黃秋婉，劉志娟，楊曉光，白帆，劉濤，張鎮(zhèn)濤，孫爽，趙錦

東北三省西部春玉米適應(yīng)氣候變化的高產(chǎn)高效灌溉方案分析

黃秋婉，劉志娟，楊曉光，白帆，劉濤，張鎮(zhèn)濤，孫爽，趙錦

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

【】東北三省是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地之一，同時(shí)也是對(duì)氣候變化最敏感的地區(qū)，因此明確氣候變化背景下東北三省西部干旱區(qū)春玉米的適宜灌溉措施，對(duì)于當(dāng)?shù)卮河衩赘弋a(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)水資源高效利用有重要意義。依據(jù)春玉米生長季積溫和水分虧缺率將東北三省春玉米潛在種植區(qū)劃分為10個(gè)氣候區(qū)，以東北三省西部5個(gè)水分虧缺率＞0的氣候區(qū)為研究區(qū)域，基于1981—2017年的氣象資料、農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站春玉米試驗(yàn)數(shù)據(jù)和土壤資料，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（APSIM-Maize）相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)試并驗(yàn)證其適用性。設(shè)置不同灌溉情景，利用驗(yàn)證后的模型模擬各氣候區(qū)不同灌溉情景下的春玉米產(chǎn)量，結(jié)合水分利用效率明確各氣候區(qū)不同年代的適宜灌溉措施及產(chǎn)量提升幅度。（1）近37年（1981—2017年）5個(gè)氣候區(qū)有效積溫均呈顯著上升趨勢(shì)，降水量呈下降趨勢(shì)。從過去37年平均來看，第一和第三氣候區(qū)降水對(duì)春玉米產(chǎn)量的限制程度較小，分別為0—27%和0—9%，通過灌溉對(duì)產(chǎn)量提升的貢獻(xiàn)較小，但能有效提高產(chǎn)量的穩(wěn)定性（可使第一氣候區(qū)產(chǎn)量變異系數(shù)由0.24降低到0.11，第三氣候區(qū)產(chǎn)量變異系數(shù)由0.14降低到0.12）；第五、七和九氣候區(qū)降水對(duì)春玉米產(chǎn)量的限制程度較大，分別為27%—69%，15%—35%，31%—51%，灌溉不僅可提升當(dāng)?shù)赜衩桩a(chǎn)量，同時(shí)可使3個(gè)氣候區(qū)的產(chǎn)量變異系數(shù)由0.54降低到0.15，0.46降低到0.13，0.65降低到0.13。表明在東北三省西部干旱區(qū)通過灌溉能達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的。（2）第一和第三氣候區(qū)大部分年代春玉米高產(chǎn)高效適宜灌溉量為40 mm，且灌溉時(shí)間對(duì)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響較??；第五、七和九氣候區(qū)大部分年代高產(chǎn)高效適宜灌溉量為60—80 mm，3個(gè)氣候區(qū)適宜灌溉時(shí)間分別為吐絲到吐絲后20 d、拔節(jié)到拔節(jié)后10 d、拔節(jié)到拔節(jié)后10 d。（3）與雨養(yǎng)條件相比，不同氣候區(qū)適宜灌溉措施條件下增產(chǎn)幅度不同。其中第五、七和九氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較大，年代際變化范圍為33%—86%、24%—46%和50%—77%，第一和三氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較小，年代際變化范圍為5%—43%和9%—19%。東北三省西部地區(qū)春玉米適宜灌溉量隨緯度的升高呈減少的趨勢(shì)，適宜灌溉時(shí)間隨緯度的升高呈推遲趨勢(shì)，且隨年代的推移，氣候變暖，各氣候區(qū)適宜灌溉時(shí)間呈提前趨勢(shì)。與雨養(yǎng)條件相比，各氣候區(qū)適宜灌溉措施條件下春玉米可增產(chǎn)0—86%，其中第五、七和九氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較第一和第三氣候區(qū)更大。

春玉米；灌溉措施；APSIM-Maize模型；水分利用效率；干旱；氣候區(qū)

0 引言

【研究意義】東北三省是我國重要的商品糧生產(chǎn)基地之一，根據(jù)中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，近10年（2008—2017年）東北三省玉米總產(chǎn)量約占東北三省糧食總產(chǎn)量的60.8%，約占全國玉米總產(chǎn)量的29.6%[1]。由此可見，玉米作為東北三省第一大糧食作物[2]，其產(chǎn)量的提升對(duì)于全國糧食產(chǎn)量提升有重要意義。東北三省由于緯度較高，使其成為對(duì)氣候變化影響最為敏感的地區(qū)之一[3]。已有研究表明，近50年來（1960—2010年）東北三省平均、最低及最高氣溫均呈明顯上升趨勢(shì)，平均氣溫每10年升高0.38℃[4-5]，使得玉米生長季內(nèi)積溫明顯增加；全年及玉米生長季內(nèi)降水量均呈減少趨勢(shì)且波動(dòng)性增大[4,6-8]，使該地區(qū)玉米生產(chǎn)的穩(wěn)定性受到極大威脅[9-10]，特別是西部水資源匱乏地區(qū)[11]。因此研究氣候變化背景下，東北三省西部地區(qū)春玉米適宜灌溉措施，對(duì)于充分合理利用當(dāng)?shù)貧夂蛸Y源，應(yīng)對(duì)氣候變化，保障我國玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在不考慮適應(yīng)措施的前提下，玉米生長發(fā)育階段氣溫升高將使玉米生育期縮短，不利于玉米干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成。LIU等[12]利用APSIM模型解析了氣候變化對(duì)東北三省春玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響，研究結(jié)果表明，在不考慮適應(yīng)措施條件下，氣候變暖使東北三省春玉米全生育期每10年縮短2.3—4.8 d，生長季內(nèi)平均氣溫每升高1℃，產(chǎn)量將下降4%—22%。然而，在氣候變化背景下可以通過采取適當(dāng)?shù)倪m應(yīng)措施有效減緩氣候變化對(duì)作物的負(fù)面影響，如調(diào)整種植制度、更換品種、優(yōu)化播期、改善水肥管理等。已有研究表明，氣候變暖使得多熟種植北界北移，界線變化區(qū)域內(nèi)調(diào)整種植制度可使作物單產(chǎn)增加25%—106%[13]，從而使我國三大糧食作物總產(chǎn)增加2.2%[14]。在東北地區(qū)更換生育期較長的玉米品種可使產(chǎn)量增加13%—38%[12]。調(diào)整播期可使華北地區(qū)夏玉米產(chǎn)量提升2%—10%[15]，東北地區(qū)春玉米產(chǎn)量提升4%[12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】優(yōu)化水肥管理措施亦可有效應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)作物生產(chǎn)產(chǎn)生的負(fù)面影響[16-18]。由于氣候、環(huán)境等的空間差異性和時(shí)間變異性，不同區(qū)域適宜的高產(chǎn)管理措施存在較大的差異。我國東北地區(qū)春玉米生長季內(nèi)降水量呈現(xiàn)經(jīng)向分布即由西北向東南逐漸遞增，空間差異較大（變化范圍為298—880 mm），且目前東北地區(qū)春玉米種植以雨養(yǎng)為主，如不采取相應(yīng)措施，干旱造成的玉米減產(chǎn)程度增加且各地減產(chǎn)幅度變化復(fù)雜，特別是對(duì)于西部降水偏少區(qū)域，水分是限制該地區(qū)春玉米產(chǎn)量的主要因子[19]。為此針對(duì)東北西部地區(qū)不同氣候區(qū)開展應(yīng)對(duì)氣候變化的適宜灌溉措施研究對(duì)保障該地區(qū)糧食高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有重要意義?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文將東北三省劃分為10個(gè)氣候區(qū)，選擇西部地區(qū)5個(gè)水分虧缺較為明顯的氣候區(qū)為研究區(qū)域，利用驗(yàn)證后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（agricultural production system simulator，APSIM-Maize），明確不同氣候區(qū)降水對(duì)春玉米產(chǎn)量的限制程度，結(jié)合玉米產(chǎn)量和水分利用效率提出不同氣候區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化的高產(chǎn)高效適宜灌溉模式，為東北三省西部地區(qū)春玉米高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

本文研究區(qū)域?yàn)槲覈鴸|北三省，地理位置介于北緯38°26′—53°24′，東經(jīng)118°30′—135°8′，是我國緯度最高的地區(qū)，屬于溫帶濕潤半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，大部分農(nóng)區(qū)≥10℃積溫為1 600—3 600℃·d，無霜期140—170 d，降水量500—800 mm，干燥度0.75—1.5，80%的降水集中在5—9月份，與作物生長季吻合度較好。由于熱量資源略顯不足，東北大部分地區(qū)的種植模式為一年一熟。該地區(qū)土質(zhì)以黑土為主，是世界三大黑土帶之一，土地肥沃，有機(jī)質(zhì)含量高，為春玉米的種植提供了良好的條件。

東北三省部分地區(qū)由于熱量資源的限制，不能種植春玉米，本文將穩(wěn)定通過10℃界限溫度范圍內(nèi)≥10℃的活動(dòng)積溫達(dá)到2 100℃·d的地區(qū)界定為春玉米的潛在種植區(qū)。有研究表明東北三省西部地區(qū)降水對(duì)春玉米生產(chǎn)的限制達(dá)到14%—48%[20]，因此筆者基于前人研究，依據(jù)積溫和水分虧缺率將研究區(qū)域劃分為10個(gè)氣候區(qū)（climate zone，CZ），每200℃·d劃分一個(gè)積溫帶[18]，選擇水分虧缺較為明顯（＞0）且位于東北三省西部的5個(gè)氣候區(qū)（CZ1、CZ3、CZ5、CZ7和CZ9）作為本文的研究區(qū)域。并從5個(gè)氣候區(qū)中分別選擇1個(gè)代表站點(diǎn)進(jìn)行研究（圖1），代表站點(diǎn)春玉米生長季內(nèi)的氣候資源特征見表1?？梢钥闯觯鞔碚军c(diǎn)1981—2017年有效積溫呈上升趨勢(shì)，降水量均呈下降趨勢(shì)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn），包括研究區(qū)域5個(gè)站點(diǎn)1981—2017年的逐日地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，站點(diǎn)分布如圖1所示，氣象要素有平均本站氣壓、平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、平均相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速；模型所需的太陽輻射采用Penman- Monteith 公式[21]計(jì)算。

作物資料來源于東北三省農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站（1981—2007年）試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括品種、播種日期、播種密度、播種深度、行距、施肥和灌溉措施、生育期（出苗期、開花期和成熟期等）、地上部生物量和產(chǎn)量，用于作物模型品種參數(shù)的校準(zhǔn)。

土壤資料來自于農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站土壤數(shù)據(jù)，包括分層土壤容重（BD）、飽和含水量（SAT）、田間持水量（DUL）、凋萎系數(shù)（LL15）等。

表1 各氣候區(qū)代表站點(diǎn)春玉米生長季內(nèi)氣候資源特征（1981—2017年）

**表示通過＜0.01的顯著性檢驗(yàn) ** indicates significantly different at＜0.01

審圖號(hào)：GS（2020）5270號(hào)

1.3 研究方法

1.3.1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)模型（APSIM）是一種可用于模擬農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中各主要組成部分的機(jī)理模型，它是由澳大利亞的聯(lián)邦科工組織以及昆士蘭州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)組（APSRU）聯(lián)合開發(fā)的作物模型[22-23]，目前已在全世界不同國家的地區(qū)得到廣泛驗(yàn)證[24-29]。

APSIM模型主要由生物物理模塊、管理模塊、輸入輸出模塊3部分組成，并由中心引擎來控制引導(dǎo)，生物物理模塊用于模擬農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中各種生物和物理過程，用戶可以利用管理模塊定義栽培管理措施并控制模擬過程，輸入輸出模塊管理數(shù)據(jù)的調(diào)用、輸入和輸出[30]。

本文使用APSIM7.6版本，應(yīng)用的主要模塊為氣象模塊（Met）、時(shí)間模塊（Clock）、土壤模塊（Soil）、地表有機(jī)質(zhì)模塊（Surface organic matter）、施肥模塊（Fertiliser）、玉米模塊（Maize）、管理措施模塊（Manager folder）、灌溉模塊（Irrigation）和結(jié)果輸出模塊（Outputfile）。

1.3.2 模型評(píng)價(jià)方法 本文利用實(shí)測(cè)的氣象、土壤及作物資料對(duì)APSIM-Maize模型進(jìn)行調(diào)參和驗(yàn)證，通過模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的圖形比較以及各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)價(jià)APSIM-Maize模型在東北三省的適用性。采用以下統(tǒng)計(jì)量作為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹笜?biāo)：模擬值與實(shí)測(cè)值之間的決定系數(shù)（R）、均方根誤差（）、歸一化均方根誤差（）[31]、一致性指標(biāo)（指標(biāo)）[32]、平均絕對(duì)誤差（）。其中，R和指標(biāo)可反映模擬值與實(shí)測(cè)值之間的一致性，其值愈接近1說明模擬效果愈好；相對(duì)于R，指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)模擬誤差的響應(yīng)更敏感；和值反映了模擬值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，其值愈小，表明誤差值愈小。一般認(rèn)為值小于10%時(shí)，模擬值與實(shí)測(cè)值一致性非常好，10%—20%時(shí)較好[33]。

式中，S為模擬值，O為實(shí)測(cè)值，為實(shí)測(cè)平均值，為樣本數(shù)。

1.3.3 模型灌溉情景設(shè)置 本文利用調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Maize模型，模擬分析東北三省西部干旱區(qū)各氣候區(qū)典型站點(diǎn)春玉米產(chǎn)量對(duì)灌溉措施（灌溉時(shí)間和灌溉量）的響應(yīng)，情景設(shè)置如下：

（1）充分灌溉和雨養(yǎng)條件設(shè)置

為明確各氣候區(qū)典型站點(diǎn)降水對(duì)春玉米產(chǎn)量的限制，需要模擬各氣候區(qū)代表性品種的潛在產(chǎn)量和氣候生產(chǎn)潛力。潛在產(chǎn)量可以代表一個(gè)地區(qū)充分灌溉條件下所能達(dá)到的最大產(chǎn)量，氣候生產(chǎn)潛力可以代表一個(gè)地區(qū)雨養(yǎng)條件下的產(chǎn)量。本文模擬潛在產(chǎn)量時(shí)設(shè)定春玉米生長過程中水肥充足，而模擬氣候生產(chǎn)潛力時(shí)設(shè)定養(yǎng)分充足但無灌溉。

（2）灌溉情景的設(shè)置

灌溉時(shí)間設(shè)定從出苗開始至玉米成熟，每隔10 d設(shè)定一個(gè)灌溉時(shí)間，為方便理解，結(jié)合玉米關(guān)鍵生育期（出苗、開花和成熟）對(duì)灌溉時(shí)期進(jìn)行命名，如E10代表灌溉時(shí)期為出苗后10 d，F(xiàn)10代表灌溉時(shí)期為開花后10 d，具體可參見圖2。每個(gè)灌溉時(shí)期分別設(shè)置5個(gè)灌溉量，即40、50、60、70和80 mm，分別模擬每年不同灌溉時(shí)間不同灌溉量的產(chǎn)量，然后按照1980s（1981—1990年）、1990s（1991—2000年）、2000s（2001—2010年）和2011—2017年4個(gè)年代分別統(tǒng)計(jì)相應(yīng)結(jié)果。各站點(diǎn)選擇已通過調(diào)參驗(yàn)證的當(dāng)?shù)卦耘嗥贩N，基于農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站春玉米實(shí)際栽培管理措施資料，設(shè)定播種深度為8 cm，行距為0.7 m，播種密度為50 000 株/hm2，播期為當(dāng)?shù)仄骄テ凇?/p>

1.3.4 降水對(duì)產(chǎn)量的限制程度的計(jì)算 降水對(duì)產(chǎn)量的限制程度是指在雨養(yǎng)條件下作物產(chǎn)量相對(duì)于潛在產(chǎn)量的損失程度。

式中，RC為降水對(duì)產(chǎn)量的限制程度（%）；Y為潛在條件下的產(chǎn)量（kg·hm-2）；Y為雨養(yǎng)條件下的產(chǎn)量（kg·hm-2）。

1.3.5水分利用效率（water use efficiency，WUE） 水分利用效率是指消耗單位體積降水量和灌溉水所制造的干物質(zhì)量，計(jì)算公式如下：

式中，WUE為水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；YI為灌溉后的春玉米產(chǎn)量（kg·hm-2）；P為生育期降水量（mm）；Ir為灌溉量（mm）。

2 結(jié)果

2.1 APSIM-Maize模型有效性驗(yàn)證

本文代表性站點(diǎn)的作物參數(shù)校驗(yàn)采用的是每個(gè)區(qū)一個(gè)品種，年代間品種不更替，即所有年代使用一個(gè)代表性品種，以農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)資料數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用“試錯(cuò)法”對(duì)各氣候區(qū)春玉米代表性品種的參數(shù)加以調(diào)試，目的是使模擬值與實(shí)測(cè)值之差盡可能小，最終確定各站點(diǎn)代表性品種的參數(shù)。代表性玉米品種的選擇基于農(nóng)業(yè)氣象站數(shù)據(jù)，每個(gè)代表站點(diǎn)選擇一個(gè)品種，選取數(shù)據(jù)資料完整的6年，其中3年數(shù)據(jù)用于調(diào)參，3年數(shù)據(jù)用于結(jié)果驗(yàn)證。生育期主要調(diào)試的參數(shù)為出苗到營養(yǎng)生長期結(jié)束、開花到灌漿和開花到成熟的熱時(shí)數(shù)（thermal time），產(chǎn)量主要調(diào)試每穗最大籽粒數(shù)和潛在灌漿速率，根據(jù)模型評(píng)價(jià)指標(biāo)判斷使用調(diào)試后的品種參數(shù)模擬值與實(shí)測(cè)值的擬合效果。圖3和圖4分別為各氣候區(qū)代表品種模擬與實(shí)測(cè)生育期天數(shù)、產(chǎn)量的比較結(jié)果。表2為各氣候區(qū)品種驗(yàn)證結(jié)果評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，播種—開花和播種—成熟生育階段模擬天數(shù)與實(shí)測(cè)天數(shù)基本吻合，決定系數(shù)（2）依次為0.72—0.92和0.80—0.89，值的范圍依次為0.89—0.96和0.77— 0.96，歸一化均方根誤差（）在3%以下?？芍Ｐ湍鼙容^準(zhǔn)確地模擬東北地區(qū)不同氣候區(qū)的春玉米生長發(fā)育進(jìn)程。

模擬產(chǎn)量和實(shí)測(cè)產(chǎn)量的2值范圍為0.60—0.95，值范圍為0.81—0.88，歸一化均方根誤差（）在16%以下，可以看出全區(qū)春玉米實(shí)測(cè)產(chǎn)量與模擬產(chǎn)量有很好的一致性，模型能比較準(zhǔn)確地模擬東北三省各氣候區(qū)的春玉米產(chǎn)量的形成。

A：播種到開花，B：播種到成熟 A: from sowing to flowering, B: from sowing to maturity

圖4 東北三省西部地區(qū)各氣候區(qū)春玉米產(chǎn)量實(shí)測(cè)值和模擬值驗(yàn)證結(jié)果

2.2 降水對(duì)研究區(qū)域內(nèi)代表站點(diǎn)春玉米產(chǎn)量的限制程度

各氣候區(qū)全生育階段總降水量基本能滿足作物對(duì)水分的需求（第五氣候區(qū)除外），但是由于降水量年際波動(dòng)較大且在玉米生長季內(nèi)分布不均，導(dǎo)致不同氣候區(qū)玉米不同生育階段出現(xiàn)不同程度的缺水。5個(gè)氣候區(qū)玉米出苗—拔節(jié)期和抽雄—成熟期大部分年份降水量可以滿足玉米需水，而在玉米水分關(guān)鍵期（拔節(jié)—抽雄期）各氣候區(qū)降水與需水的匹配程度不一，其中第一和第三氣候區(qū)降水量與需水量的差距不明顯，而第五、七和九氣候區(qū)降水量不能完全滿足作物需水（圖5）。

A：播種到拔節(jié)，B：拔節(jié)到抽雄，C：抽雄到成熟，D：全生育期

基于各氣候區(qū)調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Maize模型，分別模擬1981—2017年春玉米潛在產(chǎn)量（充分灌溉）和雨養(yǎng)產(chǎn)量（無灌溉），采用公式（5）計(jì)算不同氣候區(qū)降水對(duì)玉米產(chǎn)量的限制程度，結(jié)果如圖6所示。結(jié)果表明，從過去37年平均來看，第一、三、五、七、九氣候區(qū)春玉米潛在產(chǎn)量分別為9 258、7 057、8 546、8 676和7 940 kg·hm-2，年代際之間差異較小。雨養(yǎng)產(chǎn)量分別為8 205、6 789、5 022、6 223和4 566 kg·hm-2，但年代際之間差異較大，變化范圍為 7 103—9 549、6 000—7 730、2 439—6 656、5 730—6 738和3 881— 5 659 kg·hm-2。其中第五、第七和第九氣候區(qū)雨養(yǎng)產(chǎn)量變異系數(shù)明顯高于第一和三氣候區(qū)，這可能是由于第一和三氣候區(qū)在作物水分關(guān)鍵期降水基本能滿足作物需水，而第五、第七和第九氣候區(qū)在作物水分關(guān)鍵期降水并不能滿足作物需水（圖5）。

5個(gè)氣候區(qū)降水對(duì)產(chǎn)量的限制程度分別為0— 27%、0—9%、27%—69%、15%—35%和31%—51%。因此可以看出第一和第三氣候區(qū)降水對(duì)產(chǎn)量的限制程度較小，通過灌溉對(duì)產(chǎn)量提升的貢獻(xiàn)較小，但能有效提高產(chǎn)量的穩(wěn)定性（第一氣候區(qū)產(chǎn)量變異系數(shù)由0.24降低到0.11，第三氣候區(qū)產(chǎn)量變異系數(shù)由0.14降低到0.12），表明在這2個(gè)氣候區(qū)采取適當(dāng)?shù)墓喔却胧┠苓_(dá)到穩(wěn)產(chǎn)目的。第五、七和九氣候區(qū)無論在哪個(gè)年代，春玉米的潛在產(chǎn)量與雨養(yǎng)產(chǎn)量差異明顯，說明降水對(duì)春玉米產(chǎn)量的限制較大，同時(shí)灌溉使得3個(gè)氣候區(qū)的產(chǎn)量變異系數(shù)由0.54降低到0.15，0.46降低到0.13，0.65降低到0.13。表明在東北三省西部干旱區(qū)通過灌溉能達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目的。

表2 研究區(qū)域5個(gè)氣候區(qū)APSIM-Maize模型驗(yàn)證結(jié)果評(píng)價(jià)

圖6 東北三省西部地區(qū)各氣候區(qū)春玉米潛在產(chǎn)量、雨養(yǎng)產(chǎn)量及水分對(duì)春玉米產(chǎn)量的限制程度

2.3 灌溉對(duì)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響

利用調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Maize模型，分別模擬不同灌溉量（圖7）和灌溉時(shí)間（圖8）條件下各氣候區(qū)的春玉米產(chǎn)量和水分利用效率。

總體而言，隨著灌溉量的增加，各氣候區(qū)春玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)增長趨勢(shì)，但由于不同氣候區(qū)降水對(duì)春玉米產(chǎn)量的限制程度的差異，增加相同灌溉量對(duì)玉米產(chǎn)量的提升幅度不同。其中，第一和第三氣候區(qū)產(chǎn)量增加幅度較小，因此玉米的水分利用效率隨灌溉量的增加而減小。第五、七和九氣候區(qū)玉米的水分利用效率總體變化趨勢(shì)為先增大后減小。不僅不同氣候區(qū)之間存在差異，同一氣候區(qū)不同年代灌溉量對(duì)產(chǎn)量和水分利用效率的影響也存在差異（圖7）。分析不同灌溉時(shí)間對(duì)春玉米的產(chǎn)量和水分利用效率的影響發(fā)現(xiàn)，第一和第三氣候區(qū)灌溉時(shí)間對(duì)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響較小，第五、七和九氣候區(qū)影響較大（圖8）。造成氣候區(qū)間差異的原因主要是由于第一和第三氣候區(qū)在作物水分關(guān)鍵期降水基本能滿足作物需水，而第五、第七和第九氣候區(qū)在作物水分關(guān)鍵期降水并不能滿足作物需水。

圖7 灌溉量對(duì)東北三省西部地區(qū)各氣候區(qū)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響

圖8 灌溉時(shí)期對(duì)東北三省西部地區(qū)各氣候區(qū)春玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響

不同氣候區(qū)不同年代高產(chǎn)高效的春玉米適宜灌溉措施如圖7和圖8所示，具體而言，結(jié)合圖5可以看出，在1980s，第一和第三氣候區(qū)各生育階段降水量與生育期內(nèi)需水量匹配較好，適宜的灌溉量為40 mm，且灌溉時(shí)期影響較小；第五氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，適宜的灌溉時(shí)期在吐絲后20 d；第七氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，適宜的灌溉時(shí)期在拔節(jié)期；第九氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，適宜的灌溉時(shí)期在拔節(jié)后10 d。在1990s，第一氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，灌溉時(shí)期影響較??；第三氣候區(qū)適宜的灌溉量為40 mm，灌溉時(shí)期的影響較??；第五氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，適宜的灌溉時(shí)期在吐絲后20 d；第七氣候區(qū)適宜的灌溉量為40 mm，適宜的灌溉時(shí)期在拔節(jié)期；第九氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，適宜的灌溉時(shí)期在拔節(jié)后10 d。在2000s，第一氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，灌溉時(shí)期影響較?。坏谌龤夂騾^(qū)適宜的灌溉量為40 mm，灌溉時(shí)期的影響較??；第五氣候區(qū)適宜的灌溉量為80 mm，適宜的灌溉時(shí)期在吐絲期；第七氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，適宜的灌溉時(shí)期在拔節(jié)后10 d；第九氣候區(qū)適宜的灌溉量為80 mm，適宜的灌溉時(shí)期在拔節(jié)期。在2011—2017年，第一氣候區(qū)適宜的灌溉量為40 mm，灌溉時(shí)期影響較小；第三氣候區(qū)適宜的灌溉量為40 mm，灌溉時(shí)期的影響較小；第五氣候區(qū)適宜的灌溉量為50 mm，適宜的灌溉時(shí)期在拔節(jié)后10 d；第七氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，適宜的灌溉時(shí)期在拔節(jié)期；第九氣候區(qū)適宜的灌溉量為60 mm，適宜的灌溉時(shí)期在拔節(jié)期（圖5，7—8）。

綜上，2000s適宜灌溉量普遍高于其他年代，第一和三氣候區(qū)受灌溉時(shí)間影響較小，第五氣候區(qū)適宜灌溉時(shí)間在吐絲期前后，第七和九氣候區(qū)適宜灌溉時(shí)間在拔節(jié)期前后，可看出隨緯度的增大，適宜灌溉時(shí)間呈推遲趨勢(shì)，且隨年代的推移，各氣候區(qū)適宜灌溉時(shí)間呈提前趨勢(shì)。

2.4 不同灌溉方案較雨養(yǎng)條件的增產(chǎn)幅度

將適宜灌溉措施和雨養(yǎng)2種條件下對(duì)應(yīng)的模擬產(chǎn)量按氣候區(qū)進(jìn)行匯總分析，得出2種條件下各氣候區(qū)各年代的增產(chǎn)幅度（圖9）。

審圖號(hào)：GS（2020）5270號(hào)

與雨養(yǎng)條件相比，各區(qū)適宜灌溉措施增產(chǎn)幅度如下：第一氣候區(qū)1980s、1990s、2000s和2011—2017這4個(gè)研究時(shí)段增產(chǎn)幅度分別為5%、13%、43%和16%；第三氣候區(qū)分別為9%、19%、15%和9%；第五氣候區(qū)分別為42%、48%、86%和33%；第七氣候區(qū)分別為46%、24%、34%和39%；第九氣候區(qū)分別為77%、50%、76%和56%?？梢姴扇∵m宜的灌溉措施較雨養(yǎng)條件下可實(shí)現(xiàn)不同程度的增產(chǎn)，但不同氣候區(qū)之間增產(chǎn)效果存在差異。第一和第三氣候區(qū)降水條件較好，作物需水關(guān)鍵期受水分脅迫較小，因此適宜灌溉措施條件下增產(chǎn)幅度較小。第五、七和九氣候區(qū)降水條件較差，作物生長季受水分脅迫較嚴(yán)重，因此適宜灌溉措施條件下增產(chǎn)幅度較大。不同年代適宜灌溉措施較雨養(yǎng)條件的增產(chǎn)幅度也存在差異，從圖5中可看出，2000s降水條件較差，降水集中時(shí)間與作物水分關(guān)鍵期匹配度較差，因此相較于其他3個(gè)時(shí)段，2000s適宜灌溉措施條件下增產(chǎn)幅度較大。

3 討論

前人采用田間試驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)分析及作物模型的方法開展了作物適宜灌溉措施研究[34-38]，其中，田間試驗(yàn)受限于人力物力、氣候條件等因素，無法全面反映灌溉措施在不同區(qū)域不同年代對(duì)作物的影響；統(tǒng)計(jì)分析主要是依據(jù)前人研究和實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，缺少生理依據(jù)；而作物模型方法很好地解決了田間試驗(yàn)代表性差和統(tǒng)計(jì)分析缺乏生理基礎(chǔ)的問題。

本文使用調(diào)參驗(yàn)證后的APSIM-Maize模型，模擬了東北三省西部不同氣候區(qū)不同灌溉情境下春玉米的產(chǎn)量，綜合考慮產(chǎn)量和水分利用效率2個(gè)因素，提出了各氣候區(qū)的高產(chǎn)高效適宜灌溉措施，可為東北三省西部春玉米應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)依據(jù)。

基于玉米產(chǎn)量和水分利用效率確定灌溉量時(shí)，2000s適宜灌溉量普遍高于其他年代，這主要是因?yàn)樵撃甏邓^少且并沒有集中在玉米的需水關(guān)鍵期。選擇適宜灌溉時(shí)間時(shí)，第一和第三氣候區(qū)受灌溉時(shí)間影響較小，第五氣候區(qū)適宜灌溉時(shí)間在吐絲期前后，第七、九氣候區(qū)適宜灌溉時(shí)間在拔節(jié)期前后，可看出隨緯度的增大，適宜灌溉時(shí)間呈推遲趨勢(shì)，且隨年代的推移，各氣候區(qū)適宜灌溉時(shí)間呈提前趨勢(shì)，這主要是因?yàn)橄矞刈魑锷L季內(nèi)東北三省呈暖干趨勢(shì)[12]，氣溫升高會(huì)使玉米生育期縮短，水分關(guān)鍵期提前，從而加重玉米春旱。

東北三省西部5個(gè)氣候區(qū)水分虧缺率均大于0，表明5個(gè)氣候區(qū)均存在不同程度的水分虧缺情況，然而不同氣候區(qū)水分虧缺程度存在較大差異，因此適宜的高產(chǎn)高效灌溉方案存在時(shí)空差異性。同時(shí)東部地區(qū)水分條件較好，大部分年份玉米關(guān)鍵生育期降水可滿足玉米水分的需求，高產(chǎn)高效的灌溉方案應(yīng)與西部地區(qū)存在較大差異，例如宮亮等[39]在遼寧省瓦房店采用田間試驗(yàn)方法研究發(fā)現(xiàn)，不同灌溉時(shí)間對(duì)玉米生長發(fā)育及產(chǎn)量有不同影響，研究結(jié)果表明該試驗(yàn)區(qū)最佳灌溉時(shí)間為生育后期，抽雄期和灌漿期各補(bǔ)充灌溉一次為最佳。因此在分析適宜灌溉措施時(shí)應(yīng)考慮氣候背景的差異性。本文采用模型模擬作物產(chǎn)量時(shí)選用各氣候區(qū)代表品種進(jìn)行研究，由于資料有限，并未能針對(duì)不同品種提出適宜的灌溉措施，然而不同品種不同生育期對(duì)水分的需求差異較大，未來應(yīng)針對(duì)不同品種開展相應(yīng)研究。同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)，在東北三省西部適宜灌溉時(shí)間隨緯度增大而呈推遲趨勢(shì)，該趨勢(shì)是否適用于其他地區(qū)及灌溉與緯度之間是否存在相關(guān)性，仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，未來研究中還應(yīng)根據(jù)不同降水年型提出適宜的灌溉措施。

4 結(jié)論

本文以東北三省春玉米為研究對(duì)象，基于1981— 2017年的氣候資料、1981—2007年春玉米的作物資料和土壤資料對(duì)APSIM-Maize模型進(jìn)行調(diào)參和驗(yàn)證，通過模型模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的圖形比較以及各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)了APSIM-Maize模型在東北地區(qū)的適用性，表明該模型可用于東北三省西部春玉米產(chǎn)量的模擬研究。

通過設(shè)置不同的灌溉情景，基于驗(yàn)證后的APSIM-Maize模型，模擬不同灌溉方案對(duì)春玉米產(chǎn)量的影響，確定了研究區(qū)域內(nèi)不同氣候區(qū)適宜的高產(chǎn)高效灌溉模式。主要結(jié)論如下：第一氣候區(qū)1980s、1990s、2000s和2011—2017年這4個(gè)研究時(shí)段內(nèi)適宜的灌溉量分別為40 mm、60 mm、60 mm、40 mm；第三氣候區(qū)4個(gè)研究時(shí)段內(nèi)適宜的灌溉量為40 mm、40 mm、40 mm、40 mm；第五氣候區(qū)4個(gè)研究時(shí)段內(nèi)適宜的灌溉量為60 mm、60 mm、80 mm、50 mm；第七氣候區(qū)4個(gè)研究時(shí)段內(nèi)適宜的灌溉量為60 mm、40 mm、60 mm、60 mm；第九氣候區(qū)4個(gè)研究時(shí)段內(nèi)適宜的灌溉量為60 mm、60 mm、80 mm、60 mm。第一和三氣候區(qū)灌溉時(shí)期對(duì)玉米產(chǎn)量和水分利用效率影響較小，第五氣候區(qū)4個(gè)研究時(shí)段適宜的灌溉時(shí)期分別為吐絲后20 d、吐絲后20 d、吐絲期、拔節(jié)后10 d；第七氣候區(qū)4個(gè)研究時(shí)段適宜的灌溉時(shí)期分別為拔節(jié)期、拔節(jié)期、拔節(jié)后10 d、拔節(jié)期；第九氣候區(qū)4個(gè)研究時(shí)段適宜的灌溉時(shí)期分別為拔節(jié)后10 d、拔節(jié)后10 d、拔節(jié)期、拔節(jié)期。各氣候區(qū)適宜灌溉措施條件下獲得的產(chǎn)量較無灌溉條件下產(chǎn)量均有不同程度提高，增產(chǎn)幅度為0—86%，其中第五、七和九氣候區(qū)增產(chǎn)幅度較第一和第三氣候區(qū)更大。

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Analysis of Suitable Irrigation Schemes with High-Production and High-Efficiency for Spring Maize to Adapt to Climate Change in the West of Northeast China

HUANG QiuWan, LIU ZhiJuan, YANG XiaoGuang, BAI Fan, LIU Tao, ZHANG ZhenTao, SUN Shuang, ZHAO Jin

(College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193)

【】 The three provinces of Northeast China are not only an important grain production commodity in the country, but also the most sensitive areas to climate change. Thus, it is critical to clarify the suitable irrigation schemes for spring maize in arid areas of the west of Northeast China, which may be benefit on spring maize yield and its stability with higher water use efficiency under climate change. 【】 Based on the accumulated temperature and water deficit rate () during the growing season in 1981-2017, the potential planting areas of spring maize in Northeast China were divided into 10 climate zones (CZs). Five of them (＞0) in the west portion were selected as research areas.With meteorological data, experimental data, and soil data, maize yield potential was assessed by the well-calibrated and validated agricultural production system model (APSIM-Maize) in each CZ under different irrigation scenarios. According to the comprehensive analysis of both yield and water use efficiency, the suitable irrigation measures and the yield increment in different decades in each CZ were identified. 【】 (1) In the past 37 years, the water limitation on spring maize yield in CZ1 and CZ3 were lessthan that in threeother CZs, with a range of 0-27% and 0-9%, respectively. Irrigation contributed little to yield increase, but it could improve the yield stability. The coefficient of yield variation reduced from 0.24 to 0.11 in CZ1, respectively, and reduced from 0.14 to 0.12 in CZ3, respectively. In CZ5, CZ7 and CZ9, more water limitation was found on maize yield, with a range of 27%-69%, 15%-35%, and 31%-51%,respectively. Moreover, irrigation also reduced the coefficients of yield variation by 0.39, 0.33 and 0.52 in the three CZs. The results indicated that irrigation could lead to a high and stable maize yield in the arid areas of Northeast China. (2) The suitable irrigation amount was 40 mm, which could produce high spring maize yield with high water use efficiency in CZ1 and CZ3. However, irrigation time had a little influence on the yield and water use efficiency of spring maize. Meanwhile, the suitable irrigation amounts for high yield and high water use efficiency were 60-80 mm in CZ5, CZ7 and CZ9, and the suitable irrigation times were from silking to 20 days after silking, jointing to 10 days after jointing and jointing to 10 days after jointing. (3)Compared with the rain-fed conditions, the yield increments varied in different CZs under suitable irrigation measures, which ranged from 33% to 86%, 24% to 46% and 50% to 77% in CZ5, CZ7 and CZ9, respectively. Lower yield increments were found in CZ1 and CZ3, with ranges of 5% to 43% and 9% to 19%, respectively. 【】 The suitable irrigation amount for spring maize decreased with the latitude increased, and the suitable irrigation time delayed with the increased latitude.In addition, the suitable irrigation time in each CZ advanced because of warming climate. Compared with the rain-fed conditions, spring maize yield could be increased by 0-86% under suitable irrigation measures in each CZ. In particular, the yield increments in CZ5, CZ7 and CZ9 were greater than those in CZ1 and CZ3.

spring maize; irrigation measures; APSIM-Maize; water use efficiency; drought; climate zone

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.015

2019-05-16；

2019-06-25

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFD0300101，2017YFD0300301）

黃秋婉，E-mail：hqw893784946@163.com。通信作者劉志娟，E-mail：zhijuanliu@cau.edu.cn

（責(zé)任編輯 楊鑫浩）