葡萄栽培生态指标体系建设及生态区划

杜远鹏，张一帆，黄文尉，李响，朱化平，唐美玲，王赵盼，高振，翟衡

（1. 山东农业大学园艺科学与工程学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018；2. 青岛大好河山葡萄酒业有限公司，山东青岛 266600；3. 烟台市农业科学研究院，山东烟台 265599）

进入21世纪中国葡萄产业迅猛发展，葡萄产量及栽培面积分别位居世界第一和第二位，葡萄酒产量位居世界第六位，葡萄酒进口量跃居世界第三位[1]。葡萄具有完整的产业链，有利于形成产业化，实现较高的经济效益和社会效益。

欧亚种在世界酿酒葡萄生产中起主导作用，其最佳生态适宜区是冬春温润、夏秋干燥的地中海气候类型。中国北方葡萄主产区属于典型的大陆季风气候区，即冬季干寒、夏季湿热[2]，并不属于欧亚种葡萄的优生区。欧美学者对葡萄生态区划指标的选择评价大多基于地中海气候类型或其本国气候类型，提出了很多葡萄生态区划的评价指标，温度、光照、降水和土壤条件的作用均被认可，但在具体评价方法上则各有不同，主要提出了活动积温[3]、有效积温[4]、日光能系数[5]、水热系数[3]、土壤-气候指数和生物-土壤-气候指数[6]等理论，较少针对大陆性季风气候进行验证。中国科研人员从20世纪80年代开始进行葡萄生态区划工作，基本沿用了国外的指标，同时也根据中国北方冬季严寒的气候条件提出了补充指标。中国葡萄专家罗国光[7]以有效积温或活动积温、水热系数进行生态区域划分，进入21世纪李华团队以三级复合指标（无霜期、干燥度、埋土防寒线或成熟季降水量）对多个省区进行了区划[8]，其中，干燥度是葡萄在生长季的蒸发蒸腾量（实际需水量，ETc）与降水量的比值，由于ETc属于估算数值，因此存在准确性问题。大部分国内专家认为，我国日照时数不是限制因子，因此较少纳入区划指标[9-12]，但我国季风气候特征明显，光照不足是制约酿酒葡萄生产的重要因素。因此，本团队在对国内外有关葡萄区划的各种指标进行了归纳和分析[6]的基础上，采用活动积温、降水量、水热系数、日照时数指标进行区划分析，创建了湿热指数，最终构建了影响酿酒葡萄次生代谢品质为核心的复合指标，并对中国的优势酿酒葡萄产区进行生态区划，为鲜食葡萄栽培模式及酿酒葡萄区化提供了参考。

1 研究方法

1.1 气象资料

收集了中国839个气象站点2008—2017年逐日气象数据，主要气象要素包括逐日最高气温、最低气温、降雨量、相对湿度、日照时数；各站点的经纬度、海拔高度等。90 m（3 s）分辨率的数字高程数据（DEM）由SRTM（Shuttle Radar Topography Mission）传感器获得，地理信息数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站地理空间数据云平台（http://www.gscloud.cn），后经镶嵌、掩模、重采样后得到500 m分辨率的高程数据，插值生成的各指标栅格分辨率为500 m。

1.2 生态指标

计算各站点6—9月的水热系数（K）并进行划分，计算公式为：K＝∑P/(0.1·∑Ta)

式中：∑Ta为＞10 ℃时的日均温之和，∑P为同时期降水量之和。划分K为＜1.5、1.5～2.5、＞2.5的区域。

计算全年、4—9月及7—9月的日照时数并进行划分，以全年日照时数＞2000 h和4—9月日照时数≥1250 h为葡萄生产临界线，并以7—9月日照时数作为评价红色酿酒葡萄次生代谢品质的指标。

借鉴评价人类舒适度的炎热指数，并针对我国雨热同季的气候特征[13]，构建了湿热指数ET并进行划分，以ET＜65划为低湿热区，ET介于65～70划为较低湿热区，ET介于70～75划为中等湿热区，ET介于75～80划为较高湿热区，ET＞80划为高湿热区。ET计算公式为：

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

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

式中：Ta为日最高温，RH为空气相对湿度。

1.3 区划方法

采用三级复合指标进行优势区域综合评价，一级指标为7—9月日照时数（＜600 h弱光照，600～700 h较适光照，700～800 h适宜光照，＞800 h强光照）；二级指标为7—8月水热系数K（＜1.5优质，1.5～2.0优良，2.0～2.5一般，＞2.5不适宜）；三级指标为7—8月湿热指数ET（＜65低湿热区，65～70较低湿热区，70～75中等湿热区，75～80较高湿热区，＞80高湿热区）。

1.4 数据处理

对热量指标采用基于DEM的多元线性回归模型插值[14-16]，热量指标的多元回归模型为：

∑＝ƒ(φ,ω,h)＋ε。其中，φ为经度，ω为纬度，h为海拔，ε为地理模型残差，模型建立后使用反距离权重插值法对模型残差插值，订正后得到最终的热量指标栅格。其中生长季活动积温：

∑＝﹣29.621·φ－63.143·ω－0.964·h＋9659.640，R2=0.942**；7月份湿热指数：

∑＝﹣0.183·φ－0.266·ω＋0.008·h＋110.007，R2=0.918**；8月份湿热指数：

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

对水热系数和日照时数插值的过程中采用普通克里金插值，以交叉验证作为精度检验方法，其中6、7、8、9月的水热系数插值的标准均方根误差分别为4.25、4.26、3.78、4.89；7—9月日照时数、4—9月日照时数的标准均方根误差分别为0.910、0.918。

2 结果与分析

2.1 葡萄优质栽培生态指标

2.1.1 水热系数指标

由于我国南北跨度大，葡萄成熟时间差异大，将水热系数的统计时间扩展到6—9月可以看出（图1），6月南方地区K＞2.5的区域较普遍，北方大部分葡萄产区K＜1.5；7月南方及华北大部分地区K值处于1.5～2.5区间，K＞2.5的区域缩小到湖北东部、江苏中部、安徽中部及南部、山东中南部地区；8月K＞2.5的区域集中于西南、华南南部以及东北的吉林东南部、辽宁东部，K＜1.5的区域分布于西北及内蒙古大部、河北中部及北部地区、山西中部及南部、黑龙江西南部、吉林西部等地区；9月份K＜1.5的区域主要分布于新疆大部、甘肃西部及沿河西走廊北部地区、贺兰山东麓、内蒙古大部、山西南部，以及河北、北京、天津、山东、辽宁、吉林、黑龙江南部、湖北中部及东部、安徽南部、湖南大部、江西、福建西部、贵州中部、两广北部地区，K＞2.5的区域集中在西北、西南、华南及东北少部分地区，主要有甘肃河西走廊以南、甘肃南部、宁夏南部、陕西南部、四川大部、青海、西藏、云南北部及南部、两广南部地区、福建与浙江部分沿海地区、黑龙江北部、内蒙古呼伦贝尔中部及北部等地区。

图1 我国 6—9月份水热系数分布区域Figure 1 Regional distribution of hydrothermal coefficient from June to September in China

2.1.2 日照时数指标

世界酿酒葡萄的著名产区生长季（4—9月）日照时数都在1250 h以上。日照时数在1200～1400 h是葡萄生长季光照条件的临界区或基本适宜区，通过统计我国4—9月的日照时数（图2），1200～1400 h临界区域（除去东北山葡萄特殊栽培区）从东至西南呈带状分布，从胶东半岛向西经过河北、北京、天津、山西、陕西北部、甘肃南部、宁夏南部、青海东南及西藏中部等地区。临界光照带以北的地区包含了我国大部分传统的葡萄产区，日照时数从东至西、从南向北两个方向呈带状分布的增强趋势。与全年日照时数划分差异较大的是位于西南的云南省。但在西南地区年光照的临界带从四川盆地西部向南延伸至云南东部地区，由此可以看出云南地区4—9月的光照条件不佳，但全年光照与山东半岛类似。

图2 4—9月生长季日照时数分布Figure 2 Sunshine hours distribution in growing season from April to September

由图3可知，全国7—9月日照时数600～700 h这一临界区域从东北向西南延伸，包括黑龙江大部，内蒙古呼伦贝尔北部，吉林中部、辽宁大部，河北秦皇岛、唐山、承德南部、张家口怀来、涿鹿、蔚县、阳原等；山西北部、陕西北部、宁夏南部、甘肃中部，继续向西南经青海中部延伸至西藏中部，这条线以北日照时数呈梯度增加趋势。这一临界区域以南地区包括山东半岛烟台北部和东南沿海地区7—9月日照时数也在600～700 h范围内。

图3 7—9月转色期日照时数分布Figure 3 Distribution of sunshine hours in veraison period from July to September

700～800h光照区域中著名葡萄产区包括宁夏（石嘴山、银川、吴忠）、内蒙古（乌海）、甘肃（张掖、武威）以及南疆（和田、于田、民丰等），此外还有东南地区的江西东部、福建南部以及广东沿海地区；＞900 h的区域集中在新疆北部与东部、甘肃敦煌北部及内蒙古阿拉善西部。

2.1.3 湿热指数指标

对中国7、8月份湿热指数进行分析和区域划分（图4）发现，7月是全国湿热情况比较严重的月份，ET值（＜55）较小的地区主要位于高海拔地区如青藏高原、昆仑山脉、天山山脉、新疆阿勒泰北部地区、四川西部等地区。葡萄主产区中只有云南、山西大部、宁夏南部及沿河西走廊南部至陇南地区湿热指数＜70，山东、陕西中部、河北南部和东部、宁夏贺兰山东麓、新疆天山北麓、江苏东北部、四川盆地西部等地区湿热指数在75～80，南方大部分地区处于高温湿热状态，湿热指数在80以上；8月甘肃、宁夏及新疆北部率先退出湿热状态，湿热指数比7月下降近一个梯度，湿热指数在80以上的区域缩小，而湿热指数在75～80的区域进一步扩大至河南、山东、河北、安徽北部、江苏北部、湖北北部等地区；新疆除天山、昆仑山等山区外，大部分较7月下降一个梯度。

图4 全国7月（左）和8月（右）湿热指数分布图Figure 4 Distribution map of damp heat indicator in July (left) and August (right)

2.2 我国酿酒葡萄优势生态区域

基于转色期光照对酿酒葡萄次生代谢及品质的重要作用，成熟季节水热系数对积温条件和降水量的综合反应及插值模型较降水量具有的优越性，湿热指数综合考虑到对葡萄光合、呼吸及蒸腾的影响且合理性得以验证的基础上，本文提出了优势区域评价的综合指标，即一级指标为7—9月日照时数（＜600 h弱光照，600～700 h较适光照，700～800 h适宜光照，＞800 h强光照），二级指标为7—8月水热系数K（＜1.5优质，1.5～2.0优良，2.0～2.5一般，＞2.5不适宜），三级指标为7—8月湿热指数ET（＜65低湿热区，65～70较低湿热区，70～75中等湿热区，75～80较高湿热区，＞80高湿热区）。

利用三级组合指标（表1）进行了酿酒葡萄优势生态区划分，得到我国优势产区评价（图5）。由A到C优势区级别逐渐降低，A区主要分布于宁夏贺兰山东麓，甘肃酒泉、张掖及武威地区和新疆南部。B区分为两个亚区，B1分布于新疆北部地区，B2分布于环渤海地区，主要包括辽东半岛、山东半岛、北京、天津、河北秦皇岛及怀涿盆地等地区，这一区域7—9月日照时数处于600～700 h临界值，受年份影响较大，日照时数接近700 h的年份葡萄着色较好，靠近600 h的年份着色较差。C区7—9月日照时数较低，不足600 h，分为3个亚区，C1分布于陕西中部及山西晋中太原盆地，C2分布于河南地区，C3分布于云南及四川南部地区。

表1 我国酿酒葡萄优势产区区划指标Table 1 Regionalization index of wine grape superiority producing areas in China

图5 酿酒葡萄生态优势产区评价Figure 5 Evaluation of ecological advantages of wine grapes

3 讨论

3.1 酿酒葡萄优质栽培生态指标体系

评价酿酒葡萄品质的重要指标是果皮颜色和次生代谢物质。7—9月是酿酒葡萄转色关键时期，此时期的光照、温度和水分对葡萄果实次生代谢品质具有重要的作用。因此，本研究在构建酿酒葡萄生态指标评价体系时着重综合评价7—9月的光照、温度和水分指标。光照一方面通过影响光合作用进而影响次生代谢产物的形成，另一方面通过影响花青素合成途径从而影响花色苷的合成与分解[17]。据调查，生长季节1200～1400 h光照临界区的烟台地区（蓬莱、龙口）7—9月日照时数达到700 h的年份葡萄着色较好，当日照时数只有600 h时的年份葡萄着色较差。由此本研究将7—9月日照时数纳入区划指标，并以日照时数＞700 h作为优势产区划分的依据。

我国季风气候特征为雨热同季，因此区划指标需要综合考虑温度和湿度。冷凉的温度有利于酿酒葡萄次生代谢产物的积累，温度过高影响植物花青素的代谢，引起果实着色困难甚至促进花青素的降解[18]。研究表明，葡萄花青素在20 ℃显著上升，当温度达到35 ℃显著降低[19]。湿度包括土壤和大气湿度，土壤水分过多促进葡萄枝叶生长，导致叶幕郁闭，加重病虫害发生，并影响果实受光抑制着色[21]。反应土壤水分的指标主要有降水量和水热系数，转色至成熟期的降水量是葡萄品质发育及病害防治的关键因素之一，为此有学者参照波尔多地区若干年葡萄成熟期的降水条件，将7—9月份的降水量作为葡萄气候区划的水分指标，以280、380 mm为成熟季降雨总量的分节点[21-22]。修德仁等[23]认为，葡萄果实成熟季节的月降水量应≤100 mm或旬降水量≤30 mm，以此作为红葡萄品种区划的水分指标。但降水量未反应积温条件，而水热系数指标综合反映了积温条件和降水量，应用范围广，并且成熟期水热系数＜1.5是世界著名产区的共同特征。因此国内诸多学者认为水热系数比较适宜[4,24-25]。本研究认为，在较大区域进行葡萄栽培的适宜性评价时建议采用水热系数。在某一小区域如省、市等进行规划时可以采用水热系数，也可以采用降水量指标，如波尔多地区通常依据该产区不同年份葡萄成熟期降雨量的多寡来判断葡萄酒的好坏年份。大气湿度不仅影响病害发生，还对葡萄叶片生理功能产生影响，仝培江等[26]的研究表明，高温高湿显著降低了黄瓜叶片净光合速率Pn和ΦPSⅡ，且高温高湿伤害略大于高温常湿。基于此，本研究创新引入反映湿度及温度的湿热指数，并对该指标参与葡萄区划体系的科学性以及实际应用的合理性得到了验证。因此，我们最终构建了能够反应中国大陆性季风气候的生态区划评价指标体系，即一级指标为7—9月日照时数，二级指标为7—8月水热系数K，三级指标为7—8月湿热指数ET。该复合指标为中国酿酒葡萄生态区划提供可靠的参考指标体系。

3.2 中国优势酿酒葡萄区划

利用7—9月日照时数、7—8月水热系数和湿热指数三级组合指标对中国酿酒葡萄优势生态区进行划分，得到A区主要分布于宁夏贺兰山东麓，甘肃酒泉、张掖及武威地区和新疆南部，该区7—9月日照时数在700 h以上，7—8月水热系数均＜1.5，7—8月湿热指数70～75，说明该区域果实着色期日照充足，气温冷凉，空气和土壤含水量低有利于果实糖分和次生代谢产物的积累，适合种植经典优质欧亚种酿酒葡萄品种，如‘赤霞珠’‘霞多丽’‘西拉’等。B区分为两个亚区，B1分布于新疆北部地区，该区域日照时数充足，在700 h以上，7—8月水热系数均＜1.5，但7—8月湿热指数70～75，高于A区，该区域也较适合欧亚种酿酒葡萄的生产，容易生产出优质葡萄酒；B2区分布于环渤海地区，主要包括辽东半岛、山东半岛、北京、天津、河北的秦皇岛及怀涿盆地等地区。这一区域7—9月日照时数处于600～700 h临界值，该区域7—8月水热系数均在2～2.5，7—8月湿热指数在70～75，均较高，不同年份间日照时数和降雨差别较大，因此受年份影响大，如遇上光照不足、降雨较多的年份则不能生产优质葡萄酒，建议该区域适当种植一定比例抗性酿酒葡萄品种如‘香百川’（Chambourcin）、‘白维拉’（Villard Blanc）等，来生产大众佐餐酒。C区7—9月日照时数较低，不足600 h，分为3个亚区，C1分布于陕西中部及山西晋中太原盆地；C2分布于河南地区，两区域7—8月水热系数较低，分别为＜1.5和1.5～2，7—8月湿热指数均在75～80，日照时数均较低，低于600 h，不利于酿酒葡萄着色，建议种植对直射光不敏感的品种，也可考虑种植一定比例抗性酿酒葡萄品种；C3分布于云南及四川南部地区，其中云南以山地高原、山中盆地为主，高海拔增加了光照强度，紫外光强度也高于平原，而高光强和紫外线对酿酒葡萄次生代谢品质尤为重要[27]，这在一定程度上弥补了光照时间不足对葡萄果实的影响。但由于我国安装的气象监测系统基本都是监测日照时数，只有少数国外进口设备是监测光照强度，因此目前条件下所能大范围比较的还是以日照时数为主，对生态复杂的地区进行区划可引入光照强度进行区划。