華北一作區(qū)馬鈴薯生長發(fā)育及產(chǎn)量對干旱脅迫響應的模擬研究
——以武川縣為例

羅新蘭， 孫 悅， 劉利民， 王立為， 楊麗桃， 高西寧

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧 沈陽 110866；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

隨著氣候背景的變化、人口的增多和耕地面積的減少，提高我國糧食產(chǎn)量、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展成為當前科學研究的熱點問題之一［1-2］。作為世界第四大糧食作物［3］，馬鈴薯具有分布廣泛、適應性強、產(chǎn)量高等優(yōu)勢，是目前非谷類作物中最具有發(fā)展前景的高產(chǎn)作物之一［4］。為了保障我國糧食安全，推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，我國倡導以加工過的馬鈴薯作為主食，啟動馬鈴薯“主糧化”戰(zhàn)略［5］。馬鈴薯是典型的溫帶氣候作物，對水分非常敏感，水分是限制我國大部分地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量的主要非生物因素［6-7］。華北一（季）作區(qū)由于日照充足、氣候冷涼、晝夜溫差大，是我國馬鈴薯的主產(chǎn)區(qū)之一。但其大部分地區(qū)位于農(nóng)牧交錯地帶，水土資源匱乏，抵抗自然災害的能力較弱［8-9］，當?shù)伛R鈴薯生產(chǎn)普遍存在優(yōu)質(zhì)品種比例低、單產(chǎn)水平不高等問題。通過模型對馬鈴薯進行生長狀況監(jiān)測和產(chǎn)量模擬研究，可以更好地掌握馬鈴薯的生長發(fā)育狀況，確定田間管理措施，為更好地應對旱情制定防災減災措施提供更多可能性。

目前我國干旱對馬鈴薯影響的研究主要是結(jié)合田間試驗與統(tǒng)計分析方法，在試驗中進行人工控水來探究不同水分條件對馬鈴薯植株形態(tài)特征、生理生化指標及產(chǎn)量品質(zhì)的影響，這些研究為馬鈴薯生產(chǎn)中栽培技術和最佳供水時期的選擇提供了技術參數(shù)和理論依據(jù)［10-12］。但田間水分控制試驗往往難以精準控制水分，且取樣代表性容易受到人為因素的影響，其研究結(jié)果難以對馬鈴薯生長發(fā)育過程受水分脅迫的情形進行動態(tài)模擬，也很難對馬鈴薯的氣候生產(chǎn)潛力進行較好的模擬與分析。

相比于田間試驗和統(tǒng)計分析方法，作物生長模型以光、溫、水、土壤等條件為環(huán)境驅(qū)動變量，對作物生育期內(nèi)的狀態(tài)變量與環(huán)境條件和技術條件的關系進行定量描述，在評估和預測氣候變化對作物生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響方面有著明顯優(yōu)勢，已成為現(xiàn)階段輔助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策的高效工具［13-14］。APSIMPotato模型是由澳大利亞開發(fā)的用于模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)生物物理過程的機理模型［15-16］，自模型引入我國以來，已在我國各個地區(qū)進行了大量的調(diào)參驗證工作，并能夠很好的指導當?shù)伛R鈴薯［17-18］、小麥［19-20］、玉米［21］等農(nóng)作物的生產(chǎn)。

武川縣是我國華北一作區(qū)馬鈴薯的重要產(chǎn)地之一［22］，本文以武川縣為研究區(qū)域，選擇“克新一號”作為研究品種，基于多年馬鈴薯生長發(fā)育資料和武川縣氣象資料，對APSIM-Potato模型在武川地區(qū)的適用性進行評價并分析馬鈴薯葉面積指數(shù)（LAI）、地上部生物量和產(chǎn)量對不同干旱情景的響應。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域為內(nèi)蒙古呼和浩特市武川縣，位于整個內(nèi)蒙古自治區(qū)中部（40°47′～41°23′N、110°31′～111°53′E），總面積4886 km2?？h境東西長約110 km，南北最寬約60 km，屬于溫帶大陸性季風氣候，是典型的半干旱旱地農(nóng)業(yè)區(qū)。年均降水量約為360 mm，降水主要集中在7—8月，占整個生長季的80%左右，年蒸發(fā)量約是降水量的5 倍，無霜期90～120 d，土壤以栗鈣土為主。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)：武川縣1986—2020年逐日氣象資料（最高氣溫、最低氣溫、降水量、日照時數(shù)）來自于國家氣象科學信息網(wǎng)地面氣象資料觀測數(shù)據(jù)集。

作物數(shù)據(jù)：武川縣1994—2015年研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)氣象觀測試驗站點的馬鈴薯品種信息、田間管理措施、生育期（播種期、出苗期、分枝期、開花期和可收期）、地上部生物量和產(chǎn)量等數(shù)據(jù)來自于內(nèi)蒙古呼和浩特市農(nóng)業(yè)部武川農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測試驗站、武川縣統(tǒng)計年鑒及相關文獻［23-24］。

土壤數(shù)據(jù)：武川縣土壤數(shù)據(jù)來自于《中國土種志》《內(nèi)蒙古土壤年鑒》《武川縣志》（續(xù)編）及相關文獻［25-26］。具體土壤參數(shù)如表1所示。

表1 武川縣分層土壤參數(shù)Tab.1 Soil profile properties under different soil layer depths in Wuchuan County

1.3 APSIM-Potato模型

1.3.1 APSIM-Potato模型簡介本研究選擇APSIMPotato（7.6 版）來模擬馬鈴薯LAI、地上部生物量和產(chǎn)量對不同發(fā)育階段干旱脅迫情景的響應情況。APSIM-Potato 模型是基于過程的作物生長模型，模型通過中心引擎將作物模塊與其他模塊有機結(jié)合，更為直觀地體現(xiàn)作物生長發(fā)育過程與環(huán)境條件和技術條件之間的關系，可以彌補田間水分控制試驗的不足［27-28］。APSIM-Potato 模型將馬鈴薯發(fā)育進程分為8 個發(fā)育期：播種、萌芽、出苗、花芽分化、薯塊形成、開花、衰老和成熟［29］。本研究中參照農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范，將模型中的發(fā)育階段與馬鈴薯實際生產(chǎn)中的發(fā)育階段相匹配，劃分為：播種-出苗期、出苗-分枝期、分枝-開花期和開花-可收期，研究區(qū)域馬鈴薯1994—2013 年各發(fā)育階段平均普期如表2所示。模型中對發(fā)育階段長度的控制，除播種到萌芽的長度受播種深度、土壤水分和土壤溫度控制外，其他各發(fā)育階段的長度都由積溫和光周期控制。APSIM-Potato 中控制馬鈴薯生長發(fā)育的5 個關鍵品種參數(shù)分別是：出苗后光周期、從播種到出苗所需的有效積溫、從出苗到薯塊成熟所需的有效積溫、從薯塊形成期到成熟所需的有效積溫以及最大比葉面積［30］。其中有效積溫是指馬鈴薯在該發(fā)育階段內(nèi)有效溫度的總和，即馬鈴薯在某一段時間內(nèi)日平均氣溫與生物學下限溫度之差的總和。

表2 武川縣馬鈴薯平均發(fā)育期Tab.2 Average growth period of potato in Wuchuan County

1.3.2 太陽輻射的計算APSIM-Potato 模型運行所需的逐日太陽輻射量需要依據(jù)Angstrom 方程由日照時數(shù)轉(zhuǎn)化而來，計算公式如下：

式中：Q為日太陽總輻射（MJ·m-2）；Q0為天文輻射（MJ·m-2）；a、b為經(jīng)驗系數(shù)，與大氣質(zhì)量狀況有關；n為逐日日照時數(shù)（h）；N為逐日可照時數(shù)（h）；I0為太陽常數(shù)；ω為地球自轉(zhuǎn)速率；ρ為日地相對距離；ωs=ωt0為日出時角（rad），其中t0為日出至正午或正午至日沒的時間；φ為地理緯度（rad）；δ為太陽赤緯（rad）。

1.3.3 模型調(diào)參驗證及適用性評價指標在模型調(diào)參階段，采用數(shù)學上的擬合優(yōu)度法，通過比較作物模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)之間的差異，尋找參數(shù)的最佳組合，確定品種的遺傳參數(shù)。在模型驗證階段，通過模型模擬與實測結(jié)果的圖形比較及各項評價指標來評價模型的適用性。采用的統(tǒng)計指標有：反映模擬值與實測值之間的相對誤差和絕對誤差的均方根誤差（RMSE）和歸一化均方根誤差（NRMSE）；反映模擬值與實測值之間的一致性的決定系數(shù)（R2）和一致性指標（D指數(shù)）。RMSE、NRMSE和D指數(shù)的計算公式如下：

式中：n為總樣本數(shù)；Yi和Xi分別為模型模擬值和實測值；Xˉ為實測數(shù)據(jù)平均值。經(jīng)過驗證的馬鈴薯品種參數(shù)如表3所示。

表3 APSIM-Potato中馬鈴薯品種“克新一號”的品種參數(shù)Tab.3 Derived cultivar parameters(potato species Kexin_1)for APSIM-Potato

1.4 基準年選取

依據(jù)研究區(qū)域1986—2020年氣象數(shù)據(jù)，統(tǒng)計研究區(qū)域全生育期內(nèi)平均氣溫與總?cè)照諘r數(shù)的多年平均值，選取氣溫與日照時數(shù)處在平均值附近，而降水量有明顯差異的年份，認為這些年份中馬鈴薯產(chǎn)量變化主要是由于降水量的不同而導致。由圖1可知，2001、2009、2012年和2013年的氣溫和日照時數(shù)基本處在平均值附近，且降水量相差較大。

圖1 1986—2020年武川縣全生育期平均氣溫、總?cè)照諘r數(shù)和降水量Fig.1 Average air temperature,total sunshine hours and precipitation during the whole growth period in Wuchuan County from 1986 to 2020

由圖2可知，2001、2009、2012年和2013年的降水量存在60 mm 左右的差異，且產(chǎn)量隨降水量的不同而有明顯差距。這幾年中，2013年為降水量最高的年份，因此，本研究選擇2013 年為基準年，60 mm為梯度進行干旱情景設定。

圖2 馬鈴薯生育期平均氣溫、降水量、實測產(chǎn)量和模擬產(chǎn)量Fig.2 Average air temperature,precipitation,measured yield and simulated yield at potato growth period

1.5 干旱情景模擬

1.5.1 干旱情景設定根據(jù)武川縣的氣象條件，結(jié)合當?shù)貙嶋H情況選定干旱模擬的基準年和降水梯度，以基準年為對照組（CK），等比例改變馬鈴薯各個發(fā)育階段的降水量，由輕到重的干旱情景分別設定為T1到T4，以此來完成不同干旱情景的設定（表4）。在進行單一發(fā)育階段干旱脅迫時，用不同干旱年景某一發(fā)育階段的降水量替換CK中相應階段降水量；在進行連續(xù)發(fā)育階段干旱脅迫時，用不同干旱年景連續(xù)2 個以上發(fā)育階段的降水量替換CK 中相應階段降水量。本文采用連續(xù)模擬情景，即每年模擬開始之前不進行土壤水分的重置。另外，在設定的不同干旱情景中，采取當?shù)爻Ｒ?guī)管理模式。設定馬鈴薯種植密度為5株·m-2，種植行距為50 cm，株距為40 cm，播種深度為25 cm。利用APSIM-Potato模型中的自動施肥模塊，設置當0～60 cm 土層中的全氮含量低于300 kg·hm-2時，會自動進行氮肥的補充，確保馬鈴薯生長發(fā)育過程中不受氮肥的脅迫［31］。

表4 武川縣馬鈴薯各發(fā)育階段干旱情景設計Tab.4 Design of drought scenarios for each growth period of potato in Wuchuan County /mm

1.5.2 馬鈴薯減產(chǎn)率根據(jù)干旱情景設置，在模型中給定干旱條件，模擬得到該情景下馬鈴薯的干重產(chǎn)量，在與實測鮮重產(chǎn)量進行比較時折算為塊莖含水量為80%的鮮重，計算不同干旱情景下的減產(chǎn)率，即：

式中：Dt為第t年的減產(chǎn)率（%）；Y為第t年正常氣象條件驅(qū)動下的模擬產(chǎn)量（kg·hm-2）；Yt為第t年發(fā)生干旱情況下的模擬產(chǎn)量（kg·hm-2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 APSIM-Potato模型的適用性分析

2.1.1 APSIM-Potato 模型模擬馬鈴薯生育期的適用性分析根據(jù)研究區(qū)域馬鈴薯各發(fā)育階段的實際觀測數(shù)據(jù)，驗證APSIM-Potato 模型模擬武川縣馬鈴薯生育期的適宜性。結(jié)果顯示，在該品種參數(shù)條件下，模型對武川縣馬鈴薯生育期的模擬效果較好。出苗期、開花期、分枝期和可收期各發(fā)育階段模擬與實測天數(shù)的RMSE 均在3 d 以內(nèi)，NRMSE 均在5.00%以內(nèi)，R2分別為0.74、0.85、0.89和0.88，D指數(shù)分別為0.83、0.92、0.94和0.93（圖3）。

圖3 武川縣馬鈴薯各發(fā)育階段模擬值與實測值比較Fig.3 Comparison of simulated and measured values of potato at each growth period of potato in Wuchuan County

2.1.2 APSIM-Potato 模型模擬馬鈴薯LAI、地上部生物量和產(chǎn)量模擬效果的適用性分析馬鈴薯LAI、地上部生物量和鮮薯產(chǎn)量的模擬值與實測值的比較結(jié)果如圖4所示。馬鈴薯LAI的模擬值與實測值之間的NRMSE 為12.82%；對于地上部生物量而言，模擬值略高于實測值，NRMSE 為17.35%，R2和D指數(shù)分別為0.91 和0.89，除個別年份外可以較好模擬馬鈴薯的地上部生物量；模擬與實測產(chǎn)量的R2和D指數(shù)分別為0.92 和0.93，NRMSE 為14.48%，表明模型可以較好地模擬武川縣馬鈴薯的產(chǎn)量。

圖4 武川縣馬鈴薯葉面積指數(shù)（LAI）、地上部生物量和產(chǎn)量的模擬值與實測值比較Fig.4 Comparison of simulated and measured values of potato LAI,aboveground biomass,yield in Wuchuan County

2.2 干旱模擬結(jié)果分析

2.2.1 馬鈴薯LAI 對不同發(fā)育階段水分脅迫的響應分別對馬鈴薯進行單一發(fā)育階段（圖5a～d）和連續(xù)發(fā)育階段（圖5e～h）不同降水梯度的水分控制模擬，分別用實驗組（T1、T2、T3和T4）馬鈴薯4個單一發(fā)育階段的降水量和6種組合階段的降水量來替換對照組（CK）相應發(fā)育階段的降水量，以此來分析不同干旱情景對馬鈴薯LAI的影響。

圖5 各發(fā)育階段不同干旱情景下馬鈴薯葉面積指數(shù)變化曲線Fig.5 Variation curves of potato LAI under different drought conditions at each growth period

在單一發(fā)育階段不同降水梯度的水分控制模擬中，隨著干旱脅迫強度的增加馬鈴薯LAI 逐漸減小。在相同干旱脅迫強度下，馬鈴薯LAI 對單一發(fā)育階段水分脅迫的響應從大到小的順序依次是：分枝-開花期、出苗-分枝期、開花-可收期、播種-出苗期。其中，馬鈴薯LAI對分枝-開花期水分脅迫的響應最大，對應的LAI 較CK 減少3%～33%。馬鈴薯LAI 對播種-出苗期水分脅迫的響應最小，對應的LAI較CK減少1%～26%。

在連續(xù)發(fā)育階段不同降水梯度的水分控制模擬中，隨著干旱脅迫強度和干旱持續(xù)時間的增加馬鈴薯LAI 逐漸減小。在相同的干旱脅迫強度下，馬鈴薯LAI對連續(xù)發(fā)育階段水分脅迫的響應從大到小的順序依次是：播種-可收期、出苗-可收期、播種-開花期、出苗-開花期、分枝-可收期、播種-分枝期。其中，馬鈴薯LAI 對全生育期水分脅迫的響應最大，對應的LAI 較CK 降低10%～57%，且LAI 達到最大值所需的時間也會推遲10～17 d；馬鈴薯LAI對播種-分枝期水分脅迫的響應最小，對應的LAI 較CK 降低1%～38%。在播種-分枝期和分枝-可收期水分虧缺時，對應的LAI較CK分別降低1%～38%和8%～46%，馬鈴薯LAI 對發(fā)育后期水分脅迫的響應比前期大。

2.2.2 馬鈴薯地上部生物量對不同發(fā)育階段水分脅迫的響應分別對馬鈴薯進行單一發(fā)育階段（圖6a～d）和連續(xù)發(fā)育階段（圖6e～h）不同降水梯度的水分控制模擬，分別用實驗組（T1、T2、T3和T4）馬鈴薯4個單一發(fā)育階段的降水量和6種組合階段的降水量來替換對照組（CK）相應發(fā)育階段的降水量，以此來分析不同干旱情景對馬鈴薯地上部生物量的影響。

圖6 各發(fā)育階段不同干旱情景下馬鈴薯地上部生物量變化曲線Fig.6 Variation curves of potato aboveground biomass under different drought conditions at each growth period

在單一發(fā)育階段不同降水梯度的水分控制模擬中，隨著干旱脅迫強度的增加馬鈴薯地上部生物量逐漸減小。在相同干旱脅迫強度下，馬鈴薯地上部生物量對單一發(fā)育階段水分脅迫的響應從大到小的順序依次是：分枝-開花期、出苗-分枝期、開花-可收期、播種-出苗期。其中，馬鈴薯地上部生物量對分枝-開花期水分脅迫的響應最大，其地上部生物量較CK 減少17%～35%；馬鈴薯地上部生物量對播種-出苗期水分脅迫的響應最小，對應的值較CK減少5%～11%。

在連續(xù)發(fā)育階段不同降水梯度的水分控制模擬中，馬鈴薯地上部生物量變化情況與LAI 變化情況相似，隨著干旱脅迫強度的增加馬鈴薯地上部生物量逐漸減小。在相同的干旱脅迫強度下，馬鈴薯地上部生物量對全生育期水分脅迫的響應最大，對應的地上部生物量較CK 降低29%～67%，且地上部生物量達到最大值所需的時間也會推遲13～18 d；馬鈴薯地上部生物量對播種-分枝期水分脅迫的響應最小，對應的值較CK降低9%～37%。

2.2.3 馬鈴薯鮮薯產(chǎn)量對不同發(fā)育階段水分脅迫的響應分別對馬鈴薯不同發(fā)育階段、不同干旱情景進行模型模擬并計算其減產(chǎn)率（圖7）

在進行單一發(fā)育階段不同降水梯度的水分控制模擬時，隨著干旱脅迫強度的增加，馬鈴薯的產(chǎn)量減少（圖7a）。在相同干旱脅迫強度下，馬鈴薯產(chǎn)量對單一發(fā)育階段水分脅迫的響應從大到小的順序依次是：分枝-開花期、出苗-分枝期、開花-可收期、播種-出苗期。在播種-出苗期適當?shù)販p少水分，其產(chǎn)量會增加1%～9%。出苗-分枝期、分枝-開花期隨降水量的減少，馬鈴薯分別減產(chǎn)1%～18%和2%～25%，即馬鈴薯產(chǎn)量對分枝-開花期水分脅迫的響應大于對出苗-分枝期水分脅迫的響應。開花-可收期水分脅迫會導致馬鈴薯減產(chǎn)1%～11%。

對馬鈴薯進行連續(xù)發(fā)育階段不同降水梯度的水分控制模擬，結(jié)果表明馬鈴薯減產(chǎn)程度隨干旱強度和干旱持續(xù)時間的增加而增加（圖7b）。用T1中連續(xù)發(fā)育階段降水量替換CK中相應時段的降水量時，馬鈴薯減產(chǎn)率均在10%以下；用T2、T3中連續(xù)發(fā)育階段降水量替換CK 中相應時段的降水量時，隨水分脅迫持續(xù)時間的增加，馬鈴薯減產(chǎn)3%～50%，其中全生育期進行高強度水分脅迫時，減產(chǎn)率可達到55%～75%，且發(fā)育中后期的水分脅迫對最終產(chǎn)量影響較大，減產(chǎn)率可達27%～68%；用T4中連續(xù)發(fā)育階段降水量替換CK 中相應時段的降水量時，水分條件難以維持馬鈴薯正常的生長發(fā)育，隨著水分脅迫持續(xù)時間的增加，可導致嚴重減產(chǎn)甚至絕收。

圖7 各發(fā)育階段不同干旱情景下馬鈴薯減產(chǎn)率Fig.7 Yield reduction rate of potato under different drought conditions at each growth periods

3 討論

干旱脅迫會抑制馬鈴薯的生理生化過程，從而導致產(chǎn)量和品質(zhì)的損失。這種損失的程度與作物品種、干旱脅迫作用階段、持續(xù)時間和影響強度有直接關系［32-33］。LAI 可以體現(xiàn)馬鈴薯的光合特性和生長發(fā)育狀況，影響馬鈴薯多種生理生化過程［34-35］。王希群等［36］研究認為，馬鈴薯LAI 與其抗旱性呈顯著的正相關，這與本研究結(jié)果相似，LAI隨干旱脅迫強度及時間的增加而降低；馬鈴薯苗期受到短暫的干旱脅迫時，對其LAI影響不大，馬鈴薯LAI對塊莖形成和膨大期干旱脅迫的響應較大。究其原因，認為是干旱脅迫下，水分不足導致植株葉面氣孔關閉，蒸騰作用和凈光合速率都降低，馬鈴薯生長發(fā)育受阻；且由于干旱脅迫使細胞生長受阻，葉片擴大受限，葉片衰老或脫落的速度增加，整體光合受到嚴重影響，進而影響其LAI。馬鈴薯的地上部分（莖、葉）與地下部分（根、塊莖）密切相關，二者不僅存在相互依賴關系，還存在相互競爭關系。在發(fā)生干旱脅迫時，二者受影響的表現(xiàn)不同。短時間干旱脅迫時，地下部未發(fā)生水分虧缺可以正常生長，而地上部由于莖葉的伸長生長以及植株的蒸發(fā)、蒸騰作用導致發(fā)生水分虧缺，地上部生長受限，地上部生物量降低。另外本研究中地上部生物量的增長情況符合Logistic方程的增長模式，呈現(xiàn)出前期生長較慢，達到某一時期后增長速度加快，到后期增長速度又開始減緩的特點，這與秦永林［37］對不同灌溉模式下的馬鈴薯生物量的研究結(jié)論相一致。

干旱脅迫作用于塊莖形成期表現(xiàn)為馬鈴薯的匍匐莖減少，從而降低其塊莖數(shù)量和最終產(chǎn)量［38］；塊莖膨大期受到干旱脅迫會使馬鈴薯植株光合作用受到抑制，從而降低其塊莖數(shù)量和產(chǎn)量［39］。這也與本研究中馬鈴薯最終產(chǎn)量對分枝-開花期水分脅迫的響應最大這一結(jié)論相符。在另一項研究中，有學者認為，適應輕度干旱脅迫的馬鈴薯植株在后續(xù)的干旱脅迫中表現(xiàn)出較少的產(chǎn)量損失［40］。本研究發(fā)現(xiàn)，苗期適當干旱脅迫會使馬鈴薯最終產(chǎn)量增加。模型中干物質(zhì)積累速率由日總太陽輻射、水分脅迫因子、溫度脅迫因子、CO2濃度脅迫因子等共同控制。根據(jù)設定的干旱情景，在一定的范圍內(nèi)減少水分時，模型中土壤濕度不會根據(jù)該時期降水量的改變發(fā)生明顯變化；但當經(jīng)歷長時間水分虧缺，土壤非常干旱，土壤濕度下降明顯時，植物潛在蒸騰也減少，水分脅迫因子減小，模型干物質(zhì)積累速率也會隨之下降，導致最終產(chǎn)量減少。另外，生長前期適當減少水分時，干物質(zhì)向不同器官的運移和分配也會發(fā)生相應的變化，在一定的范圍內(nèi)減少水分時，馬鈴薯根系的分配比例將會增加，會提高馬鈴薯的最終產(chǎn)量［41］。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常使用“蹲苗”的方法，來提高馬鈴薯抗旱能力，從而提高其最終產(chǎn)量。另外，在本研究中除了苗期外馬鈴薯產(chǎn)量隨著干旱脅迫持續(xù)時間和強度的增加而減少，這是由于干旱脅迫使植株整體生長發(fā)育受到抑制，細胞生長速率減慢，光合作用受到抑制，株高和地上部生物量等都相應減少，最終導致馬鈴薯產(chǎn)量下降。該規(guī)律不僅適用于馬鈴薯群落，研究發(fā)現(xiàn)，玉米在受到干旱脅迫時，其穗長、株高和百粒重都表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢［42］；冬小麥短時間輕度缺水不影響其光合作用及最終產(chǎn)量，但隨著脅迫時間與強度的增加，水分不足會使光合作用降低，籽粒無法充分灌漿，最終導致減產(chǎn)［43］。因此，在馬鈴薯農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中遭遇長期干旱，需進行適時灌溉以保證馬鈴薯的最終產(chǎn)量。

當前我國馬鈴薯農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中頻繁遭遇干旱事件，這些干旱事件限制了我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［44］。因此，在當前生長條件下提高馬鈴薯生產(chǎn)力對于滿足我國國民的營養(yǎng)需求就變得格外重要。明確水分脅迫對馬鈴薯的影響機制，確定馬鈴薯對干旱脅迫的響應情況對于選擇能夠更好地適應干旱的馬鈴薯品種并制定田間管理措施至關重要。這些理論基礎的闡明有助于在氣候變化的大背景下保持甚至提高馬鈴薯產(chǎn)量。本研究表明，干旱脅迫持續(xù)時間、脅迫強度、脅迫作用階段、作物品種和不同區(qū)域氣候都會影響馬鈴薯的生長發(fā)育及最終產(chǎn)量。但APSIM-Potato模型中需要進行調(diào)整與確定的參數(shù)很多，僅憑作物生育期、地上部生物量、產(chǎn)量等資料無法滿足所有參數(shù)調(diào)整的需求；其次，本研究設計的干旱情景模擬方案相對簡單，僅針對現(xiàn)有基準年對降水量按生育期進行等比例分配，未考慮某一生育期水分極端的狀況；同時，設定的模擬環(huán)境與馬鈴薯實際生長環(huán)境狀況也存在一定差異，未考慮馬鈴薯植株病蟲害和極端天氣等的影響。所以需要在后續(xù)的研究中根據(jù)實際情況進行模擬，考慮極端天氣、病蟲害等環(huán)境條件的影響；獲取精度更高的田間測定數(shù)據(jù)，更好地與田間試驗相結(jié)合從而提升作物模型的模擬效果。

4 結(jié)論

本研究采用武川地區(qū)1986—2020 年逐日氣象數(shù)據(jù)，土壤數(shù)據(jù)及作物數(shù)據(jù)，對APSIM-Potato模型在武川縣的適用性進行評價。結(jié)合當?shù)貧夂驐l件設定干旱情景，利用驗證后的模型模擬馬鈴薯葉面積指數(shù)（LAI）、地上部生物量和產(chǎn)量對不同發(fā)育階段水分脅迫的響應情況，得出以下結(jié)論：

（1）APSIM-Potato 模型能夠較好地模擬武川縣不同年景馬鈴薯的生長發(fā)育及產(chǎn)量形成，其中生育期的D指數(shù)均在0.8 以上，模擬的均方根誤差（RMSE）均在3 d以內(nèi)，LAI、地上部生物量和產(chǎn)量的D指數(shù)也均在0.85 以上，模擬結(jié)果的歸一化均方根誤差（NRMSE）均低于20%。模型模擬精度較高，在研究地區(qū)具有適用性。

（2）單一發(fā)育階段的水分脅迫，馬鈴薯LAI、地上部生物量和產(chǎn)量隨著干旱脅迫持續(xù)時間和強度的增加而減小，但播種-出苗期適當?shù)乃痔澣笔柜R鈴薯增產(chǎn)，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中可以適時控水，采用“蹲苗”的方法來提高馬鈴薯產(chǎn)量。馬鈴薯LAI、地上部生物量和產(chǎn)量對單一發(fā)育階段水分脅迫響應最大的階段是分枝-開花期，其馬鈴薯LAI、地上部生物量和產(chǎn)量較CK 分別減少3%～33%、17%～35%、2%～25%。

（3）連續(xù)發(fā)育階段的水分脅迫，馬鈴薯LAI、地上部生物量和產(chǎn)量隨著干旱脅迫持續(xù)時間和強度的增加而減小，水分脅迫對馬鈴薯LAI、地上部生物量和產(chǎn)量的影響具有持續(xù)性和疊加性。馬鈴薯LAI、地上部生物量和產(chǎn)量對連續(xù)發(fā)育階段水分脅迫響應最大的階段是播種-可收期，全生育期水分脅迫會使馬鈴薯LAI、地上部生物量和產(chǎn)量分別減少10%～57%、29%～69%和55%～75%，且其LAI和地上部生物量達到最大值的時間也相應增加10～17 d和13～18 d。