趙 鋒，胡開明，王曉斌，范阿棋，張俊,白江平

(1.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

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飼用馬鈴薯潛在產(chǎn)量的分析方法

(1.甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室-甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

作物實(shí)際產(chǎn)量與潛在產(chǎn)量之間存在較大的差距，潛在產(chǎn)量反映了作物在一個(gè)地區(qū)產(chǎn)量的理論上限，研究作物的潛在產(chǎn)量，明確作物產(chǎn)量的上限，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量差及產(chǎn)量限制性因素進(jìn)行研究和分析。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外馬鈴薯(Solanumtuberosum)潛在產(chǎn)量研究進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前馬鈴薯潛在產(chǎn)量研究存在的主要問題是馬鈴薯潛在產(chǎn)量的概念、計(jì)算分析方法以及模型之間的分析機(jī)理不一致，導(dǎo)致馬鈴薯潛在產(chǎn)量的分析結(jié)果存在較大的差異。在未來馬鈴薯潛在產(chǎn)量研究中，重點(diǎn)應(yīng)該將馬鈴薯生長(zhǎng)模型和遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)等新技術(shù)手段更好的結(jié)合起來，從單一的考慮自然因素轉(zhuǎn)向自然因素與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素相結(jié)合的研究。

馬鈴薯；潛在產(chǎn)量；產(chǎn)量差；作物模型

馬鈴薯(Solanumtuberosum)為茄科茄屬雙子葉一年生草本植物,作為僅次于水稻(Oryzasativa)、小麥(Triticumaestivum)、玉米(Zeamays)的世界第四大糧食作物被人們所重視[1]。由于人們的飲食習(xí)慣、地理環(huán)境以及各個(gè)地域的經(jīng)濟(jì)效益等因素，我國(guó)西北地區(qū)借助地理?xiàng)l件等因素成為馬鈴薯的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)區(qū)[2-3]。在我國(guó),馬鈴薯不僅被當(dāng)作重要的糧食作物,同時(shí)也被當(dāng)作重要的蔬菜作物。馬鈴薯鮮薯還被廣泛的用于食品深加工和淀粉、酒精等工業(yè)加工當(dāng)中,在我國(guó)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著非常重要的作用。此外，馬鈴薯淀粉渣中含有豐富的纖維素、半纖維素、果膠和氨基酸等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，經(jīng)過調(diào)制飼喂肉牛等[4-5]可有效促進(jìn)其生長(zhǎng)，提高肉牛體重，而且馬鈴薯的鮮莖葉柔嫩多汁，通過青貯可作飼料，不僅可以緩解冬春季節(jié)飼料短缺的問題，同時(shí)也可以使秸稈資源得到充分利用，對(duì)緩解半農(nóng)半牧區(qū)青貯飼料的匱乏具有重要的意義[6]。但是，隨著水資源的日益缺乏以及耕地面積的持續(xù)減少，馬鈴薯作為一種具有較高水分利用率的兼用型作物，對(duì)保障我國(guó)糧食安全的地位越來越重要[7]。馬鈴薯的需求量越來越大，然而可用于種植馬鈴薯的耕地面積卻是有限的，所以人們對(duì)馬鈴薯的增產(chǎn)潛力、高產(chǎn)品種改良及栽培越來越關(guān)心和重視。馬鈴薯的理論產(chǎn)量即潛在產(chǎn)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于當(dāng)前馬鈴薯的實(shí)際產(chǎn)量，但由于氣候、病蟲害、灌溉等而導(dǎo)致收益較低。我國(guó)作為世界上最大的馬鈴薯生產(chǎn)國(guó)，馬鈴薯產(chǎn)業(yè)種植面積和產(chǎn)量都占了世界的20%以上，雖然我國(guó)馬鈴薯的種植面積很大，卻不是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)國(guó)[8]。目前，我國(guó)馬鈴薯的單產(chǎn)產(chǎn)量仍然低于世界平均水平，和歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距[9]。因此，要提高我國(guó)馬鈴薯的產(chǎn)量以及品質(zhì)，縮小當(dāng)前的馬鈴薯產(chǎn)量與理論上可以實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)量之間的差距。

多種因素對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量都有較大影響，包括馬鈴薯自身的遺傳因素、田間管理措施、病蟲害等，其中光照、溫度與水分等環(huán)境因素對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的影響巨大。但要提高我國(guó)馬鈴薯的產(chǎn)量以及品質(zhì)，不能只靠對(duì)馬鈴薯進(jìn)行遺傳改良來實(shí)現(xiàn)，還要通過對(duì)馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究，分析并調(diào)整影響馬鈴薯產(chǎn)量的限制性因素，從而縮小產(chǎn)能差以提高馬鈴薯實(shí)際產(chǎn)出效率。如何合理地根據(jù)馬鈴薯自身的遺傳因素及環(huán)境因素制定適宜的田間管理模式，達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的目的，是我國(guó)乃至全世界馬鈴薯生產(chǎn)目前所面對(duì)的主要問題。為此，本文通過分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)馬鈴薯潛在產(chǎn)能研究的進(jìn)展，著重對(duì)馬鈴薯潛在產(chǎn)能研究中存在的問題進(jìn)行探討，以期對(duì)未來馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究提供參考。

1 作物的潛在產(chǎn)量

1.1 作物潛在產(chǎn)量的概念及研究意義

作物潛在產(chǎn)量(crop potential yield)這一概念早在19世紀(jì)中期就被提出，但是直到1993年Evans[10]才對(duì)潛在產(chǎn)量進(jìn)行了明確的定義：作物潛在產(chǎn)量是指在作物生長(zhǎng)環(huán)境中的水分和養(yǎng)分不受限制以及生物之間的影響效應(yīng)得到有效控制時(shí)作物的產(chǎn)量。此后人們對(duì)這一概念進(jìn)行了總結(jié)和補(bǔ)充[11]，Evans在1999年又進(jìn)一步補(bǔ)充,作物潛在產(chǎn)量是指作物潛在的產(chǎn)量,即理論產(chǎn)量，指的是作物在適宜的環(huán)境中，即在營(yíng)養(yǎng)和水分不受任何限制，病、蟲、雜草、倒伏等不利因素得到有效控制，栽培技術(shù)水平和生產(chǎn)管理水平處于最佳狀態(tài)的條件下可能達(dá)到的最大產(chǎn)量[12]。作物的潛在產(chǎn)量具有時(shí)間性和空間性，也就是說作物的潛在產(chǎn)量會(huì)隨著地點(diǎn)的不同或當(dāng)?shù)厣鐣?huì)技術(shù)的改變而發(fā)生變化[13]。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于受到雜草、病蟲害及環(huán)境因素等影響而導(dǎo)致實(shí)際產(chǎn)量偏低。對(duì)于一些雨養(yǎng)作物，水分是其最大的影響因素，所以，它們?cè)谒窒拗葡碌漠a(chǎn)量等同于水分限制下的潛在產(chǎn)量。在理想條件下，作物的生長(zhǎng)只取決于大氣中的CO2量、太陽(yáng)輻射、溫度以及作物的品種特性，所以潛在產(chǎn)量理論上只與氣候環(huán)境有關(guān)，而土壤特性等可以通過水分和養(yǎng)分等進(jìn)行調(diào)節(jié)[14](圖1)。

而生產(chǎn)當(dāng)中，作物產(chǎn)量的理論上限(即光溫潛在產(chǎn)量)與農(nóng)民實(shí)際收獲的產(chǎn)量(即農(nóng)民實(shí)際產(chǎn)量)存在比較大的差異，把這種差異叫做產(chǎn)量差(yield gap)。產(chǎn)量差的概念是由Datta[15]提出的，引起產(chǎn)量差距的因子被稱為產(chǎn)量限制因子(yield constraints)。通過改善這些作物產(chǎn)量的限制因子可以大幅提高作物的產(chǎn)量及品質(zhì)，實(shí)際產(chǎn)量最高可以達(dá)到潛在產(chǎn)量的80%[16]。但是現(xiàn)階段由于生產(chǎn)水平等問題，很多作物的產(chǎn)量限制性因素都不明確，實(shí)際產(chǎn)量與可達(dá)到的產(chǎn)量仍然有較大的差距(圖2)。潛在產(chǎn)量反映了作物在一個(gè)地區(qū)的產(chǎn)量的理論上限，即作物產(chǎn)量可能達(dá)到的最大值。通過研究作物的潛在產(chǎn)量，明確作物產(chǎn)量的上限，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量差及產(chǎn)量限制性因素進(jìn)行分析研究，通過一系列措施來改善產(chǎn)量限制性因素，縮小潛在產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量的差距，從而盡可能大地提高作物的收益率，是農(nóng)業(yè)研究工作者的最終目的。

圖1 不同生產(chǎn)水平下決定產(chǎn)量的因素Fig.1 Influential factors of crop yields under different production levels

圖2 實(shí)際產(chǎn)量與可達(dá)到產(chǎn)量的產(chǎn)量差Fig.2 Yield gap between actual and exploitable yields

1.2 作物潛在產(chǎn)量的研究方法

一般研究作物潛在產(chǎn)量的方法有：1)田區(qū)定位試驗(yàn)法[16]；2)農(nóng)戶最高產(chǎn)量紀(jì)錄值調(diào)查法[17]；3)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)的農(nóng)業(yè)生態(tài)地區(qū)(Agro-ecological Zone,簡(jiǎn)稱AEZ)法[18]；4)作物模型法[19]。其中，田區(qū)定位試驗(yàn)法可以評(píng)估當(dāng)?shù)禺?dāng)前栽培管理措施下作物的潛在產(chǎn)量，但是這種方法需要研究理想栽培管理措施以及排除那些導(dǎo)致減產(chǎn)的因素(如營(yíng)養(yǎng)缺乏以及植物的病蟲害等)，而且這種方法必須通過多年的重復(fù)試驗(yàn)才能估算出作物的潛在產(chǎn)量。在田區(qū)定位試驗(yàn)中可能需要很多年去改進(jìn)它的栽培管理措施，而且通過估算得到的作物潛在產(chǎn)量也不準(zhǔn)確。農(nóng)戶最高產(chǎn)量紀(jì)錄值調(diào)查法需要將作物生產(chǎn)的環(huán)境(包括土壤資源)以及投入生產(chǎn)的技術(shù)水平記錄下來，這種方法可以得到最高產(chǎn)量的資源利用率[20-23]，然而這種方法畢竟是在農(nóng)戶當(dāng)中調(diào)查，其與實(shí)際最大產(chǎn)量值的誤差有時(shí)會(huì)很大，其中有很多因素是很難避免的，因此，所得的潛在產(chǎn)量值會(huì)隨作物生產(chǎn)環(huán)境的變化而改變。

FAO的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域法是基于Mitscherlich-Baule的復(fù)合指數(shù)方程[24]，它將所種植的農(nóng)田區(qū)域分為雨養(yǎng)區(qū)農(nóng)田和灌溉區(qū)農(nóng)田。

Y1R=∑ij∈CSZSijAijYijIR/∑ij∈CSZSijAij

(1)

式中：Y表示作物的潛在產(chǎn)量(t·hm-2)；l表示作物的品種名稱；R表示該區(qū)是雨養(yǎng)區(qū)農(nóng)田；i表示農(nóng)田橫向單元的序列；j表示農(nóng)田縱向單元的序列；S表示雨養(yǎng)區(qū)面積所占的比例(%)；A表示所占耕地面積(hm2)。CSZ是表示其在農(nóng)作制中的種植制度分區(qū)(cropping systems zone)。

Y1I=∑ij∈CSZSijAijYijII/∑ij∈CSZSijAij

(2)

式中：Y表示作物的潛在產(chǎn)量(t·hm-2)，l表示作物的品種名稱，I表示該區(qū)是灌溉區(qū)農(nóng)田，i表示農(nóng)田橫向單元的序列，j表示農(nóng)田縱向單元的序列，S表示灌溉區(qū)面積所占的比例(%)，A表示所占耕地面積(hm2)。該方法考慮到了作物的光合、呼吸以及蒸騰等生理過程，在計(jì)算作物潛在產(chǎn)量中具有很多優(yōu)點(diǎn)，但是這種方法是在非洲建立起來的，運(yùn)用起來有一定的地域局限性[25-26]。

利用作物生長(zhǎng)模型估計(jì)作物的潛在產(chǎn)量可以很好地克服以上方法的局限性，作物生長(zhǎng)模型代表了當(dāng)前人們對(duì)作物生理過程(物候?qū)W、碳同化等)以及作物對(duì)外界環(huán)境反應(yīng)的了解程度[27]。作物模型法只要知道某地土壤和氣候以及作物的基本資料就可以得到任何時(shí)間段該地作物的潛在產(chǎn)量。該法的通用性相對(duì)較強(qiáng)，而且方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確。作物生長(zhǎng)過程模擬是指將與作物有關(guān)的氣候及土壤環(huán)境等作為一個(gè)統(tǒng)一整體，運(yùn)用系統(tǒng)分析學(xué)及計(jì)算機(jī)模擬的方法，通過對(duì)作物的生理過程與作物生長(zhǎng)環(huán)境以及作物栽培管理技術(shù)之間的關(guān)系加以理論概括及統(tǒng)計(jì)分析，建立相應(yīng)的作物生長(zhǎng)模型，再在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和對(duì)作物生長(zhǎng)過程的模擬研究。作物生長(zhǎng)模型描述作物品種、生長(zhǎng)環(huán)境以及栽培管理措施三者的交互作用，需要因地制宜的數(shù)據(jù)資料，包括日常的氣象數(shù)據(jù)、作物的田間管理措施(如種植日期，種植密度等)、土壤特性以及初始的播種條件等。

作物生長(zhǎng)模型從提出到基本成熟已經(jīng)涉及到多種作物，基本以禾本科作物為主，如小麥[28]、玉米[29]、水稻[30]、甘薯(Dioscoreaesculenta)[31]、甜菜(Betavulgaris)[32]、棉花(Gossypiumspp.)[33-34]等。如美國(guó)的CERES系列模型[35]，是根據(jù)禾本科植物的生長(zhǎng)特性而開發(fā)設(shè)計(jì)的模擬模型，主要包括CERES-Wheat，CERES-Maize，CERES-Rice等。該模型結(jié)合天氣資料、作物生長(zhǎng)資料、土壤資糧以及大田管理資料，可以動(dòng)態(tài)的模擬作物的生長(zhǎng)過程，模擬出作物的潛在產(chǎn)量。其中主要作物生長(zhǎng)模型還包括美國(guó)的DSSAT模型[36-37]、GOSSYM模型[38-39]、EPIC模型[40-42]，荷蘭的WOFOST模型[43-44]以及澳大利亞的APSIM模型[45-47]等。作物生長(zhǎng)模型不僅對(duì)繼承已有研究成果有利，而且也是作物現(xiàn)代化種植管理的基礎(chǔ)[48-49]。此外，還有學(xué)者利用計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法，借助產(chǎn)量的函數(shù)來估算和分析作物潛在產(chǎn)量[50]。

1.3 作物潛在產(chǎn)量研究進(jìn)展

早在19世紀(jì)40年代，德國(guó)化學(xué)家Liebig等[51]提出“Liebing最小因子定律(Liebing’s law of the minimum)”，指出作物生長(zhǎng)所需的最小營(yíng)養(yǎng)，從而引出了作物潛在產(chǎn)量的概念。經(jīng)過科研工作者的不斷努力，人們對(duì)作物潛在產(chǎn)量的研究更加深入[52]。在20世紀(jì)60年代初期，Bonner[53]第一次從光合效率的角度分析了作物的產(chǎn)量潛力，指出提高作物光合效率可以有效提高作物的潛在產(chǎn)量。作物所獲得產(chǎn)量的90%左右都來自于光合作用過程中所形成的光合物質(zhì)，通過直接或間接地改善作物的光合性能可以提高作物的產(chǎn)量[54]。20世紀(jì)70年代中期，國(guó)際水稻研究中心(IRRI)對(duì)亞洲的6個(gè)國(guó)家(孟加拉國(guó)、印度、印尼、巴基斯坦和菲律賓)進(jìn)行了水稻限制因子的研究[55]，從而開始了系統(tǒng)研究水稻潛在產(chǎn)量的體系。起先，一些學(xué)者想運(yùn)用輻射、反射、呼吸消耗等來計(jì)算作物的光合潛在產(chǎn)量，但是由于其它因素的影響過大，使得所得產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際產(chǎn)量[56]。隨后人們考慮到溫度對(duì)光溫潛在產(chǎn)量的影響，對(duì)其進(jìn)行了校準(zhǔn)修正[57-58]。此后又考慮到水分的作用，以及光照、溫度、降水量的綜合作用，從而轉(zhuǎn)向氣候條件下潛在產(chǎn)量的研究。期間，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和普及，學(xué)者們?cè)谘芯孔魑餄撛诋a(chǎn)量的同時(shí)利用計(jì)算機(jī)建立了許多作物生長(zhǎng)模型，而且其中大多數(shù)已經(jīng)得到驗(yàn)證和應(yīng)用。此外，1994年Muchow等[59]利用作物生長(zhǎng)模型模擬分析了不同種植日期、土壤類型以及施肥量和施肥日期下高粱(Sorghumvulgare)的潛在產(chǎn)量，并給與了最優(yōu)生產(chǎn)管理措施的建議。2003年Verdoodt等[60]利用作物生長(zhǎng)模型對(duì)南非干旱地區(qū)作物的潛在產(chǎn)量進(jìn)行了模擬分析，得出光溫是不同作物產(chǎn)量的重要影響因子，但降水量是干旱地區(qū)作物產(chǎn)量最重要的影響因子。Hodges等[61]也運(yùn)用CERES-Maize模型模擬分析美國(guó)玉米的產(chǎn)量，并且結(jié)果較為準(zhǔn)確。

與此同時(shí)，我國(guó)國(guó)內(nèi)也開始了對(duì)作物潛在產(chǎn)量的研究，并且運(yùn)用計(jì)算機(jī)作物生長(zhǎng)模型對(duì)一些地區(qū)的作物進(jìn)行了模擬分析。如，2008年運(yùn)用CERES-Maize模型對(duì)華北平原玉米進(jìn)行的模擬分析[29]，該模型可以準(zhǔn)確計(jì)算出華北平原各地玉米的潛在產(chǎn)量。此外，CERES模型還被廣泛的應(yīng)用于預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)作物的影響[62-65]，李軍等[66]運(yùn)用該模型對(duì)黃土高原地區(qū)的玉米潛在產(chǎn)量進(jìn)行了模擬分析。2014年，利用APSIM-Maize模型對(duì)中國(guó)北方平原的玉米潛在產(chǎn)量以及產(chǎn)量收益進(jìn)行的模擬分析，結(jié)果表明，APSIM-Maize模型可以很好地模擬玉米的生長(zhǎng)以及潛在產(chǎn)量，通過對(duì)模型中灌溉和肥料使用量地調(diào)整，使得玉米的產(chǎn)量收益差進(jìn)一步縮小[67]。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，近年來科研工作者們已經(jīng)開始將作物生長(zhǎng)模型與遙感數(shù)據(jù)結(jié)合起來估算作物的潛在產(chǎn)量[68]。

2 馬鈴薯潛在產(chǎn)量研究進(jìn)展

馬鈴薯不僅作為糧食和蔬菜深受人們青睞，還被廣泛地用于工業(yè)加工,此外，馬鈴薯還是重要的飼料作物。其飼用價(jià)值主要是馬鈴薯淀粉渣和馬鈴薯莖葉的應(yīng)用，馬鈴薯淀粉渣是馬鈴薯淀粉加工過程中的副產(chǎn)品，其主要成分是殘余淀粉顆粒、纖維素、半纖維素和果膠等[69]。目前，對(duì)馬鈴薯渣的應(yīng)用主要有兩種：1)用多菌種混合發(fā)酵馬鈴薯淀粉渣生產(chǎn)蛋白飼料，發(fā)酵飼料中的物質(zhì)有助于動(dòng)物對(duì)蛋白質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收效率以及提升動(dòng)物自身的免疫力[70]；2)將馬鈴薯淀粉渣與其它作物混貯飼喂，馬鈴薯淀粉渣通過混貯后，不但適口性得到了較大的改善，而且消化利用率也提高了,有效降低了飼喂成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益[71]。

馬鈴薯莖葉是馬鈴薯的地上部分，馬鈴薯莖葉中含有大量的粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、胡蘿卜素以及鈣、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是很好的青貯飼料[72]。但是由于馬鈴薯鮮莖葉中所含的水分過高、含糖量低和適口性差等原因，單獨(dú)青貯不易成功，所得青貯飼料效果不佳[73]。通過添加米糠等，發(fā)現(xiàn)可以很好地提高馬鈴薯青貯的品質(zhì)，有助于食草動(dòng)物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收[74]。2015年，對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)馬鈴薯莖葉青貯的研究發(fā)現(xiàn)，“青貯飼料+混合粗提取物”的綜合技術(shù)可有效地提高馬鈴薯莖葉青貯飼料品質(zhì)，使得食草動(dòng)物對(duì)飼料中的蛋白質(zhì)更容易消化吸收，為馬鈴薯莖葉在飼料方面的應(yīng)用提供了重要的依據(jù)[75]。

從20世紀(jì)80年代開始，馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究受到越來越多的關(guān)注。Stigter等[76]首先利用二氧化碳同化率及呼吸量來估算馬鈴薯的總干物產(chǎn)量，發(fā)現(xiàn)通過計(jì)算馬鈴薯植株截獲的總輻射量、輻射轉(zhuǎn)化率、作物的收獲指數(shù)以及馬鈴薯塊莖的干物質(zhì)含量可以計(jì)算得出馬鈴薯的潛在產(chǎn)量。與其它禾本科作物不同，馬鈴薯屬于茄科作物，塊莖的生長(zhǎng)決定著馬鈴薯的最終產(chǎn)量。馬鈴薯生長(zhǎng)過程中對(duì)環(huán)境變化極為敏感，尤其是光照、溫度和水分的影響[2]。由于馬鈴薯的塊莖生長(zhǎng)在土壤中，所以馬鈴薯的產(chǎn)量也受到土壤的影響。1984年Ng和Loomis[77]研究開發(fā)了Potato模型，該模型根據(jù)馬鈴薯不同的生長(zhǎng)過程，建立了大氣―作物―土壤的系統(tǒng)模型，以天氣為驅(qū)動(dòng)變量，以土壤條件為基礎(chǔ)，通過對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)過程中葉片光合作用以及其根、莖、葉生物量的形成過程進(jìn)行計(jì)算分析來模擬馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育過程。雖然該模型涉及到馬鈴薯的生理和形態(tài)等多個(gè)方面，但是沒能考慮水分平衡以及氮肥量等對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)的影響，所得到的潛在產(chǎn)量與實(shí)際有很大的偏差。N元素作為必需元素對(duì)馬鈴薯的產(chǎn)量有直接的影響，在馬鈴薯生產(chǎn)中，如果缺乏N元素，植株將表現(xiàn)出缺素癥狀，即合成的葉綠素減少，導(dǎo)致葉片變黃、植株矮小、產(chǎn)量降低。因此,N元素輸入量是否合理決定著馬鈴薯的產(chǎn)量。到20世紀(jì)80年代末，F(xiàn)eddes等[78]研究并開發(fā)了綜合性的馬鈴薯生長(zhǎng)模型SWACRO，該模型以氣候變化與馬鈴薯生長(zhǎng)及田間水分變化為基本原理，模擬氣候變化對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育、產(chǎn)量及農(nóng)田水分平衡等的影響，對(duì)馬鈴薯的水分平衡、呼吸以及馬鈴薯生長(zhǎng)中對(duì)N元素的需求量進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹和說明。隨后一些科研工作者利用一些田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了一些經(jīng)驗(yàn)型的馬鈴薯生長(zhǎng)模型，通過田間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)估算出其中的一些參數(shù)，盡管這些模型可以應(yīng)用于田間試驗(yàn)當(dāng)中，但是通過模型所估算的數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值差異比較明顯。之后，蘇格蘭作物研究所專家通過研究指出[79]，馬鈴薯的干物質(zhì)產(chǎn)量可以通過馬鈴薯的播種期和收獲期、土壤和空氣的溫濕度以及光照輻射估算出來，隨后學(xué)者們針對(duì)這一結(jié)果對(duì)以往的馬鈴薯生長(zhǎng)模型進(jìn)行了修正，從而使得馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究更加深入。

目前，SUBSTOR-Potato[80]、NPOTATO[81]、LINTUL-POTATO[82]、IFORCROP-POTATO[83]、Crop SystVB-CSPotato[84]、CROPSYST-SIMPOTATO[85]等都是一些公認(rèn)的發(fā)展比較成熟的模型。在2003年，Hijmans[86]將未來氣候分為不同的幾個(gè)時(shí)期，利用LINTUL-POTATO模型對(duì)馬鈴薯潛在產(chǎn)量進(jìn)行了模擬分析，對(duì)全球溫度變化下不同經(jīng)緯度地區(qū)的馬鈴薯產(chǎn)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并且通過模擬馬鈴薯的潛在產(chǎn)量，分析了全球變暖條件下馬鈴薯產(chǎn)量研究中所遇到的問題，并給出了一些提高馬鈴薯產(chǎn)量的應(yīng)對(duì)方案。

人們應(yīng)用馬鈴薯生長(zhǎng)模型來模擬馬鈴薯生長(zhǎng)的過程中發(fā)現(xiàn)作物生長(zhǎng)模型是基于單植水平的系統(tǒng)，在小面積的馬鈴薯潛在產(chǎn)量估算上作物生長(zhǎng)模擬模型比較適用，而在更大面積或更大的空間區(qū)域，潛在產(chǎn)量受到作物遺傳特性和周圍環(huán)境等的綜合影響，其估算結(jié)果往往并不理想[87]，因此需要借助一些技術(shù)手段，將馬鈴薯生長(zhǎng)模型作物與作物的估產(chǎn)區(qū)劃、空間數(shù)據(jù)庫(kù)以及空間信息技術(shù)相互結(jié)合來估算其潛在產(chǎn)量。蔡承智等[88]根據(jù)FAO和國(guó)際應(yīng)用系統(tǒng)分析研究所(IIASA)基于中國(guó)1961―1997年的統(tǒng)計(jì)資料(經(jīng)多方校正)共同開發(fā)的AEZ模型，運(yùn)用GIS 平臺(tái)計(jì)算了中國(guó)41個(gè)農(nóng)作制亞區(qū)的馬鈴薯生產(chǎn)潛力，并指出了單產(chǎn)最高潛力的區(qū)域分布。研究結(jié)果表明，作物在最適宜區(qū)域種植的潛在產(chǎn)量很大的程度上可以被認(rèn)為是該作物潛在產(chǎn)量的最大值，而在其它地區(qū)幾乎是不能達(dá)到的。

隨著越來越多馬鈴薯生長(zhǎng)模型的建立與發(fā)展，人們開始對(duì)未來環(huán)境氣候下的馬鈴薯產(chǎn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。在2008年，孫芳等[89]將SUBSTOR-POTATO模型[90]和中心區(qū)域氣候模型(PRECIS)相結(jié)合，模擬估算了在空氣中CO2濃度比目前水平高30%～49%的情況下馬鈴薯的生長(zhǎng)狀況，結(jié)果表明，在未來氣溫有一定升高的情況下，馬鈴薯產(chǎn)量相對(duì)目前也會(huì)有一定的提高。同時(shí)，人們?cè)谘芯狂R鈴薯潛在產(chǎn)量過程中，利用生長(zhǎng)模型調(diào)節(jié)其中的相關(guān)因素，適當(dāng)調(diào)整田間管理模式、水分肥料供應(yīng)量等來提高馬鈴薯的潛在產(chǎn)量。Alva等[91]在2010年利用不同品種馬鈴薯的產(chǎn)量數(shù)據(jù)，對(duì)Crop Syst VB-CSPotato等模型的參數(shù)及預(yù)測(cè)的潛在產(chǎn)量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和分析，為這些模型參數(shù)的精確度提供了參考依據(jù)。

3 馬鈴薯潛在產(chǎn)量研究的前景展望

研究馬鈴薯潛在產(chǎn)量的最終目的是找出潛在產(chǎn)量與實(shí)際產(chǎn)量的產(chǎn)量差，找到導(dǎo)致產(chǎn)量差的限制因素，從根本上提高馬鈴薯的產(chǎn)量。隨著人口的急劇增長(zhǎng)，馬鈴薯作為世界第四大糧食作物被越來越注重，國(guó)內(nèi)外對(duì)于馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究也越來越多，馬鈴薯潛在產(chǎn)量的概念及其分析方法也越來越規(guī)范。然而馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，對(duì)馬鈴薯潛在產(chǎn)量研究的要求也越來越高，不僅需要對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量的形成機(jī)理進(jìn)行充分的分析及了解，同時(shí)還需要掌握與馬鈴薯生長(zhǎng)有關(guān)的外界環(huán)境數(shù)據(jù)資料。

目前在馬鈴薯潛在產(chǎn)量研究中仍然存在著一些亟待解決的問題，包括：1)馬鈴薯潛在產(chǎn)量的劃分層次和方法不同，使得研究分析中所得結(jié)果的可比性較差[92]；2)馬鈴薯潛在產(chǎn)量的概念和計(jì)算分析方法不同，且隨著作物模型的發(fā)展、模型之間分析機(jī)理的不同，分析結(jié)果也存在較大的差異[93]。

綜上所述，未來在對(duì)馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究中應(yīng)該加強(qiáng)以下幾項(xiàng)研究：1)隨著馬鈴薯生長(zhǎng)模型研究越來越完善，以及遙感技術(shù)(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)等新技術(shù)手段在農(nóng)業(yè)上的廣泛運(yùn)用，如何將這些技術(shù)與馬鈴薯生長(zhǎng)模型相結(jié)合是今后馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究重點(diǎn)；2)進(jìn)一步探討研究馬鈴薯的光合作用機(jī)理，為馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究提供明確的科學(xué)依據(jù)；3)由于目前對(duì)馬鈴薯潛在產(chǎn)量的研究仍然局限于氣候土壤等自然因素，很少考慮到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、管理技術(shù)、作物品種特性、自然災(zāi)害等因素對(duì)馬鈴薯潛在產(chǎn)量的影響，而氣候又有很大的不確定性，因此,將自然因素與社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素相結(jié)合也是馬鈴薯潛在產(chǎn)量未來的一個(gè)研究方向。

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(責(zé)任編輯 王芳)

Analysis method of forage-use potato potential yields

(1.Gansu Key Lab of Crop Improvement & Germplasm Enhancement-Gansu Provincial Key Lab of Arid land Crop Science, Lanzhou 730070, China;2.College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

The difference between actual and potential yields of crop is called yield gap. Potential yield reflects the theoretical upper-limit of crop production in a certain region. Prediction of crop potential yield can help confirm the upper-limit of crop yield and have an insight into the study and analysis of yield gap and limiting factors of yield. This paper summarized the current progresses in the studies of potato potential yield and proposed the priorities in the study of potato potential yield in the future. The difference between actual and potential yields of crop is called yield gap. Potential yield reflects the theoretical upper-limit of crop production in a certain region. Prediction of crop potential yield can help to confirm the upper-limit of crop yield and have an insight into the study and analysis of yield gap and limiting factors of yield. This paper summarized the current progresses in the studies of potato potential yields. The current main problems in the research on the potential yield of potato lies in that the concept, calculation and analysis methods and the analysis mechanism among crop models are different, which result in the analysis results are quite different. In the future, the research on the potential yield of potato should focus on that the growth model of potato is combined with the new techniques of remote sensing technology (RS), geographic information system (GIS), and the study method should change from original single analysis

potato; potential yield; yield gap; growth model

Bai Jiang-ping E-mail:baijp@gsau.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2015-0670

2015-12-01 接受日期：2016-08-25

科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目(2014DFG31570)；國(guó)家自然科學(xué)基金(31460369)；中國(guó)科學(xué)院西部之光項(xiàng)目；甘肅科技基金(1308RJZA131、1308RJIA005)；蘭州科技研究項(xiàng)目(2013-4-156)

趙鋒(1990-)，男，甘肅慶陽(yáng)人，在讀碩士生，主要從事馬鈴薯遺傳育種研究。E-mail:364357302@qq.com

白江平(1978-)，男，甘肅天水人，副教授，博士，主要從事馬鈴薯遺傳育種研究。E-mail:baijp@gsau.edu.cn

S532-33

A

1001-0629(2016)11-2326-11*