齊 月, 趙 鴻, 雷 俊, 王麗娟, 蘆亞玲,趙福年, 楊 陽, 陳 斐

(中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點實驗室，中國氣象局干旱氣候變化與減災(zāi)重點開放實驗室, 甘肅 蘭州 730020)

關(guān)鍵字：氣候變化；馬鈴薯；產(chǎn)量；氣溫；降水量；黃土高原

近年來，由于全球經(jīng)濟化進程加快、工業(yè)化發(fā)展以及人類活動的影響，溫室氣體大量排放，導(dǎo)致全球氣候變暖[1]。中國是全球氣候變化的敏感區(qū)，受影響最為顯著的區(qū)域，升溫速率明顯高于同期平均水平。1951—2020年，中國年平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫速率為0.26℃·10a-1。中國年降水量呈增加趨勢，降水變化區(qū)域間差異顯著。1961—2020年，中國年平均降水量呈增加趨勢，平均每10 a增加5.1 mm。1961—2020年，東北中北部、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顯的增加趨勢，其中，江南東部、青藏高原中北部、新疆北部和西部降水增加趨勢尤為顯著[2]。

氣候變化對作物生長發(fā)育影響的研究較多，主要集中在氣候變化對玉米、小麥以及水稻等作物生育期、產(chǎn)量、氣候生產(chǎn)潛力等方面[3-7]。馬鈴薯是繼水稻、小麥、玉米后的全球第四大糧食作物，是我國最具發(fā)展前景的高產(chǎn)經(jīng)濟作物之一[8]。馬鈴薯營養(yǎng)豐富，是糧、飼、菜兼用型作物，中國是世界最大的馬鈴薯生產(chǎn)國，種植面積約466.67萬hm2，年產(chǎn)量達0.9億t[9]，馬鈴薯生產(chǎn)對保障國家糧食安全有重要作用。

氣候變化對馬鈴薯生長和產(chǎn)量的影響及其種植制度變化等方面已開展了大量研究[10-15]。池再香等[16]研究氣候變化對貴州西部馬鈴薯的影響發(fā)現(xiàn)，氣溫對馬鈴薯產(chǎn)量形成表現(xiàn)為負效應(yīng)，降水量為正效應(yīng)(開花期除外)；日照時數(shù)對馬鈴薯產(chǎn)量形成表現(xiàn)為正效應(yīng)(苗期除外)。朱赟赟等[17]對寧夏不同區(qū)域馬鈴薯產(chǎn)量與氣象因子的關(guān)系進行了研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)薯期氣溫對馬鈴薯產(chǎn)量的影響呈顯著負效應(yīng)，降水呈顯著正效應(yīng)。王萍等[18]研究發(fā)現(xiàn)，氣候變化對松嫩平原地區(qū)馬鈴薯的生長發(fā)育影響較大，以正效應(yīng)為主導(dǎo)。趙年武等[19]發(fā)現(xiàn)，熱量和日照時數(shù)是影響馬鈴薯生長發(fā)育的主要氣象因子，苗期和現(xiàn)蕾期表現(xiàn)為正效應(yīng)，成熟期表現(xiàn)為負效應(yīng)。趙鴻等[20]研究發(fā)現(xiàn)，春秋季氣溫升高對馬鈴薯生長發(fā)育和產(chǎn)量形成有利。唐建昭等[21]研究發(fā)現(xiàn)，未來氣候情景下氣候變化對馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率具有積極影響，以正效應(yīng)為主。肖國舉等[22]通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，增溫顯著減少了單株薯塊量、提高了薯重，馬鈴薯產(chǎn)量呈遞增趨勢。

近來年，中國氣候整體呈暖濕化，黃土高原半干旱區(qū)是我國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)，該地區(qū)屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，馬鈴薯生育期內(nèi)氣候要素變化如何影響其生長發(fā)育有待進一步深入研究。本研究利用黃土高原半干旱區(qū)甘肅省定西市16 a的定點觀測試驗資料，研究馬鈴薯不同生育時期氣候要素變化對產(chǎn)量的影響，為馬鈴薯生產(chǎn)應(yīng)對氣候變化提供參考，為推動馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗設(shè)計與方法

1.1 研究區(qū)域氣候及馬鈴薯生長發(fā)育概況

研究區(qū)甘肅省定西市位于黃土高原半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，年平均氣溫5.3～8.9℃，最熱月7月平均氣溫16.3～22.6℃，最冷月1月平均氣溫-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%。年平均日照時數(shù)2 031.8～2 797.1 h。

馬鈴薯在5月上旬—5月中旬播種，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，開花期在7月中旬—7月下旬，可收期在10月上旬—10月中旬。播種～可收期的全生育期為123～175 d。全生育期≥0℃積溫為2 349.2～2 896.1℃，降水量為183.0～389.1 mm，日照時數(shù)為868.3～1 319.6 h。

1.2 試驗設(shè)計

2005—2020年在甘肅省定西市氣象局農(nóng)業(yè)氣象觀測站開展了馬鈴薯生長發(fā)育狀況觀測試驗，試驗地面積667 m2；每個樣地面積60 m2(5 m×12 m)，4個重復(fù)。按照《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范》[23]觀測方法測定馬鈴薯的生長發(fā)育期、產(chǎn)量構(gòu)成要素等指標。供試作物品種、耕作制度和栽培管理與大田一致，馬鈴薯品種選用了‘新大坪’，屬于中熟品種，抗旱、穩(wěn)產(chǎn)、抗病性較強，是定西地區(qū)旱地主要推廣品種。樣地栽培品種與大田相同，沒有發(fā)生重大調(diào)整，土壤肥力水平未發(fā)生重大變化。

氣象數(shù)據(jù)為定西市氣象局氣象站建站以來1960—2020年地面氣象觀測資料，根據(jù)馬鈴薯生育時期計算生育期內(nèi)氣溫、降水、日照時數(shù)等指標。

1.3 統(tǒng)計分析方法

1.3.1 氣象要素傾向率

Yi=a+bti

式中，Yi為氣象要素變量，ti表示Yi所對應(yīng)的時間，a為回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)。

式中，b為氣候變化傾向率，一般以10b表示某要素氣候變化傾向率。

1.3.2 統(tǒng)計分析 采用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)、多重比較(LSD)、單樣本T 檢驗和相關(guān)性分析，使用通徑系數(shù)正規(guī)方程組計算法進行通徑分析[17]。使用Excel 2013和Origin 9.0進行數(shù)據(jù)分析與制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯生育期內(nèi)氣候變化特征

2.1.1 氣溫年際變化趨勢 1960—2020年馬鈴薯全生育期氣溫呈顯著上升趨勢(圖1a)，氣候傾向率為0.32℃·10a-1(P<0.01)。近61 a來，馬鈴薯生育期氣溫最高年份在2016年(18.14℃)，最低年份在1984年(14.70℃)，年平均氣溫為16.10℃。20 世紀90年代前馬鈴薯生育期內(nèi)氣溫表現(xiàn)為負距平，20世紀90年代后為正距平，且逐漸增加。但2005—2020年近16 a馬鈴薯生育期內(nèi)氣溫呈顯著下降趨勢，氣候傾向率為-0.54℃·10a-1(P<0.01)。

圖1 馬鈴薯生育期內(nèi)氣溫及降水量變化趨勢Fig.1 Variation trend of temperature and precipitation during potato growing period

馬鈴薯不同生育時期氣溫變化趨勢如圖2所示，2005—2020年馬鈴薯不同生育時期氣溫均呈下降趨勢。播種～出苗、出苗～分枝期、塊莖形成期和塊莖膨大～成熟期氣溫的氣候傾向率分別為-0.81、-1.16、-0.84℃·10a-1和-1.18℃·10a-1，其中塊莖膨大～成熟期氣溫下降趨勢顯著，通過0.01水平顯著性檢驗。

圖2 馬鈴薯不同生育時期氣溫變化趨勢Fig.2 Temperature variation trend of potato at different growth stages

2.1.2 降水量年際變化趨勢 1960—2020年馬鈴薯全生育期降水量變化如圖1b所示，近61 a來降水量呈波動減少趨勢，氣候傾向率為-3.97 mm·10a-1(P<0.01)；馬鈴薯全生育期年降水量在150～552.5 mm振蕩，平均為310.42 mm，最高年份是1967年(721.8 mm)，最低年份是1982年(245.7 mm)。20世紀80年代之前馬鈴薯生育期年降水量呈減少趨勢，80年代之后增加。2005—2020年近16 a馬鈴薯生育期降水呈顯著增加趨勢，傾向率為13.89 mm·10a-1(P<0.01)。

2005—2020年馬鈴薯不同生育時期降水量變化如圖3所示，馬鈴薯播種～出苗期降水量呈顯著減少趨勢，氣候傾向率為-12.32 mm·10a-1(P<0.01)；出苗～分枝期降水量呈顯著增加趨勢，氣候傾向率為11.22 mm·10a-1(P<0.01)；塊莖膨大～成熟期降水量呈顯著增加趨勢，氣候傾向率為35.26 mm·10a-1(P<0.01)；塊莖形成期降水量呈減少趨勢，氣候傾向率為-0.61 mm·10a-1。播種～出苗期降水減少導(dǎo)致馬鈴薯出苗率降低，對其生長產(chǎn)生不利影響。

圖3 馬鈴薯不同生育時期降水量變化趨勢Fig.3 Precipitation variation trend of potato at different growth stages

2.1.3 日照時數(shù)和有效積溫的年際變化趨勢 1960—2020年馬鈴薯生育期≥0℃積溫呈顯著增加趨勢(圖4)，氣候傾向率為48.14℃·10a-1(P<0.01)，近61 a來馬鈴薯生育期平均積溫為2 573.34℃，≥0℃積溫最高在2016年，為2 896.1℃；最低在1976年，為2 349.20℃。2005—2020年馬鈴薯生育期≥0℃積溫呈顯著下降趨勢，氣候傾向率為-131.02℃·10a-1(P<0.01)。1960—2020年馬鈴薯生育期平均日照時數(shù)為1 117.48 h，日照時數(shù)最高在1965年(1 319.60 h)，最低在2019年(868.30 h)，61 a來馬鈴薯生育期日照時數(shù)呈顯著減少趨勢，氣候傾向率為-10.92 h·10a-1(P<0.05)。

圖4 馬鈴薯生育期≥0℃積溫和日照時數(shù)的變化趨勢Fig.4 Variation trend of ≥0℃ accumulated temperature and sunshine duration in potato growth period

2.2 氣候變化對馬鈴薯生長發(fā)育的影響

2.2.1 氣候變化對馬鈴薯生長日數(shù)和產(chǎn)量的影響 2005—2020年黃土高原半干旱區(qū)馬鈴薯生長日數(shù)呈增加趨勢，平均增幅為7.6 d·10a-1，尤其是2008年之后，增加顯著，氣候傾向率為13.9 d·10a-1。2005—2020年16 a增加約11 d(圖5)。近16 a來，馬鈴薯年產(chǎn)量呈波動下降趨勢，氣候傾向率為-160.10 g·m-2·10a-1，平均產(chǎn)量為1 967.74 g·m-2；產(chǎn)量最高年份在2013年(3 612.50 g·m-2)，產(chǎn)量最低年份在2016年(405.20 g·m-2)。

圖5 馬鈴薯生長日數(shù)和產(chǎn)量變化趨勢Fig.5 Trends of potato growing days and yield

2.2.2 氣溫和降水量變化對馬鈴薯產(chǎn)量的影響 對馬鈴薯產(chǎn)量與生育期內(nèi)氣溫、降水量的關(guān)系進行分析(圖6)，由圖6a可知，2005—2020年馬鈴薯產(chǎn)量與生育期內(nèi)氣溫呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。塊莖膨大～成熟期氣溫與產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)。生育期內(nèi)氣溫降低使得馬鈴薯生長發(fā)育受阻，幼苗期氣溫降低導(dǎo)致植株成活率低；塊莖形成期氣溫降低使得薯塊膨大受阻，薯塊變形，屑薯率增加，造成減產(chǎn)。

馬鈴薯產(chǎn)量與生育期降水量呈極顯著正相關(guān)，兩者擬合的一元二次函數(shù)擬合方程為y=-2×10-5x2+0.1263x+158.53(P<0.01)(圖6b)；對二次函數(shù)求導(dǎo)，令dy/dx=0，可知當(dāng)降水量為315.7 mm時，馬鈴薯產(chǎn)量最高，即馬鈴薯生育期內(nèi)適宜降水量閾值為315.7 mm。氣候變化導(dǎo)致降水分布不均勻，生育期降水量呈減少趨勢，降水減少影響馬鈴薯生長發(fā)育及產(chǎn)量形成，使得薯塊形成受阻，導(dǎo)致減產(chǎn)。

圖6 馬鈴薯生育期內(nèi)氣溫、降水量與產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系Fig.6 Correlation between temperature, precipitation and potato yield in growing period

2.2.3 積溫和日照時數(shù)變化對馬鈴薯產(chǎn)量的影響 馬鈴薯產(chǎn)量與生育期≥0℃積溫和日照時數(shù)的關(guān)系如圖7，從圖7a可以看出，2005—2020年馬鈴薯產(chǎn)量與生育期≥0℃積溫呈負相關(guān)。馬鈴薯屬喜冷涼作物，生育期內(nèi)積溫增加，使其生長受阻，產(chǎn)量降低。

馬鈴薯產(chǎn)量與生育期內(nèi)日照時數(shù)呈顯著負相關(guān)，兩者擬合的一元二次函數(shù)擬合方程為y=-0.0247x2+48.761x-21698(P<0.05)(圖7b)；對二次函數(shù)求導(dǎo)，令dy/dx=0，即當(dāng)馬鈴薯生育期內(nèi)日照時數(shù)為987.07 h時，馬鈴薯產(chǎn)量最高。當(dāng)生育期內(nèi)日照時數(shù)<987.07 h時，隨著日照時數(shù)的增加，馬鈴薯產(chǎn)量提高；當(dāng)日照時數(shù)≥987.07 h時，隨著日照時數(shù)的增加，馬鈴薯減產(chǎn)。生育期內(nèi)降水、氣溫等條件適宜，充足的光照有利于提升馬鈴薯的光合生理作用，促進塊莖膨大和干物質(zhì)積累，使得馬鈴薯產(chǎn)量增加。

圖7 馬鈴薯生育期≥0℃積溫、日照時數(shù)和產(chǎn)量的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation between≥0℃ accumulated temperature, sunshine duration and potato yield during growth period

馬鈴薯產(chǎn)量與生育期內(nèi)氣候因子作通徑分析，得到各氣候因子與馬鈴薯產(chǎn)量的直接通徑系數(shù)，確定貢獻大小和關(guān)鍵氣候因子。由表1可知，氣候因子的作用表現(xiàn)為：全生育期氣溫>全生育期降水量>塊莖形成期降水量>播種～出苗降水量>出苗～分枝期降水量>全生育期積溫>塊莖膨大～成熟期降水量>播種～出苗氣溫>全生育期日照時數(shù)>塊莖形成期氣溫>出苗～分枝期氣溫>塊莖膨大～成熟期氣溫。因此，馬鈴薯全生育期氣溫、全生育期降水量、塊莖形成期降水量和播種～出苗降水量是影響馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵因子。

表1 馬鈴薯產(chǎn)量與生育期內(nèi)氣候因子相關(guān)系數(shù)和通徑系數(shù)Table 1 Correlation coefficient and path coefficient between potato yield and climatic factors in growth period

2.3 馬鈴薯產(chǎn)量氣候模式

基于試驗資料和氣象資料，通過回歸分析，建立了馬鈴薯產(chǎn)量氣候模型：

Y=-4011.108+9.217R-200.564T+

2.779ΔT-0.912S

式中，Y為馬鈴薯產(chǎn)量(g·m-2)；R為馬鈴薯生育期總降水量(mm)；T為馬鈴薯生育期平均氣溫(℃)；ΔT為馬鈴薯生育期積溫(℃)；S為馬鈴薯生育期內(nèi)日照時數(shù)(h)。線性化后，其復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.600，方差分析F=1.404，通過0.05顯著性檢驗。

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

全球氣候變化已成為不爭的事實，氣候變化使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不穩(wěn)定性增加，作物產(chǎn)量波動加劇[24-25]。1960—2020年研究區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)氣溫呈顯著上升趨勢，氣候傾向率為0.31℃·10a-1(P<0.05)，高于全國同期平均值[26]。近61 a來，馬鈴薯生育期內(nèi)降水量呈波動減少趨勢，氣候傾向率為-3.97 mm·10a-1(P<0.01)，與全國氣候變化趨勢一致。但2005—2020年馬鈴薯生育期內(nèi)氣溫呈顯著下降趨勢，氣候傾向率為-0.54℃·10a-1(P<0.01)；馬鈴薯生育期內(nèi)降水量呈增加趨勢。馬鈴薯生長季出現(xiàn)明顯的冷濕化現(xiàn)象，降水增加，氣溫降低，馬鈴薯生長日數(shù)延長，對其生長造成不利影響。

馬鈴薯產(chǎn)量主要受氣溫、日照時數(shù)和降水量等因素影響，產(chǎn)量與生育期內(nèi)氣溫呈顯著負相關(guān)，與降水量呈顯著正相關(guān)。氣溫升高，作物葉片光合酶活性降低，葉綠體結(jié)構(gòu)破壞，氣孔關(guān)閉，光合作用受到影響，凈光合積累減少[22]；馬鈴薯植株生長發(fā)育受阻，對塊莖形成和干物質(zhì)積累造成較大影響。黃土高原半干旱區(qū)降雨量不穩(wěn)定，馬鈴薯作為喜濕作物，根系較淺，對水分虧缺響應(yīng)敏感，其生長與生產(chǎn)力非常容易受到水分脅迫影響[27]。本研究表明，降水對黃土高原半干旱區(qū)馬鈴薯產(chǎn)量影響表現(xiàn)為正效應(yīng)，生育期內(nèi)降水增加，產(chǎn)量提高。姚玉璧等[9]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯對降水量變化十分敏感，旬降水量每增加1 mm，馬鈴薯產(chǎn)量可增加100～200 g·m-2，這與本文的研究結(jié)果一致。但是，不同生育期降水增多對馬鈴薯產(chǎn)量的影響效應(yīng)存在差異，收獲期降水增多會導(dǎo)致馬鈴薯采挖期推遲和引起濕腐病，造成塊莖腐爛，影響其產(chǎn)量和貯存。

馬鈴薯產(chǎn)量形成不僅受氣候要素影響，還受品種、土壤環(huán)境、種植制度及病蟲害等因素的影響。馬鈴薯耕作方式不同會影響土壤微團聚體與大團聚體之間的轉(zhuǎn)化和再分布[28]，影響土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[29]，改變了耕層土壤結(jié)構(gòu)[30]，進而影響馬鈴薯產(chǎn)量。黃土高原半干旱區(qū)大多采用覆膜形式種植馬鈴薯，覆膜后土壤含水量較不覆膜提高，有效減少水分蒸發(fā)，有助于土壤蓄水。因此，還需要對馬鈴薯產(chǎn)量的影響因素作進一步研究。

3.2 結(jié) 論

近61 a來研究區(qū)馬鈴薯生育期內(nèi)氣溫呈顯著上升趨勢，平均每10 a上升0.32℃(P<0.01)；降水量和日照時數(shù)年際變化呈減少趨勢，平均每10 a分別減少3.97 mm和10.92 h。近16 a來馬鈴薯生育期內(nèi)氣溫呈顯著下降趨勢，平均每10 a下降0.54℃(P<0.01)；降水量年際變化呈顯著增加趨勢，平均每10 a增加13.89 mm，呈現(xiàn)冷濕化趨勢；馬鈴薯生長日數(shù)呈增加趨勢，平均每10 a增加7.6 d；產(chǎn)量以160.10 g·m-2·10a-1的速率減少。馬鈴薯產(chǎn)量與生育期內(nèi)降水量呈顯著正相關(guān)，與氣溫呈顯著負相關(guān)。塊莖膨大期降水量減少、氣溫升高對馬鈴薯產(chǎn)量形成造成不利影響。播種～出苗和塊莖膨大期降水量是影響馬鈴薯產(chǎn)量的主要因素，氣候變化對西北半干旱地區(qū)馬鈴薯的生產(chǎn)造成了負面影響。