基于作物水分亏缺指数的环渤海地区鲜食葡萄干旱风险评估*

肖楠舒，刘布春，殷 红, 刘 园，邱美娟,4，张玥滢,5，王珂依

（1．沈阳农业大学农学院，沈阳 110866；2．中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/作物高效用水与抗灾减损国家工程实验室/农业部农业环境重点实验室，北京 100081；3．辽宁省气象服务中心，沈阳 110166；4.天津农学院农业与资源环境学院，天津 300392；5.气象出版社有限公司，北京 100081）

葡萄（Vitis L.）是世界上栽培面积最广、产量最多的水果之一，且其加工产业多，国际贸易额大[1-2]。在中国，葡萄也是种植最为广泛的果树之一[3]，栽培以鲜食葡萄为主，葡萄产业以鲜食葡萄产业为主体[4]。随着葡萄产业的发展，中国葡萄的栽培逐步形成了体现区域化特征的7个栽培区域[5]。环渤海地区作为葡萄主产区之一，近年来其葡萄种植产量及面积均保持持续增长，经济效益良好[6]。但葡萄品质的优劣及产业经济效益与水分条件息息相关[7]。干旱会抑制葡萄生长发育，阻碍葡萄各生理结构的生长，降低葡萄品质[8]，干旱严重时，甚至会直接导致植株凋零而死亡[9]。不同生育阶段葡萄对水分需求不同[10]，不同生育阶段干旱带来的影响亦不同[11-13]。作物水分亏缺指数（CWDI）是表征作物水分亏缺程度的指标之一，其能够综合反映出土壤、植物和气象三方面因素的影响，反映作物实际水分供需平衡状况[14-15]。李雅善等[16-18]利用CWDI对宁夏、云南以及甘肃等地区的葡萄干旱时空分布差异进行分析，研究结果显示与实际情况的匹配程度较好。综上，本研究选取环渤海地区为研究区域，以作物水分亏缺指数为指标，探究该地区鲜食葡萄各生育期干旱风险，以期进行更有针对性的种植风险管理，为鲜食葡萄种植的减损保质提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

研究区域为环渤海地区。该区位于中国东部沿海，地理范围在113°04′-125°46′E，34°23′-43°26′N，包括北京市、天津市、河北省、山东省以及辽宁省5个省（市），辖区内有60个气象站点，区域范围及站点分布如图1所示。

图1 环渤海地区研究区域和站点分布Fig.1 The study area and distribution of meteorological stations in the Bohai Rim region

1.2 数据及其来源

（1）气象数据：采用环渤海地区1981-2014年共60个气象站点，包括各站点经纬度、海拔高度、平均气温、最低气温、最高气温、相对湿度、降水量、平均风速和日照时数在内的逐日气象数据，数据资料来源于中国气象数据共享网http://data.cma.cn/。

（2）灾情统计数据：历史干旱灾情数据来源于《中国气象灾害年鉴》，时间序列为2004-2012年。

1.3 指标计算

1.3.1 作物水分亏缺指数

用作物水分亏缺指数CWDI表现作物水分亏缺程度[15]。其计算式为

式中，CWDI为作物生育阶段按旬时段计算的累计水分亏缺指数。由于作物干旱发生大多为累积结果，因此，某旬的水分亏缺指数通常为当旬与前4旬（即连续5旬）的作物水分亏缺指数的加权累加，式中， CWDIi、 CWDIi-1、 CWDIi-2、 CWDIi-3和CWDIi-4分别为该旬及前4旬的水分亏缺指数，a、b、c、d和e分别为各旬的权重系数，其值分别为0.3、0.25、0.2、0.15和0.1。 CWDIi计算式为

式中，iP为第i旬降水量（mm）；ETci为作物第i旬需水量（mm），为参考作物蒸散量E0T（mm）与葡萄作物系数kc的乘积。即

式中，E0T为参考作物蒸散量（mm·d-1），采用FAO56推荐的Penman-Monteith公式计算各站逐日参考作物蒸散量，再累加得到各旬参考作物蒸散量，

kc为葡萄各阶段对应旬的作物系数。

式中，Rn为地表净辐射（MJ·m-2·d-1）；G为土壤热通量（MJ·m-2·d-1）；T为日平均气温（℃）；μ2为2m高处风速（m·s-1）；es为饱和水汽压（kPa），ea为实际水汽压（kPa）；Δ为饱和水汽压曲线斜率（kPa·℃-1），γ为湿度计常数（kPa·℃-1），其中，Rn由日照时数，μ2由10m高处风速、es和ea由气温和相对湿度换算得到[19-20]。

1.3.2 葡萄生育期及各月作物系数

根据国内学者对环渤海区域内葡萄生育期的多年研究记录数据[21-23]以及环渤海地区实际情况，环渤海地区鲜食葡萄生育期界定如表1。

表1 环渤海地区鲜食葡萄生育期划分Table 1 The growth period of table grape in the Bohai Rim region

由于缺乏环渤海地区的试验实测资料，所以采用FAO推荐的葡萄生长初期、中期、末期3个阶段的作物系数参考为0.35、0.85、0.45，并参照李雅善等[16]对葡萄作物系数进行逐月划分，结合环渤海地区鲜食葡萄夏季需水多，春、秋季需水少的生理特点，确定鲜食葡萄生长季各月作物系数如表2所示。

表2 环渤海地区鲜食葡萄生长季各月的作物系数(kc)Table 2 Crop coefficient(kc) divided by month during growth stages of table grape in the Bohai Rim region

1.3.3 葡萄干旱等级

作物水分亏缺指数可作为判断葡萄是否发生干旱的依据。CWDI≤0表示该地区水分供应充足，无干旱发生；CWDI＞0表示葡萄需水不能得到满足，在其超过某值时，认为葡萄有干旱风险。根据国家农业干旱划分标准和李雅善等[17]在葡萄中对水分亏缺指数的应用，确定葡萄的水分临界期即植物在生命周期中对水分最敏感、最易受害的时期，为萌芽期及果实生长期，不同生育期CWDI干旱划分标准如表3所示。

表3 鲜食葡萄不同生育阶段干旱等级划分Table 3 Classification of drought grades of table grape at different growth stages

1.3.4 干旱频率

干旱频率为不同生育阶段内各干旱等级发生的频率，根据干旱等级，作物在不同生育阶段内，发生轻旱以上的等级即视为发生干旱，对于某一站点来说，干旱频率为某一生育期内干旱发生的次数与气象资料的总年数之比，即

式中，n为统计资料的总年数，N为统计资料n年中，某一生育阶段出现某一干旱等级的次数。

参考万能涵等[24]对干旱频率分类方式，将干旱频率分成0～5%、5%～20%、20%～33.3%、33.3%～66.7%和66.7%～100% 5个等级进行讨论。

1.3.5 干旱站次比

干旱站次比指研究区域内，发生干旱的气象测站数占该区域内全部气象站点数量的比例，用于评价干旱的影响范围，即

式中，以i表示不同年份，yi为某一年研究区域内发生干旱的站次比，m为当年研究区域内总气象测站数，M为当年区域内发生干旱的站点数。

干旱影响范围的定义为，yi＜10%时，无明显干旱；10%≤yi＜25%为局部性干旱；25%≤yi＜33%为部分区域性干旱；33%≤yi＜50%为区域性干旱；yi≥50%表示区域内有一半以上的站点有干旱发生，为全区域干旱[25]。

1.4 插值方法

采用ArcGIS中的栅格数据空间分析部分的反距离权重法对站点数据进行处理。

2 结果与分析

2.1 作物水分亏缺指数评价葡萄干旱灾害等级验证

2.1.1 生育期降水量与需水量匹配程度验证

计算1981-2014年环渤海地区在鲜食葡萄生长季内及各生育期的降水量和需水量，分析各生育期内降水量与鲜食葡萄生理需水量的匹配情况。由图2可见，环渤海地区鲜食葡萄全生育期内的平均生理需水量为439mm，平均降水量为541mm，降水量基本能够满足其生长所需水分，但全生育期降水量年际间分配不均匀，葡萄需水量以10.1mm·10a-1（R=-0.39514，P＜0.05）的线性趋势显著减少；鲜食葡萄萌芽期降水量也基本能满足其生长所需水分，但降水量年际分布不均，与需水量的时间匹配程度较差，且需水量以0.6mm·10a-1（R=-0.3613，P＜0.05）呈显著减少趋势；新梢生长期的平均生理需水量为63.9mm，该时期平均降水量为49.6mm，降水不能满足葡萄需水，且年际分布不均，该时期鲜食葡萄易发生干旱；开花坐果期的降水大体能满足葡萄生长所需，其平均需水量以2.3mm·10a-1（R=-0.4233，P＜0.05）的趋势显著减少；环渤海地区的降水较为集中地分布在鲜食葡萄的果实生长期，该时期降水量能够满足葡萄需水，葡萄干旱风险较低；着色成熟期的降水同样可以满足葡萄需水，但降水量年际分布不均匀，仍存在干旱风险。总体来说，环渤海地区在鲜食葡萄各个生长时期的降水量年际分布不均匀，降水与需水的时间匹配程度较差，鲜食葡萄发生干旱风险较高。

图2 1981-2014年环渤海地区葡萄各生育期平均降水量与需水量Fig.2 Water requirement and precipitation during growing period of table grape in the Bohai Rim region from 1981 to 2014

2.1.2 历史灾情评价验证

参考《中国气象灾害统计年鉴》中干旱的历史灾情，选用2004-2012年有明显干旱出现的地区，检验鲜食葡萄是否发生干旱及干旱发生等级的符合程度，结果见表4。以2012年张家口站为例，依据《中国气象灾害统计年鉴》记录，2012年河北省以阶段性干旱为主。夏秋时节发生的阶段性干旱给部分地区农业生产带来严重影响，农作物大面积绝收，大量人员及牲畜出现临时性饮水困难，张家口地区受灾较重。2012年8月，张家口地区平均降水量39.2mm，较常年同期偏少58%，为历史同期第三少雨时段，根据资料判定灾害发生程度为重旱。本研究通过计算CWDI结果显示，8月处于鲜食葡萄的着色成熟期，干旱发生程度为重旱。由此可知，计算结果与历年资料的描述相符。同上，采用此方法检验环渤海区域内2004-2012年干旱的分析结果，若干旱程度的分析成果与历年灾情描述一致则认为计算结果与历年灾情相符，上下相差一个等级时为基本符合，其余情况认为计算指标与历史受灾情况不符合。分析显示，研究结果与历年资料记载相吻合的有12个，基本吻合的有5个，不一致的有4个，准确率达80.95%，说明CWDI能较为合理地评估环渤海地区鲜食葡萄干旱风险。

表4 环渤海地区鲜食葡萄干旱特征与实际情况吻合程度验证Table 4 Verification of table grape drought indicators in the Bohai Rim region

2.2 葡萄生育期干旱频率时空分布

2.2.1 全生育期

按照作物水分亏缺指数指标划分干旱等级（表3），采用GIS技术，绘制环渤海地区鲜食葡萄全生育期和各生育阶段的干旱频率空间分布如图3和图4。由图3可见，鲜食葡萄的整个生育期发生干旱以轻旱为主，环渤海大部分地区轻旱频率在33.3%～66.7%，个别地区如围场、建平发生轻旱频率高于66.7%；发生中旱频率大于33.3%的地区集中分布在河北西部、天津部分地区、辽宁朝阳以及山东潍坊，辽宁东部沿海地区无中旱发生；环渤海地区整体出现重旱等级的频率小于33.3%，大部分地区如河北中南部、山东大部以及辽宁西部出现重旱的频率在20%～33.3%，其余地区无重旱发生；特旱在环渤海地区鲜有发生，仅辽宁营口、河北邢台、南宫以及山东朝阳个别地区出现特旱且频率小于20%。

图3 1981-2014年环渤海地区鲜食葡萄全生育期各级干旱发生频率的空间分布Fig.3 Frequency spatial distributions during the whole growth stage of table grape in the Bohai Rim region from 1981 to 2014

图4 1981-2014年环渤海地区鲜食葡萄各生育期不同等级干旱发生频率的空间分布Fig.4 Frequency spatial distribution of different grades droughts at various growth stages of table grapes in the Bohai Rim region from 1981 to 2014

2.2.2 各生育期

在鲜食葡萄萌芽期，环渤海大部地区发生轻旱的频率在20%～33.3%，在山东青岛、沂源、兖州地区轻旱等级的发生频率达33.3%以上；中旱在河北南部、山东北部以及辽宁西部地区出现的频率在20%～33.3%，其余地区发生中旱频率低于20%；全区域内出现重旱的风险较低，仅有河北省张家口—乐亭一带发生重旱的频率在20%～33.3%，其余多数区域出现重旱的频率均小于20%；特旱在河北大部地区以及辽宁西部朝阳、阜新地区分布的频率在20%～33.3%，其余地区发生特旱的频率在20%以下。新梢生长期辽宁省及山东省大部地区发生轻旱的频率高于33.3%，河北省及北京、天津发生轻旱频率大多低于20%；全区域发生中旱的频率较低，主要分布在辽宁西北部地区、北京附近地区以及河北西部地区的频率达20%～33.3%。重旱出现频率在20%～33.3%的地区分布于河北省西北部与山西省交界地区以及山东省、辽宁省沿渤海湾局部地区，而辽宁东部沿海局部地区无重旱出现。新梢生长期出现特旱的风险较高，河北中部地区以及北京、天津市发生特旱的频率达20%～33.3%。鲜食葡萄开花坐果期大部分地区出现轻旱等级的频率为20%～33.3%，其中辽宁中、西部部分地区以及河北部分区域的轻旱频率达33.3%～66.6%； 全区域仅河北北部、北京、辽宁朝阳、瓦房店以及山东少部分地区发生中旱的频率在20%～33.3%，其余大部地区中旱频率低于20%。重旱主要集中在河北中南部，发生频率为20%～33.3%，其余大部地区低于20%；河北南部地区发生特旱的频率在33%以上，辽宁东部地区开花坐果期无特旱出现。环渤海地区在果实生长期以轻旱为主，其中河北北部、辽宁西部以及山东东部出现轻旱等级的频率在33.3%～66.7%；中旱在环渤海地区出现的频率≤33.3%，多数地区出现中旱的频率低于20%；果实生长期发生特旱的频率最低，除营口发生特旱的频率大于20%，其余地区均低于20%，且多数区域并未出现过特旱等级的干旱。着色成熟期鲜食葡萄的轻旱风险较高，大部地区出现轻旱的频率在20%～33.3%，部分地区如辽宁开原、抚顺、沈阳、岫岩、庄河、丹东以及河北廊坊、遵化、保定和山东海阳轻旱的分布频率在33.3%～66.7%；发生中旱频率大多分布在20%～33.3%，辽宁东部地区以及山东、河北个别地区出现中旱的频率＜20%；重旱发生频率为各等级中最低，全区域重旱发生频率大多在20%以下；特旱发生频率达33.3%～66.7%的区域零星分布在研究区内；部分地区发生特旱的频率在20%～33.3%，辽宁东部地区无特旱发生。

2.3 葡萄生育期干旱风险评估

2.3.1 频率

根据各生育期作物水分亏缺指数（CWDI）数值和葡萄水分临界期（萌芽期、果实生长期）CWDI＞25、其它生育期CWDI＞30的标准，计算所有站点1981-2014年各生育期干旱发生频率，评估干旱发生的风险，频率越高风险越大，结果见图5。由图可见，环渤海地区鲜食葡萄各主要生育期发生干旱的频率均较高，以果实生长期发生干旱风险最低，着色成熟期及新梢生长期发生风险较高；发生干旱高频率地区集中分布在河北省中南部，低频率地区分布在辽宁东部，环渤海地区鲜食葡萄各生育期均存在一定的干旱风险。

图5 1981-2014年环渤海地区鲜食葡萄各生育期干旱发生频率的空间分布Fig.5 Frequency spatial distributions of drought at different stages of table grape in the Bohai Rim region from 1981 to 2014

2.3.2 影响范围

根据各生育期作物水分亏缺指数（CWDI）数值和葡萄水分临界期（萌芽期、果实生长期）CWDI ＞25、其它生育期CWDI＞30的标准，计算所有站点1981-2014年各生育期干旱站次比，评估干旱发生与否的风险，站次比越高干旱影响范围越大，全区域发生风险越大，结果见图6。

由图6可知，1981-2014年，环渤海地区鲜食葡萄各发育时期的干旱站次比有较为明显的波动。萌芽期干旱站次比在28.33%～98.33%，干旱影响范围达全区域干旱（yi≥50%）的有29a，且未达到全地区干旱的年份分布不均，20世纪各年代均有分布，其中4a为区域性干旱（33%≤yi＜50%），1987年为部分区域性干旱（25%≤yi＜33%）；新梢生长期干旱站次比在33.3%～100%区间波动，仅有4a为区域性干旱，其余30a均为全区域干旱，其中1988、1996、2001以及2012年环渤海区域内所有站点均有干旱发生；开花坐果期干旱站次比在36.67%～100%区间波动，其中30a为全区域性干旱，1990、1998、2005、2008年为区域性干旱；果实生长期干旱站次比在16.67%～98.33%区间波动，该时期发生干旱的范围大小分布不均，其中有26a发生全区域性干旱，2a区域性干旱，3a部分区域性干旱以及3a局部性干旱，其中覆盖性广的干旱集中出现在21世纪初期以及20世纪80年代初期，近年来干旱影响范围逐渐缩小；着色成熟期的干旱站次比在45%～100%，其中仅有1985年为区域性干旱，其余33a均为全区域性干旱，该时期干旱覆盖范围总体最广，高值区主要分布在20世纪末至21世纪初期；对全生育期而言，出现干旱的站次比在31.67%～100%，其中29a发生全区域性干旱，4a区域性干旱，1a部分区域性干旱，全生育期的站次比高值区同样分布在20世纪末至21世纪初期，近年来范围有所缩小。总体来说，环渤海地区鲜食葡萄各生育阶段干旱的影响范围十分广泛，多为全区域干旱，且以着色成熟期最易发生影响范围较广的干旱。

图6 1981-2014年环渤海地区鲜食葡萄各生育期干旱站次比年际变化Fig.6 The annual variations of station proportion of drought during growing period of table grape in Bohai Rim from 1981 to 2014

3 结论与讨论

3.1 结论

（1）1981-2014年环渤海地区鲜食葡萄各生育期内降水量年平均值基本能够满足其生长所需，但降水年际分布不均，与鲜食葡萄需水量的时间匹配性较差，导致环渤海地区鲜食葡萄发生干旱的风险较高。

（2）从环渤海地区鲜食葡萄干旱频率的空间分布看，鲜食葡萄各个生育时期均有一定的发生干旱的风险；干旱频率高值期易出现在鲜食葡萄的新梢生长期及着色成熟期，干旱频率高值区易出现在河北省西南部地区，因此，环渤海地区鲜食葡萄干旱的高风险时期为新梢生长期及着色成熟期，干旱高风险地区为河北省中南部地区。

（3）从环渤海地区鲜食葡萄干旱站次比的时间分布看，1981-2014年区域内大多站点均有鲜食葡萄的干旱发生，且干旱影响范围较为广泛，多为全区域干旱；且在鲜食葡萄的着色成熟期，除1985年外其余32a干旱站次比均大于50%，且有23a干旱站次比大于80%，因此，在鲜食葡萄的着色成熟期，干旱影响范围最为广泛。

3.2 讨论

目前，用于评价鲜食葡萄干旱的指标仍需进一步完善，本研究所采用指标为作物水分亏缺指数，该指标以往主要用于评价大田作物的干旱情况，并取得了较好的成果[19-20]，李雅善等[16-18]将该指标用来评价葡萄的干旱，且经验证后得出与实际情况符合程度较好的结果，因此，本研究将其作为评价鲜食葡萄干旱的指标。由于缺乏环渤海地区鲜食葡萄实际灾情资料，本研究对该指标划分的鲜食葡萄干旱等级与《气象灾害大典》中对干旱的记载进行了吻合度验证，然而历史资料对于灾害登记的界定为定性的主观判断，且对作物干旱的记载没有明确的分类，使验证较为主观与笼统。未来若能补充对葡萄干旱情况的记录数据，将有利于实现对鲜食葡萄的干旱更为精确的监测预警。

本研究仅以降水量单一要素与鲜食葡萄需水量作对比来判断其干旱与否，虽然降水量为影响鲜食葡萄干旱的主要因素之一，但其他环境因素如光照、温度以及人为灌溉等对鲜食葡萄的需水量同样有着不容忽视的影响，今后如能扩大研究数据基础，将以上因素考虑其中，将会得到更为可靠的干旱监测结果。