宁夏马铃薯产量形成的关键影响气象因素分析

郑 方,徐 青,马力文,张学艺

(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/宁夏气象防灾减灾重点实验室,宁夏 银川 750002)

马铃薯是宁夏中南部山区面积最大的农作物和战略性主导产业，种植面积近230 Khm2，总产量42.5万t。该区域处于我国西北农牧交错带的黄土高原，丘陵沟壑纵横，土层深厚，通透性好，十分适合种植马铃薯，旱作马铃薯是贫困山区农民抵御干旱的重要农产品。由于该区域十年九旱，灾害频繁，农业生产受气候影响很大[1]，旱作马铃薯产量低而不稳，年际波动大。2016年之后宁夏把马铃薯主食化作为脱贫济困、促进增收的重大举措，大力发展马铃薯特色产业。宁夏马铃薯播种面积和总产在逐年提高，但单产年际间波动剧烈。中部干旱带1981-2000年马铃薯单产由4 000 kg·hm-2的水平上升至9 000 kg·hm-2的水平，翻了1.25倍，但自21世纪初开始下降至目前的6 300 kg·hm-2的水平；南部山区1981-2005年马铃薯单产由5 000 kg·hm-2的水平逐渐上升至13 000 kg·hm-2的水平，单产翻了1.6倍，近5 a来略下降至12 000 kg·hm-2的水平。中部干旱带的马铃薯的生长受气候条件的影响更大，单产增产幅度比南部山区低，特别是近10 a来呈减产趋势，干旱造成单产的区域差距大，产量低而不稳。为此，笔者研究在宁夏西海固贫困区开展大田分期播种试验和适地播种，分析气温、降水等气象因子对宁夏贫困区旱地马铃薯产量的影响，确定该地区影响产量的关键气象因子，提出适应气候变化的对策。

气象条件对作物的影响是一个复杂的过程，某气象要素在特定的区域总是能满足作物生长时，该地该要素对产量的影响就变得不太重要。当某一气象要素作为资源，在该区域变异性较大且总是不太能满足作物生长时，这个气象因子就变得非常重要，我们就称之为关键因子，或在作物的某一发育阶段总是不能满足作物生长，这个发育期便被称为关键期。因此每一个地区，每一种作物的关键气象因子和关键发育期并不完全相同。如河南冬小麦返青-抽穗期≥10℃有效积温相对于其他形式的热量资源波动变化大，与产量的相关系数高，是冬小麦生长的关键气象因子[2]。在陕西省宝鸡地区，冬前10-12月和次年5月的气温对冬小麦产量形成起着至关重要的作用[3]。种植在不同地区的马铃薯关键期和关键气象因子各有不同。李华鹏等在四川卧龙地区的试验研究表明，在块茎增长期，较高的气温对马铃薯块茎增大有利[4]。吴炫柯等通过分期播种试验发现，在广西柳州马铃薯结薯-成熟期是马铃薯关键生育期，期间的气象因子对产量影响较大[5]。在青海马铃薯全生育期内气温对其产量的影响并不大，而生育期内降水对马铃薯产量的影响十分明显[6]。在辽宁沈阳地区，年降水量增加，马铃薯产量呈增加趋势，而年平均气温减少则造成马铃薯减产[7]。朱赟赟等认为虽然在宁夏不同地区影响马铃薯产量的气象因子不同，但降水量始终是影响马铃薯产量的第一主要因子[8]。

笔者研究以历年各市县马铃薯种植面积为权重进行气象因子合成，利用气象适宜度和作物水分亏缺和产量进行拟合，找出产量拟合的关键影响气象因素，为农业生产提供支持。

1 资料和方法

1.1 资料来源

产量、面积资料来源于1961-2015年宁夏中南部山区各市县马铃薯的产量调查数据。气象资料源于历年各气象观测站历史观测记录，并根据本研究的方法将其进行面积合成。

1.2 气象资料面积权重合成

将区域内多个气象观测站的历年气象资料，以历年各市县马铃薯种植面积为权重进行合成来反映马铃薯生长气象条件：

(1)

式中，Mj为j日综合权重的气象要素值(主要为日平均气温、日降水量、日照时数、日最高气温、日最低气温等)，Mij为i站j日的气象要素，Si为i县当年马铃薯种植面积。按照该年各县马铃薯种植面积分别合成当年的气象资料，作为当年的区域综合气象资料。按照上述方法，将1954-2016年的逐站气象资料合成为马铃薯区域综合气象资料。

1.3 相对气象产量

为明确气象因子的作用，需滤除品种、灌溉条件改善等生产力水平提高的趋势产量，提取受气候影响的产量波动。笔者以单产与趋势产量的比值表示相对气象产量，该比值大于1表示气象产量高于该年平均产量，即增产年，比值小于1则当年产量在趋势产量以下，为减产年。相对气象产量表示为：

y/yt=1+yW/yt

(2)

参考山区各地固海扬水工程、盐环定扬黄灌区建设发挥效用的时间，以1976年为界限，分段模拟了马铃薯的趋势产量(图1)。

(3)

1.4 作物水分满足率和水分盈亏量

采用彭曼公式计算参考作物蒸散量，公式如下：

(4)

式中，T为日平均气温，Rn为冠层净辐射(MJm-2d-1)，G为土壤热通量(MJm-2d-1)，U2为2 m处平均风速(ms-1)，VPD为水气压差(KPa),Δ为饱和水气压曲线斜率(Kpa℃-1)，γ为干湿表常数。

参考FAO提供的不同生育阶段作物Kc系数，估算历年马铃薯不同生育期需水量。作物生长第i日的需水量ETci为：

ETci=Kci×EToi

(5)

其中Kci为作物系数。FAO推荐的马铃薯作物的Kc系数见表1。

表1 主要作物的Kc值(FAO)

农田蒸散量ET由作物蒸腾和土壤蒸发构成，在干旱条件下，可忽略水分下渗量和毛管水上升量，其简易平衡方程为：

ET=V1-V2+(1-r)∑R+P

(5)

式中，V1、V2分别为某时段开始和结束时一定深度土层内的土壤贮水量[mm]，可由土壤重量含水量与土壤容重的乘积来确定。r为平均径流系数，∑R为某时段累计降水量，P为灌溉量。

水分满足率是某时段内作物耗水量与需水量的比值，其计算公式为：

(6)

水分盈亏量是某时段内作物耗水量与需水量的差值，其计算公式为：

βK=ET-ETC

(7)

(6)、(7)式中，βs、βk分别为水分满足率和水分盈亏，ET为作物耗水量，ETc为作物需水量。

1.5 水分利用效率(WUE)

水分利用效率是评价水分亏缺下植物生长适宜度的综合指标之一。其计算方法为[9]：

式中：Yd为经济产量，ETc为作物需水量。

1.6 气象适宜度

作物气候适宜度是农作物在各生长阶段内所需要水分、温度、光照等气象条件的满足程度，在评价作物生长气象条件优劣等方面有独特的作用，评价的客观性和科学性较强。利用气候适宜度以及宁夏中南部山区马铃薯生长气象条件适宜性，建立产量气象模型，可评价气象条件对中南部山区马铃薯生长发育、产量形成的适宜性。笔者研究温度适宜度函数的计算采用马树庆等基于温度三基点温度不对称提出的温度适宜度函数[10]，其计算公式如下：

(9)

式中t1为马铃薯某发育时段的下限温度；t2为上限温度；t0为马铃薯发育的最适温度；t为某旬的实际温度。马铃薯的三基点温度指标如表2。

表2 马铃薯不同生育期的三基点温度

改进魏瑞江等在旱作农田的降水适宜度公式[11]，以上旬降水量在本旬的存留比例与本旬降水量的累加值占本旬需水量的70%和2倍为界，如果本旬水分收入项少于该作物旬需水量的70%，适宜度为降水量除以需水量，如果高于本旬作物需水量的2倍，则水分过多对作物生长产生负作用，用作物需水量除以水分收入项，在需水量的70%至2倍的范围内，适宜度为1，即：

(10)

式中Ri-1j、Ri分别为上旬和本旬降水量，r为存留系数，即上旬降水用于本旬的量。根据利用固原农业气象试验站土壤水分监测与估算结果的比较，统一用0.5，效果较好。ETci为利用彭曼公式与FAO推荐的马铃薯作物系数推算的需水量[12]。

大多数文献研究认为，日照时数达到可照时数的70%(日照百分率)为临界点[13],其计算公式如下：

(11)

S为某阶段日照时数，S0为太阳可照时数，可通过地理纬度、太阳赤纬计算，b为系数，可参照相关研究结果。

在确定最适宜的光温水单因子气候适宜度模型后，可利用立方根法可建立光温水综合气候适宜度：

(12)

式中，CS为气候适宜度指数，CS(Ta)、CS(Pr)、CS(S)分别为温度、水分、光照适宜度。

2 结果

2.1 影响相对气象产量的因子相关分析

根据固原马铃薯发育期观测，一般在4月下旬至5月上旬播种，6月中旬现蕾，6月下旬至7月中旬为花序形成、开花阶段，7月下旬至9月底为块茎膨大阶段，9月下旬末或10月初采挖。由于各地马铃薯播种时间前后可达一个月，收获期有些年份可延迟到10月下旬，为了比较不同年份马铃薯生育气象条件，笔者研究统一将1/4～20/6期间定为苗期、21/6～20/7定为花序形成至开花期、21/7～30/9定为块茎膨大期。以1954-2014年的马铃薯相对气象产量与不同生育时段内的温度、降水、日照适宜度、水分盈亏量和水分满足率等进行相关分析。气象因子与相对气象产量的相关筛选结果见表3。

表3 马铃薯相对气象产量与气象因子相关分析(1954-2014年)

2.2 水分满足率及盈亏量与产量的关系

尽管水分盈亏量和水分满足度与气象产量的相关因子并没有通过0.05的检验，但其与相对气象产量的拟合方程的复相关系数依然通过了R0.05的显著性检验(图2a、b)，苗期水分满足率一般在30%～150%之间，61 a中有47 a在100%以下，水分盈亏以负值居多，表示苗期水分多数年份得不到满足。

花序形成至开花期水分满足率和盈亏量与产量的拟合方程的复相关系数也通过R0.001的显著性检验(图3a、b)。在61 a中，完全能够满足马铃薯生长的水分条件的仅有2 a，其余59 a水分满足率在-5.8%～-92.4%之间，多年平均状况在-60%左右，水分盈亏量在-164～-10 mm，多年平均缺水60 mm以上，表明绝大多数年份6月下旬至7月中旬降水量严重不足，基本不能满足马铃薯水分需求，严重限制了产量的提高，需要在此阶段补充灌溉才能大幅度提高产量。

块茎膨大期水分满足率和盈亏量与产量的关系不显著(图4a、b)，表明后期马铃薯不缺水，水分能够满足膨大需求，有些年份雨水过多，引起晚疫病而减产。61 a中，全生育期水分能够安全满足需水的仅2 a，水分满足率一般在36%～92%之间，缺水量一般在20～370 mm之间。

2.3 水分利用效率(MUE)与产量的关系

马铃薯全生育期的WUE与产量关系极其密切，相对气象产量随着WUE的增大而升高，通过R0.001的显著性检验(图5)。通过不同时段降水量与WUE的相关普查，发现马铃薯薯块膨大期降水量与WUE的负相关达到极显著，通过了R0.001的显著性检验(图6)，说明膨大期降水量对产量的影响大。究其原因是马铃薯生长后期出现持续阴雨寡照的年份很多，雨水过多往往造成马铃薯晚疫病严重发生，特别是近5 a晚疫病大面积发生，田间病株率几乎100%，导致秋雨偏好的年份马铃薯反而减产，甚至严重减产。

2.4 气象适宜度与产量的关系

马铃薯相对气象产量与5月、9月份的温度适宜度为明显正相关，播种至出苗阶段、块茎膨大后期温度往往偏低，两头热量不足限制了产量的提高(图7a、7b)。全生育期温度累积适宜度指数与产量呈2次曲线关系，最适值为158，热量不足或过多产量均会降低(图7c)。说明虽然适宜程度高，对马铃薯生长越有有利，但不一定对产量形成有利。

6月下旬至8月上旬是马铃薯花序形成、开花和块茎膨大初期，对水分敏感，其与产量的决定系数为0.1846，达到R0.001的极显著水平，此时气温处于全年最高时段，正值马铃薯开花至块茎膨大初期的水分敏感期，雨水偏少影响小薯膨大数量，干旱抑制块茎膨大，对结薯量、产量影响很大(图8a)。薯块膨大期水分适宜度与产量呈2次曲线关系，分别通过了R0.001的显著性检验，薯块膨大期是马铃薯干物质积累的重要阶段，此时水分缺少影响产量形成，但水分适宜度高往往意味着阴雨天多影响马铃薯光合积累造成产量降低(图8b)。

8月中旬至9月下旬的块茎膨大时段日照适宜度与产量正相关(图9a)，说明膨大期日照不足往往与阴雨寡照联系紧密，多雨造成晚疫病危害严重。从7-9月份和光温水综合气象适宜度与产量呈正相关关系，通过了R0.001的显著性检验，随着综合累积适宜度指数的增大，产量提高。

3 结论与讨论

宁夏中南部山区马铃薯产量与气象条件关系紧密，受自然条件限制，这些地区以旱作栽培为主，农业生产与降水多寡和降水出现的季节息息相关，光热资源是进一步提高产量的基础。限制马铃薯产量的关键气象因素有苗期的温度，花序形成-开花期为马铃薯生长发育的关键时期，水分适宜度、日照适宜度和综合适宜度均对产量有影响，说明此阶段马铃薯对气象条件敏感，特别水对水分敏感，是马铃薯的水分关键期。薯块膨大期是马铃薯另一个关键期，温度、降水量和光照条件对产量均有影响，其中以日照尤为显著。

从马铃薯实际生产调查中也可发现，苗期宁夏中南部山区马铃薯需水量较小，水分资源不是限制因子，但热量资源略显不够，所以苗期气温为产量形成的关键因子。花序形成-开花期，随着气温升高，热量资源已不是限制因子了，此时马铃薯进入了需水旺盛期，自然降水严重缺乏，此阶段水分是关键因子，以开花前后的降水量影响最大。薯块膨大期宁夏中南部山区往往出现低温、阴雨寡照天气，诱发严重的晚疫病，导致减产。苗期在水分适宜条件下，温度偏高有利于早发，使开花期提早，有利于避开花期高温少雨的不利气象条件，从而有利于增产。