寧夏中南部地區馬鈴薯水分盈虧研究

馬力文，劉 靜，徐 青，鄭 方，張學藝

（1中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室，銀川 750002；2寧夏氣象防災減災重點實驗室，銀川 750002）

0 引言

寧夏中南部地區包括中部干旱帶和南部山區。2016 年起寧夏把馬鈴薯主食化作為寧夏中南部地區精準扶貧、脫貧濟困、增收致富的重大舉措，大力發展馬鈴薯特色產業。目前種植面積近230千hm2，總產量42.5 萬t。該區域年降水量300～600 mm，降水的季節變幅大，干旱災害頻繁，旱作馬鈴薯產量長期低而不穩，年際波動劇烈。為了抵御干旱風險，加強有限水資源的集約管理，提高水分利用效率，需要了解該區域馬鈴薯的需水規律，明確水分盈虧的時空分布，為開展節水灌溉提供決策依據。

多年來在作物需水量和水分收支上有大量研究[1]。鐘兆站等[2]采用PM方程結合作物水分函數，估算了內蒙古武川縣馬鈴薯全生育期的需水量為417.7 mm。趙慧等[3]也采用PM 方程估算的武川縣歷年需水量為397.2～529.9 mm。張安凝知等[4]采用土壤水分脅迫系數Ks訂正Kc，估算的武川縣馬鈴薯生態需水量為440～490 mm。馬鳳蓮等[5]利用PM方程和FAO公布的馬鈴薯3 個階段作物系數估算了冀北地區各市縣馬鈴薯1969—2018年逐年需水量，得出冀北地區馬鈴薯多年平均需水量在462.7～554.6 mm 之間，平均497.8 mm。郭偉等[6]采用同樣方法估算了晉西北地區馬鈴薯全生育期的需水量為463～552 mm，平均501 mm。武朝寶[7]在山西省臨縣開展了不同灌溉量試驗，利用100 cm深度土壤含水量的差值推算了不同灌溉量條件下的馬鈴薯耗水量，測定的充分灌溉下馬鈴薯的需水量為562.1 mm。胡琦等[8]研究了內蒙古馬鈴薯種植區灌溉需水量，東部呼倫貝爾市興安盟地區降水資源豐富，灌溉需水量較小，而內蒙古西部降水資源十分匱乏，灌溉需水量激增，無灌溉條件的地區不適宜種植馬鈴薯。劉宏誼等[9]估算了甘肅省河東地區馬鈴薯需水量的平均值為425 mm，年代際波動明顯。連彩云等[10]在甘肅張掖地區開展了灌溉試驗，測定了0～200 cm土層的土壤貯水量，利用水量平衡法結合微型蒸滲儀確定了張掖地區馬鈴薯的5 個階段的需水系數，測定的需水量為612.9 mm。而李金華等[11]在甘肅張掖地區也設計了灌溉試驗，估算的充分灌溉條件下馬鈴薯需水量為475 mm。于婷婷等[12]研究了內蒙古各地不同馬鈴薯品種的耗水量和適宜灌溉量，西部地區明顯多于東部地區。陸靜等[13]在分析陜北黃土丘陵區主要作物需水與降水耦合中，采用的Kc系數偏大，估算的馬鈴薯需水量超過600 mm。趙元霞等[14]、楊胡等[15]總結了保水劑、滴灌制度在馬鈴薯種植上的應用研究進展。可見，基于PM 和FAO 公布的Kc系數、水量平衡法確定的Kc系數估算的各地馬鈴薯需水量顯示出暖干氣候區域偏多，冷濕氣候區域偏少的特征，相互比較有一定的自洽性，而張掖試驗測定的需水量比估算值明顯偏多。

寧夏馬鈴薯需水規律和需水量的研究近年來逐步增多。王龍昌等[16]在黃土丘陵區旱地作物水分生態適應性系統評價中，確定固原市馬鈴薯的需水量為404.5 mm。李劍萍等[17]估算了寧夏中南部10 個市縣馬鈴薯需水量，南部山區為260.4～605.7 mm，中部干旱帶為741.8～833.6 mm，比冀北、晉北和內蒙古武川縣等地采用同一方法的估算值明顯偏多。亢艷莉等[18]研究了寧夏固原市馬鈴薯1961—2015 年的平均需水量為350～500 mm，明顯少于前者，也比冀北、晉北地區偏少，略多于內蒙古武川縣。馬芳等[19]采用王靜等[20]的Kc系數修訂方法，估算了固原市主要農作物生育期有效降水與需水量特征，得出的馬鈴薯需水量為376.2～472.3 mm。可見，雖然采用同樣方法，但由于Kc系數的取值不同，訂正方法不同，馬鈴薯需水量的估算值地域之間差別較大，甚至植株高度對FAO-56 的Kc系數都有一定的差異[21]。為了進一步研究寧夏中南部地區自然降水能否滿足馬鈴薯需水，在馬鈴薯生育進程中的哪個時段最為缺水，水分缺口多少，本研究以FAO推薦的干旱半干旱區的Kc為依據，根據試驗觀測的發育期將不同地區馬鈴薯Kc系數細化到每一天，力求估算的需水量符合實際，根據各個生育階段降水量與需水量的差額，明確了各地的水分盈虧動態、缺水時段和缺水量，為科學合理安排補灌制度，提高水分利用效率提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 參考作物蒸散量的估算

根據參考作物蒸散量ET0的計算方法采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的PM 方程計算，其計算方法見(1)式。

式中，T為日平均氣溫，U2為2 m高處平均風速[m/s]，Rn為作物表面凈輻射[MJ/(m2·d)]，G為土壤熱通量密度[MJ/(m2·d)]，VPD為水氣壓差[kPa]，Δ為飽和水氣壓曲線斜率[kPa/℃]，γ為干濕表常數。

目前國家氣象監測站觀測的是10 m高度風速，根據風速廓線公式可轉化成2 m高度風速，見公式(2)。

式中，U2為2 m 高度風速，UZ為Zm 高度風速，Zm為高度，此處為10。飽和水氣壓斜率、干濕表常數、水汽壓的換算、作物冠層凈輻射等均可通過相關業務手冊查詢和換算。

1.2 馬鈴薯需水量的估算

作物生長第i日的需水量ETmi，見公式(3)。

其中Kci為第i日作物系數，不同作物和不同生育階段Kci不同。根據FAO的推薦，參照馬力文等在寧夏西吉縣、原州區和同心縣開展的馬鈴薯試驗觀測的發育期，將寧夏不同地區的馬鈴薯Kc系數按照發育期細化到每一天(Kci)，以便利用逐日ET0估算逐日ETc，見圖1。

作物第k個發育階段的總需水量ETmk，見公式(4)。

式中，ETmk為作物第k個發育階段的總需水量，ETmi為第i日作物需水量，m為k階段日數。

1.3 馬鈴薯實際耗水量

作物實際耗水量可利用農田土壤水分平衡方程計算，見公式(5)。

式中，ETc為作物耗水量，Wini、Wend分別為開始和結束時土壤容積含水量，r為徑流系數，P為灌溉量，∑R為某時段累計降水量，Gdown、Gup分別為水分下滲量和毛管水上升量。中南部地區旱作農田地下水位在幾十米以下，Gdown、Gup可忽略。旱作農田P=0，對于灌溉農田或者需水關鍵期節水補灌的作物，可根據實際灌溉量和灌溉時間引入方程。

1.4 作物水分盈虧

根據(5)式估算了作物耗水量后，作物第k生長階段的總耗水量ETck的計算見公式(6)。

式中，ETck為馬鈴薯階段耗水量，ETci為第i旬馬鈴薯的旬耗水量，n為旬數。

k時段馬鈴薯水分盈虧量Bk，見公式(7)。

式中，Bk為k階段水分盈虧，ETck為馬鈴薯階段耗水量，ETmk為k階段作物需水量。

2 結果與分析

2.1 寧夏中南部地區馬鈴薯需水量

統計1981—2020 年逐旬平均需水量和全生育期需水量，結果見表1。馬鈴薯全生育期需要465.1～677.3 mm 的水分，其中南部山區需水量為465.1～535.8 mm，中部干旱帶為604.2～677.3 mm。寧夏中南部地區馬鈴薯一般在4月下旬至5月上旬播種，5月下旬出苗，此時每旬需水21.0～30.4 mm。經過一個月的苗期生長，6月下旬馬鈴薯現蕾開花，需水量逐漸增大到43.4～65.1 mm/旬。6月下旬至7月下旬馬鈴薯處于開花至塊莖形成期，是葉面積指數最大的階段，也是水分消耗最多的階段，波動范圍為43.4～70.5 mm/旬。馬鈴薯開花后，進入塊莖膨大至成熟期，隨著馬鈴薯葉面積指數逐漸下降，需水量也開始逐漸減少，至10 月上旬，需水量減至13.0～19.3mm/旬。

表1 寧夏中南部地區各市縣馬鈴薯平均逐旬需水量（1981—2020年）mm

2.2 溫度、降水量對馬鈴薯需水量的影響

統計南部山區的原州區、西吉和中部干旱帶的同心3個縣（市）1961—2020年5月上旬至10月上旬的平均氣溫和累積降水量，與同時段馬鈴薯需水量進行相關分析，發現馬鈴薯需水量與期間的平均氣溫呈極顯著正相關，達到R0.001的極顯著水平。期間氣溫越高，土壤蒸發和蒸騰耗水越多，馬鈴薯需水量越大（圖2A）。馬鈴薯需水量與期間的降水量呈極顯著負相關，隨著全生育期降水量的增多，馬鈴薯需水量呈負對數減少，復相關系數通過了R0.001的顯著性檢驗（圖2B）。表明隨著降水量的增加，空氣濕度加大，土壤蒸發力減弱，作物蒸騰因氣孔內外濕度梯度減小而下降，使得馬鈴薯需水量減少。

圖2 馬鈴薯全生育期需水量與平均氣溫(A)和降水量(B)的關系

2.3 不同年型馬鈴薯需水量的變化特征

以馬鈴薯全生育期平均氣溫±0.5℃、累計降水量±50 mm 為界限值，將原州區、同心縣馬鈴薯1961—2020 年的年型分為溫度正常年、高溫年、低溫年和降水正常年、多雨年和少雨年，分別統計不同年型馬鈴薯全生育期的平均需水量（圖3），不同溫度年型的馬鈴薯需水量差異明顯，原州區高溫年平均需水量比正常年偏多22.1 mm，低溫年則偏少38.4 mm。多雨年全生育期需水量比正常年偏少26.0 mm，少雨年則偏多15.3 mm。同心高溫年平均需水量比正常年偏多4.3 mm，低溫年比正常年偏少59.5 mm。高溫年需水量增幅遠少于低溫年需水量的減幅，說明同心馬鈴薯生育期間的平均氣溫多處于偏高年份，幾乎達到了馬鈴薯生理需水的上限，需水量隨著氣溫的升高增幅較小。同心多雨年的馬鈴薯需水量比正常年偏少31.6 mm，少雨年需水量比正常年偏多39.9 mm。

圖3 不同年型馬鈴薯需水量的比較（1961—2020年）

2.4 馬鈴薯不同生育階段水分盈虧

統計1961—2020年原州區、西吉和同心馬鈴薯逐旬平均水分盈虧量（圖4）。可看出，無論是南部山區（原州區、西吉）還是中部干旱帶（同心），馬鈴薯生長期間的水分盈虧均為凹型分布，原州區、西吉馬鈴薯苗期和塊莖膨大期較高，為正值，6 月上旬—8 月上旬大部為負值，處于水分虧缺狀態。原州區馬鈴薯播種期土壤水分充足，為馬鈴薯出苗和苗期生長提供了水分條件，但隨著馬鈴薯植株的生長耗水逐漸加大，前期積累的水分逐漸被消耗，至6月上中旬，水分由盈余轉向凈虧，6月下旬至8月上旬水分盈虧維持在-20～-30 mm/旬，8 月中旬以后，隨著夏季降水增加和馬鈴薯需水量減少，水分逐漸由凈虧空轉向盈余。至成熟時，水分盈余超過春季，土壤水分狀況好于春季，與實況相符。西吉與原州區相仿，但虧缺時段略短于原州區，更適宜馬鈴薯的生長。

圖4 不同地區馬鈴薯生育期間平均水分盈虧量的變化

中部干旱帶則不同。同心5月份之前水分盈虧為正值，其后快速下降，6月下旬至8月上旬處于低谷，凈虧缺達到-50 mm/旬，為最缺水時段，其后隨著秋季降水的增加及馬鈴薯需水量的減少，水分虧缺幅度逐漸減小，但直至成熟也沒有達到水分盈余狀態，說明中部干旱帶馬鈴薯需要灌溉才能維持正常生長。

從不同區域的馬鈴薯水分累積盈虧來看（圖5），原州區、西吉在6 月上旬前，水分盈虧量增加，此時馬鈴薯水分盈虧量處于累積增加階段。6 月中旬至8 月上旬，馬鈴薯蒸散耗水逐漸增大，同期降水彌補不了水分的虧缺，盈虧量處于減少階段，此階段馬鈴薯生長還需要消耗前期土壤儲備的水分。8 月中旬以后，隨著降水的增加和蒸散耗水的減少，水分盈虧量持續增大，此期間的降水除了能滿足馬鈴薯需水消耗外，對土壤水分有凈補充作用，至成熟時土壤貯水量比苗期明顯增多。10 月份以后為土壤水分凈消耗階段，至次年5月份，土壤貯水量降至30～50 mm，形成了一個完整的水分循環周期。

圖5 不同地區馬鈴薯累積水分盈虧量的變化

中部干旱帶則不同，同心累積水分盈虧量顯示，馬鈴薯自6 月中旬由正值轉向負值后，隨著馬鈴薯耗水量的增加，水分虧缺量持續加大，自然降水彌補不了馬鈴薯的水分需求，沒有盈余補充到下一旬，至成熟時的水分累積虧缺達到300 mm 以上。10 月份至次年4 月份，土壤水分繼續減少，水分循環無法閉環，必須灌溉才能穩定維持馬鈴薯生產。該區域馬鈴薯不能連作，需要前茬種植耗水量較少的小麥、豆類，輔以地膜覆蓋節水保墑，或者歇地1年補墑，才能維持全年土壤水分的正常循環。

3 結論與討論

（1）本研究以試驗數據為基礎，細化了馬鈴薯Kc系數，按照不同地區發育期將Kc系數細化到每一天，由此推算了寧夏中南部地區馬鈴薯的需水量、同時利用土壤水分平衡方程推算了馬鈴薯逐旬耗水量。寧夏南部山區馬鈴薯的需水量為465.1～535.8 mm，旱作栽培的水分基本能得到保障，中部干旱帶為604.2～677.3 mm，降水缺口較大。

（2）寧夏南部山區馬鈴薯自播種開始，保存在土壤中的前期累積降水為馬鈴薯出苗和苗期生長提供了條件，至6月上中旬，水分由盈余轉向凈虧，6月下旬至8月上旬水分盈虧維持在-20～-30 mm/旬，8月逐旬以后，隨著夏季降水增加和馬鈴薯需水量下降，水分逐漸由凈虧空轉向盈余。中部干旱帶馬鈴薯自6月中旬由正值轉向負值后，隨著馬鈴薯耗水量的增加，水分虧缺量持續加大，自然降水彌補不了馬鈴薯當旬的水分需求，沒有盈余補充到下一旬，至成熟時的水分累積虧缺達到300 mm 以上，必須通過灌溉才能穩定種植馬鈴薯。否則，需要休耕一年，次年的降水補充土壤水分虧缺后，才能再次種植馬鈴薯。該地區的經驗是種植馬鈴薯后一般休耕養地，或次年6月份種植蕎麥，不能重茬種植馬鈴薯，土壤水分盈虧反映了這種種植制度形成的原因。

（3）影響馬鈴薯水分差額的主要因素：一是降水量的多寡和降水時間的早遲。降水越少，水分差額越大，水分虧缺越多，馬鈴薯越受旱。關鍵時段降水少，特別是開花和塊莖膨大初期遇到干旱，嚴重影響馬鈴薯的產量、塊莖大小和結薯量；二是隨著馬鈴薯的生長，對水分需求逐漸增多，至生長后期又因葉面積指數的減小而減少。影響馬鈴薯需水量的作物生育進程、環境溫濕度和風速，均與馬鈴薯的水分差額有關，如品種熟性、栽培區域、環境氣候條件等。三是馬鈴薯的栽培方式。如覆膜栽培、壟溝栽培、滴灌栽培等，因改變了地表的輻射狀況，阻隔了土壤水分蒸發和降水下滲，改變了下墊面的粗糙度和風速，進而影響了水分收支和差額。

本研究除了研究馬鈴薯需水量外，重點研究了馬鈴薯水分盈虧及其動態變化，特別是隨著生育期進程發展的水分虧缺變化規律，目前黃土高原區域的研究尚不多。由于本研究采用了同心、西吉、原州區3個站代表中部干旱帶、南部山區，研究并不全面，還應有相關大量研究完善和佐證本研究的結論。另外，在環境氣象因素、生物因素對馬鈴薯需水量的影響方面，也做了大量的研究，但不是本研究關注的重點，需要今后在另文深入闡述。