東北三省西部春玉米適應氣候變化的高產高效灌溉方案分析

黃秋婉，劉志娟，楊曉光，白帆，劉濤，張鎮濤，孫爽，趙錦

東北三省西部春玉米適應氣候變化的高產高效灌溉方案分析

黃秋婉，劉志娟，楊曉光，白帆，劉濤，張鎮濤，孫爽，趙錦

（中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

【】東北三省是我國重要的商品糧生產基地之一，同時也是對氣候變化最敏感的地區，因此明確氣候變化背景下東北三省西部干旱區春玉米的適宜灌溉措施，對于當地春玉米高產穩產水資源高效利用有重要意義。依據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劃分為10個氣候區，以東北三省西部5個水分虧缺率＞0的氣候區為研究區域，基于1981—2017年的氣象資料、農業氣象觀測站春玉米試驗數據和土壤資料，對農業生產系統模型（APSIM-Maize）相關參數進行調試并驗證其適用性。設置不同灌溉情景，利用驗證后的模型模擬各氣候區不同灌溉情景下的春玉米產量，結合水分利用效率明確各氣候區不同年代的適宜灌溉措施及產量提升幅度。（1）近37年（1981—2017年）5個氣候區有效積溫均呈顯著上升趨勢，降水量呈下降趨勢。從過去37年平均來看，第一和第三氣候區降水對春玉米產量的限制程度較小，分別為0—27%和0—9%，通過灌溉對產量提升的貢獻較小，但能有效提高產量的穩定性（可使第一氣候區產量變異系數由0.24降低到0.11，第三氣候區產量變異系數由0.14降低到0.12）；第五、七和九氣候區降水對春玉米產量的限制程度較大，分別為27%—69%，15%—35%，31%—51%，灌溉不僅可提升當地玉米產量，同時可使3個氣候區的產量變異系數由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通過灌溉能達到高產穩產的目的。（2）第一和第三氣候區大部分年代春玉米高產高效適宜灌溉量為40 mm，且灌溉時間對春玉米產量和水分利用效率的影響較小；第五、七和九氣候區大部分年代高產高效適宜灌溉量為60—80 mm，3個氣候區適宜灌溉時間分別為吐絲到吐絲后20 d、拔節到拔節后10 d、拔節到拔節后10 d。（3）與雨養條件相比，不同氣候區適宜灌溉措施條件下增產幅度不同。其中第五、七和九氣候區增產幅度較大，年代際變化范圍為33%—86%、24%—46%和50%—77%，第一和三氣候區增產幅度較小，年代際變化范圍為5%—43%和9%—19%。東北三省西部地區春玉米適宜灌溉量隨緯度的升高呈減少的趨勢，適宜灌溉時間隨緯度的升高呈推遲趨勢，且隨年代的推移，氣候變暖，各氣候區適宜灌溉時間呈提前趨勢。與雨養條件相比，各氣候區適宜灌溉措施條件下春玉米可增產0—86%，其中第五、七和九氣候區增產幅度較第一和第三氣候區更大。

春玉米；灌溉措施；APSIM-Maize模型；水分利用效率；干旱；氣候區

0 引言

【研究意義】東北三省是我國重要的商品糧生產基地之一，根據中國農業統計年鑒數據，近10年（2008—2017年）東北三省玉米總產量約占東北三省糧食總產量的60.8%，約占全國玉米總產量的29.6%[1]。由此可見，玉米作為東北三省第一大糧食作物[2]，其產量的提升對于全國糧食產量提升有重要意義。東北三省由于緯度較高，使其成為對氣候變化影響最為敏感的地區之一[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，平均氣溫每10年升高0.38℃[4-5]，使得玉米生長季內積溫明顯增加；全年及玉米生長季內降水量均呈減少趨勢且波動性增大[4,6-8]，使該地區玉米生產的穩定性受到極大威脅[9-10]，特別是西部水資源匱乏地區[11]。因此研究氣候變化背景下，東北三省西部地區春玉米適宜灌溉措施，對于充分合理利用當地氣候資源，應對氣候變化，保障我國玉米高產穩產具有重要理論和現實意義。【前人研究進展】在不考慮適應措施的前提下，玉米生長發育階段氣溫升高將使玉米生育期縮短，不利于玉米干物質積累和產量形成。LIU等[12]利用APSIM模型解析了氣候變化對東北三省春玉米生長發育及產量形成的影響，研究結果表明，在不考慮適應措施條件下，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，生長季內平均氣溫每升高1℃，產量將下降4%—22%。然而，在氣候變化背景下可以通過采取適當的適應措施有效減緩氣候變化對作物的負面影響，如調整種植制度、更換品種、優化播期、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，界線變化區域內調整種植制度可使作物單產增加25%—106%[13]，從而使我國三大糧食作物總產增加2.2%[14]。在東北地區更換生育期較長的玉米品種可使產量增加13%—38%[12]。調整播期可使華北地區夏玉米產量提升2%—10%[15]，東北地區春玉米產量提升4%[12]。【本研究切入點】優化水肥管理措施亦可有效應對氣候變化對作物生產產生的負面影響[16-18]。由于氣候、環境等的空間差異性和時間變異性，不同區域適宜的高產管理措施存在較大的差異。我國東北地區春玉米生長季內降水量呈現經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），且目前東北地區春玉米種植以雨養為主，如不采取相應措施，干旱造成的玉米減產程度增加且各地減產幅度變化復雜，特別是對于西部降水偏少區域，水分是限制該地區春玉米產量的主要因子[19]。為此針對東北西部地區不同氣候區開展應對氣候變化的適宜灌溉措施研究對保障該地區糧食高產穩產有重要意義。【擬解決的關鍵問題】本文將東北三省劃分為10個氣候區，選擇西部地區5個水分虧缺較為明顯的氣候區為研究區域，利用驗證后的農業生產系統模型（agricultural production system simulator，APSIM-Maize），明確不同氣候區降水對春玉米產量的限制程度，結合玉米產量和水分利用效率提出不同氣候區應對氣候變化的高產高效適宜灌溉模式，為東北三省西部地區春玉米高產高效生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

本文研究區域為我國東北三省，地理位置介于北緯38°26′—53°24′，東經118°30′—135°8′，是我國緯度最高的地區，屬于溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候，大部分農區≥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，東北大部分地區的種植模式為一年一熟。該地區土質以黑土為主，是世界三大黑土帶之一，土地肥沃，有機質含量高，為春玉米的種植提供了良好的條件。

東北三省部分地區由于熱量資源的限制，不能種植春玉米，本文將穩定通過10℃界限溫度范圍內≥10℃的活動積溫達到2 100℃·d的地區界定為春玉米的潛在種植區。有研究表明東北三省西部地區降水對春玉米生產的限制達到14%—48%[20]，因此筆者基于前人研究，依據積溫和水分虧缺率將研究區域劃分為10個氣候區（climate zone，CZ），每200℃·d劃分一個積溫帶[18]，選擇水分虧缺較為明顯（＞0）且位于東北三省西部的5個氣候區（CZ1、CZ3、CZ5、CZ7和CZ9）作為本文的研究區域。并從5個氣候區中分別選擇1個代表站點進行研究（圖1），代表站點春玉米生長季內的氣候資源特征見表1。可以看出，各代表站點1981—2017年有效積溫呈上升趨勢，降水量均呈下降趨勢。

1.2 數據來源

氣象資料來源于中國氣象科學數據共享服務網（http://cdc.cma.gov.cn），包括研究區域5個站點1981—2017年的逐日地面氣象觀測數據，站點分布如圖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、平均相對濕度、日照時數和平均風速；模型所需的太陽輻射采用Penman- Monteith 公式[21]計算。

作物資料來源于東北三省農業氣象觀測站（1981—2007年）試驗數據，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）、地上部生物量和產量，用于作物模型品種參數的校準。

土壤資料來自于農業氣象觀測站土壤數據，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（LL15）等。

表1 各氣候區代表站點春玉米生長季內氣候資源特征（1981—2017年）

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

審圖號：GS（2020）5270號

1.3 研究方法

1.3.1 農業生產系統模型 農業生產系統模型（APSIM）是一種可用于模擬農業生產系統中各主要組成部分的機理模型，它是由澳大利亞的聯邦科工組織以及昆士蘭州農業生產系統組（APSRU）聯合開發的作物模型[22-23]，目前已在全世界不同國家的地區得到廣泛驗證[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，生物物理模塊用于模擬農業系統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據的調用、輸入和輸出[30]。

本文使用APSIM7.6版本，應用的主要模塊為氣象模塊（Met）、時間模塊（Clock）、土壤模塊（Soil）、地表有機質模塊（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）和結果輸出模塊（Outputfile）。

1.3.2 模型評價方法 本文利用實測的氣象、土壤及作物資料對APSIM-Maize模型進行調參和驗證，通過模型模擬結果與實測結果的圖形比較以及各項評價指標來評價APSIM-Maize模型在東北三省的適用性。采用以下統計量作為檢驗模型的指標：模擬值與實測值之間的決定系數（R）、均方根誤差（）、歸一化均方根誤差（）[31]、一致性指標（指標）[32]、平均絕對誤差（）。其中，R和指標可反映模擬值與實測值之間的一致性，其值愈接近1說明模擬效果愈好；相對于R，指標對系統模擬誤差的響應更敏感；和值反映了模擬值與實測值之間的絕對誤差和相對誤差，其值愈小，表明誤差值愈小。一般認為值小于10%時，模擬值與實測值一致性非常好，10%—20%時較好[33]。

式中，S為模擬值，O為實測值，為實測平均值，為樣本數。

1.3.3 模型灌溉情景設置 本文利用調參驗證后的APSIM-Maize模型，模擬分析東北三省西部干旱區各氣候區典型站點春玉米產量對灌溉措施（灌溉時間和灌溉量）的響應，情景設置如下：

（1）充分灌溉和雨養條件設置

為明確各氣候區典型站點降水對春玉米產量的限制，需要模擬各氣候區代表性品種的潛在產量和氣候生產潛力。潛在產量可以代表一個地區充分灌溉條件下所能達到的最大產量，氣候生產潛力可以代表一個地區雨養條件下的產量。本文模擬潛在產量時設定春玉米生長過程中水肥充足，而模擬氣候生產潛力時設定養分充足但無灌溉。

（2）灌溉情景的設置

灌溉時間設定從出苗開始至玉米成熟，每隔10 d設定一個灌溉時間，為方便理解，結合玉米關鍵生育期（出苗、開花和成熟）對灌溉時期進行命名，如E10代表灌溉時期為出苗后10 d，F10代表灌溉時期為開花后10 d，具體可參見圖2。每個灌溉時期分別設置5個灌溉量，即40、50、60、70和80 mm，分別模擬每年不同灌溉時間不同灌溉量的產量，然后按照1980s（1981—1990年）、1990s（1991—2000年）、2000s（2001—2010年）和2011—2017年4個年代分別統計相應結果。各站點選擇已通過調參驗證的當地栽培品種，基于農業氣象觀測站春玉米實際栽培管理措施資料，設定播種深度為8 cm，行距為0.7 m，播種密度為50 000 株/hm2，播期為當地平均播期。

1.3.4 降水對產量的限制程度的計算 降水對產量的限制程度是指在雨養條件下作物產量相對于潛在產量的損失程度。

式中，RC為降水對產量的限制程度（%）；Y為潛在條件下的產量（kg·hm-2）；Y為雨養條件下的產量（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量，計算公式如下：

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量（kg·hm-2）；P為生育期降水量（mm）；Ir為灌溉量（mm）。

2 結果

2.1 APSIM-Maize模型有效性驗證

本文代表性站點的作物參數校驗采用的是每個區一個品種，年代間品種不更替，即所有年代使用一個代表性品種，以農業氣象觀測資料數據為基礎，采用“試錯法”對各氣候區春玉米代表性品種的參數加以調試，目的是使模擬值與實測值之差盡可能小，最終確定各站點代表性品種的參數。代表性玉米品種的選擇基于農業氣象站數據，每個代表站點選擇一個品種，選取數據資料完整的6年，其中3年數據用于調參，3年數據用于結果驗證。生育期主要調試的參數為出苗到營養生長期結束、開花到灌漿和開花到成熟的熱時數（thermal time），產量主要調試每穗最大籽粒數和潛在灌漿速率，根據模型評價指標判斷使用調試后的品種參數模擬值與實測值的擬合效果。圖3和圖4分別為各氣候區代表品種模擬與實測生育期天數、產量的比較結果。表2為各氣候區品種驗證結果評價。結果表明，播種—開花和播種—成熟生育階段模擬天數與實測天數基本吻合，決定系數（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。可知模型能比較準確地模擬東北地區不同氣候區的春玉米生長發育進程。

模擬產量和實測產量的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，可以看出全區春玉米實測產量與模擬產量有很好的一致性，模型能比較準確地模擬東北三省各氣候區的春玉米產量的形成。

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

圖4 東北三省西部地區各氣候區春玉米產量實測值和模擬值驗證結果

2.2 降水對研究區域內代表站點春玉米產量的限制程度

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

A：播種到拔節，B：拔節到抽雄，C：抽雄到成熟，D：全生育期

基于各氣候區調參驗證后的APSIM-Maize模型，分別模擬1981—2017年春玉米潛在產量（充分灌溉）和雨養產量（無灌溉），采用公式（5）計算不同氣候區降水對玉米產量的限制程度，結果如圖6所示。結果表明，從過去37年平均來看，第一、三、五、七、九氣候區春玉米潛在產量分別為9 258、7 057、8 546、8 676和7 940 kg·hm-2，年代際之間差異較小。雨養產量分別為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、第七和第九氣候區雨養產量變異系數明顯高于第一和三氣候區，這可能是由于第一和三氣候區在作物水分關鍵期降水基本能滿足作物需水，而第五、第七和第九氣候區在作物水分關鍵期降水并不能滿足作物需水（圖5）。

5個氣候區降水對產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降水對產量的限制程度較小，通過灌溉對產量提升的貢獻較小，但能有效提高產量的穩定性（第一氣候區產量變異系數由0.24降低到0.11，第三氣候區產量變異系數由0.14降低到0.12），表明在這2個氣候區采取適當的灌溉措施能達到穩產目的。第五、七和九氣候區無論在哪個年代，春玉米的潛在產量與雨養產量差異明顯，說明降水對春玉米產量的限制較大，同時灌溉使得3個氣候區的產量變異系數由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通過灌溉能達到高產穩產目的。

表2 研究區域5個氣候區APSIM-Maize模型驗證結果評價

圖6 東北三省西部地區各氣候區春玉米潛在產量、雨養產量及水分對春玉米產量的限制程度

2.3 灌溉對春玉米產量和水分利用效率的影響

利用調參驗證后的APSIM-Maize模型，分別模擬不同灌溉量（圖7）和灌溉時間（圖8）條件下各氣候區的春玉米產量和水分利用效率。

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

圖7 灌溉量對東北三省西部地區各氣候區春玉米產量和水分利用效率的影響

圖8 灌溉時期對東北三省西部地區各氣候區春玉米產量和水分利用效率的影響

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

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

2.4 不同灌溉方案較雨養條件的增產幅度

將適宜灌溉措施和雨養2種條件下對應的模擬產量按氣候區進行匯總分析，得出2種條件下各氣候區各年代的增產幅度（圖9）。

審圖號：GS（2020）5270號

與雨養條件相比，各區適宜灌溉措施增產幅度如下：第一氣候區1980s、1990s、2000s和2011—2017這4個研究時段增產幅度分別為5%、13%、43%和16%；第三氣候區分別為9%、19%、15%和9%；第五氣候區分別為42%、48%、86%和33%；第七氣候區分別為46%、24%、34%和39%；第九氣候區分別為77%、50%、76%和56%。可見采取適宜的灌溉措施較雨養條件下可實現不同程度的增產，但不同氣候區之間增產效果存在差異。第一和第三氣候區降水條件較好，作物需水關鍵期受水分脅迫較小，因此適宜灌溉措施條件下增產幅度較小。第五、七和九氣候區降水條件較差，作物生長季受水分脅迫較嚴重，因此適宜灌溉措施條件下增產幅度較大。不同年代適宜灌溉措施較雨養條件的增產幅度也存在差異，從圖5中可看出，2000s降水條件較差，降水集中時間與作物水分關鍵期匹配度較差，因此相較于其他3個時段，2000s適宜灌溉措施條件下增產幅度較大。

3 討論

前人采用田間試驗、統計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域不同年代對作物的影響；統計分析主要是依據前人研究和實際數據進行數理統計分析，缺少生理依據；而作物模型方法很好地解決了田間試驗代表性差和統計分析缺乏生理基礎的問題。

本文使用調參驗證后的APSIM-Maize模型，模擬了東北三省西部不同氣候區不同灌溉情境下春玉米的產量，綜合考慮產量和水分利用效率2個因素，提出了各氣候區的高產高效適宜灌溉措施，可為東北三省西部春玉米應對氣候變化提供科學依據。

基于玉米產量和水分利用效率確定灌溉量時，2000s適宜灌溉量普遍高于其他年代，這主要是因為該年代降水較少且并沒有集中在玉米的需水關鍵期。選擇適宜灌溉時間時，第一和第三氣候區受灌溉時間影響較小，第五氣候區適宜灌溉時間在吐絲期前后，第七、九氣候區適宜灌溉時間在拔節期前后，可看出隨緯度的增大，適宜灌溉時間呈推遲趨勢，且隨年代的推移，各氣候區適宜灌溉時間呈提前趨勢，這主要是因為喜溫作物生長季內東北三省呈暖干趨勢[12]，氣溫升高會使玉米生育期縮短，水分關鍵期提前，從而加重玉米春旱。

東北三省西部5個氣候區水分虧缺率均大于0，表明5個氣候區均存在不同程度的水分虧缺情況，然而不同氣候區水分虧缺程度存在較大差異，因此適宜的高產高效灌溉方案存在時空差異性。同時東部地區水分條件較好，大部分年份玉米關鍵生育期降水可滿足玉米水分的需求，高產高效的灌溉方案應與西部地區存在較大差異，例如宮亮等[39]在遼寧省瓦房店采用田間試驗方法研究發現，不同灌溉時間對玉米生長發育及產量有不同影響，研究結果表明該試驗區最佳灌溉時間為生育后期，抽雄期和灌漿期各補充灌溉一次為最佳。因此在分析適宜灌溉措施時應考慮氣候背景的差異性。本文采用模型模擬作物產量時選用各氣候區代表品種進行研究，由于資料有限，并未能針對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水分的需求差異較大，未來應針對不同品種開展相應研究。同時，本研究發現，在東北三省西部適宜灌溉時間隨緯度增大而呈推遲趨勢，該趨勢是否適用于其他地區及灌溉與緯度之間是否存在相關性，仍需進一步驗證。此外，未來研究中還應根據不同降水年型提出適宜的灌溉措施。

4 結論

本文以東北三省春玉米為研究對象，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APSIM-Maize模型進行調參和驗證，通過模型模擬結果與實測結果的圖形比較以及各項評價指標評價了APSIM-Maize模型在東北地區的適用性，表明該模型可用于東北三省西部春玉米產量的模擬研究。

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

[1] 中華人民共和國國家統計局. 中國統計年鑒. 北京: 中國統計出版社, 2009-2018.

National Bureau of Statistics of the People’s Republic of China.. Beijing: China Statistics Press, 2009-2018. (in Chinese)

[2] 陳群, 耿婷, 侯雯嘉, 陳長青. 近20年東北氣候變暖對春玉米生長發育及產量的影響. 中國農業科學, 2014, 47(10): 1904-1916.

CHEN Q, GENG T, HOU W J, CHEN C Q. Impacts of climate warming on growth and yield of spring maize in recent 20 years in Northeast China., 2014, 47(10): 1904-1916. (in Chinese)

[3] 趙秀蘭. 近50年中國東北地區氣候變化對農業的影響. 東北農業大學學報, 2010, 41(9): 144-149.

ZHAO X L. Influence of climate change on agriculture in Northeast China in recent 50 years.2010, 41(9): 144-149. (in Chinese)

[4] 劉志娟, 楊曉光, 王文峰, 李克南, 張曉煜. 氣候變化背景下我國東北三省農業氣候資源變化特征. 應用生態學報. 2009, 20(9): 2199-2206.

LIU Z J, YANG X G, WANG W F, LI K N, ZHANG X Y. Characteristics of agricultural climate resources in three provinces of Northeast China under global climate change., 2009, 20(9): 2199-2206. (in Chinese)

[5] 董滿宇, 吳正方. 近50年來東北地區氣溫變化時空特征分析. 資源科學, 2008, 30(7) :1093-1099.

DONG M Y, WU Z F. Analysis of temporal and spatial characteristics of temperature change over the last 50 years in Northeast China.2008, 30(7) :1093-1099. (in Chinese)

[6] 付長超, 劉吉平, 劉志明. 近60年東北地區氣候變化時空分異規律的研究. 干旱區資源與環境, 2009, 23(12): 60-65.

FU C C, LIU J P, LIU Z M. Spacial and temporal differentiation rule of the climate change in Northeast China in about 60 years.2009, 23(12): 60-65. (in Chinese)

[7] 姜曉艷, 劉樹華, 馬明敏, 張菁, 宋軍. 東北地區近百年降水時間序列變化規律的小波分析. 地理研究, 2009, 28(2): 354-362.

JIANG X Y, LIU S H, MA M M, ZHANG J, SONG J. A wavelet analysis of the precipitation time series in Northeast China during the last 100 years.2009, 28(2): 354-362. (in Chinese)

[8] 孫鳳華, 吳志堅, 楊素英. 東北地區近50年來極端降水和干燥事件時空演變特征. 生態學雜志, 2006, 25(7): 779-784.

SUN F H, WU Z J, YANG S Y. Temporal and spatial variations of extreme precipitation and dryness events in Northeast China in last 50 years.2006, 25(7): 779-784. (in Chinese)

[9] 顧莉麗, 郭慶海. 中國糧食主產區的演變與發展研究. 農業經濟問題, 2011, 32(8): 4-9, 110.

GU L L, GUO Q H. Evolution and development of China’s major grain producing areas.2011, 32(8): 4-9, 110. (in Chinese)

[10] 劉保花, 陳新平, 崔振嶺, 孟慶鋒, 趙明. 三大糧食作物產量潛力與產量差研究進展. 中國生態農業學報, 2015, 23(5): 525-534.

LIU B H, CHEN X P, CUI Z L, MENG Q F, ZHAO M. Research advance in yield potential and yield gap of three major cereal crops.2015, 23(5): 525-534. (in Chinese)

[11] 安剛, 孫力, 廉毅. 東北地區可利用降水資源的初步分析. 氣候與環境研究, 2005, 10(1): 132-139.

AN G, SUN L, LIAN Y. A primary analysis of utilizable precipitation in Northeast China.2005, 10(1): 132-139. (in Chinese)

[12] LIU Z, HUBBARD K G, LIN X M , YANG X G. Negative effects of climate warming on maize yield are reversed by the changing of sowing date and cultivar selection in Northeast China., 2013, 19(11): 3481-3492.

[13] 楊曉光, 劉志娟, 陳阜. 全球氣候變暖對中國種植制度可能影響Ⅰ.氣候變暖對中國種植制度北界和糧食產量可能影響的分析. 中國農業科學, 2010, 43(2): 329-336.

YANG X G, LIU Z J, CHEN F. The possible effects of global warming on cropping systems in China Ⅰ. The possible effects of climate warming on northern limits of cropping systems and crop yields in China.2010, 43(2): 329-336. (in Chinese)

[14] YANG X G, CHEN F, LIN X M, LIU Z J, ZHANG H L, ZHAO J, LI K N, YE Q, LI Y, LV S, YANG P, WU W B, LI Z G, LAL R, TANG H J. Potential benefits of climate change for crop productivity in China., 2015, 208: 76-84.

[15] 張鎮濤, 楊曉光, 高繼卿, 王曉煜, 白帆, 孫爽, 劉志娟, 明博, 謝瑞芝, 王克如, 李少昆. 氣候變化背景下華北平原夏玉米適宜播期分析. 中國農業科學, 2018, 51(17): 3258-3274.

ZHANG Z T, YANG X G, GAO J Q, WANG X Y, BAI F, SUN S, LIU Z J, MING B, XIE R Z, WANG K R, LI S K. Analysis of suitable sowing date for summer maize in north China plain under climate change.2018, 51(17): 3258-3274. (in Chinese)

[16] SUN S, YANG X G, LIN X M, GRETCHEN F S, LI K N. Climate-smart management can further improve winter wheat yield in China., 2018, 162: 10-18.

[17] 王曉煜, 楊曉光, Tao L, 張天一, 劉濤, 項洪濤, 孫翌晨, 劉志娟. 東北三省水稻干濕交替灌溉模式適宜性分區. 農業工程學報, 2018, 34(6): 111-120.

WANG X Y, YANG X G, TAO L, ZHANG T Y, LIU T, XIANG H T, SUN Y C, LIU Z J. Rice suitability zoning of alternative wetting and drying irrigation mode in three provinces of Northeast China., 2018, 34(6): 111-120. (in Chinese)

[18] LIU Z J, YANG X G, LIN X M, HUBBARD K D, Lü S, WANG J. Narrowing the agronomic yield gaps of maize by improved soil, cultivar, and agricultural management practices in different climate zones of Northeast China., 2016, 20(12): 1-18.

[19] WANG X H, PENG L Q, ZHANG X P, YIN G D. Divergence of climate impacts on maize yield in northeast china., 2014, 196 (7522): 51-58.

[20] LIU Z J, YANG X G, LIN X M, GOWDA P, LV S, WANG J. Climate zones determine where substantial increases of maize yields can be attained in Northeast China., 2018, 149: 473-487.

[21] ALLEN R G, PEREIRA L S, RAES D, SMITH M.. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations, 1998: 56.

[22] ASSENG S, KEATING B A, IRP F, GREGORY P J. Performance of the APSIM-wheat model in western Australia., 1998, 57(2): 163-179.

[23] ASSENG S, KEULEN H V, STOL W. Performance and application of the APSIM Nwheat model in the Netherlands., 2000, 12(1): 37-54.

[24] 王琳, 鄭有飛, 于強, 王恩利. APSIM模型對華北平原小麥-玉米連作系統的適用性. 應用生態學報, 2007, 18(11): 2480-2486.

WANG L, ZHENG Y F, YU Q, WANG E L. Applicability of Agricultural Production Systems Simulator (APSIM) in simulating the production and water use of wheat-maize continuous cropping system in North China Plain.2007, 18(11): 2480-2486. (in Chinese)

[25] 孫寧, 馮利平. 利用冬小麥作物生長模型對產量氣候風險的評估. 農業工程學報, 2005, 21(2): 106-110.

SUN N, FENG L P. Assessing the climatic risk to crop yield of winter wheat using crop growth models., 2005, 21(2): 106-110. (in Chinese)

[26] 李艷, 薛昌穎, 劉園, 楊曉光, 王靖, 王恩利. APSIM模型對冬小麥生長模擬的適應性研究. 氣象, 2008, 34(增刊): 271-279.

LI Y, XUE C Y, LIU Y, YANG X G, WANG J, WANG E L. Adaptability of APSIM model to winter wheat growth simulation.2008, 34(Supplement): 271-279. (in Chinese)

[27] 劉志娟, 楊曉光, 王靜, 呂碩, 李克南, 荀欣, 王恩利. APSIM玉米模型在東北地區的適應性. 作物學報, 2012, 38(4): 740-746.

LIU Z J, YANG X G, WANG J, Lü S, LI K N, XUN X, WANG E L. Adaptability of APSIM Maize model in Northeast China.2012, 38(4): 740-746. (in Chinese)

[28] 王靜, 楊曉光, 呂碩, 劉志娟, 李克南, 荀欣, 劉園, 王恩利. 黑龍江省春玉米產量潛力及產量差的時空分布特征. 中國農業科學, 2012, 45(10): 1914-1925.

WANG J, YANG X G, Lü S, LIU Z J, LI K N, XUN X, LIU Y, WANG E L. Spatial-temporal characteristics of potential yields and yield gaps of spring maize in Heilongjiang province.2012, 45(10): 1914-1925. (in Chinese)

[29] LOBELL D B, HAMMER G L, MCLEAN G. The critical role of extreme heat for maize production in the United States., 2013, 3(5): 497-501.

[30] KEATING B A, CARBERRY P S, HAMMER G L, PROBERT M E, ROBERTSON M J, HOLZWORTH D, HUTH N I, HARGREAVES J N G, MEINKE H, HOCHMAN Z, MCLEAN G, VERBURG K, SNOW V, DIMES J P, SILBURN M, WANG E. An overview of APSIM, a model designed for farming systems simulation., 2003, 18(3): 267-288.

[31] WALLACH D, GOFFINET B. Mean squared error of prediction in models for studying ecological and agronomic systems., 1987, 43(3): 561-573.

[32] WILLMOTT C J. Some comments on the evaluation of model performance., 1982, 63(11): 1309-1313

[33] 曹衛星, 朱艷, 湯亮, 荊奇, 田永超, 姚霞, 劉小軍. 數字農作技術. 北京: 科學出版社, 2008.

Cao W X, Zhu Y, Tang L, Jing Q, Tian Y C, Yao X, Liu X J.. Beijing: Science Press, 2008. (in Chinese)

[34] 曹彩云, 黨紅凱, 鄭春蓮, 郭麗, 馬俊永, 李科江. 不同灌溉模式對小麥產量、耗水及水分利用效率的影響. 華北農學報, 2016, 31(S1): 17-24.

CAO C Y, DANG H K, ZHENG C L, GUO L, MA J Y, LI K J. Effects of different irrigation regime on yield, water consumption and water use efficiency of winter wheat.2016, 31(S1): 17-24. (in Chinese)

[35] 金欣欣, 張喜英, 陳素英, 孫宏勇, 王彥梅, 邵立威, 高麗娜. 不同灌溉次數和灌溉量對冬小麥氮素吸收轉移的影響. 華北農學報, 2009, 24(4): 112-118.

JIN X X, ZHANG X Y, CHEN S Y, SUN H Y, WANG Y M, SHAO L W, GAO L N. Effect of different irrigation frequency and amount on nitrogen uptake, translocation of winter wheat.2009, 24(4): 112-118. (in Chinese)

[36] 陳林, 王磊, 宋乃平, 張慶霞, 裴雪雁. 灌溉量和灌溉次數對紫花苜蓿耗水特性和生物量的影響. 水土保持學報, 2009, 23(4): 91-95.

CHEN L, WANG L, SONG N P, ZHANG Q X, PEI X Y. Effects of irrigation amount and times on water consumption characteristics and biomass of alfalfa.2009, 23(4): 91-95. (in Chinese)

[37] 郭金路, 尹光華, 谷健, 劉作新. 基于CROPWAT模型的阜新地區春玉米灌溉制度的確定. 生態學雜志, 2016, 35(12): 3428-3434.

GUO J L, YIN G H, GU J, LIU Z X. Determination of irrigation scheduling of spring maize in different hydrological years in Fuxin, Liaoning province based on CROPWAT model.2016, 35(12): 3428-3434. (in Chinese)

[38] 李良濤, 毛振強, 牛靈安, 郝晉珉, 宇振榮. 基于作物生長模型的冬小麥灌溉方案研究. 灌溉排水學報, 2010, 29(2): 22-27.

LI L T, MAO Z Q, NIU L A, HAO J M, YU Z R. Irrigation scenarios of winter wheat production aided by crop growth simulation model.2010, 29(2): 22-27. (in Chinese)

[39] 宮亮, 孫文濤, 雋英華, 尹同波, 劉玉軍. 補充灌溉對玉米生理指標及水分利用效率的影響. 節水灌溉, 2017(1): 9-11, 15.

GONG L, SUN W T, TUAN Y H, YIN T B, LIU Y J. Effects of supplementary irrigation on physiological indices and water use efficiency of maize., 2017(1): 9-11, 15. (in Chinese)

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

國家重點研發計劃（2016YFD0300101，2017YFD0300301）

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

（責任編輯 楊鑫浩）