宁夏酿酒葡萄晚霜冻气候风险研究

张 磊 ，曹 宁 ，段晓凤 ，李红英 ，马国飞 ，郭晓雷

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏气象防灾减灾重点实验室，宁夏 银川 750002；3.银川市气象局，宁夏 银川 750002）

宁夏的贺兰山东麓是继河北昌黎、山东烟台之后，第3个被国家认定为葡萄酒原产地保护认证的产区，是国内外公认的酿酒葡萄最佳产区之一，属于世界优质酿酒葡萄种植的“黄金地带”[1-2]，在国际上和国内的影响越来越大。贺兰山东麓产区的地域优势得到了宁夏自治区政府和领导的高度重视，自治区政府和行业主管部门相继制定了一系列法规、政策大力发展葡萄酒产业，先后印发了《贺兰山东麓葡萄酒原产地域保护管理办法》、《关于加快葡萄产业发展的实施意见》等文件[3-4]；全国第1部葡萄酒产区保护法规《宁夏贺兰山东麓葡萄酒产区保护条例》，于2012年12月5日被自治区十届人大常委会审议通过。截至2015年底，宁夏酿酒葡萄种植面积达3.3万hm2，占全国总面积的30%以上，位列国内第一；产量20万t，葡萄酒加工能力近27万t，共建设酒庄达185家，综合产值达65亿元，酿酒葡萄产业已成为宁夏最重要的优势特色产业之一。宁夏计划“十三五”期间继续大力发展酿酒葡萄产业，力争在2020年形成总规模达6.7万hm2的葡萄产业带，使贺兰山东麓成为世界级的葡萄产业带及文化长廊。

虽然宁夏贺兰山东麓地区有着发展酿酒葡萄产业的独特优势，酿酒葡萄种植面积逐年扩大，但是，由于位居西北内陆，冬季寒冷、春秋冷空气活动频繁、气温起伏大，该地区极易遭受低温冻害的影响，给酿酒葡萄生产造成重大损失。其中，春季霜冻害（晚霜冻）一直是宁夏酿酒葡萄生产中最主要的灾害之一，严重制约着产业发展[5-6]。例如1991年5月1—2日强大的西伯利亚寒流，使宁夏葡萄产业遭受百年不遇的特大劫难，玉泉营农场数百公顷葡萄园严重受损，葡萄树大量死亡；2004年5月3—4日出现的晚霜冻，其强度虽不及1991年那样剧烈，但由于当时正在大力发展酿酒葡萄产业，种植面积较大，也给葡萄产业带来巨大损失，全区受灾面积超过0.13万hm2，产量损失达30%以上；2008年4月22—24日出现的连续霜冻使贺兰山东麓已放条的葡萄70%以上受冻；而2010，2012，2013年春季出现的霜冻天气均给酿酒葡萄生产带来较大损失。

开展宁夏特别是贺兰山东麓产区酿酒葡萄晚霜冻气候风险研究工作，评估其气候风险状况，进行气候风险区划，可为宁夏酿酒葡萄霜冻灾害防御及发展规划提供科学依据，对酿酒葡萄产业健康可持续发展具有重要意义。目前，国内已开展过水稻、小麦、玉米、大豆的霜冻风险区划工作，在经济林果上开展了苹果、杏、蜜桃等的霜冻风险区划[7-15]，尚未见到关于酿酒葡萄的晚霜冻风险研究工作。

本试验以宁夏的酿酒葡萄晚霜冻害为研究对象，分析并选取晚霜冻害的气候风险评价因子，构建气候风险评价模型，开展宁夏酿酒葡萄的气候风险评估。

1 资料和霜冻指标

1.1 资料来源

选取宁夏引黄灌区和中部干旱带16个台站1961—2015年55 a的逐日最低气温资料，包括陶乐、惠农、平罗、贺兰、银川、永宁、灵武、吴忠、青铜峡、中宁、中卫、盐池、同心、兴仁、海原和麻黄山气象站。南部山区各地由于不适宜酿酒葡萄种植，目前尚未种植酿酒葡萄，因此，不做分析。

1.2 酿酒葡萄晚霜冻气候指标和统计时段

一般情况下，作物最容易发生霜冻危害的温度是气温降到0℃以下[16]。在国内主要葡萄产区的晚霜冻害的调查结果显示，当日最低气温低于0℃时，葡萄的嫩梢、开放的芽、花序等器官就会受冻[17]，温度越低，受害越重；在宁夏贺兰山东麓地区的葡萄霜冻调查也有类似的结论。因此，本研究将0℃作为统计宁夏酿酒葡萄晚霜冻的界限温度。宁夏气象科研所于2015—2016年利用霜冻试验箱开展了酿酒葡萄霜冻指标试验，发现-4℃的低温持续1 h，酿酒葡萄的开放芽、新梢和花序即会受到严重冻害，并且无法恢复，同时，在各葡萄产区实际的霜冻调查中也发现，如果日最低气温低于-3℃，一般情况下葡萄受冻会非常严重。为了方便统计分析研究且更好地反映不同程度晚霜冻对酿酒葡萄的影响，将2℃作为一个等级，对宁夏酿酒葡萄晚霜冻作轻、中、重分级，因此，本研究采用的酿酒葡萄晚霜冻的气候指标为：轻霜冻，-2℃＜Tmin≤0℃；中霜冻，-4℃＜Tmin≤-2℃；重霜冻，Tmin≤-4℃，其中，Tmin为气象站观测的日最低气温。宁夏的酿酒葡萄芽开放一般在4月中旬，开花期一般在5月下旬至6月上旬，宁夏中北部地区的晚霜冻结束日期最迟在5月下旬，为了不遗漏，在统计晚霜冻日数时，选择的时段为4月15日至6月15日。

2 评价指标因子和评价模型

2.1 评价因子

影响酿酒葡萄晚霜冻风险高低的气候因子很多，频率、日数及其相应的程度等级是其中最为重要的几个因子，可以分别用不同程度晚霜冻发生的频率及日数构建出两类评价指标因子：晚霜冻频率指数和晚霜冻日数指数。

2.1.1 晚霜冻频率指数

2.1.1.1 不同程度晚霜冻的发生频率 霜冻发生频率指在一定年限内霜冻年占总年数的百分率。

式中，P为频率；i为晚霜冻发生年数；N为总年数，此处为55。此处需要分别计算出轻、中、重霜冻的发生频率，分别用 P1，P2，P3表示。

2.1.1.2 晚霜冻综合频率指数 晚霜冻综合频率指数是指不同级别晚霜冻频率的加权平均值，计算公式如下。

式中，PI为晚霜冻综合频率指数；n代表霜冻级别，其中，1代表轻霜冻，2代表中霜冻，3代表重霜冻；Wn为对应级别晚霜冻的权重系数；Pn为对应级别晚霜冻的发生频率。采用专家经验法确定不同霜冻级别晚霜冻的权重系数，从低到高三者权重比设定为1∶2∶3，因此，轻霜冻、中霜冻、重霜冻的权重系数分别为0.17，0.33和0.50。

2.1.2 晚霜冻综合日数指数 晚霜冻综合日数指数是指不同级别晚霜冻日数的加权平均值，计算公式如下。

式中，DI为晚霜冻综合日数指数；Dn为对应级别晚霜冻的日数，此处需要分别计算出每年轻、中、重霜冻的发生日数，然后求取多年平均值。公式（3）中的权重系数确定方法同公式（2）。

2.2 晚霜冻综合气候风险评价模型

为了综合反映酿酒葡萄晚霜冻的气候风险，将2.1中经过计算的综合频率指数和综合日数指数2个有代表意义的气候风险指标，进行极差归一化处理后，消除量纲影响，然后采用等权重求平均方法，得到酿酒葡萄晚霜冻的气候风险指数值。其气候风险指数评价模型如下。

式中，Q为酿酒葡萄晚霜冻综合气候风险指数；SPI为晚霜冻综合频率指数极差归一化值；SDI为晚霜冻综合日数指数极差归一化值。极差归一化公式如（5）式。

式中，Xi为归一化后的值；X为原始值；Xmax样本中的最大值；Xmin为样本中的最小值。

3 结果与分析

3.1 晚霜冻频率及综合频率指数

表1 各站不同级别霜冻频率及综合频率指数值

通过公式（1），（2）计算的各站不同级别霜冻的发生频率及综合频率指数值列于表1。

由表1可知，各站轻霜冻频率在36.4%～87.3%，其中，兴仁站最高，中宁站最低；中霜冻频率在14.5%～60.0%，其中，兴仁站最高，吴忠站和青铜峡站最低；重霜冻频率在7.3%～45.5%，其中，兴仁站最高，永宁和银川站最低。从各级别霜冻频率来看，轻霜冻频率＞中霜冻频率＞重霜冻频率。综合频率指数值在0.158～0.574，其中，兴仁站最高，吴忠站最低。

3.2 晚霜冻日数及综合日数指数

通过公式（3），（4）计算的各站不同级别霜冻的年均日数及综合日数指数值列于表2。各站轻霜冻日数在0.58～2.62 d/a，其中，兴仁站最多，贺兰站、永宁站、吴忠站和中宁站最少；中霜冻日数在0.16～1.16 d/a，其中，兴仁站最多，吴忠站和青铜峡站最少；重霜冻日数在0.09～0.89 d/a，其中，兴仁站最多，银川和同心站最少。从各级别霜冻日数来看，轻霜冻日数＞中霜冻日数＞重霜冻日数。综合日数指数值在0.217～1.275，其中，兴仁站最高，吴忠站最低。

表2 各站不同级别霜冻日数及综合日数指数值

3.3 晚霜冻综合气候风险分析

利用公式（5）计算了各站酿酒葡萄综合气候风险指数值，采用K-means聚类方法将气候风险指数值进行分类，以相邻聚类中心值的平均值为标准，制定了晚霜冻综合气候风险等级分类标准（表3），根据制定的标准，对各站的气候风险等级进行了划分，结果如表4所示。

表3 酿酒葡萄晚霜冻综合气候风险分类指标

表4 各站酿酒葡萄综合气候风险指数及等级

利用GIS技术，制作了宁夏酿酒葡萄晚霜冻综合气候风险区划图，结果如图1所示。从区划结果看，酿酒葡萄晚霜冻的高风险区分布在兴仁及海原南部，次高风险区分布在陶乐、盐池东部、沙坡头西部、海原中部和同心南部等地，中等风险区分布在惠农东部、平罗东部、盐池中西部、灵武东部、同心中部和海原北部等地，次低风险区分布在大武口、平罗西部、灵武西部、山坡头东北部、同心西北部等地，低风险区分布在平罗西南部、贺兰、银川、永宁、吴忠、青铜峡、中宁和同心北部。

4 讨论和结论

4.1 讨论

由于影响作物霜冻灾害的因素很多，温度、品种、灌溉条件、树龄、树势、地形等都会对霜冻发生与否及发生程度产生影响，因此，想要综合、准确地评估作物晚霜冻灾害风险大小是非常困难的。在实际研究工作中，常常利用长期的气候观测资料，结合某一作物霜冻灾害的气候指标，对其气候风险大小进行评估。在开展宁夏酿酒葡萄晚霜冻的气候风险评估研究中，分别选取不同级别霜冻情况下的发生频率和年均日数，构建了综合频率指数和综合日数指数2个风险评价指标因子，这2个评价指标可以较好地反映温度条件对酿酒葡萄晚霜冻风险的影响情况。

宁夏的国土面积本身就小，加上酿酒葡萄种植的区域主要在引黄灌区的西部和中部干旱带的红寺堡一代，这一区域内的气候差异不是很大，在进行晚霜冻的综合气候风险区划时，虽然按照习惯把宁夏分为了5个酿酒葡萄晚霜冻气候风险区域，但其实各级别之间都是相对的，低风险区的酿酒葡萄遭遇晚霜冻的概率不见得小。例如，即便是综合风险指数最小的吴忠站，其轻霜冻、中霜冻、重霜冻的频率也分别达到38.2%，14.5%和9.1%，而轻霜冻、中霜冻、重霜冻的年均霜冻日数也分别有0.58，0.16，0.13 d。况且，在气候变暖背景下，近年来极端天气气候事件有所增加，未来晚霜冻气候风险到底怎样变化还难以预料。因此，在宁夏酿酒葡萄生产中，要充分考虑晚霜冻的不利影响，做好晚霜冻灾害的风险管理工作，保障酿酒葡萄健康发展。

4.2 结论

（1）总体上，宁夏酿酒葡萄种植区的晚霜冻频率不低，其中轻霜冻差不多为2 a一遇，中霜冻3 a一遇，重霜冻7 a一遇；从地域上看，兴仁站的综合频率指数最大，吴忠站的最小。

（2）宁夏酿酒葡萄种植区多年平均晚霜冻日数，轻霜冻为1.07d/（站·a），中霜冻为0.40 d/（站·a），重霜冻为0.21 d/（站·a），从地域上看，兴仁站的综合日数指数最大，吴忠站的最小。

（3）各站的晚霜冻综合气候风险指数在0.000～1.000，其中，兴仁站最大，吴忠站最小。晚霜冻综合气候风险较高的区域主要分布在沙坡头西南、海原南部、同心南部、盐池东部和陶乐等地，低风险区主要分布在引黄灌区中南部大部地区及中部干旱带的同心北部地区。

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