辽宁省玉米地水分盈亏时空分布特征及灌溉模式分区研究

魏新光，王铁良※，李 波，刘守阳，姚名泽，解 影，郑思宇，景竹然



辽宁省玉米地水分盈亏时空分布特征及灌溉模式分区研究

魏新光1，王铁良1※，李 波1，刘守阳2，姚名泽1，解 影1，郑思宇1，景竹然1

（1. 沈阳农业大学水利学院，沈阳 110866； 2. 法国国家农业科学研究院地中海气候与农业水文过程模拟实验室，阿维尼翁 453003）

根据不同区域农作物需水规律和水资源供需状况，对区域内干旱区域类型、水分盈亏特性与干旱发生频率等进行综合分析和科学区划，对于提高整个地区（流域）农作物水分利用效率和水资源高效利用具有重要意义。该文基于辽宁省27个气象站1955—2014年逐日气象数据和玉米生长发育资料，对辽宁省不同玉米种植区域玉米生育期的需水过程、需水量、灌溉需水量、水分盈亏指数（crop water surplus deficit index，CWSDI）、干旱发生频率等的时空分布特征进行深入研究，得到以下结论：辽宁省不同区域玉米逐月需水量均呈现单峰变化趋势，7月需水量最大，全省生育期总需水量在335～391 mm之间；不同水文年玉米需水亏缺量在0～220 mm之间；CWSDI和干旱发生频率在全省的空间分布规律类似，综合两指标的数值分布特征，将辽宁省玉米灌区划分为干旱区和易旱区2种类型，并结合不同水文年型玉米灌溉制度，将辽宁省玉米种植区划分为7种灌溉模式。该研究成果可以为辽宁省区域农业用水区划与管理提供理论依据。

需水量；灌溉；干旱；作物水分盈亏指数；玉米

0 引 言

根据区域农业布局、水资源分布状况和气象环境等特征，制定科学合理的灌溉制度和灌溉方式，对于提高区域水资源利用率、保障区域粮食安全具有重要意义[1]。玉米作为辽宁省第一大农作物，在全省的13个地市均有分布。截止2015年，全省玉米种植面积达329.7×104hm2，产量2202.2×104t，约占全国总播种面积和总产量的8.6%和9.0%[2]。玉米作为辽宁省最主要的粮食作物和农业用水大户，对其水分供需特征、水量盈亏状况进行系统分析，并制定科学合理的灌溉制度与方式，进而进行分区灌溉势在必行[3]。灌溉分区常用方法主要有：经验法、指标法、重叠发、聚类分析法等[4-6]。研究指标主要有：作物参考蒸散量、作物需水量（evapotranspiration，ET）、灌溉需水量、作物水分盈亏指数（crop water surplus deficit index，CWSDI）、干旱发生频率、湿润指数、干燥指数等[7-9]。在区域尺度上进行灌溉分区，前人有不少研究成果，康绍忠等[10]利用陕西省主要灌区灌溉资料和气象数据，确定了陕西省玉米需水量等值线图，并在此基础上，结合灌区灌溉制度，将陕西全省玉米种植区划分为10个类型。高晓容等[11]对东北地区1961—2010年玉米生育阶段的旱涝指数进行分析，并基于旱涝发生频率对东北地区玉米种植区域进行分区。但这些区域特征和辽宁省差异较大。在全国尺度上，吴景社等[3]采用主成分和模糊聚类法，将全国节水灌区分为8大类型。仇宽彪等[12]利用遥感数据对中国蒸散比时空分布规律进行研究，确定了不同时间段蒸散比较大的地区，并确定影响该因子变化的主要驱动因素。申双和等[13]基1975—2004年长时间气象序列，对中国湿润指数时空分布状况进行分析，并利用该指数将中国湿润类型划分为5个区域，但这些研究成果的空间尺度过大。辽宁省气候类型复杂，水资源分布不均，物候条件差异较大。本文研究辽宁省玉米水分盈亏时空分布特征并对全省不同区域的灌溉模式进行分区，旨在为提高全省的玉米产量和水分利用效率、促进区域水资源高效利用、保障辽宁省玉米产业的健康发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究选取辽宁省13个市的27个气象站为代表站点（图1），研究所用数据有：1）各站点经纬度、高程信息；2）1955—2014年逐日气象要素（最高气温、最低气温、平均气温、风速、降水量、日照时数、水气压），基本气象数据来源于中国气象局国家气象信息中心资料室；3）辽宁省玉米物候期、生长发育状况，根据文献[14]确定。

图1 研究区域与气象站点分布

1.2 玉米需水量的确定

玉米生育阶段和全生育期需水量（evapotranspiration，ET）采用式（1）和式（2）确定：

ET=K·ET0i（1）

式中ETi为玉米第生育阶段需水量，mm；ET为全生育期需水量，mm；K为第生育阶段作物系数；ET0i为第生育阶段参考作物蒸发蒸腾量。玉米不同生育阶段ET的确定采用FAO-56推荐的P-M公式[15]进行确定，辽宁省不同区域分生育阶段作物系数K采用李晶等[16]研究成果确定。

1.3 玉米生育期灌溉需水量的确定

玉米生育期灌溉需水量采用水量平衡方程[17]进行计算。由于玉米种植区域为旱田，绝大部分区域地下水埋深大于3 m，基本不考虑地下水补给。此外，东北地区玉米非生育期气温较低，大部分时期属于土壤封冻时期，土壤水分状况较为稳定，春季解冻期积雪融化与土壤蒸发会对土壤水分状况造成一定影响，但尚缺乏较为完整的全省尺度非生育期土壤水分盈亏数据。高歌等[18]的研究发现，辽河流域冬春季月土壤水分亏缺量在 0～10 mm之间。张淑杰等[19]发现东北地区整个冬季水分亏缺量在10～40 mm之间，由此可见东北地区土壤水分亏缺量并不大，同时由于研究区域类型复杂，非生育期盈亏量空间差异明显，且不易监测。为研究方便，非生育期土壤水分盈亏量近似取0，这会使得玉米需灌水量在一定程度被低估，最多低估40 mm。生育期有效降水量0采用式（3）确定。

0=·P（3）

式中P为降水量，mm；为降水入渗系数，受土壤性质、地面覆盖、地形、一次降水量、降水强度及降水延续时间等因素影响。一次降水量<5 mm时，为0；当一次降水时在5～50 mm时，约为0.9；当次降水量>50 mm时，为0.8[20]。

1.4 玉米水分盈亏指数与旱涝等级的确定

作物水分亏缺指数[21]是以生育期需水量为需水指标，以有效降雨量为供水指标，来表征水分亏缺程度。基于该指数构建玉米生育期水分盈亏指数（crop water surplus deficit index，CWSDI）：

CWSDI=(0-ET)/ET （4）

当CWSDI>0时，表示玉米生育期水分盈余，当CWSDI=0时，表示玉米生育期水分供需平衡，当CWSDI<0时，表示玉米生育期水分亏缺。由于水分盈亏指数能够真实反映作物供水量和需水量的平衡关系，可以较好地表征农田的湿润程度与旱涝状况[21]。参考前人基于水分亏缺指数的旱涝等级划分[11,21]，并结合辽宁玉米生育阶段灾情统计资料[22]，确定辽宁玉米生育阶段玉米水分盈亏指数的旱涝等级，如表1所示。

表1 基于水分盈亏指数的辽宁省玉米旱涝等级划分标准

1.5 数据分析方法

采用SPSS13.5进行数据处理与统计分析，采用Excel2007、ArcGis10.2进行相关图形绘制。

2 结果与分析

2.1 玉米生育期需水量与水量盈亏

2.1.1 玉米生育期需水规律

为了较为全面地研究辽宁全省不同区域玉米生育期ET变化规律，在辽宁的东部、西部、南部、北部和中部分别选取（丹东、叶柏寿、大连、开原和沈阳）5个代表站点，对其逐月ET进行分析。图2为玉米生育期需水量逐月ET变化，由图2可知，辽宁省不同区域ET变化规律基本一致，均呈单峰变化趋势。在生育初期的5月份，不同区域ET值均较小，除辽南外，其他区域均无显著差异（>0.05），而生育的中、后期（7—9月）辽西地区玉米ET均最大，特别是7月ET超过140 mm，其他地区则差异不显著。

2.1.2 玉米全生育期ET空间分布

辽宁省不同地区全生育期ET变化如图3所示，由图3可知，全省ET变化范围在335~391 mm， ET较大的地区主要集中在辽宁西部（ET≥380 mm），辽东的东部次之，辽宁北部、中部、南部和辽东大部需水量均较小，其中辽南南部最小（ET<345 mm）。ET值波动较大的地区集中在环渤海的辽宁中南部，其年际变化超15 mm，而辽宁东部和西部ET比较稳定，年际变化一般在8 mm以下。

注：同一月份不同小写字母表示区域间差异显著（P<0.05）。

图3 辽宁省玉米全生育期需水量空间分布

2.1.3 玉米全生育期水量盈亏

为了准确评估辽宁省玉米水分供需情况，按照生育期降水频率将研究年份划分为4种典型水文年：湿润年（=25%）、中水年（=50%）、干旱年（=75%）、特旱年（=90%）。图4为辽宁省玉米全生育期水量盈亏空间分布，由图4可知，不同水文年型下，玉米生育期水量盈亏状况存在较大差异。在特旱年，仅辽宁东南部水量略有盈余，其他地区均出现水分亏缺，最大亏缺值达220 mm。随着降水量的增加（水文年型由干旱向湿润变化），水分亏缺区域逐渐向辽宁西北部收缩。在湿润年，仅辽西西部出现水分亏缺，亏缺量在0～50 mm之间，而其他地方的降水量均能满足玉米生育期耗水需求。

2.2 玉米生育期灌溉制度与灌溉模式。

辽宁省玉米一般4月底、5月初开始播种、9月下旬开始收获，全生育期约为140～150 d，玉米生育期发育进程较快，对水分需求紧迫，短期内的干旱就可能造成难于挽回的损失，尤其是拔节、孕穗和开花阶段，短期的水分亏缺就会造成严重的减产甚至绝收[10,23]。玉米的播种期土壤水分状况也对水玉米产量形成比较明显的影响[24]。所以这几个生育期是玉米灌溉需水的关键期。康绍忠等[10]认为，当灌溉水补给不足时，应以保种（播种期）、保花（开花期）和蓄墒灌溉为重点。根据辽宁省玉米灌溉需水规模在0～220 mm的现状（图4），考虑到辽宁省玉米水分亏缺严重的地区主要集中于辽西，水源取水紧张的特点，参考辽宁省玉米水分敏感期相关研究成果[25]，以及康绍忠等[10]春玉米非充分灌溉制度研究成果，补水灌水规模控制在40～135 mm之间，次灌水定额30～40 mm之间，保证玉米在极端干旱情况下（特旱年），灌水量135 mm（灌溉保证率为0.65）。在水源地比较丰富的地区，可以采用充分灌溉，当水源不足时可以采用非充分灌溉（灌溉保证率≥0.65）。据此，制定出辽宁省不同水文年玉米灌溉制度，如表2所示，4种水文年型下的灌溉定额分别为40、80、120和135 mm。

注：Pp为水文频率，下同。

表2 不同水文年辽宁省推荐玉米灌溉制度

根据玉米生育期水量盈亏研究成果（图4），以及玉米灌溉制度（表2），确定了不同水文年辽宁省不同区域的灌溉制度空间分布如图5所示。由图5可知，在湿润年（图5a），仅辽西的西部可采用A类灌溉制度。其他地方均无需灌溉；在中水年（图5b），辽西大部地区均需进行灌溉，其中辽西的西部需要采用B类灌溉制度，其余地区可采用A类灌溉制度；在干旱年（图5c），辽宁中东部、辽东和辽南东部无需进行灌溉，其余地区均应进行灌溉，其中辽西西部和北部应采取类C灌溉制度；在特旱年（图5b）仅辽东东部无需灌溉，其他地区均存在不同程度缺水，需要进行灌溉补水，其中在辽西的西部和北部地区还应采用D类灌溉制度。

图5 辽宁省不同水文年玉米灌溉制度分区

2.3 基于作物CWSDI的玉米干旱类型区划

2.3.1 玉米CWSDI的时间变化

根据式（4）得到辽宁省不同区域CWSDI年际变化如图6所示，由图6可知，不同地区CWSDI变化规律差异较大，辽东地区CWSDI普遍>0，仅在个别年份<0，且年际变化剧烈。其中，1985年其值超过2.5，水分供给远大于需求，说明本区域水资源较为充沛，仅在个别年份出现供水量不足，基本不出现水量亏缺。辽西地区和辽东地区差异较大，不仅普遍CWSDI <0，而且大部分年份CWSDI<-0.30，个别年份CWSDI<-0.45。说明辽西地区轻度和中度干旱均较为普遍，重度干旱也时有发生。

注：CWSDI表示作物水分盈亏指数，下同。

2.3.2 玉米CWSDI的空间分布

将全省各典型站点1955—2014年CWSDI数据进行多年平均，并计算其标准偏差，得到其空间分布与变异状况如图7所示。由图7可知，辽西大部分地区CWSDI<0，辽西西部甚至<–0.14，由此可见该区大部分普遍存在缺水，西部局地比较严重。但是由于该值年际波动（图7b）较为剧烈（全省普遍>0.48，辽东东部甚至>0.54），也就是说该等值线年际漂移范围过大，单纯根据多年平均的CWSDI值进行干旱区域划分误差较大。为此笔者对不同类型干旱发生频率进行进一步分析。

图7 辽宁省玉米水分盈亏指数空间分布

2.3.3 干旱发生频率空间分布

根据表1旱涝等级标准确定的旱涝等级，选取轻旱、中旱和重旱3种干旱等级进行重点分析。轻旱发生频率[26]，即为总研究序列（1955—2014年共60 a）中，轻旱发生次数与总研究年数的比值。将计算得到的频率值用反距离加权插值法进行空间插值，即可得到本区域轻旱、中旱、重旱发生频率的空间分布，如图8a所示。中旱和重旱发生频率计算方法亦然，得到空间分布如图8b和8c所示。从轻旱发生频率的空间分布来看（图8a）除辽东南一带不发生轻度干旱，其他大部分地区（清源、岫岩、庄河一线以西地区）均会发生轻度干旱，特别是辽西大部、辽北的大部分地区，轻度干旱的频率超过0.5，大约2a发生1次小旱；发生中度干旱的地区（图8b）主要集中于辽宁西部，北部和辽中与辽南的西部，西丰、沈阳、瓦房店一线以西区域，由东南向西北发生频率依次增加。其中辽西和辽西北地区中旱发生频率>0.3，该地大约3a 发生1次中旱；发生重度干旱的地区主要集中于辽宁西部和西北部，彰武，义县、建昌一线以西的地区。该区域大部分地区中旱频率超过0.1，总体而言，辽宁西部和西北部的大部分地区2a发生1次小旱，3a发生1次中旱，10a发生1次大旱。

综合图7a、图8可知，CWSDI值和干旱发生频率空间分布规律基本类似。且轻度干旱发生频率≥0.45，中度干旱发生频率≥0.28，重度干旱发生频率≥0.12和CWSDI≤0的地区基本重合，所以笔者将满足以上条件之一的地区均定义为干旱区（图9），该区主要集中于辽宁西部和西北部，水资源整体供小于求，而且经常出现中度干旱。从图7b和图8可以看出，轻度干旱发生频率≥0.1的区域和CWSDI≤0.45的地区也基本重合，将满足2个条件之一、且干旱区以外地区定义为易旱区（图9），该区域主要集中于辽北、辽中大部以及辽东西部，区域水资源供需基本平衡，容易出现轻旱，但不会出现涝田现象。综上所述，辽宁省玉米种植区共可划分为干旱区、易旱区和不旱区3块区域，其中需要进行补充灌溉的是干旱区和易旱区2个区域。

图8 辽宁省玉米生育期干旱发生频率空间分布

图9 辽宁省玉米种植区干旱类型划分

2.4 玉米生育期灌溉模式分区

根据图9可知，辽宁省干旱类型可以划分为（干旱区和易旱区）2种类型区域，而各区域均存在4种灌溉制度，因而理论上可以形成8种研究区域与灌溉制度的组合，即形成8种灌溉模式。但是灌溉制度的实际执行，需要依据水文年型进行划分，由于不同水文年型下，灌溉制度的执行区域存在变化（图5），因而不同水文年型下，灌溉模式出现频率不一致。在特旱年出现的灌溉模式最多，为6种，在湿润年出现的模式最少，仅有1种，即干旱区A灌溉制度。4种水文年型实际上共出现了7种灌溉模式，不同水文年型出现的灌溉模式如表3所示。结合不同水文年灌溉模式（表3）和干旱区划分（图9），得到了辽宁省玉米种植区灌溉模式的空间分布如图10所示。

表3 辽宁省不同水文年玉米灌溉模式

图10 辽宁省玉米灌溉模式分区

由图10可知，湿润年仅有1种灌溉模式I，分布在辽西西部；中水年有3种灌溉模式，分别为I、II和V，分布于辽西大部和辽北局部；干旱年出现4种灌溉模式：II、III、V、VI，覆盖辽西全部地区，和辽北、辽中、辽南的西部地区；特旱年出现6种灌溉模式II、III、IV、V、VI、VII，广泛分布于除辽东南以外的大部分地区。

灌溉模式的划分，不仅仅要考虑区域农田水量平衡，而且要考虑到其所处的水源与地形条件，在灌溉水源比较丰富的地区，应采用充分灌溉，以最大限度提高单产。本研究中玉米的灌溉保证率在0.65～1之间，通过张淑杰等[25]对辽宁省玉米需水量与产量关系的研究表明，当玉米充分供水时，玉米产量可达到9.0´106～1.2´106kg/hm2，当灌溉保证率下降到0.65时，产量下降到0.8´106kg/hm2左右，特旱年的减产率在11%～33.3%之间。在灌溉水源不足的地区，则应采用非充分灌溉制度，优先保证需水关键期用水，提高水分利用效率，尽量做到减水不减产，或者减水少减产[26-27]。此外，本研究确定的辽宁省不同区域的灌溉模式主要考虑不同水文年型的水量供需平衡与灌溉制度2大因素，所得到的分区灌溉模式中，灌溉用水量均为田间净灌溉需水量，并未考虑需配水形式和灌溉用水方式，各区域在对玉米进行灌溉时还应在本研究成果的基础上，结合本区域地形、供水水源等特点，进行进一步补充与完善。

结合辽宁省实际情况，在辽西北干旱区，应建立永久性灌溉措施，大力发展高效节水农业。在地表水资源相对丰富的大凌河[28]、白石水库一带优先通过水库、河流取水，进行渠道输水灌溉或者渠井结合灌溉。其他没有引水条件的地区则以井灌取水为主，但是要根据当地水资源状况，严格控制机井数量、布设密度、灌溉取水量，合理利用地下水资源，防止超采[29]。田间灌溉用水还应与膜下滴灌等高效节水技术相结合，尽可能提高玉米的灌溉水利用效率。在辽宁省易旱区，也有可能发生轻度水分亏缺，但干旱发生的频率较低、程度较轻，亏缺时间较短，若建立永久灌溉设施，投资成本较大，且设备使用率较低，因此不建议建立永久灌溉设施，主要以开展地膜覆盖、秸秆还田等旱作节水保墒措施为主。适当提高土壤水分利用效率，即可以满足玉米用水需要。与此同时，有条件的地区也可采用简易或可移动式灌溉设施，在个别亏水年进行补充灌溉。

3 结 论

本文根据辽宁省玉米分布状况、生育期需水规律与降水补给资料，对辽宁省不同区域玉米生育期需水量时空分布特征，生育期水量盈亏状况、灌溉制度、干旱发生频率等综合分析，得到以下4条研究结论：

1）辽宁全省玉米不同生育阶段需水量呈单峰变化趋势，在生育初期的5月份，不同区域需水量均较小，且差异不大。7—9月辽西地区耗水显著高于其他地区，各区域需水峰值均出现在7月，其中辽西地区的峰值超过140 mm。全生育期ET较大的地区主要集中在辽宁西部，全生育期ET在380 mm以上。辽宁中部、南部ET较小，其中辽南南部小于345 mm。

2）辽宁不同水文年玉米生育期灌溉需水量盈亏情况存在较大差异，不同水文年玉米需水的亏缺量在0～220 mm之间波动。综合考虑区域水资源供需状况，制定了4种水文年的灌溉制度，灌溉定额分别为40、80、120和135 mm，灌溉保证率≥0.65。

3）根据水分盈亏指数（crop water surplus deficit index, CWSDI）和干旱发生频率将辽宁省划分为2个灌溉类型区：干旱区和易旱区，干旱区主要集中在辽西和辽西北，该地发生轻度干旱发生频率≥0.45，中度干旱发生频率≥0.28，重度干旱发生频率≥0.12且CWSDI≤0。易旱区集中在辽北，辽中大部和辽东西部，该地区轻度干旱发生频率≥0.1且CWSDI≤0.45。

4）综合考虑灌溉制度和干旱区域类型，将辽宁省玉米种植区分为7种灌溉模式：其中特旱年、干旱年、中水年和湿润年分别出现6种、4种、3种和1种。

[1] 水利部农村水利司. 全国节水灌溉“十五”发展计划及 2010年规划[R]. 北京：水利部，2001.

[2] 国家统计局. 国家统计局关于2015年粮食产量的公告[R/OL]. 2015-12-08[2017-10-10]. http://www.stats.gov.cn/tjsj/ zxfb/201512/t20151208_1286449.html

[3] 吴景社，康绍忠，王景雷，等. 基于主成分分析和模糊聚类方法的全国节水灌溉分区研究[J]. 农业工程学报，2004，20(4)：64－68. Wu Jingshe, Kang Shaozhong, Wang Jinglei, et al. Zoning of water-saving irrigation in China using principal components analysis and fuzzy-C-means[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2004, 20(4): 64－68. (in Chinese with English abstract)

[4] 殷长琛，齐广平，康燕霞. 基于云模型的甘肃省参考作物蒸散量时空分布特征[J]. 农业工程学报，2015，31(8)：152－158. Yin Changchen, Qi Guangping, Kang Yanxia. Analysis on characteristics of temporal-spatial potential evapotranspiration distribution in Gansu based on cloud mode[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(8): 152－158. (in Chinese with English abstract)

[5] Tang Xuguang, Li Hengpeng, Desai A R, et al. How is water-use efficiency of terrestrial ecosystems distributed and changing on Earth[J]. Scientific Reports, 2014, 4: doi: 10.1038/srep07483

[6] 穆少杰，周可新，齐杨，等. 内蒙古植被降水利用效率的时空格局及其驱动因素[J]. 植物生态学报，2014，38(1)：1－16. Mu Shaojie, Zhou Kexin, Qi Yang, et al. Spatio-temporal patterns of precipitation-use efficiency of vegetation and their controlling factors in Inner Mongolia[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2014, 38(1): 1－16. (in Chinese with English abstract)

[7] 张玉芳，王明田，刘娟，等. 基于水分盈亏指数的四川省玉米生育期干旱时空变化特征分析[J]. 中国生态农业学报，2013，21(2)：236－242. Zhang Yufang, Wang Mingtian, Liu Juan, et al. Spatio-temporal characteristics of drought at different maize growth stages in Sichuan province as determined by water budget index[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(2): 236－242. (in Chinese with English abstract)

[8] 王劲松，郭江勇，周跃武，等. 干旱指标研究的进展与展望[J]. 干旱区地理，2007，30(1)：60－65. Wang Jinsong, Guo Jiangyong, Zhou Yuewu, et al. Progress and prospect on drought indices research[J]. Arid Land Geography, 2007, 30(1): 60－65. (in Chinese with English abstract)

[9] Nutini F, Boschetti M, Candiani G, et al. Evaporative fraction as an indicator of moisture condition and water stress statusin semi-arid rangeland ecosystems[J]. Remote Sensing, 2014, 6(7): 6300－6323.

[10] 康绍忠，贺正中，张学. 陕西省作物需水量及分区灌溉模式[M ]. 北京：水利水电出版社，1992.

[11] 高晓容，王春乙，张继权，等. 近50年东北玉米生育阶段需水量及旱涝时空变化[J]. 农业工程学报，2012，28(12)：101－109. Gao Xiaorong, Wang Chunyi, Zhang Jiquan, et al. Crop water requirement and temporal-spatial variation of drought and flood disaster during growth stages for maize in Northeast during past 50 years[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(12): 101－109. (in Chinese with English abstract)

[12] 仇宽彪，贾宝全，张志强. 基于遥感的中国植被蒸散比时空分布及其对气候因素的响应[J]. 农业工程学报，2015，31(19)：151－158. Qiu Kuanbiao, Jia Baoquan, Zhang Zhiqiang. Spatio- temporal patterns of evaporative fraction in vegetation ecosystem based onremote sensing data and its responses to climatic factors in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(19): 151－158. (in Chinese with English abstract)

[13] 申双和，张方敏，盛琼. 1975-2004 年中国湿润指数时空变化特征[J]. 农业工程学报，2009，25(1)：11－15. Shen Shuanghe, Zhang Fangmin, Sheng Qiong. Spatio- temporal changes of wetness index in China from 1975 to 2004[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(1): 11－15. (in Chinese with English abstract)

[14] 李正国，杨鹏，唐华俊，等. 气候变化背景下东北三省主要作物典型物候期变化趋势分析[J]. 中国农业科学，2011，44(20)：4180－4189. Li Zhengguo, Yang Peng, Tang Huajun, et al. Trend analysis of typical phenophases of major crops under climate change in the three provinces of Northeast China[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2011, 44(20): 4180－4189. (in Chinese with English Abstract)

[15] Allen R G, Pereira L S, Raes D, et al. Crop Evapotranspiration Guidelines for Computing Crop Water Requirements[M]. Rome: Food and Agriculture Organization of United Nation, 1998.

[16] 李晶，张运福，班显秀. 辽宁玉米作物系数研究[J]. 辽宁气象，2000(1)：18－20.

[17] 尚松浩. 作物非充分灌溉制度的模拟优化方法[J]. 清华大学学报：自然科学版，2005，45(9)：1179－1183. Shang Songhao. Simulation-optimization method for crop irrigation scheduling with limited water supplies [J]. Journal of Tsinghua University: Science and Technology, 2005, 45(9): 1179－1183. (in Chinese with English Abstract)

[18] 高歌，许崇育. 1961-2010年中国十大流域水分盈亏量时空变化特征[J]. 地理学报，2015，70(3)：380－391. Gao Ge, Xu Congyu. Characteristics of water surplus and deficit change in 10 major river basins in China during 1961-2010[J]. Acta Geographica Sinica, 2015, 70(3): 380－391. (in Chinese with English Abstract)

[19] 张淑杰，张玉书，孙龙彧，等. 东北地区玉米生育期干旱分布特征及其成因分析[J]. 中国农业气象，2013，34(3)：350－357. Zhang Shujie, Zhang Yushu, Sun Longyu, et al. Analysis of distributional characteristics and primary causes of maize drought in northeast china[J]. Chinese Joural Agrometeorology, 2013, 34(3): 350－357. (in Chinese with English abstract)

[20] 庞艳梅，陈超，潘学标. 1961－2010 年四川盆地玉米有效降水和需水量的变化特征[J]. 农业工程学报，2015，31(增刊1)：133－141. Pang Yanmei, Chen Chao, Pan Xuebiao. Variation characteristics of maize effective precipitation and water requirement in Sichuan basin during 1961－2010[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp. 1): 133－141. (in Chinese with English abstract)

[21] 张艳红，吕厚荃，李森. 作物水分亏缺指数在农业干旱监测中的适用性[J]. 气象科技，2008，36(5)：596－600. Zhang Yanhong, Lü Houquan, Li Sen. Applicability of crop water deficit index in agricultural drought monitoring[J]. Meteorological Science and Technology, 2008, 36(5): 596－600. (in Chinese with English abstract)

[22] 张淑杰，张玉书，李广霞，等. 2005年气象灾害对辽宁农业生产影响评估[J]. 气象与环境学报，2006，22(6)：46－49. Zhang Shujie, Zhang Yushu , Li Guangxia , et al. Evaluating of the effects of meteorological disaster on Liaoning agricultural production in 2005[J]. Journal of Meteorology and Environment 2006, 22(6): 46－49. (in Chinese with English abstract)

[23] 刘钰，汪林，倪广恒，等. 中国主要作物灌溉需水量空间分布特征[J]. 农业工程学报，2009，25(12)：6－12. Liu Yu, Wang Lin, Ni Guangheng, et al. Spatial distribution characteristics of irrigation water requirement for main crops inChina[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(12): 6－12. (in Chinese with English abstract)

[24] 王智威. 水分胁迫下玉米苗期的生长及生理响应[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2013.

Wang Zhiwei. Growth and Physiology of Mazie Seedling Response under Water Stress[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2013.

[25] 张淑杰，周广胜，张玉书，等. 辽宁地区玉米耗水量与产量的关系[J]. 干旱地区农业研究，2018，36(1)：244－250. Zhang Shujie, Zhou Guangsheng, Zhang Yushu, et al. The relationship between yield and water consumption of maize in Liaoning[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2018, 36(1): 244－250 (in Chinese with English abstract)

[26] 黄晚华，杨晓光，李茂松，等. 基于标准化降水指数的中国南方季节性干旱近58 a 演变特征[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：50－59. Huang Wanhua, Yang Xiaoguang, Li Maosong, et al. Evolution characteristics of seasonal drought in the south of China during the past 58 years based on standardized precipitation index[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(7): 50－59. (in Chinese with English abstract)

[27] 康绍忠，史文娟，胡笑涛，等. 调亏灌溉对于玉米生理指标及水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报，1998，14(4)：82－87. Kang Shaozhong, Shi Wenjuan, Hu Xiaotao, et al. Effects of regulated deficit irrigation on physiological indices and water use efficiency of maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 1998, 14(4): 82－87. (in Chinese with English abstract)

[28] 熊伟，冯颖竹，高清竹，等. 气候变化对石羊河、大凌河流域灌溉玉米生产的影响[J]. 干旱区地理，2011，34(1)：150－159. Xiong Wei, Feng Yingzu, Gao Qingzhu, et al. Impacts of climate change on irrigated maize production in Shiyang and Daling River Basins[J] Arid Land Geography, 2011, 34(1): 150－159. (in Chinese with English abstract)

[29] 齐悦. 大型水库生态效应研究[D]. 长春：吉林大学，2011. Qi Yue. Study on Ecological Effect of Large Reserior[D]. Changchun: Jilin University, 2011. (in Chinese with English abstract)

Temporal and spatial distribution characteristics of maize water surplus deficit and irrigation mode partition in Liaoning province

Wei Xinguang1, Wang Tieliang1※, Li Bo1, Liu Shouyang2, Yao Mingze1, Xie Ying1, Zheng Siyu1, Jing Zhuran1

(1.110866,; 2.453003,)

It is necessary to formulate a partition irrigation management mode based on the feature of water resource and meteorology of different sub areas in a large area. Maize is the main crop and major agricultural water consumer in Liaoning province. The objective of this study was to analyze the temporal and spatial distribution characteristics of maize water surplus deficit and lay out an irrigation mode partition scheme in Liaoning province. We collected the data of maize growth index, irrigation, and daily meteorological data from 1955 to 2014 in 27 agricultural meteorological stations in Liaoning province. The calculated index included evapotranspiration (ET), irrigation requirement, crop water surplus and deficit index (CWSDI)､the drought probability during the maize growth stage in Liaoning. The results showed that: the ET during the growth stage of maize varied in a single peak style in all the regions of Liaoning. The ET in western Liaoning was the highest in Liaoning, and the monthly ET of the western Liaoning was more than 140 mm in July. The high value of ET mainly appeared in the western region (ET≥380 mm). The ET was lower in the central and southern regions in Liaoning. The minimum value of ET was in the southern Liaoning, which was less than 345 mm. The standard deviation of ET were higher in the central and southern Liaoning around the Bohai sea (SD>15 mm), but it were stable in eastern and western Liaoning (SD<8 mm). A total of 4 typically deficient irrigation schedule were recommended and the irrigation norm in different hydrological years were 40, 80, 120 and 135 mm, respectively for the wet year, the normal year, the dry year and the drought year. In most years, CWSDI of maize were above 0 in the eastern Liaoning, and the peak was above 2.5 (in the year of 1985). It indicates that the crop water supply exceeded demand in most of years. It was significantly different between the western and eastern Liaoning. In the western Liaoning, the most of the CWSDI was below 0, and sometimes even below-0.14. There was a widespread mild dry in most of the years, sometimes was dry even drought in this region. The spatial distribution of the dryfrequency indicated that, in addition to the southeast Liaoning, the most regions may become mild dry, dry or drought, most especially in the western Liaoning. In the northwest Liaoning, the frequency of mild drought occurrence was high. The dry mainly appeared in the western Liaoning. The CWSDI and the dry frequency had the similar spatial distribution pattern. The area with mild dry frequency not less than 0.45, dry frequency not less than 0.28, the drought frequency not less than 0.12 and CWSDI higher than 0 was same. Thus, we defined the area meeting one of the conditions above as the arid area. Those areas were in the western and northern Liaoning where the water resource supply was less than demand and the dry condition appeared very often. We defined the area with mild dry frequency not less than 0.1 or CWSDI higher than 0.45 as the drouht-prone area. These areas were in the northern Liaoning, middle Liaoning and the west of eastern Liaoning. Based on the CWSDI and dry frequency, a total of 7 irrigation modes were set up. A total of 6, 4, 3 and 1 irrigation mode were for the drought, dry, normal and wet year, respectively. The study would improve not only the areas water resource utilization but also food security.

evapotranspiration; irrigation; drought; CWSDI; maize

魏新光，王铁良，李 波，刘守阳，姚名泽，解 影，郑思宇，景竹然. 辽宁省玉米地水分盈亏时空分布特征及灌溉模式分区研究[J]. 农业工程学报，2018，34(23)：119－126. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.014 http://www.tcsae.org

Wei Xinguang, Wang Tieliang, Li Bo, Liu Shouyang, Yao Mingze, Xie Ying, Zheng Siyu, Jing Zhuran. Temporal and spatial distribution characteristics of maize water surplus deficit and irrigation mode partition in Liaoning province[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 119－126. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.014 http://www.tcsae.org

2018-06-06

2018-10-10

国家自然科学基金项目（51709174）；国家公益性行业（农业）科研专项（201303125）；辽宁省博士科研启动基金（20170520169）

魏新光，讲师，博士，研究方向为作物高效用水与蒸散发尺度效应。Email：weixg_wi@163.com

王铁良，教授，博士，研究方向为节水灌溉。 Email：tieliangwang@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.014

S274.1

A

1002-6819(2018)-23-0119-08