气候变化对宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄生态种植气候适宜区的影响

Influence of Climate Change on Climate Suitable Area for Wine Grape Ecological Planting in the Eastern Foothills of Helan Mountain in Ningxia

摘要

利用宁夏贺兰山东麓12个国家级气象站1981—2020年的历史气候资料，采用数理统计及基于ArcGIS的混合插值法，结合酿酒葡萄气候区划指标，对气候变化背景下宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄生态种植气候适宜区的变化进行分析。结果表明，近40 a酿酒葡萄种植区无霜期呈显著上升趋势，气候倾向率为4.64 d/10 a，7—9月≥10 ℃活动积温以31.52（℃·d）/10 a的增幅呈显著上升趋势，7—9月水热系数逐年变化不大。Mann-Kendall突变检验结果表明，无霜期和7—9月≥10 ℃活动积温均在1998年之后显著上升，7—9月水热系数没有发生突变。从空间分布来看，无霜期总体表现为“北部短，南部长”的空间分布格局，1998年后无霜期>180 d的区域进一步扩大；7—9月≥10 ℃活动积温表现为“南北多，中间少”的格局，1998年后除石炭井外，整个贺兰山东麓7—9月≥10 ℃活动积温均在1 900 ℃·d以上；7—9月水热系数空间分布格局表现为1998年前“北部小，中部和南部大”，1998年后为“北部大，中南部小”。区划结果表明，受气候变化影响，1998年后97%以上的面积为酿酒葡萄生态种植气候适宜区，其中，最优区面积增加310.71㎡，占总面积的13.3%；不适宜区面积大幅缩减，共减少512.4 ㎡，占总面积的22.0%。

Abstract

In this study, based on the historical climatic data of 12 national meteorological stations in the eastern foothills of Helan Mountain in Ningxia from 1981 to 2020, the changes of climate suitable area for wine grape ecological planting in the eastern foothills of Helan Mountain in Ningxia under the background of climate change were analyzed by mathematical statistics and mixed interpolation method based on ArcGIS，combined with the climatic regionales of wine grapes. The results showed that the frost-free period showed a significant upward trend in the past 40 years, the climate tendency rate was 4.64 d/10 a, the active accumulated temperature ≥10 ℃ from July to September showed a significant upward trend with an increase rate of 31.52(℃·d)/10 a, and the hydrothermal coefficient from July to September did not change obviously year by year. Mann-Kendall mutation test showed that the frost-free period and the active accumulated temperature ≥10 ℃ from July to September were all increased significantly after 1998, and there was no abrupt change in hydrothermal coefficient from July to September. From the perspective of spatial distribution, the frost-free period was generally displayed as a spatial distribution pattern of "short in the north and long in the south", and the regions with frost-free period >180 d further expanded since 1998. The active accumulated temperature ≥10 ℃ from July to September showed a pattern of "more in the north and south, less in the middle". After 1998, except for Shitanjing, the active accumulated temperature ≥10 ℃ from July to September in the eastern foothills of Helan Mountain was all above 1 900 ℃·d. The spatial distribution pattern of the hydrothermal coefficient from July to September was "small in the north, large in the middle and south" before 1998, and "large in the north, small in the middle and south" after 1998. The regionalization results showed that under the influence of climate change, more than 97% of the area after 1998 was the climate suitable area for wine grape ecological planting, among which, the area of the optimal area increased by 310.71 m², accounting for 13.3% of the total area, and the area of the unsuitable area decreased significantly, reducing 512.4 m², accounting for 22.0% of the total area.

Graphical abstract

关键词

气候变化 / 酿酒葡萄 / Mann-Kendall突变检验 / 生态种植区划 / 宁夏贺兰山东麓

Key words

climate change / wine grape / Mann-Kendall mutation test / ecological planting regionalization / eastern foothills of Helan Mountain in Ningxia

宁夏贺兰山东麓是业界认可的酿酒葡萄世界最佳产区，已成为我国酿酒葡萄种植集中连片最大、酒庄数量最多、酒庄集群化发展最快的优质葡萄酒产区^[1]。主产区位于山前洪积扇与黄河冲积平原之间，海拔1 130~1 200 m，南北跨度大，处于季风气候边缘，是受气候变化影响最显著的区域之一^[2]。全球气候变暖背景下，诸多学者对我国不同地区不同作物的气候适宜度进行了分析^[3-5]，针对酿酒葡萄更多学者则以气候区划指标研究气候变化对其品质与区划的影响。国外，BONADA等^[6]、MIRA^[7]与SONG等^[8]分别研究温度、降水与太阳辐射等气候条件的变化对酿酒葡萄糖分、花色苷、酚类物质以及单宁含量的具体影响，认为气候变化对酿酒葡萄品质影响显著。在国内，李华等^[9-11]和火兴三^[12]对国内各气候区划指标体系进行了比较，以无霜期为区划的第一指标，生长季的干燥度为二级指标，以埋土防寒线为三级指标将我国的酿酒葡萄种植气候区划为12个区。王蕾^[13]在我国酿酒葡萄气候区划的基础上，将12个亚区进一步细分为36个不同类型的小产区。在宁夏，王华等^[14]将宁夏酿酒葡萄气候区划分为5个区域，在4个适宜葡萄栽培种植区域中有2个主要集中在贺兰山东麓。张晓煜等^[15]对宁夏酿酒葡萄的气候区划研究显示，最优区集中在贺兰山东麓和中卫东北部地区。李红英等^[16]用GIS小网格化技术进一步细化宁夏酿酒葡萄区划，结果表明，中熟品种气候适宜区分布在灌区银川以南的大部区域，晚熟品种气候适宜区分布在银川及其以北大部区域。

近年来，气候变化明显，宁夏贺兰山东麓区域生态环境脆弱，更容易受气候变化影响，之前的气候区划研究已经不能满足当前的实际需求^[17]，且鲜有以气候突变点分阶段，针对宁夏贺兰山东麓具体酿酒葡萄栽培地的气候因子变化量进行分析。

本研究利用宁夏贺兰山东麓12个国家级气象站1981—2020年的逐日气候资料，分析近40 a酿酒葡萄生长季无霜期、7—9月水热系数、7—9月≥10 ℃活动积温等气象要素的突变特征，并对突变前后的生态种植区的变化进行气候适宜性区划，研究气候变化对宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄生态种植气候区划的影响，对适应气候变化、科学制定宁夏酿酒葡萄发展规划、促进宁夏葡萄酒产业高质量发展具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 气象资料

选取宁夏贺兰山东麓12个国家级气象站1981—2020年期间的逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量等气候资料，统计近40 a酿酒葡萄生长季无霜期、7—9月≥10 ℃活动积温、7—9月水热系数等气象要素资料。本研究所选气象站均为产区主要代表站，气象资料来自宁夏回族自治区气象信息中心，经过严格的质量控制，完整性和准确性良好。

1.2 研究方法

采用线性趋势分析、累积距平、Mann-Kendall突变检验^[18]和t-检验以及基于ArcGIS的混合插值法对数据进行统计分析及作图。

1.3 区划指标

通过对国内各地区酿酒葡萄种植气候区划指标进行筛选，结合李华等^[19]、罗国光等^[20]、张晓煜等^[15]的研究成果，选取无霜期作为一级指标，7—9月水热系数作为二级指标，7—9月≥10 ℃活动积温作为辅助指标对近40 a宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄生态种植区进行气候适宜性区划（表1）。

水热系数（K）指降水量与同期可蒸发量之比，反映降雨与温度的关系，K值越大，环境越湿润^[10，21]。

K=∑P/（0.1∑T）（1）

式中，∑T为成熟采收期日平均气温≥10 ℃期间的活动积温，∑P为同期的降水量。

2 结果与分析

2.1 气候要素的年、年代变化趋势分析

2.1.1 气候要素年变化趋势

由图1可知，1981—2020年，宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄种植区平均无霜期为181.4 d，最长为201.4 d，出现在2009年，最短155.3 d，出现在1982年，无霜期年际间差异为46.1 d，近40 a呈显著上升趋势，气候倾向率为4.64 d/10 a。7—9月≥10 ℃活动积温平均为1 937.4 ℃·d，最大值为2 039.2 ℃·d，出现在2016年，最小值为1 808.0 ℃·d，出现在1985年，年际间差异达到231.2 ℃·d，近40 a以31.52（℃·d）/10 a的增幅呈显著上升趋势。7—9月平均水热系数为0.6，逐年变化不大，气候倾向率为0.02/10 a。

2.1.2 气候要素各年代变化趋势

由表2可知，相对于常年平均值（1991—2020年）而言，各年代无霜期呈增加趋势，其中20世纪80年代和90年代分别偏少10.1、4.0 d，21世纪00年代、10年代分别偏多2.3、1.6 d。7—9月≥10 ℃活动积温逐年代增加趋势显著，其中20世纪80、90年代分别较常年同期偏少79.1、16.0 ℃·d，21世纪00年代基本与常年同期持平，21世纪10年代偏多15.9 ℃·d。7—9月水热系数各年代变化不大，其中21世纪00年代略偏少0.03，到21世纪10年代略偏多0.04。

2.2 气候要素突变特征分析

宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄生育期气候要素Mann-Kendall突变检验如图2所示。

利用Mann-Kendall突变检验方法，计算各气候要素序列的UF和UB统计量（图2），取α=0.05，则UF和UB的临界值为±1.96。从无霜期的检验结果（图2）可以看出，UF和UB曲线相交于1987年，表明突变点在1987年。UF和UB相交后，UF在1998年超过临界值（1.96），且继续上升，说明无霜期日数在1998年之后上升趋势明显。对1981—1987年和1988—2020年无霜期日数进行t检验，P双尾值为0.018，通过α=0.05信度水平检验，表明1981—1987、1988—2020年数值差异较大，存在突变。1981—1987年平均无霜期为169.9 d，1988—2020年为183.8 d，突变后较突变前平均无霜期延长了13.9 d。

通过对7—9月≥10 ℃活动积温的突变检验结果（图2）表明，UF和UB分别在1992、1997、2015年相交，再通过滑动t检验，P双尾值均小于0.05，结果表明，7—9月≥10 ℃活动积温在1992、1997、2015年均发生突变，但以1997年最为显著，UF在1998年超过临界值（1.96），且继续上升，说明7—9月≥10 ℃活动积温在1998年之后上升趋势明显，因此，将1997年作为7—9月≥10 ℃活动积温的突变点，统计突变前后的变化值。1981—1997年7—9月≥10 ℃活动积温平均值为1 889.8 ℃·d，1998—2020年为1 972.5 ℃·d，7—9月≥10 ℃活动积温突变后较突变前平均增加了82.7 ℃·d。

对7—9月水热系数进行突变检验（图2），UF和UB分别在1983、1988、1994、1996、2013、2014、2015年相交，但均未超过临界值（1.96），再通过滑动t检验，P双尾值均大于0.05，表明7—9月水热系数没有达到突变水平。

2.3 各气候要素空间分布的变化

通过以上对宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄生育期间各气候要素突变分析表明，无霜期在1987年发生突变，在1998年之后显著上升；7—9月≥10 ℃活动积温在1992、1997、2015年均发生突变，但以1997年最为显著，且在1998年之后上升趋势明显；7—9月水热系数没有发生突变。无霜期和7—9月≥10 ℃活动积温均在1998年之后显著上升，故本研究以1998年作为突变点，分析突变前1981—1997年和突变后1998—2020年各气候要素的空间分布变化情况。

2.3.1 无霜期

宁夏贺兰山东麓无霜期总体表现为“北部短，南部长”的空间分布格局（图3）。从酿酒葡萄生态种植适宜程度来看，1998年前，无霜期没有>200 d的区域，也没有<160 d的区域，180~200 d的主要分布在吴忠、贺兰和石嘴山西南部，其余大部区域无霜期在160~180 d；1998年后，吴忠的无霜期达到200 d，同时180~200 d的区域扩大，整个石嘴山以南的地区无霜期均在180 d以上，160~180 d的区域分布在北部。

2.3.2 7—9月≥10 ℃活动积温

宁夏贺兰山东麓7—9月≥10 ℃活动积温空间分布总体表现为“南北两头多，中间少”的格局（图4）。1998年前，7—9月≥10 ℃活动积温>1 900 ℃·d的区域主要分布在贺兰以北和中宁地区，中部地区7—9月≥10 ℃活动积温在1 800 ℃·d左右；1998年后，除石炭井外，整个贺兰山东麓7—9月≥10 ℃活动积温均在1 900 ℃·d以上，根据酿酒葡萄生态种植适宜程度，最优种植区进一步扩大。

2.3.3 7—9月水热系数

由图5可知，1998年前，宁夏贺兰山东麓7—9月水热系数为0.4~0.6，空间分布格局表现为“北部小，中部和南部大”；1998年后，7—9月水热系数为0.4~0.7，空间分布格局表现为“北部大，中南部小”。

2.4 突变前后酿酒葡萄气候区划的变化

应用ArcGIS 10.6软件以无霜期作为热量指标，7—9月水热系数作为水分指标，7—9月≥10 ℃活动积温作为辅助指标，应用混合插值法将宁夏贺兰山东麓气候突变前1981—1997年和突变后1998—2020年的适宜栽培区划分为最优区、适宜区、次适宜区和不适宜区（图6）。1998年前后宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄气候区划面积变化情况如表3所示。

图6中白色区域为宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄不适宜种植区，可以看出，1981—1997年期间石嘴山的石炭井、银川的永宁、灵武以及吴忠、青铜峡等地为酿酒葡萄不适宜种植区，面积为584.52 m²，占总面积的25.1%（表3）；气候突变之后，即1998—2020年，不适宜种植区只有石炭井和灵武西部少部分地区，面积大幅缩减，共减少512.4 m²，减少面积占总面积的22.0%。综合分析宁夏贺兰山东麓气候变化特征可以得出，酿酒葡萄不适宜种植区面积大幅缩减，主要受无霜期延长，180~200 d的区域扩大影响。次适宜区空间分布变化较大，面积变化较小，1998年前，次适宜区主要分布于银川南部和吴忠、中卫西南地区；1998年后，次适宜种植区主要分布在石嘴山中部和南部、银川北部和南部、吴忠北部，面积减少了18.36 m²。1998年前，适宜区主要分布于石嘴山大部和银川北部、中卫中部地区，面积为782.57 m²；1998年后，适宜区空间变化较大，主要分布在惠农中东部、大武口中部、银川中部和中卫西部、南部地区，面积增加到1 002.63 m²，占总面积的43.1%。1998年前，最优区主要分布于石嘴山中部偏西地区，面积只有87.66 m²；1998年后，最优区分布于惠农北部、银川中部、吴忠南部、中卫中部地区，面积增加到398.37 m²，增加了310.71 m²，增加面积占总面积的13.3%。

3 结论与讨论

宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄栽培区的热量条件因气候变暖已由原来的凉爽区演变为温热区^[22]，本研究对1981—2020年酿酒葡萄生育期气候因子的变化特征分析结果表明，近40 a宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄种植区无霜期呈显著上升趋势，气候倾向率为4.64 d/10 a，7—9月≥10 ℃活动积温以31.52（℃·d）/10 a的增幅呈显著上升趋势，气候热量变化显著。各气候要素突变分析表明，无霜期和7—9月≥10 ℃活动积温均在1998年之后显著上升。王静等^[23]对贺兰山东麓银川地区酿酒葡萄农业气候资源的研究也表明，1961—2015年≥10 ℃活动积温显著增加，且在1995年后明显增加，而霜冻日数呈极显著的降低趋势，这与本试验的研究结论一致。同时，MOZELL等^[24]的研究表明，气候变暖导致世界优质酿酒葡萄栽培区发生空间变化，可能导致高纬度区域变得更适宜葡萄生长和葡萄酒生产。本研究结果也显示，在空间分布上，1998年后宁夏贺兰山东麓180~200 d的区域扩大，整个石嘴山以南的地区无霜期均在180 d以上，7—9月≥10 ℃活动积温均在1 900 ℃·d以上，热量条件变化明显。因此，有必要对气候变暖背景下宁夏贺兰山东麓葡萄种植的气候适宜区进行分析。

本研究的气候区划结果表明，受气候突变影响，宁夏贺兰山东麓无霜期延长，180~200 d的区域扩大，水热条件明显改善，1998年后宁夏贺兰山东麓97%以上的面积为酿酒葡萄生态种植气候适宜区，其中，1998年后不适宜种植区面积大幅缩减，次适宜种植区主要分布在石嘴山中部和南部、银川北部和南部、吴忠北部，适宜种植区主要分布在惠农中东部、大武口中部、银川中部和中卫西部、南部地区，最优种植区分布于惠农北部、银川中部、吴忠南部、中卫中部地区。研究结论与王银川等^[25]对宁夏贺兰山东麓葡萄气候区划与产地选择的结果一致，张晓煜等^[15]对宁夏酿酒葡萄种植区划结果也表明，酿酒葡萄种植特优区分布在包括贺兰山东麓在内的宁夏灌区周边风沙土区域，优质区主要集中在宁夏平原、贺兰山东麓、清水河流域等。

本研究表明，宁夏贺兰山东麓现有酿酒葡萄产区都在适宜栽培区范围内，符合长期科学可持续发展。但宁夏贺兰山东麓的各项气候要素仍处于不断变化中，有必要对各个产区的气象要素进行进一步持续监测与分析，应注重葡萄生长季水热指标的变化，必要时可通过科技投入有效降低天气气候变化对酿酒葡萄品质、产量的影响，为宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄栽培与管理提供理论基础与科学指导。

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基金资助

宁夏自然科学基金(2022AAC03762)