山東省春季馬鈴薯播種至出苗期水熱特征分析

李建，苑文華，丁潔，慈航

(1.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室，山東 濟南 250031；2.棗莊市氣象臺，山東 棗莊 277800)

引言

中國馬鈴薯種植面積及產(chǎn)量占全球的20%～25%[1-2]，但是馬鈴薯產(chǎn)品的國際競爭力相比于主要出口國仍較弱，市場占有率最高僅2.25%[3]，發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)對促進(jìn)國家糧食安全具有重要意義[4]。研究[5-7]表明馬鈴薯的生長情況受光照、溫度、降水等氣象條件影響，如溫度升高會縮短馬鈴薯生育期[8]，適宜種植的區(qū)域也隨著氣候變化而改變[9]，而霜凍、旱災(zāi)和澇災(zāi)則會降低馬鈴薯產(chǎn)量[7,10-11]。馬鈴薯出苗情況對馬鈴薯后期產(chǎn)量至關(guān)重要，研究[12-13]表明馬鈴薯在該時段提高土壤溫度能加快馬鈴薯出苗，增加馬鈴薯的出苗率，而降水量增加對馬鈴薯具有負(fù)效應(yīng)[14]，但水分嚴(yán)重虧缺時，根系生長素降低，脫落酸增加，影響出苗[15]。山東省作為農(nóng)業(yè)大省，馬鈴薯成為當(dāng)?shù)刂匾慕?jīng)濟作物，馬鈴薯種植面積達(dá)14萬hm2，種植面積和產(chǎn)量不斷提升[16]，作為中原二季作區(qū)具有明顯的自然優(yōu)勢和種植收益優(yōu)勢[5]。目前，針對馬鈴薯特定生育期，尤其是播種至出苗期的氣候資源變化的研究鮮見報道。馬鈴薯播種至出苗期的氣象條件對其出苗率影響重大，因此研究山東省春季馬鈴薯播種至出苗期的水熱條件變化，可以為該地區(qū)馬鈴薯種植管理以及降低氣象災(zāi)害風(fēng)險提供依據(jù)，從而對提高馬鈴薯產(chǎn)量具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

所用氣象數(shù)據(jù)選自山東省117個國家級氣象觀測站(圖1)1980—2020年逐日氣候資料，氣象要素包括日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、月平均氣溫、日降水量等數(shù)據(jù)。

圖1 山東省117個國家級氣象觀測站分布Fig.1 Distribution of 117 meteorological stations in Shandong province

1.2 研究方法

1.2.1 播種期的確定

山東省春季馬鈴薯種植面積較廣，各地播種時間不一，根據(jù)參考文獻(xiàn)[12,17-25]結(jié)合實地調(diào)查，將山東省春季馬鈴薯分為魯南、魯中、魯西北和半島4個種植區(qū)(圖1)，各區(qū)域播種日期如表1所示，并按區(qū)域內(nèi)平均狀況下播期進(jìn)行統(tǒng)計。

表1 山東省春季馬鈴薯播種日期Table 1 Sowing date of spring potato in Shandong province

1.2.2 出苗期的確定

利用積溫法推算馬鈴薯出苗期的方法已經(jīng)得到業(yè)內(nèi)人士的廣泛應(yīng)用[6,26]，結(jié)合馬鈴薯生長特性、馬鈴薯實地觀察及前人[12]對馬鈴薯生長研究，總結(jié)出山東省馬鈴薯播種至出苗期≥0 ℃積溫為350 ℃·d-1左右。因此本文以此為指標(biāo)，推算各種植區(qū)代表氣象站點歷年出苗日，按照≥80%站點數(shù)保證率計算確定各種植區(qū)的出苗日期(表2)。

1.2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

按照1.2.1節(jié)和1.2.2節(jié)確定的各種植區(qū)的播種與出苗日期，分別統(tǒng)計各代表站點歷年播種至出苗天數(shù)、總降水量及平均氣溫等。

1.2.4 溫度適宜度

以往研究[27]表明，Beta函數(shù)能反映作物生長和溫度的關(guān)系，具有普適性，本文采用該方法進(jìn)行溫度適宜度函數(shù)的建立。溫度適宜度計算如下：

(1)

式中：F(t)表示溫度適宜度；t1、t0、t2(單位：℃)分別表示為馬鈴薯播種至出苗期內(nèi)的最低溫度、最適溫度、最高溫度，根據(jù)前人[28]研究，馬鈴薯播種至出苗期最低溫度、最適溫度、最高溫度分別為5 ℃、16 ℃、25 ℃；t(單位：℃)表示播種至出苗期內(nèi)的平均氣溫。

1.2.5 干旱等級

相對濕潤度指數(shù)(relative moisture index ，RMI)可以反映作物生長季節(jié)大氣中的水分平衡特征，適用于作物生長季節(jié)月以上尺度的干旱監(jiān)測與評估，本文采用氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[29]中相對濕潤度指數(shù)劃分干旱等級，如表3所示。

相對濕潤度指數(shù)為某時段的降水量與同時段內(nèi)潛在蒸散量之差再除以同時段內(nèi)潛在蒸散量得到的指數(shù)，計算方法[29]如下：

(2)

式中：IRM表示某時段相對濕潤度；P表示某時段的降水量(單位：mm)；EP表示某時段的潛在蒸散量(potential evapotranspiration，PET)，用Thornthwaite方法計算(單位：mm)。

(3)

式中：EP表示潛在蒸散量，指月的潛在蒸散量(單位：mm·月-1)；ti表示月平均氣溫(單位：℃)；IH表示年熱量指數(shù)；A表示常數(shù)。

各月熱量指數(shù)Ii的計算公式如下：

(4)

年熱量指數(shù)IH計算公式如下：

(5)

常數(shù)A計算公式如下：

(6)

當(dāng)月平均氣溫t≤0 ℃時，月熱量指數(shù)IH=0，潛在蒸散量EP=0 mm·月-1。

1.2.6 Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗法

M-K突變檢驗法適用于非參數(shù)的趨勢檢驗，該方法的好處是樣本不用滿足一定分布，受干擾少，計算容易，目前氣象領(lǐng)域已廣泛地使用該方法[30-33]63-65。本文使用M-K突變檢驗法對山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)的多年變化做突變分析，計算參數(shù)UF和UB，在給定的顯著水平α=0.05下，即U0.05=±1.96，UF>0，表示序列呈上升趨勢，UF<0，表示序列呈下降趨勢。若UF和UB兩條曲線在置信區(qū)有交點，即為突變點，交點對應(yīng)的時間為突變開始時間[31]。

1.2.7 氣候傾向率

氣候要素的趨勢變化采用一次線性方程表示，其斜率的10 a變化稱為氣候傾向率[33]37-40，可以由氣候趨勢系數(shù)求出，單位為每10 a某要素單位。

1.2.8 小波分析

小波變換具有多分辨率的特點，通過將時間序列分解可以得到時間的波動模式，即周期變化動態(tài)，小波分析在氣象領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[33-36]99-103。本文選取Morlet小波作為母小波做連續(xù)小波變換，對時間序列進(jìn)行周期特征提取。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010和MATLAB 2019a進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，采用ArcMap 10.2進(jìn)行反距離加權(quán)插值法(inverse distance weight，IDW)對數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，像元大小為0.015°×0.015°。

2 結(jié)果與分析

2.1 春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)的時空變化

2.1.1 春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)年際變化

圖2為山東省春季馬鈴薯播種至出苗期平均天數(shù)年際變化，平均值為39.5 d，最大值出現(xiàn)在1980年，為47.7 d，最小值出現(xiàn)在2014年，為32.3 d。1980—2020年山東省春季馬鈴薯播種至出苗期的日數(shù)呈縮短的趨勢，平均每10 a縮短1.8 d。

圖2 1980—2020年山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)年際變化Fig.2 Inter-annual variations of the number of days from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province from 1980 to 2020

圖3為1980—2020年山東省春季馬鈴薯播種至出苗期平均天數(shù)的M-K突變分析，可以看出，1983—1988年，UF>0，表明該時段播種至出苗期之間的發(fā)育期時間呈現(xiàn)延長的趨勢，1989年以來UF<0，說明發(fā)育期呈縮短的趨勢。UF和UB曲線有唯一的交點，且該交點在-1.96～1.96之間，說明發(fā)育期變化存在突變點，通過α=0.05顯著性檢驗，突變年份在1992年，突變前(1980—1991年)發(fā)育期均值為43.5 d，突變后(1992—2020年)發(fā)育期均值為37.8 d，發(fā)育期突變后比突變前縮短了5.7 d。

圖3 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)的M-K突變分析Fig.3 M-K mutation analysis of the number of days from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province

圖4a為山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)的小波系數(shù)實部等值線圖。當(dāng)小波系數(shù)實部值為正時，代表發(fā)育期延長的時期；為負(fù)值時，代表發(fā)育期縮短的時期。從圖中可以看出，山東省春季馬鈴薯發(fā)育期呈現(xiàn)多時間尺度周期特征，存在2～3 a、6～8 a、14～16 a、18～23 a和25～30 a的周期變化規(guī)律。其中25～30 a尺度上出現(xiàn)發(fā)育期延長和縮短交替的兩次震蕩，近40 a來表現(xiàn)穩(wěn)定；18～23 a尺度在1990年開始建立，1997年以來表現(xiàn)穩(wěn)定；14～16 a尺度2000年以后交替變化比1980—2000年更頻繁；6～8 a時間尺度在1980—2000年變化穩(wěn)定，2000年以后周期變化逐漸消失；2～3 a尺度的周期變化整個研究期間表現(xiàn)穩(wěn)定。

圖4 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)的小波系數(shù)實部等值線(a；色階：小波系數(shù)實部值)和小波功率譜(b；色階：功率譜密度，單位：dB；短劃線部分的倒錐為影響錐；實粗線為0.05顯著水平線)Fig.4 Real part contour map of wavelet coefficients of the number of days from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province (a; color scale: real part of wavelet coefficients) and wavelet power spectrum (b; color scale: power spectral density, units: dB; dash for cone of influence; solid thick line for 0.05 significant importance level)

圖4b為山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)的小波功率譜，其中倒錐線為影響錐。該錐線以下表明此部分小波功率譜圖受到邊緣效應(yīng)的影響，表現(xiàn)出的周期特征存在較大不確定性。在圖中，還有兩個閉合的等值線(圖中粗實線)，最上部分的等值線的區(qū)域?qū)?yīng)周期特征為2～3 a和3～4 a，對應(yīng)時間段分別為1995—2015年和1980—2000年。

圖5為小波全譜圖，由短劃線與小波功率曲線的關(guān)系可以看出，當(dāng)短劃線小于小波功率譜曲線時，表明該區(qū)段對應(yīng)的周期特征達(dá)到0.05水平的顯著性檢驗。因此，從圖中可以看出，通過顯著性檢驗的周期為3～4 a。

圖5 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)的小波全譜(實線)及0.05顯著性水平線(短劃線)Fig.5 Wavelet full spectrum map (solid line) and 0.05 significant importance level (dashed line) of the number of days from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province

2.1.2 春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)的空間變化分析

山東省各氣象站點春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)分布(圖6a)表現(xiàn)為魯西北和半島地區(qū)時間較短，而魯中和魯南地區(qū)時間較長，這與魯中和魯南地區(qū)播種時間早、氣溫低有關(guān)。整個山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)平均值為39.5 d，最短為27.5 d，出現(xiàn)在齊河，最長為53.6 d，出現(xiàn)在日照。由氣候傾向率分布(圖6b)可以看出，全省氣候傾向率大部分地區(qū)為負(fù)值，說明馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)呈現(xiàn)縮短的趨勢，平均每10 a縮短1.8 d，莒南和微山縮短的速度最快，平均每10 a縮短4.0 d。

圖6 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)(a；色階，單位：d)及氣候傾向率(b；色階，單位：(10 a)-1)分布Fig.6 Distribution of the number of days from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province (a; color scale, units: d) and the climate tendency rate (b; color scale, units: (10 a)-1)

2.2 春季馬鈴薯播種至出苗期水分條件分析

2.2.1 春季馬鈴薯播種至出苗期累積降水量年際變化

研究[8]表明馬鈴薯播種至出苗期需水量占整個生育期總耗水量的10%～15%，期間降水量不足55 mm或超過140 mm均會導(dǎo)致馬鈴薯根、莖、葉發(fā)育不良，造成減產(chǎn)。圖7為山東省春季馬鈴薯播種至出苗期平均累積降水量年際變化，平均值為16.5 mm，最高降水量為44.8 mm，發(fā)生在1991年，最少降水量為1.3 mm，發(fā)生在2014年。春季馬鈴薯播種至出苗期累積降水量呈波動下降的趨勢，平均每10 a下降3.1 mm。

圖7 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期累積降水量年際變化Fig.7 Inter-annual variations of accumulated precipitation from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province

2.2.2 春季馬鈴薯播種至出苗期相對濕潤度指數(shù)變化

圖8為山東省春季馬鈴薯播種至出苗期平均相對濕潤度指數(shù)年際變化，平均值為-0.48，呈波動下降趨勢，平均每10 a下降0.09，最低值為-0.95，發(fā)生在2014年；發(fā)育期突變前相對濕潤度指數(shù)平均值為-0.33，突變后為-0.55。

圖8 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期相對濕潤度指數(shù)年際變化Fig.8 Inter-annual variations of relative moisture index from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province

山東省各氣象站點春季馬鈴薯播種至出苗期干旱等級分布(圖9a)表現(xiàn)為魯西北北部和半島大部地區(qū)有中度干旱，其他地區(qū)以輕度干旱或者沒有旱情。由氣候傾向率分布(圖9b)來看，山東省春季馬鈴薯播種至出苗期相對濕潤度指數(shù)整體呈下降趨勢，平均每10 a下降0.09，魯南西部和魯中西部地區(qū)下降較快，相對濕潤度指數(shù)每10 a下降超過0.10，區(qū)域內(nèi)下降速度最快的為東平，平均每10 a下降0.18。

圖9 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期干旱等級(a；色階)分布及相對濕潤度指數(shù)氣候傾向率(b；色階，單位：(10 a)-1)分布Fig.9 Distribution of drought degrees (a; color scale) and climate tendency rate of relative moisture index (b; color scale, units:(10 a)-1) from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province

2.3 春季馬鈴薯播種至出苗期熱量條件分析

2.3.1 春季馬鈴薯播種至出苗期氣溫變化

已有研究[37]表明，馬鈴薯產(chǎn)量與播種至出苗期平均氣溫呈拋物線關(guān)系，當(dāng)平均氣溫超過15 ℃，產(chǎn)量隨著溫度升高而降低，因此分析播種至出苗期氣溫變化具有重要意義。圖10為山東省春季馬鈴薯播種至出苗期平均氣溫年際變化，平均氣溫為8.9 ℃，最高氣溫為11.6 ℃，出現(xiàn)在2014年，最低氣溫為6.6 ℃，出現(xiàn)在1996年，最高氣溫比最低氣溫高出5 ℃，氣溫整體呈波動上升的趨勢，平均每10 a增加0.6 ℃。由圖11可知，播種至出苗期天數(shù)與平均氣溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.99，通過α=0.01顯著性t檢驗。

圖10 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期平均氣溫年際變化Fig.10 Inter-annual variations of average air temperature from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province

圖11 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期天數(shù)與平均氣溫年際變化Fig.11 Inter-annual variations of the number of days and the average air temperature from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province

2.3.2 春季馬鈴薯播種至出苗期溫度適宜度變化

圖12為山東省春季馬鈴薯播種至出苗期平均溫度適宜度年際變化，整體上呈波動上升的趨勢，平均每10 a增加0.07，平均值為0.54，最低值為0.19，發(fā)生在1996年，最高值為0.81，發(fā)生在2014年。

圖12 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期溫度適宜度年際變化Fig.12 Inter-annual variations of the temperature suitability from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province

山東省各氣象站點春季馬鈴薯播種至出苗期溫度適宜度空間分布(圖13a)表現(xiàn)為半島、魯西北、魯中西部地區(qū)溫度適宜度較高，魯南和魯中東部地區(qū)較低，魯南、魯中、魯西北和半島溫度適宜度均值分別為0.41、0.54、0.62和0.65，全省溫度適宜度平均為0.54。由氣候傾向率分布(圖13b)可以看出，溫度適宜度的氣候傾向率全省均大于0，說明山東省春季馬鈴薯播種至出苗期溫度適宜度在增加，全省氣候傾向率平均每10 a增加0.07，魯南南部和魯西北東北部地區(qū)10 a傾向率均大于0.10，高于省內(nèi)其他區(qū)域，半島地區(qū)10 a氣候傾向率較低，低于0.05。

圖13 山東省春季馬鈴薯播種至出苗期溫度適宜度(a；色階)及氣候傾向率(b；色階，單位：(10 a)-1)分布Fig.13 Temperature suitability (a; color scale) and its climate tendency rate (b; color scale, units:(10 a)-1) from sowing to emergence of spring potatoes in Shandong province

3 結(jié)論與討論

山東省春季馬鈴薯播種至出苗期的天數(shù)呈現(xiàn)魯中和魯南時間長，而魯西北和半島地區(qū)時間短的空間分布特征，全省平均值為39.5 d，整體呈現(xiàn)縮短的趨勢，平均每10 a縮短1.8 d，年際變化中存在突變，突變年份為1992年；從周期上看，播種至出苗期的天數(shù)存在明顯的周期變化，其中3～4 a的時間尺度通過了0.05水平顯著性檢驗。

山東省春季馬鈴薯播種至出苗期降水量平均值為16.5 mm，研究[8]表明，馬鈴薯播種至出苗期降水量小于55 mm不能滿足該期間馬鈴薯生長需求，說明該發(fā)育期內(nèi)水分不足，全省降水量平均每10 a下降3.1 mm，說明水分條件呈減少的趨勢。由相對濕潤度指數(shù)看，魯西北北部和半島大部地區(qū)有中度干旱，整個研究區(qū)相對濕潤度指數(shù)呈下降趨勢，平均每10 a下降0.09，魯西地區(qū)下降速度快于其他地區(qū)。同時有研究[14-15]表明，播種至出苗期水分不足不僅影響出苗，而且會降低產(chǎn)量，因此在山東省春季馬鈴薯播種至出苗期應(yīng)該增加田間灌水，加強田間水肥管理。

山東省春季馬鈴薯播種至出苗期平均氣溫在6.6～11.6 ℃之間，平均值為8.9 ℃；平均氣溫自1980年以來呈現(xiàn)增加的趨勢，平均每10 a增加0.6 ℃。本文通過分析發(fā)現(xiàn)播種至出苗期的天數(shù)與氣溫有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為-0.99，說明播種至出苗期氣溫升高是造成播種至出苗期時間縮短的主要因素，這與前人研究[38-39]結(jié)論相似；山東省春季馬鈴薯在播種至出苗期時段內(nèi)的溫度適宜度呈增加的趨勢，平均每10 a增加0.07，說明該時段內(nèi)的熱量條件呈現(xiàn)利好的趨勢，適合馬鈴薯生長的區(qū)域在增加，可以適當(dāng)擴大種植面積。

綜上可知，山東省春季馬鈴薯播種至出苗期水分條件呈現(xiàn)減少的趨勢，應(yīng)增加田間灌水，尤其是魯西北和半島等水分減少較快的地區(qū)；該時段內(nèi)全省熱量條件呈現(xiàn)利好的趨勢，適宜擴大種植面積。