河北壩上地區不同降水年型下馬鈴薯耗水特征

唐建昭，肖登攀，郭馨澤

(1.河北省科學院地理科學研究所 河北省地理信息開發應用工程技術研究中心，河北 石家莊 050011；2.張北縣氣象局，河北 張北 076450)

馬鈴薯是世界第四大口糧作物，僅次于小麥、玉米和水稻[1]。我國馬鈴薯生產面積和總產均居世界首位[2]。河北壩上地區氣候涼爽，光照條件充足，晝夜溫差大，適宜馬鈴薯種植；并且雨季和馬鈴薯生長季匹配度高，有利于馬鈴薯高產的形成[3]，因此壩上地區是我國馬鈴薯生產的主產區之一[4]。當前該地區馬鈴薯種植面積占河北省馬鈴薯播種面積的四分之一左右[3]，馬鈴薯生產對保障壩上地區乃至整個河北地區糧食安全具有重要意義。

壩上地區馬鈴薯生產主要在雨養條件下進行，提高該地區雨養馬鈴薯產量的措施主要包括優良品種的選育、播期的調整、密度的調整以及起壟覆膜等措施[5-8]。另外，壩上地區的降水量少且年際間變異大[6]，而馬鈴薯生育期需水量在400～800 mm之間[6, 9]，通常情況下，降雨無法保證該地區馬鈴薯高產和穩產。因此，通過灌溉提升馬鈴薯產量也是必須的措施。然而長期灌溉造成了壩上地區水資源危機日趨嚴峻，主要表現為地下水的嚴重下降。已有的研究表明，河北壩上地區從20世紀90年代到2005年，地下水靜水位由3～15 m下降為17～50 m[10]。因此通過大量灌溉使馬鈴薯增產在壩上地區是不可持續的，通過優化灌溉方式達到節水和增產的目的對當地馬鈴薯生產的可持續發展意義重大。優化灌溉方式和提升作物產量的研究主要集中在最佳灌溉時期和灌溉量的確定[11-13]，及以增產和節水為目的的灌溉方式的調整[14-15]。雨養馬鈴薯生產中壩上地區土壤水分活躍層約為80 cm[16]，降水可以對土壤水分進行補充，同時，又會對地下水進行補充[17]。然而，不同降水年型下對土壤水和地下水的補充也會產生差異；同時，不同降水年型下馬鈴薯的水分利用也會有很大差異，但這些實際問題和科學問題在河北壩上地區馬鈴薯生產中還鮮有研究。因此，本文基于馬鈴薯長期定位試驗揭示河北壩上地區馬鈴薯在不同降水年型下的耗水特征和產量特征以及馬鈴薯耗水和產量的關系，為提高該地區馬鈴薯產量和優化灌溉方案，進而促進該地區馬鈴薯生產的可持續性提供科學指導和理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

試驗于2010年4月至2017年9月，在張北縣張北鎮龍王廟村(41°09′N，114°42′E, 海拔1 393.3 m)進行。馬鈴薯生長季降水量在226～512 mm之間，占全年降水量的80%，生長季平均氣溫在12～15℃之間，生長季總輻射在3 300～3 900 MJ·m-2之間，無霜期105 d左右。土壤類型為砂壤土(根據國際制分類)，0～50 cm土層土壤容重、凋萎含水量、田間持水量及飽和含水量分別為1.41～1.55 g·cm-3、3.1%～4.6%、20.6%～25.9%和35.0%～36.0%，其中土壤含水量均為體積含水量，具體土壤性質見表1。

1.2 試驗設計

2010-2017年試驗中馬鈴薯均在雨養條件下進行種植。供試馬鈴薯均為中熟品種，生育期130 d左右。總試驗小區面積為1 000 m2，馬鈴薯播種密度為40 000株·hm-2，播種深度為15 cm。播前在試驗小區內一次性施入農家肥2 500 kg，其他時期不再進行追肥。記錄的馬鈴薯生育期包括播種、出苗、薯塊形成、薯塊膨大和成熟。生育期內采用烘干法測定0～50 cm土層土壤水分。馬鈴薯成熟時對小區內所有的植株進行測產，測定項目包括總產、單株薯塊重以及收獲指數。對試驗田進行多次中耕以保證無雜草和病蟲害影響。

1.3 研究方法

1.3.1 1981-2017年張北地區降雨年型的劃分 根據不同等級的降水保證率將研究區1981-2017年劃分為濕潤年、正常年和干旱年[6]。將降水保證率低于25%的年份定義為濕潤年份，降水保證率在26%～75%的年份定義為正常年份，降水保證率在76%～100%的年份定義為干旱年份。具體降水量范圍和降水年型如表2所示。2010-2017年試驗年份具體年型劃分如表3所示。

表1 試驗地區土壤物理性質

試驗年份中2011、2015年為干旱年份，馬鈴薯生長季降水量分別為281、260 mm；2012-2014年和2017年為正常年份，生長季降水量在318～372 mm之間；2010年和2016年為濕潤年份，生長季降水量分別為449 mm和393 mm。

1.3.2 作物耗水量(ET)計算 作物田間耗水量是衡量與評價農作物農田水分供需關系的重要指標，是計算作物水分利用效率的關鍵參數，也是各種農藝措施對農田水分調控的主要對象。對雨養農業而言，降水是水分的唯一來源，馬鈴薯耗水量主要來自播前土壤貯水量和生育期間的降水。作物田間耗水量由作物蒸騰量和土壤蒸發量組成，應用田間水量平衡公式進行估算：

ΔW=P+I+G-ET-R-D

(1)

其中,ΔW為土壤水分在某時段內的變化值；P為降水量(mm)；I為灌溉量(mm)；G為毛管上升水量(mm)；ET為作物耗水量或農田蒸散量(mm)；R為徑流量(mm)；D為滲漏量(mm)。壩上地區以旱地為主，土層較淺，且地下水位埋深均在15 m以下，因此計算時可以忽略毛管上升水量G和滲漏量D。試驗區強降水次數少，且每次降水過程降水量不大，降水基本上都保留在土壤中，因此本研究中也可忽略徑流量R。基于以上理論假設，壩上地區馬鈴薯不同生育階段或整個生育期的耗水量計算公式為：

ET=P-ΔW

(2)

式中，ΔW為馬鈴薯整個生育期或某一生育階段土壤貯水變化量，即作物生育期末(某生育階段末)土壤貯水量與生育期初(某生育階段初)土壤貯水量之差。

表2 1981-2017年張北地區降水年型劃分

表3 試驗年份的降水年型

1.3.3 馬鈴薯水分利用效率的計算 馬鈴薯水分利用效率(Water use efficiency, WUE, kg·hm-2·mm-1)計算公式如下：

WUE=Y/ET

(3)

其中，Y為馬鈴薯產量(鮮重，kg·hm-2)，ET為馬鈴薯耗水量(mm)。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2016進行數據整理、回歸分析和作圖。

2 結果與分析

2.1 2010—2017年河北壩上地區馬鈴薯不同生育階段降水分布

2010—2017年馬鈴薯播種～出苗、出苗～薯塊形成、薯塊形成～薯塊膨大和薯塊膨大～成熟階段的降水量分別在41～59、30～57、8.1～97 mm和107～213 mm之間(圖1)。且不同生育階段降水在年際間差異較大，播種～出苗階段降水變異最小，其變異系數為13.7%，薯塊形成～薯塊膨大階段降水變異系數最高，達到90.5%。

2.2 2010-2017年不同降水年型下馬鈴薯耗水特征

圖2顯示了不同降水年型下馬鈴薯不同生育階段的耗水特征。播種～出苗階段，三種年型下馬鈴薯耗水量在38～60 mm之間，其中濕潤年型下馬鈴薯耗水量最多；出苗～薯塊形成階段，馬鈴薯耗水量在27～44 mm之間，其中干旱年型下馬鈴薯耗水量最多，而濕潤年型下耗水量最少；薯塊形成～薯塊膨大階段，不同降水年型下馬鈴薯的耗水量在25～48 mm之間，濕潤年型下馬鈴薯耗水量最多；薯塊膨大～成熟階段，不同降水年型下馬鈴薯耗水量在126～182 mm之間，其中正常年型下馬鈴薯耗水量最多。馬鈴薯薯塊膨大～成熟階段耗水量顯著高于其他生育階段。

注：P-E、E-T、T-TB和TB-M分別代表播種～出苗、出苗～薯塊形成、薯塊形成～薯塊膨大和薯塊膨大～薯塊成熟，下同。圖中橫線分別代表最大值和最小值；“●”代表平均值；矩形的上邊緣和下邊緣分別代表75%和25%順序的值 Note: P-E, E-T, T-TB, and TB-M represent the periods of planting to emergence, emergence to tuberizaiton, tuberizaiton to tuber bulking, and tuber bulking to maturity. The same below. The horizontal lines show the maximum and minimum values; the “●” shows the average value; the upper and lower edges of boxes show 75% and 25%.圖1 試驗年份(2010-2017年)馬鈴薯不同 生育階段降水分布Fig.1 The distribution of precipitation during different growing periods of potato in experimental years from 2010 to 2017

圖3顯示了不同降水年型下馬鈴薯不同生育階段日耗水量的變化趨勢，試驗年份馬鈴薯生育期日耗水量變化在0.11～8.1 mm·d-1之間，生育期內呈單峰曲線變化趨勢。其中薯塊形成～薯塊膨大階段馬鈴薯日耗水量顯著高于其他生育階段，干旱年型、正常年型和濕潤年型下該階段的日耗水量分別為3.6、3.9 mm和4.7 mm。

圖2 試驗年份(2010-2017年)不同降水年型下 馬鈴薯不同生育階段耗水特征Fig.2 The water consumption of potato during different growing periods under different year types

圖3 2010-2017年不同降水年型下馬鈴薯 不同生育階段平均日耗水量變化Fig.3 The daily water consumption of potato during different growing periods under different year types

2.3 不同降水年型下馬鈴薯水分利用效率

2010-2017年馬鈴薯的產量在8 250～24 500 kg·hm-2之間，生育期實際蒸散量在179～343 mm之間，水分利用效率(WUE)在32～135 kg·hm-2·mm-1之間，且年際間馬鈴薯產量和WUE變化趨勢相同，其中2011年馬鈴薯產量最高，2015年WUE最高，而2010年馬鈴薯產量和WUE均最低(圖4)。圖5比較了不同降水年型下馬鈴薯WUE的差異，隨著馬鈴薯生育期內降水量的增加WUE呈下降的趨勢，干旱年份下馬鈴薯WUE最高，為107.6 kg·hm-2·mm-1，濕潤年型下最低，為49.3 kg·hm-2·mm-1。

2.4 馬鈴薯產量和不同生長階段耗水量的關系

圖6顯示了馬鈴薯不同生育階段耗水量和馬鈴薯產量的關系，播種～出苗和薯塊形成～薯塊膨大兩個階段的耗水量和馬鈴薯產量呈現負相關的關系，但不顯著(P>0.05)。出苗～薯塊形成和薯塊膨大～成熟階段的耗水量與馬鈴薯產量呈現正相關的關系，只有薯塊膨大～成熟階段的耗水量與產量的相關性達到顯著水平(R2=0.28，P<0.05)。結合圖2可知，薯塊膨大～成熟階段也是馬鈴薯生育期內耗水量最大的階段，因此在該階段提高馬鈴薯的供水量，對提高馬鈴薯產量具有重要意義。

圖4 2010-2017年馬鈴薯產量、蒸散量和水分利用效率(WUE)Fig.4 Yield, ET, and water use efficiency (WUE) of potato in experimental years of 2010 to 2017

圖5 2010-2017年不同年型下馬鈴薯水分利用效率Fig.5 The water use efficiency of potato under different year types from 2010 to 2017

注：圖中的直線代表馬鈴薯產量和不同階段耗水量擬合的趨勢線；“*”代表達到0.05顯著水平。 Note: The solid line represents the linear trend for water consumption during different periods; single asterisks indicate statistical significance at the 0.05 level.圖6 2010-2017年馬鈴薯不同生長階段耗水量 和馬鈴薯產量的關系Fig.6 The relationship between potato yield and water consumption during different growing periods

3 討 論

壩上地區屬于典型的農牧交錯區，降水量少且年際間變異大[6]。2010-2017年共8年大田試驗中，有兩年屬于干旱年份，生長季降水量分別為261 mm和280 mm，遠低于馬鈴薯的生育期需水量[6]。即使在一些正常年份下，降水量也會低于馬鈴薯的需水量[9]，說明該地區大部分年限下馬鈴薯處于水分脅迫狀態。馬鈴薯不同生育階段內降水量具有很大的差異，其中60%的降水集中在薯塊膨大～成熟階段，主要是因為該生育階段較長，并且雨季也主要發生在該生育階段。而薯塊形成～薯塊膨大階段降水量最少，但是不同年份間變異很大，主要是因為該階段時間較短，同時該生育階段在雨季開始階段，大降水事件發生的可能較高，單次大降水事件就會造成該階段降水年際間很大的差異。播種～出苗和出苗～薯塊形成兩個階段降水量少且變異較小，主要是因為這兩個階段在雨季開始之前，降水量少且主要以小降水事件為主。

降水是壩上地區雨養農業區水分的唯一來源[16]，降水除了供作物利用還有一部分貯存在土壤中。馬鈴薯生育期內耗水主要來自生育期降水和播前土壤貯水，不同降水年型下馬鈴薯不同生育階段耗水量在27～188 mm之間，播種～出苗和薯塊形成～薯塊膨大兩個階段馬鈴薯在濕潤年型下耗水量最多，而薯塊膨大～成熟階段馬鈴薯在正常年型下耗水量最多，主要是因為在濕潤年型下雖然生長季降水總量高于干旱年份和正常年份，而馬鈴薯生育期內降水量卻低于其他年份。馬鈴薯不同生長階段的生長速率差異很大，因此不同階段的日耗水量也會有一定差異，本研究結果表明馬鈴薯薯塊形成～薯塊膨大階段的日耗水量顯著高于其他階段，因此該階段是馬鈴薯水分需求旺盛期，這和前人研究結果一致[18-21]。

2010—2017年馬鈴薯的產量在8 250～24 500 kg·hm-2之間，水分利用效率(WUE)在32～135 kg·hm-2·mm-1之間，干旱年份下馬鈴薯的WUE顯著高于正常年份和濕潤年份。主要是因為在干旱年份下，馬鈴薯受到的干旱脅迫更為嚴重，馬鈴薯氣孔關閉避免蒸騰失水[22]，可以使更多的水分保持在植株體內利用，因此水分利用效率更高。雨養條件下，馬鈴薯產量會隨著降水量的增加而增加[23-25]，而在研究區試驗年份中馬鈴薯產量并沒有隨著降水量的增加呈現增加的趨勢，主要是因為馬鈴薯生育期內耗水包括作物蒸騰和土壤蒸發兩部分[1]，作物產量會隨著蒸騰量的增加而增加，有研究表明在濕潤年型下會增加土壤的蒸發量而降低作物蒸騰量，尤其是小降水事件較多的年份又會導致降水的有效性降低[6]。另一方面，雖然生長季內降水總量高，但是和馬鈴薯生育期內需水的匹配度低，大量的降水發生在生長后期，此時降水量增加對馬鈴薯產量提升作用不大，因此應該從提高降水的有效性和降水與馬鈴薯生長需水的匹配度兩個方面提升馬鈴薯的產量。

當前，對馬鈴薯耗水特征的研究主要集中在需水量和需水關鍵期的研究[6,18-21]，然而對不同階段馬鈴薯耗水量的差異對產量的影響研究較少。薯塊形成～薯塊膨大決定了薯塊形成的個數，該階段耗水增加，增加了馬鈴薯薯塊個數的形成，有利于增產；然而，薯塊形成～薯塊膨大階段薯塊形成個數較多，薯塊膨大～成熟階段的供水量無法滿足馬鈴薯生長需求，又會造成馬鈴薯的減產。本研究分析了不同降水年型下馬鈴薯不同生育階段耗水量和產量的關系，表明在薯塊形成～薯塊膨大階段進行適度的干旱脅迫，減少馬鈴薯形成個數，使單個薯塊的質量增加，進而使馬鈴薯增產。

4 結 論

2010-2017年有25%的年份為干旱年份，馬鈴薯不同生育階段內降水差異較大，其中薯塊膨大～成熟階段降水量最大。同一生長階段不同年份間具有很高的變異性，其中薯塊形成～薯塊膨大階段的降水量年際間變異最高。不同降水年型下馬鈴薯不同生育階段耗水量具有一定的差異性，播種～出苗和薯塊形成～薯塊膨大階段在濕潤年型下耗水量最高，出苗～薯塊形成期在干旱年型下耗水量最高，薯塊膨大～成熟期在正常年型下耗水量最大。所有年型下馬鈴薯薯塊形成～薯塊膨大階段的日耗水量均顯著高于其他階段。試驗年份中，干旱年型下馬鈴薯水分利用效率最高，顯著高于其他年型。根據壩上地區馬鈴薯的耗水特征，在薯塊膨大～成熟階段增加灌溉對馬鈴薯產量具有顯著的正效應。