影響寧夏貧困山區(qū)馬鈴薯商品薯率的氣象因子分析

趙維忠，馬力文，徐 青，張學(xué)藝

（中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室，銀川 750002）

馬鈴薯是中國第四大主要糧食作物，種植面積約 6×106hm2，產(chǎn)量近 9 000 萬 t，約占全球種植面積和產(chǎn)量的30%和25%，居于世界前列［1］。馬鈴薯是寧夏中南部山區(qū)種植面積最大的秋季作物。根據(jù)寧夏調(diào)查年鑒［2］，近 3 年平均種植 167 100 hm2，總產(chǎn)182.1 萬 t，折糧食 36.4 萬 t，分別占山區(qū)秋糧面積、總產(chǎn)的43.4%和28.0%。雖然寧夏中南部山區(qū)馬鈴薯播種面積和總產(chǎn)在逐年提高，但馬鈴薯因商品性狀差造成的商品薯率年際間變化非常大，對馬鈴薯種植收益影響很大。馬鈴薯商品薯率是大中薯占所有分化薯塊的比例，商品薯率越高，代表塊莖達到50 g/個的數(shù)量越多，售價也越高。影響馬鈴薯塊莖大小的最主要因素是品種［3］，但氣象因子的作用也不可忽視，如2000 年馬鈴薯花期遇高溫干旱，塊莖發(fā)育不良，當(dāng)?shù)伛R鈴薯價格僅為0.34 元/kg，而當(dāng)年正常馬鈴薯均價為1.8 元/kg，因商品性狀不佳造成經(jīng)濟損失巨大。據(jù)中國馬鈴薯網(wǎng)價格信息（www.malingshu7.com/）調(diào)查，2017 年，一級薯（大薯）、二級薯（中薯）、三級薯（小薯）的價格分別為2.52、1.27、0.45 元/kg。一級薯比二級薯多增收98.4%，比三級薯多增收460%。由此可見，馬鈴薯因商品薯率低造成種植效益下滑，成為制約馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素。

馬鈴薯是喜溫涼作物，較低的溫度有利于塊莖干物質(zhì)的形成和積累，長期高溫會導(dǎo)致單株小塊莖增多、大塊莖比重下降、干物質(zhì)向塊莖中轉(zhuǎn)移受阻，影響馬鈴薯的品質(zhì)［4-6］。

馬鈴薯能夠正常產(chǎn)生塊莖的溫度條件為8～21 ℃，塊莖形成的最適宜日平均溫度是15～18 ℃；若溫度高于21 ℃，塊莖的生長發(fā)育就會受到抑制，溫度越高，塊莖生長受到的抑制越強，溫度達到29 ℃時馬鈴薯塊莖基本不再生長［7-10］。

20 世紀(jì)50 年代，就有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤含水率降到20%以下時，塊莖發(fā)育受阻，水分脅迫和土壤水分波動過大是導(dǎo)致二次生長出現(xiàn)異形薯的原因［11，12］。土壤水分保持田間持水量的50%～60%為最優(yōu)［13］?！吨袊R鈴薯栽培學(xué)》［14］中提到干旱導(dǎo)致塊莖滯長和二次生長，產(chǎn)生異形薯，但無具體指標(biāo)。海梅榮等［15］研究了干旱脅迫對馬鈴薯光合特性的影響，指出隨著干旱脅迫的加劇，植株光合能力下降，造成塊莖重量下降，是馬鈴薯塊莖滯長的主要原因。

總體來看，上述研究得出的影響馬鈴薯塊莖的氣象因子不盡相同，研究多基于歷年馬鈴薯統(tǒng)計資料和氣候資料分析模擬。本研究利用固原市、西吉縣馬鈴薯多年定點試驗資料，結(jié)合2016—2017 年在固原市、西吉縣和同心縣開展的馬鈴薯試驗結(jié)果，研究影響馬鈴薯商品薯率的關(guān)鍵氣象因子，為生產(chǎn)中提高商品薯率、提升種植效益提供技術(shù)支持。

1 資料與方法

1.1 資料來源

馬鈴薯定點觀測資料取自固原市、西吉縣馬鈴薯觀測報表。馬鈴薯分期播種試驗資料取自固原市長城梁農(nóng)業(yè)氣象試驗基地、西吉縣吉強鎮(zhèn)2016 年分期播種試驗及彭陽縣2008 年分期播種試驗。固原市、西吉縣參試品種均為青薯9 號，固原試驗設(shè)置4月 14 日、4 月 23 日、5 月 3 日、5 月 15 日和 5 月 25 日 5個播期，露地栽培，每個播期設(shè)3 次重復(fù)，每個小區(qū)面積 11×6 m2。西吉試驗面積 2 668 m2，設(shè)置 4 月 10日、4 月 20 日、4 月 30 日、5 月 10 日和 5 月 20 日 5 個播期，露地栽培，每個小區(qū)設(shè)置4 個重復(fù)，每個播期依山坡順序排列，小區(qū)面積130 m2。觀測發(fā)育期、0～50 cm 土壤濕度、株高、生物量，開花后逢8 挖取連續(xù)5 株樣本，測定平均單株結(jié)薯量、平均單株薯重、平均塊莖直徑動態(tài)，收獲后測定產(chǎn)量、結(jié)薯數(shù)量和商品薯率。

彭陽縣2008 年馬鈴薯分期播種試驗資料取自寧夏農(nóng)業(yè)科學(xué)院固原市分院，試驗設(shè)在彭陽縣城陽鄉(xiāng)澇池村，該地海拔1 620 m，前茬冬小麥，普通淺黑壚土，中偏輕壤，肥力中上等。參試品種為晉薯7號，播期為 3 月 25 日、4 月 5 日、4 月 15 日、4 月 25 日、5 月 5 日、5 月 20 日和 6 月 1 日，覆膜種植，3 次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積 5×4 m2，每壟26 株，株距38 cm，密度 3 500 株/0.07 hm2。11 月 13 日人工覆黑色膜，覆膜前基施農(nóng)家肥2 500 kg/0.07 hm2，復(fù)合肥（N∶P∶K=18∶10∶8）50 kg/0.07 hm2。觀測發(fā)育進程、發(fā)育期0～20 cm 土壤濕度、成熟后考種，測定產(chǎn)量、結(jié)薯量和商品薯率。

歷年定點試驗、分期播種試驗區(qū)實測氣象資料，1954—2017 年寧夏馬鈴薯產(chǎn)區(qū)各站氣候資料、歷年各市縣馬鈴薯播種面積和產(chǎn)量調(diào)查數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 氣象資料合成 寧夏中南部貧困區(qū)馬鈴薯種植分布不均，西吉縣被稱為“中國馬鈴薯之鄉(xiāng)”，全縣馬鈴薯種植面積超過1.3 萬hm2，而隆德、涇源縣馬鈴薯種植面積較少。為了研究氣候變化對寧夏貧困區(qū)馬鈴薯的影響，不能將寧夏貧困區(qū)氣象資料簡單平均，應(yīng)依據(jù)其馬鈴薯種植面積的大小按照文獻［16］給出的方法將氣象資料進行合成。

1.2.2 影響馬鈴薯商品薯率的關(guān)鍵氣象因子及模型的確定 用試驗田馬鈴薯商品薯率與播前、苗期、開花期、薯塊膨大期等各發(fā)育階段的降水量、降水日數(shù)、平均氣溫、日較差、日照時數(shù)等進行多種因子相關(guān)分析，選擇通過顯著性檢驗的因子，進一步對各因子進行偏相關(guān)分析，去除因子間相關(guān)的影響，得到影響馬鈴薯商品薯率的關(guān)鍵氣象因子，進一步建立商品薯率與馬鈴薯單項關(guān)鍵氣象因子的線性與非線性統(tǒng)計關(guān)系。

在關(guān)鍵氣象因子確定的基礎(chǔ)上，將對馬鈴薯商品薯率影響顯著的氣象因子進行擬合，按照決定系數(shù)進行權(quán)重合成，得出評價馬鈴薯商品薯率的綜合權(quán)重模擬方程。若關(guān)鍵影響因子只有一個，則將其擬合后的殘差與其他氣象因子進行擬合，按照殘差的決定系數(shù)進行權(quán)重合成，得出評價馬鈴薯商品薯率的綜合權(quán)重模擬方程。

利用試驗取得的馬鈴薯商品薯率的氣象關(guān)系模型，通過不同生育階段每變化1 ℃或增減1 mm 降水對商品薯率的影響，確定影響商品薯率的關(guān)鍵氣象因子和時段，進而確定較為詳細(xì)的光溫水農(nóng)業(yè)氣象指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯商品薯率與氣象因子的關(guān)系

2.1.1 塊莖膨大期日均降水量 開花后15 d 葉面積達到高峰，塊莖快速膨大，水分、養(yǎng)分需求大。開花40 d 后為淀粉積累期，下部葉片開始枯黃，養(yǎng)分向塊莖轉(zhuǎn)移，體積增大緩慢，但淀粉、蛋白質(zhì)和纖維增加，皮層木栓組織增厚，薯重繼續(xù)增加。光照充足可促進養(yǎng)分轉(zhuǎn)運，防止葉片早衰。膨大期降水量與大中薯率關(guān)系十分密切，商品薯率與膨大期降水量正相關(guān)，二者呈對數(shù)關(guān)系，R=0.72（P＞R0.001=0.708，n=18）。隨著降水量的增加，商品薯率增大。日均降水量由1 mm/d 增加到2 mm/d，商品薯率由34.4%提升至76.5%，日均降水量達到2.94 mm/d 時，商品薯率達到100%（圖1a）。

2.1.2 開花后第4 旬平均氣溫 利用膨大期降水量與商品薯率的殘差，與開花后第4 旬（淀粉積累期）平均氣溫建立關(guān)系，可凸顯溫度的影響?？煽闯鰷囟扰c商品薯率負(fù)相關(guān)，R=0.571（P＞R0.02=0.542，n=18）。氣溫偏高導(dǎo)致塊莖木質(zhì)化過早，不利于形成大薯。氣溫每升高1 ℃，商品薯率下降4.0%～5.5%（圖1b）。

2.1.3 播種前2 個月日均降水量 3—4 月的日均降水量與商品薯率呈曲線正相關(guān)，R=0.737（P＞R0.001=0.708，n=18）。播前水分條件好，出苗早且壯，苗期受旱程度低，發(fā)棵早且大，小薯形成、塊莖膨大均提早，有利于形成大薯，提高商品薯率。播前日均降水量每增加0.16 mm/d，相當(dāng)于3—4月降水量增加10 mm，可增加商品薯3.14%～11.01%，越干旱的情況下增加日均降水對商品薯率提升的貢獻越大（圖1c）。

圖1 馬鈴薯商品薯率與氣象因子的關(guān)系

2.2 商品薯率的綜合氣象模擬模型

將3 個影響商品薯率的顯著因子按照殘差的決定系數(shù)進行權(quán)重合成，得出評價馬鈴薯商品薯率的綜合權(quán)重模擬方程，見表 1。其中，Y1、Y2、Y3分別為開花至成熟期間日均降水量x1擬合的商品薯率、開花第4 旬平均氣溫x2與x1擬合商品薯率的殘差、3—4 月日均降水量x3與x1擬合商品薯率的殘差。

表1 馬鈴薯商品薯率氣象模擬方程

2.3 馬鈴薯商品薯率對氣候變化的響應(yīng)

馬鈴薯塊莖生長期間的日均降水量呈減少趨勢，氣候傾向率-0.067 mm/10 年，64 年來膨大期日均降水量已減少0.429 mm/d，按照平均80 d 膨大期估算，膨大期累計降水量減少了34.32 mm，造成商品薯率下降1.79%（圖2a）。

開花后第4 旬一般在8 月上旬，多數(shù)年份氣溫開始快速下降，馬鈴薯進入淀粉積累期。64 年來，該旬平均氣溫基本無變化，對商品薯率影響不大（圖2b）。

3—4 月日均降水量有增多趨勢，氣候傾向率0.016 mm/10 年，64 年來播前累積降水量增多6.07 mm，可提高商品薯率1.96%～6.88%（圖2c）。

圖2 影響馬鈴薯商品薯率的關(guān)鍵氣象因子對氣候變化的響應(yīng)

由于影響馬鈴薯商品薯率的3 個因子對氣候變化的響應(yīng)不同，相互制約，使得商品薯率受氣候變化的影響較小，氣候傾向率0.175%/10 年，有較微弱的增加趨勢，64 年來僅提高1.12%（圖3）。

圖3 馬鈴薯商品薯率對氣候變化的響應(yīng)模擬

3 小結(jié)與討論

本研究在田間試驗的基礎(chǔ)上，對影響馬鈴薯商品薯率的氣象因子進行了相關(guān)普查，找出影響顯著的因子，通過偏相關(guān)分析去除因子間的影響，得到影響馬鈴薯商品薯率的關(guān)鍵氣象因子，進一步建立商品薯率與馬鈴薯單項關(guān)鍵氣象因子的線性與非線性統(tǒng)計關(guān)系。按照決定系數(shù)進行權(quán)重合成，得出評價馬鈴薯商品薯率的綜合權(quán)重模擬方程，利用彭陽縣2008 年馬鈴薯分期播種試驗資料對模型進行了驗證，但試驗資料較少，沒有進行大量數(shù)據(jù)的驗證。

影響寧夏馬鈴薯商品薯率最主要的氣象因子是塊莖膨大期日均降水量。塊莖膨大期日均降水量由1 mm/d 增加到2 mm/d，商品薯率由34.4%提升至76.5%，日均降水量達到2.94 mm/d 時，商品薯率達到100%。影響馬鈴薯商品薯率的另外兩個比較重要的氣象因子為開花后第4 旬平均氣溫和播種前2個月日均降水量。開花后第4 旬（淀粉積累轉(zhuǎn)折期）平均氣溫每升高1 ℃，商品薯率下降4.0%～5.5%。3—4 月播前降水量每增加10 mm，可增加商品薯率3.14%～11.01%。

馬鈴薯塊莖膨大期降水的多少直接影響馬鈴薯塊莖的大小。因此在塊莖膨大期自然降水若偏少制約了馬鈴薯塊莖發(fā)育時，可以開展人工補灌，提高馬鈴薯商品薯率，提升經(jīng)濟效益。開花后第4 旬是馬鈴薯對高溫的敏感期，氣溫升高不利于馬鈴薯商品薯率的提高，可通過調(diào)節(jié)播種期，避免馬鈴薯花期遇高溫的概率，從而提高商品薯率。此外播前充足的水分條件也是提高馬鈴薯商品薯率的必要保障。

隨著氣候變化，馬鈴薯塊莖生長期間的日均降水量呈減少趨勢，3—4 月日均降水量有增多趨勢，而開花后第4 旬的平均氣溫隨氣候變化幅度不大，因此，馬鈴薯商品薯率隨氣候變化而升高的趨勢并不明顯。