魏新光，王鐵良※，李 波，劉守陽，姚名澤，解 影，鄭思宇，景竹然

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遼寧省玉米地水分盈虧時(shí)空分布特征及灌溉模式分區(qū)研究

魏新光1，王鐵良1※，李 波1，劉守陽2，姚名澤1，解 影1，鄭思宇1，景竹然1

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，沈陽 110866； 2. 法國國家農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院地中海氣候與農(nóng)業(yè)水文過程模擬實(shí)驗(yàn)室，阿維尼翁 453003）

根據(jù)不同區(qū)域農(nóng)作物需水規(guī)律和水資源供需狀況，對(duì)區(qū)域內(nèi)干旱區(qū)域類型、水分盈虧特性與干旱發(fā)生頻率等進(jìn)行綜合分析和科學(xué)區(qū)劃，對(duì)于提高整個(gè)地區(qū)（流域）農(nóng)作物水分利用效率和水資源高效利用具有重要意義。該文基于遼寧省27個(gè)氣象站1955—2014年逐日氣象數(shù)據(jù)和玉米生長發(fā)育資料，對(duì)遼寧省不同玉米種植區(qū)域玉米生育期的需水過程、需水量、灌溉需水量、水分盈虧指數(shù)（crop water surplus deficit index，CWSDI）、干旱發(fā)生頻率等的時(shí)空分布特征進(jìn)行深入研究，得到以下結(jié)論：遼寧省不同區(qū)域玉米逐月需水量均呈現(xiàn)單峰變化趨勢(shì)，7月需水量最大，全省生育期總需水量在335～391 mm之間；不同水文年玉米需水虧缺量在0～220 mm之間；CWSDI和干旱發(fā)生頻率在全省的空間分布規(guī)律類似，綜合兩指標(biāo)的數(shù)值分布特征，將遼寧省玉米灌區(qū)劃分為干旱區(qū)和易旱區(qū)2種類型，并結(jié)合不同水文年型玉米灌溉制度，將遼寧省玉米種植區(qū)劃分為7種灌溉模式。該研究成果可以為遼寧省區(qū)域農(nóng)業(yè)用水區(qū)劃與管理提供理論依據(jù)。

需水量；灌溉；干旱；作物水分盈虧指數(shù)；玉米

0 引 言

根據(jù)區(qū)域農(nóng)業(yè)布局、水資源分布狀況和氣象環(huán)境等特征，制定科學(xué)合理的灌溉制度和灌溉方式，對(duì)于提高區(qū)域水資源利用率、保障區(qū)域糧食安全具有重要意義[1]。玉米作為遼寧省第一大農(nóng)作物，在全省的13個(gè)地市均有分布。截止2015年，全省玉米種植面積達(dá)329.7×104hm2，產(chǎn)量2202.2×104t，約占全國總播種面積和總產(chǎn)量的8.6%和9.0%[2]。玉米作為遼寧省最主要的糧食作物和農(nóng)業(yè)用水大戶，對(duì)其水分供需特征、水量盈虧狀況進(jìn)行系統(tǒng)分析，并制定科學(xué)合理的灌溉制度與方式，進(jìn)而進(jìn)行分區(qū)灌溉勢(shì)在必行[3]。灌溉分區(qū)常用方法主要有：經(jīng)驗(yàn)法、指標(biāo)法、重疊發(fā)、聚類分析法等[4-6]。研究指標(biāo)主要有：作物參考蒸散量、作物需水量（evapotranspiration，ET）、灌溉需水量、作物水分盈虧指數(shù)（crop water surplus deficit index，CWSDI）、干旱發(fā)生頻率、濕潤指數(shù)、干燥指數(shù)等[7-9]。在區(qū)域尺度上進(jìn)行灌溉分區(qū)，前人有不少研究成果，康紹忠等[10]利用陜西省主要灌區(qū)灌溉資料和氣象數(shù)據(jù)，確定了陜西省玉米需水量等值線圖，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合灌區(qū)灌溉制度，將陜西全省玉米種植區(qū)劃分為10個(gè)類型。高曉容等[11]對(duì)東北地區(qū)1961—2010年玉米生育階段的旱澇指數(shù)進(jìn)行分析，并基于旱澇發(fā)生頻率對(duì)東北地區(qū)玉米種植區(qū)域進(jìn)行分區(qū)。但這些區(qū)域特征和遼寧省差異較大。在全國尺度上，吳景社等[3]采用主成分和模糊聚類法，將全國節(jié)水灌區(qū)分為8大類型。仇寬彪等[12]利用遙感數(shù)據(jù)對(duì)中國蒸散比時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行研究，確定了不同時(shí)間段蒸散比較大的地區(qū)，并確定影響該因子變化的主要驅(qū)動(dòng)因素。申雙和等[13]基1975—2004年長時(shí)間氣象序列，對(duì)中國濕潤指數(shù)時(shí)空分布狀況進(jìn)行分析，并利用該指數(shù)將中國濕潤類型劃分為5個(gè)區(qū)域，但這些研究成果的空間尺度過大。遼寧省氣候類型復(fù)雜，水資源分布不均，物候條件差異較大。本文研究遼寧省玉米水分盈虧時(shí)空分布特征并對(duì)全省不同區(qū)域的灌溉模式進(jìn)行分區(qū)，旨在為提高全省的玉米產(chǎn)量和水分利用效率、促進(jìn)區(qū)域水資源高效利用、保障遼寧省玉米產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取遼寧省13個(gè)市的27個(gè)氣象站為代表站點(diǎn)（圖1），研究所用數(shù)據(jù)有：1）各站點(diǎn)經(jīng)緯度、高程信息；2）1955—2014年逐日氣象要素（最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、風(fēng)速、降水量、日照時(shí)數(shù)、水氣壓），基本氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心資料室；3）遼寧省玉米物候期、生長發(fā)育狀況，根據(jù)文獻(xiàn)[14]確定。

圖1 研究區(qū)域與氣象站點(diǎn)分布

1.2 玉米需水量的確定

玉米生育階段和全生育期需水量（evapotranspiration，ET）采用式（1）和式（2）確定：

ET=K·ET0i（1）

式中ETi為玉米第生育階段需水量，mm；ET為全生育期需水量，mm；K為第生育階段作物系數(shù)；ET0i為第生育階段參考作物蒸發(fā)蒸騰量。玉米不同生育階段ET的確定采用FAO-56推薦的P-M公式[15]進(jìn)行確定，遼寧省不同區(qū)域分生育階段作物系數(shù)K采用李晶等[16]研究成果確定。

1.3 玉米生育期灌溉需水量的確定

玉米生育期灌溉需水量采用水量平衡方程[17]進(jìn)行計(jì)算。由于玉米種植區(qū)域?yàn)楹堤?，絕大部分區(qū)域地下水埋深大于3 m，基本不考慮地下水補(bǔ)給。此外，東北地區(qū)玉米非生育期氣溫較低，大部分時(shí)期屬于土壤封凍時(shí)期，土壤水分狀況較為穩(wěn)定，春季解凍期積雪融化與土壤蒸發(fā)會(huì)對(duì)土壤水分狀況造成一定影響，但尚缺乏較為完整的全省尺度非生育期土壤水分盈虧數(shù)據(jù)。高歌等[18]的研究發(fā)現(xiàn)，遼河流域冬春季月土壤水分虧缺量在 0～10 mm之間。張淑杰等[19]發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)整個(gè)冬季水分虧缺量在10～40 mm之間，由此可見東北地區(qū)土壤水分虧缺量并不大，同時(shí)由于研究區(qū)域類型復(fù)雜，非生育期盈虧量空間差異明顯，且不易監(jiān)測(cè)。為研究方便，非生育期土壤水分盈虧量近似取0，這會(huì)使得玉米需灌水量在一定程度被低估，最多低估40 mm。生育期有效降水量0采用式（3）確定。

0=·P（3）

式中P為降水量，mm；為降水入滲系數(shù)，受土壤性質(zhì)、地面覆蓋、地形、一次降水量、降水強(qiáng)度及降水延續(xù)時(shí)間等因素影響。一次降水量<5 mm時(shí)，為0；當(dāng)一次降水時(shí)在5～50 mm時(shí)，約為0.9；當(dāng)次降水量>50 mm時(shí)，為0.8[20]。

1.4 玉米水分盈虧指數(shù)與旱澇等級(jí)的確定

作物水分虧缺指數(shù)[21]是以生育期需水量為需水指標(biāo)，以有效降雨量為供水指標(biāo)，來表征水分虧缺程度。基于該指數(shù)構(gòu)建玉米生育期水分盈虧指數(shù)（crop water surplus deficit index，CWSDI）：

CWSDI=(0-ET)/ET （4）

當(dāng)CWSDI>0時(shí)，表示玉米生育期水分盈余，當(dāng)CWSDI=0時(shí)，表示玉米生育期水分供需平衡，當(dāng)CWSDI<0時(shí)，表示玉米生育期水分虧缺。由于水分盈虧指數(shù)能夠真實(shí)反映作物供水量和需水量的平衡關(guān)系，可以較好地表征農(nóng)田的濕潤程度與旱澇狀況[21]。參考前人基于水分虧缺指數(shù)的旱澇等級(jí)劃分[11,21]，并結(jié)合遼寧玉米生育階段災(zāi)情統(tǒng)計(jì)資料[22]，確定遼寧玉米生育階段玉米水分盈虧指數(shù)的旱澇等級(jí)，如表1所示。

表1 基于水分盈虧指數(shù)的遼寧省玉米旱澇等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用SPSS13.5進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析，采用Excel2007、ArcGis10.2進(jìn)行相關(guān)圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期需水量與水量盈虧

2.1.1 玉米生育期需水規(guī)律

為了較為全面地研究遼寧全省不同區(qū)域玉米生育期ET變化規(guī)律，在遼寧的東部、西部、南部、北部和中部分別選?。ǖ|、葉柏壽、大連、開原和沈陽）5個(gè)代表站點(diǎn)，對(duì)其逐月ET進(jìn)行分析。圖2為玉米生育期需水量逐月ET變化，由圖2可知，遼寧省不同區(qū)域ET變化規(guī)律基本一致，均呈單峰變化趨勢(shì)。在生育初期的5月份，不同區(qū)域ET值均較小，除遼南外，其他區(qū)域均無顯著差異（>0.05），而生育的中、后期（7—9月）遼西地區(qū)玉米ET均最大，特別是7月ET超過140 mm，其他地區(qū)則差異不顯著。

2.1.2 玉米全生育期ET空間分布

遼寧省不同地區(qū)全生育期ET變化如圖3所示，由圖3可知，全省ET變化范圍在335~391 mm， ET較大的地區(qū)主要集中在遼寧西部（ET≥380 mm），遼東的東部次之，遼寧北部、中部、南部和遼東大部需水量均較小，其中遼南南部最?。‥T<345 mm）。ET值波動(dòng)較大的地區(qū)集中在環(huán)渤海的遼寧中南部，其年際變化超15 mm，而遼寧東部和西部ET比較穩(wěn)定，年際變化一般在8 mm以下。

注：同一月份不同小寫字母表示區(qū)域間差異顯著（P<0.05）。

圖3 遼寧省玉米全生育期需水量空間分布

2.1.3 玉米全生育期水量盈虧

為了準(zhǔn)確評(píng)估遼寧省玉米水分供需情況，按照生育期降水頻率將研究年份劃分為4種典型水文年：濕潤年（=25%）、中水年（=50%）、干旱年（=75%）、特旱年（=90%）。圖4為遼寧省玉米全生育期水量盈虧空間分布，由圖4可知，不同水文年型下，玉米生育期水量盈虧狀況存在較大差異。在特旱年，僅遼寧東南部水量略有盈余，其他地區(qū)均出現(xiàn)水分虧缺，最大虧缺值達(dá)220 mm。隨著降水量的增加（水文年型由干旱向濕潤變化），水分虧缺區(qū)域逐漸向遼寧西北部收縮。在濕潤年，僅遼西西部出現(xiàn)水分虧缺，虧缺量在0～50 mm之間，而其他地方的降水量均能滿足玉米生育期耗水需求。

2.2 玉米生育期灌溉制度與灌溉模式。

遼寧省玉米一般4月底、5月初開始播種、9月下旬開始收獲，全生育期約為140～150 d，玉米生育期發(fā)育進(jìn)程較快，對(duì)水分需求緊迫，短期內(nèi)的干旱就可能造成難于挽回的損失，尤其是拔節(jié)、孕穗和開花階段，短期的水分虧缺就會(huì)造成嚴(yán)重的減產(chǎn)甚至絕收[10,23]。玉米的播種期土壤水分狀況也對(duì)水玉米產(chǎn)量形成比較明顯的影響[24]。所以這幾個(gè)生育期是玉米灌溉需水的關(guān)鍵期?？到B忠等[10]認(rèn)為，當(dāng)灌溉水補(bǔ)給不足時(shí)，應(yīng)以保種（播種期）、?；ǎㄩ_花期）和蓄墑灌溉為重點(diǎn)。根據(jù)遼寧省玉米灌溉需水規(guī)模在0～220 mm的現(xiàn)狀（圖4），考慮到遼寧省玉米水分虧缺嚴(yán)重的地區(qū)主要集中于遼西，水源取水緊張的特點(diǎn)，參考遼寧省玉米水分敏感期相關(guān)研究成果[25]，以及康紹忠等[10]春玉米非充分灌溉制度研究成果，補(bǔ)水灌水規(guī)?？刂圃?0～135 mm之間，次灌水定額30～40 mm之間，保證玉米在極端干旱情況下（特旱年），灌水量135 mm（灌溉保證率為0.65）。在水源地比較豐富的地區(qū)，可以采用充分灌溉，當(dāng)水源不足時(shí)可以采用非充分灌溉（灌溉保證率≥0.65）。據(jù)此，制定出遼寧省不同水文年玉米灌溉制度，如表2所示，4種水文年型下的灌溉定額分別為40、80、120和135 mm。

注：Pp為水文頻率，下同。

表2 不同水文年遼寧省推薦玉米灌溉制度

根據(jù)玉米生育期水量盈虧研究成果（圖4），以及玉米灌溉制度（表2），確定了不同水文年遼寧省不同區(qū)域的灌溉制度空間分布如圖5所示。由圖5可知，在濕潤年（圖5a），僅遼西的西部可采用A類灌溉制度。其他地方均無需灌溉；在中水年（圖5b），遼西大部地區(qū)均需進(jìn)行灌溉，其中遼西的西部需要采用B類灌溉制度，其余地區(qū)可采用A類灌溉制度；在干旱年（圖5c），遼寧中東部、遼東和遼南東部無需進(jìn)行灌溉，其余地區(qū)均應(yīng)進(jìn)行灌溉，其中遼西西部和北部應(yīng)采取類C灌溉制度；在特旱年（圖5b）僅遼東東部無需灌溉，其他地區(qū)均存在不同程度缺水，需要進(jìn)行灌溉補(bǔ)水，其中在遼西的西部和北部地區(qū)還應(yīng)采用D類灌溉制度。

圖5 遼寧省不同水文年玉米灌溉制度分區(qū)

2.3 基于作物CWSDI的玉米干旱類型區(qū)劃

2.3.1 玉米CWSDI的時(shí)間變化

根據(jù)式（4）得到遼寧省不同區(qū)域CWSDI年際變化如圖6所示，由圖6可知，不同地區(qū)CWSDI變化規(guī)律差異較大，遼東地區(qū)CWSDI普遍>0，僅在個(gè)別年份<0，且年際變化劇烈。其中，1985年其值超過2.5，水分供給遠(yuǎn)大于需求，說明本區(qū)域水資源較為充沛，僅在個(gè)別年份出現(xiàn)供水量不足，基本不出現(xiàn)水量虧缺。遼西地區(qū)和遼東地區(qū)差異較大，不僅普遍CWSDI <0，而且大部分年份CWSDI<-0.30，個(gè)別年份CWSDI<-0.45。說明遼西地區(qū)輕度和中度干旱均較為普遍，重度干旱也時(shí)有發(fā)生。

注：CWSDI表示作物水分盈虧指數(shù)，下同。

2.3.2 玉米CWSDI的空間分布

將全省各典型站點(diǎn)1955—2014年CWSDI數(shù)據(jù)進(jìn)行多年平均，并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到其空間分布與變異狀況如圖7所示。由圖7可知，遼西大部分地區(qū)CWSDI<0，遼西西部甚至<–0.14，由此可見該區(qū)大部分普遍存在缺水，西部局地比較嚴(yán)重。但是由于該值年際波動(dòng)（圖7b）較為劇烈（全省普遍>0.48，遼東東部甚至>0.54），也就是說該等值線年際漂移范圍過大，單純根據(jù)多年平均的CWSDI值進(jìn)行干旱區(qū)域劃分誤差較大。為此筆者對(duì)不同類型干旱發(fā)生頻率進(jìn)行進(jìn)一步分析。

圖7 遼寧省玉米水分盈虧指數(shù)空間分布

2.3.3 干旱發(fā)生頻率空間分布

根據(jù)表1旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)確定的旱澇等級(jí)，選取輕旱、中旱和重旱3種干旱等級(jí)進(jìn)行重點(diǎn)分析。輕旱發(fā)生頻率[26]，即為總研究序列（1955—2014年共60 a）中，輕旱發(fā)生次數(shù)與總研究年數(shù)的比值。將計(jì)算得到的頻率值用反距離加權(quán)插值法進(jìn)行空間插值，即可得到本區(qū)域輕旱、中旱、重旱發(fā)生頻率的空間分布，如圖8a所示。中旱和重旱發(fā)生頻率計(jì)算方法亦然，得到空間分布如圖8b和8c所示。從輕旱發(fā)生頻率的空間分布來看（圖8a）除遼東南一帶不發(fā)生輕度干旱，其他大部分地區(qū)（清源、岫巖、莊河一線以西地區(qū)）均會(huì)發(fā)生輕度干旱，特別是遼西大部、遼北的大部分地區(qū)，輕度干旱的頻率超過0.5，大約2a發(fā)生1次小旱；發(fā)生中度干旱的地區(qū)（圖8b）主要集中于遼寧西部，北部和遼中與遼南的西部，西豐、沈陽、瓦房店一線以西區(qū)域，由東南向西北發(fā)生頻率依次增加。其中遼西和遼西北地區(qū)中旱發(fā)生頻率>0.3，該地大約3a 發(fā)生1次中旱；發(fā)生重度干旱的地區(qū)主要集中于遼寧西部和西北部，彰武，義縣、建昌一線以西的地區(qū)。該區(qū)域大部分地區(qū)中旱頻率超過0.1，總體而言，遼寧西部和西北部的大部分地區(qū)2a發(fā)生1次小旱，3a發(fā)生1次中旱，10a發(fā)生1次大旱。

綜合圖7a、圖8可知，CWSDI值和干旱發(fā)生頻率空間分布規(guī)律基本類似。且輕度干旱發(fā)生頻率≥0.45，中度干旱發(fā)生頻率≥0.28，重度干旱發(fā)生頻率≥0.12和CWSDI≤0的地區(qū)基本重合，所以筆者將滿足以上條件之一的地區(qū)均定義為干旱區(qū)（圖9），該區(qū)主要集中于遼寧西部和西北部，水資源整體供小于求，而且經(jīng)常出現(xiàn)中度干旱。從圖7b和圖8可以看出，輕度干旱發(fā)生頻率≥0.1的區(qū)域和CWSDI≤0.45的地區(qū)也基本重合，將滿足2個(gè)條件之一、且干旱區(qū)以外地區(qū)定義為易旱區(qū)（圖9），該區(qū)域主要集中于遼北、遼中大部以及遼東西部，區(qū)域水資源供需基本平衡，容易出現(xiàn)輕旱，但不會(huì)出現(xiàn)澇田現(xiàn)象。綜上所述，遼寧省玉米種植區(qū)共可劃分為干旱區(qū)、易旱區(qū)和不旱區(qū)3塊區(qū)域，其中需要進(jìn)行補(bǔ)充灌溉的是干旱區(qū)和易旱區(qū)2個(gè)區(qū)域。

圖8 遼寧省玉米生育期干旱發(fā)生頻率空間分布

圖9 遼寧省玉米種植區(qū)干旱類型劃分

2.4 玉米生育期灌溉模式分區(qū)

根據(jù)圖9可知，遼寧省干旱類型可以劃分為（干旱區(qū)和易旱區(qū)）2種類型區(qū)域，而各區(qū)域均存在4種灌溉制度，因而理論上可以形成8種研究區(qū)域與灌溉制度的組合，即形成8種灌溉模式。但是灌溉制度的實(shí)際執(zhí)行，需要依據(jù)水文年型進(jìn)行劃分，由于不同水文年型下，灌溉制度的執(zhí)行區(qū)域存在變化（圖5），因而不同水文年型下，灌溉模式出現(xiàn)頻率不一致。在特旱年出現(xiàn)的灌溉模式最多，為6種，在濕潤年出現(xiàn)的模式最少，僅有1種，即干旱區(qū)A灌溉制度。4種水文年型實(shí)際上共出現(xiàn)了7種灌溉模式，不同水文年型出現(xiàn)的灌溉模式如表3所示。結(jié)合不同水文年灌溉模式（表3）和干旱區(qū)劃分（圖9），得到了遼寧省玉米種植區(qū)灌溉模式的空間分布如圖10所示。

表3 遼寧省不同水文年玉米灌溉模式

圖10 遼寧省玉米灌溉模式分區(qū)

由圖10可知，濕潤年僅有1種灌溉模式I，分布在遼西西部；中水年有3種灌溉模式，分別為I、II和V，分布于遼西大部和遼北局部；干旱年出現(xiàn)4種灌溉模式：II、III、V、VI，覆蓋遼西全部地區(qū)，和遼北、遼中、遼南的西部地區(qū)；特旱年出現(xiàn)6種灌溉模式II、III、IV、V、VI、VII，廣泛分布于除遼東南以外的大部分地區(qū)。

灌溉模式的劃分，不僅僅要考慮區(qū)域農(nóng)田水量平衡，而且要考慮到其所處的水源與地形條件，在灌溉水源比較豐富的地區(qū)，應(yīng)采用充分灌溉，以最大限度提高單產(chǎn)。本研究中玉米的灌溉保證率在0.65～1之間，通過張淑杰等[25]對(duì)遼寧省玉米需水量與產(chǎn)量關(guān)系的研究表明，當(dāng)玉米充分供水時(shí)，玉米產(chǎn)量可達(dá)到9.0′106～1.2′106kg/hm2，當(dāng)灌溉保證率下降到0.65時(shí)，產(chǎn)量下降到0.8′106kg/hm2左右，特旱年的減產(chǎn)率在11%～33.3%之間。在灌溉水源不足的地區(qū)，則應(yīng)采用非充分灌溉制度，優(yōu)先保證需水關(guān)鍵期用水，提高水分利用效率，盡量做到減水不減產(chǎn)，或者減水少減產(chǎn)[26-27]。此外，本研究確定的遼寧省不同區(qū)域的灌溉模式主要考慮不同水文年型的水量供需平衡與灌溉制度2大因素，所得到的分區(qū)灌溉模式中，灌溉用水量均為田間凈灌溉需水量，并未考慮需配水形式和灌溉用水方式，各區(qū)域在對(duì)玉米進(jìn)行灌溉時(shí)還應(yīng)在本研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合本區(qū)域地形、供水水源等特點(diǎn)，進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充與完善。

結(jié)合遼寧省實(shí)際情況，在遼西北干旱區(qū)，應(yīng)建立永久性灌溉措施，大力發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)。在地表水資源相對(duì)豐富的大凌河[28]、白石水庫一帶優(yōu)先通過水庫、河流取水，進(jìn)行渠道輸水灌溉或者渠井結(jié)合灌溉。其他沒有引水條件的地區(qū)則以井灌取水為主，但是要根據(jù)當(dāng)?shù)厮Y源狀況，嚴(yán)格控制機(jī)井?dāng)?shù)量、布設(shè)密度、灌溉取水量，合理利用地下水資源，防止超采[29]。田間灌溉用水還應(yīng)與膜下滴灌等高效節(jié)水技術(shù)相結(jié)合，盡可能提高玉米的灌溉水利用效率。在遼寧省易旱區(qū)，也有可能發(fā)生輕度水分虧缺，但干旱發(fā)生的頻率較低、程度較輕，虧缺時(shí)間較短，若建立永久灌溉設(shè)施，投資成本較大，且設(shè)備使用率較低，因此不建議建立永久灌溉設(shè)施，主要以開展地膜覆蓋、秸稈還田等旱作節(jié)水保墑措施為主。適當(dāng)提高土壤水分利用效率，即可以滿足玉米用水需要。與此同時(shí)，有條件的地區(qū)也可采用簡易或可移動(dòng)式灌溉設(shè)施，在個(gè)別虧水年進(jìn)行補(bǔ)充灌溉。

3 結(jié) 論

本文根據(jù)遼寧省玉米分布狀況、生育期需水規(guī)律與降水補(bǔ)給資料，對(duì)遼寧省不同區(qū)域玉米生育期需水量時(shí)空分布特征，生育期水量盈虧狀況、灌溉制度、干旱發(fā)生頻率等綜合分析，得到以下4條研究結(jié)論：

1）遼寧全省玉米不同生育階段需水量呈單峰變化趨勢(shì)，在生育初期的5月份，不同區(qū)域需水量均較小，且差異不大。7—9月遼西地區(qū)耗水顯著高于其他地區(qū)，各區(qū)域需水峰值均出現(xiàn)在7月，其中遼西地區(qū)的峰值超過140 mm。全生育期ET較大的地區(qū)主要集中在遼寧西部，全生育期ET在380 mm以上。遼寧中部、南部ET較小，其中遼南南部小于345 mm。

2）遼寧不同水文年玉米生育期灌溉需水量盈虧情況存在較大差異，不同水文年玉米需水的虧缺量在0～220 mm之間波動(dòng)。綜合考慮區(qū)域水資源供需狀況，制定了4種水文年的灌溉制度，灌溉定額分別為40、80、120和135 mm，灌溉保證率≥0.65。

3）根據(jù)水分盈虧指數(shù)（crop water surplus deficit index, CWSDI）和干旱發(fā)生頻率將遼寧省劃分為2個(gè)灌溉類型區(qū)：干旱區(qū)和易旱區(qū)，干旱區(qū)主要集中在遼西和遼西北，該地發(fā)生輕度干旱發(fā)生頻率≥0.45，中度干旱發(fā)生頻率≥0.28，重度干旱發(fā)生頻率≥0.12且CWSDI≤0。易旱區(qū)集中在遼北，遼中大部和遼東西部，該地區(qū)輕度干旱發(fā)生頻率≥0.1且CWSDI≤0.45。

4）綜合考慮灌溉制度和干旱區(qū)域類型，將遼寧省玉米種植區(qū)分為7種灌溉模式：其中特旱年、干旱年、中水年和濕潤年分別出現(xiàn)6種、4種、3種和1種。

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Temporal and spatial distribution characteristics of maize water surplus deficit and irrigation mode partition in Liaoning province

Wei Xinguang1, Wang Tieliang1※, Li Bo1, Liu Shouyang2, Yao Mingze1, Xie Ying1, Zheng Siyu1, Jing Zhuran1

(1.110866,; 2.453003,)

It is necessary to formulate a partition irrigation management mode based on the feature of water resource and meteorology of different sub areas in a large area. Maize is the main crop and major agricultural water consumer in Liaoning province. The objective of this study was to analyze the temporal and spatial distribution characteristics of maize water surplus deficit and lay out an irrigation mode partition scheme in Liaoning province. We collected the data of maize growth index, irrigation, and daily meteorological data from 1955 to 2014 in 27 agricultural meteorological stations in Liaoning province. The calculated index included evapotranspiration (ET), irrigation requirement, crop water surplus and deficit index (CWSDI)?the drought probability during the maize growth stage in Liaoning. The results showed that: the ET during the growth stage of maize varied in a single peak style in all the regions of Liaoning. The ET in western Liaoning was the highest in Liaoning, and the monthly ET of the western Liaoning was more than 140 mm in July. The high value of ET mainly appeared in the western region (ET≥380 mm). The ET was lower in the central and southern regions in Liaoning. The minimum value of ET was in the southern Liaoning, which was less than 345 mm. The standard deviation of ET were higher in the central and southern Liaoning around the Bohai sea (SD>15 mm), but it were stable in eastern and western Liaoning (SD<8 mm). A total of 4 typically deficient irrigation schedule were recommended and the irrigation norm in different hydrological years were 40, 80, 120 and 135 mm, respectively for the wet year, the normal year, the dry year and the drought year. In most years, CWSDI of maize were above 0 in the eastern Liaoning, and the peak was above 2.5 (in the year of 1985). It indicates that the crop water supply exceeded demand in most of years. It was significantly different between the western and eastern Liaoning. In the western Liaoning, the most of the CWSDI was below 0, and sometimes even below-0.14. There was a widespread mild dry in most of the years, sometimes was dry even drought in this region. The spatial distribution of the dryfrequency indicated that, in addition to the southeast Liaoning, the most regions may become mild dry, dry or drought, most especially in the western Liaoning. In the northwest Liaoning, the frequency of mild drought occurrence was high. The dry mainly appeared in the western Liaoning. The CWSDI and the dry frequency had the similar spatial distribution pattern. The area with mild dry frequency not less than 0.45, dry frequency not less than 0.28, the drought frequency not less than 0.12 and CWSDI higher than 0 was same. Thus, we defined the area meeting one of the conditions above as the arid area. Those areas were in the western and northern Liaoning where the water resource supply was less than demand and the dry condition appeared very often. We defined the area with mild dry frequency not less than 0.1 or CWSDI higher than 0.45 as the drouht-prone area. These areas were in the northern Liaoning, middle Liaoning and the west of eastern Liaoning. Based on the CWSDI and dry frequency, a total of 7 irrigation modes were set up. A total of 6, 4, 3 and 1 irrigation mode were for the drought, dry, normal and wet year, respectively. The study would improve not only the areas water resource utilization but also food security.

evapotranspiration; irrigation; drought; CWSDI; maize

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Wei Xinguang, Wang Tieliang, Li Bo, Liu Shouyang, Yao Mingze, Xie Ying, Zheng Siyu, Jing Zhuran. Temporal and spatial distribution characteristics of maize water surplus deficit and irrigation mode partition in Liaoning province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 119－126. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.014 http://www.tcsae.org

2018-06-06

2018-10-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51709174）；國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)（201303125）；遼寧省博士科研啟動(dòng)基金（20170520169）

魏新光，講師，博士，研究方向?yàn)樽魑锔咝в盟c蒸散發(fā)尺度效應(yīng)。Email：weixg_wi@163.com

王鐵良，教授，博士，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉。 Email：tieliangwang@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.014

S274.1

A

1002-6819(2018)-23-0119-08