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(chǎn)業(yè)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(chǎn)潛力對于科學發(fā)展葡萄產(chǎn)業(yè)、提高氣候資源利用率意義明顯?；?971—2017年浙江68個基本氣象站氣象資料、1985—2017年浙江省葡萄統(tǒng)計年鑒資料和2016年浙江省縣（市、區(qū)）葡萄面積、產(chǎn)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(chǎn)潛力（YQ）、光溫生產(chǎn)潛力（YT）和氣候生產(chǎn)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?？臻g分布表現(xiàn)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(chǎn)氣候資源利用率各地平均為20.5%，高值區(qū)主要分布在杭州建德、寧紹平原中部、嘉興南部等地區(qū);低值區(qū)在浙西西部、浙南山區(qū)等地區(qū)。

關鍵詞：葡萄;氣候生產(chǎn)潛力;光合生產(chǎn)潛力;光溫生產(chǎn)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(tài)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(qū)”[3]，20世紀80年代以來，浙江葡萄產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)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(chǎn)量分別占全國葡萄種植面積和產(chǎn)量的4.0%、5.7%，目前葡萄已成為浙江十大主導產(chǎn)業(yè)果品之一。研究表明，氣候?qū)ψ魑锂a(chǎn)量的影響占5%～25%，而我國氣候波動較大，生產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生顯著變化，影響葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)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(fā)展與自然條件最適應的優(yōu)勢區(qū)，對于提高葡萄氣候資源利用率、優(yōu)化葡萄產(chǎn)業(yè)布局具有積極意義。

氣候生產(chǎn)潛力是評價地區(qū)氣候資源的重要依據(jù)，通過對區(qū)域農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力的評估，可以直接反映地區(qū)現(xiàn)實和未來情景下農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)中光、熱、水資源配置是否滿足作物需要[5-6]。氣候生產(chǎn)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(chǎn)潛力模型，而后溫度和降水訂正函數(shù)被引入模型，建立的氣候生產(chǎn)潛力模型被認為是可以實現(xiàn)的作物產(chǎn)量[7]，建立的模型包括Hanks模型[8]、瓦赫寧根（Wageningen）模型[9]、農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域（AEZ）模型[10]等;我國氣候生產(chǎn)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(tài)指數(shù)[12]、“衰減法”[13]等研究方法對我國不同地區(qū)、不同作物的作物氣候生產(chǎn)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(jīng)濟作物的氣候生產(chǎn)潛力[16-17]，葡萄氣候生產(chǎn)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(jiān)測資料和葡萄生長發(fā)育及產(chǎn)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(chǎn)潛力（YQ）、光溫生產(chǎn)潛力（YT）和氣候生產(chǎn)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(fā)生的氣象災害及其對葡萄物候期和產(chǎn)量的影響，以期為提高葡萄氣候資源利用率、品質(zhì)產(chǎn)量，優(yōu)化葡萄產(chǎn)業(yè)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(wǎng)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(shù)（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(jù)中國氣象局編制的《氣象輻射觀測方法》的規(guī)定，對1981年1月1日前的輻射觀測資料乘以系數(shù)1.022進行訂正。葡萄農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括浙江省及其縣（市、區(qū)）的葡萄面積、產(chǎn)量等資料，浙江省葡萄面積、產(chǎn)量資料來自1985—2017年中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒;縣（市、區(qū)）葡萄面積、產(chǎn)量資料來自2016年浙江省農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 太陽輻射計算 選用國內(nèi)有代表性的孫治安等的經(jīng)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(chǎn)潛力計算 采用逐步訂正法對光合生產(chǎn)潛力逐步進行溫度訂正和水分含量訂正來計算氣候生產(chǎn)潛力[20]，計算公式：

式中：YQ、YT、YW分別為光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)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(shù)。

光合生產(chǎn)潛力是當溫度、水分含量、土壤肥力和農(nóng)業(yè)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(chǎn)量。這是在當?shù)貧夂驐l件下作物產(chǎn)量的上限。計算公式：

式中：YQ為光合生產(chǎn)潛力，t/hm2;μ為光能轉(zhuǎn)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(jīng)濟系數(shù)（0.55）[21];Ω為葡萄固定CO2能力的比例（0.95）[22];K為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)（10）;C為單位葡萄干物質(zhì)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)潛力方面報道較少，本研究C為大多數(shù)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(shù)，其余系數(shù)為報道中葡萄相關研究成果中所得。

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

式中：f（T）為溫度訂正系數(shù)。國內(nèi)外關于溫度訂正系數(shù)的研究有許多，訂正函數(shù)形式一般為正弦函數(shù)、二次函數(shù)或分段函數(shù)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(fā)育期（4—8月）的下限溫度、上限溫度和產(chǎn)量形成的最適溫度[1]，℃（表1）。

氣候生產(chǎn)潛力是當土壤肥力和農(nóng)業(yè)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(chǎn)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(shù)（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(shù)（0.65）[19];ET0為葡萄參考蒸散量，mm，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）于1998年推薦的Penman-Monteith公式[29]求得。

1.2.3 農(nóng)業(yè)氣候資源利用率 農(nóng)業(yè)資源利用率即當前生產(chǎn)條件下，農(nóng)業(yè)實際產(chǎn)量與生產(chǎn)潛力的比值，研究表明氣候生產(chǎn)潛力與實際產(chǎn)量最接近，公式[30]為：

式中：Yi1為作物的實際單位面積產(chǎn)量，t/hm2;Yi2為作物的氣候生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)潛力

由式（1）～式（11）分別計算浙江葡萄光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力和氣候生產(chǎn)潛力。由圖2可以看出，浙江葡萄光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)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(chǎn)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(xiàn)為浙北高于浙南，浙中偏大（圖2-a）。從地區(qū)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(qū)等地光合生產(chǎn)潛力大于140.0 t/hm2;高值區(qū)分布在嘉興和紹興東部、寧波北部和舟山地區(qū);浙南為相對低值區(qū)，大部地區(qū)光合生產(chǎn)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(chǎn)潛力平均為115.3 t/hm2，各地分布在 94.6～129.2 t/hm2，表現(xiàn)為兩頭小中間大的空間分布特點（圖2-b）;高值區(qū)分布在金衢盆地、寧紹平原、浙北沿海地區(qū)，大部分地區(qū)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(qū)等地的氣候產(chǎn)量分布在 100.0 t/hm2 以下。氣候生產(chǎn)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(chǎn)潛力相反，即浙南高于浙北（圖2-c）。從地區(qū)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(chǎn)潛力在100.0 t/hm2以上，最高值區(qū)在浙南文成，浙北北部、浙東沿海、浙南山區(qū)為低值區(qū)。

2.2 生產(chǎn)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(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力下降趨勢為4.2 t/（hm2·10年）;氣候生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)潛力在20世紀80年代達到最高值后（146.8 t/hm2），光合產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nóng)作物單位面積產(chǎn)量與氣候生產(chǎn)潛力的比率，即雨養(yǎng)條件下，通過品種改良、栽培措施改進等技術實現(xiàn)的氣候資源利用率。據(jù)2016年統(tǒng)計，浙江葡萄主產(chǎn)區(qū)主要集中在嘉興、寧波、金華和臺州地區(qū)，4個地區(qū)的葡萄面積和產(chǎn)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(chǎn)量（170 368 t）居全省首位，其次為寧波（面積和產(chǎn)量分別為6 509 hm2和159 668 t），各縣（市、區(qū)）葡萄的面積、產(chǎn)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(chǎn)量分布在2.5～67.0 t/hm2。低值區(qū)分布在浙西北大部、浙南山區(qū)、浙西山區(qū)、浙中東陽等地區(qū)，葡萄單位面積產(chǎn)量小于10 t/hm2，其中浙西和浙南山區(qū)部分地區(qū)小于5 t/hm2;高值區(qū)分布在嘉興平原、寧紹平原、杭州富陽等地區(qū)（單位面積產(chǎn)量大于 30 t/hm2）。浙江省葡萄生產(chǎn)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(shù)據(jù)的地區(qū)未統(tǒng)計），高值區(qū)主要分布在上虞、建德、嘉興南部等地區(qū)，氣候利用率超過30.0%;低值區(qū)在浙西西部、浙南山區(qū)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(qū)基本與葡萄適宜性區(qū)劃結果一致[32]，即浙北、浙中、浙南分別為葡萄栽培生態(tài)氣候適宜區(qū)、次適宜區(qū)、可能種植區(qū)。

作物增產(chǎn)潛力是用來評判一個地區(qū)作物產(chǎn)量可能增產(chǎn)的空間水平。葡萄增產(chǎn)潛力在浙江各地差異顯著（圖5），其中高值區(qū)分布在浙西衢州、浙南山區(qū)（>90%），低值區(qū)主要為葡萄主產(chǎn)區(qū)（<50%）。浙江水網(wǎng)發(fā)達，大部地區(qū)水分基本能滿足葡萄生產(chǎn)，若以光溫產(chǎn)量作為生產(chǎn)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(chǎn)潛力達784%。如以中長期目標實現(xiàn)50%的光溫生產(chǎn)潛力計算，浙江葡萄生育期（4—8月）平均單位面積產(chǎn)量可以達到57.7 t/hm2，在現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模的基礎上，浙江葡萄總產(chǎn)達到187.5萬t（參照2017年中國農(nóng)村統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)）。

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(chǎn)潛力

的定量評估，研究了葡萄光溫生產(chǎn)潛力、光合生產(chǎn)潛力、氣候生產(chǎn)潛力及氣候資源利用率。結果顯示，浙江全省光合生產(chǎn)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(chǎn)潛力（YT）平均為 115.3 t/hm2，各地為94.6～129.2 t/hm2，空間上表現(xiàn)為兩頭小中間大;全省氣候生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量的最主要因素。1971—2017年浙江葡萄生育期（4—8月）日照時數(shù)的氣候傾向率達-38.5 h/10年（P<0.05），導致光合產(chǎn)量減少趨勢明顯。浙江地區(qū)葡萄平均氣候生產(chǎn)潛力分別是其光合生產(chǎn)潛力、光溫生產(chǎn)潛力的72.7%、89.1%，表明除日照時數(shù)外，限制浙江葡萄生產(chǎn)力發(fā)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(qū)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(qū)和東南沿海地區(qū)，4—7月上旬雨量達600 mm或800 mm以上，易誘發(fā)葡萄病害;浙南南部限制葡萄生產(chǎn)的因素除降水外，越冬期平均氣溫偏高造成該地區(qū)葡萄不能自然越冬[32]。葡萄漿果生長期的氣候生產(chǎn)潛力占全生育期的50%左右，是葡萄氣候生產(chǎn)潛力增加的關鍵時期。

本研究的浙江葡萄氣候生產(chǎn)力利用率偏低，一方面是由浙江葡萄生態(tài)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(zhì)的要求很高，往往要求以控產(chǎn)來保障葡萄品質(zhì)[33]，因此追求產(chǎn)量增長和品質(zhì)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(chǎn)量和品質(zhì)，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(chǎn)量波動。因此，在進一步評價氣候生產(chǎn)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(chǎn)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(fā)展提供一個參考，尤其是浙北葡萄生態(tài)適宜區(qū)、浙中葡萄較適宜區(qū)可以進一步發(fā)展葡萄產(chǎn)業(yè)。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(qū)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(huán)境要素的葡萄氣候生產(chǎn)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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