张耘铨1，刘继龙2,3∗，聂堂哲2,3
（1.中国农业大学中国农业水问题研究中心，北京100083；2.东北农业大学水利与土木工程学院，哈尔滨 150030；3.农业部农业水资源高效利用重点实验室，哈尔滨 150030）
摘 要：【目的】研究黑龙江西部气候变化对玉米需水量影响及不同降雨年型下喷灌、膜下滴灌的灌溉制度。【方法】基于黑龙江省肇州县1988—2015年气象资料、作物参数和土壤数据，利用Mann-Kendall趋势检验法分析了玉米生育期内各气象因素变化规律，结合CROPWAT模型研究了黑龙江省西部玉米需水量、有效降雨量和灌溉需水量的年际和各生育期间的变化规律并总结归纳了导致这些变化的气象原因，分析了不同降雨年型作物需水量与有效降雨量的耦合度并制订了相应的喷灌和膜下滴灌灌溉制度。【结果】①玉米生长期内，月平均最高温度和月平均最低温度显著升高，月平均风速显著降低；②玉米生长期内需水量受最高温度影响，以8.72 mm/10 a的速率增长，变化范围为374.7～537.0 mm；③特枯水年、枯水年、平水年和丰水年的需水量分别为500.3、470.8、442.8、395.4 mm。④不同降雨年型作物需水量与有效降雨量的耦合度总体呈先升增大后减小的变化趋势；⑤喷灌条件下，特枯水年、枯水年和平水年的灌溉净定额分别为187.4、125.4、49.2 mm；⑥膜下滴灌条件下，特枯水年、枯水年和平水年的灌溉净定额分别为163、95.6、35.8 mm。【结论】在气候变化背景下，该地区有效降雨呈减小趋势，玉米需水量呈增大趋势，除丰水年外，有效降雨量难以满足玉米的需水要求，在农业生产中应根据不同降雨年型在抽雄期和灌浆期进行适量灌溉来保证玉米稳产、高产。
关 键 词：玉米；需水量；灌溉制度；喷灌；膜下滴灌
黑龙江省是我国玉米主产区，2016年黑龙江省玉米播种面积达到772.3万hm2，产量达3 544.1万t，约占我国玉米产量的16.14%[1]。补充灌溉是该地区玉米持续稳产高产的重要措施之一。开展气候变化对作物需水量和灌溉需水量的研究有助于提高粮食安全和水资源的可持续开发利用[2]。目前，研究气候变化对作物需水量影响的成果较多。张建平等[3]研究了未来气候变化对东北玉米需水量的影响，结果表明未来东北玉米需水量可能距平百分率呈增长趋势。高晓容等[4]研究了1961—2010年东北玉米生育阶段需水量及旱涝时空变化，结果表明东北玉米4个生育阶段及全生育期的需水量没有显著变化。王静等[5]研究了气候变化背景下宁夏灌区小麦、玉米和水稻的作物需水量时空分布特征。以往研究大多采用趋势分析法对大区域尺度下作物需水量变化趋势进行分析。由于气候条件、土壤性质、作物品种和耕作措施等因素的差异导致上述成果难以精确应用于较小区域的生产指导。目前，针对黑龙江省的小型区域气候影响及玉米需水量变化成因研究较少。
喷灌和膜下滴灌是重要的节水高效灌溉技术，二者都具有省水、省工、高效和增产的特点。喷灌可以提高农田湿度，降低温度，减小作物蒸腾蒸发量，改善农田小环境，在大田作物灌溉应用范围较广，比传统地面灌水可省水30%～50%[6-7]。膜下滴灌集覆膜和滴灌技术于一体，可有效提高土壤温度和土壤表层土壤含水率，改变了土壤原有水热通量，有效减少棵间蒸发。同时，膜下滴灌还能够实现水肥一体化，达到精确施肥和灌水的目的，目前已广泛应用于棉花、玉米等多种作物[5,8]。已有的膜下滴灌灌溉制度的研究大多为大田试验，田间试验费时、费力，且由于气候、土壤时空差异，试验结果推广难度较大[9]。目前关于膜下滴灌灌溉制度的模拟研究较少，覆膜条件下作物蒸腾、蒸发特性变化，作物系数也相应改变。膜下滴灌属于局部灌溉，局部灌溉条件下的土壤湿润比和土壤计算湿润层与常规灌溉的不同。
CROPWAT是FAO开发的决策支持工具，可根据不同土壤、气候和作物类型计算作物需水量和灌溉需水量，制定灌溉制度，模拟雨养和灌溉条件下作物的产量和土壤水分的变化情况。其计算程序基于FAO-56[10-11]。目前，CROPWAT已在多种作物的需水量和灌溉制度的研究上得到了广泛的应用[12-14]。作物需水量是科学制定灌溉制度的重要依据，明确不同降雨年型下玉米生长期需水量变化规律，可为制定合理的灌溉方案提供有力支撑[15]。通过分析各个气象因素对作物需水量、有效降雨量和灌溉需水量的影响，明确玉米各生长时期需水量变化趋势及变化原因。利用CROPWAT模型的模拟结果分析不同降雨年型玉米生长期作物需水与有效降雨的耦合度，进而提出合适的喷灌和膜下滴灌灌溉制度。
选取黑龙江省大庆市肇州县（45°17′N，125°35′E，海拔150 m）作为研究区。该地位于松嫩平原腹地，属大陆性温寒带气候，年均活动积温2 800℃，无霜期143 d。试验区的土壤类型为碳酸盐黑钙土，土壤体积质量为1.18～1.27 g/cm3，1 m土体的田间质量持水率（FC）为29.65%。多年平均降雨量458.1 mm，季节分布不均，多年平均风速3.6 m/s，春季多风干旱。
研究区主要使用喷灌和滴灌2种灌溉方式。膜下滴灌采用大垄双行种植，种植模式为1膜1管2行布置，垄宽130 cm，垄上行距50 cm，株距20 cm，农膜宽度130 cm。喷灌采用移动式喷灌设备和大型喷灌机，单垄种植，垄宽65 cm，株距26.6 cm。所用气象数据为1988—2015年肇州站的逐日气象数据，主要包括最高气温、最低气温、平均相对湿度、风速、日照、降雨量等。数据来源于中国气象数据网（http://data.cma.cn/site/index.html）。
1.2.1 作物需水量
采用FAO推荐公式计算作物需水量，根据玉米不同生长阶段作物系数可计算得玉米需水量，计算式为：
式中：ET0为参考作物需水量（mm/d），采用FAO-56推荐的Penman-Monteith公式计算；Kc为作物系数（无量纲）；ETc为作物需水量（mm/d）。
1.2.2 作物生长发育阶段
采用单作物系数法计算玉米需水量，作物系数分别为Kc ini、Kc mid和Kc end。FAO-56将作物生育期划分为：生长初期（Lini，即从播种到作物地面覆盖率大约为10%）、快速发育期（Ldev，即从地面覆盖率为10%到充分覆盖）、生长中期（Lmid，即从充分覆盖到成熟期开始）和生长后期（Llate，即从叶片开始变黄到成熟或收获）。将玉米整个生育期划分为：播种—七叶期（Lini）、七叶期—抽雄期（Ldev）、抽雄期—乳熟期（Lmid）、乳熟期—成熟期（Llate）。膜下滴灌条件下的玉米生育期比喷灌的短。用文献[16-17]中的数据进行生育时段的确定及不同灌溉方式下的作物系数的计算。玉米各生育阶段划分及Kc见表1。
表1 玉米各生育阶段作物系数
注“-”表示该时期Kc值是由其他生育期线性插值获得。
1.2.3 土壤参数
根据田间取样分析结果获取土壤参数：0～100 cm土层主要为壤质土，根系层总有效水量（TAW）为180mm/m，最大降雨入渗率为40 mm/d，初始土壤含水量为124 mm/m。
1.2.4 有效降雨的计算
采用美国农业部土壤保持局（USDASoil Conservation Service）推荐方法计算有效降雨量，计算式为：
式中：n为生育阶段时间（d）；ETc为作物需水量（mm/d）；Pe为有效降水量（mm/d）；Ir为需要补充的灌溉量（mm）。
为了不使作物发生水分胁迫现象，需要保持土壤含水率在根系层中总有效水量（TAW）与根系层中易被吸收的有效水量（RAW）之间。
根据CROPWAT8.0用户手册推荐方法对年降雨数据进行降序排列，通过经验频率计算公式计算并绘制对数正态分布图，得特枯水年（P=95%）、枯水年（P=75%）、平水年（P=50%）和丰水年（P=25%）的降雨量分别为351.29、379.78、428.64、512.17 mm。不同水平年月降雨量见表2，经验频率计算式为：
式中：Peff(dec)为旬有效降水量；Pdec为旬降水量。
1.2.5 灌溉需水量
对于旱田作物，各生育阶段灌溉需水量等于作物需水量与有效降雨量的差值，若该时期内有效降雨量大于作物需水量，则不需要灌溉。生育期内总灌溉需水量等于各生育阶段灌溉需水量之和。公式如下：
式中：Fa为绘图位置；N为降雨数据系列年数；m为各年数据排序数。
枯水年月平均降雨量计算式为：
式中：Pi av为i月平均降雨量；Pi dry为i月的枯水年降雨量；Pav为平均年降雨量；Pdry为枯水年降雨量。丰水年和平水年月平均降雨量计算式同上。
表2 不同典型年月降雨量 mm
采用最小二乘法，将气象要素变化趋势用一次线性方程表示，即：
式中：Yi为气象要素的拟合值；t为对应年份；a和b为回归系数；a×10称为气候倾向率，表示气象要素每10 a的变化速率。其正值表示对应气象要素呈增加趋势，负值表示呈减少趋势。
Mann-Kendall检验是一种非参数统计检验，能够很好地揭示时间序列变化趋势，对于非正态分布的气象数据，具有更加突出的适应性。其统计变量Z正负表示数据变化呈增加或减少趋势，Z绝对值在大于等于1.28、1.64、2.32和2.56时，分别表示通过信度90%、95%、99%和99.9%显著性检验。Mann-Kendall突变检验通过计算UFk和UBk统计量并绘制2个变量曲线图，可分析得到数据序列的变化趋势和突变点。
作物需水与有效降雨的耦合度指作物生长期内，有效降雨满足作物需水的程度。计算式为：
式中：λi为第i时段的耦合度；Pi代表第i时段内的有效降雨（mm）；ETci为第i时段内作物需水量（mm）。
利用Mann-Kendall趋势检验法对玉米生长期内气象因素进行趋势分析（表3）。由表3可知，平均最低温度、平均最高温度、平均相对湿度和降雨量在生长期内均呈先增大后减小趋势，平均风速和日照时间呈先减小后增大趋势。各月平均最高温度和平均最低温度均呈增加趋势。其中，5、6月平均最低温度分别以0.82℃/10 a和0.91℃/10 a的速率递增，并通过0.001的显著性水平检验；9月平均最高温度以0.77℃/10 a的速率递减，并通过0.001的显著性水平检验。平均相对湿度除9月有降低趋势外，其他月份呈略增加趋势。各月平均风速均呈现减小趋势，5月平均风速在0.01显著性水平上以0.3 m/（s·10 a）的速率递减，6月和9月在0.05显著性水平上减小。除5月外，各月日照时间呈增加趋势，7月和9月分别以16.88 h/10 a和17.59 h/10 a的速率显著增加。5月和6月降雨量呈增加趋势，7、8和9月降雨量呈降低趋势。其中9月降雨量以15.27 mm/10 a的速率减小，并通过0.05的显著性水平检验。玉米生长期内，最高温度和平均最低温度显著升高，平均风速显著降低。降雨量的气候倾向率为-21.7 mm/10 a，8月各气象要素变化均不明显。
表3 玉米生长期内气象因素趋势分析结果
注 *、*、**和***分别表示在0.1、0.05、0.01和0.001水平上显著，下同。
玉米需水量、有效降雨量和灌溉需水量趋势分析结果如表4所示。由表4可知，生长期内玉米需水量以8.72 mm/10 a的速率增长，变化范围为374.7～537.0 mm，平均值为444.20 mm。玉米生长初期需水量变小，生长后期需水量变大，这可能是由于前期风速变小，后期温度和日照时数变大共同作用的结果。不同年份玉米各月需水量变化范围较大，7月需水量变化范围和气候倾向率最大，需水量极差为75.6 mm，气候倾向率为2.38 mm/10 a。由于多年降雨量影响，导致不同年份玉米生长期内各月有效降雨量变化范围较大，呈现玉米生长初期有效降雨量增大、后期减小的趋势。5月有效降雨量以7.54 mm/10 a的速率增长，而9月有效降雨量以9.08 mm/10 a的速率在0.05水平上显著降低，这种趋势可能会引起玉米生长后期的干旱。生长期内有效降雨量总体呈减小趋势，其变化范围为164.6～383.9 mm。灌溉需水量和有效降雨量二者呈互补关系，其变化规律与有效降雨量相反。除8月外，其他各月灌溉需水量最小值均为0，说明在8月有必要对玉米进行灌溉。生长期内玉米平均灌溉需水量为217.41 mm。
图1 1988—2015年玉米需水量突变的Mann-Kendall检验
对玉米需水量进行突变分析结果见图1，由图1中可知，从1988—1995年，除个别年份（1989年和1990年）外，UF都小于0，1995年以后，其值都大于0。说明玉米需水量经历了小幅下降后，从1995年开始呈现明显的上升趋势。通过观察UF和UB曲线的交点，发现玉米需水量于1990、1993和2013年发生突变。
表4 玉米需水量、有效降雨量和灌溉需水量趋势分析结果
对玉米生长期内需水量、有效降雨量和灌溉需水量与气象因素进行相关性分析结果见表5。由表5可知，玉米需水量、灌溉水量与平均最高温度、平均风速和累计日照时间显著正相关，与平均相对湿度和累计降雨量显著负相关。有效降雨量与平均最高气温和累计日照时间显著负相关，与平均相对湿度和累计降雨量显著正相关，与平均风速相关性较弱。需水量、有效降雨量和灌溉需水量均与平均最低温度的相关性不显著。
表5 生育期作物需水量与气象因素相关性分析
玉米需水量主要受平均最高温度、平均相对湿度、平均风速、累计日照时间和降雨量影响。由表3可知，玉米生长期内上述气象因素中只有平均最高温度和平均风速显著变化，平均最高温度以0.30℃/10 a的速率显著增加，平均风速以-0.15 m/（s·10 a）的速率显著减小，二者均与需水量显著正相关。温度升高会导致作物蒸腾蒸发量的增加，而风速减小会减缓田间大气流动，从而减小作物蒸腾蒸发量。需水量与平均最高温度的相关系数大于平均风速的，进一步说明了玉米需水量的增加受平均最高温度影响最大，其次为平均风速。
选取与典型年降雨量相近的年份作为代表年，利用其气象数据进行玉米需水量的计算。按照选取最不利的年份作为典型年的原则，分别选取2007、2004、2010和1992年代表特枯水年、枯水年、平水年和丰水年。由图2可知，4种不同降雨年型条件下玉米需水量呈先增大后减小趋势。
气候因素的差异导致玉米生长期内不同降雨代表年玉米需水量差异较大，特枯水年、枯水年、平水年和丰水年的需水量分别为500.3、470.8、442.8和395.4 mm。其中，播种到苗期、拔节期和成熟期阶段需水量差异较小；抽雄期、灌浆期需水量差异较大，基本表现为：特枯水年＞枯水年＞平水年＞丰水年。播种到苗期植株较小，需水量较小，主要为棵间蒸发，需水量范围为49.4～74.9 mm，占需水总量的11.6%～13.1%。拔节期玉米植株生长速度较快，随着气温不断升高，蒸腾作用占主导地位，作物需水量有所增加，其范围为76.8～93.5 mm，占需水总量的16.3%～18.7%。抽雄期不同降雨年型需水量差异较大，其范围为89.2～124.5 mm，占需水总量的22%～24.9%。灌浆期玉米需水量达到高峰，不同降雨年型需水量差异也达到最大，需水量范围为119.2～162.6 mm，占需水总量的30.1%～32.5%。成熟期气温降低，叶片逐渐枯萎，玉米需水量变小，不同降雨年型间需水量差异减小，需水量范围为53.7～61.8 mm，占需水总量的12.4%～16%。降雨量越少的年份，玉米的需水量越大，这种需水量的差异在抽雄期和灌浆期表现得最明显。
不同降雨年型下玉米需水量、有效降雨量及二者的耦合度见图3。不同降雨年型下有效降雨量均呈先增大后减小趋势，7月有效降雨量最大，8月次之，5月有效降雨量最小，即抽雄期和灌浆期有效降雨量较多，播种和出苗期有效降雨量较少。
图2 不同降雨年型玉米需水量变化
图3 不同降雨年型玉米需水量与有效降雨量耦合度
作物需水量与有效降雨量的耦合度总体呈先升增大后减小的变化趋势。特枯水年各月作物需水量最大，有效降雨量最小，各月作物需水量与有效降雨量的耦合度均小于其他降雨年型，6月最大，8月最低，分别为0.71和0.43。除5月外，枯水年各月作物需水量与有效降雨量的耦合度均大于特枯水年的，6月最大，9月最低，分别为0.78和0.49。与其他降雨年型同月份比较，枯水年的5月玉米缺水最严重。平水年需水量与有效降雨量的耦合度呈减小趋势，5月最大，9月最低，分别为0.95和0.47，玉米生长后期缺水较为严重。与其他降雨年型比，丰水年各月作物需水量最小，降雨充沛，有效降雨量最大，各月作物需水量与有效降雨量的耦合度均为最大，除9月外，耦合度均大于0.8，6月需水量小于有效降雨量，耦合度为1，说明6月的降雨满足玉米生长需水要求，并可以为玉米后一生长阶段提供水分。
通过以上分析可知，除丰水年外，其他降雨年型的降雨均难以满足玉米生长的需水要求。特别是抽雄和灌浆期，玉米缺水较为严重。因此，在实际生产中，应在充分利用当地降雨资源的基础上对玉米进行补充灌溉，保证其需水要求，达到稳产、增产的目的。
运用CROPWAT对玉米灌溉制度进行模拟。当灌溉方式为喷灌时，计划模拟湿润层深度在生长初期为0.3 m，生长中期和后期为0.6 m。考虑到适宜玉米生长的土壤含水率为FC的0.55～0.8[18]，故当含水率达到RAW下限时进行灌水，补灌至FC的80%。根据《喷灌工程技术规范（GB/T 50085—2007）》的要求，管道系统水利用系数ηG取0.95，结合表3中玉米生长期内平均风速，田间喷洒水利用系数ηP取0.87，故此次模拟取田间喷灌灌溉水利用系数η=0.83[19]。当灌溉方式为膜下滴灌时，计划模拟湿润层深度在生长初期为0.3 m，生长中期和后期为0.5 m[20]。土壤湿润比为65%。灌溉水利用系数取0.95。
不同降水年型喷灌和膜下滴灌灌溉制度模拟结果如表6所示。由于丰水年不需要灌溉，所以在表中没有列出。从表6可以看出，喷灌条件下，特枯水年、枯水年和平水年的灌溉净定额分别为187.4、125.4和49.2 mm，灌溉次数分别为4次、3次和1次。膜下滴灌条件下，特枯水年、枯水年和平水年的灌溉净定额分别为163.0、95.6和35.8 mm，灌溉次数分别为5次、3次和1次。2种灌溉方式下灌溉制度的不同主要是由于二者作物系数和对应的作物生育阶段长短不同以及计划湿润层及灌溉湿润比不同造成的。
表6 不同降水年型喷灌和膜下滴灌灌溉制度
根据表3可知，该地区5月风速大，日照时间较长，降雨量较小，较高的土壤含水率可以保证种子发芽、出苗，若此时发生干旱，应该及时进行适当的补充灌溉，达到提高出苗率、达到壮苗的效果。膜下滴灌可以减少棵间蒸发，有效地避免春季干旱。拔节期需水量较低，降雨量增加，玉米需水量与有效降雨量耦合度较高，此时可利用膜下滴灌进行追肥和适量的补水，促进茎叶生长和植株的分化。抽雄期玉米需水达到高峰，有效降雨量也最大，但需水量与有效降雨量耦合度开始降低，玉米开始开花授粉，籽粒逐渐形成，这一时期土壤含水率应该保持在田间持水率的70%～80%。灌浆成熟期为玉米籽粒形成最关键的时期，若此时水分供应不足，将会导致籽粒干瘪，产量降低。
在平水年，喷灌和膜下滴灌应在8月下旬灌浆期进行补充灌溉。在枯水年，喷灌应在苗期、抽雄期和灌浆期进行灌溉，膜下滴灌应在拔节期、抽雄期和灌浆期进行灌溉。在特枯水年，喷灌和膜下滴灌应在拔节期、抽雄期和灌浆期进行灌溉，膜下滴灌比喷灌在灌浆期多灌水1次。特枯水年和枯水年喷灌在抽雄期和灌浆期的灌水量分别占灌溉定额的78.82%和76.48%，膜下滴灌在抽雄期和灌浆期的灌水量分别占灌溉定额的82.45%和71.86%。为了确保玉米稳产、高产，须在特枯水年和枯水年的抽雄期和灌浆期进行补充灌溉。
有很多学者利用CROPWAT模型对各种作物的需水量和灌溉制度进行了模拟和优化。郭金路等[21]利用CROPWAT模型提出了辽宁阜新地区不同降雨年型下春玉米的灌溉制度；徐冰等[22]利用CROPWAT模型对拉萨地区燕麦灌溉制度进行了优化；陈震等[13]利用CROPWAT计算提出了适宜黄河灌区的冬小麦的灌溉制度。以上研究的灌水阈值上限和下限都设定为FC和RAW，即当土壤水分消耗到土壤易被吸收的有效水量下限时进行灌水，补灌至田间持水率。这种灌溉方法并未考虑到不同生长期作物适宜的土壤含水率范围，补灌至田间持水率会引起作物“奢侈”蒸腾，减缓作物根系的呼吸作用，影响作物生长，有可能会造成玉米的倒伏，影响产量。也可能会影响补灌后作物对降雨的利用，土壤处于过高的含水率时，降雨会造成土壤水的渗漏和径流损失。另外以上研究也未提及适应其灌溉制度的灌溉方式。本研究制定玉米灌溉制度时考虑了适应作物生长的土壤水范围，由于喷灌机械化程度高、使用方便，将喷灌灌溉上限设定为FC的80%。同时，考虑到膜下滴灌为局部灌溉且自动化程度高，可对植物根系进行精确灌溉，将土壤湿润比设定为65%，考虑到覆膜可以有效利用土壤深层储水，将玉米中期和后期土壤湿润层深度设定为50 cm，比喷灌少10 cm[20]。同时考虑了覆膜条件下玉米各生长时期的变化和Kc的变化并对其进行了校正，使得模拟结果更精确。
根据《黑龙江省地方用水定额（DB23/T 727—2010）》的标准，肇州县位于黑龙江省灌溉分区松嫩低平原区（I1），该区枯水年玉米喷灌灌溉净定额为96～126 mm，平水年玉米灌溉净定额为66～96 mm[23]。本次模拟的枯水年玉米喷灌灌溉净定额为125.4 mm，平水年玉米喷灌灌溉净定额为49.2 mm。枯水年喷灌灌溉净定额处于该标准范围内，但略高，这可能是与最不利年份的选取有关，降雨越少的年份，作物需水量越高，导致灌溉定额越高。平水年喷灌灌溉净定额比该标准平水年玉米灌溉净定额最小值小16.8 mm，这可能是因为在制定喷灌灌溉制度时，将灌水上限设定为FC的80%，这种灌溉方法为玉米生长提供了更有利的环境并减小了灌溉定额。李蔚新等[24]在相同研究区的试验结果表明，膜下滴灌灌溉毛定额为45 mm、灌水3次是比较合理的灌水模式。2015年（丰水年）聂堂哲等[16]在相同研究区膜下滴灌水肥耦合试验结果表明，灌溉毛定额为20 mm，灌水3次时玉米可获得较高产量。本次模拟中，平水年玉米膜下滴灌灌溉毛定额为37.7 mm，灌水次数为1次。由于膜下滴灌技术是一项水肥一体化技术，肥料需要随灌溉水输送到植株根部，因此，玉米追肥也需要进行适量灌溉。而CROPWAT模拟只考虑了玉米根层水量平衡，没有考虑水肥一体化的因素，导致模拟的平水年玉米膜下滴灌灌溉毛定额和灌水次数小于试验结果。在丰水年，玉米不存在水分亏缺的情况下，膜下滴灌同样要进行3次灌溉，来保证肥料随水直接进入到作物根部，避免肥料浪费，提高水肥利用效率[25]。
兹对多年气象因素、玉米需水量、有效降雨量和灌溉需水量的变化趋势和相关性进行分析，明确了多年气候变化规律，玉米需水量、有效降雨量和灌溉需水量变化规律及其变化原因。通过进一步分析了不同降雨年型下玉米需水量、有效降雨和二者耦合度变化规律，确定了不同降雨年型下玉米喷灌和膜下滴灌适宜的灌溉制度。
1）玉米生长期内，除8月外，各月气象因素均出现显著变化，呈现温度升高、风速变小、降雨量减少的趋势。受温度、风速和日照时间变化的影响，玉米生长初期需水量变大，生长后期需水量变小。玉米需水量受最高温度和平均风速影响以8.72 mm/10 a的速率增长。生长期内，有效降雨量以7.65 mm/10 a的速率减小。
2）不同降雨年型的玉米需水量差异较大，特枯水年、枯水年、平水年和丰水年的需水量分别为500.3、470.8、442.8和395.4 mm。越是降雨少的年份，玉米的需水量越大，这种需水量的差异在抽雄期和灌浆期表现得最明显，作物需水量与有效降雨量的耦合度越小。
3）喷灌条件下，特枯水年、枯水年和平水年的灌溉净定额分别为187.4、125.4和49.2 mm，灌溉次数分别为4次、3次和1次。膜下滴灌条件下相应降雨年型的灌溉净定额分别为163、95.6和35.8 mm，灌溉次数分别为4次、3次和1次。为确保玉米稳产、高产，抽雄期和灌浆期的适量灌溉是必需的。
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Water Requirement and Irrigation Schedule of Maize Based on the CROPWAT Model
ZHANG Yunquan1,LIU Jilong2，3*,NIE Tangzhe2，3
(1.Center forAgricultural Water Research in China，ChinaAgricultural University,Beijing 100083,China;2.School of Water Conservancy and Civil Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China;3.Key Laboratory ofAgricultural Water Resource Use,Ministry ofAgriculture,Harbin 150030,China)
Abstract:【Objective】The primary objective of this paper is to analyze the effects of climate change on water requirement of maize under sprinkle and mulched drip irrigations as well as their associated irrigation schedules under different annual rainfalls in Western Heilongjiang Province.【Method】Using available data from 1988-2015,the CROPWAT model and the Mann-Kendall trend test method,we first estimated the temporal change in meteorological factors,water consumption of the maize,effective rainfall,water requirement for irrigation,as well as their relationships in Zhaozhou County of Western Heilongjiang Province.We then analyzed the relationship between the effective rainfall and water requirement of the maize,and calculated the associated irrigation schedule for both sprinkler irrigation and mulched drip irrigation under different annual rainfalls.【Result】①During growing season of the maize,the monthly-average maximum and minimum temperatures both increased steadily while the wind speed decreased.②The water requirement of the maize was in the range of 374.7～537.0 mm,positively related to the highest temperature and increasing at 0.872 mm per autumn.③In extremely dry year,slight dry year,moderate dry year and wet year,the demands of maize for water was 500.3,470.8,442.8 and 395.4 mm,respectively.④The correlation coefficients between water requirement of the maize and the effective rainfall varied,increasing first and then decreasing.⑤The amount of sprinkler irrigation in extremely dry year,dry year and moderate dry year was 187.4 mm,125.4 mm and 49.2 mm,respectively.⑥The amounts of mulched drip irrigation in extremely dry,dry and moderate dry year was 163 mm,95.6 mm and 35.8 mm,respectively.【Conclusion】Under climate change,the effective rainfall decreases while the water requirement of maize increases.The effective rainfall is hence unable to meet the demand of the maize for water except in wet years.Appropriate irrigations at tassel and filling stages is essential to sustain maize production.
Key words:maize;water requirement;irrigation schedule;sprinkling irrigation;mulched drip irrigation
责任编辑：白芳芳
中图分类号：S274.1
文献标志码：A
doi：10.13522/j.cnki.ggps.2017.0683
张耘铨，刘继龙，聂堂哲．基于CROPWAT模型的玉米需水量及灌溉制度研究[J]．灌溉排水学报，2018，37(7)：67-75.
文章编号：1672-3317（2018）07-0067-09
收稿日期：2017-11-09
基金项目：国家科技支撑计划项目（2014BAD12B01）
作者简介：张耘铨（1995-），男。硕士研究生，主要从事农业节水理论与技术研究。E-mail:zhangyunquan126@163.com
通信作者：刘继龙（1981-），男。副教授，博士，主要从事农业水土工程研究。E-mail:liujilong1981@163.com