结果的可信度[19]。本研究通过M-K检验和滑动t检验判定作物需水量的变化趋势及突变点。

1.4 Morlet小波分析

Morlet小波是一个Gauss包络的复小波，实部与虚部有90°相位差，易得到信号的瞬时相位和频率等信息，具有良好的分辨率[20]。本研究通过小波等值线图和小波方差图判定作物需水量的变化周期。

1.5 水文年型划分

根据1990—2019年的降雨资料，分别统计每年降雨量之和并进行频率计算，由皮尔逊-Ⅲ型适线法[21]可以得到不同水文年型的降雨量。从1990—2019年中筛选出与降雨频率P=25%、P=50%和P=75%对应的降雨量接近的年份作为典型年，故本研究选取2006、2009、2013年分别为典型湿润年、平水年和干旱年。不同水文年型月均降雨量如表1所示。

表1 不同水文年型降雨量均值/mm

1.6 水分盈亏指数及干旱等级划分

水分盈亏指数是农业生产监测与管理方面的重要指标[22]，通过计算可以得到作物在各生育期的需水特性与水分供应情况。当有效降雨量小于作物需水量，说明天然降雨供应不足，若无其他水分来源作物会出现缺水。二者差值占同时期作物需水量比例越大，则干旱程度越严重，即：

CWSDI=(Pe-ETc)/(ETc)

(3)

式中，CWSDI为水分盈亏指数；Pe为有效降雨量(mm)；ETc为作物需水量(mm)。根据《中国农业干旱监测指标方法与等级划分》，CWSDI>-0.50为无旱(No Drought, ND)，-0.70

2 结果与分析

2.1 葡萄需水量年际变化特征

1990—2019年葡萄需水量M-K趋势检验及滑动t检验如图1所示，UF、UB曲线分别为时间正序与逆序统计量曲线，通过分析统计序列UF和UB可以进一步分析序列的趋势变化。由图1a中UF曲线可以看出，1990—2007年间葡萄需水量呈下降趋势，2008—2015年间需水量变化趋势不明显，2015年后呈显著上升趋势。UF曲线和UB曲线在2018年存在一个相交点，且交点介于两条临界线之间，因此满足显著性要求(P<0.05)，由此可以初步判定在2015—2019年间葡萄需水量发生突变。通过M-K趋势检验得到可能发生突变的时间后，进一步通过滑动t检验验证，如图1b所示，发生超出临界水平的时间为2015年附近，因此认为葡萄需水量在2015年发生了突变。

图1 1990—2019年葡萄需水量M-K趋势检验和滑动t检验

1990—2019年葡萄需水量周期分析如图2所示。图2a中等值曲线为小波系数实部值，实线代表需水量偏多期，虚线代表需水量偏少期,可以看出葡萄需水量在1990—2019年演变过程中存在10～20、2～5、5～8 a尺度的周期变化规律;其中在10～20 a尺度出现了准两次震荡，且此尺度周期变化在整个分析时段表现稳定，具有全域性。图2b中存在3个较为明显的峰值，依次对应着3、7、15 a的时间尺度；其中最大峰值对应15 a的时间尺度，说明15 a左右的震荡周期最强，为变化的第一主周期；3 a时间尺度对应第二峰值，为第二主周期；第三峰值对应7 a的时间尺度，为第三主周期。

图2 1990—2019年葡萄需水量周期分析

2.2 不同水文年型的葡萄需水量

本研究选取2006、2009、2013年分别为典型湿润年、平水年和干旱年，各典型年葡萄需水量如图3所示，图中各点代表每旬葡萄需水量的累积值。由图3可知，不同水文年型葡萄需水量总体呈先增加后减小趋势，湿润年、平水年、干旱年需水量分别为269.5、331.4、358.9 mm。从葡萄生育期开始到6月中旬，各水文年中葡萄需水量总体呈增加趋势。干旱年和平水年中葡萄需水量在6月中间达到极值，分别为40.0 mm和37.8 mm；湿润年中葡萄需水量在5月下旬达到极值，为27.8 mm。从6月中旬到葡萄生育期结束，各水文年中葡萄需水量总体呈降低趋势。对于不同水文年型，生育前期需水量差异较小，生育盛期差异最大，生育后期差异减小。

图3 不同水文年葡萄需水量变化

2.3 水分盈亏指数的年际变化趋势

1990—2019年葡萄生育期内水分盈亏指数(CWSDI)变化趋势如图4a所示，总体来看90%的年份CWSDI均为负值，多年平均值为-26.22%。CWSDI在1990—1994年间呈现逐渐降低趋势，从4.27%降低至-53.21%；CWSDI在1995—2008年间呈锯齿状变化，在1997年达到30 a内的第一个极小值点(-69.52%)，次年达到第一个极大值点(9.93%)；CWSDI在2009—2017年间总体呈现减小趋势，CWSDI值的变化幅度趋于平缓，均值为-27.23%，且在多年均值附近波动；2018年后，CWSDI表现出逐渐增加的趋势。由图4a中的多年CWSDI拟合方程可知，CWSDI值在30 a内总体呈小幅度上升趋势，但增长幅度不显著，这是由于多年内出现较多极值造成的。

葡萄生长季4—8月份CWSDI值随年份的变化趋势如图4b～f所示。整体来看4—6月份CWSDI值呈降低趋势，其中6月份降低幅度最显著，而7—8月份CWSDI值呈增加趋势，其中7月份CWSDI值随年份的增加趋势不显著。4—8月份CWSDI多年平均值分别为13.57%、-39.09%、-38.36%、-27.03%和50.16%。对比发现，5、6和7月份的各年份CWSDI值总体小于0，而4月份和8月份这种规律不明显。整个葡萄生长季CWSDI值的波动范围相对稳定，各年份CWSDI值较拟合趋势线的离散程度较小；4—8月份CWSDI值随年份的波动幅度相对较大，尤其以4月份和8月份最为显著，表明葡萄生长季内不同月份的干旱程度存在明显差异。7月份和8月份CWSDI值随年际的变化趋势总体相似，但8月份CWSDI值明显高于7月份。

图4 1990—2019年葡萄水分盈亏指数(CWSDI)变化趋势

2.4 不同水文年型干旱等级分析

不同水文年型各月份发生干旱的概率如表2所示。由表2可知，在1990—2019年的湿润年4—8月份均遭受干旱胁迫威胁；葡萄生育期内各月份干旱等级存在显著差异，其中湿润年中4、7和8月份无旱占比较高(75%～91.67%)；相比其他月份，湿润年中的6月份存在多种干旱等级，但中旱和重旱占比较低(8.33%)。与湿润年相比，平水年6、7和8月份的无旱占比有所提升，且各月份均不存在重旱和特旱风险。不同于湿润年和平水年，干旱年中各月份均存在不同的干旱等级事件，且主要增加了中旱、重旱和特旱发生的概率；除4月份外，其他月份均增加了干旱发生的概率，尤其5月份重旱和特旱发生的概率增加显著。

表2 葡萄生育期内干旱等级分析/%

3 讨论

采用 M-K趋势检验对关中地区葡萄需水量进行分析，从1990—2019年，葡萄生育期需水量呈现先下降后上升的变化规律，仅出现1个突变点，并未出现“反复震荡”的变化趋势。李雅善等[23]研究认为，近30 a来，甘肃省酿酒葡萄需水量一直呈现上升趋势，这表明不同地区气候变化对葡萄需水量的影响有所不同。M-K趋势检验对于均值突变的检测较为准确，但对于转折突变、变率突变等检验存在不确定性[24]。在本研究中，虽然在30 a间葡萄作物需水量仅存在一个突变点，但本研究将M-K趋势检验与滑动t检验相结合进一步印证了此突变点的真实性，这两种检验方法的结合对于作物需水量长时间序列变化规律的准确分析具有重要的参考价值。

通过对不同水文年型葡萄需水量的研究发现(图3)，在萌芽期和新稍生长期作物需水量较低，这是因为该生育期气温较低、植株冠层覆盖度小，叶片蒸腾作用均较弱；开花后随着气温逐渐升高，葡萄叶片逐渐增多，蒸腾作用增强，使得作物需水量增加；6—7月份果实迅速膨大且根系加速生长，同时太阳辐射和气温的升高使葡萄需水量达到峰值；着色成熟期气温略降低，生殖生长变缓，因此葡萄需水量变小。可以看出，葡萄生育期内需水量呈现先增后减的抛物线趋势，这与张芮等[25]研究结果一致。

对不同水文年型各月份干旱等级进行研究(表2)，在干旱年5—7月份发生干旱的概率更高，这是由于5—7月份正值葡萄生殖生长的关键阶段，在灌溉水量有限的条件下应考虑优先分配至此时期以保证葡萄产量最大化。研究还发现，虽然在湿润年和平水年降雨量较为充沛，但5—6月份依然有较大概率发生轻旱，其中应特别注意6月份的葡萄水分亏缺状况。王开荣等[26]研究发现，萌芽期至开花期初始时水分亏缺有利于提高果实品质，故4—5月份发生轻旱对葡萄负面影响较小，存在一定积极作用。葡萄在6月份正值需水关键期，此时干旱胁迫会很大程度抑制植株生长进而降低果实产量。这表明在作物生育期内进行适度亏水，可以减少土壤水分的无效蒸发、降低植株蒸腾速率，从而达到提高作物水分生产力的目的。

关中地区发生夏旱频率较高，夏旱主要表现为伏旱，这是由于盛夏的西太平洋副热带高压和东南亚高压北跃不同步形成相对少雨期。有研究表明关中地区在不同水文年型均可能发生干旱[27]，以2017年(湿润年)为例，《中国水旱灾害公报》[28]指出，2017年7月6—25日陕西省大部分地区无明显降雨过程，7月下旬旱情严重；8月26日—10月12日全省具有大范围长历时的秋雨过程，形成洪涝灾害。由此可以看出，水文年型虽在一定程度上可以反映干旱发生的概率，但也应根据葡萄实际的水分情况适时加以灌溉。

本研究仅从水分供需的角度考虑葡萄干旱情况，并未考虑其内在生长机理对气候变化的响应，下一步研究应进一步结合作物生长模型，定量分析葡萄水分盈亏与气候变化的关系。在了解作物需水规律的基础上，合理制定灌溉制度以应对未来气候变化对作物产量及品质带来的威胁。