红寺堡酿酒葡萄冬季根系冻害分析及土壤温度预报

杜宏娟，魏月娥，赵斯文，高英育，侯兴祥，张玉青

（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. 吴忠市气象局，宁夏吴忠 751100）

土壤温度不仅对植物根系的活性、生长都有直接影响，还制约着植物与土壤有效养分的交换过程，并且影响着土壤中昆虫和微生物的活动[1]。土壤温度作为土壤环境的重要因素之一，对农业的生产有着重要的意义[1]。根系层土壤温度是葡萄生长发育和安全越冬的重要环境因子，因此，研究根系温度变化特征对研究葡萄能否安全越冬有重要意义。

独特的地理条件和优越的气候资源促进宁夏吴忠红寺堡酿酒葡萄发展，同时冬季根系冻害也制约着红寺堡特色产业的发展，给果农造成巨大的经济损失，特别是酿酒葡萄园区的风沙土地段根系冻害更易发生[2-3]。研究发现，本区酿酒葡萄根系层主要分布在20～40 cm[4-7]，康文英等[8]研究得出衡水气温与0～40 cm土壤较浅层地温的变化具有较好的一致性。由于我区处于西北地区，冬季气温较低，埋土才能保证葡萄安全越冬，并且埋土厚度在40～60 cm。本文主要分析根系层0～40 cm的地温达到冻害指标的规律及地温与气温之间的关系，拟建立根系层土壤温度预报方程，为酿酒葡萄越冬冻害预测预警提供参考依据。

1 资料、指标和方法

1.1 资料

由于红寺堡无气象站，无多年气象观测资料，故选取与红寺堡土壤类型及气候相似的同心气象观测站2004—2016年的逐日平均气温，最低气温，0～40 cm各层地温资料做相关分析。气象观测资料序列长、并且较为完整。同时收集调查红寺堡酿酒葡萄冬季根系发生冻害资料。

1.2 冻害指标和统计分析

以宁夏地方标准《酿酒葡萄农业气象服务技术规程》[9]为依据（表1）。地温、气温资料用Excel及SPSS统计软件做相关分析和建立预报方程。

2 结果与分析

2.1 红寺堡酒葡萄根系层冬季冻害出现天数及时间分析

酿酒葡萄根系冻害指标（表1）所示，20 cm土壤温度≤-5 ℃出现1 d，40 cm土壤温度≤-5 ℃出现2 d，将对酿酒葡萄根系产生冻害。通过对2004—2015年冬季20 cm、40 cm土壤温度≤-5 ℃出现时间进行统计（图1、图2），结果显示：近11年冬季中，有6年（2004、2010—2013、2015）20 cm土壤温度达到冻害指标，且土壤温度最小达-9.3 ℃，出现天数为3～30 d，达到冻害指标的时间在12月22日至2月10日；有2年（2010、2015）40 cm达到冻害指标，并且土壤温度最小值达-5.9 ℃，出现天数为7～14 d，出现时间在1月12日至2月2日，酿酒葡萄根系冻害达到重度。

表1 宁夏酿酒葡萄根系越冬冻害指标Table 1 Freezing damage index of wine grape in Ningxia

图1 20 cm土壤温度年份变化曲线Figure 1 Changes of 20 cm ground temperature

图2 40 cm土壤温度年份变化曲线Figure 2 Changes of 40 cm ground temperature

2.2 酿酒葡萄根系层冬季土壤温度与气温之间的相关分析

为了准确分析冬季酿酒葡萄根系层土壤温度与气温的相关性，提高建立预报方程的预报精准度及提前预报冻害，分析2004—2015年冬季20 cm、40 cm土壤温度≤-3 ℃出现的初日终日。结果显示（表2）：近11年中20 cm土壤温度≤-3 ℃初日最早出现在12月5日，最晚出现在1月10日，终日最早出现在1月1日，最晚出现在2月20日；40 cm土壤温度≤-3 ℃初日最早出现在12月27日，最晚出现在2月3日，终日最早出现在1月9日，最晚出现在2月15日。

表2 2004—2015年冬季20 cm、40 cm土壤温度≤-3 ℃出现天数及时间Table 2 The dates of 20 cm and 40 cm ground temperature≤-3 ℃ during 2004 to 2015

表3 酿酒葡萄根系层冬季土壤温度与气温的相关系数Table 3 The correlation coefficient between ground temperature and air temperature in winter

通过对表2分析，冬季冻害发生时段基本包括整个冬季。通过对2004—2015年整个冬季（12月1日至次年2月28日）气象资料分析，0、5、10、15、20、40 cm土壤温度与平均气温、最低气温分别为-3.5、-3.0、-2.5、-2.1、-1.7、-0.5、-4.8、-10.6 ℃。通过对地温与气温日资料的相关分析（表3）可知，地温与气温均呈极显著正相关，相关系数均在0.591以上，但随着深度增加相关系数逐渐减小，其中0～10 cm地温与最低气温的相关系数小于地温与平均气温的相关系数，20～40 cm地温与最低气温的相关系数大于地温与平均气温的相关系数。

2.3 酿酒葡萄根系层冬季土壤温度预报方程建立

如果把0～20 cm作为统一的土壤层面考虑，其上界面为空气，下界面为更深的土层，浅层的温度变化受到太阳辐射和上下两种不同介质的影响[10]。分别用20 cm地温代表浅层土壤温度，气温与40 cm地温分别代表上下介质的温度，运用SPSS统计软件，用2004—2015年冬季日最低气温、40 cm土壤温度前5日平均地温作为变量，用线性回归分析方法建立酿酒葡萄根系层20 cm、40 cm土壤温度预报方程：

Td20cm表示20 cm土壤温度；Td40cm表示40 cm土壤温度；tmin表示日最低气温；t5d表示40 cm前5日平均地温。

2.4 酿酒葡萄根系层冬季土壤温度预报方程检验

将2016年冬季日最低气温、前5日40 cm平均地温值分别带入20 cm、40 cm地温预报方程模型，对预测结果进行精度检验，方程（1）～（3）绝对误差平均值分别为1.2 ℃、0.8 ℃、1.3 ℃，方程（2）的平均绝对误差最小，预测精度均较高，可用于冬季冻害地温预报服务。

3 讨论与结论

有学者针对酿酒葡萄冻害原因以及应对冻害的措施进行研究，利用最低气温作为指标判断根系冻害的发生及程度[11-14]。葡萄的冻害主要有三种，即枝芽冻害、根茎冻害和根系冻害。根系冻害主要发生在冬季，并且根系分布主要在20～40 cm土壤中，红寺堡酿酒葡萄都采取埋土方式保障安全越冬。本文选择红寺堡酿酒葡萄为研究对象，利用气象台站2004—2016的逐日气温、地温资料，借鉴前人的研究成果，选取了冬季最低气温、平均气温和土壤温度之间关系及造成酿酒葡萄冻害的气象指标，经过分析构建了酿酒葡萄冬季根系层土壤温度预报模型，得出以下主要结论：

（1）近11年冬季中，葡萄根系层20 cm根系冻害发生频率大于40 cm，并且出现的时间段长于40 cm。

（2）地温与气温均呈极显著正相关，相关系数均在0.591以上，但随着深度增加相关系数逐渐减小，其中0～10 cm地温与最低气温的相关系数小于地温与平均气温的相关系数，最低气温与20～40 cm地温的相关性要好于平均气温的。

（3）用线性回归分析方法建立酿酒葡萄根系层20、40 cm土壤温度预报方程，对预测结果进行精度检验，平均绝对误差为0.8～1.3 ℃；预测精度较高。

葡萄根系层距离地表近，根系层地温预报较为复杂，受太阳辐射、土壤湿度、土壤性质等多种因子影响。本研究所提出的土壤温度预报模型仅考虑最低气温作为影响因子，未来应考虑土壤湿度、土壤性质及地温位相滞后于气温等影响的问题，使预报模型更加完善。