1961—2020年中國玉米需水量及水分盈虧的時空變化格局

商蒙非 趙炯超 韓 桐 李 碩 王凱澄 高真真 秦雨酥 褚慶全

(中國農業大學 農學院，北京 100193)

玉米是中國三大糧食作物之一，2019年種植面積已達4 128萬hm2。中國的玉米種植區主要分布在從東北到西南的玉米帶上，但是其他的區域也有少量分布[1-3]。從自然地理學角度看我國玉米種植區跨越了不同的氣候類型區，從東北地區西部的半干旱氣候區到西北的干旱氣候區，以及華北的半濕潤氣候區至西南的濕潤氣候區，既有春玉米也有夏玉米，由于不同區域的玉米生育期內積溫、日照和降雨等自然條件存在較大差異，使得不同區域玉米生長期需水量也存在較大差異，其水分虧缺變化也很大[4-7]。目前，我國農業灌溉用水占全國總用水量的70%以上，農業用水量大且利用效率低成為阻礙我國農業發展的原因之一，因此精確量化玉米需水量和缺水量既可以為玉米栽培管理制定灌溉制度提供依據，也可以為農田水利工程設計提供基本參數，對農業水資源分配和農業發展具有重要意義。

玉米需水量是指玉米生長期間在適宜的土壤水分條件下的棵間蒸發量與葉面蒸騰量的總和，是玉米本身生物學特性與環境條件綜合作用的結果，玉米需水量在空間和時間上存在變異性和規律性[8-10]。玉米需水量和缺水量是玉米生育期水分管理的依據，一些學者從生產角度分析了不同區域玉米需水量及其影響因素，對于指導區域玉米生產發揮了很大的作用。例如，劉曉英等[11]通過單作物系數法分析了華北平原夏玉米近50年作物需水量的變化趨勢和原因。康紹忠等[12]應用1961—2001年關中地區30個氣象站的氣象數據，研究了關中地區夏玉米需水量與相應生育期內氣候因子的變化趨勢，分析了氣候變化對玉米需水量的影響。郭曉麗等[13]通過旬值作物系數法分析了內蒙古中部地區24個站點1971—2015年春玉米水分虧缺時空特征。楊曉琳等[6]利用SIMETAW模型分析了黃淮海農作區各亞區1965—2009年玉米需水量和影響因素。李喜平[14]通過各生育階段作物系數分析了河南省30個氣象站點1961—2011年夏玉米生長季水分供需時空變化特征。很多研究結果都表明玉米需水量呈下降趨勢[6,8-12]，但由于研究區域和時間尺度、評價缺水的指標方法不一致等原因，不利于分析區域間玉米水分盈虧的時空變化差異。不同站點用同一套作物系數也忽略了站點間氣候條件的差異，在大區域尺度研究中降低了結果的可靠性，且前人的研究以區域性的分析較多[6,11-14]，而對于我國玉米整體分析的研究報道較少。鑒于此，本研究利用558個標準氣象站點的氣象數據，分析1961—2020年我國不同玉米產區的玉米生育期需水量、生育期內有效降水量和生育期缺水量的空間分布特征和變化趨勢，旨在明確不同區域玉米需水量的時空變化，以期為我國不同玉米產區的玉米灌溉管理提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域

按照《中國農作制》[15]劃分的農作制綜合分區，將我國劃分為10個農作區，包括東北平原山區半濕潤溫涼一熟農林區(簡稱東北農林區，DB)、黃淮海平原半濕潤暖溫灌溉集約農作區(簡稱黃淮海平原農作區，HHH)、長江中下游沿海平原丘陵濕潤中熱水田集約農作區(簡稱長江中下游平原農作區，CZ)、江南丘陵山地濕潤中熱水田二三熟農林區(簡稱江南丘陵農林區，JN)、華南濕熱雙季稻與熱作農林區(簡稱華南農林漁區，HN)、北部低中高原半干旱涼溫旱作兼放牧區(簡稱北部中低高原農牧區，BB)、西北干旱中溫綠洲灌溉農作區兼荒漠放牧區(簡稱西北農牧區，XB)、四川盆地濕潤中熱麥稻二熟集約農區(簡稱四川盆地農作區，SC)、西南中高原山地濕熱水旱二熟粗放農林區(簡稱西南中高原農林區，XN)、青藏高原干旱半干旱高寒牧區兼河谷一熟農作區(簡稱青藏高原農林區，QZ)，見圖1。本研究區域包含31個省、直轄市和自治區(不含香港和澳門特別行政區及臺灣省)，因青藏高原農林區的玉米播種面積和產量占比較低(約0.1%)，故本研究中暫不包含青藏高原農林區。

中國地圖的審圖號為GS(2019)1822號農作區劃分參照《中國農作制》[15]。DB，東北平原山區半濕潤溫涼一熟農林區(簡稱東北農林區)；HHH，黃淮海平原半濕潤暖溫灌溉集約農作區(簡稱黃淮海平原農作區)；BB，北部低中高原半干旱涼溫旱作兼放牧區(簡稱北部中低高原農牧區)；XB，西北干旱中溫綠洲灌溉農作區兼荒漠放牧區(簡稱西北農牧區)；CZ，長江中下游沿海平原丘陵濕潤中熱水田集約農作區(簡稱長江中下游平原農作區)；JN，江南丘陵山地濕潤中熱水田二三熟農林區(簡稱江南丘陵農林區)；HN，華南濕熱雙季稻與熱作農林區(簡稱華南農林漁區)；SC，四川盆地濕潤中熱麥稻二熟集約農區(簡稱四川盆地農作區)；XN，西南中高原山地濕熱水旱二熟粗放農林區(簡稱西南中高原農林區)；QZ，青藏高原干旱半干旱高寒牧區兼河谷一熟農作區(簡稱青藏高原農林區)。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.圖1 研究區域Fig.1 Study area

1.2 數據來源

1.2.1氣象數據

氣象數據來自國家氣象科學數據共享平臺(中國氣象數據網，http:∥data.cma.cn/)的“中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)”[16]，共包括558個氣象站點(圖1)1961—2020年的逐日氣象數據，選取降水量、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時數和平均風速等6個氣象指標。

1.2.2玉米生育期數據

將玉米分為春玉米和夏玉米，玉米生育期數據來自崔讀昌等[17]、梅旭榮等[18]以及國家氣象科學數據共享平臺[19]。

1.2.3GIS地圖和耕地柵格數據

2015年耕地柵格數據，以及全國省、直轄市、自治區和縣級行政區邊界圖，均來源于中國科學院資源環境科學與數據中心的資源環境數據云平臺(http:∥www.resdc.cn)。

1.3 研究方法

1.3.1需水量和水分虧缺

作物需水量是在理想的生長條件下，作物從種植到收獲所需的蒸散發(即植株蒸騰與棵間土壤蒸發之和)。假定作物在最優條件下生長，此時作物的全生育期蒸散發ETC也即作物耗水量CWU，mm，與作物的需水量CWR相等[20]，即：

CWR=CWU=ETC=KC×ET0

(1)

式中：KC為作物系數，由作物特性和土壤的平均蒸發效應決定；ET0為參考作物蒸散發，mm,由氣候因素決定。采用聯合國糧農組織(FAO)推薦的Penman-Monteith[21]方法計算ET0，其具體公式為：

(2)

式中：Rn，作物表面的凈輻射，MJ/(m2·d)；G，土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T，平均2 m高度處的空氣溫度，℃；U2，2 m風速，m/s；es,飽和水汽壓，kPa；ea,實際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-氣溫關系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；γ為濕度計常數，kPa/℃。

根據來源可以把作物消耗的水分成兩部分，即有效降水部分ETr和灌溉部分ETi，其每日值計算公式分別為：

ETr=min(ETC,Peff)

(3)

ETi=max(0,ETC-Peff)

(4)

式中：Peff，自然降水的有效部分，mm，利用分段系數法計算：

(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積，計算公式為：

(6)

(7)

CWR=CWRr+CWRi

(8)

式中：n，作物全生育期天數。研究無灌溉下各區域玉米的水分盈虧狀態，因此將灌溉需水量CWRi也稱作水分虧缺量，mm。

1.3.2作物系數KC

本研究采用聯合國糧農組織(FAO)于1998年提出的作物系數計算方法[21]，并根據氣候和作物高度的數據進行了修正。此方法將各種作物的生育期劃分為初始生長期、快速發育期、生長中期和生長后期4個時期，并對以上每段時期的作物系數進行規定。初始生長期為作物從播種到冠層覆蓋率接近10%的時期，在這個階段內作物系數認定為常數KCini；快速發育期是作物的冠層覆蓋率從10%達到最大值，在此時期作物系數線性增加，從常數KCini增加至常數KCmid；生長中期從作物達到最大冠層覆蓋開始持續到作物進入生長后期，在這一時期，作物系數認定為常數KCmid；生長后期從作物葉片變黃、冠層衰退開始直到生理成熟，這一時期作物系數線性減小，從常數KCmid減小到常數KCend。

通常情況下，FAO推薦的KC代表標準半濕潤條件(最小相對濕度約為 45%，U2約為2 m/s)下的平均值。在不同區域使用時需要根據當地土壤、氣候和作物高度的數據進行修正[22]。根據研究區域內各站點的氣候條件對FAO推薦的KC值進行了修訂，修訂公式[23]如下：

(9)

式中：KC(tap)，作物不同生育時期的標準作物系數(來自FAO-56[21])；RHmin，該生育時期日最低相對濕度的平均值，%；h，該生育時期內作物的平均高度，m。對于日最低相對濕度缺測部分，RHmin可以用以下公式計算:

(10)

(11)

基于以上公式，編寫R語言程序，并利用此程序對各站點玉米的作物需水量、有效降水量進行計算。

1.3.3空間分析

采用ArcGIS 10.2軟件對計算得到的玉米需水量和有效降水量數據進行空間插值，將離散點的數據轉換為連續的數據曲面，所用插值方法為反距離權重法(Inverse Distance Weighing，IDW)。插值分析的具體過程為：首先利用R語言計算各站點玉米需水量、有效降水量和水分虧缺量，然后利用ArcGIS反距離權重插值將站點數據插值為全國柵格數據，最后利用ArcGIS統計分析功能計算每個縣區的玉米需水量、有效降水量和水分虧缺量，將結果導出并進行下一步分析。

2 結果與分析

2.1 1961—2020年玉米需水量及水分盈虧的空間分布

由圖2可知，1961—2020年玉米需水量在空間分布上，區域間差異比較明顯。全國玉米的需水量在285～987 mm/年，高值區主要位于西北農牧區和北部中低高原農牧區，>550 mm/年；低值區位于長江中下游平原農作區、江南丘陵農林區、華南農林漁區、西南中高原農林區和四川盆地農作區，≤400 mm/年。夏玉米主要分布在黃淮海平原農作區，總體來說，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間上呈現從東南到西北逐漸減小的分布格局(圖2(b))，西北農牧區春玉米生育期的有效降水量最小。水分盈虧是由玉米需水量和有效降水量兩方面因素決定的，一般來說，有效降水量較低的地區水分虧缺較高。全國玉米水分虧缺量的空間分布，與有效降水量分布相反，西北農牧區遠高于降水量多的江南丘陵農林區(圖2(c))。

圖2 玉米生育期內需水量(a)、有效降水量(b)和水分虧缺量(c)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of maize water requirement (a), effective precipitation (b) and water deficit (c) in maize growth period

2.2 1961—2020年不同區域玉米需水量及水分盈虧的時空變化特征

由圖3可知，春玉米全生育期需水量在不同的區域間差異明顯。1961—2020年全國春玉米的需水量平均為468 mm/年。西北農牧區需水量的平均值最高，699 mm/年，其次為北部中低高原農牧區和東北農林區，分別為566和496 mm/年，江南丘陵農林區和華南農林漁區的玉米需水量最低，分別為356和375 mm/年。1961—2020年，四川盆地農作區、西南中高原農林區、華南農林漁區和江南丘陵農林區的玉米生育期需水量呈現增加趨勢，長江中下游平原農作區呈下降趨勢，東北農林區、西北農牧區和北部中低高原農牧區沒有明顯的變化。此外，春玉米的需水量在不同區域間的變異系數也有很大差異，1961—2020年春玉米全生育期需水量的變異系數介于3.1%～10.4%，其中華南農林漁區和四川盆地農作區變異系數較大，分別為10.4%和9.0%，變異系數說明該農作區的春玉米作物需水量呈現較大的年際變化。西北農牧區和北部中低高原農牧區玉米需水量變異系數較小，分別為3.1%和3.9%。

SPM，春玉米區；SUM，夏玉米區。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.圖3 1961—2020年不同區域玉米需水量、有效降水量和水分虧缺的均值及變化Fig.3 The maize water requirement, effective precipitation and water deficit of different regions from 1961 to 2020

從玉米生育期內有效降雨量來看，不同區域間也存在明顯的差異。全國春玉米有效降水量平均為312 mm/年，長江中下游平原農作區、西南中高原農林區和四川盆地農作區的有效降水量較高，多年平均值分別為380、366和357 mm/年，東北農林區玉米生育期較長，有效降水量達到350 mm/年，而北部中低高原農牧區和西北農牧區有效降雨量較少，多年平均值分別為242和61 mm/年。1961—2020年，華南農林漁區、江南丘陵農林區、四川盆地農作區和西南中高原農林區玉米生育期的有效降雨量呈現增加趨勢，其他農作區有效降水量變化不明顯。

春玉米的水分盈虧在不同區域間也有明顯的差異。全國春玉米水分虧缺平均為156 mm/年，與有效降水量的空間分布相反。西北農牧區的水分虧缺量遠高于其他玉米生產區，其均值高達638 mm/年，其次為北部中低高原農牧區和東北農林區，水分虧缺量分別為324和145 mm/年。相對于上述3個農作區，長江中下游平原農作區、江南丘陵農林區、華南農林漁區、四川盆地農作區和西南中高原農林區的玉米水分虧缺量較低，分別為40、3、36、27和45 mm/年。從變化趨勢看，長江中下游平原農作區、華南農林漁區和西北農牧區的水分虧缺值下降，其他幾個區域不變或增加，其中北部中低高原農牧區水分虧缺值增加最多，其次為四川盆地農作區和西南中高原農林區。1961—2020年，春玉米的水分虧缺量平均約占需水量的33.3%，西北農牧區、北部中低高原農牧區和東北農林區高于其他農作區，其中西北農牧區水分虧缺量占比最高，為91.3%；江南丘陵農林區最低，為0.8%。

相對于春玉米，夏玉米的需水量在區域間的差異不明顯。夏玉米的需水量全國平均值為326 mm/年，要遠遠低于春玉米(468 mm/年)的需水量(圖3)。和春玉米不同，我國夏玉米分布比較集中，主要分布在黃淮海平原農作區，其他區域分布較少，只有零星分布。夏玉米生育期內有效降雨量為281 mm/年，水分盈虧量為45 mm/年，即需要補充的灌水量為45 mm/年，低于東北農林區、北部中低高原農牧區和西北農牧區的春玉米灌溉需水量。隨著時間推移，夏玉米生育期作物需水量整體呈現下降的趨勢，與1961—1990年相比，1991—2020年下降了3.5%。同時，夏玉米生育期有效降水量和水分虧缺量也逐漸下降。

3 討 論

玉米是我國最重要糧食作物之一，對于我國糧食安全發揮了不可替代的作用。由于玉米在我國種植分布廣、面積大，各種氣候類型區都有種植，不同區域玉米的生育期內積溫、日照和降雨等自然條件存在較大差異，導致不同區域玉米需水量和水分盈虧也存在較大差異，本研究結果可以為不同地區制定玉米栽培灌溉制度提供依據。與魏新光等[7]、郭曉麗等[13]和孫璐等[24]研究相比，本研究不僅對我國不同玉米產區的需水量、有效降雨量和水分盈虧的空間分布格局做了研究，還重點揭示了其在不同區域的變化趨勢。由于研究區域范圍大，區域氣候類型和種植方式都存在差異，因此全國玉米生育期內需水量呈現明顯的區域差異，玉米生育期內有效降水量和水分盈虧在不同區域間也有明顯的差異。總體來說，玉米生育期內有效降水量與我國降水分布相一致，其在空間上呈現從東南到西北逐漸減小的趨勢。而水分盈虧是由需水量和有效降水量兩方面的因素決定的，有效降水量較低的地區水分虧缺較高，因此不同玉米產區的水分盈虧存在很大的差異，即不同區域玉米的灌溉需水量是不同的，這與魏新光等[7]、劉小剛等[9]和孫璐等[24]的研究結論一致。

本研究分析了1961—2020年不同區域玉米需水量和水分虧缺的變化趨勢，發現二者的變化在區域間沒有一致性，例如需水量在四川盆地農作區、西南中高原農林區、華南農林漁區和江南丘陵農林區是增加的，而在黃淮海平原農作區和長江中下游平原農作區是減少的，其他區基本不變，水分虧缺在長江中下游平原農作區、華南農林漁區、西北農牧區和黃淮海平原農作區是下降的，北部中低高原農牧區、四川盆地農作區和西南中高原農林區是增加的，東北農林區基本不變。這種變化的不一致性可能由多種因素導致的，不同區域氣候因素的變化是不同的，劉小剛等[9]的研究結果表明氣溫對河南省夏玉米需水量的影響最大，需水量對日照時數的變化最敏感；而康紹忠等[12]的研究結果說明風速和日照時數的降低是關中地區玉米需水量減少的主要原因，玉米需水量和降水、相對濕度均呈顯著負相關；楊曉琳等[6]的研究結果則表明太陽輻射是影響黃淮海區域玉米需水量的首要因素。由于研究范圍廣，不同區域影響玉米水分盈虧的氣候因素和程度不同，再加上區域間氣候變化的差異性，例如有的區域降水增加，而有的區域降水減少，有的區域日照增加，有的區域日照減少，這些因素綜合作用導致不同區域玉米的需水量和水分虧缺量的變化呈現不同的趨勢[4,12,25]。本研究重點分析了不同區域玉米需水量的時空分布特征，由于涉及區域和氣象站點多，分析年限長，對于影響不同區域玉米需水量的氣候驅動因素還有待進一步的研究。

4 結 論

1)全國玉米生育期內作物需水量呈現明顯的區域差異，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別為468和326 mm/年。其中西北農牧區、北部中低高原農牧區和東北農林區為春玉米需水量高值區，分別為699、566和496 mm/年，黃淮海平原農作區主要為夏玉米，其需水量要小于其他玉米主產區。

2)玉米的水分盈虧在不同區域間也有明顯的差異，各區域的水分虧缺量在3～638 mm/年。西北農牧區春玉米的水分虧缺量最高，其均值高達638 mm/年，其次為北部中低高原農牧區和東北農林區，水分虧缺量分別為324和145 mm/年。從水分虧缺量變化趨勢來看，長江中下游平原農作區、華南農林漁區和西北農牧區的春玉米水分虧缺量呈下降趨勢，北部中低高原農牧區、四川盆地農作區和西南中高原農林區春玉米水分虧缺量呈現增加趨勢，夏玉米水分虧缺量呈下降趨勢。

3)1961—2020年春玉米全生育期需水量存在年際間的變化，區域差異同樣較為明顯。其中華南農林漁區和四川盆地農作區變異系數較大，分別為10.4%和9.0%，變異系數說明該地區的春玉米作物需水量呈現較大的年際變化。西北農牧區和北部中低高原農牧區較小，分別為3.1%和3.9%。