西吉縣馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力與產(chǎn)量關(guān)系的研究

西吉縣馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力與產(chǎn)量關(guān)系的研究

西吉縣位于寧夏南部的山區(qū)。冷氣候干燥，年平均氣溫5.4，7月至9月降雨量243.4mm。土壤以黑壚土面積最大,占全縣總面積的80.88%。土層深厚,土壤通透性好,富含鉀素,速效鉀平均含量113.9mg/kg,比較適合馬鈴薯對鉀肥需求高的生物學特點。目前西吉縣已成為寧夏種植馬鈴薯的第一大縣,但關(guān)于該區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)潛力研究尚少,而且以往研究計算水分訂正系數(shù)多數(shù)未考慮土壤秋墑因素,鑒于此,本文中計算了西吉馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力,研究氣候生產(chǎn)潛力與實際經(jīng)濟產(chǎn)量的關(guān)系;從氣候因子及其變化入手,探討馬鈴薯產(chǎn)量的主要影響因子,進而研究馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力隨氣候變化的規(guī)律。對于合理利用氣候資源,充分挖掘氣候生產(chǎn)潛力,指導馬鈴薯生產(chǎn),提高生產(chǎn)力應用水平,具有重要的理論和現(xiàn)實意義。1材料和方法1.1種與地面資料在西吉縣吉強鎮(zhèn)袁樹村、三洼村、沙蔥洼村等地選點作為試驗田,以寧夏主栽馬鈴薯品種“寧薯4號”為主要參試品種,另外,選擇當?shù)亓韮蓚€栽培品種“隴薯3號”和“青薯168”為對照。種植方式:畜力開溝,人工點播;小區(qū)面積:200m2,(長20m、寬10m),用以得到四種播期的實際產(chǎn)量。資料主要包括:由西吉縣氣象局提供的1988～2009年寧夏西吉縣地面氣象資料,包括日照時數(shù)、日平均溫度、日平均降水量、日平均濕度、日平均風速、日蒸散量;實測1988～2009年馬鈴薯的實際產(chǎn)量數(shù)據(jù)。1.2不同生育期馬鈴薯所受溫度和水分分布情況眾多學者已從不同層次,不同角度對農(nóng)業(yè)氣候生產(chǎn)潛力進行了研究,總結(jié)出大量有價值的估算方法,其中機制法(潛力遞減法)由于其物理意義清晰,因果關(guān)系明確,目前應用最為廣泛。其一般模型為:YF=Q·f(Q)·f(T)·f(w)=YQ·f(T)·f(w)=YT·f(w)=Y(w)(1)式中:YF為氣候生產(chǎn)潛力;Q為5～9月太陽總輻射;f(Q)為光合有效系數(shù);YQ為光合生產(chǎn)潛力;f(T)為溫度有效系數(shù);YT為光溫生產(chǎn)潛力;f(w)為水分有效系數(shù)。應用機制法估算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)其潛力的關(guān)鍵是如何正確地給出與當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程相符合的各層次有效系數(shù)。根據(jù)寧夏西吉縣自然特征和前人的研究成果,進行研究區(qū)各級有效系數(shù)訂正,分生育期計算馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力。1)光合生產(chǎn)潛力。采用作物產(chǎn)量形成時的光能利用和損失狀況,以馬鈴薯各生育期太陽總輻射值為基本數(shù)據(jù),并用生育期對各月數(shù)據(jù)進行訂正(針對西吉馬鈴薯的實際情況,所選作物生育期為4～9月份)。計算公式為:YQ=C·∑Qi·ε·α·(1-γ)·?(1-ω)·(1-χ)-1·H-1(2)式中,YQ為單位面積光合生產(chǎn)潛力(kg/hm2),C為單位換算系數(shù),取值為2×106;∑Qi為生長季各月總輻射量(J/m2),α為作物群體吸收率。在馬鈴薯整個生育期間,吸收率是葉片面積增長的函數(shù),即α=0.83·F(L)(其中F(L)=Li/L0,Li為某生育期的葉面積指數(shù),L0為最大葉面積指數(shù),通過觀測得到)。其他參數(shù)的意義和取值見表1。將各系數(shù)帶入公式2,得:YQ=7.12×F(L)·∑Qi(kg/hm2)(3)2)溫度系數(shù)。利用馬鈴薯生長期平均溫度分段進訂正:F(T)=[(T-T1)×(T2-T)]B/[(T0-T1)×(T2-T0)]B(4)式中,B=(T2-T0)/(T0-T1),T是各生育期的平均氣溫,T1、T2和T0分別是馬鈴薯生育期三基點溫度,即下限溫度、上限溫度和最適溫度。根據(jù)西吉縣馬鈴薯具體生長情況,征求專家的意見,寧夏西吉馬鈴薯不同生育期的T1、T2、T0值如表2所示。3)水分系數(shù)。水分系數(shù)F(W)函數(shù)為:F(W)={W/ETe0<W<ETe1W≥ETe(5)F(W)={W/EΤe0<W<EΤe1W≥EΤe(5)式中,W為各生育期自然供水量;ETe為作物各生育期需水量。①自然供水量的求算。在無灌溉的自然條件下,馬鈴薯各生育期的水分來源一方面是生育期內(nèi)的降水,另一方面是播種前土壤的有效儲水量,也稱有效底墑。播種前(四種播期分別分析)土壤底墑在馬鈴薯生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成的過程中,起著十分重要的作用,土壤有效底墑越大,作物生產(chǎn)潛力越大。自然供水量用公式表示如下:W=W1+W2(6)式中,W為馬鈴薯各生育期內(nèi)自然供水量;W1為播種前的土壤有效底墑;W2為各生育期的降水量。W1=∫i00iCi·(RHi-RHid)(7)其中:i為土層數(shù),本文采用0～10、10～20、20～30、30～40、40～50cm五層土壤數(shù)據(jù);Ci為每層土壤容重;RHi為不同播種情況下,播種時每層的土壤濕度;RHid為凋萎濕度。②作物需水量。作物需水量指作物在適宜的土壤水分和肥力水平下,完成正常生長發(fā)育,獲得高產(chǎn)時的植株蒸騰、棵間蒸發(fā)以及構(gòu)成植株體的水量之和。由于構(gòu)成植株體的水量與蒸騰和棵間蒸發(fā)量相比很小,一般小于后者之和的1%,因此這一微小部分可忽略不計,即在實際計算中,取作物需水量在數(shù)量上等于高產(chǎn)水平條件下的植株蒸騰量(transpiration)與棵間蒸發(fā)量(evaporation)之和,即蒸散量。作物需水量的計算公式為:ETe=KC×ET0(8)式中:ETe為作物各生育期需水量(mm);KC為作物系數(shù);ET0為作物各生育期蒸散量(mm)(根據(jù)試驗地觀測得到)。根據(jù)FAO生態(tài)區(qū)域法,采用的作物系數(shù)值如表3所示。4)氣候生產(chǎn)潛力。在光溫生產(chǎn)潛力基礎(chǔ)上進一步進行水分訂正得到的便是光溫水生產(chǎn)潛力。Yw=YT·F(w)(9)式中,F(w)為水分系數(shù);Yw為氣候生產(chǎn)潛力。在大氣候環(huán)境下,某一站點的光溫資源是相對穩(wěn)定的,所以光溫生產(chǎn)潛力變化不明顯,然而由于土壤秋墑和全生育期間的降水不能滿足馬鈴薯的水分需求,使得氣候生產(chǎn)潛力逐年波動較大,因此本文只研究馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力。1)氣候生產(chǎn)潛力變率。氣候生產(chǎn)潛力年際的變化可用相對變率來表示,即某一地點生產(chǎn)潛力平均偏差值相對于多年平均值的變化程度。相對變率小,表示年際變化小;反之,相對變率大,表示年際變化大,氣候生產(chǎn)潛力出現(xiàn)高產(chǎn)年和低產(chǎn)年的可能性大。相對變率由下式計算:相對變率=1n∑i=1n|di|?100xˉ(10)=1n∑i=1n|di|?100xˉ(10)式中,xˉxˉ為n年平均氣候生產(chǎn)潛力;di為年距平(X?xˉ)(X-xˉ);n為統(tǒng)計年數(shù)。2)全生育期水分變率。全生育期年際降水量的變化可用相對變率表示。它表示馬鈴薯全生育期降水量平均偏差值相對于多年平均值的變化程度。降水相對變率小,表示年際變化小;反之,相對變率大,表示年際變化大,偏旱年、多雨年的可能性大。表示公式如式(10)。3)水分虧缺與減產(chǎn)率。由于底墑和全生育期間的降水不能滿足馬鈴薯的水分需求,水分的虧缺限制了作物的產(chǎn)量。因此,西吉水分虧缺與馬鈴薯的減產(chǎn)率有著直接關(guān)系。水分虧缺=ETe-W(11)式中各指標代表意義同式(6)、式(8)。減產(chǎn)率=(YT-Y(W))/YT(12)式中各指標代表意義同式(1)。4)氣候生產(chǎn)潛力與氣象要素的響應規(guī)律。將各種播期生產(chǎn)潛力與氣候要素值進行線性趨勢擬和,以斜率表征氣候變化對生產(chǎn)潛力的影響。3結(jié)果與分析3.1不同季節(jié)因素對馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)的影響計算四種播期下馬鈴薯的氣候生產(chǎn)潛力,并對比得出生產(chǎn)潛力最大的播種情況。由表4可知:6月9日播種的馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力平均值最高,達到12025kg/hm2,應該考率在接近6月9日時播種馬鈴薯。根據(jù)氣候預測,如果未來降水較穩(wěn)定,則在馬鈴薯特性允許的情況下盡可能晚播,有利于馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力的發(fā)揮。3.2西吉馬鈴薯生產(chǎn)潛力分析四種播期馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力與實踐產(chǎn)量對比如圖1所示。表4和圖1為1988～2009年西吉縣馬鈴薯四種播期下,氣候生產(chǎn)潛力值與實際產(chǎn)量(試驗實測值)對比結(jié)果。由圖可以看出,氣候生產(chǎn)潛力與實際產(chǎn)量近20年變化趨勢較為一致,尤其是起伏變化比較接近。根據(jù)統(tǒng)計資料表明,西吉這些年的馬鈴薯年平均實際產(chǎn)量為2086kg/hm2,達到同期最大氣候生產(chǎn)潛力的17.3%,最小氣候生產(chǎn)潛力的21.6%。由此可見,西吉馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力應用水平較低,且氣候生產(chǎn)潛力呈極弱的遞減趨勢。分析表明,氣候生產(chǎn)潛力同實際產(chǎn)量之間關(guān)系較為密切,運用潛力遞減法估算的生產(chǎn)潛力能綜合反映西吉光、熱、水條件對馬鈴薯生產(chǎn)潛力的影響,對其分析研究可以很大程度上反映西吉馬鈴薯實際產(chǎn)量,對其變化規(guī)律的研究可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及氣候資源利用參考。3.3氣候變率分析根據(jù)公式(10),得出西吉馬鈴薯四種播期下,氣候生產(chǎn)潛力的相對變率,分別為:14.1%(4月8日播)、13.1%(4月28日播)、15.7%(5月18日播、18.0%(6月9日播)為19.1%;水分變率分別為:12.5%、11.4%、13.8%、16.5%。對比氣候生產(chǎn)潛力變率與水分變率,如圖2、圖3。隨著播種日期的推移,水分變率與氣候生產(chǎn)潛力變率均增大。由此可知,播種的日期越晚,水分變率與氣候生產(chǎn)潛力年際間變化波動越大,即播種的日期越晚,水分的越發(fā)不穩(wěn)定導致了氣候生產(chǎn)潛力的更加不穩(wěn)定,出現(xiàn)高產(chǎn)年和低產(chǎn)年的可能性也越大。3.4馬鈴薯生產(chǎn)潛力分析在大氣候環(huán)境下,某一站點的光溫資源是相對穩(wěn)定的,因此以4月8日播種為例,馬鈴薯的光溫生產(chǎn)潛力逐年變化較小,逐年值偏離其20a平均值程度較小;然而由于底墑和馬鈴薯全生育期間的降水不能滿足馬鈴薯的水分需求,使得氣候生產(chǎn)潛力逐年波動較大,而且明顯偏低于光溫生產(chǎn)潛力,如圖2所示。由自然水分引起的生產(chǎn)潛力減產(chǎn)率平均為44%,最大可達62.4%以上,與水分虧缺(馬鈴薯需水量與自然供水量之差)趨勢一致(圖3)。3.5對氣溫的影響分別計算不同播期下,馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力與同期光照、氣溫和降水的相關(guān)關(guān)系,并分析其對生產(chǎn)潛力的影響。以4月28日播種為例,西吉馬鈴薯不同生育期中,產(chǎn)量與日照時數(shù)相關(guān)系數(shù)均在0.064左右,因此生產(chǎn)潛力與日照關(guān)系甚微,日照非區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的限制因子;產(chǎn)量與氣溫的相關(guān)系數(shù)在播種出苗期達到0.207;發(fā)棵期0.257;結(jié)薯期0.464,通過了信度檢驗,因此,氣溫是影響馬鈴薯生長的一個重要因子;降水與同期氣候生產(chǎn)潛力關(guān)系密切,播種出苗期相關(guān)系數(shù)0.997,發(fā)棵期和結(jié)薯期均為0.985,而且其它3種不同播期下,水分與氣候生產(chǎn)潛力的相關(guān)系數(shù)均在0.9以上,均達到了顯著相關(guān),表明西吉大部分地區(qū)光照條件相對充足,熱量對馬鈴薯生產(chǎn)潛力有一定影響,而降水是馬鈴薯產(chǎn)量的主要限制因子。4氣候生產(chǎn)潛力分析1)潛力遞減法結(jié)算結(jié)果很大程度上反映了實際產(chǎn)量,適用于西吉,在此基礎(chǔ)上進一步研究氣象要素對馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力的影響,可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及氣候資源利用提供參考。2)西吉馬鈴薯氣候生產(chǎn)潛力應用水平較低,且生產(chǎn)潛力呈極弱的遞減趨勢。3)秋墑和全生育期間的降水不能滿足馬鈴薯的水分需求,使得氣候生產(chǎn)潛力逐年波動較大,而且明顯偏低于光溫生產(chǎn)潛力,減產(chǎn)與水分虧缺變化趨勢一致。4)播種日期越晚,降水量越不穩(wěn)定,會導致氣候生產(chǎn)潛力的越發(fā)不穩(wěn)定,年際間變化波動就越大,出現(xiàn)高產(chǎn)年和低產(chǎn)年的可能性也越大。根據(jù)氣候預測,如果未來降水較穩(wěn)定,則在馬鈴薯特性允許的情況下盡量晚播,以最大限度提高馬鈴薯產(chǎn)量。5)西吉馬鈴薯氣候