不同坡向微气候对‘霞多丽’葡萄果实品质的影响

乔振羽,张亚红,,张晓煜,张 乐,史佳慧,周 娟,葛 静

(1.宁夏大学农学院,银川 750021;2.宁夏大学食品与葡萄酒学院,银川 750021;3.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,银川 750002;4.宁夏气象科学研究所,银川 750002)

【研究意义】水、热、光照等气象条件是影响酿酒葡萄生长发育的重要因素[1]。宁夏贺兰山东麓作为世界上最适合种植酿酒葡萄的黄金地带之一,具有良好的光照条件和适宜积温,全区域拥有3000 h以上的日照时间,为葡萄生长发育创造了良好条件。葡萄种植区域地形多变,地形因素对果实品质具有较大影响,研究不同坡向微气候对果实品质的影响可以揭示不同坡向微气候与果实品质之间的关系,对提高果实品质具有指导意义。【前人研究进展】近年来,大多数学者在酿酒葡萄品质与光照强度、气象条件、摘叶、行间生草等方面进行了大量研究。尹海宁等[2]研究了海拔和行向对酿酒葡萄果实品质的影响,发现高海拔地区有助于葡萄果实中酚类物质的积累。张晓煜等[3]对气象条件与酿酒葡萄品质的关系进行分析,发现影响酿酒葡萄品质形成的关键时期是7—8月,行向变化导致光温因子波动,影响葡萄果实的多种代谢过程和代谢物含量,还原糖含量南北行向显著高于东西行向,且果实生长中的气候条件具有决定性作用。房玉林等[4]研究调亏灌溉对果实品质的影响,发现降雨量对果实品质有显著影响,按照植株生长要求通过人工调节能有效抑制酿酒葡萄的营养生长,提高果实品质。昼夜温差大有利于糖分的积累,光照影响果实的有机酸代谢。微气候改变影响果实的生长环境,对果实的可溶性固形物、可滴定酸、单宁、总酚均有一定程度影响。优质酿酒葡萄种植需要昼夜温差大、热量充足、降水量少、湿度小的果树微气候环境,有利于葡萄糖分积累及酚类物质含量的提升[5]。葡萄行间的草本植物与葡萄植株及果实微环境互作会影响果实品质和植株生长[6]。海拔及地形变化对果实微环境光热资源具有明显影响,其中日平均气温从南坡、西坡、东坡、北坡依次递减。东坡太阳辐射用于地表土壤水分蒸发以及空气湿度消耗,而午后日射用于空气增温[7]。【本研究切入点】前人研究为探寻相同的葡萄园管理条件下,不同坡向微气候对果实品质的影响及不同坡向果实品质差异提供了依据。但前人研究主要聚焦在单一微气候因子对果实品质的影响进行分析,缺少自然条件形成具有不同坡向丘陵的微气候与品质关系的探讨。【拟解决的关键问题】本研究以宁夏青铜峡产区‘霞多丽’葡萄品种为研究对象,开展葡萄园不同坡向和不同果树冠层、果实高度微气候特征研究,并测定达到酿酒标准果实的外观品质、理化指标和酚类物质,旨在探讨上述指标之间的关系,以期为选择合理地形进行酿酒葡萄种植和管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020—2021年在宁夏贺兰山东麓青铜峡产区西鸽酒庄基地(38°07′ N,105°88′ E)进行,选择位于同一丘陵具有相同土壤质地的南坡、东坡、北坡(海拔高度为1138～1151 m)作为试验用地,青铜峡地处宁夏平原中南部,年平均日照时数3000 h以上,年平均降水量200 mm以下,无霜期165～178 d,≥10 ℃积温平均为3481.4 ℃·d,干燥少雨,光照充足,昼夜温差大。试验材料为酿酒葡萄品种‘霞多丽’,栽植株行距3.0 m×1.5 m,树龄为4和5年,葡萄园间常规管理,葡萄架型为倾斜式单臂“厂”字型。2020年和2021年不同坡向‘霞多丽’物候期发生开始时间如表1所示。

表1 不同坡向2020年和2021年‘霞多丽’物候期发生时间Table 1 The start time of the phenological period of ‘Chardonnay’ in 2020 and 2021 with different slope aspects

1.2 观测项目

1.2.1 不同坡向微气候环境监测 2020年7月至2021年9月,按照丘陵地形的变化选取葡萄种植园南坡、北坡、东坡3个坡向进行试验,分别在3个坡向9个试验点选择长势茂盛、生长势与树形相对一致的葡萄树进行监测。

以‘霞多丽’行向为中心,将树冠分成阴面、阳面两个部分,以葡萄园地面为界限,分别测量地下10、20 cm和地上50 cm(树体果际间高度)、150 cm(树体冠层高度)温度变化及位于地上150 cm的湿度变化,采用ZDR-41型温度记录仪测定温度,采用ZDR-20型温湿度记录仪测定湿度。

将温湿度探头贴近试验地‘霞多丽’树叶间,测定其温度和湿度。在试验地的南坡和北坡加装Vantage Pro2型Davis气象站,观测空气温度、湿度、风速、风向、土壤温度等。温度记录仪、温湿度记录仪和Davis气象站观测气象数据的间隔时间均设定为10 min。

1.2.2 果实品质测定 试验区‘霞多丽’果实进入转色期(7月24日)后每隔7 d进行1次采样,采摘并标记试验点果实,选取4穗‘霞多丽’的上部、中部、下部的果实混合后进行测样。果实品质参考国家标准GB/T 15038—2006[8]的葡萄酒、果酒通用分析方法测定;可溶性固形物采用数显手持式(KedidGT-6023)糖度计测定,将每个试验点的果实挤汁后混合均匀测其平均值;总酸采用氢氧化钠直接滴定法[8]测定;还原糖采用斐林试剂法[8]测定;总酚采用福林酚法[9]测定;单宁采用福林丹尼斯法[10]测定。

1.3 数据分析

试验数据的整理、收集和初步分析采用Microsoft Excel 2016进行统计与处理,用IBM SPSS Statistics 25进行单因素方差分析、相关性分析(经邓肯法显著性测定,不同小写字母表示差异显著P<0.05)和线性回归,采用Origin 2021绘图。

2 结果与分析

2.1 葡萄园不同坡向的微气候特征

2.1.1 不同坡向光照强度比较 通过对晴天(2020年8月13日)和阴天(2020年8月14日)葡萄园中3个坡向的光照强度日变化分析(图1)可知,3个坡向光照强度变化趋势基本一致,早晚光照强度低,13:00达到最高,呈单峰曲线。晴天阳光直射的最大光照强度可达121 360 Lux,不同坡向最大光照强度为东坡>北坡>南坡。早上地面反射的光照强度为北坡>东坡>南坡,13:00东坡和北坡的地面反射光照强度达到最大。阴天光照强度最大为22 176Lux,顺序为东坡>南坡>北坡,地面反射的光照强度为东坡>南坡>北坡,13:00东坡、南坡地面反射的光照强度达到最大。说明,东坡葡萄植株在不同的天气条件下接受到光照强度最多,更有利于‘霞多丽’果实生长。

图1 不同坡向晴天、阴天光照强度日变化Fig.1 Diurnal variation of illumination intensity on sunny days and cloudy days with different slope aspects

2.1.2 不同坡向温度差异 由图2可知,2021年不同坡向‘霞多丽’生长发育过程中日最高温度、日最低温度和日平均温度变化趋势基本一致,均随着生长季变化先上升后下降,日较差在7月(最热月)变化幅度最小,在4月和5月变化幅度最大,且日最高温度均出现在7月。南坡、东坡、北坡地上50 cm果际间的日最高温度分别为46.3、45.6、46.1 ℃,整个生长季日较差变化范围为7.3～31.6 ℃,日平均气温变化范围为8.7～32.9、8.8～31.3、9.0～32.9 ℃,较大的日较差有利于光合产物和果实酚类物质积累,减缓可滴定酸的代谢。生长季的日最低温度出现在葡萄藤出土后‘霞多丽’芽萌发阶段(4月17日),南坡、东坡、北坡分别为-1.4、-1.9、-1.7 ℃,‘霞多丽’芽未遭受到明显的倒春寒伤害。

图2 同坡向地上50 cm(a)、地下10 cm(b)、地下20 cm(c)不同季节的温度变化Fig.2 Seasonal temperature variation of 50 cm aboveground (a), 10 cm underground (b) and 20 cm under ground (c) with different slopes

如表2所示,地上150 cm和地上50 cm平均气温、平均最高温度、平均最低温度的月温度变化趋势一致,气温均从7月开始逐渐降低。3个坡向中南坡月平均气温最高,7、8月为南坡>东坡>北坡,9月为南坡>北坡>东坡。3个坡向地上150 cm和地上50 cm总平均气温为24.3 ℃。7—9月3个坡向地上150 cm月平均最高温度为南坡>东坡>北坡。地上150 cm月平均最低温度没有明显差异,地上50 cm月平均最低温度为南坡>北坡>东坡。地上150 cm‘霞多丽’冠层月平均日较差为16.5～23.6 ℃,地上50 cm果际间月平均日较差温度为17.8～24.1 ℃。2020年和2021年7、8月平均湿度为南坡>东坡>北坡,但9月差异不明显;2020年和2021年月平均湿度均值分别为53.3%、48.2%,月平均最大湿度均值分别为78.4%、84.4%,月平均最小湿度均值分别为23.5%、19.1%。表明,‘霞多丽’葡萄种植园坡向变化会影响果实微气候温湿度变化,南坡气温高于北坡和东坡。

表2 不同坡向微气候的空气温湿度Table 2 Air temperature and humidity of microclimates with different slope aspects

2.1.3 不同坡向地温的变化 由图2可知,‘霞多丽’种植园地下土壤温度日变化波动小于空气温度,日较差明显小于地上部分,其中地下10 cm日较差明显大于地下20 cm。太阳将能量经过大气传导进入土壤中,浅层土壤地下10 cm温度与地上50 cm果际间日温度变化趋势一致。‘霞多丽’种植园南坡、东坡、北坡地下10 cm土壤日最高温度分别为34.1、32.0、32.3 ℃,日平均气温分别为10.6～31.4、10.1～28.9、10.2～29.6 ℃,日最低温度分别为4.8、4.4、4.2 ℃,整个葡萄生长季日较差为6.1～18.2 ℃。‘霞多丽’种植园南坡、东坡、北坡地下20 cm土壤温度日最高温度分别为31.63、31.4、30.2 ℃,日平均气温分别为11.1～30.7、10.1～28.6、10.8～29.1 ℃,日最低温度分别为8.9、6.9、8.6 ℃,整个生长季日较差为1.1～8.3 ℃。‘霞多丽’种植园南坡热量最高,在霜冻等气象灾害发生时南坡能够降低危害风险,春季萌芽期应该关注南坡的葡萄芽萌发状况,避免在土壤中萌发导致芽黄化进而减产。

由表3可知,‘霞多丽’种植园不同坡向土壤温度差异明显。7—9月月平均土壤温度为地下10 cm >地下20 cm,7和9月平均土壤温度为地下10 cm >地下20 cm,8月平均土壤温度为地下10 cm <地下20 cm。7—9月,‘霞多丽’种植园南坡、东坡、北坡地下10 cm土壤月平均温度为20.2～29.2 ℃,地下20 cm土壤月平均温度为15.5～27.8 ℃,地下10 cm土壤月平均日较差为4.3～9.1 ℃。‘霞多丽’种植园南坡土壤月平均最高温度显著大于北坡和东坡,月平均最低温度显著小于北坡和东坡。7—9月总平均土壤温度分别高于26、 23、 20 ℃;7—9月地下10 cm月平均温度日较差为4.3～9.1 ℃,地下20 cm月平均日较差为2.4～7.6 ℃,东坡月平均日较差比南坡和北坡变化幅度大。土壤温度对‘霞多丽’果实品质指标影响不显著。

表3 不同坡向微气候的土壤温度Table 3 Soil temperature of microclimates with different slope aspects

2.1.4 不同坡向风速变化 由图3可知,‘霞多丽’种植园南坡和北坡的年风力资源基本一致,主要风向及高频风向为西北风,发生频率均为18%。2020年7月至2021年7月‘霞多丽’种植园北坡的主风向为西北风,次风向为东北风,且最大风力等级均为8～12 m/s;同期南坡的主风向为西北风,风力等级为8～12 m/s,次风向为东北风,风力等级为4～8 m/s。较强的风速能够调节小气候,在高温天气降低叶面温度,降低高湿天气发生病害的机率。

图3 2020年7月至2021年7月生长季北坡、南坡的风向Fig.3 The wind of the north slope and south slope during the growing season from July 2020 to July 2021

2.2 不同坡向‘霞多丽’果实品质的变化

从表4可知,不同坡向‘霞多丽’果实品质差异显著。2020—2021年,东坡‘霞多丽’果实百粒重最大,2020年南坡最大,2021年东坡的果形指数最大;2020—2021年南坡的可溶性固形物、还原糖含量、固酸比、糖酸比最大,北坡的可滴定酸含量最大;2020—2021年北坡的总酚含量最大,2020年北坡的单宁含量最大,2021年南坡的单宁含量最大。说明,南坡的‘霞多丽’果实品质优于北坡和东坡。

表4 不同坡向微气候对‘霞多丽’果实品质的影响Table 4 Effects of microclimates in different slope aspects on fruit quality

2.3 ‘霞多丽’果实品质与微气候因子的相关性分析

由表5可见,微气候因子与‘霞多丽’果实品质间关系密切。百粒重与7月地上50 cm平均气温、平均最高气温、日较差,7月地下10 cm平均土温、平均最高土温、地下20 cm平均最低土温,8月地上平均气温、地下20 cm平均最低土温呈极显著负相关,与8月湿度呈极显著正相关;可溶性固形物含量与7月地上50 cm平均气温、平均最高气温、日较差,8月地上平均气温呈极显著负相关,与7月平均最小湿度、8月平均湿度呈极显著正相关;可滴定酸含量与7月地上50 cm平均最低气温、平均湿度、平均最小湿度、8月平均湿度,8—9月水热系数呈极显著负相关,与7月地上50 cm平均最高气温、日较差,8月地上50 cm平均气温呈极显著正相关;还原糖与8月日照时数呈极显著负相关,与7月平均湿度、平均最小湿度,8月平均湿度、平均最小湿度呈极显著正相关;单宁与7月和8月平均最小湿度呈显著负相关,与7月地上50 cm平均气温、8月地上150 cm平均气温呈显著正相关;总酚与7月平均最小湿度呈极显著负相关,与7月地上50 cm平均气温,8月地上150 cm平均气温,湿度呈极显著正相关。说明,影响果实品质不同指标的微气候因素不同,为了反应更深层的关系,利用非线性拟合进一步分析。

表5 ‘霞多丽’果实品质与微气候因子的相关性分析Table 5 Correlation analysis between microclimate and ‘Chardonnay’ fruit growth and quality

2.4 影响果实品质的气象因子和土壤因子的多元逐步回归模型

气象因素和果实品质之间具有密切关系,将酿酒葡萄生长期间的微气候因素与果实品质进行相关分析,并筛选出与之关系显著的指标,其他指标的残差序列相关性检验值在 0.593～2.913,表明残差间不存在自相关性,能够运用逐步回归分析。从表6可知,‘霞多丽’的果实品质受水热系数、平均温度、平均湿度3种微气候因子影响最大。其中微气候影响果实品质的指标有所差异,果形指数、可溶性固形物、可滴定酸、还原糖、固酸比、单宁受到单一指标影响,果形指数、可溶性固形物、可滴定酸、还原糖、单宁均与相应微气候指标呈正相关。‘霞多丽’的百粒重受5月水热系数、7月地上10 cm平均最高温度、7月地上20 cm平均土温共同作用;7月水热系数越高‘霞多丽’果实的果形指数越大;8月平均最小湿度的增加有利于可溶性固形物和还原糖积累;8—9月水热系数增加有利于可滴定酸的积累;7月平均湿度增加有利于糖酸比和总酚的提升;7月地上150 cm日较差有利于单宁的积累;7月平均最小湿度增加不利于总酚的积累。水热系数、平均温度、平均湿度及日较差与‘霞多丽’果实品质呈一元一次线性关系,R2表示模型引入的自变量能解释相关果实品质的占比比例。单宁的R2较小,说明线性关系较弱;百粒重的R2较大,说明线性关系强。

表6 影响果实品质的气象因子和土壤因子的多元逐步回归模型Table 6 Stepwise regression model of meteorological factors and soil factors affecting fruit quality

3 讨 论

葡萄生长发育过程中不同坡向微气候差异显著。坡向导致太阳入射角、光照强度、风力资源等发生改变,对环境中的光照和水分条件造成影响[11],使果园微气候环境产生差异。‘霞多丽’种植园南坡、东坡、北坡的风速、风力发生频率差异较大,晴天、阴天南坡光照强度最大(121 360、22 176 Lux),‘霞多丽’种植园地上、地下部分日最高温最大,南坡比北坡土温更高,这与刘旻霞等[12]的研究结果一致。‘霞多丽’种植园位于北半球,太阳位于其南方,太阳可给南坡提供充足的热量,因此,南坡优于北坡和东坡。‘霞多丽’种植园由于人工管理能够获得均匀充足的水分,南坡水分蒸发多,平均湿度最高。光照和土温条件发生改变影响水分的分布,影响植物生理生态功能[13]。

‘霞多丽’种植园微气候变化对果实品质均能造成较大影响。同一海拔高度的‘霞多丽’种植园中,东坡行向为东西走向的‘霞多丽’的百粒重大于南坡、北坡(南北行向),这与尹海宁等[2]的研究结论一致。坡向和行向导致‘霞多丽’的叶面透光率和光照时长产生差异。阳光照射引起温度升高可以促进葡萄果实蒸腾速率和浆果脱水,由于不同坡向微气候不同导致葡萄果实品质存在差异[14]。前人研究表明,葡萄果实受高温、干热风及地面辐射影响,会失水减重,浆果品质成熟期提前,随后进入过熟期,葡萄浆果成熟后由于失水,粒重和果形指数减少,且光热水平提高能促进果实有机酸的降解[15-16],导致南坡‘霞多丽’果实的可滴定酸含量最小,北坡的最大,南坡‘霞多丽’果实的还原糖最大,北坡最小,东坡‘霞多丽’果实的百粒重最大,且可滴定酸含量由高到低分别为北坡、东坡、南坡。南坡的热量比北坡、东坡更高,这与刘旻霞[13]等的研究结果一致,充足的热量使葡萄果实成熟周期更短,但果实成熟加快后不利于单宁、总酚积累,因此北坡和东坡冷凉的微气候条件有利于‘霞多丽’单宁、总酚含量的提高。

不同坡向微环境与果实品质之间关系密切,微气候间协同效应对果实品质具有较大影响。通过控制变量法,果园的微气候环境对果实品质有显著影响[17-22]。本研究表明,温度和湿度是影响葡萄浆果品质的重要环境因素。葡萄果实品质由不同坡向的光照强度、温度、湿度分布不均衡引起。微气候因子不均衡会影响核桃、葡萄果树叶幕状态、葡萄树冠层和果际间微环境,进而影响叶片光合作用引起的果实生长量和品质差异[23-26]。通过将‘霞多丽’果实品质与微气候进行相关分析和逐步回归发现,7月地下10 cm平均最高温度、地下20 cm平均温度影响果实质量,7月地上150 cm日较差、平均湿度、平均最小湿度影响果实的单宁、总酚积累。湿度有利于‘霞多丽’果实百粒重、还原糖和可溶性固形物增加,不利于果实中可滴定酸、单宁、总酚积累。果形指数、可溶性固形物、可滴定酸、还原糖、固酸比、单宁受到单一微气候因素影响,百粒重、糖酸比、总酚受多个微气候因素影响。试验地降雨量少,在生长阶段通过滴灌、漫灌控制水分补充,减少过量水分对果实品质的不利影响。酿酒葡萄的果实生长发育过程中,7—8月微气候因子对果实品质影响非常显著[3]。本研究表明,7月水热系数对‘霞多丽’果形指数影响最大,这与刘洪波等[27]的研究结果不一致。本研究表明,‘霞多丽’果实百粒重、果形指数与平均温度呈负相关,与平均湿度呈正相关,刘洪波等[27]研究发现,葡萄果实形态指标与平均温度、平均湿度呈正相关,这可能是由于地理位置和气候环境等不同导致。

4 结 论

通过分析不同坡向微气候和果实品质的关系,可以有效判定在同一海拔高度影响‘霞多丽’果实品质的微气候因子。坡向使自然资源分配不均导致果园微气候产生较大差异,其中南坡的光照、温度、湿度条件整体优于北坡及东坡。葡萄园为了排水方便形成的行向使葡萄果实品质差异变大。微气候因子与果实品质具有较强的相关性,南坡温度高湿度大有利于果实的糖分积累;北坡日较差、湿度最小有利于果实的可滴定酸、单宁、总酚积累。本文对宁夏贺兰山东麓青铜峡试验地微气候特征的研究主要立足于3种不同坡向果实品质整体特征,在实际生产中白葡萄品种糖度、酸度的含量和成熟度对葡萄酒品质影响最大,故南坡最适合‘霞多丽’种植。