东北三省西部春玉米适应气候变化的高产高效灌溉方案分析

黄秋婉，刘志娟，杨晓光，白帆，刘涛，张镇涛，孙爽，赵锦

东北三省西部春玉米适应气候变化的高产高效灌溉方案分析

黄秋婉，刘志娟，杨晓光，白帆，刘涛，张镇涛，孙爽，赵锦

（中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

【】东北三省是我国重要的商品粮生产基地之一，同时也是对气候变化最敏感的地区，因此明确气候变化背景下东北三省西部干旱区春玉米的适宜灌溉措施，对于当地春玉米高产稳产水资源高效利用有重要意义。依据春玉米生长季积温和水分亏缺率将东北三省春玉米潜在种植区划分为10个气候区，以东北三省西部5个水分亏缺率＞0的气候区为研究区域，基于1981—2017年的气象资料、农业气象观测站春玉米试验数据和土壤资料，对农业生产系统模型（APSIM-Maize）相关参数进行调试并验证其适用性。设置不同灌溉情景，利用验证后的模型模拟各气候区不同灌溉情景下的春玉米产量，结合水分利用效率明确各气候区不同年代的适宜灌溉措施及产量提升幅度。（1）近37年（1981—2017年）5个气候区有效积温均呈显著上升趋势，降水量呈下降趋势。从过去37年平均来看，第一和第三气候区降水对春玉米产量的限制程度较小，分别为0—27%和0—9%，通过灌溉对产量提升的贡献较小，但能有效提高产量的稳定性（可使第一气候区产量变异系数由0.24降低到0.11，第三气候区产量变异系数由0.14降低到0.12）；第五、七和九气候区降水对春玉米产量的限制程度较大，分别为27%—69%，15%—35%，31%—51%，灌溉不仅可提升当地玉米产量，同时可使3个气候区的产量变异系数由0.54降低到0.15，0.46降低到0.13，0.65降低到0.13。表明在东北三省西部干旱区通过灌溉能达到高产稳产的目的。（2）第一和第三气候区大部分年代春玉米高产高效适宜灌溉量为40 mm，且灌溉时间对春玉米产量和水分利用效率的影响较小；第五、七和九气候区大部分年代高产高效适宜灌溉量为60—80 mm，3个气候区适宜灌溉时间分别为吐丝到吐丝后20 d、拔节到拔节后10 d、拔节到拔节后10 d。（3）与雨养条件相比，不同气候区适宜灌溉措施条件下增产幅度不同。其中第五、七和九气候区增产幅度较大，年代际变化范围为33%—86%、24%—46%和50%—77%，第一和三气候区增产幅度较小，年代际变化范围为5%—43%和9%—19%。东北三省西部地区春玉米适宜灌溉量随纬度的升高呈减少的趋势，适宜灌溉时间随纬度的升高呈推迟趋势，且随年代的推移，气候变暖，各气候区适宜灌溉时间呈提前趋势。与雨养条件相比，各气候区适宜灌溉措施条件下春玉米可增产0—86%，其中第五、七和九气候区增产幅度较第一和第三气候区更大。

春玉米；灌溉措施；APSIM-Maize模型；水分利用效率；干旱；气候区

0 引言

【研究意义】东北三省是我国重要的商品粮生产基地之一，根据中国农业统计年鉴数据，近10年（2008—2017年）东北三省玉米总产量约占东北三省粮食总产量的60.8%，约占全国玉米总产量的29.6%[1]。由此可见，玉米作为东北三省第一大粮食作物[2]，其产量的提升对于全国粮食产量提升有重要意义。东北三省由于纬度较高，使其成为对气候变化影响最为敏感的地区之一[3]。已有研究表明，近50年来（1960—2010年）东北三省平均、最低及最高气温均呈明显上升趋势，平均气温每10年升高0.38℃[4-5]，使得玉米生长季内积温明显增加；全年及玉米生长季内降水量均呈减少趋势且波动性增大[4,6-8]，使该地区玉米生产的稳定性受到极大威胁[9-10]，特别是西部水资源匮乏地区[11]。因此研究气候变化背景下，东北三省西部地区春玉米适宜灌溉措施，对于充分合理利用当地气候资源，应对气候变化，保障我国玉米高产稳产具有重要理论和现实意义。【前人研究进展】在不考虑适应措施的前提下，玉米生长发育阶段气温升高将使玉米生育期缩短，不利于玉米干物质积累和产量形成。LIU等[12]利用APSIM模型解析了气候变化对东北三省春玉米生长发育及产量形成的影响，研究结果表明，在不考虑适应措施条件下，气候变暖使东北三省春玉米全生育期每10年缩短2.3—4.8 d，生长季内平均气温每升高1℃，产量将下降4%—22%。然而，在气候变化背景下可以通过采取适当的适应措施有效减缓气候变化对作物的负面影响，如调整种植制度、更换品种、优化播期、改善水肥管理等。已有研究表明，气候变暖使得多熟种植北界北移，界线变化区域内调整种植制度可使作物单产增加25%—106%[13]，从而使我国三大粮食作物总产增加2.2%[14]。在东北地区更换生育期较长的玉米品种可使产量增加13%—38%[12]。调整播期可使华北地区夏玉米产量提升2%—10%[15]，东北地区春玉米产量提升4%[12]。【本研究切入点】优化水肥管理措施亦可有效应对气候变化对作物生产产生的负面影响[16-18]。由于气候、环境等的空间差异性和时间变异性，不同区域适宜的高产管理措施存在较大的差异。我国东北地区春玉米生长季内降水量呈现经向分布即由西北向东南逐渐递增，空间差异较大（变化范围为298—880 mm），且目前东北地区春玉米种植以雨养为主，如不采取相应措施，干旱造成的玉米减产程度增加且各地减产幅度变化复杂，特别是对于西部降水偏少区域，水分是限制该地区春玉米产量的主要因子[19]。为此针对东北西部地区不同气候区开展应对气候变化的适宜灌溉措施研究对保障该地区粮食高产稳产有重要意义。【拟解决的关键问题】本文将东北三省划分为10个气候区，选择西部地区5个水分亏缺较为明显的气候区为研究区域，利用验证后的农业生产系统模型（agricultural production system simulator，APSIM-Maize），明确不同气候区降水对春玉米产量的限制程度，结合玉米产量和水分利用效率提出不同气候区应对气候变化的高产高效适宜灌溉模式，为东北三省西部地区春玉米高产高效生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

本文研究区域为我国东北三省，地理位置介于北纬38°26′—53°24′，东经118°30′—135°8′，是我国纬度最高的地区，属于温带湿润半湿润大陆性季风气候，大部分农区≥10℃积温为1 600—3 600℃·d，无霜期140—170 d，降水量500—800 mm，干燥度0.75—1.5，80%的降水集中在5—9月份，与作物生长季吻合度较好。由于热量资源略显不足，东北大部分地区的种植模式为一年一熟。该地区土质以黑土为主，是世界三大黑土带之一，土地肥沃，有机质含量高，为春玉米的种植提供了良好的条件。

东北三省部分地区由于热量资源的限制，不能种植春玉米，本文将稳定通过10℃界限温度范围内≥10℃的活动积温达到2 100℃·d的地区界定为春玉米的潜在种植区。有研究表明东北三省西部地区降水对春玉米生产的限制达到14%—48%[20]，因此笔者基于前人研究，依据积温和水分亏缺率将研究区域划分为10个气候区（climate zone，CZ），每200℃·d划分一个积温带[18]，选择水分亏缺较为明显（＞0）且位于东北三省西部的5个气候区（CZ1、CZ3、CZ5、CZ7和CZ9）作为本文的研究区域。并从5个气候区中分别选择1个代表站点进行研究（图1），代表站点春玉米生长季内的气候资源特征见表1。可以看出，各代表站点1981—2017年有效积温呈上升趋势，降水量均呈下降趋势。

1.2 数据来源

气象资料来源于中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn），包括研究区域5个站点1981—2017年的逐日地面气象观测数据，站点分布如图1所示，气象要素有平均本站气压、平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均相对湿度、日照时数和平均风速；模型所需的太阳辐射采用Penman- Monteith 公式[21]计算。

作物资料来源于东北三省农业气象观测站（1981—2007年）试验数据，包括品种、播种日期、播种密度、播种深度、行距、施肥和灌溉措施、生育期（出苗期、开花期和成熟期等）、地上部生物量和产量，用于作物模型品种参数的校准。

土壤资料来自于农业气象观测站土壤数据，包括分层土壤容重（BD）、饱和含水量（SAT）、田间持水量（DUL）、凋萎系数（LL15）等。

表1 各气候区代表站点春玉米生长季内气候资源特征（1981—2017年）

**表示通过＜0.01的显著性检验 ** indicates significantly different at＜0.01

审图号：GS（2020）5270号

1.3 研究方法

1.3.1 农业生产系统模型 农业生产系统模型（APSIM）是一种可用于模拟农业生产系统中各主要组成部分的机理模型，它是由澳大利亚的联邦科工组织以及昆士兰州农业生产系统组（APSRU）联合开发的作物模型[22-23]，目前已在全世界不同国家的地区得到广泛验证[24-29]。

APSIM模型主要由生物物理模块、管理模块、输入输出模块3部分组成，并由中心引擎来控制引导，生物物理模块用于模拟农业系统中各种生物和物理过程，用户可以利用管理模块定义栽培管理措施并控制模拟过程，输入输出模块管理数据的调用、输入和输出[30]。

本文使用APSIM7.6版本，应用的主要模块为气象模块（Met）、时间模块（Clock）、土壤模块（Soil）、地表有机质模块（Surface organic matter）、施肥模块（Fertiliser）、玉米模块（Maize）、管理措施模块（Manager folder）、灌溉模块（Irrigation）和结果输出模块（Outputfile）。

1.3.2 模型评价方法 本文利用实测的气象、土壤及作物资料对APSIM-Maize模型进行调参和验证，通过模型模拟结果与实测结果的图形比较以及各项评价指标来评价APSIM-Maize模型在东北三省的适用性。采用以下统计量作为检验模型的指标：模拟值与实测值之间的决定系数（R）、均方根误差（）、归一化均方根误差（）[31]、一致性指标（指标）[32]、平均绝对误差（）。其中，R和指标可反映模拟值与实测值之间的一致性，其值愈接近1说明模拟效果愈好；相对于R，指标对系统模拟误差的响应更敏感；和值反映了模拟值与实测值之间的绝对误差和相对误差，其值愈小，表明误差值愈小。一般认为值小于10%时，模拟值与实测值一致性非常好，10%—20%时较好[33]。

式中，S为模拟值，O为实测值，为实测平均值，为样本数。

1.3.3 模型灌溉情景设置 本文利用调参验证后的APSIM-Maize模型，模拟分析东北三省西部干旱区各气候区典型站点春玉米产量对灌溉措施（灌溉时间和灌溉量）的响应，情景设置如下：

（1）充分灌溉和雨养条件设置

为明确各气候区典型站点降水对春玉米产量的限制，需要模拟各气候区代表性品种的潜在产量和气候生产潜力。潜在产量可以代表一个地区充分灌溉条件下所能达到的最大产量，气候生产潜力可以代表一个地区雨养条件下的产量。本文模拟潜在产量时设定春玉米生长过程中水肥充足，而模拟气候生产潜力时设定养分充足但无灌溉。

（2）灌溉情景的设置

灌溉时间设定从出苗开始至玉米成熟，每隔10 d设定一个灌溉时间，为方便理解，结合玉米关键生育期（出苗、开花和成熟）对灌溉时期进行命名，如E10代表灌溉时期为出苗后10 d，F10代表灌溉时期为开花后10 d，具体可参见图2。每个灌溉时期分别设置5个灌溉量，即40、50、60、70和80 mm，分别模拟每年不同灌溉时间不同灌溉量的产量，然后按照1980s（1981—1990年）、1990s（1991—2000年）、2000s（2001—2010年）和2011—2017年4个年代分别统计相应结果。各站点选择已通过调参验证的当地栽培品种，基于农业气象观测站春玉米实际栽培管理措施资料，设定播种深度为8 cm，行距为0.7 m，播种密度为50 000 株/hm2，播期为当地平均播期。

1.3.4 降水对产量的限制程度的计算 降水对产量的限制程度是指在雨养条件下作物产量相对于潜在产量的损失程度。

式中，RC为降水对产量的限制程度（%）；Y为潜在条件下的产量（kg·hm-2）；Y为雨养条件下的产量（kg·hm-2）。

1.3.5水分利用效率（water use efficiency，WUE） 水分利用效率是指消耗单位体积降水量和灌溉水所制造的干物质量，计算公式如下：

式中，WUE为水分利用效率（kg·hm-2·mm-1）；YI为灌溉后的春玉米产量（kg·hm-2）；P为生育期降水量（mm）；Ir为灌溉量（mm）。

2 结果

2.1 APSIM-Maize模型有效性验证

本文代表性站点的作物参数校验采用的是每个区一个品种，年代间品种不更替，即所有年代使用一个代表性品种，以农业气象观测资料数据为基础，采用“试错法”对各气候区春玉米代表性品种的参数加以调试，目的是使模拟值与实测值之差尽可能小，最终确定各站点代表性品种的参数。代表性玉米品种的选择基于农业气象站数据，每个代表站点选择一个品种，选取数据资料完整的6年，其中3年数据用于调参，3年数据用于结果验证。生育期主要调试的参数为出苗到营养生长期结束、开花到灌浆和开花到成熟的热时数（thermal time），产量主要调试每穗最大籽粒数和潜在灌浆速率，根据模型评价指标判断使用调试后的品种参数模拟值与实测值的拟合效果。图3和图4分别为各气候区代表品种模拟与实测生育期天数、产量的比较结果。表2为各气候区品种验证结果评价。结果表明，播种—开花和播种—成熟生育阶段模拟天数与实测天数基本吻合，决定系数（2）依次为0.72—0.92和0.80—0.89，值的范围依次为0.89—0.96和0.77— 0.96，归一化均方根误差（）在3%以下。可知模型能比较准确地模拟东北地区不同气候区的春玉米生长发育进程。

模拟产量和实测产量的2值范围为0.60—0.95，值范围为0.81—0.88，归一化均方根误差（）在16%以下，可以看出全区春玉米实测产量与模拟产量有很好的一致性，模型能比较准确地模拟东北三省各气候区的春玉米产量的形成。

A：播种到开花，B：播种到成熟 A: from sowing to flowering, B: from sowing to maturity

图4 东北三省西部地区各气候区春玉米产量实测值和模拟值验证结果

2.2 降水对研究区域内代表站点春玉米产量的限制程度

各气候区全生育阶段总降水量基本能满足作物对水分的需求（第五气候区除外），但是由于降水量年际波动较大且在玉米生长季内分布不均，导致不同气候区玉米不同生育阶段出现不同程度的缺水。5个气候区玉米出苗—拔节期和抽雄—成熟期大部分年份降水量可以满足玉米需水，而在玉米水分关键期（拔节—抽雄期）各气候区降水与需水的匹配程度不一，其中第一和第三气候区降水量与需水量的差距不明显，而第五、七和九气候区降水量不能完全满足作物需水（图5）。

A：播种到拔节，B：拔节到抽雄，C：抽雄到成熟，D：全生育期

基于各气候区调参验证后的APSIM-Maize模型，分别模拟1981—2017年春玉米潜在产量（充分灌溉）和雨养产量（无灌溉），采用公式（5）计算不同气候区降水对玉米产量的限制程度，结果如图6所示。结果表明，从过去37年平均来看，第一、三、五、七、九气候区春玉米潜在产量分别为9 258、7 057、8 546、8 676和7 940 kg·hm-2，年代际之间差异较小。雨养产量分别为8 205、6 789、5 022、6 223和4 566 kg·hm-2，但年代际之间差异较大，变化范围为 7 103—9 549、6 000—7 730、2 439—6 656、5 730—6 738和3 881— 5 659 kg·hm-2。其中第五、第七和第九气候区雨养产量变异系数明显高于第一和三气候区，这可能是由于第一和三气候区在作物水分关键期降水基本能满足作物需水，而第五、第七和第九气候区在作物水分关键期降水并不能满足作物需水（图5）。

5个气候区降水对产量的限制程度分别为0— 27%、0—9%、27%—69%、15%—35%和31%—51%。因此可以看出第一和第三气候区降水对产量的限制程度较小，通过灌溉对产量提升的贡献较小，但能有效提高产量的稳定性（第一气候区产量变异系数由0.24降低到0.11，第三气候区产量变异系数由0.14降低到0.12），表明在这2个气候区采取适当的灌溉措施能达到稳产目的。第五、七和九气候区无论在哪个年代，春玉米的潜在产量与雨养产量差异明显，说明降水对春玉米产量的限制较大，同时灌溉使得3个气候区的产量变异系数由0.54降低到0.15，0.46降低到0.13，0.65降低到0.13。表明在东北三省西部干旱区通过灌溉能达到高产稳产目的。

表2 研究区域5个气候区APSIM-Maize模型验证结果评价

图6 东北三省西部地区各气候区春玉米潜在产量、雨养产量及水分对春玉米产量的限制程度

2.3 灌溉对春玉米产量和水分利用效率的影响

利用调参验证后的APSIM-Maize模型，分别模拟不同灌溉量（图7）和灌溉时间（图8）条件下各气候区的春玉米产量和水分利用效率。

总体而言，随着灌溉量的增加，各气候区春玉米产量呈现增长趋势，但由于不同气候区降水对春玉米产量的限制程度的差异，增加相同灌溉量对玉米产量的提升幅度不同。其中，第一和第三气候区产量增加幅度较小，因此玉米的水分利用效率随灌溉量的增加而减小。第五、七和九气候区玉米的水分利用效率总体变化趋势为先增大后减小。不仅不同气候区之间存在差异，同一气候区不同年代灌溉量对产量和水分利用效率的影响也存在差异（图7）。分析不同灌溉时间对春玉米的产量和水分利用效率的影响发现，第一和第三气候区灌溉时间对春玉米产量和水分利用效率的影响较小，第五、七和九气候区影响较大（图8）。造成气候区间差异的原因主要是由于第一和第三气候区在作物水分关键期降水基本能满足作物需水，而第五、第七和第九气候区在作物水分关键期降水并不能满足作物需水。

图7 灌溉量对东北三省西部地区各气候区春玉米产量和水分利用效率的影响

图8 灌溉时期对东北三省西部地区各气候区春玉米产量和水分利用效率的影响

不同气候区不同年代高产高效的春玉米适宜灌溉措施如图7和图8所示，具体而言，结合图5可以看出，在1980s，第一和第三气候区各生育阶段降水量与生育期内需水量匹配较好，适宜的灌溉量为40 mm，且灌溉时期影响较小；第五气候区适宜的灌溉量为60 mm，适宜的灌溉时期在吐丝后20 d；第七气候区适宜的灌溉量为60 mm，适宜的灌溉时期在拔节期；第九气候区适宜的灌溉量为60 mm，适宜的灌溉时期在拔节后10 d。在1990s，第一气候区适宜的灌溉量为60 mm，灌溉时期影响较小；第三气候区适宜的灌溉量为40 mm，灌溉时期的影响较小；第五气候区适宜的灌溉量为60 mm，适宜的灌溉时期在吐丝后20 d；第七气候区适宜的灌溉量为40 mm，适宜的灌溉时期在拔节期；第九气候区适宜的灌溉量为60 mm，适宜的灌溉时期在拔节后10 d。在2000s，第一气候区适宜的灌溉量为60 mm，灌溉时期影响较小；第三气候区适宜的灌溉量为40 mm，灌溉时期的影响较小；第五气候区适宜的灌溉量为80 mm，适宜的灌溉时期在吐丝期；第七气候区适宜的灌溉量为60 mm，适宜的灌溉时期在拔节后10 d；第九气候区适宜的灌溉量为80 mm，适宜的灌溉时期在拔节期。在2011—2017年，第一气候区适宜的灌溉量为40 mm，灌溉时期影响较小；第三气候区适宜的灌溉量为40 mm，灌溉时期的影响较小；第五气候区适宜的灌溉量为50 mm，适宜的灌溉时期在拔节后10 d；第七气候区适宜的灌溉量为60 mm，适宜的灌溉时期在拔节期；第九气候区适宜的灌溉量为60 mm，适宜的灌溉时期在拔节期（图5，7—8）。

综上，2000s适宜灌溉量普遍高于其他年代，第一和三气候区受灌溉时间影响较小，第五气候区适宜灌溉时间在吐丝期前后，第七和九气候区适宜灌溉时间在拔节期前后，可看出随纬度的增大，适宜灌溉时间呈推迟趋势，且随年代的推移，各气候区适宜灌溉时间呈提前趋势。

2.4 不同灌溉方案较雨养条件的增产幅度

将适宜灌溉措施和雨养2种条件下对应的模拟产量按气候区进行汇总分析，得出2种条件下各气候区各年代的增产幅度（图9）。

审图号：GS（2020）5270号

与雨养条件相比，各区适宜灌溉措施增产幅度如下：第一气候区1980s、1990s、2000s和2011—2017这4个研究时段增产幅度分别为5%、13%、43%和16%；第三气候区分别为9%、19%、15%和9%；第五气候区分别为42%、48%、86%和33%；第七气候区分别为46%、24%、34%和39%；第九气候区分别为77%、50%、76%和56%。可见采取适宜的灌溉措施较雨养条件下可实现不同程度的增产，但不同气候区之间增产效果存在差异。第一和第三气候区降水条件较好，作物需水关键期受水分胁迫较小，因此适宜灌溉措施条件下增产幅度较小。第五、七和九气候区降水条件较差，作物生长季受水分胁迫较严重，因此适宜灌溉措施条件下增产幅度较大。不同年代适宜灌溉措施较雨养条件的增产幅度也存在差异，从图5中可看出，2000s降水条件较差，降水集中时间与作物水分关键期匹配度较差，因此相较于其他3个时段，2000s适宜灌溉措施条件下增产幅度较大。

3 讨论

前人采用田间试验、统计分析及作物模型的方法开展了作物适宜灌溉措施研究[34-38]，其中，田间试验受限于人力物力、气候条件等因素，无法全面反映灌溉措施在不同区域不同年代对作物的影响；统计分析主要是依据前人研究和实际数据进行数理统计分析，缺少生理依据；而作物模型方法很好地解决了田间试验代表性差和统计分析缺乏生理基础的问题。

本文使用调参验证后的APSIM-Maize模型，模拟了东北三省西部不同气候区不同灌溉情境下春玉米的产量，综合考虑产量和水分利用效率2个因素，提出了各气候区的高产高效适宜灌溉措施，可为东北三省西部春玉米应对气候变化提供科学依据。

基于玉米产量和水分利用效率确定灌溉量时，2000s适宜灌溉量普遍高于其他年代，这主要是因为该年代降水较少且并没有集中在玉米的需水关键期。选择适宜灌溉时间时，第一和第三气候区受灌溉时间影响较小，第五气候区适宜灌溉时间在吐丝期前后，第七、九气候区适宜灌溉时间在拔节期前后，可看出随纬度的增大，适宜灌溉时间呈推迟趋势，且随年代的推移，各气候区适宜灌溉时间呈提前趋势，这主要是因为喜温作物生长季内东北三省呈暖干趋势[12]，气温升高会使玉米生育期缩短，水分关键期提前，从而加重玉米春旱。

东北三省西部5个气候区水分亏缺率均大于0，表明5个气候区均存在不同程度的水分亏缺情况，然而不同气候区水分亏缺程度存在较大差异，因此适宜的高产高效灌溉方案存在时空差异性。同时东部地区水分条件较好，大部分年份玉米关键生育期降水可满足玉米水分的需求，高产高效的灌溉方案应与西部地区存在较大差异，例如宫亮等[39]在辽宁省瓦房店采用田间试验方法研究发现，不同灌溉时间对玉米生长发育及产量有不同影响，研究结果表明该试验区最佳灌溉时间为生育后期，抽雄期和灌浆期各补充灌溉一次为最佳。因此在分析适宜灌溉措施时应考虑气候背景的差异性。本文采用模型模拟作物产量时选用各气候区代表品种进行研究，由于资料有限，并未能针对不同品种提出适宜的灌溉措施，然而不同品种不同生育期对水分的需求差异较大，未来应针对不同品种开展相应研究。同时，本研究发现，在东北三省西部适宜灌溉时间随纬度增大而呈推迟趋势，该趋势是否适用于其他地区及灌溉与纬度之间是否存在相关性，仍需进一步验证。此外，未来研究中还应根据不同降水年型提出适宜的灌溉措施。

4 结论

本文以东北三省春玉米为研究对象，基于1981— 2017年的气候资料、1981—2007年春玉米的作物资料和土壤资料对APSIM-Maize模型进行调参和验证，通过模型模拟结果与实测结果的图形比较以及各项评价指标评价了APSIM-Maize模型在东北地区的适用性，表明该模型可用于东北三省西部春玉米产量的模拟研究。

通过设置不同的灌溉情景，基于验证后的APSIM-Maize模型，模拟不同灌溉方案对春玉米产量的影响，确定了研究区域内不同气候区适宜的高产高效灌溉模式。主要结论如下：第一气候区1980s、1990s、2000s和2011—2017年这4个研究时段内适宜的灌溉量分别为40 mm、60 mm、60 mm、40 mm；第三气候区4个研究时段内适宜的灌溉量为40 mm、40 mm、40 mm、40 mm；第五气候区4个研究时段内适宜的灌溉量为60 mm、60 mm、80 mm、50 mm；第七气候区4个研究时段内适宜的灌溉量为60 mm、40 mm、60 mm、60 mm；第九气候区4个研究时段内适宜的灌溉量为60 mm、60 mm、80 mm、60 mm。第一和三气候区灌溉时期对玉米产量和水分利用效率影响较小，第五气候区4个研究时段适宜的灌溉时期分别为吐丝后20 d、吐丝后20 d、吐丝期、拔节后10 d；第七气候区4个研究时段适宜的灌溉时期分别为拔节期、拔节期、拔节后10 d、拔节期；第九气候区4个研究时段适宜的灌溉时期分别为拔节后10 d、拔节后10 d、拔节期、拔节期。各气候区适宜灌溉措施条件下获得的产量较无灌溉条件下产量均有不同程度提高，增产幅度为0—86%，其中第五、七和九气候区增产幅度较第一和第三气候区更大。

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Analysis of Suitable Irrigation Schemes with High-Production and High-Efficiency for Spring Maize to Adapt to Climate Change in the West of Northeast China

HUANG QiuWan, LIU ZhiJuan, YANG XiaoGuang, BAI Fan, LIU Tao, ZHANG ZhenTao, SUN Shuang, ZHAO Jin

(College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193)

【】 The three provinces of Northeast China are not only an important grain production commodity in the country, but also the most sensitive areas to climate change. Thus, it is critical to clarify the suitable irrigation schemes for spring maize in arid areas of the west of Northeast China, which may be benefit on spring maize yield and its stability with higher water use efficiency under climate change. 【】 Based on the accumulated temperature and water deficit rate () during the growing season in 1981-2017, the potential planting areas of spring maize in Northeast China were divided into 10 climate zones (CZs). Five of them (＞0) in the west portion were selected as research areas.With meteorological data, experimental data, and soil data, maize yield potential was assessed by the well-calibrated and validated agricultural production system model (APSIM-Maize) in each CZ under different irrigation scenarios. According to the comprehensive analysis of both yield and water use efficiency, the suitable irrigation measures and the yield increment in different decades in each CZ were identified. 【】 (1) In the past 37 years, the water limitation on spring maize yield in CZ1 and CZ3 were lessthan that in threeother CZs, with a range of 0-27% and 0-9%, respectively. Irrigation contributed little to yield increase, but it could improve the yield stability. The coefficient of yield variation reduced from 0.24 to 0.11 in CZ1, respectively, and reduced from 0.14 to 0.12 in CZ3, respectively. In CZ5, CZ7 and CZ9, more water limitation was found on maize yield, with a range of 27%-69%, 15%-35%, and 31%-51%,respectively. Moreover, irrigation also reduced the coefficients of yield variation by 0.39, 0.33 and 0.52 in the three CZs. The results indicated that irrigation could lead to a high and stable maize yield in the arid areas of Northeast China. (2) The suitable irrigation amount was 40 mm, which could produce high spring maize yield with high water use efficiency in CZ1 and CZ3. However, irrigation time had a little influence on the yield and water use efficiency of spring maize. Meanwhile, the suitable irrigation amounts for high yield and high water use efficiency were 60-80 mm in CZ5, CZ7 and CZ9, and the suitable irrigation times were from silking to 20 days after silking, jointing to 10 days after jointing and jointing to 10 days after jointing. (3)Compared with the rain-fed conditions, the yield increments varied in different CZs under suitable irrigation measures, which ranged from 33% to 86%, 24% to 46% and 50% to 77% in CZ5, CZ7 and CZ9, respectively. Lower yield increments were found in CZ1 and CZ3, with ranges of 5% to 43% and 9% to 19%, respectively. 【】 The suitable irrigation amount for spring maize decreased with the latitude increased, and the suitable irrigation time delayed with the increased latitude.In addition, the suitable irrigation time in each CZ advanced because of warming climate. Compared with the rain-fed conditions, spring maize yield could be increased by 0-86% under suitable irrigation measures in each CZ. In particular, the yield increments in CZ5, CZ7 and CZ9 were greater than those in CZ1 and CZ3.

spring maize; irrigation measures; APSIM-Maize; water use efficiency; drought; climate zone

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.21.015

2019-05-16；

2019-06-25

国家重点研发计划（2016YFD0300101，2017YFD0300301）

黄秋婉，E-mail：hqw893784946@163.com。通信作者刘志娟，E-mail：zhijuanliu@cau.edu.cn

（责任编辑 杨鑫浩）