基于CROPWAT模型的玉米水分盈虧及灌溉制度研究

杜 崇，王天倚，聶堂哲，戴長(zhǎng)雷，李鐵成

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，哈爾濱 150080；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引 言

黑龍江省是我國(guó)重要的產(chǎn)糧基地，也是我國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)之一，玉米產(chǎn)量和種植面積分別占黑龍江農(nóng)作物產(chǎn)量和種植面積的49.49%和39.70%[1]，黑龍江省玉米生產(chǎn)過(guò)程主要依靠雨養(yǎng)，但是該地區(qū)降雨年際波動(dòng)較大，已有研究發(fā)現(xiàn)近幾十年來(lái)，作物生長(zhǎng)季降雨呈減小趨勢(shì)，而灌溉需水量總體則呈增加趨勢(shì)[2]。所以，研究不同水文年的玉米灌溉制度，進(jìn)行合理灌溉，有利于提高玉米產(chǎn)量和水資源的優(yōu)化利用。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，大多數(shù)情況下作物灌溉需水量取決于經(jīng)驗(yàn)缺而乏理論依據(jù)，農(nóng)民缺乏合理的灌溉指導(dǎo)[3]，因此作物的水分供需和灌溉制度的研究受到了廣泛關(guān)注，前人研究指標(biāo)主要有：參考作物騰發(fā)量、作物需水量、灌溉需水量、有效降雨量、作物水分盈虧指數(shù)和不同水文年的灌溉制度等[4-6]。金建新等[7]對(duì)寧南灌區(qū)的春玉米灌溉進(jìn)行的研究，結(jié)果表明春玉米不同生育階段需水量與灌水定額呈正比；高曉蓉等[8]人的研究表明1961-2010年?yáng)|北玉米四個(gè)階段需水量沒(méi)有顯著變化，且除乳熟期到成熟階段逐漸干旱化，其余時(shí)期沒(méi)有明顯變化；吳灝等[9]基于CROPWAT對(duì)昆明地區(qū)灌溉制度的研究，結(jié)果表明玉米需水量與溫度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)而與降雨量和相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)，灌溉用水量與溫度、風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)且與降雨量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。黑龍江省玉米生育期內(nèi)各月降雨相差較大，玉米生育階段出現(xiàn)旱澇情況，會(huì)嚴(yán)重影響生長(zhǎng)發(fā)育和玉米產(chǎn)量[10]。且該地區(qū)春季干旱頻發(fā)[11]，玉米播種期和苗期的土壤水分狀況也會(huì)嚴(yán)重影響玉米產(chǎn)量[12]。為了解決水分供應(yīng)不平衡對(duì)玉米生產(chǎn)的影響，制定相應(yīng)地區(qū)灌溉制度刻不容緩。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織于1992年在FAO-56文件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了CROPWAT模型，用于計(jì)算計(jì)算作物需水量、作物蒸發(fā)蒸騰量以及制定灌溉制度, 與其他模型相比，CROPWAT模型綜合考慮了作物系數(shù)、根層土壤水分動(dòng)態(tài)變化來(lái)估算蒸散量，該模型在世界各地得到了廣泛應(yīng)用，適應(yīng)性較強(qiáng)[13-18]。

本文研究黑龍江省中部地區(qū)玉米生育期內(nèi)水分供需規(guī)律以及水分盈虧情況，對(duì)不同水文年玉米需水量分析以及水分盈虧指數(shù)和干旱等級(jí)進(jìn)行了探討，利用CROPWAT模型計(jì)算出1955-2014年玉米生育期內(nèi)需水量、有效降雨量和灌溉需水量并分析三者的變化趨勢(shì)，將水分供需規(guī)律與由CWSDI計(jì)算出的干旱等級(jí)進(jìn)行結(jié)合分析，選取哈爾濱當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)設(shè)定相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行灌溉制度的制定，旨在為黑龍江省灌溉定額的制定提供數(shù)據(jù)參考，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植玉米進(jìn)行灌溉提供幫助，為區(qū)域糧食安全提供保障；同時(shí)為未來(lái)制定灌溉制度以實(shí)現(xiàn)作物的最大產(chǎn)量和穩(wěn)定作物產(chǎn)量的時(shí)候提供數(shù)據(jù)參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以黑龍江省哈爾濱市(125°42′～130°10′，44°04′～46°40′)作為研究區(qū)域。截止2018年，玉米產(chǎn)量834 萬(wàn)t，播種面積為10.9 萬(wàn)hm2[1]，產(chǎn)量與播種面積均位居黑龍江省第一。該地區(qū)地處黑龍江中南部松嫩平原腹地，土壤類(lèi)型以黑土為主，中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均溫度4.52 ℃，年平均風(fēng)速為286.7 km/d，年平均太陽(yáng)輻射為13.72 MJ/(m2·d)，多年平均降雨量為511 mm[19]。

1.2 計(jì)算方法和相關(guān)參數(shù)的確定

1.2.1 作物需水量

本研究采用FAO-56推薦的方法計(jì)算作物需水量，計(jì)算公式為：

ETc=KcET0

(1)

式中：ET0為參照作物騰發(fā)量，mm；Kc為作物系數(shù)，本文玉米Kc采用FAO-56推薦值，并使用FAO-56推薦方法對(duì)其修正；ETc為作物需水量，mm。

采用FAO(世界糧農(nóng)組織)推薦的Penman-Monteith方法計(jì)算ET0[13]，計(jì)算公式為：

(2)

式中：Rn為作物表面凈輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量密度，MJ/(m2·d)；T為2 m高處的日平均空氣溫度，℃ ；u2為生長(zhǎng)中期2 m高度處日平均風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實(shí)際水汽壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線(xiàn)斜率，kPa/℃ ；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃ 。

1.2.2 作物生長(zhǎng)階段

本研究作物生長(zhǎng)階段的確定采用FAO-56推薦方法，將作物生長(zhǎng)發(fā)育階段劃分為以下4個(gè)階段：生長(zhǎng)初期為從玉米種值日起到地面覆蓋率達(dá)到10%為止；快速發(fā)育期為從覆蓋率達(dá)到10%到有效全面覆蓋為止；生長(zhǎng)中期為從完全覆蓋到開(kāi)始成熟為止；生長(zhǎng)后期為開(kāi)始成熟開(kāi)始到玉米完全成熟為止[20]。本文中將玉米生育期劃分為播種期-七葉期，七葉期-抽雄期，抽雄期-乳熟期，乳熟期-成熟期[21]。根據(jù)哈爾濱農(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站的資料確定各生育期時(shí)間，各階段作物系數(shù)和日期如表1所示。

表1 作物系數(shù)Tab.1 Crop coefficient

1.2.3 土壤參數(shù)

當(dāng)?shù)赝寥绤?shù)通過(guò)實(shí)際采樣測(cè)得，土壤類(lèi)型為壤土，1 m土層的田間持水率為28.16%，根系層中的總有效水量為178 mm/m，初始土壤含水量為177 mm/m，最大降雨入滲率為40 mm/d。

1.2.4 有效降雨

本研究中有效降雨計(jì)算方法采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持局推薦公式計(jì)算，公式為：

(3)

式中：Pe為有效降雨量，mm；P為降雨量，mm。

1.2.5 灌溉需水量的計(jì)算

玉米為旱田作物，對(duì)于旱田作物灌溉需水量是在各個(gè)階段作物需水量與有效降雨量的差值。若該生育期內(nèi)有效降雨量大于作物需水量則不需要灌溉，反之，則需要灌溉[22]。玉米灌溉需水量公式如下：

(4)

式中：Ir為灌溉需水量，mm；ETc為作物需水量，mm/d；n為各生育期天數(shù)，d。

1.2.6 生育階段水分盈虧指數(shù)的建立

為了表達(dá)玉米在各生育期的需水特性及水分供應(yīng)情況，引入玉米生育期內(nèi)各階段水分盈虧指數(shù)(CWSDI)來(lái)說(shuō)明水分盈虧情況，CWSDI是基于玉米水分虧缺指數(shù)并以有效降雨量為供水指標(biāo)來(lái)構(gòu)建的函數(shù)[22]。

(5)

式中：i為生育階段，包括生育初期、快速發(fā)育期，生長(zhǎng)中期，生長(zhǎng)后期；Pei為i時(shí)段有效降雨量，mm；ETci為i時(shí)段作物需水量，mm。

1.2.7 干旱強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)

本研究引用高曉容等[8]確定的東北玉米生育階段水分盈虧指數(shù)的旱澇等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)來(lái)劃分1955-2014年間干旱等級(jí)。

表2 基于水分盈虧指數(shù)的干旱強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Drought classification criteria based on CWSDI

1.3 典型年降雨設(shè)計(jì)

將1955-2014年的降雨量按照降序排列，使用公式計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率并繪制對(duì)數(shù)正態(tài)分布圖，求出特枯水年、枯水年、平水年和豐水年的降雨量[23]。經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式為：

(6)

式中：Fa為圖中相應(yīng)的點(diǎn)位；N為數(shù)列年數(shù)；m為相應(yīng)年排序數(shù)。

經(jīng)計(jì)算特枯水年(P=95%)的降雨量為404.73 mm，枯水年(P=75%)的降雨量為431.68 mm，平水年(P=50%)的降雨量為477.90 mm，豐水年(P=25%)的降雨量為556.92 mm。

1.4 氣候傾向率

將本文研究的氣象因素用最小二乘法，使用線(xiàn)性方程將其表現(xiàn)出來(lái)，即：

(7)

線(xiàn)性方程的斜率a為變化趨勢(shì)，10a稱(chēng)為氣候傾向率，為相應(yīng)氣象要素每10a的變化速率。氣候傾向率為正代表增大，氣候傾向率為負(fù)則相反。

1.5 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

Mann-Kendall檢驗(yàn)法作為世界氣象組織推薦并廣泛應(yīng)用的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法，可以用來(lái)檢驗(yàn)非正態(tài)分布的氣象因素之間的關(guān)系。Z為統(tǒng)計(jì)變量，通過(guò)計(jì)算如果Z的絕對(duì)值大于1.64、2.32和2.56,則表示該數(shù)據(jù)通過(guò)可信度95%、99%和99.9%顯著性檢驗(yàn)。Mann-Kendall檢驗(yàn)通過(guò)計(jì)算UF、UB統(tǒng)計(jì)量并繪制2個(gè)變量趨勢(shì)圖，最終得到所需變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)，當(dāng)UF大于0，表示有上升趨勢(shì)，UF小于0，則有下降趨勢(shì)[16]。

1.6 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所用的氣象數(shù)據(jù)來(lái)自于1955-2014年哈爾濱氣象站的逐日氣象數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括最高溫度、最低溫度、風(fēng)速、降雨量、濕度等。觀測(cè)站資料數(shù)據(jù)均來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https:∥data.cma.cn/)。

1.7 數(shù)據(jù)處理

本文采用CROPWAT模型進(jìn)行作物需水量、有效降雨量和灌溉需水量的計(jì)算以及灌溉制度的制定。玉米生育期需水量Mann-Kendall檢驗(yàn)借助MATLABR2014b軟件進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物需水量、有效降雨量和灌溉需水量變化

1955-2014年玉米生育期各月及全生育期需水量、有效降雨量以及灌溉需水量變化如表3所示，生育期內(nèi)玉米需水量、有效降雨量、灌溉需水量的平均值分別為434.60、259.56、239.69 mm。

表3 多年作物需水量、有效降雨量和灌溉需水量變化Tab.3 Changes of maize water requirement, effective precipitation, irrigation water requirement

玉米全生育期需水量的變化范圍為358.40～528.10 mm，氣候傾向率為-9.41 mm/10 a，在可信度99.9%顯著性水平下呈減小趨勢(shì)。玉米生育期內(nèi)5～9月份作物需水量總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，其中7月和8月玉米需水量較大，平均值分別為138.09和138.59 mm。其他月份需水量表現(xiàn)為：6月>5月>9月。通過(guò)對(duì)比各月需水量氣候傾向率可知，除8月外，其余各月需水量氣候傾向率均為負(fù)值，表現(xiàn)為：9月>6月>5月>7月，7月玉米需水量全生育期內(nèi)變化最大，其需水量氣候傾向率為-0.29 mm/10 a。

生育期內(nèi)有效降雨量變化范圍為118.60～504.30 mm，氣候傾向率為-4.56 mm/10 a。有效降雨量在研究時(shí)段內(nèi)年際間差值較大，但總體呈減小趨勢(shì)。玉米生育期內(nèi)各月有效降雨量表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，有效降雨量在7月最大，平均值為99.66 mm，8月次之，6月、5月、9月有效降雨量則依次減小。5月、6月和8月有效降雨量氣候傾向率大于0，而7月和9月小于0。其中最大值和最小值分別出現(xiàn)在6月和7月，分別為2.84 mm/10 a和-5.01 mm/10 a。

玉米生育期灌溉需水量變化范圍為134.7～409.10 mm，氣候傾向率為-3.35 mm/10 a，玉米生育期內(nèi)各月灌溉需水量表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，由于玉米需水量高峰期的7月和8月中，8月份有效降雨量相對(duì)較少，導(dǎo)致8月的灌溉需水量最大，為79.07 mm。5月、6月和9月的灌溉需水量則相對(duì)較小。由于各月玉米需水量和有效降雨量的增減變化導(dǎo)致5月、6月和8月的灌溉需水量氣候傾向率小于0，而7月和9月的氣候傾向率大于0。其中，5月、6月和8月需水量減小和有效降雨量的增加導(dǎo)致灌溉需水量以大于2 mm/10 a的速率減小，7月和9月有效降雨量的下降速率大于需水量下降速率，所以灌溉需水量表現(xiàn)為增加趨勢(shì)?？傮w來(lái)看，應(yīng)重視7月和9月的玉米的水分供給動(dòng)態(tài)，保障灌溉需求。

如圖1為玉米需水量突變性檢驗(yàn)的分析結(jié)果。在1973-1992年間UF值大于零，其余60年間UF的值都小于零，說(shuō)明研究時(shí)段內(nèi)玉米的需水量呈減小-增加-減小的變化趨勢(shì)。UF和UB在2001-2008年相交，說(shuō)明在此階段玉米需水量發(fā)生了突變。

圖1 1954-2014年玉米需水量的Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線(xiàn)Fig.1 Mann-Kendall test curve of maize water requirement in 1954-2014

2.2 玉米生育期水分盈虧指數(shù)的變化趨勢(shì)

1954-2014年玉米生育期CWSDI變化如圖2所示，平均值為-39.65%。CWSDI在60年內(nèi)變化波動(dòng)較大CWSDI呈先減小后增加的趨勢(shì)，最后在平均值左右波動(dòng)。從1955-1991年間總體呈先增加后減小再增加再減小的趨勢(shì)，在1964年到達(dá)第一個(gè)極大值點(diǎn)，CWSDI為-3.82%；隨后總體趨勢(shì)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，在1976年到達(dá)第一個(gè)極小值點(diǎn)也是60年內(nèi)的最小值點(diǎn)，CWSDI為-77.54%；之后的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)分別出現(xiàn)在1985年和1989年，CWSDI為9.49%、-69.32%。從1992-2014處于波動(dòng)較大時(shí)期，并于1994年達(dá)到60年內(nèi)的最大值為26.23%。

圖2 1955-2014年玉米CWSDI變化Fig.2 Changes of CWSDI in the growth period of maize from 1945 to 2014

CWSDI多年月平均值及其氣候傾向率如圖3所示，CWSDI多年月平均值始終小于零，表明玉米生育期內(nèi)總體上每月都處于水分虧缺狀態(tài)，在5月玉米水分虧缺最為嚴(yán)重，多年月平均CWSDI為-59.72%，但5月CWDSI的氣候傾向率為0.067 mm/10 a，5月的水分虧缺狀態(tài)正在緩解；6月和7月CWSDI較其余月份較大，其中6月CWSDI最大，為-24.86%，且6月的氣候傾向率為正表示水分虧缺狀態(tài)和5月相仿處于緩解狀態(tài)，但7月的氣候傾向率為負(fù)，表示CWSDI處于向更虧缺的趨勢(shì)發(fā)展；8月和9月CWSDI處于平均值左右，8月的氣候傾向率為0.007 mm/10 a，變化可以忽略不計(jì)，9月的氣候傾向率最小為-0.067 mm/10 a，說(shuō)明9月水分虧缺向著嚴(yán)重的趨勢(shì)發(fā)展，并且其減小趨勢(shì)最大。

圖3 多年CWSDI月平均值及其氣候傾向率Fig.3 Monthly average value of CWSDI over the years and its climate tendency rate

2.3 不同水文年玉米需水量

選取降雨量與典型年降雨量相近的年份作為代表，豐水年選取1993年，平水年選取1996年，枯水年選取1995年，特枯水年選取1973年作為代表，分別計(jì)算4個(gè)典型水文年玉米需水量。

如表4所示，因作物不同水文年氣象因素不同，導(dǎo)致玉米不同水文年作物需水量差異較大，特枯水年、枯水年、平水年和豐水年的需水量分別是485.60、452.00、423.80和407.80 mm。豐水年、平水年、枯水年和特枯水年中玉米生育期內(nèi)需水量總體表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)； 5月和6月玉米處于生長(zhǎng)階段，生長(zhǎng)較為緩慢，該時(shí)期氣溫較低、葉面積較小，在此時(shí)期玉米需水量較小，范圍為41.20～77.80 mm；7月和8月為玉米需水量最多的兩個(gè)月，該時(shí)期玉米處于拔節(jié)期和灌漿期，植株生長(zhǎng)迅速，同時(shí)該時(shí)段氣溫較高，植株蒸騰量較大，是玉米需水高峰期，因降雨量等因素影響使得天然來(lái)水量不均衡，導(dǎo)致玉米需水量變化幅度較大，需水量范圍為126.70～157.80 mm；在9月玉米需水量大幅度減小，此時(shí)玉米處于成熟期，植株幾乎不生長(zhǎng)，隨著玉米葉片枯萎，溫度降低，蒸騰作用減小，不同水文年玉米需水量差異也隨之減小，作物需水量范圍為42.00～53.80 mm；豐水年和特枯水年的玉米需水量最大的月份為7月，平水年和枯水年的玉米需水量最大的月份為8月，生育期內(nèi)玉米需水時(shí)期集中在7、8月份，4個(gè)典型年份該時(shí)段需水量之和分別占生育期總需水量的62.97%、61.11%、64.40%、62.40%。

表4 不同水文年玉米需水量變化 mm

2.4 不同水文年玉米干旱等級(jí)及CWSDI分析

如表5所示，該地區(qū)4個(gè)典型水文年中，CWSDI總體表現(xiàn)為負(fù)值，表明該地區(qū)常年處于水分虧缺狀態(tài)，CWSDI總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，表明該地區(qū)各月的水分虧缺狀態(tài)不同。4個(gè)水文年都在7月到達(dá)最大值，干旱等級(jí)為正常，變化范圍為3.31%～-24.48%。在豐水年、平水年和特枯水年中CWSDI最小值發(fā)生在9月，干旱等級(jí)分別為中旱、中旱和重旱，變化范圍為-78.33%～-99.07%。在枯水年中，8月干旱等級(jí)為重旱CWSDI為-94.57%，9月為輕旱，在枯水年中干旱等級(jí)變化最為明顯。

在不同水文年的各月中，在5月，4個(gè)典型水文年干旱等級(jí)總體呈現(xiàn)由正常到中旱的干旱趨勢(shì)，且平水年、枯水年和特枯水年的CWSDI較小，可知除豐水年以外，作物普遍處于干旱等級(jí)較高時(shí)期，進(jìn)行播種時(shí)需要考慮這一情況，防止因缺水導(dǎo)致作物生長(zhǎng)困難；6月是4個(gè)不同水文年中CWSDI差異最大的時(shí)期，變化范圍是-74.94%～-17.25%，相差57.69%，CWSDI表現(xiàn)為豐水年>平水年>枯水年>特枯水年的規(guī)律；在7月，豐水年CWSDI最大，為3.31%，豐水年、平水年、枯水年、特枯水年干旱水平皆為正常；在8月，枯水年的CWSDI最小，為-94.57%，干旱等級(jí)為重旱，平水年和特枯水年干旱等級(jí)為中旱，豐水年的干旱等級(jí)為正常；在9月，豐水年和平水年干旱等級(jí)為中旱，枯水年干旱等級(jí)為輕旱，特枯水年CWSDI最小，為-99.07%，干旱等級(jí)為重旱。

2.5 不同水文年玉米灌溉制度

本研究使用CROPWAT模型對(duì)哈爾濱地區(qū)玉米灌溉制度進(jìn)行模擬。本次模擬采用的灌溉方法為噴灌，噴灌是目前最適合哈爾濱地區(qū)氣候條件與水分標(biāo)準(zhǔn)要求的節(jié)水灌溉方式。灌溉制度模擬中設(shè)計(jì)濕潤(rùn)層深度在生長(zhǎng)初期，快速發(fā)育期，生長(zhǎng)中期，生長(zhǎng)后期分別為30、80、80和70 cm?？紤]到適宜玉米生長(zhǎng)的田間持水率的0.55～0.80[12]，所以在模型中設(shè)定：當(dāng)土壤含水率到達(dá)土壤下限時(shí)進(jìn)行灌水，灌水至田間持水率達(dá)到80%為止。

表5 不同水文年CWSDI及干旱等級(jí)Tab.5 CWSDI and drought grades in different hydrological years

不同水文年降雨灌溉制度模擬如表6所示。研究時(shí)段內(nèi)豐水年無(wú)需灌溉、特枯水年，枯水年和平水年的灌溉凈定額分別是151.3、117.10和39.7 mm，特枯水年在5月中、7月初和8月末共灌溉3次，枯水年在6月末和8月末共灌溉2次，平水年在6月初灌溉1次。

表6 不同水文年型灌溉制度Tab.6 Irrigation schedule of different hydrological years

3 討 論

已有學(xué)者使用CROPWAT對(duì)作物需水量進(jìn)行計(jì)算和灌溉制度制定。郭金路等[14]利用CROPWAT軟件確定阜新地區(qū)不同水文年春玉米灌溉制度，選擇當(dāng)土壤水分消耗至設(shè)定水量的時(shí)候，進(jìn)行補(bǔ)充灌溉至田間持水量，周宏等人[13]利用CROPWAT模型進(jìn)行黑河流域的小麥-玉米灌溉制度的制定。U. Surendran[15]使用CROPWAT模型在印度喀拉拉邦科爾蘭地區(qū)進(jìn)行作物需水量計(jì)算。張衛(wèi)華等[16]使用CROPWAT模型對(duì)貝寧北部水稻進(jìn)行灌溉制度的制定。姜浩等[17]使用CROPWAT模型制定哈爾濱地區(qū)大豆灌溉制度。在制定灌溉制度中，以上研究均只考慮需水量因素，而本文引入了水分盈虧指數(shù)，討論了哈爾濱市近60年玉米生育期內(nèi)水分供需情況，并對(duì)不同水文年不同月份的干旱情況的探討明確了不同水文年之間的差異，為灌溉制度的制定提供了可靠依據(jù)。

玉米生育期內(nèi)要求水分供給及時(shí)，水分虧缺會(huì)造成玉米減產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至造成絕產(chǎn)而產(chǎn)生難以挽回的損失[24]。聶堂哲等[25]在研究黑龍江省玉米需水量時(shí)發(fā)現(xiàn)，玉米的需水高峰期為7、8月，提出全省應(yīng)該注意在7、8月進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓喔葋?lái)保障玉米的需水要求，特別是注重8月的補(bǔ)充灌溉，有利于玉米的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，并且提高水分利用效率。本次對(duì)哈爾濱地區(qū)的玉米需水量研究中發(fā)現(xiàn)，7、8月份為玉米需水量最大的兩個(gè)月份，7月的灌溉需水量呈增加趨勢(shì)，8月的灌溉需水量呈減小趨勢(shì)，在干旱等級(jí)分析中8月的干旱等級(jí)較7月嚴(yán)重，但是氣候傾向率表明，7月干旱化逐漸嚴(yán)重。所以本文同意應(yīng)該注意7、8月份的灌溉的觀點(diǎn)，但在哈爾濱地區(qū)制定灌溉制度時(shí)更應(yīng)該注重的是7月，同時(shí)本研究設(shè)計(jì)的灌溉制度在枯水年和特枯水年中都在7月初左右進(jìn)行灌溉。本研究發(fā)現(xiàn)5月的CWSDI多年平均值為全年最低，雖然正處于增加趨勢(shì)，但是依然不容忽視，張淑杰等人也發(fā)現(xiàn)東北地區(qū)玉米生育期內(nèi)干旱頻率苗期較為嚴(yán)重[26]，不同水文年的干旱等級(jí)表明5月干旱等級(jí)確實(shí)嚴(yán)重，所以在設(shè)定灌溉制度的時(shí)候也將5月的情況考慮入內(nèi)。

農(nóng)田合理用水不但需要監(jiān)測(cè)田間土壤水分，還要確定何時(shí)灌溉、灌溉多少，有限水量灌溉調(diào)度對(duì)水資源的可持續(xù)管理至關(guān)重要，在一定程度上可以減少水分流失[27]。劉鈺等[12]對(duì)中國(guó)主要作物灌溉需水量進(jìn)行研究，認(rèn)為東北地區(qū)的春玉米的需水量為200～500 mm，凈灌溉需水量為10～200 mm，其結(jié)果范圍較大，難以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，而本研究更有針對(duì)性地計(jì)算出了黑龍江省中部地區(qū)玉米的需水量范圍以及不同水文年的凈灌溉定額；任修琳[28]的研究表明三江平原玉米需水量在7月份需水最多，生育初期需水量較小，并建議在快速生長(zhǎng)期補(bǔ)充灌溉1～2次，并沒(méi)有考慮不同水文年灌溉制度的差異，而本研究發(fā)現(xiàn)玉米需水量在8月份達(dá)到最大值，因?yàn)楸狙芯颗c其研究的三江平原玉米的種植期不同，導(dǎo)致玉米需水量峰值的月份不同，且本研究制定了不同水文年制定相應(yīng)的灌溉制度，更具有實(shí)際指導(dǎo)意義。在制定灌溉制度的時(shí)候，還要考慮許多因素的影響，如灌溉水的投入、灌區(qū)供水計(jì)劃和灌溉對(duì)環(huán)境的影響。在接下來(lái)的灌溉制度的研究中應(yīng)當(dāng)將更多的因素考慮進(jìn)去。

4 結(jié) 論

(1)1955-2014年黑龍江省玉米生育期內(nèi)需水量范圍為528.10～358.40 mm，平均值為434.60 mm；有效降雨量為505.40～118.60 mm，平均值為259.56 mm；灌溉需水量為409.10～134.70 mm，平均值為239.69 mm。三者每月平均值都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，有效降雨量峰值在7月，為99.66 mm；玉米需水量和灌溉需水量的峰值出現(xiàn)在8月，分別為138.59和79.07 mm。

(2)1955-2014年CWSDI范圍為26.23%～-77.54%，平均值為-39.65%。玉米生育期內(nèi)總體上各月都處于水分虧缺狀態(tài)，5月是干旱等級(jí)最高的月份，CWSDI為-59.72%，5月干旱正向著緩解的趨勢(shì)發(fā)展，而9月干旱則向著的加重趨勢(shì)發(fā)展。

(3)玉米平水年，枯水年，特枯水年的凈灌溉量為151.30、117.10、39.70 mm，分別灌溉3次、2次和1次，豐水年無(wú)需灌溉。