不同降水年型对马铃薯水分利用效率及水分生产潜力开发的影响—以武川县为例

张璐阳，潘志华,孙彦坤

（1.东北农业大学资源与环境学院,黑龙江哈尔滨150030；2.中国农业大学资源与环境学院,北京100193；3.农业部呼和浩特重点野外科学观测试验站,内蒙古武川011705）

栽培生理

不同降水年型对马铃薯水分利用效率及水分生产潜力开发的影响—以武川县为例

张璐阳1,2，潘志华2,3*,孙彦坤1

（1.东北农业大学资源与环境学院,黑龙江哈尔滨150030；2.中国农业大学资源与环境学院,北京100193；3.农业部呼和浩特重点野外科学观测试验站,内蒙古武川011705）

基于田间试验数据，研究降水对武川县马铃薯水分利用效率及水分生产潜力的影响，为农牧交错带马铃薯产业可持续发展与生态建设提供科学依据。试验采用由低到高11个不同肥力梯度处理，测量马铃薯每个生育期内耗水量及产量，应用农业生态区域法计算当地马铃薯水分生产潜力。研究表明：丰水年（2008）旱平地马铃薯水分利用效率平均值为48.3 kg/hm2·mm，而旱坡地只有36.8 kg/hm2·mm，平地水分利用效率是坡地的1.3倍。枯水年（2009）旱平地水分利用效率平均为33.3 kg/hm2·mm，旱坡地平均为22.1 kg/hm2·mm，平地水分利用效率是坡地的1.5倍。2008年马铃薯水分生产潜力为5 079.8 kg/hm2（干物质），2009年为4 146.8 kg/hm2（干物质）。丰水年旱平地马铃薯平均开发度为76%，旱坡地为46%。合理配合水肥及田间管理，会使武川县马铃薯生产具有一定的提高潜力。

马铃薯；水分生产潜力；水分利用效率

马铃薯是内蒙古种植最广泛的作物，常年种植面积稳定在67万hm2以上，总产鲜薯稳定保持在1 000万t[1]。武川县的马铃薯是全国马铃薯中的上品，曾作为北京奥运会和上海世博会的指定产品。武川县地处北方农牧交错带的中段，属于阴山北麓丘陵区，是我国典型的半干旱偏旱农业区、生态脆弱带及北方重要的生态屏障[2]。当地农业生产对水分的需求和生态环境水分的保持博弈明显。基于水分与农业生产关系的研究一直是农牧交错带地区的研究重点。一些研究者做了有关农牧交错带的土壤水分情况的研究[3-5]，说明水分是制约当地农业发展的重要因素之一。陈阜等[6]以及冷石林[7]在研究武川旱农区水分生产潜力时，运用不同方法对各种气象因素与生产关系、作物生产潜力测算进行了综合性的深入研究，计算结果为近期约有20%的潜力，远期约有1倍的潜力。信乃诠[8]在2002年发表著作中计算了北方农牧交错带主要作物的水分生产潜力情况，半干旱偏旱区的马铃薯水分生产潜力理论值为4339.5kg/hm2，高产典型达到3525.0kg/hm2，大田平均产量为2 175.0 kg/hm2（产量为1∶5折粮），大田潜力开发度为50.2%。

本研究以田间试验为基础，研究不同施肥水平，不同地形对马铃薯产量、水分利用效率的影响，通过对比不同降水条件下马铃薯的水分生产潜力，分析当地马铃薯水分生产潜力开发程度，并提出适合当地的施肥方式。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验设计

试验于2008年和2009年在武川县（41°N，111°E）内的国家农业部呼和浩特农牧交错带生态环境重点野外科学观测试验站进行，分别在旱平地和旱坡地两种地形进行试验。试验采用的马铃薯品种为‘紫花白’。在马铃薯肥力梯度试验中，设计11个不同的肥力梯度，其中1组为空白对照组，不施肥；5组为N：P为2：1递增，5组为N：P为1：1递增，具体施肥量见表1。武川县土壤为栗钙土，大部分地区土壤钾素含量较高，供钾能力较强[9]，故肥力梯度中没有设计加入钾肥。每个小区长10 m，宽3 m，面积30 m2。每种肥力梯度有3次重复。每个生育期应用土钻烘干法测量0～100 cm内土壤水分情况。

表1 肥力梯度试验设计（kg/hm2）Table 1 Fertility gradient experimental design（kg/ha)

1.2 试验方法

作物耗水量（ETa）的计算是基于从播种到收获期间0～100 cm土层深度的土壤储水量（SWS）的变化，再加上此期间的降水量减去径流和渗漏。作物耗水量（ETa）[10]可以用下式表示：

ETa=SWSs-SWSh+P-R

SWSs和SWSh分别为播种和收获时的土壤储水量；P为生长季的降雨量；R为径流和渗透总量，根据赵凌玉等[11]的研究结果，武川试验区地下水位均在7 m以下，深层渗漏量可忽略不计。由于每次降水量小，强降雨次数少，径流量也可忽略不计，所以R值为零。

水分利用效率的计算[12]：

WUE=Y/ETa

式中：WUE为水分利用效率（kg/hm2·mm），Y为作物经济产量（kg/hm2）；ETa为作物生育期耗水量（mm）。

本研究应用FAO农业生态区域法计算马铃薯生产潜力，首先计算马铃薯的光温生产潜力，再订正马铃薯的水分生产潜力。采用Kassam[13]农业生态区域法计算内蒙古武川地区马铃薯光温生产潜力及光温水生产潜力。

光温生产潜力YT计算公式为：

YT=CL×CN×CH×G×Y

式中：CL为叶面积订正系数；CN为净干物质生产量订正系数；CH为经济系数；G为生育期天数；Y为标准作物干物质生产率（kg/hm2·d）。

各计算步骤如下：

（1）标准作物干物质Y生产率（kg/hm2·d）的计算∶

Y=F（0.5+0.025Ym）Y0+（1-F）（0.05Ym）Yc

①Ym为不同作物种类、生长期间不同白天平均温度条件下的作物生产率，可根据作物生育期间内白天平均温度（TD）和作物种类，查表得出[14]：

TD=T+0.25（Tmax-Tmin）

式中：T为作物生育期间的日平均气温；Tmax为作物生育期间的最高气温平均值；Tmin为作物生育期间的最低气温平均值。

②F为生育期间白天天空云量覆盖度：

F=（Rse-0.5Rg）/0.8Rse

式中：Rse为晴天最大入射有效短波辐射（J/cm2·d），可根据站点纬度查表；Rg为实测入射短波辐射（J/cm2·d），可由下式求得：

Rg=（0.25+0.5n/N）×Ra×247

式中：n/N为日照百分率；Ra为大气顶的太阳辐射，单位用蒸发的水分毫米数表示，可由台站的地理纬度从表中用内插法求出；247为由Ra的毫米单位，换算成J/cm2·d的单位换算系数。

③Y0为生育期间完全阴天时，标准作物总干物质生产率，单位kg/hm2·d。

④Yc为生育期间完全晴天时，标准作物总干物质生产率。单位kg/hm2·d。

（2）叶面积系数订正（CL）

可查表得，本文取CL=0.5。

（3）净干物质生产量的订正系数（CN）

CN=0.72/（1+0.25Ct×G）

式中：G为生育期日数；Ct为维持呼吸订正系数，决定于日平均气温：

Ct=C30（0.044+0.0119T+0.00107T2）

式中：T为生育期间日平均气温；C30为温度为30℃时的维持呼吸，对于豆科作物C30=0.0283，非豆科作物C30=0.0108。

（4）收获部分的干物质订正（CH）

马铃薯的CH约在0.55～0.65之间，本文取CH=0.65。

订正马铃薯水分生产潜力：根据水分数据和订正系数再计算不同年份马铃薯水分生产潜力。

计算作物各旬需水量ETm（mm/旬）公式为：

ETm=Kc×PE

Kc为作物需水系数，其随作物的生长而变化，根据Doorenbos[14]等的研究，给出马铃薯不同生育阶段Kc值的范围，即起始期、生长期、中期、后期、收获期的Kc值分别为0.4～0.5、0.1～1.15、1.05～1.2、0.85～0.95、0.7～0.75。

PE为可能蒸散值，根据FAO的Penman-Monteith公式确定：

作物实际耗水量ETa（mm/旬）由试验确定。

计算作物不同生育阶段产量降低率（U）公式为：

U=Ky（1-ETa/ETm）

式中：Ky为产量反应系数，由文献[15]提供。

计算各生育阶段产量指数（Iy），公式为：

Iy1=（1-U1）×100%

Iy2=（1-U2）×100%

Iy3=（1-U3）×100%

2 结果与分析

2.1 降水情况分析

根据1961～2009年的降水资料分析，武川县多年平均降水量为345.3 mm。2008年全年降水量为419.4 mm，5～9月份生长季降水量为343.5mm。2008年降水量大于多年平均降水量10%[16]，可以认为是丰水年。2009年降水量为287.1 mm，其中5～9月份生长季降水量为243.2 mm。2009年降水量小于多年平均降水量10%，可以认为是枯水年。

2.2 马铃薯产量、作物耗水量、水分利用效率分析

如表2和表3所示，随着施肥量的不断增加，马铃薯的产量随之提高，但施肥量最多的小区并不是产量最高的小区。在2008年旱平地产量最高的处理是N4P2达到22 310 kg/hm2，比不施肥的对照组增产51%；旱坡地产量最高的处理是N2P1，为13 871 kg/hm2，比对照组增产20%。由于2009年是干旱年份，生长季降水量偏少，严重影响了马铃薯的出苗情况，造成了生育期的拖后。旱坡地马铃薯由于出苗过晚导致到9月份下霜的时候不能完成完整的生育期，不仅产量受到严重影响，而且影响马铃薯的品质。旱平地由于地势较低，是曾经干涸的河床，土壤质地较好，利于储水，影响稍小。旱平地产量最高的处理是N2P2为11 033 kg/hm2，产量最小的是N5P2.5为7 253 kg/hm2，比对照组产量还要少，此年水分条件的不足，高肥量反而降低水分利用，不能增产。旱坡地最高产量为N2P1达到6163kg/hm2，最小值出现在N5P5为4817kg/hm2。总体来看，在降雨量充足的年型中，N：P为1：1时，产量平均好于比例为1：0.5的情况，但最高产处理却出自比例为1：0.5。而在降雨量偏少的年份，这一现象不明显。中高肥力的处理一般会有相对稳定的产量和较高的水分利用效率，比如N2P1、N4P2、N2P2、N3P3这几个处理下的产量相对比较稳定，水肥的配比较为协调。但不同降水年型下，情况会略有变化。

旱平地马铃薯的水分利用效率明显高于旱坡地，2008年，旱平地马铃薯水分利用效率平均值为48.3 kg/hm2·mm，而旱坡地只有36.8 kg/hm2·mm，平地水分利用效率是坡地的1.3倍。旱平地水分利用效率最高值出现在N5P5处理，为55.9 kg/hm2·mm。坡地最高值出现在对照小区，为44.3 kg/hm2·mm。2009年，普遍情况都有下滑，但平地还是优于坡地的情况。旱平地水分利用效率平均为33.3 kg/hm2·mm，旱坡地平均为22.1 kg/hm2·mm，平地水分利用效率是坡地的1.5倍。旱平地水分利用效率最高值出现在N3P3处理，为38.2 kg/hm2·mm。坡地最高值出现在N1P0.5为25.3 kg/hm2·mm。

表2 2008年平地、坡地各小区马铃薯耗水量、产量和水分利用效率情况Table 2 Water consumption,production and WUE of potato in flat land and sloping field in 2008

表3 2009年平地、坡地各小区马铃薯耗水量、产量和水分利用效率情况Table 3 Water consumption,production and WUE of potato in flat land and sloping field in 2009

2.3 不同降水年型马铃薯水分生产潜力分析

首先计算马铃薯不同年份的光温生产潜力。计算参数和计算结果见表4、表5和表6。

在光温生产潜力基础上，利用水分数据和订正系数再计算不同年份马铃薯水分生产潜力。根据作物所生长发育进程，将马铃薯全生育期分成播种—幼苗、块茎形成期和块茎膨大—淀粉积累三个阶段，先计算作物不同生育阶段产量降低率（U）。Iyi，Ui（i =1,2,3）分别为对应营养生长阶段、生殖生长阶段与成熟阶段的产量指数和产量降低率。逐步订正得到不同年型马铃薯水分生产潜力。参数及计算结果见表7、表8。根据FAO农业生态区域法计算的马铃薯光温生产潜力和水分生产潜力结果为马铃薯的干物质重量，马铃薯干物质约占20%。

表4 有关2008年光温生产潜力计算参数Table 4 Parameters related to light-temperature potential productivity in 2008

表5 有关2009年光温生产潜力计算参数Table 5 Parameters related to light-temperature potential productivity in 2009

表6 马铃薯光温生产潜力计算Table 6 Potato light-temperature potential productivity

2008年为丰水年，水分生产潜力颇高，达到5 079.8 kg/hm2（干物质），2009年为枯水年水分生产潜力为4 146.8 kg/hm2（干物质）。此地降水变率明显影响水分生产潜力。根据武川县统计局提供的统计年鉴，从2000~2008年马铃薯的产量资料分析可知，其平均值为11 494.5 kg/hm2，而2008年田间试验数据的最高产量达22 309.5kg/hm2。近年武川县的马铃薯产量平均情况仅为试验最佳产量的51.5%，说明目前其平均生产潜力开发程度尚较低，开发潜力空间大。而试验最佳产量跟水分生产潜力又有一定差距。2008年水分生产潜力为5 079.8 kg/hm2（干物质）。而最高产量是旱平地N4P2处理干重约为4 461.9 kg/hm2，达到当年水分生产潜力的87.8%。2009年水分生产潜力为4 146.8 kg/hm2（干物质）。产量最佳的是旱平地N2P2处理，干重约为2 206.7 kg/hm2，达到水分生产潜力的53%。在枯水年，合理配比施肥，加强田间管理显得更为重要。

表7 2008年马铃薯各生育期参数值和水分生产潜力Yw计算Table 7 Parameters of potato growth period and climatic potential productivity Ywin 2008

表8 2009年马铃薯各生育期参数值和水分生产潜力Yw计算表Table 8 Parameters of potato growth period and climatic potential productivity Ywin 2009

表9为试验田不同处理的降水潜力开发程度。可以看出，2008年旱平地N4P2处理开发度最高，可达88%。说明当土壤条件良好，水肥管理适当的情况下，达到高产并不是遥不可及的。但坡地最高仅有55%，差距明显。2009年，产量整体下滑，两种地形的开发度都较低，但平地整体依然好于坡地。

3 讨论

本研究以武川县为例，从田间尺度研究了马铃薯水分利用效率及水分生产潜力开发情况。结果表明，丰水年（2008）旱平地马铃薯水分利用效率平均值为48.3 kg/hm2·mm，而旱坡地只有36.8kg/hm2·mm，平地水分利用效率是坡地的1.3倍。枯水年（2009）旱平地水分利用效率平均为33.3 kg/hm2·mm，旱坡地平均为22.1 kg/hm2·mm，平地水分利用效率是坡地的1.5倍。2008年马铃薯水分生产潜力为5 079.8 kg/hm2，2009年为4 146.8 kg/hm2。旱平地马铃薯开发度最高达到76%，旱坡地马铃薯开发度为46%。

2008年旱平地N4P2处理产量最大，达到当年水分生产潜力的87.8%。2009年旱平地N2P2处理产量最大，水分生产潜力开放度为53%。对比前人研究数据[8]，当时的开发度为一倍左右，也就是近些年实际生产发展达到了一个平台期，虽然对比试验田还有客观的发展潜力，笔者认为可能除了改进生产方式外，还需加强政策上的扶持等。

表9 不同地形、肥力马铃薯水分生产潜力开发程度Table 9 Potato climatic potential productivity exploitation of different topographies and different fertilities

结合田间试验和理论分析，对武川县当地马铃薯种植提出一些建议。（1）在地势低洼、有灌溉条件的地区，氮肥和磷肥施肥可以尝试N3P1.5和N3P3两种处理方式，得到稳定高产的概率最高，水分利用效率也较高。具体化肥施用量分别为尿素294 kg/hm2，三料磷147 kg/hm2；尿素294 kg/hm2，三料磷294 kg/hm2。（2）在地势较高的坡地情况，氮肥和磷肥施肥可以尝试N2P1和N2P2两种处理方式，得到稳定高产的概率最高，水分利用效率也较高。具体化肥施用量分别为尿素195 kg/hm2，三料磷97.5 kg/hm2；尿素195 kg/hm2，三料磷195 kg/hm2。（3）与2002年生产数据及生产潜力计算对比，10年内，武川地区马铃薯实际产量提高不明显，当地平均产量仅能达到水分生产潜力的一半，而试验田地，在水肥合理搭配情况下产量能够达到水分生产潜力的70%到80%，因此加强实际生产的科学管理还是有很大提高空间的。

[1]王国英.内蒙古自治区马铃薯种植面积稳定在1000万亩以上[EB/OL].(2012-08-15)[2012-11-26].http∶//www.gov.cn/gzdt/ 2012-08/15/content_2204509.htm.

[2]方精云.全球生态学—气候变化与响应[M].北京∶高等教育出版社,2000.

[3]杨秀春,徐斌,严平,等.农牧交错带不同农田耕作模式土壤水分特征对比研究[J].水土保持学报,2005,19(2)∶125-129.

[4]马月存,秦红灵,高旺盛,等.农牧交错带不同耕作方式土壤水分动态变化特征[J].生态学报,2007,27(6)∶2523-2530.

[5]王立为,潘志华,高西宁,等.不同施肥水平对旱地马铃薯水分利用效率的影响[J].中国农业大学学报,2012,17(2)∶54-58.

[6]陈阜,龙牧华.武川旱农试区农田水分生产潜力研究[J].干旱地区农业研究,1995,13(4)∶14-18.

[7]冷石林.北方旱农地区自然降水生产潜力的适度开发对策[J].中国农业气象,1997,18(6)∶30-33.

[8]信乃诠.中国北方旱区农业研究[M].北京∶中国农业出版社,2002..

[9]黄绍文,金继运,程明芳,等.北方主要土壤对当季作物的供钾能力[J].土壤肥料,1999(3)∶3-7.

[10]熊顺贵.基础土壤学[M].北京∶中国农业大学出版社,2001.

[11]赵凌玉,潘志华,安萍莉,等.北方农牧交错带作物耗水特征及其与气温和降水的关系[J].资源科学,2012,34(3)∶401-408.

[12]Cayci G,Heng L K,Öztürk H S,et al.Crop yield and water use efficiency in semi-arid region of Turkey[J].Soil and Tillage Research,2009,103(1)∶65-72.

[13]Kassam A H.Net biomass and yields of crops[R].Agro-ecological Zones Project.AGL-FAO,Rome,1977.

[14]Doorenbos J,PruittWO.Guidelinesforpredicting crop waterrequirements[M].Food and Agriculture Organization of the United Nations.Rome,Italy,1977.

[15]曲曼丽.农业气候实习指导[M].北京∶北京农业大学出版社,1991.

[16]张皓,冯利平.近50年华北地区降水量时空变化特征研究[J].自然资源学报,2010,25(2)∶270-279.

Effects on Water Use Efficiency of Potato and Development of Water Potential Productivity in Different Precipitation Years—A Case of Wuchuan County

ZHANG Luyang1,2,PAN Zhihua2,3＊,SUN Yankun1

(1.College of Resources and Environment,Northeast Agricultural University,Harbin,Heilongjiang 150030,China;2.College of Resources and Environmental Sciences,China Agricultural University,Beijing 100193,China;3.Key Ecological and Environmental Scientific Experiment and Field Observation Station for the Chinese Ministry of Agriculture,Wuchuan,Inner Mongolia 011705,China)

Impacts ofprecipitation on wateruse efficiency(WUE)and waterpotentialproductivity ofpotato were studied via field trialin Wuchuan County toprovide a scientific base forsustainable developmentandeco-regionalagriculturalbuilding.Water consumption ofpotato in each growth period was measured in 11 differentfertility treatments and waterpotentialproductivity was calculated by using agro-ecological zone method recommended by FAO.The results showed that different topography and soil fertilitylevelshadsignificanteffectson WUEandwaterpotentialproductivity developmentdegree.In2008(wetyear),themean value ofthe WUEofpotato inarid flatfield was 48.3kg/ha·mm,whilein arid sloping fieldwas 36.8 kg/ha·mm,the WUEinflatfieldbeing 1.3 timesmorethaninslopingarea.Andin 2009(dryyear),themean value of WUEofpotato in arid flatfield was 33.3 kg/ha·mm,whilein arid sloping field was 22.1kg/ha·mm,WUEin flatfield being 1.5 times more than insloping area.The waterpotentialproductivity of potato was 5079.8 kg/ha(dry matter)and4 146.8kg/ha(dry matter)in 2008and2009,respectively.In 2008,theaveragedevelopment degrees were 76%and 46%in flat and slope field,respectively.It is suggested that fertilizer application and field management should be carried outreasonably in orderto increase the production ofpotato in Wuchuan County.

potato；water potential productivity；water use efficiency

S532

A

1672-3635（2013）02-0065-07

2012-12-24

国家科技支撑计划（2012BAD09B02）；国家重大科学研究计划“973”项目（2012CB956204）；国家自然科学基金项目（41271110）。

张璐阳（1986-），女，助教，在读博士，主要研究方向为农业气象。

潘志华，教授，从事全球气候变化与旱地农业、生态恢复与重建研究，E-mail∶panzhihua@cau.edu.cn。