1、节 水 灌 溉Water Saving Irrigation基 于 AquaCrop 模 型 的 玉 米 需 水 和 降 水 匹 配度 变 化 特 征 研 究高 爽1，2，丁 一 民1，2，朱 磊1，2，万 愉 快1，2，柴 明 堂1，2，丁 朋 朋1，2，邹 业 斌1，2（1.宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2.宁夏回族自治区黄河水联网数字治水重点实验室，银川 750021）摘 要：雨 热 同 期 为 我 国 大 部 分 地 区 农 业 生 产 提 供 了 充 足 的 水 热 资 源，但 从 需 水 机 理 的 角 度 评 估 作 物 生 长 和 降水 过 程 匹 配 度 的
2、 变 化 特 征 还 有 待 深 入。基 于 AquaCrop 模 型 模 拟 了 关 中 地 区 1978-2017 年 夏 玉 米 生 育 期 内 需 水 量、灌溉 需 水 量、有 效 降 水 量 和 产 量 的 变 化 特 征，并 在 充 分 考 虑 玉 米 不 同 生 育 阶 段 对 水 分 需 求 程 度 差 异 的 基 础 上，分 析 了作 物 需 水 与 降 水 匹 配 度 的 变 化 特 征。结 果 表 明：关 中 地 区 玉 米 生 育 期 内 累 积 降 雨 量 变 化 幅 度 相 对 较 小，但 降 水 过 程明 显 后 移，且 更 多 的 以 暴 雨 的 形 式 发 生
3、；玉 米 生 育 期 内 需 水 量 和 灌 溉 需 水 量 均 呈 现 明 显 的 增 加 趋 势，增 加 幅 度 分 别为 4.10 mm/10a 和 13.38 mm/10a，而 有 效 降 水 量 则 以-10.28 mm/10a 的 速 率 减 小；玉 米 生 育 期 内 需 水 与 降 水 的 平 均 匹配 度 为 58%，且 整 体 以-2.7%/10a 的 速 率 下 降。上 述 结 果 表 明 关 中 地 区 降 水 模 式 越 来 越 难 以 满 足 夏 玉 米 的 水 分 需 求，延 迟 播 种 可 作 为 提 高 作 物 需 水 与 降 水 匹 配 度 的 应 对 措
4、施 之 一。关 键 词：关 中 地 区；玉 米；作 物 模 型；降 水 模 式；需 水 量；匹 配 度；有 效 降 水 量中 图 分 类 号：S513 文 献 标 识 码：A DOI：10.12396/jsgg.2023022高 爽，丁 一 民，朱 磊，等.基 于 AquaCrop 模 型 的 玉 米 需 水 和 降 水 匹 配 度 变 化 特 征 研 究 J.节 水 灌 溉，2023（6）：51-59.DOI：10.12396/jsgg.2023022.GAO S，DING Y M，ZHU L，et al.Research on the matching degree of maize wa
5、ter demand and precipitation based on AquaCrop model J.Water Saving Irrigation，2023（6）：51-59.DOI：10.12396/jsgg.2023022.Research on the Matching Degree of Maize Water Demand and Precipitation Based on AquaCrop ModelGAO Shuang1，2，DING Yi-min1，2，ZHU Lei1，2，WAN Yu-kuai1，2，CHAI Ming-tang1，2，DING Peng-pen
6、g1，2，ZOU Ye-bin1，2（1.School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，China；2.Key Laboratory of the Internet of Water and Digital Water Governance of the Yellow River，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）Abstract：Rain and heat synchronization provides sufficient water
7、 and heat resources for agricultural production in most areas of China,but it is still to be further studied to evaluate the change characteristics of crop growth and precipitation process matching degree from the perspective of water demand mechanism.Based on AquaCrop model,this study simulated the
8、 changes of crop water demand,irrigation water requirement,effective precipitation and yield of summer maize during 1978-2017 in Guanzhong Area,and analyzed the changes of crop water demand and precipitation matching degree on the basis of fully considering the difference in water demand at differen
9、t growth stages of maize.The results showed that the changes of cumulative precipitation during maize growth period in Guanzhong Area was relatively small,but the precipitation process shifted significantly backward,and most of them occurred in the form of heavy rainfall;During the growth period of
10、maize,both water requirement and irrigation water requirement showed significant increase trends,which increased by 4.1 mm/10a and 13.38 文 章 编 号：1007-4929（2023）06-0051-09收 稿 日 期：2023-02-02基 金 项 目：宁夏自然科学基金项目（2021 AAC03091）；国家自然科学基金项目（52209059）。作 者 简 介：高 爽（1997-），女，硕士，研究方向为农业气候变化响应评估。E-mail:gaoshuang3
11、928。通 讯 作 者：丁一民（1992-），男，博士，研究方向为农业水资源高效利用。E-mail:。51基 于 AquaCrop 模 型 的 玉 米 需 水 和 降 水 匹 配 度 变 化 特 征 研 究 高 爽 丁 一 民 朱 磊 等mm/10a,respectively.While the effective rainfall decreased at a rate of-10.28 mm/10a;the average matching degree of water demand and precipitation during maize growth period was 58%
12、,and the overall rate decreased at-2.7%/10a;The above results show that the change of precipitation pattern in Guanzhong Area is becoming more and more difficult to meet the water demand process of summer maize,and delaying sowing can be used as one of the countermeasures to improve the matching bet
13、ween crop water demand and precipitation.Key words：Guanzhong area；corn；crop model；precipitation model；crop water requirement；matching degree；effective precipitation0 引 言以全球变暖和极端气候事件频发为主要特征的气候变化，已经显著地改变了原有的气候环境1。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，气候系统整体变化规模是几个世纪甚至几千年来前所未有的，在现状排放条件下，21 世纪全球升温将超过 1.5 2。尽管农业生产
14、水平在过去数十年里快速进步，但主要粮食生产过程仍然高度受制于作物生长的气候环境3。水分是维持作物生长的关键因素，而降水是满足作物需水过程的重要水分来源。气候变化一方面改变了原有的降水模式，在影响年累积降雨量的同时，也显著改变了降水年内分布特征以及暴雨发生的频率4。另一方面，CO2浓度和温度的升高改变了农田蒸腾蒸发速率，影响了作物需水过程5。在上述因素的共同作用下，作物生育期内的降水过程和需水过程的匹配度将不可避免地发生变化。因此，评估降水与需水匹配程度的变化特征，对于农业稳定生产和促进灌溉水资源合理配置具有重要意义。降水与作物需水的匹配度表征了作物生育期内降水能够在多大程度上满足作物的需水过程
15、6。近年来，相关研究得到了众多学者的关注，并取得了丰富的成果。张秋平等7分析北京地区旱稻的不同降水保证率下的降雨与需水耦合度，研究发现均无法满足旱稻生长发育对水分的需求；张凤怡等8基于SIMETAW 模型发现辽宁省春玉米的需水与降水耦合度大于大豆；陆静等9研究发现陕北黄土丘陵区玉米、谷子和马铃薯的需水与降水的耦合度在 6 月份最低，在 7-9 月份谷子的需水与降水的耦合度显著高于玉米和马铃薯。上述研究中主要研究方法为利用彭曼公式结合作物系数计算特定作物需水量，同时利用美国农业部推荐的有效降水公式计算有效降水量，随后以有效降水量与需水量的比值作为作物需水与降水的匹配度或耦合度指标。然而，上述研究
16、大多忽略了作物不同生育阶段对水分需求程度的差异。虽然部分研究考虑到了这一点，但也仅是划分不同生育期，分别计算降水与需水的匹配度，并赋予不同的权重以计算全生育期的匹配度，未能充分考虑作物生理需水特性7。此外，由于土壤的空间异质性和降水特征的差异，采用经验公式的方法计算有效降水，难以准确反映不同区域农田对降水的利用效率。AquaCrop 模型是国际粮农组织（FAO）开发的水生产力驱动模型，模型精度较高且参数较少，能够在微观层面上模拟作物生长耗水过程对不同水分条件的响应机制，因而受到了国内外学者的广泛关注10,11。目前大量研究已经基于田间观测试验12,13，广泛验证了 AquaCrop 模型在模拟
17、水分胁迫条件下作物冠层覆盖度、籽粒产量、土壤水平衡过程等方面的模拟精度。因此，本研究以关中地区玉米为例，利用 AquaCrop模型分别模拟雨养和充分灌溉条件下的玉米产量，以雨养和充分灌溉条件下产量比值作为降水与需水匹配度指标，评估过去 40 年气候变化条件下，玉米生育期内降水与作物需水匹配度变化特征。该指标充分考虑了作物生理过程对水分敏感性的变化特征，以及研究区土壤特性对农田水平衡过程的影响，能够更加有效的模拟玉米生育期内降水与作物需水的匹配度。1 材 料 与 方 法1.1 研 究 区 概 况关中地区位于陕西中部，地理位置在 1061811038 E、33 35 35 52 N 之间，西起宝鸡
18、，东至潼关，约占全省总面积的 15%，包含宝鸡、咸阳、西安、铜川、渭南 5 个市级行政区，是陕西省粮食主产区14（图 1）。关中地区属于亚热带季风气候，降水量年际变化较大，且主要集中在 7-9 月，平均气温为 12 14。本文选取了关中地区 7 个具有较为完整玉米物候数据的农业站点，用于确定关中地区的玉米生育期参数，并且根据关中地区的地理位置、降雨分布和玉米的种植分布，选择了 10 个具有代表性的气象站点，进而分析了关中地区夏玉米生育期内需水与降水的匹配程度。1.2 AquaCrop 模 型 基 本 原 理AquaCrop 模型是由联合国粮农组织（FAO）开发的主要关注作物产量和水分关系的作物
19、生长模型，相比其他作物模型，该模型输入参数较少，适用性强，在作物参数、稳健性和准确性三者之间进行了有效的平衡15。目前该模型已在世界范围内进行了广泛的应用，大量的研究已经表明该模型能够准确模拟玉米、小麦、棉花、谷子、水稻、油菜、大豆等多种作物的生长发育和水分利用情况16-19。根据 FAO 组织发布的第 33 号灌溉与排水文件，作物产量对于水分响应的关系图 1 关 中 地 区 气 象 站 点 和 农 业 气 象 站 点 空 间 分 布 图Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations and agrometeorological st
20、ations in Guanzhong Area52基 于 AquaCrop 模 型 的 玉 米 需 水 和 降 水 匹 配 度 变 化 特 征 研 究 高 爽 丁 一 民 朱 磊 等如下：(Yx-YoYx)=Ky(ETx-EToETx)（1）式中：Yx、Yo分别为潜在产量和实际产量，kg/m2；Ky为作物系数；ETx、ETo分别为作物潜在蒸发蒸腾量和实际蒸发蒸腾量，mm。在此基础上，为了避免作物生长过程中非生产性用水和生产用水对作物需水的混杂效应，AquaCrop 模型利用冠层覆盖度对土壤蒸发（E）和作物蒸腾（Tr）进行了区分20。在模拟作物生长过程中，根据标准水分生产力将蒸发蒸腾过程转化为
21、生物量，再根据生物量与作物收获指数计算作物产量，避免了水分胁迫对 B 和 HI 的混杂影响。计算核心公式如下：B=WP Tr（2）Y=B HI（3）式中：B 为生物量，kg/m2；WP 为生物量水分生产效率，kg/（m2mm)；Tr为每日蒸腾量，mm；Y 为产量，kg/m2；HI 为作物收获指数，%。1.3 AquaCrop 模 型 参 数1.3.1 气 象 数 据长序列历史气象观测数据来源于国家气象科学数据共享服务网（https:/文 收 集 了 关 中 地 区 10 个 气 象 站 点 40 a（1978-2017）逐日气象数据，包含最高气温 Tx（）、最低气温 Tn（）、日降雨量（mm/
22、d）、日照时数（h/d）、距地面 10 m 处的风速、相对湿度、平均大气压。其中最高气温、最低气温、日降雨量可作为 AquaCrop 模型直接输入气象数据，其它气象因子用来计算参考作物蒸散发量（ET0,PM，mm/d），ET0,PM由联合国粮农组织（FAO）推荐的 PenmanMontieth 方程进行计算21，具体公式如下：ET0,PM=0.48(Rn-G)+900T+2 73 u2(es-ea)+(1+0.3 4 u2)（4）式中：ET0,PM为参考作物蒸散发，mm/d；Rn为作物表面净辐射，MJ/(m2d)；G 为土壤热通量密度，MJ/(m2d)；T 为日平均温度，；u2为 2 m 高处
23、风速，m/s；es为饱和水汽压，根据最高、最低、平均气温计算得到，kPa；ea为实际水汽压，根据平均温度和相对湿度计算得到，kPa；为蒸汽压力曲线的斜率，根据平均气温计算得到，kPa/；为湿度计算常数，kPa/。其中 Rn由日照时长结合水汽压、日序数、温度以及站 点 纬 度 数 据，利 用 Allen（1998 年）推 荐 的 公 式 转 换 得到22。此 外，CO2浓 度 采 用 模 型 中 自 带 的 全 球 年 均 浓 度 值数据。1.3.2 土 壤 数 据模型土壤输入参数包括土壤深度和层数，以及每层土壤田间持水量、凋萎系数、饱和含水量、饱和导水率。关中地区主要耕地的主要土壤类型为塿土，
24、0120 cm 土壤参数具体值采用董文俊13 等实测数据，具体值如表 1 所示。1.3.3 作 物 参 数鉴于以往研究已经对 AquaCrop 模型在模拟关中地区不同水分胁迫条件下玉米生长耗水过程的适用性进行了充分论证，并提供了较为详细的参数信息，因此本研究中表征玉米作物耐旱能力的参数、水分生产力和收获指数等参数直接采用陈超飞等23 在关中地区基于田间水分胁迫试验率定的结果。此外，尽管大量研究发现随着温度的升高作物生育周期将明显缩短，但长序列农业气象站点观测数据表明，包括玉米在内的主要粮食作物生育周期长度在过去数十年中基本不变，甚至有小幅延长的趋势。因此，本文在模拟过程中将涉及的生育期相关参数
25、均设定为固定日期，而非确定的积温阈值，以保证作物生育周期不随温度的增加而大幅缩短，从而更加准确地评估作物需水量与降水量的匹配性在过去 40 年的变化特征，规避生育周期因温度增高而大幅缩短带来的影响。关中地区作物生育期及种植管理数据来源于国家气象科学数据中心（http:/1992-2013 年关中地区 7 个站点的玉米种植密度、播种日期、出苗、三叶、抽雄、乳熟、成熟期等信息。在模型模拟过程中对 7 个站点的多年观测数据取平均，从而获取能够有效表征关中地区玉米生育期整体特征的参数值，具体参数值见表 2。1.4 作 物 需 水 量作物需水量是指作物处于土壤水分充沛和土壤肥沃条件下，作物生长发育过程中
26、所需要消耗的水量，其值为土壤蒸发、作物蒸腾以及组成植株体的水量之和24。因组成植株体的水量较少（小于总水量 1%），一般将高产条件下的土壤蒸发和作物蒸腾之和作为作物需水量。作物需水量主要受气候特征、土壤质地、作物类型、作物生理特性等影响。本文利用AquaCrop 模型模拟充分灌溉条件下的土壤蒸发和作物蒸腾之和作为作物需水量：ETc=E+Tr（5）式中：ETc为作物需水量；E 为土壤蒸发量；Tr为作物蒸腾量。1.5 有 效 降 水 量有效降水量是指渗入土壤并储存在作物主要根系吸水层的降水量，能够被作物生产直接或间接利用，以及农田其他必须耗费的水量，是制定作物灌溉制度、规划灌溉排水、管表 1 关
27、中 地 区 代 表 性 土 壤 参 数Tab.1 Representative soil parameters in Guanzhong Area土层/cm02020 404060608080120田间持水量/(cm3cm-3)31.032.534.533.530.7凋萎系数/(cm3cm-3)21.421.822.020.014.1饱和含水量/(cm3cm-3)41.541.542.546.844.8饱和导水率/(mmd-1)35325630030529253基 于 AquaCrop 模 型 的 玉 米 需 水 和 降 水 匹 配 度 变 化 特 征 研 究 高 爽 丁 一 民 朱 磊 等理
28、灌溉用水的重要依据24。本文利用 AquaCrop 模型开展水量平衡模拟，将扣除地面径流和深层渗漏的降水量作为有效降水量。Pe=P-Ro-Dp（6）式中：Pe为生育期内有效降水；P 为生育期内降水；Ro为径流；Dp为深层渗漏。1.6 作 物 需 水 与 降 水 匹 配 度作物需水与降水匹配度指的是降水能够多大程度上满足作物生长的水分需求6。由于 AquaCrop 在模型模拟产量形成过程中，充分考虑了作物在不同生育阶段对水分需求程度的差异，故使用模型在雨养和充分灌溉条件下模拟的产量比值可以更为精准的表征降水与作物需水的匹配度：=|Y0Y1,Y050 mm）、中雨天数（10 mmP25 mm）和生
29、育期内的降雨天数分别为 0.67、3.73、38.39 d。其中暴雨天数呈现增加趋势，倾向率为 0.041 d/10a，中雨及降雨天数均呈下降趋势，倾向率分别为-0.056 d/10a 和-1.702 d/10a。表明未来关中地区玉米生育期内的降水次数明显减少，降水更多的以暴雨的形式发生，从而可能会导致地表 2 关 中 地 区 玉 米 作 物 参 数Tab.2 Maize crop parameters in Guanzhong Area符号KcbWP*HIoPexp,upperPexp,lowwerPexp,shpTemeTfloTsenTmatTL-floTHIo描述冠层形成至衰老前的作物
30、系数标准水分生产力/（gm-2）参考收获指数/%水分胁迫对冠层生长影响上限水分胁迫对冠层生长影响下限冠层扩张的水分胁迫形状因子播种到开花所需时间/d播种到衰老所需时间/d播种到成熟所需时间/d从播种到开始形成产量所需时间/d开花持续时间/d形成产量持续时间/d取值1.0531410.120.582.7988107501046来源陈超飞等23 陈超飞等23 陈超飞等23 陈超飞等23 陈超飞等23 陈超飞等23 实测实测实测实测实测实测54基 于 AquaCrop 模 型 的 玉 米 需 水 和 降 水 匹 配 度 变 化 特 征 研 究 高 爽 丁 一 民 朱 磊 等面径流的产生，减少有效降水
31、，这将会对作物生育期内降雨的有效利用带来不可忽视的影响。图 4 展示了 1978-2017 年关中地区夏玉米生育期内前 20 年（1978-1997 年）和后 20 年（1998-2017 年）的平均降雨量在各个月份的分布。从图中可见各市的前后 20 年平均降雨量变化幅度不大，均在 25 mm 以内，部分区域变化幅度甚至小于 5 mm。除西安市和铜川市以外，其他地区均出现了明显的降水后移现象，即 9 月和 10 月的降雨量明显增加，而 6 月和 7 月的降雨量明显减少。西安市和铜川市降雨量也有一定程度的后移，但移动幅度要小于其他地区。从区域整体来看，关中地区前 20 年 6-10 月的年均降雨
32、量分别为 69.6、100.0、102.0、96.1、48.2 mm，后 20 年 的 年 均 降 雨 量 分 别 为 56.7、98.4、105.0、104.0、59.2 mm，变 化 率 分 别 为-18.5%、-1.6%、2.9%、8.2%、22.8%，上述结果表明玉米关键需水期降雨量有减少的趋势。2.2 作 物 需 水 量、有 效 降 水 量 和 灌 溉 需 水 量 变 化 特 征图 5 展示了关中地区玉米生育期内年均需水量、有效降水量及充分灌溉条件下灌溉需水量的空间分布特征。总体来说，年均需水量呈现明显的东多西少的空间分布格局，总需水量在 383 490 mm 之间，其中铜川市及渭南
33、市中北部分可达到470 mm，而宝鸡市西北地区的需水量大概在 380 mm 左右，平均值为 446 mm。由图 5（b）可知，需水量倾向率介于-3.8713.28 mm/10a 之间，平均为 4.1 mm/10a，整体呈现增大的趋势，但铜川及渭南市的需水量呈现减小的趋势。多年平均有效降水量呈现由西向东减小的趋势，从 316 mm 减小至 259 mm，平均值为 286 mm，仅占需水量 64%。有效降水量的倾向率在-11.45-8.4 mm/10a 之间，空间差异相对较小，整体以-10.28 mm/10a 的速率递减，减小幅度明显大于需水量的变化幅度。生育期内灌溉需水量空间分布特征自西向东呈现
34、增大趋势，与有效降水的空间分布格局相反，灌溉需水量在 228 334 mm 之间，平均灌溉需水量为 282 mm，倾向率介于 2.8826.14 mm/10a，整体以 13.38 mm/10a 的速率递增。总体而言，关中地区需水量及灌溉需水量呈现增加趋势，有效降水量整体呈现下降趋势，表明夏玉米遭受水分胁迫的风险呈逐年增图 3 关 中 地 区 夏 玉 米 生 育 期 不 同 等 级 降 水 天 数 变 化 趋 势Fig.3 Change trend of precipitation days at different levels during the growth period of summ
35、er maize in Guanzhong Area图 2 关 中 地 区 玉 米 生 育 期 内 气 象 因 素 及 倾 向 率 的 空 间 分 布 特 征Fig.2 Spatial distribution characteristics of meteorological factors and tendency rate in maize growth period in Guanzhong Area55基 于 AquaCrop 模 型 的 玉 米 需 水 和 降 水 匹 配 度 变 化 特 征 研 究 高 爽 丁 一 民 朱 磊 等大的趋势。2.3 降 水 与 玉 米 需 水 匹 配
36、 度 变 化 特 征图 6 展示了关中地区在雨养和充分灌溉情况下玉米产量的变化趋势。在充分灌溉情况下，过去 40 年玉米的产量明显增加，且各地区增加趋势大致相同，均在 0.25 t/10a 左右。而雨养条件下产量均呈现明显的下降趋势，下降幅度在 0.0060.220 t/10a 之间，且年际间产量值有着较大的波动性。表明在相同气候条件下，仅靠降水难以维持关中地区夏玉米的稳定生长，且降水模式的变化导致降水越来越难以被作物生长所利用。图 7 展示了关中地区多年平均需水与降水匹配度的空间分布特征。总体而言，需水与降水的匹配度呈现自西向东匹配度下降的空间格局，平均值为 58%。其中宝鸡市与咸阳市的需水
37、与降水的匹配度最高，可达到 70%，而渭南与铜川市的匹配度较小，仅为 50%左右。由图 7（b）可知，关中地区玉米生育期内需水与降水的匹配程度整体呈现下降趋势，多年平均倾向率为-2.7%/10a，并且关中地区西部的需水与降水的匹配度下降幅度最大。3 讨 论雨热同期是我国农业生产的重要特征，为农作物生长提供了必须的水热资源。但在以温度升高、降水模式改变为主要特征的气候变化影响下，作物生长的气候环境不可避免地发生了改变，从而影响了作物需水与降水的匹配性。研究降水能够在多大程度上满足作物需水过程，对于区域粮食安全和水资源高效利用有着重要意义。本文以关中地区夏玉米为图 4 关 中 地 区 夏 玉 米
38、生 育 期 内 的 降 水 年 内 分 布 特 征 变 化 规 律Fig.4 Annual distribution characteristics of precipitation during the growth period of summer maize in Guanzhong Area56基 于 AquaCrop 模 型 的 玉 米 需 水 和 降 水 匹 配 度 变 化 特 征 研 究 高 爽 丁 一 民 朱 磊 等例，利用 AquaCrop 模型分别模拟了雨养和充分灌溉条件下玉米产量，并以其比值作为降水与需水匹配度的指标，该指标充分考虑了玉米不同生育阶段对水分需求程度的差异，
39、从而能够更加准确的评估玉米需水与降水匹配程度的变化特征。关中地区夏玉米需水量总体呈现增加的趋势（图 5），但在铜川和渭南两地有一定幅度的减小，表明温度的增加和相对湿度的减小对作物需水量的正向影响并不能抵消辐射、风速下降带来的需水量的减少。充分灌溉条件下关中地区玉米产量呈现明显的增加趋势（图 6），这与以往气候变化影响评估结果并不相同26。这是因为以往研究通常假定玉米品种在过去数十年里保持不变，温度的增加将显著缩短作物生育期长度，从而减少干物质积累时间，大幅降低玉米产量27。但从农业气象站点观测资料来看，实际物候期并没有缩短，甚至有小幅延长的趋势28。本文研究结果表明，采用生长更为缓慢的玉米品种
40、，不仅能够有效抵消气候变化的负面影响，反而能够更加充分利用增加的光热资源，提高作物产量。不同时期受旱会对玉米生长发育及产量造成不同程度的影响29。关中地区夏玉米生育期在 6-10 月之间，尽管生育期内总降雨量没有发生明显的变化，但从前后 20 年不同月份的降雨分布来看，降雨集中度呈现了明显的后移现象，更多的降雨集中在 9 月和 10 月，而非玉米抽穗灌浆期等关键需水阶段的 7 月和 8 月。这可能会造成玉米关键需水期缺水程度的增加，对关中地区玉米的生长及产量的形成带来不利影响，从而降低作物需水与降水的匹配程度。此外，过去 40 年关中地区的降水更多地以暴雨的形式发生，而非日降雨量小于 10 m
41、m的小雨（图 3）。这导致大量的降水以地面径流或深层渗漏的方式流走，显著地降低了有效降水量（图 5），从而进一步加强玉米的缺水程度，降低需水与降水的匹配度（图 7）。总体而言，关中地区累积降雨量没有明显的改变，但降水模式的改变显著地降低了玉米需水与降水的匹配度。气候变暖为关中地区提供了丰富的光热资源，延长了玉米种植的窗口期，图 6 雨 养 和 充 分 灌 溉 条 件 下 玉 米 产 量 变 化 特 征 图Fig.6 Changes of maize yield under rainfed and full irrigation图 5 关 中 地 区 玉 米 生 育 期 内 年 均 需 水 量、
42、有 效 降 水 量 及 灌 溉 需 水 量 的空 间 分 布 特 征Fig.5 Spatial distribution characteristics of average annual water demand,effective rainfall and irrigation amount during the growth period of maize in Guanzhong Area57基 于 AquaCrop 模 型 的 玉 米 需 水 和 降 水 匹 配 度 变 化 特 征 研 究 高 爽 丁 一 民 朱 磊 等可以通过适当延后播种日期的方式适应降水模式的改变，但定性分析延后
43、播种对玉米产量、灌溉需水量将产生什么样的影响，还有待进一步开展。4 结 论（1）关中地区玉米生育期内温度呈现增加趋势，且均达到显著性水平，而辐射、风速、相对湿度及降雨量均呈现下降趋势。生育期内累积降雨量变化幅度较小，但降水模式发生了明显的改变，降水频次显著减少，暴雨频率增加，并且降水更多地集中在了 9 月和 10 月，而非玉米关键需水阶段。（2）关中地区玉米生育期内需水量整体呈现上升趋势（4.1 mm/10a），表明温度升高能够完全抵消辐射及风速下降对作物需水量减少的影响。灌溉需水量的增加趋势大于需水量的变化趋势，上升速率为 13.38 mm/10a。有效降水量呈明显的下降趋势，下降速率为-1
44、0.28 mm/10a。（3）玉米生育期内需水与降水的平均匹配度为 58%，且呈现西高东低的空间格局，且整体以-2.7%/10a 的速率下降。表明降水过程越来越难以满足作物的水分需求，这对关中地区灌溉设施和水资源分配提出了新的挑战。延后播种可作为提高作物需水与降水匹配度的应对措施之一。参 考 文 献：1 DING Y,WANG W,ZHUANG Q,et al.Adaptation of paddy rice in China to climate change:The effects of shifting sowing date on yield and irrigation water
45、requirementJ.Agricultural Water Management,2020,228:105890.2 PRTNER H O,ROBERTS D C,ADAMS H,et al.Climate change 2022:impacts,adaptation and vulnerabilityR.IPCC Sixth Assessment Report,2022.3 WANG W,DING Y,SHAO Q,et al.Bayesian multi-model projection of irrigation requirement and water use efficienc
46、y in three typical rice plantation region of China based on CMIP5J.Agricultural and Forest Meteorology,2017,232:89-105.4 陈君洁,丁一民,高 爽,等.夏玉米生育期内极端气候事件时空演变特征分析J.节水灌溉,2022(10):63-71.CHEN J J,DING Y M,GAO S,et al.Analysis on Temporal and Spatial Evolution Characteristics of Extreme Climate During Growth
47、Period of Summer MaizeJ.Water Saving Irrigation,2022(10):63-71.5 TANG Y H,LUAN X B,SUN J X,et al.Impact assessment of climate change and human activities on GHG emissions and agricultural water useJ.Agricultural and Forest Meteorology,2021,296:108218.6 张祖光,郝卫平,李昊儒,等.山西省春玉米生育期干旱特征分析J.中国农业气象,2015,36(6
48、):754-761.ZHANG Z G,HAO W P,LI H R,et al.Analysis on the drought characteristics in different growth stages of spring maize in Shanxi Province J.Chinese Journal of Agrometeorology,2015,36(6):754-761.7 张秋平,杨晓光,薛昌颖,等.北京地区旱稻作物需水与降水的耦合分析J.农业工程学报,2007(10):51-56.ZHANG Q P,YANG X G,XUE C Y,et al.Analysis o
49、f coupling degree between crop water requirement of aerobic rice and rainfall in Beijing areasJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2007(10):51-56.8 张凤怡,迟道才,陈涛涛.辽宁主要粮食作物生长季需水与降水耦合度分析J.中国农业气象,2021,42(9):746-760.ZHANG F Y,CHI D C,CHEN T T.Assessment of coupling degree betwe
50、en water requirement of main cereal crops and precipitation in growing season in Liaoning ProvinceJ.Chinese Journal of Agrometeorology,2021,42(9):746-760.9 陆 静,朱文哲,高志永.陕北黄土丘陵区主要作物需水与降水耦合分析J.节水灌溉,2019(12):72-76，81.LU J,ZHU W Z,GAO Z Y.Analysis of coupling degree between water demand of main crops and
