商蒙非 赵炯超 韩 桐 李 硕 王凯澄 高真真 秦雨酥 褚庆全

(中国农业大学 农学院，北京 100193)

玉米是中国三大粮食作物之一，2019年种植面积已达4 128万hm2。中国的玉米种植区主要分布在从东北到西南的玉米带上，但是其他的区域也有少量分布[1-3]。从自然地理学角度看我国玉米种植区跨越了不同的气候类型区，从东北地区西部的半干旱气候区到西北的干旱气候区，以及华北的半湿润气候区至西南的湿润气候区，既有春玉米也有夏玉米，由于不同区域的玉米生育期内积温、日照和降雨等自然条件存在较大差异，使得不同区域玉米生长期需水量也存在较大差异，其水分亏缺变化也很大[4-7]。目前，我国农业灌溉用水占全国总用水量的70%以上，农业用水量大且利用效率低成为阻碍我国农业发展的原因之一，因此精确量化玉米需水量和缺水量既可以为玉米栽培管理制定灌溉制度提供依据，也可以为农田水利工程设计提供基本参数，对农业水资源分配和农业发展具有重要意义。

玉米需水量是指玉米生长期间在适宜的土壤水分条件下的棵间蒸发量与叶面蒸腾量的总和，是玉米本身生物学特性与环境条件综合作用的结果，玉米需水量在空间和时间上存在变异性和规律性[8-10]。玉米需水量和缺水量是玉米生育期水分管理的依据，一些学者从生产角度分析了不同区域玉米需水量及其影响因素，对于指导区域玉米生产发挥了很大的作用。例如，刘晓英等[11]通过单作物系数法分析了华北平原夏玉米近50年作物需水量的变化趋势和原因。康绍忠等[12]应用1961—2001年关中地区30个气象站的气象数据，研究了关中地区夏玉米需水量与相应生育期内气候因子的变化趋势，分析了气候变化对玉米需水量的影响。郭晓丽等[13]通过旬值作物系数法分析了内蒙古中部地区24个站点1971—2015年春玉米水分亏缺时空特征。杨晓琳等[6]利用SIMETAW模型分析了黄淮海农作区各亚区1965—2009年玉米需水量和影响因素。李喜平[14]通过各生育阶段作物系数分析了河南省30个气象站点1961—2011年夏玉米生长季水分供需时空变化特征。很多研究结果都表明玉米需水量呈下降趋势[6,8-12]，但由于研究区域和时间尺度、评价缺水的指标方法不一致等原因，不利于分析区域间玉米水分盈亏的时空变化差异。不同站点用同一套作物系数也忽略了站点间气候条件的差异，在大区域尺度研究中降低了结果的可靠性，且前人的研究以区域性的分析较多[6,11-14]，而对于我国玉米整体分析的研究报道较少。鉴于此，本研究利用558个标准气象站点的气象数据，分析1961—2020年我国不同玉米产区的玉米生育期需水量、生育期内有效降水量和生育期缺水量的空间分布特征和变化趋势，旨在明确不同区域玉米需水量的时空变化，以期为我国不同玉米产区的玉米灌溉管理提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域

按照《中国农作制》[15]划分的农作制综合分区，将我国划分为10个农作区，包括东北平原山区半湿润温凉一熟农林区(简称东北农林区，DB)、黄淮海平原半湿润暖温灌溉集约农作区(简称黄淮海平原农作区，HHH)、长江中下游沿海平原丘陵湿润中热水田集约农作区(简称长江中下游平原农作区，CZ)、江南丘陵山地湿润中热水田二三熟农林区(简称江南丘陵农林区，JN)、华南湿热双季稻与热作农林区(简称华南农林渔区，HN)、北部低中高原半干旱凉温旱作兼放牧区(简称北部中低高原农牧区，BB)、西北干旱中温绿洲灌溉农作区兼荒漠放牧区(简称西北农牧区，XB)、四川盆地湿润中热麦稻二熟集约农区(简称四川盆地农作区，SC)、西南中高原山地湿热水旱二熟粗放农林区(简称西南中高原农林区，XN)、青藏高原干旱半干旱高寒牧区兼河谷一熟农作区(简称青藏高原农林区，QZ)，见图1。本研究区域包含31个省、直辖市和自治区(不含香港和澳门特别行政区及台湾省)，因青藏高原农林区的玉米播种面积和产量占比较低(约0.1%)，故本研究中暂不包含青藏高原农林区。

中国地图的审图号为GS(2019)1822号农作区划分参照《中国农作制》[15]。DB，东北平原山区半湿润温凉一熟农林区(简称东北农林区)；HHH，黄淮海平原半湿润暖温灌溉集约农作区(简称黄淮海平原农作区)；BB，北部低中高原半干旱凉温旱作兼放牧区(简称北部中低高原农牧区)；XB，西北干旱中温绿洲灌溉农作区兼荒漠放牧区(简称西北农牧区)；CZ，长江中下游沿海平原丘陵湿润中热水田集约农作区(简称长江中下游平原农作区)；JN，江南丘陵山地湿润中热水田二三熟农林区(简称江南丘陵农林区)；HN，华南湿热双季稻与热作农林区(简称华南农林渔区)；SC，四川盆地湿润中热麦稻二熟集约农区(简称四川盆地农作区)；XN，西南中高原山地湿热水旱二熟粗放农林区(简称西南中高原农林区)；QZ，青藏高原干旱半干旱高寒牧区兼河谷一熟农作区(简称青藏高原农林区)。下同。The farming regions cited Farming Systems in China[15]. DB， Northeast farming region； HHH， Huang-Huai-Hai farming region； BB， North China farming region； XB， Northwest farming region； CZ， Yangtze Plain farming region； JN， Jiangnan farming region； HN， South China farming region； SC， Sichuan Basin farming region； XN， Southwest farming region； QZ， Qinghai-Tibet Plateau farming region. The same below.图1 研究区域Fig.1 Study area

1.2 数据来源

1.2.1气象数据

气象数据来自国家气象科学数据共享平台(中国气象数据网，http:∥data.cma.cn/)的“中国地面气候资料日值数据集(V3.0)”[16]，共包括558个气象站点(图1)1961—2020年的逐日气象数据，选取降水量、平均气温、日最高气温、日最低气温、日照时数和平均风速等6个气象指标。

1.2.2玉米生育期数据

将玉米分为春玉米和夏玉米，玉米生育期数据来自崔读昌等[17]、梅旭荣等[18]以及国家气象科学数据共享平台[19]。

1.2.3GIS地图和耕地栅格数据

2015年耕地栅格数据，以及全国省、直辖市、自治区和县级行政区边界图，均来源于中国科学院资源环境科学与数据中心的资源环境数据云平台(http:∥www.resdc.cn)。

1.3 研究方法

1.3.1需水量和水分亏缺

作物需水量是在理想的生长条件下，作物从种植到收获所需的蒸散发(即植株蒸腾与棵间土壤蒸发之和)。假定作物在最优条件下生长，此时作物的全生育期蒸散发ETC也即作物耗水量CWU，mm，与作物的需水量CWR相等[20]，即：

CWR=CWU=ETC=KC×ET0

(1)

式中：KC为作物系数，由作物特性和土壤的平均蒸发效应决定；ET0为参考作物蒸散发，mm,由气候因素决定。采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith[21]方法计算ET0，其具体公式为：

(2)

式中：Rn，作物表面的净辐射，MJ/(m2·d)；G，土壤热通量，MJ/(m2·d)；T，平均2 m高度处的空气温度，℃；U2，2 m风速，m/s；es,饱和水汽压，kPa；ea,实际水汽压，kPa；Δ为饱和水汽压-气温关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃；γ为湿度计常数，kPa/℃。

根据来源可以把作物消耗的水分成两部分，即有效降水部分ETr和灌溉部分ETi，其每日值计算公式分别为：

ETr=min(ETC,Peff)

(3)

ETi=max(0,ETC-Peff)

(4)

式中：Peff，自然降水的有效部分，mm，利用分段系数法计算：

(5)

式中：P，日降水量，mm。

作物全生育期需水量CWR、有效降水量CWRr和灌溉需水量CWRi等于全生育期每日值的累积，计算公式为：

(6)

(7)

CWR=CWRr+CWRi

(8)

式中：n，作物全生育期天数。研究无灌溉下各区域玉米的水分盈亏状态，因此将灌溉需水量CWRi也称作水分亏缺量，mm。

1.3.2作物系数KC

本研究采用联合国粮农组织(FAO)于1998年提出的作物系数计算方法[21]，并根据气候和作物高度的数据进行了修正。此方法将各种作物的生育期划分为初始生长期、快速发育期、生长中期和生长后期4个时期，并对以上每段时期的作物系数进行规定。初始生长期为作物从播种到冠层覆盖率接近10%的时期，在这个阶段内作物系数认定为常数KCini；快速发育期是作物的冠层覆盖率从10%达到最大值，在此时期作物系数线性增加，从常数KCini增加至常数KCmid；生长中期从作物达到最大冠层覆盖开始持续到作物进入生长后期，在这一时期，作物系数认定为常数KCmid；生长后期从作物叶片变黄、冠层衰退开始直到生理成熟，这一时期作物系数线性减小，从常数KCmid减小到常数KCend。

通常情况下，FAO推荐的KC代表标准半湿润条件(最小相对湿度约为 45%，U2约为2 m/s)下的平均值。在不同区域使用时需要根据当地土壤、气候和作物高度的数据进行修正[22]。根据研究区域内各站点的气候条件对FAO推荐的KC值进行了修订，修订公式[23]如下：

(9)

式中：KC(tap)，作物不同生育时期的标准作物系数(来自FAO-56[21])；RHmin，该生育时期日最低相对湿度的平均值，%；h，该生育时期内作物的平均高度，m。对于日最低相对湿度缺测部分，RHmin可以用以下公式计算:

(10)

(11)

基于以上公式，编写R语言程序，并利用此程序对各站点玉米的作物需水量、有效降水量进行计算。

1.3.3空间分析

采用ArcGIS 10.2软件对计算得到的玉米需水量和有效降水量数据进行空间插值，将离散点的数据转换为连续的数据曲面，所用插值方法为反距离权重法(Inverse Distance Weighing，IDW)。插值分析的具体过程为：首先利用R语言计算各站点玉米需水量、有效降水量和水分亏缺量，然后利用ArcGIS反距离权重插值将站点数据插值为全国栅格数据，最后利用ArcGIS统计分析功能计算每个县区的玉米需水量、有效降水量和水分亏缺量，将结果导出并进行下一步分析。

2 结果与分析

2.1 1961—2020年玉米需水量及水分盈亏的空间分布

由图2可知，1961—2020年玉米需水量在空间分布上，区域间差异比较明显。全国玉米的需水量在285～987 mm/年，高值区主要位于西北农牧区和北部中低高原农牧区，>550 mm/年；低值区位于长江中下游平原农作区、江南丘陵农林区、华南农林渔区、西南中高原农林区和四川盆地农作区，≤400 mm/年。夏玉米主要分布在黄淮海平原农作区，总体来说，其需水量低于春玉米。1961—2020年玉米生育期的平均有效降水量在空间上呈现从东南到西北逐渐减小的分布格局(图2(b))，西北农牧区春玉米生育期的有效降水量最小。水分盈亏是由玉米需水量和有效降水量两方面因素决定的，一般来说，有效降水量较低的地区水分亏缺较高。全国玉米水分亏缺量的空间分布，与有效降水量分布相反，西北农牧区远高于降水量多的江南丘陵农林区(图2(c))。

图2 玉米生育期内需水量(a)、有效降水量(b)和水分亏缺量(c)的空间分布Fig.2 Spatial distribution of maize water requirement (a), effective precipitation (b) and water deficit (c) in maize growth period

2.2 1961—2020年不同区域玉米需水量及水分盈亏的时空变化特征

由图3可知，春玉米全生育期需水量在不同的区域间差异明显。1961—2020年全国春玉米的需水量平均为468 mm/年。西北农牧区需水量的平均值最高，699 mm/年，其次为北部中低高原农牧区和东北农林区，分别为566和496 mm/年，江南丘陵农林区和华南农林渔区的玉米需水量最低，分别为356和375 mm/年。1961—2020年，四川盆地农作区、西南中高原农林区、华南农林渔区和江南丘陵农林区的玉米生育期需水量呈现增加趋势，长江中下游平原农作区呈下降趋势，东北农林区、西北农牧区和北部中低高原农牧区没有明显的变化。此外，春玉米的需水量在不同区域间的变异系数也有很大差异，1961—2020年春玉米全生育期需水量的变异系数介于3.1%～10.4%，其中华南农林渔区和四川盆地农作区变异系数较大，分别为10.4%和9.0%，变异系数说明该农作区的春玉米作物需水量呈现较大的年际变化。西北农牧区和北部中低高原农牧区玉米需水量变异系数较小，分别为3.1%和3.9%。

SPM，春玉米区；SUM，夏玉米区。SPM and SUM mean spring maize region and summer maize region, respectively. CWR, CWRr and CWRi mean maize water requirement, effective precipitation and water deficit respectively. R represent the rate of change from 1961-1990 to 1991-2020. CWR_CV represent coefficient of variation of maize water requirement.图3 1961—2020年不同区域玉米需水量、有效降水量和水分亏缺的均值及变化Fig.3 The maize water requirement, effective precipitation and water deficit of different regions from 1961 to 2020

从玉米生育期内有效降雨量来看，不同区域间也存在明显的差异。全国春玉米有效降水量平均为312 mm/年，长江中下游平原农作区、西南中高原农林区和四川盆地农作区的有效降水量较高，多年平均值分别为380、366和357 mm/年，东北农林区玉米生育期较长，有效降水量达到350 mm/年，而北部中低高原农牧区和西北农牧区有效降雨量较少，多年平均值分别为242和61 mm/年。1961—2020年，华南农林渔区、江南丘陵农林区、四川盆地农作区和西南中高原农林区玉米生育期的有效降雨量呈现增加趋势，其他农作区有效降水量变化不明显。

春玉米的水分盈亏在不同区域间也有明显的差异。全国春玉米水分亏缺平均为156 mm/年，与有效降水量的空间分布相反。西北农牧区的水分亏缺量远高于其他玉米生产区，其均值高达638 mm/年，其次为北部中低高原农牧区和东北农林区，水分亏缺量分别为324和145 mm/年。相对于上述3个农作区，长江中下游平原农作区、江南丘陵农林区、华南农林渔区、四川盆地农作区和西南中高原农林区的玉米水分亏缺量较低，分别为40、3、36、27和45 mm/年。从变化趋势看，长江中下游平原农作区、华南农林渔区和西北农牧区的水分亏缺值下降，其他几个区域不变或增加，其中北部中低高原农牧区水分亏缺值增加最多，其次为四川盆地农作区和西南中高原农林区。1961—2020年，春玉米的水分亏缺量平均约占需水量的33.3%，西北农牧区、北部中低高原农牧区和东北农林区高于其他农作区，其中西北农牧区水分亏缺量占比最高，为91.3%；江南丘陵农林区最低，为0.8%。

相对于春玉米，夏玉米的需水量在区域间的差异不明显。夏玉米的需水量全国平均值为326 mm/年，要远远低于春玉米(468 mm/年)的需水量(图3)。和春玉米不同，我国夏玉米分布比较集中，主要分布在黄淮海平原农作区，其他区域分布较少，只有零星分布。夏玉米生育期内有效降雨量为281 mm/年，水分盈亏量为45 mm/年，即需要补充的灌水量为45 mm/年，低于东北农林区、北部中低高原农牧区和西北农牧区的春玉米灌溉需水量。随着时间推移，夏玉米生育期作物需水量整体呈现下降的趋势，与1961—1990年相比，1991—2020年下降了3.5%。同时，夏玉米生育期有效降水量和水分亏缺量也逐渐下降。

3 讨 论

玉米是我国最重要粮食作物之一，对于我国粮食安全发挥了不可替代的作用。由于玉米在我国种植分布广、面积大，各种气候类型区都有种植，不同区域玉米的生育期内积温、日照和降雨等自然条件存在较大差异，导致不同区域玉米需水量和水分盈亏也存在较大差异，本研究结果可以为不同地区制定玉米栽培灌溉制度提供依据。与魏新光等[7]、郭晓丽等[13]和孙璐等[24]研究相比，本研究不仅对我国不同玉米产区的需水量、有效降雨量和水分盈亏的空间分布格局做了研究，还重点揭示了其在不同区域的变化趋势。由于研究区域范围大，区域气候类型和种植方式都存在差异，因此全国玉米生育期内需水量呈现明显的区域差异，玉米生育期内有效降水量和水分盈亏在不同区域间也有明显的差异。总体来说，玉米生育期内有效降水量与我国降水分布相一致，其在空间上呈现从东南到西北逐渐减小的趋势。而水分盈亏是由需水量和有效降水量两方面的因素决定的，有效降水量较低的地区水分亏缺较高，因此不同玉米产区的水分盈亏存在很大的差异，即不同区域玉米的灌溉需水量是不同的，这与魏新光等[7]、刘小刚等[9]和孙璐等[24]的研究结论一致。

本研究分析了1961—2020年不同区域玉米需水量和水分亏缺的变化趋势，发现二者的变化在区域间没有一致性，例如需水量在四川盆地农作区、西南中高原农林区、华南农林渔区和江南丘陵农林区是增加的，而在黄淮海平原农作区和长江中下游平原农作区是减少的，其他区基本不变，水分亏缺在长江中下游平原农作区、华南农林渔区、西北农牧区和黄淮海平原农作区是下降的，北部中低高原农牧区、四川盆地农作区和西南中高原农林区是增加的，东北农林区基本不变。这种变化的不一致性可能由多种因素导致的，不同区域气候因素的变化是不同的，刘小刚等[9]的研究结果表明气温对河南省夏玉米需水量的影响最大，需水量对日照时数的变化最敏感；而康绍忠等[12]的研究结果说明风速和日照时数的降低是关中地区玉米需水量减少的主要原因，玉米需水量和降水、相对湿度均呈显著负相关；杨晓琳等[6]的研究结果则表明太阳辐射是影响黄淮海区域玉米需水量的首要因素。由于研究范围广，不同区域影响玉米水分盈亏的气候因素和程度不同，再加上区域间气候变化的差异性，例如有的区域降水增加，而有的区域降水减少，有的区域日照增加，有的区域日照减少，这些因素综合作用导致不同区域玉米的需水量和水分亏缺量的变化呈现不同的趋势[4,12,25]。本研究重点分析了不同区域玉米需水量的时空分布特征，由于涉及区域和气象站点多，分析年限长，对于影响不同区域玉米需水量的气候驱动因素还有待进一步的研究。

4 结 论

1)全国玉米生育期内作物需水量呈现明显的区域差异，多年平均值在285～987 mm/年，春玉米的需水量要高于夏玉米，二者的多年平均值分别为468和326 mm/年。其中西北农牧区、北部中低高原农牧区和东北农林区为春玉米需水量高值区，分别为699、566和496 mm/年，黄淮海平原农作区主要为夏玉米，其需水量要小于其他玉米主产区。

2)玉米的水分盈亏在不同区域间也有明显的差异，各区域的水分亏缺量在3～638 mm/年。西北农牧区春玉米的水分亏缺量最高，其均值高达638 mm/年，其次为北部中低高原农牧区和东北农林区，水分亏缺量分别为324和145 mm/年。从水分亏缺量变化趋势来看，长江中下游平原农作区、华南农林渔区和西北农牧区的春玉米水分亏缺量呈下降趋势，北部中低高原农牧区、四川盆地农作区和西南中高原农林区春玉米水分亏缺量呈现增加趋势，夏玉米水分亏缺量呈下降趋势。

3)1961—2020年春玉米全生育期需水量存在年际间的变化，区域差异同样较为明显。其中华南农林渔区和四川盆地农作区变异系数较大，分别为10.4%和9.0%，变异系数说明该地区的春玉米作物需水量呈现较大的年际变化。西北农牧区和北部中低高原农牧区较小，分别为3.1%和3.9%。