不同降水年型對馬鈴薯水分利用效率及水分生產(chǎn)潛力開發(fā)的影響—以武川縣為例

張璐陽，潘志華,孫彥坤

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,黑龍江哈爾濱150030；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京100193；3.農(nóng)業(yè)部呼和浩特重點野外科學(xué)觀測試驗站,內(nèi)蒙古武川011705）

栽培生理

不同降水年型對馬鈴薯水分利用效率及水分生產(chǎn)潛力開發(fā)的影響—以武川縣為例

張璐陽1,2，潘志華2,3*,孫彥坤1

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,黑龍江哈爾濱150030；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京100193；3.農(nóng)業(yè)部呼和浩特重點野外科學(xué)觀測試驗站,內(nèi)蒙古武川011705）

基于田間試驗數(shù)據(jù)，研究降水對武川縣馬鈴薯水分利用效率及水分生產(chǎn)潛力的影響，為農(nóng)牧交錯帶馬鈴薯產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。試驗采用由低到高11個不同肥力梯度處理，測量馬鈴薯每個生育期內(nèi)耗水量及產(chǎn)量，應(yīng)用農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法計算當(dāng)?shù)伛R鈴薯水分生產(chǎn)潛力。研究表明：豐水年（2008）旱平地馬鈴薯水分利用效率平均值為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?？菟辏?009）旱平地水分利用效率平均為33.3 kg/hm2·mm，旱坡地平均為22.1 kg/hm2·mm，平地水分利用效率是坡地的1.5倍。2008年馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力為5 079.8 kg/hm2（干物質(zhì)），2009年為4 146.8 kg/hm2（干物質(zhì)）。豐水年旱平地馬鈴薯平均開發(fā)度為76%，旱坡地為46%。合理配合水肥及田間管理，會使武川縣馬鈴薯生產(chǎn)具有一定的提高潛力。

馬鈴薯；水分生產(chǎn)潛力；水分利用效率

馬鈴薯是內(nèi)蒙古種植最廣泛的作物，常年種植面積穩(wěn)定在67萬hm2以上，總產(chǎn)鮮薯穩(wěn)定保持在1 000萬t[1]。武川縣的馬鈴薯是全國馬鈴薯中的上品，曾作為北京奧運會和上海世博會的指定產(chǎn)品。武川縣地處北方農(nóng)牧交錯帶的中段，屬于陰山北麓丘陵區(qū)，是我國典型的半干旱偏旱農(nóng)業(yè)區(qū)、生態(tài)脆弱帶及北方重要的生態(tài)屏障[2]。當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水分的需求和生態(tài)環(huán)境水分的保持博弈明顯?；谒峙c農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系的研究一直是農(nóng)牧交錯帶地區(qū)的研究重點。一些研究者做了有關(guān)農(nóng)牧交錯帶的土壤水分情況的研究[3-5]，說明水分是制約當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一。陳阜等[6]以及冷石林[7]在研究武川旱農(nóng)區(qū)水分生產(chǎn)潛力時，運用不同方法對各種氣象因素與生產(chǎn)關(guān)系、作物生產(chǎn)潛力測算進行了綜合性的深入研究，計算結(jié)果為近期約有20%的潛力，遠期約有1倍的潛力。信乃詮[8]在2002年發(fā)表著作中計算了北方農(nóng)牧交錯帶主要作物的水分生產(chǎn)潛力情況，半干旱偏旱區(qū)的馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力理論值為4339.5kg/hm2，高產(chǎn)典型達到3525.0kg/hm2，大田平均產(chǎn)量為2 175.0 kg/hm2（產(chǎn)量為1∶5折糧），大田潛力開發(fā)度為50.2%。

本研究以田間試驗為基礎(chǔ)，研究不同施肥水平，不同地形對馬鈴薯產(chǎn)量、水分利用效率的影響，通過對比不同降水條件下馬鈴薯的水分生產(chǎn)潛力，分析當(dāng)?shù)伛R鈴薯水分生產(chǎn)潛力開發(fā)程度，并提出適合當(dāng)?shù)氐氖┓史绞健?/p>

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗設(shè)計

試驗于2008年和2009年在武川縣（41°N，111°E）內(nèi)的國家農(nóng)業(yè)部呼和浩特農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站進行，分別在旱平地和旱坡地兩種地形進行試驗。試驗采用的馬鈴薯品種為‘紫花白’。在馬鈴薯肥力梯度試驗中，設(shè)計11個不同的肥力梯度，其中1組為空白對照組，不施肥；5組為N：P為2：1遞增，5組為N：P為1：1遞增，具體施肥量見表1。武川縣土壤為栗鈣土，大部分地區(qū)土壤鉀素含量較高，供鉀能力較強[9]，故肥力梯度中沒有設(shè)計加入鉀肥。每個小區(qū)長10 m，寬3 m，面積30 m2。每種肥力梯度有3次重復(fù)。每個生育期應(yīng)用土鉆烘干法測量0～100 cm內(nèi)土壤水分情況。

表1 肥力梯度試驗設(shè)計（kg/hm2）Table 1 Fertility gradient experimental design（kg/ha)

1.2 試驗方法

作物耗水量（ETa）的計算是基于從播種到收獲期間0～100 cm土層深度的土壤儲水量（SWS）的變化，再加上此期間的降水量減去徑流和滲漏。作物耗水量（ETa）[10]可以用下式表示：

ETa=SWSs-SWSh+P-R

SWSs和SWSh分別為播種和收獲時的土壤儲水量；P為生長季的降雨量；R為徑流和滲透總量，根據(jù)趙凌玉等[11]的研究結(jié)果，武川試驗區(qū)地下水位均在7 m以下，深層滲漏量可忽略不計。由于每次降水量小，強降雨次數(shù)少，徑流量也可忽略不計，所以R值為零。

水分利用效率的計算[12]：

WUE=Y/ETa

式中：WUE為水分利用效率（kg/hm2·mm），Y為作物經(jīng)濟產(chǎn)量（kg/hm2）；ETa為作物生育期耗水量（mm）。

本研究應(yīng)用FAO農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法計算馬鈴薯生產(chǎn)潛力，首先計算馬鈴薯的光溫生產(chǎn)潛力，再訂正馬鈴薯的水分生產(chǎn)潛力。采用Kassam[13]農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法計算內(nèi)蒙古武川地區(qū)馬鈴薯光溫生產(chǎn)潛力及光溫水生產(chǎn)潛力。

光溫生產(chǎn)潛力YT計算公式為：

YT=CL×CN×CH×G×Y

式中：CL為葉面積訂正系數(shù)；CN為凈干物質(zhì)生產(chǎn)量訂正系數(shù)；CH為經(jīng)濟系數(shù)；G為生育期天數(shù)；Y為標(biāo)準(zhǔn)作物干物質(zhì)生產(chǎn)率（kg/hm2·d）。

各計算步驟如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)作物干物質(zhì)Y生產(chǎn)率（kg/hm2·d）的計算∶

Y=F（0.5+0.025Ym）Y0+（1-F）（0.05Ym）Yc

①Ym為不同作物種類、生長期間不同白天平均溫度條件下的作物生產(chǎn)率，可根據(jù)作物生育期間內(nèi)白天平均溫度（TD）和作物種類，查表得出[14]：

TD=T+0.25（Tmax-Tmin）

式中：T為作物生育期間的日平均氣溫；Tmax為作物生育期間的最高氣溫平均值；Tmin為作物生育期間的最低氣溫平均值。

②F為生育期間白天天空云量覆蓋度：

F=（Rse-0.5Rg）/0.8Rse

式中：Rse為晴天最大入射有效短波輻射（J/cm2·d），可根據(jù)站點緯度查表；Rg為實測入射短波輻射（J/cm2·d），可由下式求得：

Rg=（0.25+0.5n/N）×Ra×247

式中：n/N為日照百分率；Ra為大氣頂?shù)奶栞椛?，單位用蒸發(fā)的水分毫米數(shù)表示，可由臺站的地理緯度從表中用內(nèi)插法求出；247為由Ra的毫米單位，換算成J/cm2·d的單位換算系數(shù)。

③Y0為生育期間完全陰天時，標(biāo)準(zhǔn)作物總干物質(zhì)生產(chǎn)率，單位kg/hm2·d。

④Yc為生育期間完全晴天時，標(biāo)準(zhǔn)作物總干物質(zhì)生產(chǎn)率。單位kg/hm2·d。

（2）葉面積系數(shù)訂正（CL）

可查表得，本文取CL=0.5。

（3）凈干物質(zhì)生產(chǎn)量的訂正系數(shù)（CN）

CN=0.72/（1+0.25Ct×G）

式中：G為生育期日數(shù)；Ct為維持呼吸訂正系數(shù)，決定于日平均氣溫：

Ct=C30（0.044+0.0119T+0.00107T2）

式中：T為生育期間日平均氣溫；C30為溫度為30℃時的維持呼吸，對于豆科作物C30=0.0283，非豆科作物C30=0.0108。

（4）收獲部分的干物質(zhì)訂正（CH）

馬鈴薯的CH約在0.55～0.65之間，本文取CH=0.65。

訂正馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力：根據(jù)水分?jǐn)?shù)據(jù)和訂正系數(shù)再計算不同年份馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力。

計算作物各旬需水量ETm（mm/旬）公式為：

ETm=Kc×PE

Kc為作物需水系數(shù)，其隨作物的生長而變化，根據(jù)Doorenbos[14]等的研究，給出馬鈴薯不同生育階段Kc值的范圍，即起始期、生長期、中期、后期、收獲期的Kc值分別為0.4～0.5、0.1～1.15、1.05～1.2、0.85～0.95、0.7～0.75。

PE為可能蒸散值，根據(jù)FAO的Penman-Monteith公式確定：

作物實際耗水量ETa（mm/旬）由試驗確定。

計算作物不同生育階段產(chǎn)量降低率（U）公式為：

U=Ky（1-ETa/ETm）

式中：Ky為產(chǎn)量反應(yīng)系數(shù)，由文獻[15]提供。

計算各生育階段產(chǎn)量指數(shù)（Iy），公式為：

Iy1=（1-U1）×100%

Iy2=（1-U2）×100%

Iy3=（1-U3）×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 降水情況分析

根據(jù)1961～2009年的降水資料分析，武川縣多年平均降水量為345.3 mm。2008年全年降水量為419.4 mm，5～9月份生長季降水量為343.5mm。2008年降水量大于多年平均降水量10%[16]，可以認為是豐水年。2009年降水量為287.1 mm，其中5～9月份生長季降水量為243.2 mm。2009年降水量小于多年平均降水量10%，可以認為是枯水年。

2.2 馬鈴薯產(chǎn)量、作物耗水量、水分利用效率分析

如表2和表3所示，隨著施肥量的不斷增加，馬鈴薯的產(chǎn)量隨之提高，但施肥量最多的小區(qū)并不是產(chǎn)量最高的小區(qū)。在2008年旱平地產(chǎn)量最高的處理是N4P2達到22 310 kg/hm2，比不施肥的對照組增產(chǎn)51%；旱坡地產(chǎn)量最高的處理是N2P1，為13 871 kg/hm2，比對照組增產(chǎn)20%。由于2009年是干旱年份，生長季降水量偏少，嚴(yán)重影響了馬鈴薯的出苗情況，造成了生育期的拖后。旱坡地馬鈴薯由于出苗過晚導(dǎo)致到9月份下霜的時候不能完成完整的生育期，不僅產(chǎn)量受到嚴(yán)重影響，而且影響馬鈴薯的品質(zhì)。旱平地由于地勢較低，是曾經(jīng)干涸的河床，土壤質(zhì)地較好，利于儲水，影響稍小。旱平地產(chǎn)量最高的處理是N2P2為11 033 kg/hm2，產(chǎn)量最小的是N5P2.5為7 253 kg/hm2，比對照組產(chǎn)量還要少，此年水分條件的不足，高肥量反而降低水分利用，不能增產(chǎn)。旱坡地最高產(chǎn)量為N2P1達到6163kg/hm2，最小值出現(xiàn)在N5P5為4817kg/hm2?？傮w來看，在降雨量充足的年型中，N：P為1：1時，產(chǎn)量平均好于比例為1：0.5的情況，但最高產(chǎn)處理卻出自比例為1：0.5。而在降雨量偏少的年份，這一現(xiàn)象不明顯。中高肥力的處理一般會有相對穩(wěn)定的產(chǎn)量和較高的水分利用效率，比如N2P1、N4P2、N2P2、N3P3這幾個處理下的產(chǎn)量相對比較穩(wěn)定，水肥的配比較為協(xié)調(diào)。但不同降水年型下，情況會略有變化。

旱平地馬鈴薯的水分利用效率明顯高于旱坡地，2008年，旱平地馬鈴薯水分利用效率平均值為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現(xiàn)在N5P5處理，為55.9 kg/hm2·mm。坡地最高值出現(xiàn)在對照小區(qū)，為44.3 kg/hm2·mm。2009年，普遍情況都有下滑，但平地還是優(yōu)于坡地的情況。旱平地水分利用效率平均為33.3 kg/hm2·mm，旱坡地平均為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現(xiàn)在N3P3處理，為38.2 kg/hm2·mm。坡地最高值出現(xiàn)在N1P0.5為25.3 kg/hm2·mm。

表2 2008年平地、坡地各小區(qū)馬鈴薯耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率情況Table 2 Water consumption,production and WUE of potato in flat land and sloping field in 2008

表3 2009年平地、坡地各小區(qū)馬鈴薯耗水量、產(chǎn)量和水分利用效率情況Table 3 Water consumption,production and WUE of potato in flat land and sloping field in 2009

2.3 不同降水年型馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力分析

首先計算馬鈴薯不同年份的光溫生產(chǎn)潛力。計算參數(shù)和計算結(jié)果見表4、表5和表6。

在光溫生產(chǎn)潛力基礎(chǔ)上，利用水分?jǐn)?shù)據(jù)和訂正系數(shù)再計算不同年份馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力。根據(jù)作物所生長發(fā)育進程，將馬鈴薯全生育期分成播種—幼苗、塊莖形成期和塊莖膨大—淀粉積累三個階段，先計算作物不同生育階段產(chǎn)量降低率（U）。Iyi，Ui（i =1,2,3）分別為對應(yīng)營養(yǎng)生長階段、生殖生長階段與成熟階段的產(chǎn)量指數(shù)和產(chǎn)量降低率。逐步訂正得到不同年型馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力。參數(shù)及計算結(jié)果見表7、表8。根據(jù)FAO農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法計算的馬鈴薯光溫生產(chǎn)潛力和水分生產(chǎn)潛力結(jié)果為馬鈴薯的干物質(zhì)重量，馬鈴薯干物質(zhì)約占20%。

表4 有關(guān)2008年光溫生產(chǎn)潛力計算參數(shù)Table 4 Parameters related to light-temperature potential productivity in 2008

表5 有關(guān)2009年光溫生產(chǎn)潛力計算參數(shù)Table 5 Parameters related to light-temperature potential productivity in 2009

表6 馬鈴薯光溫生產(chǎn)潛力計算Table 6 Potato light-temperature potential productivity

2008年為豐水年，水分生產(chǎn)潛力頗高，達到5 079.8 kg/hm2（干物質(zhì)），2009年為枯水年水分生產(chǎn)潛力為4 146.8 kg/hm2（干物質(zhì)）。此地降水變率明顯影響水分生產(chǎn)潛力。根據(jù)武川縣統(tǒng)計局提供的統(tǒng)計年鑒，從2000~2008年馬鈴薯的產(chǎn)量資料分析可知，其平均值為11 494.5 kg/hm2，而2008年田間試驗數(shù)據(jù)的最高產(chǎn)量達22 309.5kg/hm2。近年武川縣的馬鈴薯產(chǎn)量平均情況僅為試驗最佳產(chǎn)量的51.5%，說明目前其平均生產(chǎn)潛力開發(fā)程度尚較低，開發(fā)潛力空間大。而試驗最佳產(chǎn)量跟水分生產(chǎn)潛力又有一定差距。2008年水分生產(chǎn)潛力為5 079.8 kg/hm2（干物質(zhì)）。而最高產(chǎn)量是旱平地N4P2處理干重約為4 461.9 kg/hm2，達到當(dāng)年水分生產(chǎn)潛力的87.8%。2009年水分生產(chǎn)潛力為4 146.8 kg/hm2（干物質(zhì)）。產(chǎn)量最佳的是旱平地N2P2處理，干重約為2 206.7 kg/hm2，達到水分生產(chǎn)潛力的53%。在枯水年，合理配比施肥，加強田間管理顯得更為重要。

表7 2008年馬鈴薯各生育期參數(shù)值和水分生產(chǎn)潛力Yw計算Table 7 Parameters of potato growth period and climatic potential productivity Ywin 2008

表8 2009年馬鈴薯各生育期參數(shù)值和水分生產(chǎn)潛力Yw計算表Table 8 Parameters of potato growth period and climatic potential productivity Ywin 2009

表9為試驗田不同處理的降水潛力開發(fā)程度?？梢钥闯?，2008年旱平地N4P2處理開發(fā)度最高，可達88%。說明當(dāng)土壤條件良好，水肥管理適當(dāng)?shù)那闆r下，達到高產(chǎn)并不是遙不可及的。但坡地最高僅有55%，差距明顯。2009年，產(chǎn)量整體下滑，兩種地形的開發(fā)度都較低，但平地整體依然好于坡地。

3 討論

本研究以武川縣為例，從田間尺度研究了馬鈴薯水分利用效率及水分生產(chǎn)潛力開發(fā)情況。結(jié)果表明，豐水年（2008）旱平地馬鈴薯水分利用效率平均值為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?？菟辏?009）旱平地水分利用效率平均為33.3 kg/hm2·mm，旱坡地平均為22.1 kg/hm2·mm，平地水分利用效率是坡地的1.5倍。2008年馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力為5 079.8 kg/hm2，2009年為4 146.8 kg/hm2。旱平地馬鈴薯開發(fā)度最高達到76%，旱坡地馬鈴薯開發(fā)度為46%。

2008年旱平地N4P2處理產(chǎn)量最大，達到當(dāng)年水分生產(chǎn)潛力的87.8%。2009年旱平地N2P2處理產(chǎn)量最大，水分生產(chǎn)潛力開放度為53%。對比前人研究數(shù)據(jù)[8]，當(dāng)時的開發(fā)度為一倍左右，也就是近些年實際生產(chǎn)發(fā)展達到了一個平臺期，雖然對比試驗田還有客觀的發(fā)展?jié)摿?，筆者認為可能除了改進生產(chǎn)方式外，還需加強政策上的扶持等。

表9 不同地形、肥力馬鈴薯水分生產(chǎn)潛力開發(fā)程度Table 9 Potato climatic potential productivity exploitation of different topographies and different fertilities

結(jié)合田間試驗和理論分析，對武川縣當(dāng)?shù)伛R鈴薯種植提出一些建議。（1）在地勢低洼、有灌溉條件的地區(qū)，氮肥和磷肥施肥可以嘗試N3P1.5和N3P3兩種處理方式，得到穩(wěn)定高產(chǎn)的概率最高，水分利用效率也較高。具體化肥施用量分別為尿素294 kg/hm2，三料磷147 kg/hm2；尿素294 kg/hm2，三料磷294 kg/hm2。（2）在地勢較高的坡地情況，氮肥和磷肥施肥可以嘗試N2P1和N2P2兩種處理方式，得到穩(wěn)定高產(chǎn)的概率最高，水分利用效率也較高。具體化肥施用量分別為尿素195 kg/hm2，三料磷97.5 kg/hm2；尿素195 kg/hm2，三料磷195 kg/hm2。（3）與2002年生產(chǎn)數(shù)據(jù)及生產(chǎn)潛力計算對比，10年內(nèi)，武川地區(qū)馬鈴薯實際產(chǎn)量提高不明顯，當(dāng)?shù)仄骄a(chǎn)量僅能達到水分生產(chǎn)潛力的一半，而試驗田地，在水肥合理搭配情況下產(chǎn)量能夠達到水分生產(chǎn)潛力的70%到80%，因此加強實際生產(chǎn)的科學(xué)管理還是有很大提高空間的。

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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

國家科技支撐計劃（2012BAD09B02）；國家重大科學(xué)研究計劃“973”項目（2012CB956204）；國家自然科學(xué)基金項目（41271110）。

張璐陽（1986-），女，助教，在讀博士，主要研究方向為農(nóng)業(yè)氣象。

潘志華，教授，從事全球氣候變化與旱地農(nóng)業(yè)、生態(tài)恢復(fù)與重建研究，E-mail∶panzhihua@cau.edu.cn。