宁夏中南部地区马铃薯水分盈亏研究

马力文，刘 静，徐 青，郑 方，张学艺

（1中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，银川 750002；2宁夏气象防灾减灾重点实验室，银川 750002）

0 引言

宁夏中南部地区包括中部干旱带和南部山区。2016 年起宁夏把马铃薯主食化作为宁夏中南部地区精准扶贫、脱贫济困、增收致富的重大举措，大力发展马铃薯特色产业。目前种植面积近230千hm2，总产量42.5 万t。该区域年降水量300～600 mm，降水的季节变幅大，干旱灾害频繁，旱作马铃薯产量长期低而不稳，年际波动剧烈。为了抵御干旱风险，加强有限水资源的集约管理，提高水分利用效率，需要了解该区域马铃薯的需水规律，明确水分盈亏的时空分布，为开展节水灌溉提供决策依据。

多年来在作物需水量和水分收支上有大量研究[1]。钟兆站等[2]采用PM方程结合作物水分函数，估算了内蒙古武川县马铃薯全生育期的需水量为417.7 mm。赵慧等[3]也采用PM 方程估算的武川县历年需水量为397.2～529.9 mm。张安凝知等[4]采用土壤水分胁迫系数Ks订正Kc，估算的武川县马铃薯生态需水量为440～490 mm。马凤莲等[5]利用PM方程和FAO公布的马铃薯3 个阶段作物系数估算了冀北地区各市县马铃薯1969—2018年逐年需水量，得出冀北地区马铃薯多年平均需水量在462.7～554.6 mm 之间，平均497.8 mm。郭伟等[6]采用同样方法估算了晋西北地区马铃薯全生育期的需水量为463～552 mm，平均501 mm。武朝宝[7]在山西省临县开展了不同灌溉量试验，利用100 cm深度土壤含水量的差值推算了不同灌溉量条件下的马铃薯耗水量，测定的充分灌溉下马铃薯的需水量为562.1 mm。胡琦等[8]研究了内蒙古马铃薯种植区灌溉需水量，东部呼伦贝尔市兴安盟地区降水资源丰富，灌溉需水量较小，而内蒙古西部降水资源十分匮乏，灌溉需水量激增，无灌溉条件的地区不适宜种植马铃薯。刘宏谊等[9]估算了甘肃省河东地区马铃薯需水量的平均值为425 mm，年代际波动明显。连彩云等[10]在甘肃张掖地区开展了灌溉试验，测定了0～200 cm土层的土壤贮水量，利用水量平衡法结合微型蒸渗仪确定了张掖地区马铃薯的5 个阶段的需水系数，测定的需水量为612.9 mm。而李金华等[11]在甘肃张掖地区也设计了灌溉试验，估算的充分灌溉条件下马铃薯需水量为475 mm。于婷婷等[12]研究了内蒙古各地不同马铃薯品种的耗水量和适宜灌溉量，西部地区明显多于东部地区。陆静等[13]在分析陕北黄土丘陵区主要作物需水与降水耦合中，采用的Kc系数偏大，估算的马铃薯需水量超过600 mm。赵元霞等[14]、杨胡等[15]总结了保水剂、滴灌制度在马铃薯种植上的应用研究进展。可见，基于PM 和FAO 公布的Kc系数、水量平衡法确定的Kc系数估算的各地马铃薯需水量显示出暖干气候区域偏多，冷湿气候区域偏少的特征，相互比较有一定的自洽性，而张掖试验测定的需水量比估算值明显偏多。

宁夏马铃薯需水规律和需水量的研究近年来逐步增多。王龙昌等[16]在黄土丘陵区旱地作物水分生态适应性系统评价中，确定固原市马铃薯的需水量为404.5 mm。李剑萍等[17]估算了宁夏中南部10 个市县马铃薯需水量，南部山区为260.4～605.7 mm，中部干旱带为741.8～833.6 mm，比冀北、晋北和内蒙古武川县等地采用同一方法的估算值明显偏多。亢艳莉等[18]研究了宁夏固原市马铃薯1961—2015 年的平均需水量为350～500 mm，明显少于前者，也比冀北、晋北地区偏少，略多于内蒙古武川县。马芳等[19]采用王静等[20]的Kc系数修订方法，估算了固原市主要农作物生育期有效降水与需水量特征，得出的马铃薯需水量为376.2～472.3 mm。可见，虽然采用同样方法，但由于Kc系数的取值不同，订正方法不同，马铃薯需水量的估算值地域之间差别较大，甚至植株高度对FAO-56 的Kc系数都有一定的差异[21]。为了进一步研究宁夏中南部地区自然降水能否满足马铃薯需水，在马铃薯生育进程中的哪个时段最为缺水，水分缺口多少，本研究以FAO推荐的干旱半干旱区的Kc为依据，根据试验观测的发育期将不同地区马铃薯Kc系数细化到每一天，力求估算的需水量符合实际，根据各个生育阶段降水量与需水量的差额，明确了各地的水分盈亏动态、缺水时段和缺水量，为科学合理安排补灌制度，提高水分利用效率提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 参考作物蒸散量的估算

根据参考作物蒸散量ET0的计算方法采用联合国粮农组织(FAO)推荐的PM 方程计算，其计算方法见(1)式。

式中，T为日平均气温，U2为2 m高处平均风速[m/s]，Rn为作物表面净辐射[MJ/(m2·d)]，G为土壤热通量密度[MJ/(m2·d)]，VPD为水气压差[kPa]，Δ为饱和水气压曲线斜率[kPa/℃]，γ为干湿表常数。

目前国家气象监测站观测的是10 m高度风速，根据风速廓线公式可转化成2 m高度风速，见公式(2)。

式中，U2为2 m 高度风速，UZ为Zm 高度风速，Zm为高度，此处为10。饱和水气压斜率、干湿表常数、水汽压的换算、作物冠层净辐射等均可通过相关业务手册查询和换算。

1.2 马铃薯需水量的估算

作物生长第i日的需水量ETmi，见公式(3)。

其中Kci为第i日作物系数，不同作物和不同生育阶段Kci不同。根据FAO的推荐，参照马力文等在宁夏西吉县、原州区和同心县开展的马铃薯试验观测的发育期，将宁夏不同地区的马铃薯Kc系数按照发育期细化到每一天(Kci)，以便利用逐日ET0估算逐日ETc，见图1。

作物第k个发育阶段的总需水量ETmk，见公式(4)。

式中，ETmk为作物第k个发育阶段的总需水量，ETmi为第i日作物需水量，m为k阶段日数。

1.3 马铃薯实际耗水量

作物实际耗水量可利用农田土壤水分平衡方程计算，见公式(5)。

式中，ETc为作物耗水量，Wini、Wend分别为开始和结束时土壤容积含水量，r为径流系数，P为灌溉量，∑R为某时段累计降水量，Gdown、Gup分别为水分下渗量和毛管水上升量。中南部地区旱作农田地下水位在几十米以下，Gdown、Gup可忽略。旱作农田P=0，对于灌溉农田或者需水关键期节水补灌的作物，可根据实际灌溉量和灌溉时间引入方程。

1.4 作物水分盈亏

根据(5)式估算了作物耗水量后，作物第k生长阶段的总耗水量ETck的计算见公式(6)。

式中，ETck为马铃薯阶段耗水量，ETci为第i旬马铃薯的旬耗水量，n为旬数。

k时段马铃薯水分盈亏量Bk，见公式(7)。

式中，Bk为k阶段水分盈亏，ETck为马铃薯阶段耗水量，ETmk为k阶段作物需水量。

2 结果与分析

2.1 宁夏中南部地区马铃薯需水量

统计1981—2020 年逐旬平均需水量和全生育期需水量，结果见表1。马铃薯全生育期需要465.1～677.3 mm 的水分，其中南部山区需水量为465.1～535.8 mm，中部干旱带为604.2～677.3 mm。宁夏中南部地区马铃薯一般在4月下旬至5月上旬播种，5月下旬出苗，此时每旬需水21.0～30.4 mm。经过一个月的苗期生长，6月下旬马铃薯现蕾开花，需水量逐渐增大到43.4～65.1 mm/旬。6月下旬至7月下旬马铃薯处于开花至块茎形成期，是叶面积指数最大的阶段，也是水分消耗最多的阶段，波动范围为43.4～70.5 mm/旬。马铃薯开花后，进入块茎膨大至成熟期，随着马铃薯叶面积指数逐渐下降，需水量也开始逐渐减少，至10 月上旬，需水量减至13.0～19.3mm/旬。

表1 宁夏中南部地区各市县马铃薯平均逐旬需水量（1981—2020年）mm

2.2 温度、降水量对马铃薯需水量的影响

统计南部山区的原州区、西吉和中部干旱带的同心3个县（市）1961—2020年5月上旬至10月上旬的平均气温和累积降水量，与同时段马铃薯需水量进行相关分析，发现马铃薯需水量与期间的平均气温呈极显著正相关，达到R0.001的极显著水平。期间气温越高，土壤蒸发和蒸腾耗水越多，马铃薯需水量越大（图2A）。马铃薯需水量与期间的降水量呈极显著负相关，随着全生育期降水量的增多，马铃薯需水量呈负对数减少，复相关系数通过了R0.001的显著性检验（图2B）。表明随着降水量的增加，空气湿度加大，土壤蒸发力减弱，作物蒸腾因气孔内外湿度梯度减小而下降，使得马铃薯需水量减少。

图2 马铃薯全生育期需水量与平均气温(A)和降水量(B)的关系

2.3 不同年型马铃薯需水量的变化特征

以马铃薯全生育期平均气温±0.5℃、累计降水量±50 mm 为界限值，将原州区、同心县马铃薯1961—2020 年的年型分为温度正常年、高温年、低温年和降水正常年、多雨年和少雨年，分别统计不同年型马铃薯全生育期的平均需水量（图3），不同温度年型的马铃薯需水量差异明显，原州区高温年平均需水量比正常年偏多22.1 mm，低温年则偏少38.4 mm。多雨年全生育期需水量比正常年偏少26.0 mm，少雨年则偏多15.3 mm。同心高温年平均需水量比正常年偏多4.3 mm，低温年比正常年偏少59.5 mm。高温年需水量增幅远少于低温年需水量的减幅，说明同心马铃薯生育期间的平均气温多处于偏高年份，几乎达到了马铃薯生理需水的上限，需水量随着气温的升高增幅较小。同心多雨年的马铃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。

图3 不同年型马铃薯需水量的比较（1961—2020年）

2.4 马铃薯不同生育阶段水分盈亏

统计1961—2020年原州区、西吉和同心马铃薯逐旬平均水分盈亏量（图4）。可看出，无论是南部山区（原州区、西吉）还是中部干旱带（同心），马铃薯生长期间的水分盈亏均为凹型分布，原州区、西吉马铃薯苗期和块茎膨大期较高，为正值，6 月上旬—8 月上旬大部为负值，处于水分亏缺状态。原州区马铃薯播种期土壤水分充足，为马铃薯出苗和苗期生长提供了水分条件，但随着马铃薯植株的生长耗水逐渐加大，前期积累的水分逐渐被消耗，至6月上中旬，水分由盈余转向净亏，6月下旬至8月上旬水分盈亏维持在-20～-30 mm/旬，8 月中旬以后，随着夏季降水增加和马铃薯需水量减少，水分逐渐由净亏空转向盈余。至成熟时，水分盈余超过春季，土壤水分状况好于春季，与实况相符。西吉与原州区相仿，但亏缺时段略短于原州区，更适宜马铃薯的生长。

图4 不同地区马铃薯生育期间平均水分盈亏量的变化

中部干旱带则不同。同心5月份之前水分盈亏为正值，其后快速下降，6月下旬至8月上旬处于低谷，净亏缺达到-50 mm/旬，为最缺水时段，其后随着秋季降水的增加及马铃薯需水量的减少，水分亏缺幅度逐渐减小，但直至成熟也没有达到水分盈余状态，说明中部干旱带马铃薯需要灌溉才能维持正常生长。

从不同区域的马铃薯水分累积盈亏来看（图5），原州区、西吉在6 月上旬前，水分盈亏量增加，此时马铃薯水分盈亏量处于累积增加阶段。6 月中旬至8 月上旬，马铃薯蒸散耗水逐渐增大，同期降水弥补不了水分的亏缺，盈亏量处于减少阶段，此阶段马铃薯生长还需要消耗前期土壤储备的水分。8 月中旬以后，随着降水的增加和蒸散耗水的减少，水分盈亏量持续增大，此期间的降水除了能满足马铃薯需水消耗外，对土壤水分有净补充作用，至成熟时土壤贮水量比苗期明显增多。10 月份以后为土壤水分净消耗阶段，至次年5月份，土壤贮水量降至30～50 mm，形成了一个完整的水分循环周期。

图5 不同地区马铃薯累积水分盈亏量的变化

中部干旱带则不同，同心累积水分盈亏量显示，马铃薯自6 月中旬由正值转向负值后，随着马铃薯耗水量的增加，水分亏缺量持续加大，自然降水弥补不了马铃薯的水分需求，没有盈余补充到下一旬，至成熟时的水分累积亏缺达到300 mm 以上。10 月份至次年4 月份，土壤水分继续减少，水分循环无法闭环，必须灌溉才能稳定维持马铃薯生产。该区域马铃薯不能连作，需要前茬种植耗水量较少的小麦、豆类，辅以地膜覆盖节水保墒，或者歇地1年补墒，才能维持全年土壤水分的正常循环。

3 结论与讨论

（1）本研究以试验数据为基础，细化了马铃薯Kc系数，按照不同地区发育期将Kc系数细化到每一天，由此推算了宁夏中南部地区马铃薯的需水量、同时利用土壤水分平衡方程推算了马铃薯逐旬耗水量。宁夏南部山区马铃薯的需水量为465.1～535.8 mm，旱作栽培的水分基本能得到保障，中部干旱带为604.2～677.3 mm，降水缺口较大。

（2）宁夏南部山区马铃薯自播种开始，保存在土壤中的前期累积降水为马铃薯出苗和苗期生长提供了条件，至6月上中旬，水分由盈余转向净亏，6月下旬至8月上旬水分盈亏维持在-20～-30 mm/旬，8月逐旬以后，随着夏季降水增加和马铃薯需水量下降，水分逐渐由净亏空转向盈余。中部干旱带马铃薯自6月中旬由正值转向负值后，随着马铃薯耗水量的增加，水分亏缺量持续加大，自然降水弥补不了马铃薯当旬的水分需求，没有盈余补充到下一旬，至成熟时的水分累积亏缺达到300 mm 以上，必须通过灌溉才能稳定种植马铃薯。否则，需要休耕一年，次年的降水补充土壤水分亏缺后，才能再次种植马铃薯。该地区的经验是种植马铃薯后一般休耕养地，或次年6月份种植荞麦，不能重茬种植马铃薯，土壤水分盈亏反映了这种种植制度形成的原因。

（3）影响马铃薯水分差额的主要因素：一是降水量的多寡和降水时间的早迟。降水越少，水分差额越大，水分亏缺越多，马铃薯越受旱。关键时段降水少，特别是开花和块茎膨大初期遇到干旱，严重影响马铃薯的产量、块茎大小和结薯量；二是随着马铃薯的生长，对水分需求逐渐增多，至生长后期又因叶面积指数的减小而减少。影响马铃薯需水量的作物生育进程、环境温湿度和风速，均与马铃薯的水分差额有关，如品种熟性、栽培区域、环境气候条件等。三是马铃薯的栽培方式。如覆膜栽培、垄沟栽培、滴灌栽培等，因改变了地表的辐射状况，阻隔了土壤水分蒸发和降水下渗，改变了下垫面的粗糙度和风速，进而影响了水分收支和差额。

本研究除了研究马铃薯需水量外，重点研究了马铃薯水分盈亏及其动态变化，特别是随着生育期进程发展的水分亏缺变化规律，目前黄土高原区域的研究尚不多。由于本研究采用了同心、西吉、原州区3个站代表中部干旱带、南部山区，研究并不全面，还应有相关大量研究完善和佐证本研究的结论。另外，在环境气象因素、生物因素对马铃薯需水量的影响方面，也做了大量的研究，但不是本研究关注的重点，需要今后在另文深入阐述。