贺兰山东麓酿酒葡萄品质成分对气象因子的响应特征

冯 蕊，张晓煜*，李芳红，陈仁伟，刘兆宇，杨永娥

(1 宁夏大学 农学院，银川 750021；2 宁夏气象科学研究所，银川 750002；3 宁夏农林科学院固原分院，宁夏固原 756099；4 中国农业大学 资源与环境学院，北京 100091；5 曲阜师范大学 计算机学院，山东曲阜 273165)

宁夏贺兰山东麓地处西北干旱区、东部季风区和青藏高寒区的交汇地带，位于N37°43′～39°23′，E105°45′～106°47′，为贺兰山东麓冲积扇与黄河冲积平原之间的宽阔地带，干旱少雨，光热充足，昼夜温差大，是中国酿酒葡萄种植最佳生态区之一[1]。近年来，贺兰山东麓葡萄产业发展迅速。2020年宁夏酿酒葡萄种植面积已达3.67万hm2，占全国酿酒葡萄种植面积近1/4，是全国集中连片规模最大的酒庄酒产区。‘赤霞珠’(Cabernet Sauvignon)是目前宁夏贺兰山东麓的主栽品种，占总种植面积的80%以上[2]。

葡萄和葡萄酒质量受品种、气候、土壤和栽培管理的共同影响，气候因素是影响葡萄品质的决定性因子[3-5]。气象条件通过温度、光照、降水等气象因子对葡萄品质成分结构的形成起主导作用，已成为诸多影响因素中最重要、最活跃的因素。与栽培条件相比，气象条件更能影响酿酒葡萄糖酸比、总酸与花青素含量[6]。早在1994年就有学者指出[7]，温度对酿酒葡萄含糖量的增加及含酸量的降低均起到促进作用，在一定范围内，决定含糖量增加的主要气象因素为≥10 ℃的有效积温；袁海燕等则认为，7-8月降水量与酿酒葡萄总糖含量的关系最为密切，而采摘前1个月≥10 ℃积温、果实着色期平均最低气温、7-8月降水量、水热系数等对总糖含量也有重要影响[8]；张娟等[9]和周淑珍等[10]认为气象条件能影响葡萄总酚含量，但未进一步探讨具体气象因素[9-10]。

本研究根据2018-2020年贺兰山东麓14个酒庄主栽酿酒葡萄品种‘赤霞珠’成熟鲜果品质检测结果，结合葡萄园小气候监测数据，分析贺兰山东麓气象条件与酿酒葡萄品质因子的关系，构建单因子气象条件与葡萄品质因子的关系模型，探讨综合气象因子对酿酒葡萄品质的影响，摸清大陆性气候条件下气象因子与葡萄品质的关系，指导贺兰山东麓酿酒葡萄生产主动适应气候变化，科学管理葡萄园。

1 材料和方法

1.1 研究区概况与数据来源

选取贺兰山东麓14个规模较大、管理规范的葡萄庄园(表1)，于2018-2020年连续采集‘赤霞珠’葡萄成熟果实，并测定其品质成分含量。同时，在葡萄园内设有农田小气候监测站，可逐小时监测葡萄园气象要素变化，主要包括气温、降水量、空气湿度、风速、风向等，日照时数数据来源于葡萄园对应行政区内国家基准气候站或国家基本气候站。

表1 贺兰山东麓‘赤霞珠’采样葡萄庄园基本信息

1.2 研究方法

1.2.1 葡萄果实品质成分测定及计算方法酿酒葡萄果实的品质因子包括糖、酸、单宁、色素和萜类物质等[21]。本研究选用pH、可溶性固形物(SS)、可滴定酸(TA)、还原性糖(S)、单宁(Tan)、总酚(GAE)、花青素(Ant)7个品质成分，以及糖酸比(STA)、固酸比(SSTA)作为‘赤霞珠’葡萄果实品质成分指标进行分析。还原糖含量(mg·g-1)采用斐林试剂滴定法(GB/T 15038-2006)测定，滴定酸含量(mg·g-1)用酸碱滴定法(GB/T 15038-2006)测定，pH用笔式电子pH计(KedidGT-6023)测定，可溶性固形物含量(%)用手持糖度计(ATAGOPAL-1)测定，总酚含量(mg·g-1)用Folin-Ciocalteu(福林酚)试剂显色法[22]测定，单宁含量(mg·g-1)用 Folin-Denis(福林丹尼斯)试剂显色法[23]测定，总花青素含量(mg·g-1)用pH示差法[24]测定。糖酸比用还原糖和可滴定酸含量的比值表示，固酸比用可溶性固形物与可滴定酸含量的比值表示。

1.2.2 研究区气象要素的统计本试验气象数据为2018-2020年葡萄园农田小气候监测站日资料，统计酿酒葡萄生长季(4-9月)、7-8月、7月、8月、9月到采收期、采收前35 d、采收前30 d、采收前20 d以及采收前10 d的最高气温(Tmax)、最低气温(Tmin)、≥10 ℃活动积温(Aa)、平均空气相对湿度(RH)、平均气温日较差(DTR)、降水量(P)、日照时数(Sd)、水热系数(K)、HI(Huglin Index)、生长度日(GDD)、水热值(IBBL)等气象要素资料。

1.2.3 模型构建方法及数据分析各时期气象因子与酿酒葡萄品质因子的相关性分析用SPSS23.0，用逐步回归方法筛选影响酿酒葡萄品质成分的关键气象因子，建立回归模型。采用Origin 2018、SPSS 23.0及R 3.6.3进行作图及数据分析。

2 结果与分析

2.1 2018～2020酿酒葡萄生长季气象要素和葡萄浆果品质因子年际差异

为比较2018年-2020年气象因子和酿酒葡萄品质因子的年际差异，对气象因子和品质因子进行方差分析。由表2可知，贺兰山东麓酿酒葡萄生长季最低气温(Tmin)、空气相对湿度(RH)、降水量(P)、≥10℃活动积温(Aa)、气温日较差(DTR)等年际间均有显著差异；最高气温(Tmax) 、灰格林指数(HI)、有效积温(GDD)和日照时数(Sd)年际间均无显著差异。2020年为高温、干旱年，Tmax最高，比2018年和2019年约高2.0 ℃左右，该年Tmax和Aa与其他年份有极显著差异；2018年为多雨年，生长季降水量达到207 mm，该年水热值(IBBL)值、水热系数(K)与其他年份均有极显著差异；2019年最低气温、水热值与2018年和2020年均有显著差异。

表2 2018-2020酿酒葡萄生育期气象要素的差异

同时，除还原糖含量外，贺兰山东麓‘赤霞珠’果实其他品质成分含量在年际间也存在显著差异(表3)。其中，TA、SS含量均在2019年达到最小值，分别低至4.63 mg·g-1、21.21%；pH、Tan、Ant、STA、SSTA均在2019年达到最大值，而且Tan含量在2018、2020相比2019年分别显著减少12.04%、22.06%；但GAE含量却逐年增加，2019、2020相较2018年分别依次显著增加44.10%、169.24%。综合来看，2018年‘赤霞珠’果实pH、总酚及花青素含量最低，与2019年和2020年有极显著差异；2019年葡萄果实花青素、单宁含量最高，可滴定酸含量最低，并与其他年份有极显著差异；2020年葡萄果实pH、可滴定酸、总酚、可溶固形物含量最高，而单宁含量最低(低至7.0 mg·g-1)，与其他年份均有显著差异。

表3 2018-2020‘赤霞珠’葡萄浆果品质成分的差异

2.2 酿酒葡萄浆果品质成分与气象因子的相关性分析

不同年份的果实品质与气象条件息息相关。因此，对酿酒葡萄生长季不同阶段的气象因子与其品质因子进行相关性普查，得出以下相关性热图(图1)。

由图1可知，气象因子对酿酒葡萄品质因子的影响可划分为4类：(ⅰ)pH和Ant；(ⅱ)GAE；(ⅲ)Tan、S、STA和SSTA；(ⅳ)SS和TA。各类品质因子与气象因子的相关性状况如下。

首先，葡萄果实的Ant含量与7月至采收前30 d的DTR，以及采收前35 d内的HI、Aa、Tmin呈显著正相关关系，而与7月至9月-采收前的RH、P、K、IBBL，以及生长季(4-9月)的P、K、IBBL均呈显著负相关。果实的pH与气象因子相关分布与Ant类似，不同的是pH还与生长季(4-9月)的Tmin呈极显著正相关，与RH呈极显著负相关。说明‘赤霞珠’果实花青素含量与7月份以后气温、降水量密切相关，也与采收前1个月气温密切相关；葡萄果实pH与气温、降水、相对湿度都密切相关。

其次，葡萄果实的GAE含量与7月至9月-采收前的DTR、采收前35 d内的HI、采收前20 d内的Aa及7月至采收前的Tmin呈正相关，而与7月至9月-采收前的RH、P、K，以及生长季(4-9月)的RH呈负相关。可见，葡萄果实总酚含量与气温日较差、积温、最低气温以及降水量和空气相对湿度密切相关关系。

第三，葡萄果实的TA、SS含量与其他品质成分和气象因子的相关性趋势表现相反。它们与生长季(4-9月)的P、K、IBBL以及7月至9月-采收前的P、K、IBBL和7月至采收期间的RH呈正相关关系；而与采收前35 d内的HI、采收前20 d内的Aa、采收前35 d内的Aa及Tmin、4-9月的Aa及Tmin呈负相关关系；在贺兰山东麓气候环境下，葡萄果实的S、SS和Tan含量与气象因子相关性较弱。

另外，受葡萄果实滴定酸含量、还原糖含量和可溶性固形物含量影响，其统计量糖酸比及固酸比与气象条件也密切相关。

综上所述，酿酒葡萄果实pH、花青素含量与气象因子相关性最强，大多呈极显著相关，其次是果实可滴定酸、总酚含量以及糖酸比、固酸比。另外，越接近采收期，气象因子对葡萄果实的pH、花青素含量的影响愈加显著，并以RH对pH的影响最为显著；除生长季气象因子外，年内不同时段的DTR也均与果实花青素含量呈极显著相关；与可滴定酸含量极显著相关的气象要素主要集中在采前35 d内，RH、Tmin以及Aa与可滴定酸含量相关性最大；采收前20 d的气象因子与总酚含量呈极显著相关关系；果实糖酸比与采收前35 d的气象因子大多呈极显著相关关系，其中年内不同时段RH、Aa、HI与其相关性较强，果实固酸比的表现与糖酸比类似。

2.3 酿酒葡萄浆果品质成分与单一气象因子的回归分析

气象因子与酿酒葡萄果实成分关系密切，有必要对两者进行数值模拟，建立品质因子随气象因子变化的回归方程，以进一步揭示单一气象因子与品质因子间的定量关系。根据不同时段气象要素与酿酒葡萄品质指标的相关性普查结果，选取相关性通过0.05及以上显著性水平检验的单一气象因子建立关系模型。

2.3.1 酸度葡萄浆果的酸度可由可滴定酸(总酸)与pH表示，pH与总酸含量密切相关。葡萄浆果的酸度对葡萄酒的酸性风味及口感均衡度有重要影响[25]。在葡萄酒酿造过程中对控制其稳定性具有重要作用，与葡萄酒色泽密切相关，也决定着细菌和酵母菌数量。不同时段气象要素与酿酒葡萄浆果pH的关系模型(图2)表明：8月的RH以及采收前20 d的Aa对其影响最为显著，8月的RH越大，pH越低(R2=0.73，n=42，下同)；采收前20 d的Aa越高，pH值越大。RH、9月到采摘前的Aa与葡萄果实可滴定酸含量均呈幂函数关系，随Aa的增加，可滴定酸含量下降；随着RH增大，可滴定酸含量增加。

2.3.2 糖酸比及固酸比由图3可知，气象因子对酿酒葡萄糖酸比的影响主要发生在采收前30 d，Aa和RH是影响糖酸比的主要气象要素。在RH较大的情况下，糖酸比较低，糖酸比在RH为50%时到达顶峰(图3，A)；全生长季的GDD对糖酸比有显著影响，其中9月到采收前的GDD影响最为显著，随着GDD的增大，糖酸比呈先升后降的趋势，可见热量过高不利于果实糖分积累或者酸度保持(图3，B)。同时，采收前35 d内是气象因子影响葡萄果实固酸比的关键时期，主要影响因素是RH和Aa，其中采收前30 d的Aa与固酸比呈线性关系，采收前20 d的Aa达到580 ℃时固酸比达到最大值(图3，C)；采收前10 d的RH越大，葡萄果实固酸比越低，湿度越大越不利于葡萄固形物的积累(图3，D)。

2.3.3 单宁及总酚含量酚类物质决定酿酒葡萄品质及其加工的颜色、涩感、苦味及其氧化性能等，主要包括单宁、花色苷和酚酸等。其中，影响酿酒葡萄总酚含量的关键气象因子是采收前35 d内的Tmax，采收前20 d的Tmax越高，总酚含量越高，反之则越低(图4，A)；酿酒葡萄单宁含量与采收前20 d的Tmax呈负对数关系，它随Tmax升高呈下降趋势(图4，B)。

2.3.4 花青素含量花色苷作为葡萄果实中普遍存在的类黄酮化合物之一, 能够为葡萄及葡萄酒提供轻微的涩味, 而且还能与一些香气化合物相互作用[26]。花青素是花色苷水解后得到的产物，常用来表示花色苷的含量。气象因子对花青素含量的影响主要在7月以后(图1)。花青素含量与生长季的DTR、采收前35 d的HI指数以及Aa均呈极显著正相关关系，而与RH、P、IBBL呈极显著负相关关系。其中，8月的DTR较大、RH越低时，酿酒葡萄的花青素含量较高(图5，A，C)；采收前20 d的HI指数越大，酿酒葡萄的花青素含量越高(图5，B)；水热值(IBBL)是热量与水分指标的综合,反映一个地区雨热同季的程度，从相关分析可得，7-8月的水热值越高，酿酒葡萄的花青素含量越低(图5，D)。

2.4 酿酒葡萄品质成分与气象条件的逐步回归分析

气象条件对葡萄成分形成与保存的影响是综合性的，为了探索气象条件对葡萄品质成分的综合影响，本研究采用逐步回归方法建立关键气象因子与酿酒葡萄品质成分关系的综合模型。

pH与可滴定酸(TA)是衡量酿酒葡萄中含酸量的重要指标，与生长季气象条件关系密切。综合模型表明(表4)，3个影响因子对pH的贡献大小依次为RH8>RH7>HId20，7月的RH和采收前20 d的HI对pH有正贡献；8月的RH对pH有负贡献。影响酿酒葡萄可滴定酸的最优回归方程中5个关键气象因子贡献大小依次为RH8>RH7>K4-9>RHd20>Aa9-p。其中，8月的RH对可滴定酸贡献率最大，8月RH越高，酸含量越高。

表4 ‘赤霞珠’浆果品质与气象要素逐步回归方程

果实中糖主要由可溶性固形物(SS)及还原糖(S)表示，可溶性固形物含量是果实品质的重要标志，可直接影响葡萄酒中酒精含量[27]。还原糖是影响酿酒葡萄果实品质、口感以及后续深加工的重要品质因子，也是酒精发酵、色素和风味物质形成的基质[28]，是简单衡量酿酒葡萄含糖量的主要指标，与气象因子均呈线性函数关系。降水(P)对可溶固形物具有稀释作用，9月到采摘前P值越大，酿酒葡萄的可溶固形物含量越低；7-8月的IBBL越高，酿酒葡萄的还原性糖含量越低。

单宁(Tan)与酿酒葡萄涩味、抗氧化性能有关，它与气象因子呈线性关系。RH是影响单宁含量的关键因子，采前10 d的相对湿度(RH)越大，单宁含量越低。总酚(GAE)包括酚酸、黄酮类化合物等，是酿酒葡萄果实重要品质之一。影响总酚含量最优回归方程的4个关键气象因子贡献大小依次为RH4-9>RHd10>Tmaxd20>Aa4-9，气温和RH是影响总酚含量的重要因素，全生长季的Aa以及RH对总酚含量均有至关重要的影响，生长季内Aa越大，RH越大，则总酚含量越低，而采收前20 d的高温以及采收前10 d的高湿环境有利于总酚的积累。花青素(Ant)决定着葡萄及葡萄酒颜色等。花青素含量与采收前20 d的HI指数呈线性相关，HI指数越高，越有利于花青素含量的累积。

糖酸比(STA)和 固酸比(SSTA)是常用来衡量酿酒葡萄品质的重要指标。影响糖酸比最优回归方程的3个关键气象因子贡献大小依次为Tmin9-p>Aa4-9>GDDd10，糖酸比受9月到采收前Tmin影响最大，Tmin越高，葡萄浆果中苹果酸降解越快，葡萄含酸量越低，糖酸比越高；其次糖酸比还受生长季Aa的影响，生长季Aa越高，越有利于糖分合成和积累，糖酸比就越高。影响固酸比的3个关键气象要素贡献大小依次为Tmin9-p>Aa4-9>GDDd30，各个气象因子对固酸比影响的表现与糖酸比一致。

3 讨论与结论

酿酒葡萄品质成分主要由可溶性糖、可滴定酸、总酚、单宁、花青素等组成，本研究以2018-2020年贺兰山东麓14个葡萄庄园小气候站资料结合其酿酒葡萄‘赤霞珠’浆果品质测定数据，分析了气象要素与酿酒葡萄品质的相关性，建立了葡萄品质因子与单一气象因子和综合气象因子的关系模型，对进一步认识气象条件对葡萄品质的影响具有重要意义。

本研究结果表明酿酒葡萄‘赤霞珠’浆果品质成分不仅与整个生长季气象因子相关，还与生长季内各个时段的气象因子显著相关；气象因子对酿酒葡萄品质影响的关键时段是7-8月份，其次是9月。这与张晓煜等[28]研究结论一致。‘赤霞珠’浆果总酸含量与7-8月的平均空气相对湿度、4-9月水热系数、9月到采收前的积温以及采收前20 d的平均空气相对湿度呈极显著相关关系，这与张晓煜等[28]的研究结果不一致。张晓煜等研究认为葡萄总酸含量与采收前30 d的水热系数关系密切，与其他因子关系不大。本研究采用贺兰山东麓葡萄园农田小气候站数据，多气象因子共同影响葡萄浆果总酸的合成、积累，本研究的结果更好地解释了总酸积累过程。张军翔等[29]在研究贺兰山东麓‘蛇龙珠’葡萄品质与气象条件关系时也认为7-8月积温对酿酒葡萄果实品质有很大影响，进而影响葡萄酒品质。

同时，本研究中采收前35 d内的HI指数与pH呈极显著相关，这与Huglin 等研究略有不同[30-31]，Huglin等研究表明，HI指数与还原糖含量极显著相关，这可能与贺兰山东麓地理环境不同有关。本研究还发现，葡萄还原糖含量与IBBL呈显著相关，说明采收前适宜的温度有利于花青素的合成和积累；可溶性固形物与9月到采收前的降水呈极显著相关，这与姜琳琳等研究一致[32]；单宁含量与采收前10 d的平均空气相对湿度呈极显著负相关关系，较刘敏等研究更为具体量化[33]；总酚含量与采收前20 d的最高气温、采收前10 d的平均空气相对湿度呈极显著正相关关系，而与整个生长季内的活动积温及湿度呈负效应，其中适度高温有利于总酚含量的累积，与刘笑宏的研究结果一致[34]；葡萄糖酸比和固酸比均与9月到采收前的最低气温、4-9月的活动积温呈极显著正相关，这与王秀芹关于生态因素对酿酒葡萄品质方面的研究结果一致[35]。

与前人研究相比，本研究中可溶性固形物、总酚、单宁、糖酸比等的表现与前人结果有相同之处，但通过引进新的指标也有新的认识。除此之外，本研究结果表明，适当降低7月葡萄园空气相对湿度，增加8月葡萄园的湿度有利于葡萄浆果酸含量的累积，而9月至采收前的温度过高会导致酸含量的下降；浆果还原性糖含量与7-8月IBBL密切相关，结合酸含量的累积，应在8月份增加葡萄园灌溉量，以提高葡萄酸含量，降低含糖量。采收前20 d的适度高温与采前10 d的高湿环境有利于葡萄总酚的累积，但后者会使果实中单宁含量下降；花青素含量与HI的关系表明在采收前20 d内若环境最低温及最高温均较低，则不利于花青素累积；糖酸比与采收前10～30 d的GDD呈极显著正相关，采收前一个月的光温条件对酿酒葡萄品质的作用至关重要； 9月到采收前的GDD达到280 ℃·d左右时，糖酸比达到最大值。

鉴于实验检测条件，本研究对酿酒葡萄中其他成分如香气、白藜芦醇、甲基吡嗪等还没有涉及，只分析了气象条件与葡萄成分的相关关系，可为后续研究提供重要参考。更深入的气象与酿酒葡萄品质关系研究需要开展气象条件控制试验，结合葡萄成分合成、代谢、积累过程，以解析酿酒葡萄品质形成的气象成因。因此，葡萄成分与气象条件的因果关系还有待今后的进一步探讨，为酿酒葡萄区域化布局优化、栽培管理调控、葡萄品质成分预测等提供科学依据。