引言

中国马铃薯种植面积及产量占全球的20%~25%^[1-2]，但是马铃薯产品的国际竞争力相比于主要出口国仍较弱，市场占有率最高仅2.25%^[3]，发展马铃薯产业对促进国家粮食安全具有重要意义^[4]。研究^[5-7]表明马铃薯的生长情况受光照、温度、降水等气象条件影响，如温度升高会缩短马铃薯生育期^[8]，适宜种植的区域也随着气候变化而改变^[9]，而霜冻、旱灾和涝灾则会降低马铃薯产量^{[7, 10-11]}。马铃薯出苗情况对马铃薯后期产量至关重要，研究^[12-13]表明马铃薯在该时段提高土壤温度能加快马铃薯出苗，增加马铃薯的出苗率，而降水量增加对马铃薯具有负效应^[14]，但水分严重亏缺时，根系生长素降低，脱落酸增加，影响出苗^[15]。山东省作为农业大省，马铃薯成为当地重要的经济作物，马铃薯种植面积达14万hm²，种植面积和产量不断提升^[16]，作为中原二季作区具有明显的自然优势和种植收益优势^[5]。目前，针对马铃薯特定生育期，尤其是播种至出苗期的气候资源变化的研究鲜见报道。马铃薯播种至出苗期的气象条件对其出苗率影响重大，因此研究山东省春季马铃薯播种至出苗期的水热条件变化，可以为该地区马铃薯种植管理以及降低气象灾害风险提供依据，从而对提高马铃薯产量具有重要意义。

1 资料与方法 1.1 数据来源

所用气象数据选自山东省117个国家级气象观测站(图 1)1980—2020年逐日气候资料，气象要素包括日平均气温、日最高气温、日最低气温、月平均气温、日降水量等数据。

1.2 研究方法 1.2.1 播种期的确定

山东省春季马铃薯种植面积较广，各地播种时间不一，根据参考文献[12, 17-25]结合实地调查，将山东省春季马铃薯分为鲁南、鲁中、鲁西北和半岛4个种植区(图 1)，各区域播种日期如表 1所示，并按区域内平均状况下播期进行统计。

1.2.2 出苗期的确定

利用积温法推算马铃薯出苗期的方法已经得到业内人士的广泛应用^{[6, 26]}，结合马铃薯生长特性、马铃薯实地观察及前人^[12]对马铃薯生长研究，总结出山东省马铃薯播种至出苗期≥0 ℃积温为350 ℃·d^-1左右。因此本文以此为指标，推算各种植区代表气象站点历年出苗日，按照≥80%站点数保证率计算确定各种植区的出苗日期(表 2)。

1.2.3 数据统计

按照1.2.1节和1.2.2节确定的各种植区的播种与出苗日期，分别统计各代表站点历年播种至出苗天数、总降水量及平均气温等。

1.2.4 温度适宜度

以往研究^[27]表明，Beta函数能反映作物生长和温度的关系，具有普适性，本文采用该方法进行温度适宜度函数的建立。温度适宜度计算如下：

$ F(t)=\frac{\left(t-t_{1}\right)\left(t_{2}-t\right)^{\frac{\left(t_{2}-t_{0}\right)}{\left(t_{0}-t_{1}\right)}}}{\left(t_{0}-t_{1}\right)\left(t_{2}-t_{0}\right)^{\frac{\left(t_{2}-t_{0}\right)}{\left(t_{0}-t_{1}\right)}}} $

(1)

式中：F(t)表示温度适宜度；t₁、t₀、t₂(单位：℃)分别表示为马铃薯播种至出苗期内的最低温度、最适温度、最高温度，根据前人^[28]研究，马铃薯播种至出苗期最低温度、最适温度、最高温度分别为5 ℃、16 ℃、25 ℃；t(单位：℃)表示播种至出苗期内的平均气温。

1.2.5 干旱等级

相对湿润度指数(relative moisture index，RMI)可以反映作物生长季节大气中的水分平衡特征，适用于作物生长季节月以上尺度的干旱监测与评估，本文采用气象行业标准^[29]中相对湿润度指数划分干旱等级，如表 3所示。

相对湿润度指数为某时段的降水量与同时段内潜在蒸散量之差再除以同时段内潜在蒸散量得到的指数，计算方法^[29]如下：

$ I_{\mathrm{RM}}=\frac{P-E_{\mathrm{P}}}{E_{\mathrm{P}}} $

(2)

式中：I_RM表示某时段相对湿润度；P表示某时段的降水量(单位：mm)；E_P表示某时段的潜在蒸散量(potential evapotranspiration，PET)，用Thornthwaite方法计算(单位：mm)。

$ E_{\mathrm{P}}=16.0 \times\left(\frac{10 t_{i}}{I_{\mathrm{H}}}\right)^{A} $

(3)

式中：E_P表示潜在蒸散量，指月的潜在蒸散量(单位：mm·月^-1)；t_i表示月平均气温(单位：℃)；I_H表示年热量指数；A表示常数。

各月热量指数I_i的计算公式如下：

$ I_{i}=\left(\frac{t_{i}}{5}\right)^{1.514} $

(4)

年热量指数I_H计算公式如下：

$ I_{\mathrm{H}}=\sum\limits_{i=1}^{12} I_{i}=\sum\limits_{i=1}^{12}\left(\frac{t_{i}}{5}\right)^{1.514} $

(5)

常数A计算公式如下：

$ \begin{array}{c} A=6.75 \times 10^{-7} I_{\mathrm{H}}^{3}-7.71 \times 10^{-5} I_{\mathrm{H}}^{2}+ \\ 1.792 \times 10^{-2} I_{\mathrm{H}}+0.49 \end{array} $

(6)

当月平均气温t≤0 ℃时，月热量指数I_H=0，潜在蒸散量E_P=0 mm·月^-1。

1.2.6 Mann-Kendall(M-K)非参数检验法

M-K突变检验法适用于非参数的趋势检验，该方法的好处是样本不用满足一定分布，受干扰少，计算容易，目前气象领域已广泛地使用该方法^[30-33]63-65。本文使用M-K突变检验法对山东省春季马铃薯播种至出苗期天数的多年变化做突变分析，计算参数UF和UB，在给定的显著水平α=0.05下，即U_0.05=±1.96，UF>0，表示序列呈上升趋势，UF < 0，表示序列呈下降趋势。若UF和UB两条曲线在置信区有交点，即为突变点，交点对应的时间为突变开始时间^[31]。

1.2.7 气候倾向率

气候要素的趋势变化采用一次线性方程表示，其斜率的10 a变化称为气候倾向率^[33]37-40，可以由气候趋势系数求出，单位为每10 a某要素单位。

1.2.8 小波分析

小波变换具有多分辨率的特点，通过将时间序列分解可以得到时间的波动模式，即周期变化动态，小波分析在气象领域已经得到广泛应用^{[33-36]99-103}。本文选取Morlet小波作为母小波做连续小波变换，对时间序列进行周期特征提取。

1.3 数据处理

采用Excel 2010和MATLAB 2019a进行数据分析和处理，采用ArcMap 10.2进行反距离加权插值法(inverse distance weight，IDW)对数据进行空间插值，像元大小为0.015°×0.015°。

2 结果与分析 2.1 春季马铃薯播种至出苗期天数的时空变化 2.1.1 春季马铃薯播种至出苗期天数年际变化

图 2为山东省春季马铃薯播种至出苗期平均天数年际变化，平均值为39.5 d，最大值出现在1980年，为47.7 d，最小值出现在2014年，为32.3 d。1980—2020年山东省春季马铃薯播种至出苗期的日数呈缩短的趋势，平均每10 a缩短1.8 d。

图 3为1980—2020年山东省春季马铃薯播种至出苗期平均天数的M-K突变分析，可以看出，1983—1988年，UF>0，表明该时段播种至出苗期之间的发育期时间呈现延长的趋势，1989年以来UF < 0，说明发育期呈缩短的趋势。UF和UB曲线有唯一的交点，且该交点在-1.96~1.96之间，说明发育期变化存在突变点，通过α=0.05显著性检验，突变年份在1992年，突变前(1980—1991年)发育期均值为43.5 d，突变后(1992—2020年)发育期均值为37.8 d，发育期突变后比突变前缩短了5.7 d。

图 4a为山东省春季马铃薯播种至出苗期天数的小波系数实部等值线图。当小波系数实部值为正时，代表发育期延长的时期；为负值时，代表发育期缩短的时期。从图中可以看出，山东省春季马铃薯发育期呈现多时间尺度周期特征，存在2~3 a、6~8 a、14~16 a、18~23 a和25~30 a的周期变化规律。其中25~30 a尺度上出现发育期延长和缩短交替的两次震荡，近40 a来表现稳定；18~23 a尺度在1990年开始建立，1997年以来表现稳定；14~16 a尺度2000年以后交替变化比1980—2000年更频繁；6~8 a时间尺度在1980—2000年变化稳定，2000年以后周期变化逐渐消失；2~3 a尺度的周期变化整个研究期间表现稳定。

图 4b为山东省春季马铃薯播种至出苗期天数的小波功率谱，其中倒锥线为影响锥。该锥线以下表明此部分小波功率谱图受到边缘效应的影响，表现出的周期特征存在较大不确定性。在图中，还有两个闭合的等值线(图中粗实线)，最上部分的等值线的区域对应周期特征为2~3 a和3~4 a，对应时间段分别为1995—2015年和1980—2000年。

图 5为小波全谱图，由短划线与小波功率曲线的关系可以看出，当短划线小于小波功率谱曲线时，表明该区段对应的周期特征达到0.05水平的显著性检验。因此，从图中可以看出，通过显著性检验的周期为3~4 a。

2.1.2 春季马铃薯播种至出苗期天数的空间变化分析

山东省各气象站点春季马铃薯播种至出苗期天数分布(图 6a)表现为鲁西北和半岛地区时间较短，而鲁中和鲁南地区时间较长，这与鲁中和鲁南地区播种时间早、气温低有关。整个山东省春季马铃薯播种至出苗期天数平均值为39.5 d，最短为27.5 d，出现在齐河，最长为53.6 d，出现在日照。由气候倾向率分布(图 6b)可以看出，全省气候倾向率大部分地区为负值，说明马铃薯播种至出苗期天数呈现缩短的趋势，平均每10 a缩短1.8 d，莒南和微山缩短的速度最快，平均每10 a缩短4.0 d。

2.2 春季马铃薯播种至出苗期水分条件分析 2.2.1 春季马铃薯播种至出苗期累积降水量年际变化

研究^[8]表明马铃薯播种至出苗期需水量占整个生育期总耗水量的10%~15%，期间降水量不足55 mm或超过140 mm均会导致马铃薯根、茎、叶发育不良，造成减产。图 7为山东省春季马铃薯播种至出苗期平均累积降水量年际变化，平均值为16.5 mm，最高降水量为44.8 mm，发生在1991年，最少降水量为1.3 mm，发生在2014年。春季马铃薯播种至出苗期累积降水量呈波动下降的趋势，平均每10 a下降3.1 mm。

2.2.2 春季马铃薯播种至出苗期相对湿润度指数变化

图 8为山东省春季马铃薯播种至出苗期平均相对湿润度指数年际变化，平均值为-0.48，呈波动下降趋势，平均每10 a下降0.09，最低值为-0.95，发生在2014年；发育期突变前相对湿润度指数平均值为-0.33，突变后为-0.55。

山东省各气象站点春季马铃薯播种至出苗期干旱等级分布(图 9a)表现为鲁西北北部和半岛大部地区有中度干旱，其他地区以轻度干旱或者没有旱情。由气候倾向率分布(图 9b)来看，山东省春季马铃薯播种至出苗期相对湿润度指数整体呈下降趋势，平均每10 a下降0.09，鲁南西部和鲁中西部地区下降较快，相对湿润度指数每10 a下降超过0.10，区域内下降速度最快的为东平，平均每10 a下降0.18。

2.3 春季马铃薯播种至出苗期热量条件分析 2.3.1 春季马铃薯播种至出苗期气温变化

已有研究^[37]表明，马铃薯产量与播种至出苗期平均气温呈抛物线关系，当平均气温超过15 ℃，产量随着温度升高而降低，因此分析播种至出苗期气温变化具有重要意义。图 10为山东省春季马铃薯播种至出苗期平均气温年际变化，平均气温为8.9 ℃，最高气温为11.6 ℃，出现在2014年，最低气温为6.6 ℃，出现在1996年，最高气温比最低气温高出5 ℃，气温整体呈波动上升的趋势，平均每10 a增加0.6 ℃。由图 11可知，播种至出苗期天数与平均气温呈负相关关系，相关系数为-0.99，通过α=0.01显著性t检验。

2.3.2 春季马铃薯播种至出苗期温度适宜度变化

图 12为山东省春季马铃薯播种至出苗期平均温度适宜度年际变化，整体上呈波动上升的趋势，平均每10 a增加0.07，平均值为0.54，最低值为0.19，发生在1996年，最高值为0.81，发生在2014年。

山东省各气象站点春季马铃薯播种至出苗期温度适宜度空间分布(图 13a)表现为半岛、鲁西北、鲁中西部地区温度适宜度较高，鲁南和鲁中东部地区较低，鲁南、鲁中、鲁西北和半岛温度适宜度均值分别为0.41、0.54、0.62和0.65，全省温度适宜度平均为0.54。由气候倾向率分布(图 13b)可以看出，温度适宜度的气候倾向率全省均大于0，说明山东省春季马铃薯播种至出苗期温度适宜度在增加，全省气候倾向率平均每10 a增加0.07，鲁南南部和鲁西北东北部地区10 a倾向率均大于0.10，高于省内其他区域，半岛地区10 a气候倾向率较低，低于0.05。

3 结论与讨论

山东省春季马铃薯播种至出苗期的天数呈现鲁中和鲁南时间长，而鲁西北和半岛地区时间短的空间分布特征，全省平均值为39.5 d，整体呈现缩短的趋势，平均每10 a缩短1.8 d，年际变化中存在突变，突变年份为1992年；从周期上看，播种至出苗期的天数存在明显的周期变化，其中3~4 a的时间尺度通过了0.05水平显著性检验。

山东省春季马铃薯播种至出苗期降水量平均值为16.5 mm，研究^[8]表明，马铃薯播种至出苗期降水量小于55 mm不能满足该期间马铃薯生长需求，说明该发育期内水分不足，全省降水量平均每10 a下降3.1 mm，说明水分条件呈减少的趋势。由相对湿润度指数看，鲁西北北部和半岛大部地区有中度干旱，整个研究区相对湿润度指数呈下降趋势，平均每10 a下降0.09，鲁西地区下降速度快于其他地区。同时有研究^[14-15]表明，播种至出苗期水分不足不仅影响出苗，而且会降低产量，因此在山东省春季马铃薯播种至出苗期应该增加田间灌水，加强田间水肥管理。

山东省春季马铃薯播种至出苗期平均气温在6.6~11.6 ℃之间，平均值为8.9 ℃；平均气温自1980年以来呈现增加的趋势，平均每10 a增加0.6 ℃。本文通过分析发现播种至出苗期的天数与气温有显著负相关关系，相关系数为-0.99，说明播种至出苗期气温升高是造成播种至出苗期时间缩短的主要因素，这与前人研究^[38-39]结论相似；山东省春季马铃薯在播种至出苗期时段内的温度适宜度呈增加的趋势，平均每10 a增加0.07，说明该时段内的热量条件呈现利好的趋势，适合马铃薯生长的区域在增加，可以适当扩大种植面积。

综上可知，山东省春季马铃薯播种至出苗期水分条件呈现减少的趋势，应增加田间灌水，尤其是鲁西北和半岛等水分减少较快的地区；该时段内全省热量条件呈现利好的趋势，适宜扩大种植面积。