商蒙非 趙炯超 韓 桐 李 碩 王凱澄 高真真 秦雨酥 褚慶全

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

玉米是中國(guó)三大糧食作物之一，2019年種植面積已達(dá)4 128萬(wàn)hm2。中國(guó)的玉米種植區(qū)主要分布在從東北到西南的玉米帶上，但是其他的區(qū)域也有少量分布[1-3]。從自然地理學(xué)角度看我國(guó)玉米種植區(qū)跨越了不同的氣候類型區(qū)，從東北地區(qū)西部的半干旱氣候區(qū)到西北的干旱氣候區(qū)，以及華北的半濕潤(rùn)氣候區(qū)至西南的濕潤(rùn)氣候區(qū)，既有春玉米也有夏玉米，由于不同區(qū)域的玉米生育期內(nèi)積溫、日照和降雨等自然條件存在較大差異，使得不同區(qū)域玉米生長(zhǎng)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(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水占全國(guó)總用水量的70%以上，農(nóng)業(yè)用水量大且利用效率低成為阻礙我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)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(jù)，也可以為農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)提供基本參數(shù)，對(duì)農(nóng)業(yè)水資源分配和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

玉米需水量是指玉米生長(zhǎng)期間在適宜的土壤水分條件下的棵間蒸發(fā)量與葉面蒸騰量的總和，是玉米本身生物學(xué)特性與環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果，玉米需水量在空間和時(shí)間上存在變異性和規(guī)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(jù)，一些學(xué)者從生產(chǎn)角度分析了不同區(qū)域玉米需水量及其影響因素，對(duì)于指導(dǎo)區(qū)域玉米生產(chǎn)發(fā)揮了很大的作用。例如，劉曉英等[11]通過單作物系數(shù)法分析了華北平原夏玉米近50年作物需水量的變化趨勢(shì)和原因。康紹忠等[12]應(yīng)用1961—2001年關(guān)中地區(qū)30個(gè)氣象站的氣象數(shù)據(jù)，研究了關(guān)中地區(qū)夏玉米需水量與相應(yīng)生育期內(nèi)氣候因子的變化趨勢(shì)，分析了氣候變化對(duì)玉米需水量的影響。郭曉麗等[13]通過旬值作物系數(shù)法分析了內(nèi)蒙古中部地區(qū)24個(gè)站點(diǎn)1971—2015年春玉米水分虧缺時(shí)空特征。楊曉琳等[6]利用SIMETAW模型分析了黃淮海農(nóng)作區(qū)各亞區(qū)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(shù)分析了河南省30個(gè)氣象站點(diǎn)1961—2011年夏玉米生長(zhǎng)季水分供需時(shí)空變化特征。很多研究結(jié)果都表明玉米需水量呈下降趨勢(shì)[6,8-12]，但由于研究區(qū)域和時(shí)間尺度、評(píng)價(jià)缺水的指標(biāo)方法不一致等原因，不利于分析區(qū)域間玉米水分盈虧的時(shí)空變化差異。不同站點(diǎn)用同一套作物系數(shù)也忽略了站點(diǎn)間氣候條件的差異，在大區(qū)域尺度研究中降低了結(jié)果的可靠性，且前人的研究以區(qū)域性的分析較多[6,11-14]，而對(duì)于我國(guó)玉米整體分析的研究報(bào)道較少。鑒于此，本研究利用558個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，分析1961—2020年我國(guó)不同玉米產(chǎn)區(qū)的玉米生育期需水量、生育期內(nèi)有效降水量和生育期缺水量的空間分布特征和變化趨勢(shì)，旨在明確不同區(qū)域玉米需水量的時(shí)空變化，以期為我國(guó)不同玉米產(chǎn)區(qū)的玉米灌溉管理提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

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

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

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2.1氣象數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)(中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，http:∥data.cma.cn/)的“中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”[16]，共包括558個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)1961—2020年的逐日氣象數(shù)據(jù)，選取降水量、平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速等6個(gè)氣象指標(biāo)。

1.2.2玉米生育期數(shù)據(jù)

將玉米分為春玉米和夏玉米，玉米生育期數(shù)據(jù)來(lái)自崔讀昌等[17]、梅旭榮等[18]以及國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)[19]。

1.2.3GIS地圖和耕地柵格數(shù)據(jù)

2015年耕地柵格數(shù)據(jù)，以及全國(guó)省、直轄市、自治區(qū)和縣級(jí)行政區(qū)邊界圖，均來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心的資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(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(zhǎng)條件下，作物從種植到收獲所需的蒸散發(fā)(即植株蒸騰與棵間土壤蒸發(fā)之和)。假定作物在最優(yōu)條件下生長(zhǎng)，此時(shí)作物的全生育期蒸散發(fā)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(shù)，由作物特性和土壤的平均蒸發(fā)效應(yīng)決定；ET0為參考作物蒸散發(fā)，mm,由氣候因素決定。采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith[21]方法計(jì)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(fēng)速，m/s；es,飽和水汽壓，kPa；ea,實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓-氣溫關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃。

根據(jù)來(lái)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(jì)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(shù)法計(jì)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(jì)算公式為：

(6)

(7)

CWR=CWRr+CWRi

(8)

式中：n，作物全生育期天數(shù)。研究無(wú)灌溉下各區(qū)域玉米的水分盈虧狀態(tài)，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(shù)KC

本研究采用聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)于1998年提出的作物系數(shù)計(jì)算方法[21]，并根據(jù)氣候和作物高度的數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正。此方法將各種作物的生育期劃分為初始生長(zhǎng)期、快速發(fā)育期、生長(zhǎng)中期和生長(zhǎng)后期4個(gè)時(shí)期，并對(duì)以上每段時(shí)期的作物系數(shù)進(jìn)行規(guī)定。初始生長(zhǎng)期為作物從播種到冠層覆蓋率接近10%的時(shí)期，在這個(gè)階段內(nèi)作物系數(shù)認(rèn)定為常數(shù)KCini；快速發(fā)育期是作物的冠層覆蓋率從10%達(dá)到最大值，在此時(shí)期作物系數(shù)線性增加，從常數(shù)KCini增加至常數(shù)KCmid；生長(zhǎng)中期從作物達(dá)到最大冠層覆蓋開始持續(xù)到作物進(jìn)入生長(zhǎng)后期，在這一時(shí)期，作物系數(shù)認(rèn)定為常數(shù)KCmid；生長(zhǎng)后期從作物葉片變黃、冠層衰退開始直到生理成熟，這一時(shí)期作物系數(shù)線性減小，從常數(shù)KCmid減小到常數(shù)KCend。

通常情況下，F(xiàn)AO推薦的KC代表標(biāo)準(zhǔn)半濕潤(rùn)條件(最小相對(duì)濕度約為 45%，U2約為2 m/s)下的平均值。在不同區(qū)域使用時(shí)需要根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥?、氣候和作物高度的?shù)據(jù)進(jìn)行修正[22]。根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)的氣候條件對(duì)FAO推薦的KC值進(jìn)行了修訂，修訂公式[23]如下：

(9)

式中：KC(tap)，作物不同生育時(shí)期的標(biāo)準(zhǔn)作物系數(shù)(來(lái)自FAO-56[21])；RHmin，該生育時(shí)期日最低相對(duì)濕度的平均值，%；h，該生育時(shí)期內(nèi)作物的平均高度，m。對(duì)于日最低相對(duì)濕度缺測(cè)部分，RHmin可以用以下公式計(jì)算:

(10)

(11)

基于以上公式，編寫R語(yǔ)言程序，并利用此程序?qū)Ω髡军c(diǎn)玉米的作物需水量、有效降水量進(jìn)行計(jì)算。

1.3.3空間分析

采用ArcGIS 10.2軟件對(duì)計(jì)算得到的玉米需水量和有效降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，將離散點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)曲面，所用插值方法為反距離權(quán)重法(Inverse Distance Weighing，IDW)。插值分析的具體過程為：首先利用R語(yǔ)言計(jì)算各站點(diǎn)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(quán)重插值將站點(diǎn)數(shù)據(jù)插值為全國(guó)柵格數(shù)據(jù)，最后利用ArcGIS統(tǒng)計(jì)分析功能計(jì)算每個(gè)縣區(qū)的玉米需水量、有效降水量和水分虧缺量，將結(jié)果導(dǎo)出并進(jìn)行下一步分析。

2 結(jié)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(qū)域間差異比較明顯。全國(guó)玉米的需水量在285～987 mm/年，高值區(qū)主要位于西北農(nóng)牧區(qū)和北部中低高原農(nóng)牧區(qū)，>550 mm/年；低值區(qū)位于長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)作區(qū)、江南丘陵農(nóng)林區(qū)、華南農(nóng)林漁區(qū)、西南中高原農(nóng)林區(qū)和四川盆地農(nóng)作區(qū)，≤400 mm/年。夏玉米主要分布在黃淮海平原農(nóng)作區(qū)，總體來(lái)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(xiàn)從東南到西北逐漸減小的分布格局(圖2(b))，西北農(nóng)牧區(qū)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?jī)煞矫嬉蛩貨Q定的，一般來(lái)說，有效降水量較低的地區(qū)水分虧缺較高。全國(guó)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(nóng)牧區(qū)遠(yuǎn)高于降水量多的江南丘陵農(nóng)林區(qū)(圖2(c))。

圖2 玉米生育期內(nèi)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(qū)域玉米需水量及水分盈虧的時(shí)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(qū)域間差異明顯。1961—2020年全國(guó)春玉米的需水量平均為468 mm/年。西北農(nóng)牧區(qū)需水量的平均值最高，699 mm/年，其次為北部中低高原農(nóng)牧區(qū)和東北農(nóng)林區(qū)，分別為566和496 mm/年，江南丘陵農(nóng)林區(qū)和華南農(nóng)林漁區(qū)的玉米需水量最低，分別為356和375 mm/年。1961—2020年，四川盆地農(nóng)作區(qū)、西南中高原農(nóng)林區(qū)、華南農(nóng)林漁區(qū)和江南丘陵農(nóng)林區(qū)的玉米生育期需水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)作區(qū)呈下降趨勢(shì)，東北農(nóng)林區(qū)、西北農(nóng)牧區(qū)和北部中低高原農(nóng)牧區(qū)沒有明顯的變化。此外，春玉米的需水量在不同區(qū)域間的變異系數(shù)也有很大差異，1961—2020年春玉米全生育期需水量的變異系數(shù)介于3.1%～10.4%，其中華南農(nóng)林漁區(qū)和四川盆地農(nóng)作區(qū)變異系數(shù)較大，分別為10.4%和9.0%，變異系數(shù)說明該農(nóng)作區(qū)的春玉米作物需水量呈現(xiàn)較大的年際變化。西北農(nóng)牧區(qū)和北部中低高原農(nóng)牧區(qū)玉米需水量變異系數(shù)較小，分別為3.1%和3.9%。

SPM，春玉米區(qū)；SUM，夏玉米區(qū)。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(qū)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(nèi)有效降雨量來(lái)看，不同區(qū)域間也存在明顯的差異。全國(guó)春玉米有效降水量平均為312 mm/年，長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)作區(qū)、西南中高原農(nóng)林區(qū)和四川盆地農(nóng)作區(qū)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(nóng)林區(qū)玉米生育期較長(zhǎng)，有效降水量達(dá)到350 mm/年，而北部中低高原農(nóng)牧區(qū)和西北農(nóng)牧區(qū)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(nóng)林漁區(qū)、江南丘陵農(nóng)林區(qū)、四川盆地農(nóng)作區(qū)和西南中高原農(nóng)林區(qū)玉米生育期的有效降雨量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其他農(nóng)作區(qū)有效降水量變化不明顯。

春玉米的水分盈虧在不同區(qū)域間也有明顯的差異。全國(guó)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(nóng)牧區(qū)的水分虧缺量遠(yuǎn)高于其他玉米生產(chǎn)區(qū)，其均值高達(dá)638 mm/年，其次為北部中低高原農(nóng)牧區(qū)和東北農(nóng)林區(qū)，水分虧缺量分別為324和145 mm/年。相對(duì)于上述3個(gè)農(nóng)作區(qū)，長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)作區(qū)、江南丘陵農(nóng)林區(qū)、華南農(nóng)林漁區(qū)、四川盆地農(nóng)作區(qū)和西南中高原農(nóng)林區(qū)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(shì)看，長(zhǎng)江中下游平原農(nóng)作區(qū)、華南農(nóng)林漁區(qū)和西北農(nóng)牧區(qū)的水分虧缺值下降，其他幾個(gè)區(qū)域不變或增加，其中北部中低高原農(nóng)牧區(qū)水分虧缺值增加最多，其次為四川盆地農(nóng)作區(qū)和西南中高原農(nóng)林區(qū)。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(nóng)牧區(qū)、北部中低高原農(nóng)牧區(qū)和東北農(nóng)林區(qū)高于其他農(nóng)作區(qū)，其中西北農(nóng)牧區(qū)水分虧缺量占比最高，為91.3%；江南丘陵農(nóng)林區(qū)最低，為0.8%。

相對(duì)于春玉米，夏玉米的需水量在區(qū)域間的差異不明顯。夏玉米的需水量全國(guó)平均值為326 mm/年，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于春玉米(468 mm/年)的需水量(圖3)。和春玉米不同，我國(guó)夏玉米分布比較集中，主要分布在黃淮海平原農(nóng)作區(qū)，其他區(qū)域分布較少，只有零星分布。夏玉米生育期內(nèi)有效降雨量為281 mm/年，水分盈虧量為45 mm/年，即需要補(bǔ)充的灌水量為45 mm/年，低于東北農(nóng)林區(qū)、北部中低高原農(nóng)牧區(qū)和西北農(nóng)牧區(qū)的春玉米灌溉需水量。隨著時(shí)間推移，夏玉米生育期作物需水量整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，與1961—1990年相比，1991—2020年下降了3.5%。同時(shí)，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(guó)最重要糧食作物之一，對(duì)于我國(guó)糧食安全發(fā)揮了不可替代的作用。由于玉米在我國(guó)種植分布廣、面積大，各種氣候類型區(qū)都有種植，不同區(qū)域玉米的生育期內(nèi)積溫、日照和降雨等自然條件存在較大差異，導(dǎo)致不同區(qū)域玉米需水量和水分盈虧也存在較大差異，本研究結(jié)果可以為不同地區(qū)制定玉米栽培灌溉制度提供依據(jù)。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(duì)我國(guó)不同玉米產(chǎn)區(qū)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(diǎn)揭示了其在不同區(qū)域的變化趨勢(shì)。由于研究區(qū)域范圍大，區(qū)域氣候類型和種植方式都存在差異，因此全國(guó)玉米生育期內(nèi)需水量呈現(xiàn)明顯的區(qū)域差異，玉米生育期內(nèi)有效降水量和水分盈虧在不同區(qū)域間也有明顯的差異。總體來(lái)說，玉米生育期內(nèi)有效降水量與我國(guó)降水分布相一致，其在空間上呈現(xiàn)從東南到西北逐漸減小的趨勢(shì)。而水分盈虧是由需水量和有效降水量?jī)煞矫娴囊蛩貨Q定的，有效降水量較低的地區(qū)水分虧缺較高，因此不同玉米產(chǎn)區(qū)的水分盈虧存在很大的差異，即不同區(qū)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(jié)論一致。

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

4 結(jié) 論

1)全國(guó)玉米生育期內(nèi)作物需水量呈現(xiàn)明顯的區(qū)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(nóng)牧區(qū)、北部中低高原農(nóng)牧區(qū)和東北農(nóng)林區(qū)為春玉米需水量高值區(qū)，分別為699、566和496 mm/年，黃淮海平原農(nóng)作區(qū)主要為夏玉米，其需水量要小于其他玉米主產(chǎn)區(qū)。

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

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