黄土高原半干旱区马铃薯产量对气候变化的响应

齐 月, 赵 鸿, 雷 俊, 王丽娟, 芦亚玲,赵福年, 杨 阳, 陈 斐

(中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室, 甘肃 兰州 730020)

关键字：气候变化；马铃薯；产量；气温；降水量；黄土高原

近年来，由于全球经济化进程加快、工业化发展以及人类活动的影响，温室气体大量排放，导致全球气候变暖[1]。中国是全球气候变化的敏感区，受影响最为显著的区域，升温速率明显高于同期平均水平。1951—2020年，中国年平均气温呈显著上升趋势，升温速率为0.26℃·10a-1。中国年降水量呈增加趋势，降水变化区域间差异显著。1961—2020年，中国年平均降水量呈增加趋势，平均每10 a增加5.1 mm。1961—2020年，东北中北部、江淮至江南大部、青藏高原中北部、西北中部和西部年降水量呈明显的增加趋势，其中，江南东部、青藏高原中北部、新疆北部和西部降水增加趋势尤为显著[2]。

气候变化对作物生长发育影响的研究较多，主要集中在气候变化对玉米、小麦以及水稻等作物生育期、产量、气候生产潜力等方面[3-7]。马铃薯是继水稻、小麦、玉米后的全球第四大粮食作物，是我国最具发展前景的高产经济作物之一[8]。马铃薯营养丰富，是粮、饲、菜兼用型作物，中国是世界最大的马铃薯生产国，种植面积约466.67万hm2，年产量达0.9亿t[9]，马铃薯生产对保障国家粮食安全有重要作用。

气候变化对马铃薯生长和产量的影响及其种植制度变化等方面已开展了大量研究[10-15]。池再香等[16]研究气候变化对贵州西部马铃薯的影响发现，气温对马铃薯产量形成表现为负效应，降水量为正效应(开花期除外)；日照时数对马铃薯产量形成表现为正效应(苗期除外)。朱赟赟等[17]对宁夏不同区域马铃薯产量与气象因子的关系进行了研究，发现结薯期气温对马铃薯产量的影响呈显著负效应，降水呈显著正效应。王萍等[18]研究发现，气候变化对松嫩平原地区马铃薯的生长发育影响较大，以正效应为主导。赵年武等[19]发现，热量和日照时数是影响马铃薯生长发育的主要气象因子，苗期和现蕾期表现为正效应，成熟期表现为负效应。赵鸿等[20]研究发现，春秋季气温升高对马铃薯生长发育和产量形成有利。唐建昭等[21]研究发现，未来气候情景下气候变化对马铃薯产量和水分利用效率具有积极影响，以正效应为主。肖国举等[22]通过试验研究发现，增温显著减少了单株薯块量、提高了薯重，马铃薯产量呈递增趋势。

近来年，中国气候整体呈暖湿化，黄土高原半干旱区是我国马铃薯主产区，该地区属于雨养农业区，马铃薯生育期内气候要素变化如何影响其生长发育有待进一步深入研究。本研究利用黄土高原半干旱区甘肃省定西市16 a的定点观测试验资料，研究马铃薯不同生育时期气候要素变化对产量的影响，为马铃薯生产应对气候变化提供参考，为推动马铃薯产业发展提供科学依据。

1 试验设计与方法

1.1 研究区域气候及马铃薯生长发育概况

研究区甘肃省定西市位于黄土高原半干旱雨养农业区，年平均气温5.3～8.9℃，最热月7月平均气温16.3～22.6℃，最冷月1月平均气温-10.4～-3.3℃。年降水量245.7～721.8 mm，5—10月降水量192.7～595.6 mm，占全年降水量的78.4%～82.5%。年平均日照时数2 031.8～2 797.1 h。

马铃薯在5月上旬—5月中旬播种，出苗期在6月上旬—6月中旬，分枝期在6月下旬，花序形成期在7月上旬—7月中旬，开花期在7月中旬—7月下旬，可收期在10月上旬—10月中旬。播种～可收期的全生育期为123～175 d。全生育期≥0℃积温为2 349.2～2 896.1℃，降水量为183.0～389.1 mm，日照时数为868.3～1 319.6 h。

1.2 试验设计

2005—2020年在甘肃省定西市气象局农业气象观测站开展了马铃薯生长发育状况观测试验，试验地面积667 m2；每个样地面积60 m2(5 m×12 m)，4个重复。按照《农业气象观测规范》[23]观测方法测定马铃薯的生长发育期、产量构成要素等指标。供试作物品种、耕作制度和栽培管理与大田一致，马铃薯品种选用了‘新大坪’，属于中熟品种，抗旱、稳产、抗病性较强，是定西地区旱地主要推广品种。样地栽培品种与大田相同，没有发生重大调整，土壤肥力水平未发生重大变化。

气象数据为定西市气象局气象站建站以来1960—2020年地面气象观测资料，根据马铃薯生育时期计算生育期内气温、降水、日照时数等指标。

1.3 统计分析方法

1.3.1 气象要素倾向率

Yi=a+bti

式中，Yi为气象要素变量，ti表示Yi所对应的时间，a为回归常数，b为回归系数。

式中，b为气候变化倾向率，一般以10b表示某要素气候变化倾向率。

1.3.2 统计分析 采用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)、多重比较(LSD)、单样本T 检验和相关性分析，使用通径系数正规方程组计算法进行通径分析[17]。使用Excel 2013和Origin 9.0进行数据分析与制图。

2 结果与分析

2.1 马铃薯生育期内气候变化特征

2.1.1 气温年际变化趋势 1960—2020年马铃薯全生育期气温呈显著上升趋势(图1a)，气候倾向率为0.32℃·10a-1(P<0.01)。近61 a来，马铃薯生育期气温最高年份在2016年(18.14℃)，最低年份在1984年(14.70℃)，年平均气温为16.10℃。20 世纪90年代前马铃薯生育期内气温表现为负距平，20世纪90年代后为正距平，且逐渐增加。但2005—2020年近16 a马铃薯生育期内气温呈显著下降趋势，气候倾向率为-0.54℃·10a-1(P<0.01)。

图1 马铃薯生育期内气温及降水量变化趋势Fig.1 Variation trend of temperature and precipitation during potato growing period

马铃薯不同生育时期气温变化趋势如图2所示，2005—2020年马铃薯不同生育时期气温均呈下降趋势。播种～出苗、出苗～分枝期、块茎形成期和块茎膨大～成熟期气温的气候倾向率分别为-0.81、-1.16、-0.84℃·10a-1和-1.18℃·10a-1，其中块茎膨大～成熟期气温下降趋势显著，通过0.01水平显著性检验。

图2 马铃薯不同生育时期气温变化趋势Fig.2 Temperature variation trend of potato at different growth stages

2.1.2 降水量年际变化趋势 1960—2020年马铃薯全生育期降水量变化如图1b所示，近61 a来降水量呈波动减少趋势，气候倾向率为-3.97 mm·10a-1(P<0.01)；马铃薯全生育期年降水量在150～552.5 mm振荡，平均为310.42 mm，最高年份是1967年(721.8 mm)，最低年份是1982年(245.7 mm)。20世纪80年代之前马铃薯生育期年降水量呈减少趋势，80年代之后增加。2005—2020年近16 a马铃薯生育期降水呈显著增加趋势，倾向率为13.89 mm·10a-1(P<0.01)。

2005—2020年马铃薯不同生育时期降水量变化如图3所示，马铃薯播种～出苗期降水量呈显著减少趋势，气候倾向率为-12.32 mm·10a-1(P<0.01)；出苗～分枝期降水量呈显著增加趋势，气候倾向率为11.22 mm·10a-1(P<0.01)；块茎膨大～成熟期降水量呈显著增加趋势，气候倾向率为35.26 mm·10a-1(P<0.01)；块茎形成期降水量呈减少趋势，气候倾向率为-0.61 mm·10a-1。播种～出苗期降水减少导致马铃薯出苗率降低，对其生长产生不利影响。

图3 马铃薯不同生育时期降水量变化趋势Fig.3 Precipitation variation trend of potato at different growth stages

2.1.3 日照时数和有效积温的年际变化趋势 1960—2020年马铃薯生育期≥0℃积温呈显著增加趋势(图4)，气候倾向率为48.14℃·10a-1(P<0.01)，近61 a来马铃薯生育期平均积温为2 573.34℃，≥0℃积温最高在2016年，为2 896.1℃；最低在1976年，为2 349.20℃。2005—2020年马铃薯生育期≥0℃积温呈显著下降趋势，气候倾向率为-131.02℃·10a-1(P<0.01)。1960—2020年马铃薯生育期平均日照时数为1 117.48 h，日照时数最高在1965年(1 319.60 h)，最低在2019年(868.30 h)，61 a来马铃薯生育期日照时数呈显著减少趋势，气候倾向率为-10.92 h·10a-1(P<0.05)。

图4 马铃薯生育期≥0℃积温和日照时数的变化趋势Fig.4 Variation trend of ≥0℃ accumulated temperature and sunshine duration in potato growth period

2.2 气候变化对马铃薯生长发育的影响

2.2.1 气候变化对马铃薯生长日数和产量的影响 2005—2020年黄土高原半干旱区马铃薯生长日数呈增加趋势，平均增幅为7.6 d·10a-1，尤其是2008年之后，增加显著，气候倾向率为13.9 d·10a-1。2005—2020年16 a增加约11 d(图5)。近16 a来，马铃薯年产量呈波动下降趋势，气候倾向率为-160.10 g·m-2·10a-1，平均产量为1 967.74 g·m-2；产量最高年份在2013年(3 612.50 g·m-2)，产量最低年份在2016年(405.20 g·m-2)。

图5 马铃薯生长日数和产量变化趋势Fig.5 Trends of potato growing days and yield

2.2.2 气温和降水量变化对马铃薯产量的影响 对马铃薯产量与生育期内气温、降水量的关系进行分析(图6)，由图6a可知，2005—2020年马铃薯产量与生育期内气温呈显著负相关(P<0.05)。块茎膨大～成熟期气温与产量呈显著负相关。生育期内气温降低使得马铃薯生长发育受阻，幼苗期气温降低导致植株成活率低；块茎形成期气温降低使得薯块膨大受阻，薯块变形，屑薯率增加，造成减产。

马铃薯产量与生育期降水量呈极显著正相关，两者拟合的一元二次函数拟合方程为y=-2×10-5x2+0.1263x+158.53(P<0.01)(图6b)；对二次函数求导，令dy/dx=0，可知当降水量为315.7 mm时，马铃薯产量最高，即马铃薯生育期内适宜降水量阈值为315.7 mm。气候变化导致降水分布不均匀，生育期降水量呈减少趋势，降水减少影响马铃薯生长发育及产量形成，使得薯块形成受阻，导致减产。

图6 马铃薯生育期内气温、降水量与产量的相关关系Fig.6 Correlation between temperature, precipitation and potato yield in growing period

2.2.3 积温和日照时数变化对马铃薯产量的影响 马铃薯产量与生育期≥0℃积温和日照时数的关系如图7，从图7a可以看出，2005—2020年马铃薯产量与生育期≥0℃积温呈负相关。马铃薯属喜冷凉作物，生育期内积温增加，使其生长受阻，产量降低。

马铃薯产量与生育期内日照时数呈显著负相关，两者拟合的一元二次函数拟合方程为y=-0.0247x2+48.761x-21698(P<0.05)(图7b)；对二次函数求导，令dy/dx=0，即当马铃薯生育期内日照时数为987.07 h时，马铃薯产量最高。当生育期内日照时数<987.07 h时，随着日照时数的增加，马铃薯产量提高；当日照时数≥987.07 h时，随着日照时数的增加，马铃薯减产。生育期内降水、气温等条件适宜，充足的光照有利于提升马铃薯的光合生理作用，促进块茎膨大和干物质积累，使得马铃薯产量增加。

图7 马铃薯生育期≥0℃积温、日照时数和产量的相关关系Fig.7 Correlation between≥0℃ accumulated temperature, sunshine duration and potato yield during growth period

马铃薯产量与生育期内气候因子作通径分析，得到各气候因子与马铃薯产量的直接通径系数，确定贡献大小和关键气候因子。由表1可知，气候因子的作用表现为：全生育期气温>全生育期降水量>块茎形成期降水量>播种～出苗降水量>出苗～分枝期降水量>全生育期积温>块茎膨大～成熟期降水量>播种～出苗气温>全生育期日照时数>块茎形成期气温>出苗～分枝期气温>块茎膨大～成熟期气温。因此，马铃薯全生育期气温、全生育期降水量、块茎形成期降水量和播种～出苗降水量是影响马铃薯产量的关键因子。

表1 马铃薯产量与生育期内气候因子相关系数和通径系数Table 1 Correlation coefficient and path coefficient between potato yield and climatic factors in growth period

2.3 马铃薯产量气候模式

基于试验资料和气象资料，通过回归分析，建立了马铃薯产量气候模型：

Y=-4011.108+9.217R-200.564T+

2.779ΔT-0.912S

式中，Y为马铃薯产量(g·m-2)；R为马铃薯生育期总降水量(mm)；T为马铃薯生育期平均气温(℃)；ΔT为马铃薯生育期积温(℃)；S为马铃薯生育期内日照时数(h)。线性化后，其复相关系数R=0.600，方差分析F=1.404，通过0.05显著性检验。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

全球气候变化已成为不争的事实，气候变化使农业生产不稳定性增加，作物产量波动加剧[24-25]。1960—2020年研究区马铃薯生育期内气温呈显著上升趋势，气候倾向率为0.31℃·10a-1(P<0.05)，高于全国同期平均值[26]。近61 a来，马铃薯生育期内降水量呈波动减少趋势，气候倾向率为-3.97 mm·10a-1(P<0.01)，与全国气候变化趋势一致。但2005—2020年马铃薯生育期内气温呈显著下降趋势，气候倾向率为-0.54℃·10a-1(P<0.01)；马铃薯生育期内降水量呈增加趋势。马铃薯生长季出现明显的冷湿化现象，降水增加，气温降低，马铃薯生长日数延长，对其生长造成不利影响。

马铃薯产量主要受气温、日照时数和降水量等因素影响，产量与生育期内气温呈显著负相关，与降水量呈显著正相关。气温升高，作物叶片光合酶活性降低，叶绿体结构破坏，气孔关闭，光合作用受到影响，净光合积累减少[22]；马铃薯植株生长发育受阻，对块茎形成和干物质积累造成较大影响。黄土高原半干旱区降雨量不稳定，马铃薯作为喜湿作物，根系较浅，对水分亏缺响应敏感，其生长与生产力非常容易受到水分胁迫影响[27]。本研究表明，降水对黄土高原半干旱区马铃薯产量影响表现为正效应，生育期内降水增加，产量提高。姚玉璧等[9]研究发现，马铃薯对降水量变化十分敏感，旬降水量每增加1 mm，马铃薯产量可增加100～200 g·m-2，这与本文的研究结果一致。但是，不同生育期降水增多对马铃薯产量的影响效应存在差异，收获期降水增多会导致马铃薯采挖期推迟和引起湿腐病，造成块茎腐烂，影响其产量和贮存。

马铃薯产量形成不仅受气候要素影响，还受品种、土壤环境、种植制度及病虫害等因素的影响。马铃薯耕作方式不同会影响土壤微团聚体与大团聚体之间的转化和再分布[28]，影响土壤结构的稳定性[29]，改变了耕层土壤结构[30]，进而影响马铃薯产量。黄土高原半干旱区大多采用覆膜形式种植马铃薯，覆膜后土壤含水量较不覆膜提高，有效减少水分蒸发，有助于土壤蓄水。因此，还需要对马铃薯产量的影响因素作进一步研究。

3.2 结 论

近61 a来研究区马铃薯生育期内气温呈显著上升趋势，平均每10 a上升0.32℃(P<0.01)；降水量和日照时数年际变化呈减少趋势，平均每10 a分别减少3.97 mm和10.92 h。近16 a来马铃薯生育期内气温呈显著下降趋势，平均每10 a下降0.54℃(P<0.01)；降水量年际变化呈显著增加趋势，平均每10 a增加13.89 mm，呈现冷湿化趋势；马铃薯生长日数呈增加趋势，平均每10 a增加7.6 d；产量以160.10 g·m-2·10a-1的速率减少。马铃薯产量与生育期内降水量呈显著正相关，与气温呈显著负相关。块茎膨大期降水量减少、气温升高对马铃薯产量形成造成不利影响。播种～出苗和块茎膨大期降水量是影响马铃薯产量的主要因素，气候变化对西北半干旱地区马铃薯的生产造成了负面影响。