閆建軍，欒 青，劉謀榮，馮志亮，張翠玲

（1.呂梁市氣象局，山西呂梁033000；2.山西省氣候中心，山西太原030002；3.嵐縣氣象局，山西嵐縣035200）

2014 年底，在全國農(nóng)村工作會上，農(nóng)業(yè)部正式提出了把“推進馬鈴薯發(fā)展和馬鈴薯主糧化”工作列入重要議程。2015 年初，中央在“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略研討會”上，通過了關(guān)于推進馬鈴薯主糧化的決議[1]。山西省嵐縣緊緊抓住國家馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略機遇，將馬鈴薯產(chǎn)業(yè)作為全縣扶貧主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，以打造“全國馬鈴薯主食化開發(fā)第一縣”、“山西馬鈴薯第一縣”為目標(biāo)，走出了依靠馬鈴薯特色產(chǎn)業(yè)發(fā)展與脫貧攻堅同步推進的新路子。

合適的降水量是影響馬鈴薯高產(chǎn)的關(guān)鍵因素[2-5]。嵐縣地處晉西北高原腹地，汾河上游，平均海拔1 400 m，地勢西高東低，氣候冷涼，光照充足，晝夜溫差大，年降水量充沛且主要集中在5—9 月，為馬鈴薯的種植提供了優(yōu)良環(huán)境[6]；但是由于受溫帶大陸性季風(fēng)氣候影響，降水的年際變化大，最多年份可達700 mm 以上，最少年份僅200 mm 左右，且常有連續(xù)陰雨或長時間干旱天氣出現(xiàn)[7]。這樣的降水時間分布，對馬鈴薯產(chǎn)量造成較大影響，尤其是集中一段時間降水過多，時常會造成馬鈴薯爛種、晚疫病等災(zāi)害暴發(fā)，導(dǎo)致馬鈴薯產(chǎn)量下降[8-9]。

而人工影響天氣，是指基于人類為了生產(chǎn)和生活的需要，通過人為干預(yù)以防止或減輕由惡劣天氣引起的自然災(zāi)害（如干旱、冰雹、雷電、暴雨等），進而在適當(dāng)條件下促使天氣向有利于人類需要的方向發(fā)展的一種科學(xué)技術(shù)[10]。人工影響天氣作業(yè)技術(shù)目前已經(jīng)向多維可視化、自動化、數(shù)字化發(fā)展[11-13]。通過人工影響天氣使降水量居于合適的區(qū)間，對于減少由降水導(dǎo)致的馬鈴薯減產(chǎn)具有非常重要的意義。

作物模型是采用系統(tǒng)分析方法和計算機模擬技術(shù)，對作物生長發(fā)育過程及其與環(huán)境和技術(shù)的動態(tài)關(guān)系進行定量描述和預(yù)測。它能定量和動態(tài)地描述作物生長、發(fā)育和產(chǎn)量形成過程，而且可以較為精確地描述光、溫、水的存在狀況對作物生長發(fā)育的影響[14]。美國農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣決策支持系統(tǒng)（DSSAT）中的SUBSTOR-potato 模型結(jié)合了馬鈴薯生長的遺傳參數(shù)、生長環(huán)境、人工干預(yù)措施，能夠完整模擬馬鈴薯的整個生長發(fā)育過程與生理生態(tài)過程[15]。利用作物模型的試驗結(jié)果來提高作物產(chǎn)量，已經(jīng)進行了很多年也取得不少成果，但多數(shù)研究都是從施肥、灌溉等方面考慮[16-21]，對于天氣方面的影響研究較少。

本研究結(jié)合山西省嵐縣2010—2018 年的氣象和馬鈴薯試驗田觀測資料，利用DSSAT 中的SUBSTOR-potato 模型，對嵐縣普遍種植的馬鈴薯品種冀張薯8 號，從人工影響降水的角度出發(fā)，通過人為干涉降水量，對人工影響降水時間及影響量進行了試驗，以期為減少氣象災(zāi)害引起的馬鈴薯減產(chǎn)以及促進馬鈴薯種植業(yè)的增產(chǎn)增收提供指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 氣象觀測站及試驗田概況

嵐縣國家氣象觀測站位于嵐縣縣城以西1 km，北緯 38°16′34″，東經(jīng) 111°38′49″，海拔 1 187 m，其氣象觀測資料代表嵐縣縣城及周邊的基本氣象狀況。試驗田位于其西北方300 m，海拔同氣象站相同，形狀為東北- 西南向的長方形：長50 m，寬15 m，主要用于馬鈴薯的農(nóng)氣觀測（圖1）。試驗田周邊為大片農(nóng)田，遠離建筑物、河流、大型水體等的影響，符合中國氣象局《農(nóng)業(yè)氣象觀測規(guī)范 馬鈴薯》[22]的相關(guān)要求。

1.2 土壤數(shù)據(jù)及氣象數(shù)據(jù)處理

土壤類型數(shù)據(jù)來自中國科學(xué)院南京土壤研究所中國土壤數(shù)據(jù)庫1 km 土壤類型圖（國家土壤信息服務(wù)平臺 http://www.soilinfo.cn/map/index.aspx）。本研究區(qū)域土壤類型主要為石灰性褐土，剖面數(shù)據(jù)（表1）來自《山西土種志》[23]。土壤資料包括土壤類型、土壤坡度、土壤顏色、滲透性、土壤容重和排水狀況，以及土壤剖面特征（不同深度的沙、壤、黏粒含量，有機碳、pH 值等）。

表1 試驗田土壤剖面情況

氣象數(shù)據(jù)來自嵐縣國家氣象觀測站2010—2018 年的逐日氣象觀測資料，要素包括日最高氣溫（℃）、日最低氣溫（℃）、日降水量（mm）、日照時長（h）；通過Angstrom 方程[24（]式（1））可計算得到日太陽總輻射Q（MJ（/m2·d））。

其中，Q為日太陽總輻射，Q′為天文輻射，n為實際日照時數(shù)，N為最大可能日照時數(shù)，其中，天文輻射和最大可能日照時數(shù)可根據(jù)地理緯度和日序計算[25]得到；a、b 為待定系數(shù)，參照朱旭東等[26]研究結(jié)論，在華北地區(qū)，a 取值 0.190 4，b 取值 0.510 3。

1.3 作物品種、生育期、產(chǎn)量及田間管理情況

試驗田種植的馬鈴薯品種為冀張薯8 號，該品種在嵐縣的種植面積較廣，具有一定的代表性。馬鈴薯生育期數(shù)據(jù)包括2010—2018 年試驗田觀測的馬鈴薯播種期、出苗期、開花期和收獲期；田間管理數(shù)據(jù)包括春耕、播種深度以及底肥、種肥、追肥的日期和用量；產(chǎn)量數(shù)據(jù)為觀測的逐年實測產(chǎn)量。

1.4 作物模型遺傳參數(shù)介紹

SUBSTOR 模型包含5 個品種特性遺傳參數(shù)，具體情況如表2 所示。

表2 馬鈴薯的品種遺傳參數(shù)

1.5 DSSAT 模型參數(shù)的校正和驗證

在建立作物管理文件、土壤文件和氣象數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上，采用“試錯法”對作物品種參數(shù)進行調(diào)試，直至模型模擬輸出結(jié)果與實測值相對差異程度和吻合度達到要求。本研究采用歸一化均方根差（Normalized root mean square error，nRMSE） 來度量模擬值與實測值的相對差異程度，該指標(biāo)是分析模擬產(chǎn)量和實際產(chǎn)量差異時的最佳衡量指標(biāo)[27]；并用一致性指數(shù)（Index of agreement）檢驗?zāi)M值和實測值的吻合度[28]。

式中，n代表樣本數(shù)，Si和Mi分別代表第i個模擬值和實測值，代表實測值的平均值；nRMSE為均一化相對均方根誤差；d為符合度。

當(dāng)nRMSE≤10%時模擬結(jié)果極好；10%＜nRMSE≤20%時模擬結(jié)果較好；20%＜nRMSE≤30%時模擬結(jié)果中等；nRMSE＞30%時模擬結(jié)果差。

當(dāng)d＝0，模擬值和實測值之間不一致；當(dāng)d＝1，模擬值和實測值之間非常一致。一般認為，當(dāng)d≤0.6 時，一致性較差；當(dāng) 0.6＜d≤0.8 時，一致性一般；當(dāng)d＞0.8 時，一致性很好。

1.6 試驗設(shè)計

首先建立土壤文件、逐年氣象文件及實驗文件，輸入逐年的田間管理參數(shù)，然后通過“試錯法”調(diào)整遺傳參數(shù)，直至模擬的馬鈴薯產(chǎn)量和生育期的nRMSE 和d值達到相關(guān)要求，然后確定遺傳參數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，分別調(diào)整每年的降水量及不同生育期內(nèi)的降水量，即在其每次降水過程實測值的基礎(chǔ)上乘以人工影響天氣指數(shù)（簡稱人影指數(shù)）。

讓人影指數(shù)在0～2.0 變化，當(dāng)指數(shù)＜1.0 時為消雨，＞1.0 時為增雨。然后分析模擬產(chǎn)量的變化情況，得出增雨或消雨的時期和最適影響量，從而確定合理的人工影響天氣降水方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 品種遺傳參數(shù)的率定

本研究通過試錯法測試模型遺傳參數(shù)，當(dāng)葉面積擴展率取2 000 cm2（/m2·d）、潛在塊莖生長率取25 g（/株·d）、塊莖生長脅迫系數(shù)取0.9、光周期系數(shù)取0.8、塊莖開始生長的臨界溫度上限取21 ℃時，模擬得出嵐縣2010—2018 年逐年馬鈴薯的開花期、成熟期和產(chǎn)量，結(jié)果如表3 所示，可以看出，3 個要素的均一化相對均方根誤差nRMSE都小于10%，符合度d＞0.99，模擬值和實測值吻合度很高，模擬效果很好。

表3 馬鈴薯生育期及產(chǎn)量的模擬值和實測值的對比

2.2 人工影響天氣結(jié)果分析

2.2.1 全年人工影響天氣結(jié)果 首先進行全年的人工影響降水模擬，讓2010—2018 年每年的每一次降水過程在原始降水量的0～2 倍變化，其中，0～1 為消雨作業(yè)，1～2 為增雨作業(yè)，得出的結(jié)果如圖2 所示。

從圖2 可以看出，2010—2018 年間人影指數(shù)小于1 的時候產(chǎn)量會提升5.0%～102.5%，即適宜全年進行人工消雨；人影指數(shù)在0.4～0.8 時最為合適，說明嵐縣每年的降水量能夠滿足馬鈴薯的生長，且有盈余。如果能適當(dāng)?shù)剡M行消雨作業(yè)，將有利于提升嵐縣馬鈴薯種植的產(chǎn)量。嵐縣馬鈴薯的生長期一般為每年的5—9 月，從模型輸出的每年最大產(chǎn)量對應(yīng)的降水量（最適降水量）來看（表4），嵐縣馬鈴薯生長期內(nèi)的最適降水量為175～280 mm。

表4 全年人工影響天氣情況下模型輸出的2010—2018 年嵐縣馬鈴薯最大產(chǎn)量對應(yīng)的最適降水量及人影系數(shù)

圖3 是嵐縣自1957 年建站以來5—9 月的逐年降水量，可以看出，馬鈴薯生長期內(nèi)嵐縣降水量最大時可以達到695.1 mm（1988 年），最少的年份只有123.2 mm（1965 年），年均生育期內(nèi)降水量為395.0 mm；62 a 內(nèi)（1957—2018 年）只有 2 次馬鈴薯生長期內(nèi)降水量低于最適降水量下限，分別是1965 年（123.2 mm）和 1972 年（158.9 mm）。可見，大多數(shù)年份嵐縣的降水量是可以滿足馬鈴薯的正常生長，進行適當(dāng)?shù)南曜鳂I(yè)有利于提升馬鈴薯的產(chǎn)量。

2.2.2 不同時期人工影響天氣結(jié)果分析 從全年來看，嵐縣每年的降水量基本可以滿足馬鈴薯正常生長，而且有盈余；但是對于不同時期內(nèi)，嵐縣降水量是否能夠滿足其生長需要，以及如何人工影響天氣才能使產(chǎn)量達到最大將進行進一步的試驗。

除了全年的人工影響天氣作業(yè)以外，分別在4 個不同的時期內(nèi)（播種前1 個月、播種后到出苗前、出苗后到開花前、開花后到成熟可收前）單獨進行人工影響天氣作業(yè)模擬，方法同前，得出每個階段如何作業(yè)對產(chǎn)量增加最有利，哪個階段最適合人工影響天氣作業(yè)。

從圖4-a 可以看出，播種前1 個月當(dāng)人影指數(shù)減小的時候，隨著降水的減少會使得產(chǎn)量平緩上升，消雨會使產(chǎn)量增加3%～30%；大部分年份還存在一個消雨的平緩段（繼續(xù)消雨對產(chǎn)量影響不大的階段），平緩段最大人影指數(shù)為0.6，最小為0.2。統(tǒng)計顯示，2010—2018 年該階段嵐縣的降水量介于10～65 mm，平緩段降水量普遍小于25 mm。

分析2010—2018 年馬鈴薯生長期內(nèi)原始降水量情況下模型輸出的土壤含水量變化曲線（圖5-a）可以看出，在播種前1 個月（模擬開始后天數(shù)（110～150 d）），大部分年份土壤含水量下限值在0.09 mm3/mm3附近，占最大持水量（0.142 mm3/mm3）的64%左右，平均含水量（0.11 mm3/mm3左右）占最大持水量的75%，土壤濕度較大；而馬鈴薯在播種后到發(fā)芽出苗期間，靠種薯自身儲備的水分就能滿足萌芽生長所需，只要土壤保持濕潤狀態(tài)，平均含水量占田間最大持水量50%～60%即可[29]，75%的含水量對馬鈴薯播種來說明顯過多。從圖5-b 可以看出，雖然播種前一個月降水量為0，但是由于受前期降水影響，大多數(shù)年份的土壤含水量下限依然在0.08 mm3/mm3左右，能夠保持在最大持水量（0.142 mm3/mm3）的50%～60%。因此，在播種前1 個月，進行適當(dāng)?shù)南曜鳂I(yè)，有利于使得土壤含水量處于合適區(qū)間，為馬鈴薯播種提供合適的土壤濕度環(huán)境，增加馬鈴薯播種后的發(fā)芽出苗率，從而提高產(chǎn)量。

從圖4-b 可以看出，大部分年份適宜進行消雨作業(yè)，人影指數(shù)在0.3～0.6 有一個產(chǎn)量的峰值，產(chǎn)量較正常降水年份增加5%～46%，峰值過后產(chǎn)量隨著雨量減少而平緩下降；2018 年該階段適宜全程消雨，因為當(dāng)年播種前一個月降水量達到61.2 mm，而播種后到出苗前的降水量達到30.4 mm（表5），土壤濕度長時間過大（圖6），不利于馬鈴薯發(fā)芽出苗，影響了后期的生長。而2010、2011 年人工影響天氣對產(chǎn)量影響不大，因為該階段降水量分別只有6.5、7.9 mm（表5），降水偏少，因此人工影響天氣效果不明顯。如前所述，馬鈴薯播種后到出苗前，靠種馬鈴薯自身儲備的水分就能滿足萌芽生長所需，平均含水量占田間最大持水量50%～60%即可。從圖6可以看出，土壤含水量下限值都在0.079 mm3/mm3以上，占最大持水量（0.142 mm3/mm3）的55%以上。因此，該階段進行適當(dāng)消雨，能夠提高馬鈴薯的發(fā)芽出苗率，從而提高產(chǎn)量。

表5 2010—2018 年不同時期實際降水量 mm

由圖4-c 可知，出苗后到開花前也是適宜進行消雨作業(yè)，產(chǎn)量峰值出現(xiàn)在正常降水量的20%～60%，消雨作業(yè)可使產(chǎn)量增加6%～110%；其中，2013 年的產(chǎn)量峰值最高，可以達到26 t/hm2，約為常年平均產(chǎn)量的2 倍；繼續(xù)消雨，導(dǎo)致產(chǎn)量峰值過后下降較為明顯。2013 年該階段的降水量達到了177.7 mm（表 5），為常年平均降水量（116.2 mm）的1.5 倍左右，適當(dāng)消雨能夠明顯提升產(chǎn)量；2010—2018 年該階段最適降水量介于20～85 mm。出苗后到開花前是馬鈴薯需水由少到多的時期，但水分不宜太多，太多容易妨礙根系發(fā)育，降低后期的抗旱力；而水分不足，地上部分的發(fā)育會受到阻礙，植株生長慢，棵矮葉小，花蕾易脫落。2010—2018 年嵐縣該階段的降水量介于50～180 mm，進行適當(dāng)?shù)南?，有利于馬鈴薯幼苗的生長發(fā)育。

從圖4-d 可以看出，除了2012、2014 年以外，大部分年份依然是適宜消雨作業(yè)的，產(chǎn)量峰值出現(xiàn)在正常降水量的40%～80%，消雨會使產(chǎn)量增加4%～30%，該階段最適降水量為116～206 mm。2012、2014 年消雨會使產(chǎn)量減少，適宜進行增雨作業(yè)。分析這2 年該階段的降水量和模型計算輸出的蒸散發(fā)量發(fā)現(xiàn)，由于2012、2014 年該階段的降水量較往年偏少，而蒸散發(fā)量較常年偏多，導(dǎo)致土壤含水量偏少（圖7）。

從開花到落花后7 d，正是塊莖體積和質(zhì)量快速增長的時期，尤其是在開花盛期，葉面積已經(jīng)擴大到高峰，光合作用非常旺盛；一般在花后15 d 左右，塊莖膨大速度最快，每天每株增質(zhì)量達20～40 g，大約有1/2 的產(chǎn)量是在此期完成的；該階段是馬鈴薯需水最敏感，也是需水量最多的時期，需水量占全生育期需水總量的1/2 以上；如果這個時期缺水，會導(dǎo)致馬鈴薯塊莖生長受限，產(chǎn)量下降，需要人工增雨或適量灌溉來增加產(chǎn)量。2012、2014 年降水量偏少而蒸散發(fā)量偏多，導(dǎo)致剩余水量不足，限制了馬鈴薯塊莖的生長，因此，需要進行增雨作業(yè)來增加產(chǎn)量。

3 結(jié)論與討論

利用 DSSAT 中的SUBSTOR-potato 模型，本試驗從人工影響降水的角度出發(fā)，以山西省呂梁市嵐縣普遍種植的冀張薯8 號馬鈴薯為例，研究了馬鈴薯豐產(chǎn)的降水調(diào)控降水方案，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在正常年降水量條件下嵐縣的降水量完全能夠滿足該品種生長需求，并且年降水量偏多，適合進行消雨作業(yè)。從全年人工影響天氣的角度來看，消雨20%～60%（人影指數(shù)在0.4～0.8）產(chǎn)量能夠達到最高，有的年份甚至可以使產(chǎn)量翻番，每年生長期內(nèi)的最適降水量在175～280 mm。這個降水量范圍比其他研究成果低[30-32]，主要是由于在現(xiàn)實情況中，當(dāng)降水減少的時候，近地層及地面溫度一般會升高，近地層相對濕度下降，土壤實際蒸散發(fā)量和作物實際蒸騰量上升，土壤蒸散發(fā)量就會增加，從而土壤相對濕度下降，如果要維持最佳濕度，就需要增加降水。而試驗?zāi)M的時候，并未考慮此因素，只是單純減少了降水量，氣溫未變，蒸散發(fā)量也沒有隨著變化。因此，實際最適降水量應(yīng)該大于175～280 mm，仍需要進一步研究。

從人工影響天氣作業(yè)量來看，播種前一個月消雨40%～80%（人影指數(shù)0.2～0.6）產(chǎn)量增加較多；播種后到出苗前，適宜消雨40%～70%（人影指數(shù)0.3～0.6）；出苗后到開花前適宜消雨40%～80%（人影指數(shù)0.2～0.6）；開花后到成熟前，大多數(shù)年份適宜消雨20%～60%（人影指數(shù)0.4～0.8）。不同時期降水量不同，蒸散發(fā)量也不同，當(dāng)發(fā)現(xiàn)降水量較往年偏少，而蒸散發(fā)量較往年偏大時，需要進行人工增雨或人為灌溉來增加產(chǎn)量。

從不同時期的作業(yè)效果來看，播種前一個月到出苗前，雖然適宜消雨，但是該階段嵐縣多穩(wěn)定性降水，降水面積大，人工影響天氣作業(yè)成效低[33]；開花后到成熟前，嵐縣正處于“七下八上”的主汛期，大面積暴雨時有發(fā)生，人工影響天氣作業(yè)難度加大，成本高昂；出苗后到開花前，消雨帶來的產(chǎn)量增加最多，有的年份可使產(chǎn)量增加一倍，相比于全年性的消雨作業(yè)，該階段一般位于6 月上旬到7 月上旬，只有不到一個月時間，作業(yè)時間短。此外，該階段嵐縣多陣性降水，冰雹天氣多發(fā)。選擇此時段作業(yè)，不僅可以降低冰雹等災(zāi)害性天氣帶來的損失，而且陣性降水有利于目前的地面人工影響天氣火箭炮或高炮消雨作業(yè)的效益發(fā)揮，收效較大，是比較好的人工影響天氣作業(yè)時間。