小麦大田节水灌溉气象等级指标研究* Meteorological Grading Indexes of Water–saving Irrigation for Corn Jingjing Xiao Zhejiang Climate Center, Meteorological Bureau of Zhejiang Province, Hangzhou, 310017, China Zhiguo Huo Chinese Academy of Meteorological Sciences, China Meteorological Administration, Beijing, 100081, China Dapeng Huang National Climate Centre, China Meteorological Administration, Beijing, 100081, China Fenfen Guo The Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou, 310012, China Yan Jiang Department of Emergency Response, Disaster Mitigation and Public Services, China Meteorological Administration, Beijing, 100081, China Gaofeng Fan Zhejiang Climate Center, Meteorological Bureau of Zhejiang Province, Hangzhou, 310017, China Youhao E, Caixia YU Chinese Academy of Meteorological Sciences, China Meteorological Administration, Beijing, 100081, China Abstract To optimize irrigation and provide a technical guide on agricultural production, the water-saving irrigation meteorological grading indexes of different development stages of maize were built in this paper, based on the principle of farmland water balance, the theories of insufficient irrigation and regulated deficit irrigation, and by using multidimensional information including day-by-day meteorological data in 1961 － 2008 from 500 meteorological stations, soil moisture data in ten-day periods in 1993－2008 from 239 agro-meteorological stations (of which, the data in 1980－2008 came from 68 agro-meteorological stations)，irrigation amount and yield data were collected to analyze the relationship between the moisture deficiency rates, the quantity of water deficit and yield reduction rates at sowing-jointing stage, jointing-heading stage, heading-mature stage and the whole growth stage of maize referring to the product-water function(FAO-1979). Results indicated that water-saving irrigation meteorological grading indexes from Ⅰ－ Ⅲ levels of moisture deficiency rate and the quantity of water deficit (secondary indicators) were [10%, 25%), [25%, 40%) and ≥40%, corresponding to 1 － 2 irrigations (600m3∙hm–2 each time), 2－3 irrigations and >3 irrigations for the whole growth stage of maize, respectively. For sowing-jointing stage, the indicators were [15%, 30%), [30%, 45%) and ≥45%, corresponding to 0.5 irrigation, 1 irrigations and ＞1 irrigation, respectively. For jointing-heading stage, the indicators were [15%,30%), [30%, 45%) and ≥45%, corresponding to 0.5 irrigation, 1 irrigation and ＞1 irrigation, respectively. For heading-mature stage, the indicators were [15%, 30%), [30%, 50%) and ≥50%, corresponding to 1 irrigation, 1 － 2 irrigations and ＞2 irrigations, respectively. These indices could supply scientific support for the optimization of irrigation，and give guidance to agricultural production. Key words: maize, water-saving irrigation, Meteorological index 玉米节水灌溉气象等级指标研究 肖晶晶 1，霍治国 2 ※ ，黄大鹏 3，郭芬芬 4，姜燕 5，樊高峰 1，俄有浩 2，于彩霞 2 1.浙江省气候中心，杭州 310017 Corresponding author: huozhigg@cams.cma.gov.cn 基金项目：“十二五”国家科技支撑计划课题“重大农业气象灾害预测预警关键技术研究（2011BAD32B02）”、国 家标准项目（20083116-T-416） Journal of Risk Analysis and Crisis Response, Vol. 3, No. 2 (August 2013), 95-102 Published by Atlantis Press Copyright: the authors 95 willieb Typewritten Text willieb Typewritten Text willieb Typewritten Text willieb Typewritten Text Received 20 May 2013; accepted 27 June 2013 2.中国气象科学研究院，北京 100081 3.国家气候中心，北京 100081 4.国家海洋局杭州海洋工程勘测设计研究中心，杭州 310012 5.中国气象局应急减灾与公共服务司，北京 100081 摘要：基于农田水分平衡原理、非充分灌溉理论和调亏灌溉理论，利用全国 500 个地面气象观测站 1961－ 2008 年逐日气象资料、239 个农业气象观测站 1993－2008 年（其中 68 个站为 1980－2008 年）逐旬土壤湿 度，以及实际灌溉量、逐年作物产量等资料，结合 FAO-1979 作物水分–产量关系函数，分析全国玉米种植 区播种–拔节、拔节–抽穗、抽穗–成熟和全生育期的水分亏缺率、水分亏缺量与减产率之间的关系，构建玉 米不同发育期和全生育期节水灌溉气象等级指标。结果表明：玉米全生育期节水灌溉气象Ⅰ－Ⅲ级水分亏 缺率和水分亏缺量（辅助指标）指标分别为[10%, 25%）、[25%, 40%）、≥40%和 1－2 水、2－3 水、＞3 水；播种–拔节为[15%, 30%）、[30%, 45%）、≥45%和 0.5 水、1 水、＞1 水；拔节–抽穗为[10%, 20%）、[20%, 35%）、≥35%和 1 水、1－2 水、＞2 水；抽穗–成熟为[10%, 25%）、[35%, 40%）、≥40%和 0.5 水、1 水、 ＞1 水。指标体系可以为优化农业灌溉、指导农业生产提供科学支撑。 关键词：玉米；节水灌溉；气象指标 1. 引 言 玉米是中国重要的粮食作物和饲料作物，其生育 期耗水多且产量对水分亏缺的敏感指数较大。中国 95%以上的玉米种植在华北、东北、西北等干旱和半 干旱地区，水分不足一直是玉米高产、稳产的限制因 素 1。干旱是目前影响中国玉米生产最主要的农业气象 灾害，其发生的频率、强度都有增大的趋势，1997、 1999 和 2000 年中国玉米因旱减产分别为 20.6%、11.4% 和 27.5%2。 农业干旱是指由于外界环境造成作物体内水分失 去平衡而发生水分亏缺，影响作物正常生长发育，进 而导致减产甚至绝收的一种农业气象灾害 3。如何准 确、定量评估农业干旱对产量的影响、农业措施的增 产效应及投入产出成本优化配置，提升农田水分利用 效率，对实现农业可持续发展，开展实时、有针对性 的农业节水灌溉对策和措施的制定具有积极意义。中 国气象、农业、水利部门对农业干旱的防灾减灾工作 一直高度重视，但受国情因素限制，农业靠天吃饭的 局面依然没有得到根本改变，干旱依然是制约中国粮 食安全生产的最大自然灾害。目前中国农田灌溉水的 有效利用系数仅为 0.5，远不及发达国家的 0.7－0.84。 如何提高农田水分利用效率，即探寻适宜灌溉时间、 灌溉量的节水灌溉指标成为节水灌溉的关键问题。节 水灌溉以非充分灌溉理论和调亏灌溉理论为依据 5，其 指标构建以土壤-植物-大气连续体（Soil-Plant- Atmosphere Continuum，简称 SPAC）中的水分运移机 理为基础，主要包括土壤水分指标、植物生理指标、 综合效应评价指标等 6–8，其中土壤含水率是节水灌溉 最常用的指标之一，即基于土壤供水量来判定作物是 否发生水分亏缺，通过土壤水分上、下限指标值合理 安排灌溉时间和灌溉量来实现节水 9–10。然而，由于资 料获取难易程度、土壤水分参数差异，且现有的节水 灌溉指标一般是通过田间试验得到，局地性较强。该 类指标不仅推广应用难度较大，且难以与实时降水监 测、未来降水预报进行耦合集成应用。目前试验获取 指标主要针对作物全生育期，实际上不同发育期干旱 对作物产量的影响不同，相同的旱情在不同时期进行 灌溉的增产效应也有所差别。 本文在当前大田生产现状下，以农田水分平衡原 理、节水灌溉理论和水分敏感系数为基础，耦合地面 气象观测、农业气象观测、作物产量、统计年鉴等多 元信息资料，分析气象条件对玉米不同发育阶段水分 亏缺率及其对减产率影响的量化关系，筛选导致玉米 不同减产程度的水分亏缺临界指标、变化范围，构建 节水灌溉气象等级指标。为通过对玉米不同发育阶段 的需水规律及其当前时段作物水分亏缺率、亏缺量等 的实时分析，结合未来 3 天的降水定量预报，进行区 域节水灌溉气象等级预报，开展实时、有针对性地玉 米节水灌溉气象服务提供科学依据。 2. 资料与方法 2.1 资料来源 图 1 是论文气象与棉花研究站点分布图。 气象资料、土壤湿度资料和作物发育期资料取自 国家气象信息中心，气象资料包括 500 个站点 1961－ 2008 年逐日的气压（hPa）、降水量（mm）、最高温 图 1 气象与玉米研究站点分布 Published by Atlantis Press Copyright: the authors 96 度（℃）、最低温度（℃）、水汽压（hPa）、风速（m·s–1）、 日照时数（h）等，个别资料缺失值采用多年平均值代 替。土壤湿度资料为 239 个农业气象观测站 1993－ 2008 年（其中 68 个站为 1980－2008 年）的逐旬土壤 相对湿度、土壤水分常数等。作物发育期资料取自各 地农业气象观测站，产量资料来自各地的统计年鉴。 干旱资料来自《中国气象灾害大典·北京卷》和《中国 气象灾害大典·天津卷》11,12。 2.2 研究方法 论文从当前大田生产水平和管理水平出发，依据 农田水分平衡和作物水分敏感系数，耦合气象、产量 和灾情历史资料，分析不同年份下作物产量与水分的 关系。计算玉米种植区不同年份下玉米播种–拔节、拔 节–抽雄、抽雄–成熟和全生育期水分亏缺率、水分亏 缺量及对应年份的减产率，按照自然灾害等级划分方 法 13，以减产率 5%、10%和 20%为界限点筛选导致玉 米不同减产程度的水分亏缺临界指标、变化范围，构 建玉米节水灌溉气象等级指标。囿于篇幅，论文以玉 米全生育期的指标构建为例，具体说明玉米节水灌溉 气象等级指标的构建和验证情况。 2.2.1 研究区域、样本的选择 选取站点遵循以下原则：①选取发生干旱、减产 的年份，且减产率不少于 3%；②选取灌溉能力有限的 区域；因为灌溉能力强的区域，作物减产往往是由于 病虫害、田间管理、其他气象灾害等多方面因素造成， 干旱不是主要的减产因素；③选取灌溉能力强、干旱 严重、有灌溉量记载的地区年份进行指标验证。 2.2.2 干旱减产致灾因子的识别 干旱减产是多个因子共同影响的结果，干旱减产 致灾因子的识别是本论文首先要解决的问题。论文涉 及灌溉资料、未灌溉或者少量灌溉资料和噪音资料等 三部分资料。分析过程中须剔除噪音资料，分离灌溉 资料，剔除涝渍害和干热风等非干旱原因为主而减产 的噪音资料。灌溉资料即有记录的干旱年份资料，该 部分资料作为验证资料单独处理。为此论文引入 FAO-1979 作物水分–产量关系函数式 14 和先验知识判 断对数据进行初步识别。 2.2.3 发育期水分亏缺量/率的计算 基于实际生产的玉米不同发育期水分亏缺量/率 的计算，采用参考文献 15 给出的综合考虑自然供水 量、灌溉量和作物需水量的算法，计算公式如下：      m j m j jjLjj EGPWz 1 1 01D （1）              m j j m j m j jLjjj EEGPWD 11 1 01 %100/ （2） 式中：Dz/D 为作物某发育期的农田水分盈亏量/ 率 （mm/%）。当 Dz/D＞0 时，农田水分盈余，称为 农田水分盈余量/率；当 Dz/D＜0 时，农田水分亏缺， 称为农田水分亏缺量/率。W01 为时段始第一天的土壤 有效底墒量（mm）。P 为时段内的日降水量（mm）。 GL 为当前发育期内的灌溉量。E 为时段内的作物日需 水量（mm），结合 FAO–56 推荐系数计算 16，如表 1。 j 为时段日数序号，j=1,2, …,m，m 为时段日数。 表中：季初阶段为从发芽到覆盖 10％的土地；作 物发育阶段为从覆盖土地 10％到覆盖土地 80％；季中 阶段为从覆盖土地 80％到开始成熟；季末阶段为从开 始成熟到收获。 2.2.4 水分亏缺率与减产率理论关系式的引入 FAO-1979年提出关系式14：    maxmax /1/y-1 WWky  （3） 式中：y为作物实际产量；ymax为作物最高产量； W为作物实际水分供给量；Wmax为作物理论需水量；k 为产量反应系数。由于玉米全生育期的水分–产量响应 系数为“1.25”17，当k=1.25时，其水分–产量关系函数为 一条斜率1.25的直线，则（3）式可变换为：    maxmax /125.1/1 WWyy  （4） 在作物干旱减产年，作物实际产量低于其趋势产 量，作物实际水分供给量低于其理论需水量；因此， 可近似地取作物趋势产量为最高产量，作物需水量为 理论需水量。则（4）式可变换为：     maxmaxmaxmax /25.1/ WWWyyy  （5） （5）式左边为作物减产率，右边则为作物水分 亏缺率。理论上可以认为在一定范围内二者近似存在 上式的关系。通过比较二者的实际值与理论值的相似 关系，可进行作物干旱减产年验证站点的合理选择、 剔除非主要由干旱导致作物减产的异常站点，以及进 行等级指标确定的合理性分析等。 需要说明的是，直线模型理论存在一定的缺陷， 即在水分亏缺率超过作物忍受的范围时，也会获得相 应的减产率。因此，在实际验证时，主要将其作为指 标合理性的参照进行评价。 3. 结果与分析 3.1 玉米水分亏缺率等级指标 基于全国玉米产区逐站、逐年的水分亏缺率、减 产率计算结果，筛选由干旱导致玉米减产且灌溉能力 有限的站点和年份，表2和表3按照不同减产率等级给 出了不同站点、不同年份春玉米和夏玉米全生育期水 分亏缺率与减产率的对应情况。 玉米不同生育期水分亏缺敏感系数变化范围为 [0.07，0.55]18，不同发育期对水分亏缺反应不同，相 同的水分亏缺造成减产率大小顺序为抽雄吐丝期>拔 节期>苗期19，玉米高产节水试验也得到类似的结论6。 表 1 玉米发育期作物系数(FAO-56) 季初 发育 季中 季末 收获 生育期 0.3 - 0.5 0.7 - 0.85 1.05 - 1.2 0.8 - 0.95 0.55 - 0.6 0.75 - 0.9 Published by Atlantis Press Copyright: the authors 97 4 适宜的水分亏缺可增加玉米抵御干旱的能力。田间试 验表明，苗期中度调亏、关键期轻度调亏下玉米产量 和水分利用效率最高20，而不适当灌溉甚至可能导致减 产21。玉米耗水量与产量关系的研究表明，春玉米和夏 玉米产量与生育期耗水量呈良好的二次抛物线关系 （R=0.9277和R=0.9479）22,23，表2、3数据二次函数拟 合通过显著性检验（R=0.893和 R=0.834），与该结论 相符。由表2、3可以看出，减产率＞20%、10%－20% 和5%－10%对应春玉米和夏玉米样本水分亏缺率（D） 的平均值分别为50.28%、33.85%、16.79%和49.87%、 32.84%、19.06%。落在D≥40%、25%－40%和10%－ 25%区间内的样本分别占三个减产率区间内所有样本 的91.18%、64.29%、100%和77.78%、81.82%、75.00%， 落 在 对 应 D 区 间 ±2.5% 所 占 比 率 分 别 达 87.80% 、 52.63%、100%和63.64%、73.33%、75.00%。按表2、3 给出的玉米水分亏缺率等级区间，对全部站点、区间 站点分别进行直线拟合（R=0.938和R=0.980），比较 拟合直线与1.25理论线的平行关系，区间站点与理论 线几近平行，表明构建的等级指标具有较好的合理性。 因此，将指标阈值分别设定于10%、25%和40%。 表3 夏玉米全生育期水分亏缺率与减产率的对应关系 减产率/% 站名 年份 亏缺率/% 减产率/% 站名 年份 亏缺率/% 减产率/% 站名 年份 亏缺率/% 减产率/% 5 - 10 唐河 2001 22.44 9.53 房县 1997 13.62 7.99 唐河 1988 12.63 7.23 西平 1992 31.17 9.16 正阳 1988 19.22 7.24 兖州 1997 27.6 8.76 阆中 1997 14.35 6.13 10 - 20 郑州 1997 49.57 19.85 通县 2003 39.69 13.79 黄骅 1999 31.03 15.00 景县 1997 35.73 19.51 易县 2003 39.66 13.73 通县 2000 23.78 14.48 静海 1999 50.82 19.48 黄骅 1992 29.45 12.24 唐河 1997 28.19 14.10 三台 2006 28.38 18.47 隰县 1994 35.70 12.14 香河 2000 34.66 11.92 正阳 1994 23.75 11.22 >20 唐河 2001 22.44 9.53 正阳 1988 19.22 7.24 房县 1997 13.62 7.99 西平 1992 31.17 9.16 唐河 1988 12.63 7.23 唐河 1992 22.70 4.30 兖州 1997 27.60 8.76 阆中 1997 14.35 6.13 表2 春玉米全生育期水分亏缺率与减产率的对应关系 减产率/% 站名 年份 亏缺率/% 减产率/% 站名 年份 亏缺率/% 减产率/% 站名 年份 亏缺率/ 减产率/% 5 - 10 白城 1980 17.53 7.63 沈阳 1972 15.99 6.59 营口 1965 10.69 5.83 白城 1977 16.11 9.57 通辽 1995 14.11 7.40 右玉 1975 13.55 6.83 朝阳 1999 29.33 5.69 通辽 1967 23.47 9.09 右玉 1994 14.08 8.30 东胜 1979 14.16 6.41 围场 1980 20.29 5.54 原平 1970 11.15 8.27 东胜 1989 21 9.05 围场 1981 21.9 6.63 彰武 1968 29.94 5.60 河曲 1970 25.36 8.27 围场 1963 19.82 6.72 彰武 1973 10.11 7.79 黄骅 1983 21.74 5.43 翁牛特 1995 15.13 9.85 彰武 1963 22.48 8.86 泸西 1992 11.24 7.24 西峰镇 2005 12.28 5.30 隰县 2001 22.6 5.04 洛川 2007 15.87 5.74 叶柏寿 1999 29.62 5.69 隰县 1971 16.67 7.65 平凉 2006 13.36 5.57 叶柏寿 1988 19.46 8.42 延安 1986 17.47 6.97 前郭 1973 17.51 6.13 扎贲特 2007 19.19 6.63 延安 2001 13.34 7.75 前郭 1980 11.08 8.42 扎贲特 1977 22.72 7.11 延安 1995 28.73 9.78 前郭 1992 21.26 8.84 扎贲特 1975 16.75 9.98 10 - 20 安达 1982 33.08 18.07 平凉 2000 36.28 12.72 阜新 1968 31.4 16.33 白城 1968 35.51 12.86 泰来 1975 41.33 16.07 阜新 1981 35.63 12.67 朝阳 1980 30.26 13.23 泰来 1977 34.74 16.80 黄骅 1986 29.92 13.61 大同 1962 37.62 15.48 西峰镇 1969 35.62 19.16 介休 2000 35.15 15.05 右玉 1986 38.77 11.88 西峰镇 2000 29.14 12.38 开原 2000 28.93 16.84 彰武 2001 40.76 18.54 隰县 1994 29.4 12.14 临汾 1986 36.99 15.75 中卫 1976 42.63 16.90 叶柏寿 1961 36.72 16.42 平凉 1991 36.29 19.34 >20 安达 2000 38.3 34.99 泰来 1968 54.53 37.94 阜新 2000 50.97 73.06 安达 2001 41.68 23.37 泰来 1972 56.02 39.77 阜新 2006 47.12 28.66 白城 1972 51.74 62.75 泰来 1982 44.27 31.75 河曲 1962 55.59 51.54 白城 1995 44.58 27.22 泰来 1995 44.11 23.53 河曲 1968 54 46.58 白城 2000 42.49 41.66 泰来 2001 65.41 49.50 河曲 1974 50.65 29.67 白城 2004 58.34 66.68 泰来 2004 60.32 23.89 河曲 2000 52.94 54.47 大同 1972 50.24 24.16 焉耆 1967 76.22 86.47 黄骅 1997 46.4 31.74 大同 1984 43.13 43.75 焉耆 1972 77.26 87.30 洛川 1997 58.78 27.52 榆林 2006 46.23 24.38 延安 1997 39.1 21.49 前郭 1982 44.23 31.82 榆社 1986 40.84 33.73 叶柏寿 1972 40.8 49.65 前郭 2004 38.14 24.62 原平 1968 39.1 46.58 叶柏寿 1981 42.38 29.20 彰武 1982 45.73 37.40 原平 1974 38.66 29.67 叶柏寿 2000 49.77 60.14 彰武 2000 47.96 63.32 Published by Atlantis Press Copyright: the authors 98 由表4可以看出春玉米和夏玉米全生育期水分亏 缺率指标阈值相同，播种-拔节、拔节-抽雄、抽雄-成 熟等发育阶段的指标构建也得到了同样的结论。因此， 后文的辅助指标构建即论证将不再分开讨论。 3.2 水分亏缺量等级辅助指标 玉米节水田间试验表明，在中等干旱或者水文年 为75%的年型下，华北地区灌溉2水可以实现经济用水 6,24。由于灌溉定额与当地的土壤类型、水文情况等密 切相关，故本文以灌水次数来表征灌溉量。参考华北 地区的灌溉制度，按灌溉1水为600m3·hm–2，即每单位 面积60mm计算18。 选取玉米生育期有旱情记录的京、津干旱较严重 的年份（27个数据）。灌溉次数通过田间土壤水分平 衡计算得到。参考国家标准《气象干旱等级GB/T 20481–2006》25，季尺度降水距平25%－50%为轻旱， 50%－70%为中旱，＞70%为重旱。研究1982－2007 年的干旱、农田灌溉与减产率的对应关系发现重旱年 份没有充分灌溉时减产率一般大于20%，中旱年份灌2 －3水，轻旱年份灌溉1－2水。按照站点选取原则统计 有灌溉记录的玉米站点如表5。由表5可以看出，水分 亏缺1－2水、2－3水和>3水分别占3个减产率等级站点 的80%、23.81%和75%。不同减产率等级对应的水分 亏缺率平均值分别为55.90%、40.22%和19.62%，落在 上文设定的D等级指标阈值范围内。对应等级区间缺水 量平均值分别为93、150和193mm。综上分析结果确定 水分亏缺量等级辅助指标为轻旱1－2水、中旱2－3水、 重旱＞3水。 3.3 基于实际灌溉的间接验证 为了验证上文得到指标的可行性，选取没有参与 指标构建、灌溉条件好、有灌溉记载的地区的独立样 本，通过计算无灌溉时的玉米生育期水分亏缺率和水 分亏缺量、统计对应年份的实际灌溉量与减产率样本 （表6），进行实际生产验证。 表6给出了玉米全生育期水分亏缺率、灌溉量与减 产率的验证样本，按前文给出的玉米全生育期水分亏 缺率等级指标，分等级统计落在不同灌水次数区间中 的样本数、以及灌溉后增减产的样本数。由表7可以看 出：全生育期水分亏缺率等级为Ⅰ级时，灌溉样本数2 个；其中落在灌1－2水区间1个（吻合率50%）、灌2 表4 玉米全生育期水分亏缺率等级指标的回代验证情况 水分亏缺率 （D）/% 减产率 /% 验证样本 D 区间 D 区间±2.5 吻合率 /% 亏缺率 平均值/% 减产率 平均值/% 吻合率 /% 亏缺率 平均值/% 减产率 平均值/% 春玉米 10≤D＜25 5 -10 100 16.79 7.35 100 17.04 7.38 25≤D＜40 10 - 20 64.29 33.85 16.54 52.63 34.39 18.33 D≥40 ＞20 91.18 50.28 41.00 87.80 48.27 38.51 夏玉米 10≤D＜25 5 - 10 75.00 19.06 8.52 75.00 19.06 8.52 25≤D＜40 10 - 20 81.82 32.84 13.53 73.33 31.50 13.55 D≥40 ＞20 77.78 49.87 29.81 63.64 48.02 26.89 表6 玉米全生育期水分亏缺率/量与实际灌溉量、减产率的验证样本 地区 年份 亏缺量/mm 亏缺率/% 灌溉量/mm 减产率/% 地区 年份 亏缺量/mm 亏缺率/% 灌溉量/mm 减产率/% 原阳 1997 315.97 72.43 240 –5.89 三台 2002 185.68 48.90 180 –3.96 夏县 2006 206.86 46.00 180※ 6.48 静海 2007 122.34 33.32 120 0.430 夏县 2005 204.45 47.19 180※ 14.54 静海 1999 186.46 50.82 120 19.480 夏县 2001 192.52 46.45 180※ 11.70 黄骅 1993 113.17 30.45 120 5.85 夏县 2000 183.56 43.47 180※ 7.83 岱岳区 2002 221.10 45.98 120 5.63 隰县 1997 386.77 70.94 180※ 14.17 宝坻 1997 95.61 24.73 60 2.100 宝坻 1992 63.15 17.34 180 –0.530 原阳 1986 191.29 47.74 90 12.75 宝坻 1989 115.23 31.74 180 1.720 虞城 1997 203.85 50.24 60※ 14.88 通县 1997 147.11 38.54 180 –2.17 表5 玉米全生育期水分亏缺量等级回代验证情况 缺水量 /mm 缺水次数 /次 减产率 /% 资料样本 所占比率/% 平均值/mm 最小值/mm 最大值/mm 60 - 120 1 - 2 5 - 10 80 93 51 138 120 - 180 2 - 3 10 - 20 23.81 150 66 206 ＞180 ＞3 ＞20 75 193 148 236 Published by Atlantis Press Copyright: the authors 99 －3水区间1个；灌溉后增产的1个、减产在5%以下的1 个；灌溉减灾效果较好。全生育期水分亏缺率等级为 Ⅱ级时，灌溉样本数4个；全部落在灌2－3水区间（吻 合率100%）；灌溉后增产的1个、减产在5%以下的2 个、减产在5%以上的1个；灌溉减灾效果总体较好。 全生育期水分亏缺率等级为Ⅲ级时，灌溉样本数11个； 其中落在灌1－2水区间2个、灌2－3水区间8个、灌＞3 水区间1个（吻合率9.09%）；灌溉后增产的2个、减产 在5%以上的9个；灌溉减灾效果总体较差。其中1个灌 ＞3水的样本，虽然水分亏缺率高达72.43%，灌溉后在 所有样本中增产幅度最大，达5.89%；由于少灌1水而 造成减产率超过5%的为90.01%，其中减产率超过10% 的达到54.55%，从反面说明指标的可行性（表7）。 综上，全生育期水分亏缺率等级为Ⅰ级、Ⅱ级、 Ⅲ级时，灌水次数分别以1－2水、2－3水、＞3水。综 合实际灌溉样本完全落在指标区间的吻合率、完全落 在指标区间样本实际灌水后玉米增产或减产在5%以 下的验证结果，表明论文构建的玉米水分亏缺率等级 指标是合理的、可行的。 3.4 玉米节水灌溉气象等级指标 采用同样的方法构建玉米播种–拔节、拔节–抽雄 和抽雄–成熟等不同发育阶段节水灌溉气象等级指标， 结果见如表8。表8中玉米全生育期与不同发育阶段的 指标上下阈值并不完全一致，这主要是由于不同阶段 的需水量、水分亏缺敏感指数和“补偿和超补偿效应” 不同造成的26。Jensen模型研究表明，玉米拔节前发生 水分亏缺并不直接影响作物籽粒的形成，该阶段的产 量对水分亏缺反应的敏感指数较小，苗期旱后拔节期 复水对产量补偿效应显著；拔节期以后，水分亏缺敏 感指数上升较快，抽雄到灌浆阶段，产量水分亏缺敏 感指数达到最大，且该阶段干旱复水补偿效应较小， 因此随着干旱加剧，减产呈高次函数变化18。水分胁迫 并非全是负效应，前期适量干旱有利于玉米根系深扎 健长，提高后期水肥利用率，只有当水分亏缺率超过 一定限度时，尤其是苗期、拔节期连续干旱时，会导 致严重减产26。因此该发育期水分亏缺率指标值较其他 发育期略大。拔节–抽雄为玉米的水分关键期，因此Ⅲ 级指标下限要低于其他发育阶段。全生育期综合了各 发育期的水分敏感系数、需水量等因素，Ⅰ级下限与 拔节–抽穗、抽穗–成熟下限相同、Ⅲ级下限值在播种– 拔节和拔节–抽穗的下限值之间是符合实际的。 4. 结论与讨论 全球变暖已经成为不争的事实。当温度上升 1－ 4℃时，玉米生长期内需水量将增加 1.7%－18.1%27。 节水灌溉是在水分供求矛盾日益加剧的背景下提出的 与传统丰水灌溉相对的一种经济、可持续的生产方式， 节水条件下玉米需水量可减少13%左右28。节水灌溉气 象等级因子是通过气象、农业、生物等综合因素反映 作物生长期的水分亏缺程度，耦合土壤、作物、气象 信息，以水分亏缺–减产率对应关系反映不同水分亏缺 程度对产量的影响，从作物角度揭示农业干旱。研究 表明，玉米不同生育期不同干旱方式和干旱程度对玉 米生长发育和产量影响不同，不同生育时段对水分亏 缺的敏感度差异很大，导致的减产程度也明显不同3； 前期适度的水分亏缺利于玉米根系深扎稳健生长，利 于提高后期水肥利用率；水分关键期的水分亏缺敏感 指数大，较轻程度的干旱也可能造成作物减产，抽雄- 乳熟期的旱灾致灾风险明显高于其他生育期29，基于水 分盈亏指数的玉米生育期干旱风险分析也得出了类似 的结论30。 本次研究首次构建了适用于大田生产的玉米不同 发育期和全生育期玉米节水灌溉气象Ⅰ－Ⅲ级等级指 标。研究遵循科学性、针对性、适用性、可行性的原 则，依据农田水分平衡原理，通过对前人相关研究成 果的综合比较分析，在充分考虑计算因子所涉及的数 据资料的易获取性、计算方法的可操作性、实用性及 普适性等的基础上，确定计算方法，并对其涉及的模 型、指标、因子进行筛选、修正和调整，构建基于农 业、气象、水文等多元信息的玉米不同发育阶段的节 水灌溉气象等级指标。研究结论具有一定的普适性、 空间和时间可比较性，为有效缓解农用水资源的短缺、 表8 玉米节水灌溉气象等级指标 水分亏缺率/% 水分亏缺量（辅助指标) Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅰ级 Ⅱ级 Ⅲ级 播种-拔节 15≤D＜30 30≤D＜45 D≥45 0.5 水 1 水 >1 水 拔节-抽雄 10≤D＜20 20≤D＜35 D≥35 1 水 1 - 2 水 ≥2 水 抽雄-成熟 10≤D＜25 25≤D＜40 D≥40 0.5 水 1 水 >1 水 全生育期 10≤D＜25 25≤D＜40 D≥40 1 - 2 水 2 - 3 水 >3 水 表 7 基于实际灌溉的玉米水分亏缺率等级指标的回代验证情况 水分亏缺率/% 灌溉 样本数 落在不同灌水次数区间中的样本数 灌溉后增减产的样本数 1～2 水 2～3 水 ＞3 水 增产 减产 5%以下 减产 5%以上 样本数 吻合率 样本数 吻合率 样本数 吻合率 10≤D＜25 2 1 50% 1 0 1 1 0 25≤D＜40 4 0 4 100% 0 1 2 1 D≥40 11 2 8 1 9.09% 2 0 9 Published by Atlantis Press Copyright: the authors 100 提高农田水分利用效率、实现作物节水增产提供技术 支撑。论文的指标体系采用作物水分亏缺率，基于该 指标体系，通过对玉米不同发育阶段的需水规律及其 当前时段作物水分亏缺率、亏缺量等的实时分析，结 合未来 3 天的降水的定量预报，评估分析区域节水灌 溉气象等级预报，实现分时段和滚动干旱监测、预警 和响应，为开展实时、有针对性的玉米节水灌溉气象 服务提供科学依据。 实际生产中，农田用水并不完全按照可供水量来 计算，必须考虑用水存在风险，过度开采地下水来满 足作物灌溉的生产方式是不可持续的 31。本次研究结 论从农业生产出发，基于作物 FAO–1979 水分–产量关 系函数得到，主要考虑自然供水、人工灌溉对作物产 量的影响。但受资料可获取等因素限制，分发育期指 标构建仍不够精细。研究中未考虑不同地区间土壤类 型、根系发育、品种等差异，在计算作物耗水量时统 一采用了 FAO–56 推荐作物系数值；在计算土壤有效 底墒时采用平均状态下的根系发育情况；有效降水文 中采用降水量来计算；FAO–1979 产量–水分关系函数 本文取干旱年份下的趋势产量来代替最高产量。此外， 有关结合当地实际灌溉能力、用水风险分析和指标细 化等问题有待下一步研究。 参考文献 1. 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