山西省岚县马铃薯丰产降水调控方案分析

闫建军，栾 青，刘谋荣，冯志亮，张翠玲

（1.吕梁市气象局，山西吕梁033000；2.山西省气候中心，山西太原030002；3.岚县气象局，山西岚县035200）

2014 年底，在全国农村工作会上，农业部正式提出了把“推进马铃薯发展和马铃薯主粮化”工作列入重要议程。2015 年初，中央在“马铃薯主粮化战略研讨会”上，通过了关于推进马铃薯主粮化的决议[1]。山西省岚县紧紧抓住国家马铃薯主粮化战略机遇，将马铃薯产业作为全县扶贫主导产业，以打造“全国马铃薯主食化开发第一县”、“山西马铃薯第一县”为目标，走出了依靠马铃薯特色产业发展与脱贫攻坚同步推进的新路子。

合适的降水量是影响马铃薯高产的关键因素[2-5]。岚县地处晋西北高原腹地，汾河上游，平均海拔1 400 m，地势西高东低，气候冷凉，光照充足，昼夜温差大，年降水量充沛且主要集中在5—9 月，为马铃薯的种植提供了优良环境[6]；但是由于受温带大陆性季风气候影响，降水的年际变化大，最多年份可达700 mm 以上，最少年份仅200 mm 左右，且常有连续阴雨或长时间干旱天气出现[7]。这样的降水时间分布，对马铃薯产量造成较大影响，尤其是集中一段时间降水过多，时常会造成马铃薯烂种、晚疫病等灾害暴发，导致马铃薯产量下降[8-9]。

而人工影响天气，是指基于人类为了生产和生活的需要，通过人为干预以防止或减轻由恶劣天气引起的自然灾害（如干旱、冰雹、雷电、暴雨等），进而在适当条件下促使天气向有利于人类需要的方向发展的一种科学技术[10]。人工影响天气作业技术目前已经向多维可视化、自动化、数字化发展[11-13]。通过人工影响天气使降水量居于合适的区间，对于减少由降水导致的马铃薯减产具有非常重要的意义。

作物模型是采用系统分析方法和计算机模拟技术，对作物生长发育过程及其与环境和技术的动态关系进行定量描述和预测。它能定量和动态地描述作物生长、发育和产量形成过程，而且可以较为精确地描述光、温、水的存在状况对作物生长发育的影响[14]。美国农业技术推广决策支持系统（DSSAT）中的SUBSTOR-potato 模型结合了马铃薯生长的遗传参数、生长环境、人工干预措施，能够完整模拟马铃薯的整个生长发育过程与生理生态过程[15]。利用作物模型的试验结果来提高作物产量，已经进行了很多年也取得不少成果，但多数研究都是从施肥、灌溉等方面考虑[16-21]，对于天气方面的影响研究较少。

本研究结合山西省岚县2010—2018 年的气象和马铃薯试验田观测资料，利用DSSAT 中的SUBSTOR-potato 模型，对岚县普遍种植的马铃薯品种冀张薯8 号，从人工影响降水的角度出发，通过人为干涉降水量，对人工影响降水时间及影响量进行了试验，以期为减少气象灾害引起的马铃薯减产以及促进马铃薯种植业的增产增收提供指导。

1 材料和方法

1.1 气象观测站及试验田概况

岚县国家气象观测站位于岚县县城以西1 km，北纬 38°16′34″，东经 111°38′49″，海拔 1 187 m，其气象观测资料代表岚县县城及周边的基本气象状况。试验田位于其西北方300 m，海拔同气象站相同，形状为东北- 西南向的长方形：长50 m，宽15 m，主要用于马铃薯的农气观测（图1）。试验田周边为大片农田，远离建筑物、河流、大型水体等的影响，符合中国气象局《农业气象观测规范 马铃薯》[22]的相关要求。

1.2 土壤数据及气象数据处理

土壤类型数据来自中国科学院南京土壤研究所中国土壤数据库1 km 土壤类型图（国家土壤信息服务平台 http://www.soilinfo.cn/map/index.aspx）。本研究区域土壤类型主要为石灰性褐土，剖面数据（表1）来自《山西土种志》[23]。土壤资料包括土壤类型、土壤坡度、土壤颜色、渗透性、土壤容重和排水状况，以及土壤剖面特征（不同深度的沙、壤、黏粒含量，有机碳、pH 值等）。

表1 试验田土壤剖面情况

气象数据来自岚县国家气象观测站2010—2018 年的逐日气象观测资料，要素包括日最高气温（℃）、日最低气温（℃）、日降水量（mm）、日照时长（h）；通过Angstrom 方程[24（]式（1））可计算得到日太阳总辐射Q（MJ（/m2·d））。

其中，Q为日太阳总辐射，Q′为天文辐射，n为实际日照时数，N为最大可能日照时数，其中，天文辐射和最大可能日照时数可根据地理纬度和日序计算[25]得到；a、b 为待定系数，参照朱旭东等[26]研究结论，在华北地区，a 取值 0.190 4，b 取值 0.510 3。

1.3 作物品种、生育期、产量及田间管理情况

试验田种植的马铃薯品种为冀张薯8 号，该品种在岚县的种植面积较广，具有一定的代表性。马铃薯生育期数据包括2010—2018 年试验田观测的马铃薯播种期、出苗期、开花期和收获期；田间管理数据包括春耕、播种深度以及底肥、种肥、追肥的日期和用量；产量数据为观测的逐年实测产量。

1.4 作物模型遗传参数介绍

SUBSTOR 模型包含5 个品种特性遗传参数，具体情况如表2 所示。

表2 马铃薯的品种遗传参数

1.5 DSSAT 模型参数的校正和验证

在建立作物管理文件、土壤文件和气象数据文件的基础上，采用“试错法”对作物品种参数进行调试，直至模型模拟输出结果与实测值相对差异程度和吻合度达到要求。本研究采用归一化均方根差（Normalized root mean square error，nRMSE） 来度量模拟值与实测值的相对差异程度，该指标是分析模拟产量和实际产量差异时的最佳衡量指标[27]；并用一致性指数（Index of agreement）检验模拟值和实测值的吻合度[28]。

式中，n代表样本数，Si和Mi分别代表第i个模拟值和实测值，代表实测值的平均值；nRMSE为均一化相对均方根误差；d为符合度。

当nRMSE≤10%时模拟结果极好；10%＜nRMSE≤20%时模拟结果较好；20%＜nRMSE≤30%时模拟结果中等；nRMSE＞30%时模拟结果差。

当d＝0，模拟值和实测值之间不一致；当d＝1，模拟值和实测值之间非常一致。一般认为，当d≤0.6 时，一致性较差；当 0.6＜d≤0.8 时，一致性一般；当d＞0.8 时，一致性很好。

1.6 试验设计

首先建立土壤文件、逐年气象文件及实验文件，输入逐年的田间管理参数，然后通过“试错法”调整遗传参数，直至模拟的马铃薯产量和生育期的nRMSE 和d值达到相关要求，然后确定遗传参数。

在此基础上，分别调整每年的降水量及不同生育期内的降水量，即在其每次降水过程实测值的基础上乘以人工影响天气指数（简称人影指数）。

让人影指数在0～2.0 变化，当指数＜1.0 时为消雨，＞1.0 时为增雨。然后分析模拟产量的变化情况，得出增雨或消雨的时期和最适影响量，从而确定合理的人工影响天气降水方案。

2 结果与分析

2.1 品种遗传参数的率定

本研究通过试错法测试模型遗传参数，当叶面积扩展率取2 000 cm2（/m2·d）、潜在块茎生长率取25 g（/株·d）、块茎生长胁迫系数取0.9、光周期系数取0.8、块茎开始生长的临界温度上限取21 ℃时，模拟得出岚县2010—2018 年逐年马铃薯的开花期、成熟期和产量，结果如表3 所示，可以看出，3 个要素的均一化相对均方根误差nRMSE都小于10%，符合度d＞0.99，模拟值和实测值吻合度很高，模拟效果很好。

表3 马铃薯生育期及产量的模拟值和实测值的对比

2.2 人工影响天气结果分析

2.2.1 全年人工影响天气结果 首先进行全年的人工影响降水模拟，让2010—2018 年每年的每一次降水过程在原始降水量的0～2 倍变化，其中，0～1 为消雨作业，1～2 为增雨作业，得出的结果如图2 所示。

从图2 可以看出，2010—2018 年间人影指数小于1 的时候产量会提升5.0%～102.5%，即适宜全年进行人工消雨；人影指数在0.4～0.8 时最为合适，说明岚县每年的降水量能够满足马铃薯的生长，且有盈余。如果能适当地进行消雨作业，将有利于提升岚县马铃薯种植的产量。岚县马铃薯的生长期一般为每年的5—9 月，从模型输出的每年最大产量对应的降水量（最适降水量）来看（表4），岚县马铃薯生长期内的最适降水量为175～280 mm。

表4 全年人工影响天气情况下模型输出的2010—2018 年岚县马铃薯最大产量对应的最适降水量及人影系数

图3 是岚县自1957 年建站以来5—9 月的逐年降水量，可以看出，马铃薯生长期内岚县降水量最大时可以达到695.1 mm（1988 年），最少的年份只有123.2 mm（1965 年），年均生育期内降水量为395.0 mm；62 a 内（1957—2018 年）只有 2 次马铃薯生长期内降水量低于最适降水量下限，分别是1965 年（123.2 mm）和 1972 年（158.9 mm）。可见，大多数年份岚县的降水量是可以满足马铃薯的正常生长，进行适当的消雨作业有利于提升马铃薯的产量。

2.2.2 不同时期人工影响天气结果分析 从全年来看，岚县每年的降水量基本可以满足马铃薯正常生长，而且有盈余；但是对于不同时期内，岚县降水量是否能够满足其生长需要，以及如何人工影响天气才能使产量达到最大将进行进一步的试验。

除了全年的人工影响天气作业以外，分别在4 个不同的时期内（播种前1 个月、播种后到出苗前、出苗后到开花前、开花后到成熟可收前）单独进行人工影响天气作业模拟，方法同前，得出每个阶段如何作业对产量增加最有利，哪个阶段最适合人工影响天气作业。

从图4-a 可以看出，播种前1 个月当人影指数减小的时候，随着降水的减少会使得产量平缓上升，消雨会使产量增加3%～30%；大部分年份还存在一个消雨的平缓段（继续消雨对产量影响不大的阶段），平缓段最大人影指数为0.6，最小为0.2。统计显示，2010—2018 年该阶段岚县的降水量介于10～65 mm，平缓段降水量普遍小于25 mm。

分析2010—2018 年马铃薯生长期内原始降水量情况下模型输出的土壤含水量变化曲线（图5-a）可以看出，在播种前1 个月（模拟开始后天数（110～150 d）），大部分年份土壤含水量下限值在0.09 mm3/mm3附近，占最大持水量（0.142 mm3/mm3）的64%左右，平均含水量（0.11 mm3/mm3左右）占最大持水量的75%，土壤湿度较大；而马铃薯在播种后到发芽出苗期间，靠种薯自身储备的水分就能满足萌芽生长所需，只要土壤保持湿润状态，平均含水量占田间最大持水量50%～60%即可[29]，75%的含水量对马铃薯播种来说明显过多。从图5-b 可以看出，虽然播种前一个月降水量为0，但是由于受前期降水影响，大多数年份的土壤含水量下限依然在0.08 mm3/mm3左右，能够保持在最大持水量（0.142 mm3/mm3）的50%～60%。因此，在播种前1 个月，进行适当的消雨作业，有利于使得土壤含水量处于合适区间，为马铃薯播种提供合适的土壤湿度环境，增加马铃薯播种后的发芽出苗率，从而提高产量。

从图4-b 可以看出，大部分年份适宜进行消雨作业，人影指数在0.3～0.6 有一个产量的峰值，产量较正常降水年份增加5%～46%，峰值过后产量随着雨量减少而平缓下降；2018 年该阶段适宜全程消雨，因为当年播种前一个月降水量达到61.2 mm，而播种后到出苗前的降水量达到30.4 mm（表5），土壤湿度长时间过大（图6），不利于马铃薯发芽出苗，影响了后期的生长。而2010、2011 年人工影响天气对产量影响不大，因为该阶段降水量分别只有6.5、7.9 mm（表5），降水偏少，因此人工影响天气效果不明显。如前所述，马铃薯播种后到出苗前，靠种马铃薯自身储备的水分就能满足萌芽生长所需，平均含水量占田间最大持水量50%～60%即可。从图6可以看出，土壤含水量下限值都在0.079 mm3/mm3以上，占最大持水量（0.142 mm3/mm3）的55%以上。因此，该阶段进行适当消雨，能够提高马铃薯的发芽出苗率，从而提高产量。

表5 2010—2018 年不同时期实际降水量 mm

由图4-c 可知，出苗后到开花前也是适宜进行消雨作业，产量峰值出现在正常降水量的20%～60%，消雨作业可使产量增加6%～110%；其中，2013 年的产量峰值最高，可以达到26 t/hm2，约为常年平均产量的2 倍；继续消雨，导致产量峰值过后下降较为明显。2013 年该阶段的降水量达到了177.7 mm（表 5），为常年平均降水量（116.2 mm）的1.5 倍左右，适当消雨能够明显提升产量；2010—2018 年该阶段最适降水量介于20～85 mm。出苗后到开花前是马铃薯需水由少到多的时期，但水分不宜太多，太多容易妨碍根系发育，降低后期的抗旱力；而水分不足，地上部分的发育会受到阻碍，植株生长慢，棵矮叶小，花蕾易脱落。2010—2018 年岚县该阶段的降水量介于50～180 mm，进行适当的消雨，有利于马铃薯幼苗的生长发育。

从图4-d 可以看出，除了2012、2014 年以外，大部分年份依然是适宜消雨作业的，产量峰值出现在正常降水量的40%～80%，消雨会使产量增加4%～30%，该阶段最适降水量为116～206 mm。2012、2014 年消雨会使产量减少，适宜进行增雨作业。分析这2 年该阶段的降水量和模型计算输出的蒸散发量发现，由于2012、2014 年该阶段的降水量较往年偏少，而蒸散发量较常年偏多，导致土壤含水量偏少（图7）。

从开花到落花后7 d，正是块茎体积和质量快速增长的时期，尤其是在开花盛期，叶面积已经扩大到高峰，光合作用非常旺盛；一般在花后15 d 左右，块茎膨大速度最快，每天每株增质量达20～40 g，大约有1/2 的产量是在此期完成的；该阶段是马铃薯需水最敏感，也是需水量最多的时期，需水量占全生育期需水总量的1/2 以上；如果这个时期缺水，会导致马铃薯块茎生长受限，产量下降，需要人工增雨或适量灌溉来增加产量。2012、2014 年降水量偏少而蒸散发量偏多，导致剩余水量不足，限制了马铃薯块茎的生长，因此，需要进行增雨作业来增加产量。

3 结论与讨论

利用 DSSAT 中的SUBSTOR-potato 模型，本试验从人工影响降水的角度出发，以山西省吕梁市岚县普遍种植的冀张薯8 号马铃薯为例，研究了马铃薯丰产的降水调控降水方案，结果发现，在正常年降水量条件下岚县的降水量完全能够满足该品种生长需求，并且年降水量偏多，适合进行消雨作业。从全年人工影响天气的角度来看，消雨20%～60%（人影指数在0.4～0.8）产量能够达到最高，有的年份甚至可以使产量翻番，每年生长期内的最适降水量在175～280 mm。这个降水量范围比其他研究成果低[30-32]，主要是由于在现实情况中，当降水减少的时候，近地层及地面温度一般会升高，近地层相对湿度下降，土壤实际蒸散发量和作物实际蒸腾量上升，土壤蒸散发量就会增加，从而土壤相对湿度下降，如果要维持最佳湿度，就需要增加降水。而试验模拟的时候，并未考虑此因素，只是单纯减少了降水量，气温未变，蒸散发量也没有随着变化。因此，实际最适降水量应该大于175～280 mm，仍需要进一步研究。

从人工影响天气作业量来看，播种前一个月消雨40%～80%（人影指数0.2～0.6）产量增加较多；播种后到出苗前，适宜消雨40%～70%（人影指数0.3～0.6）；出苗后到开花前适宜消雨40%～80%（人影指数0.2～0.6）；开花后到成熟前，大多数年份适宜消雨20%～60%（人影指数0.4～0.8）。不同时期降水量不同，蒸散发量也不同，当发现降水量较往年偏少，而蒸散发量较往年偏大时，需要进行人工增雨或人为灌溉来增加产量。

从不同时期的作业效果来看，播种前一个月到出苗前，虽然适宜消雨，但是该阶段岚县多稳定性降水，降水面积大，人工影响天气作业成效低[33]；开花后到成熟前，岚县正处于“七下八上”的主汛期，大面积暴雨时有发生，人工影响天气作业难度加大，成本高昂；出苗后到开花前，消雨带来的产量增加最多，有的年份可使产量增加一倍，相比于全年性的消雨作业，该阶段一般位于6 月上旬到7 月上旬，只有不到一个月时间，作业时间短。此外，该阶段岚县多阵性降水，冰雹天气多发。选择此时段作业，不仅可以降低冰雹等灾害性天气带来的损失，而且阵性降水有利于目前的地面人工影响天气火箭炮或高炮消雨作业的效益发挥，收效较大，是比较好的人工影响天气作业时间。