寧夏馬鈴薯產(chǎn)量形成的關鍵影響氣象因素分析

鄭 方,徐 青,馬力文,張學藝

(中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災害監(jiān)測預警與風險管理重點實驗室/寧夏氣象防災減災重點實驗室,寧夏 銀川 750002)

馬鈴薯是寧夏中南部山區(qū)面積最大的農(nóng)作物和戰(zhàn)略性主導產(chǎn)業(yè)，種植面積近230 Khm2，總產(chǎn)量42.5萬t。該區(qū)域處于我國西北農(nóng)牧交錯帶的黃土高原，丘陵溝壑縱橫，土層深厚，通透性好，十分適合種植馬鈴薯，旱作馬鈴薯是貧困山區(qū)農(nóng)民抵御干旱的重要農(nóng)產(chǎn)品。由于該區(qū)域十年九旱，災害頻繁，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受氣候影響很大[1]，旱作馬鈴薯產(chǎn)量低而不穩(wěn)，年際波動大。2016年之后寧夏把馬鈴薯主食化作為脫貧濟困、促進增收的重大舉措，大力發(fā)展馬鈴薯特色產(chǎn)業(yè)。寧夏馬鈴薯播種面積和總產(chǎn)在逐年提高，但單產(chǎn)年際間波動劇烈。中部干旱帶1981-2000年馬鈴薯單產(chǎn)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世紀初開始下降至目前的6 300 kg·hm-2的水平；南部山區(qū)1981-2005年馬鈴薯單產(chǎn)由5 000 kg·hm-2的水平逐漸上升至13 000 kg·hm-2的水平，單產(chǎn)翻了1.6倍，近5 a來略下降至12 000 kg·hm-2的水平。中部干旱帶的馬鈴薯的生長受氣候條件的影響更大，單產(chǎn)增產(chǎn)幅度比南部山區(qū)低，特別是近10 a來呈減產(chǎn)趨勢，干旱造成單產(chǎn)的區(qū)域差距大，產(chǎn)量低而不穩(wěn)。為此，筆者研究在寧夏西海固貧困區(qū)開展大田分期播種試驗和適地播種，分析氣溫、降水等氣象因子對寧夏貧困區(qū)旱地馬鈴薯產(chǎn)量的影響，確定該地區(qū)影響產(chǎn)量的關鍵氣象因子，提出適應氣候變化的對策。

氣象條件對作物的影響是一個復雜的過程，某氣象要素在特定的區(qū)域總是能滿足作物生長時，該地該要素對產(chǎn)量的影響就變得不太重要。當某一氣象要素作為資源，在該區(qū)域變異性較大且總是不太能滿足作物生長時，這個氣象因子就變得非常重要，我們就稱之為關鍵因子，或在作物的某一發(fā)育階段總是不能滿足作物生長，這個發(fā)育期便被稱為關鍵期。因此每一個地區(qū)，每一種作物的關鍵氣象因子和關鍵發(fā)育期并不完全相同。如河南冬小麥返青-抽穗期≥10℃有效積溫相對于其他形式的熱量資源波動變化大，與產(chǎn)量的相關系數(shù)高，是冬小麥生長的關鍵氣象因子[2]。在陜西省寶雞地區(qū)，冬前10-12月和次年5月的氣溫對冬小麥產(chǎn)量形成起著至關重要的作用[3]。種植在不同地區(qū)的馬鈴薯關鍵期和關鍵氣象因子各有不同。李華鵬等在四川臥龍地區(qū)的試驗研究表明，在塊莖增長期，較高的氣溫對馬鈴薯塊莖增大有利[4]。吳炫柯等通過分期播種試驗發(fā)現(xiàn)，在廣西柳州馬鈴薯結薯-成熟期是馬鈴薯關鍵生育期，期間的氣象因子對產(chǎn)量影響較大[5]。在青海馬鈴薯全生育期內(nèi)氣溫對其產(chǎn)量的影響并不大，而生育期內(nèi)降水對馬鈴薯產(chǎn)量的影響十分明顯[6]。在遼寧沈陽地區(qū)，年降水量增加，馬鈴薯產(chǎn)量呈增加趨勢，而年平均氣溫減少則造成馬鈴薯減產(chǎn)[7]。朱赟赟等認為雖然在寧夏不同地區(qū)影響馬鈴薯產(chǎn)量的氣象因子不同，但降水量始終是影響馬鈴薯產(chǎn)量的第一主要因子[8]。

筆者研究以歷年各市縣馬鈴薯種植面積為權重進行氣象因子合成，利用氣象適宜度和作物水分虧缺和產(chǎn)量進行擬合，找出產(chǎn)量擬合的關鍵影響氣象因素，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供支持。

1 資料和方法

1.1 資料來源

產(chǎn)量、面積資料來源于1961-2015年寧夏中南部山區(qū)各市縣馬鈴薯的產(chǎn)量調(diào)查數(shù)據(jù)。氣象資料源于歷年各氣象觀測站歷史觀測記錄，并根據(jù)本研究的方法將其進行面積合成。

1.2 氣象資料面積權重合成

將區(qū)域內(nèi)多個氣象觀測站的歷年氣象資料，以歷年各市縣馬鈴薯種植面積為權重進行合成來反映馬鈴薯生長氣象條件：

(1)

式中，Mj為j日綜合權重的氣象要素值(主要為日平均氣溫、日降水量、日照時數(shù)、日最高氣溫、日最低氣溫等)，Mij為i站j日的氣象要素，Si為i縣當年馬鈴薯種植面積。按照該年各縣馬鈴薯種植面積分別合成當年的氣象資料，作為當年的區(qū)域綜合氣象資料。按照上述方法，將1954-2016年的逐站氣象資料合成為馬鈴薯區(qū)域綜合氣象資料。

1.3 相對氣象產(chǎn)量

為明確氣象因子的作用，需濾除品種、灌溉條件改善等生產(chǎn)力水平提高的趨勢產(chǎn)量，提取受氣候影響的產(chǎn)量波動。筆者以單產(chǎn)與趨勢產(chǎn)量的比值表示相對氣象產(chǎn)量，該比值大于1表示氣象產(chǎn)量高于該年平均產(chǎn)量，即增產(chǎn)年，比值小于1則當年產(chǎn)量在趨勢產(chǎn)量以下，為減產(chǎn)年。相對氣象產(chǎn)量表示為：

y/yt=1+yW/yt

(2)

參考山區(qū)各地固海揚水工程、鹽環(huán)定揚黃灌區(qū)建設發(fā)揮效用的時間，以1976年為界限，分段模擬了馬鈴薯的趨勢產(chǎn)量(圖1)。

(3)

1.4 作物水分滿足率和水分盈虧量

采用彭曼公式計算參考作物蒸散量，公式如下：

(4)

式中，T為日平均氣溫，Rn為冠層凈輻射(MJm-2d-1)，G為土壤熱通量(MJm-2d-1)，U2為2 m處平均風速(ms-1)，VPD為水氣壓差(KPa),Δ為飽和水氣壓曲線斜率(Kpa℃-1)，γ為干濕表常數(shù)。

參考FAO提供的不同生育階段作物Kc系數(shù)，估算歷年馬鈴薯不同生育期需水量。作物生長第i日的需水量ETci為：

ETci=Kci×EToi

(5)

其中Kci為作物系數(shù)。FAO推薦的馬鈴薯作物的Kc系數(shù)見表1。

表1 主要作物的Kc值(FAO)

農(nóng)田蒸散量ET由作物蒸騰和土壤蒸發(fā)構成，在干旱條件下，可忽略水分下滲量和毛管水上升量，其簡易平衡方程為：

ET=V1-V2+(1-r)∑R+P

(5)

式中，V1、V2分別為某時段開始和結束時一定深度土層內(nèi)的土壤貯水量[mm]，可由土壤重量含水量與土壤容重的乘積來確定。r為平均徑流系數(shù)，∑R為某時段累計降水量，P為灌溉量。

水分滿足率是某時段內(nèi)作物耗水量與需水量的比值，其計算公式為：

(6)

水分盈虧量是某時段內(nèi)作物耗水量與需水量的差值，其計算公式為：

βK=ET-ETC

(7)

(6)、(7)式中，βs、βk分別為水分滿足率和水分盈虧，ET為作物耗水量，ETc為作物需水量。

1.5 水分利用效率(WUE)

水分利用效率是評價水分虧缺下植物生長適宜度的綜合指標之一。其計算方法為[9]：

式中：Yd為經(jīng)濟產(chǎn)量，ETc為作物需水量。

1.6 氣象適宜度

作物氣候適宜度是農(nóng)作物在各生長階段內(nèi)所需要水分、溫度、光照等氣象條件的滿足程度，在評價作物生長氣象條件優(yōu)劣等方面有獨特的作用，評價的客觀性和科學性較強。利用氣候適宜度以及寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯生長氣象條件適宜性，建立產(chǎn)量氣象模型，可評價氣象條件對中南部山區(qū)馬鈴薯生長發(fā)育、產(chǎn)量形成的適宜性。筆者研究溫度適宜度函數(shù)的計算采用馬樹慶等基于溫度三基點溫度不對稱提出的溫度適宜度函數(shù)[10]，其計算公式如下：

(9)

式中t1為馬鈴薯某發(fā)育時段的下限溫度；t2為上限溫度；t0為馬鈴薯發(fā)育的最適溫度；t為某旬的實際溫度。馬鈴薯的三基點溫度指標如表2。

表2 馬鈴薯不同生育期的三基點溫度

改進魏瑞江等在旱作農(nóng)田的降水適宜度公式[11]，以上旬降水量在本旬的存留比例與本旬降水量的累加值占本旬需水量的70%和2倍為界，如果本旬水分收入項少于該作物旬需水量的70%，適宜度為降水量除以需水量，如果高于本旬作物需水量的2倍，則水分過多對作物生長產(chǎn)生負作用，用作物需水量除以水分收入項，在需水量的70%至2倍的范圍內(nèi)，適宜度為1，即：

(10)

式中Ri-1j、Ri分別為上旬和本旬降水量，r為存留系數(shù)，即上旬降水用于本旬的量。根據(jù)利用固原農(nóng)業(yè)氣象試驗站土壤水分監(jiān)測與估算結果的比較，統(tǒng)一用0.5，效果較好。ETci為利用彭曼公式與FAO推薦的馬鈴薯作物系數(shù)推算的需水量[12]。

大多數(shù)文獻研究認為，日照時數(shù)達到可照時數(shù)的70%(日照百分率)為臨界點[13],其計算公式如下：

(11)

S為某階段日照時數(shù)，S0為太陽可照時數(shù)，可通過地理緯度、太陽赤緯計算，b為系數(shù)，可參照相關研究結果。

在確定最適宜的光溫水單因子氣候適宜度模型后，可利用立方根法可建立光溫水綜合氣候適宜度：

(12)

式中，CS為氣候適宜度指數(shù)，CS(Ta)、CS(Pr)、CS(S)分別為溫度、水分、光照適宜度。

2 結果

2.1 影響相對氣象產(chǎn)量的因子相關分析

根據(jù)固原馬鈴薯發(fā)育期觀測，一般在4月下旬至5月上旬播種，6月中旬現(xiàn)蕾，6月下旬至7月中旬為花序形成、開花階段，7月下旬至9月底為塊莖膨大階段，9月下旬末或10月初采挖。由于各地馬鈴薯播種時間前后可達一個月，收獲期有些年份可延遲到10月下旬，為了比較不同年份馬鈴薯生育氣象條件，筆者研究統(tǒng)一將1/4～20/6期間定為苗期、21/6～20/7定為花序形成至開花期、21/7～30/9定為塊莖膨大期。以1954-2014年的馬鈴薯相對氣象產(chǎn)量與不同生育時段內(nèi)的溫度、降水、日照適宜度、水分盈虧量和水分滿足率等進行相關分析。氣象因子與相對氣象產(chǎn)量的相關篩選結果見表3。

表3 馬鈴薯相對氣象產(chǎn)量與氣象因子相關分析(1954-2014年)

2.2 水分滿足率及盈虧量與產(chǎn)量的關系

盡管水分盈虧量和水分滿足度與氣象產(chǎn)量的相關因子并沒有通過0.05的檢驗，但其與相對氣象產(chǎn)量的擬合方程的復相關系數(shù)依然通過了R0.05的顯著性檢驗(圖2a、b)，苗期水分滿足率一般在30%～150%之間，61 a中有47 a在100%以下，水分盈虧以負值居多，表示苗期水分多數(shù)年份得不到滿足。

花序形成至開花期水分滿足率和盈虧量與產(chǎn)量的擬合方程的復相關系數(shù)也通過R0.001的顯著性檢驗(圖3a、b)。在61 a中，完全能夠滿足馬鈴薯生長的水分條件的僅有2 a，其余59 a水分滿足率在-5.8%～-92.4%之間，多年平均狀況在-60%左右，水分盈虧量在-164～-10 mm，多年平均缺水60 mm以上，表明絕大多數(shù)年份6月下旬至7月中旬降水量嚴重不足，基本不能滿足馬鈴薯水分需求，嚴重限制了產(chǎn)量的提高，需要在此階段補充灌溉才能大幅度提高產(chǎn)量。

塊莖膨大期水分滿足率和盈虧量與產(chǎn)量的關系不顯著(圖4a、b)，表明后期馬鈴薯不缺水，水分能夠滿足膨大需求，有些年份雨水過多，引起晚疫病而減產(chǎn)。61 a中，全生育期水分能夠安全滿足需水的僅2 a，水分滿足率一般在36%～92%之間，缺水量一般在20～370 mm之間。

2.3 水分利用效率(MUE)與產(chǎn)量的關系

馬鈴薯全生育期的WUE與產(chǎn)量關系極其密切，相對氣象產(chǎn)量隨著WUE的增大而升高，通過R0.001的顯著性檢驗(圖5)。通過不同時段降水量與WUE的相關普查，發(fā)現(xiàn)馬鈴薯薯塊膨大期降水量與WUE的負相關達到極顯著，通過了R0.001的顯著性檢驗(圖6)，說明膨大期降水量對產(chǎn)量的影響大。究其原因是馬鈴薯生長后期出現(xiàn)持續(xù)陰雨寡照的年份很多，雨水過多往往造成馬鈴薯晚疫病嚴重發(fā)生，特別是近5 a晚疫病大面積發(fā)生，田間病株率幾乎100%，導致秋雨偏好的年份馬鈴薯反而減產(chǎn)，甚至嚴重減產(chǎn)。

2.4 氣象適宜度與產(chǎn)量的關系

馬鈴薯相對氣象產(chǎn)量與5月、9月份的溫度適宜度為明顯正相關，播種至出苗階段、塊莖膨大后期溫度往往偏低，兩頭熱量不足限制了產(chǎn)量的提高(圖7a、7b)。全生育期溫度累積適宜度指數(shù)與產(chǎn)量呈2次曲線關系，最適值為158，熱量不足或過多產(chǎn)量均會降低(圖7c)。說明雖然適宜程度高，對馬鈴薯生長越有有利，但不一定對產(chǎn)量形成有利。

6月下旬至8月上旬是馬鈴薯花序形成、開花和塊莖膨大初期，對水分敏感，其與產(chǎn)量的決定系數(shù)為0.1846，達到R0.001的極顯著水平，此時氣溫處于全年最高時段，正值馬鈴薯開花至塊莖膨大初期的水分敏感期，雨水偏少影響小薯膨大數(shù)量，干旱抑制塊莖膨大，對結薯量、產(chǎn)量影響很大(圖8a)。薯塊膨大期水分適宜度與產(chǎn)量呈2次曲線關系，分別通過了R0.001的顯著性檢驗，薯塊膨大期是馬鈴薯干物質(zhì)積累的重要階段，此時水分缺少影響產(chǎn)量形成，但水分適宜度高往往意味著陰雨天多影響馬鈴薯光合積累造成產(chǎn)量降低(圖8b)。

8月中旬至9月下旬的塊莖膨大時段日照適宜度與產(chǎn)量正相關(圖9a)，說明膨大期日照不足往往與陰雨寡照聯(lián)系緊密，多雨造成晚疫病危害嚴重。從7-9月份和光溫水綜合氣象適宜度與產(chǎn)量呈正相關關系，通過了R0.001的顯著性檢驗，隨著綜合累積適宜度指數(shù)的增大，產(chǎn)量提高。

3 結論與討論

寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量與氣象條件關系緊密，受自然條件限制，這些地區(qū)以旱作栽培為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與降水多寡和降水出現(xiàn)的季節(jié)息息相關，光熱資源是進一步提高產(chǎn)量的基礎。限制馬鈴薯產(chǎn)量的關鍵氣象因素有苗期的溫度，花序形成-開花期為馬鈴薯生長發(fā)育的關鍵時期，水分適宜度、日照適宜度和綜合適宜度均對產(chǎn)量有影響，說明此階段馬鈴薯對氣象條件敏感，特別水對水分敏感，是馬鈴薯的水分關鍵期。薯塊膨大期是馬鈴薯另一個關鍵期，溫度、降水量和光照條件對產(chǎn)量均有影響，其中以日照尤為顯著。

從馬鈴薯實際生產(chǎn)調(diào)查中也可發(fā)現(xiàn)，苗期寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯需水量較小，水分資源不是限制因子，但熱量資源略顯不夠，所以苗期氣溫為產(chǎn)量形成的關鍵因子?；ㄐ蛐纬?開花期，隨著氣溫升高，熱量資源已不是限制因子了，此時馬鈴薯進入了需水旺盛期，自然降水嚴重缺乏，此階段水分是關鍵因子，以開花前后的降水量影響最大。薯塊膨大期寧夏中南部山區(qū)往往出現(xiàn)低溫、陰雨寡照天氣，誘發(fā)嚴重的晚疫病，導致減產(chǎn)。苗期在水分適宜條件下，溫度偏高有利于早發(fā)，使開花期提早，有利于避開花期高溫少雨的不利氣象條件，從而有利于增產(chǎn)。