全 文 ：V o l. 29, N o. 3
pp. 419—426　M ay, 2003
作　物　学　报
A CTA A GRONOM ICA S IN ICA
第 29 卷 第 3 期
2003 年 5 月　419—426 页
基于作物生长模型的夏玉米灌溉需求分析Ξ
毛振强　张银锁　宇振荣
(中国农业大学资源与环境学院, 北京 100094)
摘　要　用校正后的作物模拟模型 (PS123 模型)和河北曲周县 1966～ 1999 年的逐日气象资料为依据, 分析了当地夏玉
米的需水量和优化灌溉方案。结果表明, 该地区玉米生长季灌溉需水量的年际变异高达 80% 以上。用模拟的蒸散量计算
的 1999 玉米水分利用效率一般在 17～ 25kg·hm - 2·mm - 1之间, 雨养条件下的水分利用效率较高, 可达 29kg·hm - 2·
mm
- 1。在引入灌溉水利用效率 ( IWU E) 这一概念后, 利用作物生长模拟模型分别探讨了经济上和生态上许可的玉米灌
溉方案。根据对 34 年历史资料的模拟灌溉试验结果, 若仅从经济上许可的角度考虑, 有 3515% 的年份适宜雨养, 8813%
的年份只需 2 次以下灌溉, 8214% 的年份只需 100mm 以下的灌溉水; 若从生态上许可的角度考虑, 这些百分比分别为
5219%、9112% 和 9711%。与该地区的农业生产用水现状相比, 具有很大的节水潜力。
关键词　作物生长模拟模型; 玉米; 灌溉; 灌溉水利用效率 ( IWU E)
中图分类号: S513　　　　文献标识码: A
W a ter Requ irem en t and Irr iga tion Scenar ios of Summ er M a ize Production A id-
ed by Crop Growth Sim ula tion M odel
M AO Zhen2Q iang　　ZHAN G Yin2Suo　　YU Zhen2Rong
(Colleg e of R esou rces and E nv ironm ental S ciences, Ch ina A g ricu ltu ral U niversity , B eij ing 100094, Ch ina)
Abstract　　W ater and irrigat ion requ irem ents of summ er m aize w ere determ ined using the calib rated model
(PS123) and clim ate data co llected at the Q uzhou W eather Stat ion from 1966 to 1999. Irrigat ion w ater re2
quirem ents fo r summ er m aize in Q uzhou w ere found to vary by as m uch as 80 percen t among years. W ater
use efficiency (WU E) calcu lated against the sim ulated evapo transp irat ion in 1999 generally ranged from 17
to 2 5kg·hm - 2·mm - 1. It even reached 29 kg ·hm - 2·mm - 1 under rain2fed condit ions. Based on the con2
cep t of the irrigat ion w ater use efficiency ( IWU E ) , op t im um econom ic criteria and eco logical criteria, it
p roved that it w as po ssib le to imp rove the p resen t experienced irrigat ion schedule. T im e series analysis of
342year (w ith op t im um econom ic retu rns as the ob ject ive) suggests that m aize cou ld be grow n rain fed in
3515% of all years. It would need only 2 supp lem ental irrigat ions o r less in 8818% of all years and less than
100mm of irrigat ion w ater in 8214% of all years. If op t im ized fo r eco logical sustainab ility, the above per2
cen tages would increase to 52. 9% , 91. 2% and 9711% respect ively. Compared w ith curren t irrigat ion p rac2
t ices in the studied region, substan t ia l savings of irrigat ion w ater are po ssib le.
Key words　　C rop grow th sim ulat ion model; M aize (Z ea m ay s) ; Irrigat ion; Irrigat ion w ater use efficiency
　　目前, 国内、外已建立了大量基于作物生长模拟
模型的作物生产管理系统; 近年来, 又将作物模型与
3S 技术相结合, 应用于不同尺度的作物生产系统和
资源管理决策系统。荷兰瓦赫宁根大学在对作物模
拟模型研究的基础上, 建立了应用于土地生产力评
价 的 普 适 性 模 型 W O FO ST [ 1 ]。D riessen 等 在
W O FO ST 的基础上, 完成了一个综合而简化的土
地利用系统分析评价模型 (PS123 模型) [ 2 ] , 强调利Ξ基金项目: 国家重点基础研究发展规划项目 (G1999011709)和荷兰 SA IL 基金会的中荷合作项目 (SA IL 2SPP 299. 399)资助。
作者简介: 毛振强 (19742) , 男, 中国农业大学生态学在读博士研究生, 主要从事土地可持续利用方面的研究。
Received (收稿日期) : 2001211223,A ccep ted (接受日期) : 2002203217.

用有限的数据源对从点到面不同尺度的土地利用系
统进行分析。其中, PS1 模拟作物潜在生产力, 并假
定水分、养分等非气候因子不影响作物的生长;
PS12 模拟水分限制条件下的作物生产力, 并假定除
气象和水分外的其他因子不影响作物的生长;
PS123 计算实现目标产量 (PS1 和 PS2 下的作物生
产力)所需的施肥量。PS123 模型的详细计算过程,
在《土地利用系统分析》(中译本) 里已有详细的介
绍[ 2 ]。该模型已在西班牙、荷兰和津巴布韦等地用小
麦、向日葵和玉米进行过检验[ 3 ]。在我国, 乔玉辉和
张银锁等已利用黄淮海平原曲周试区的田间试验数
据对该模型进行了一些修正和验证[ 4～ 6 ]。本文主要
是利用该模型和试验收集的作物、土壤参数及多年
气象资料, 分析华北的曲周及其周围相似地区夏玉
米水分需求及优化灌溉方案。
1　材料与方法
校正模型使用的试验数据, 主要来自课题组在
中国农业大学曲周实验站实施的田间试验。在模型
的校正和田间试验方面, 本课题组已有相关的文章
发表[ 4～ 6 ] , 与文献[5 ]、[6 ]所列一致, 就不再详述了。
这里仅将与本文直接相关的部分数据的收集和处理
方法进行简要的论述。
111　土壤水分的测定
从播种前到成熟, 用中子仪每周测定 1 次土壤
水分含量。灌溉前、灌溉后和降雨 (> 20mm ) 后第 3
天分别加测 1 次。测定深度为 20、40、60、80、100、
120、160 和 200cm , 重复 3 次。
112　土壤蒸发量和作物蒸腾量的计算
D riessen 等设计的原始模型中, 是根据参照作
物的蒸散量来估计作物的蒸散量的。为了准确地计
算作物的蒸散量, 根据 FAO 推荐的修正的 Penm an
公式[ 7 ] , 张银锁等对模型中的相关过程进行了修正
和发展[ 5 ]。计算所需参数有: 日最高气温、日最低气
温、日平均相对湿度、2m 高度的日平均风速和每日
实际日照时数。这些参数均可由试验田边的微型自
动气象站测定, 部分缺测数据从曲周县气象站获得。
113　水分胁迫系数的计算
水分胁迫系数(cfw ater) 是 PS123 模型定量化表
达作物水分满足程度的重要参数, 其计算公式如下:
cf w a ter = T R öT RM (1)
其中 TR 和 TRM 分别为作物的实际蒸腾速率和充
分水肥条件下的潜在蒸腾速率 (cm ·d- 1) , 即最大
蒸腾速率。根据模型的假设, cfw ater 在 PS1 条件下
为 1; 在 PS2 条件下根据公式 1 计算。
114　不同条件下优化灌溉方案的选择
灌溉管理上最重要的是确定灌溉时间和灌溉
量。在有田间水分监测系统的灌溉管理中, 一般以计
划湿润层内的水分含量低于某一临界值——即补偿
点 (R efill po in t) ——为需灌标准。模型中的 cfw ater
直接反映了作物水分亏缺的程度, 可作为确定补偿
点的标准。但补偿点的值随土壤和作物的不同而异;
即使对于同一种作物和相同的灌溉量, 灌溉时间的
不同也会造成灌溉效果的明显差异。在玉米抽雄前
至灌浆中期 (相对发育阶段 RD S3 在 0. 5～ 018 间)
灌溉增产效果最明显。饱灌点 (fu ll po in t)是灌溉决
策上的另一常用重要参数, 饱灌点即灌溉时计划达
到的湿润层土壤含水量。在模型中, 计划湿润层取等
效根深 (RD ) 3 3 , 一般为作物在该发育阶段最大根
深的一半。饱灌点的值可取土壤的田间持水量或田
间持水量的某一百分率 (如 80% )。Ξ
根据以上分析, 利用 1966～ 1999 年的逐日气象
资料, 分别以 cfw ater 降低到 0. 50、0. 55、0. 60⋯⋯
1. 0 的日期作为土壤水分含量降低到补偿点的时
间, 即灌溉时间; 以计划湿润层内的土壤含水量达到
田间持水量的 50%、55%、60% ⋯⋯100% 为饱灌
点; 为保证正常出苗, 假定土壤初始含水量 (即播种
期含水量) 为田间持水量的 60% ; 另外, 考虑到太晚
的灌溉对作物生长基本无效, 灌溉时间限制在 0<
RD S< 019 之间, 并假定灌溉前、后 3 天内没有大于
10mm 的降水。用上述各种可能的组合方案在模型
中进行数值模拟灌溉试验, 根据模拟的结果进行选
择, 剔除其中显然不合理 (或不可能)的组合。例如,
在某一年型条件下, 某一组合方案的运行结果是灌
024 　　　作　　物　　学　　报 29 卷　
Ξ注释: 3 : 相对发育阶段 (RD S, Relative D evelopm ent Stage) : 是 PS123 模型的一个重要系统变量, 即作物发育到某一阶段的积温与完成整
个生长周期所需的总积温之比, 其取值范围为 0～ 1, 详见文献[ 2 ]。3 3 : 等效根深 (RD , Equivalen t Roo t D ep th) : 是 PS123 模型中模拟作物根系发育的变量, 一般取作物在该发育阶段最大根深的一半, 可
理解为根系活动可以显著影响土壤水分状况的深度, 详见文献[ 2 ]。

溉 3 次; 由于降雨的影响, 每次灌溉的灌溉量都不超
过 2mm , 这显然是不可能 (或不合理)的。
2　模型模拟精度与试验结果之间的对比分析
211　模型对土壤水分变化和蒸散的模拟结果与试
验结果之间的对比分析
模型对土壤水分的动态变化和土壤2作物系统
蒸散量的模拟精度是决定模型能否准确模拟作物耗
水量的重要因素。图 1 和图 2 分别显示了模拟的
1999 年雨养条件下 (处理 9929) 的土壤水分变化、土
壤蒸发和作物蒸腾情况。
图 1　模拟的土壤水分与实际测定的土壤水分之间的对比
(左, 处理 9929)
F ig. 1　Sim ulated and m easured vo lum etric so il w ater conten t
( the left, T reatm ent 9929)
图 2　模拟的作物蒸腾 (TR )、土壤蒸发 (EA )
及其潜在蒸腾和蒸发量 (TRM 和 EM ) (处理 9929)
F ig. 2　Sim ulated daily so il evapo ration (EA ) ,
crop transp iration (TR ) and their po ten tial values
(EM and TRM ) (T reatm ent 9929)
从图 1 可以看出, 模拟的土壤水分含量与实测
结果相比, 前期的误差相对较大, 后期与实测结果非
常吻合, 但总体上基本可以正确反映土壤的水分变
化。前期误差大主要是由于模型初始化阶段对土壤
水分的赋值与实际不太一致。从图 2 可以看出, 玉米
播种后 30 天内土壤水分的消耗主要以土壤蒸发为
主, 之后则以作物蒸腾为主, 土壤蒸发非常有限。全
生育期土壤蒸发量占总蒸散量的 21. 3%。根据模拟
的日蒸散量计算的玉米全生育期耗水量为
22112mm , 实际测定结果为 23018mm (表 1) , 误差
仅为 4. 1%。
212　玉米需水量和水分利用效率的试验和模拟结
果之间的对比分析
作物的需水量包括生理需水量和生态需水量。
生理需水量包括光合反应过程的水分消耗量、维持
活体细胞膨压的需水量和植物蒸腾量。其中, 蒸腾耗
水量是主要部分, 较其他两项的数量级大得多[ 8 ]。生
态需水主要是指作物生育期间的田间土壤蒸发量。
一般在计算作物需水量时, 主要考虑作物蒸腾 (TR )
和土壤蒸发 (EA ) , 即蒸散量。品种特性、大气蒸发
力、作物的产量水平、水分满足程度、供水方式和土
壤肥力水平等因素的差异都会造成作物需水量的变
化。作物在肥水充足供应条件下的需水量为最大需
水量 (ETm ) , 在 PS123 模型中定义为潜在蒸发量
(EM )与潜在蒸腾量 (TRM )之和。
表 1 显示了实测和模拟的 1999 年部分试验处
理的水分消耗量和水分利用效率 (W AU )。实际测
定的总耗水量根据田间土壤水分平衡原理计算, 即
灌溉量、降雨量和土壤水分消耗量之和; 总蒸散量根
据模型模拟的逐日蒸散量计算。从表 1 可以看出, 除
处理 9921、3 和 6 以外, 模拟的总蒸散量与实测结果
比较吻合, 模拟的蒸散量一般略低于测定的总耗水
量。处理 9921、3 和 6 都是“水分充足”处理, 其中, 处
理 9921 和 9926 分别是连续 3 茬不施N 肥和灌溉咸
水的处理, 玉米的生物量较小, 蒸腾消耗的水分可能
相对较少, 在灌水比较充足的条件下, 深层渗漏可能
比较严重; 处理 9923 一方面可能渗漏严重, 另一方面,
也可能模拟的结果不完全准确, 低于实际蒸散量。
胡毓琪等[ 9 ]利用L ysim eter 测定的资料计算的
玉米的W U E 为 19183kg·hm - 2·mm - 1。本文用模
拟的蒸散量和实测的水分消耗量计算的W U E 虽然
略高于前人的研究结果, 但仍在比较可信的范围之
内。表 1 的产量数据表明, 在土壤的基础肥力较高的
条件下[ 5 ] , 由于前茬小麦的施肥量较高, 当季不施肥
对玉米当季产量的影响不十分显著 (9925)。因此, 在
灌溉量相似的条件下, 当季不施肥对的W U E 影响
也不很大。但是, 严重的养分短缺 (9921, 2)则使玉米
的W U E 明显下降。在水分不足的条件下 (9929) , 玉
米的W U E 明显高于水肥充足条件下的W U E。
3　夏玉米水分需求量及其与产量的关系
表 2 列出了根据 1966～ 1999 年逐日气象资料
模拟的 3 个不同熟性的玉米品种在水肥充足条件下
124　3 期 毛振强等: 基于作物生长模型的夏玉米灌溉需求分析

最大需水量的平均值和平均变异系数, 以及部分年
份的模拟结果。模拟的播种期为每年的 6 月 10 日,
播种密度均为 52500p lan tsöhm 2 (实验中的实际播种
密度)。京玉 1 号、冀丰 58 和农大 108 分别为早熟、
中熟和中晚熟品种, 实验实测的抽雄到乳熟期平均
叶面积指数分别为 318、412 和 413 (5 次测定的平均
值)。模拟结果表明, 不同玉米品种之间的最大需水
量差异较小, 生长期最长的农大 108 与生长期最短
的京玉 1 号年平均需水量的差异仅 32mm ; 同一品
种最大需水量的年际变异均在 5% 左右, 比年际间
降雨量和水分亏缺量的变异小得多。降雨量大的年
份, 最大需水量略小, 这可能是由于降雨丰富的年份
实际日照较少, 温度偏低造成的。以冀丰 58 为例, 最
大需水量的年际变异系数为 5% , 但水分亏缺量的
年际变异高达 8211%。3 个品种的多年平均水分亏
缺量在 120～ 150mm 之间。
表 1　　实测和模拟的 1999 年部分试验处理玉米水分消耗量及水分利用效率
Table 1　　The measured and simulated water consumption and W UE for part treatments in 1999
处理号
Gode
品种
Cultivars
籽粒产量
Yield
(kgöhm 2) 灌溉量 (mm )ö次数ö水质Irrigationamount (mm ) öN o. of
app licationö
w ater quality
全生育期
内的降水量
P recip itat ion
(mm )
2m 土体水分
变化量3
Consump tion
of the so il
w ater in 2
m eters p rofiles
(mm )
测定的总
耗水量 1
M easured
w ater
consump tion
(mm )
模拟的总
蒸散量
Sim ulated
evapo trans2
p iration
(mm )
水分利用
效率 13 3
WU E1
(kgö
hm 2·mm )
水分利用
效率 23 3
WU E2
(kgö
hm 2·mm )
9921 冀丰 58J iFeng58 4842. 8 208ö3ö淡(F resh) 208. 3 8. 2 408. 1 302. 7 11. 87 16. 00
9922 冀丰 58J iFeng58 2035. 9 208ö3ö淡(F resh) 208. 3 191. 9 224. 4 250. 4 9. 07 8. 13
9923 冀丰 58J iFeng58 7281. 6 208ö3ö淡(F resh) 208. 3 14. 2 402. 1 315. 2 18. 11 23. 10
9924 冀丰 58J iFeng58 6992. 7 121. 9ö2ö淡(F resh) 208. 3 58. 6 271. 6 294. 0 25. 75 23. 78
9925 冀丰 58J iFeng58 6998. 8 121. 9ö2ö淡(F resh) 208. 3 - 6. 4 336. 6 324. 4 20. 79 21. 57
9926 冀丰 58J iFeng58 5651. 5 208ö3ö咸(Saline) 208. 3 27. 4 388. 9 330. 1 14. 53 17. 12
9927 冀丰 58J iFeng58 6875. 0 121. 9ö2ö咸(Saline) 208. 3 52. 1 278. 1 285. 8 24. 72 24. 06
9928 冀丰 58J iFeng58 5577. 1 71. 7ö1ö咸(Saline) 208. 3 58. 7 221. 3 259. 3 25. 20 21. 51
9929 冀丰 58J iFeng58 6416. 8 不灌溉Rain2fed 208. 3 - 22. 5 23018 221. 2 27. 80 29. 01
　　注释: 3 : 正值表示成熟期的土体储水量较播种时多; 负值表示成熟期的土体储水量较播种时减少。3 3 :WAU 1 和WAU 2 分别表示根据
实际测定的土壤水分消耗量和模拟的蒸散量计算的水分利用效率。
N o te: 3 : A negative value m eans that the so il w ater quantity decreased during the m aize grow ing season. 3 3 : WAU I and WAU 2 is the
W ater2U se Efficiency based on the m easured and sim ulated w ater consump tion respectively.
表 2　　模拟的部分年份充足供水条件下玉米最大需水量和水分亏缺量 (播期: 6-10; 地点: 曲周)
Table 2　　The simulated max imum water requirements(ETm ) and def ic it amount (Planting date: 10 June; L ocation: Quzhou)
年份
Year
京玉 1 号 J ingyu1 冀丰 58 J ifeng58 农大 108 CAU 108
最大需水量
E tm
(mm )
降水量
P recip itat ion
(mm )
亏缺量
D eficit
(mm )
最大需水量
E tm
(mm )
降水量
P recip itat ion
(mm )
亏缺量
D eficit
(mm )
最大需水量
E tm
(mm )
降水量
P recip itat ion
(mm )
亏缺量
D eficit
(mm )
1972 558. 6 269. 5 289. 1 579. 7 269. 5 310. 2 612. 3 284. 4 327. 9
1974 521. 5 273. 0 248. 5 538. 2 273. 0 265. 1 553. 5 319. 8 233. 7
1989 467. 1 416. 9 50. 2 482. 8 416. 9 65. 9 491. 1 417. 3 73. 8
1997 517. 5 44. 6 472. 9 530. 3 44. 6 485. 7 646. 3 101. 6 444. 7
1998 447. 5 364. 4 83. 1 460. 3 364. 4 95. 9 477. 8 365. 3 112. 5
1999 462. 4 205. 4 257. 0 470. 0 207. 7 262. 3 492. 7 208. 3 284. 4
平均A verage 483. 6 355. 3 128. 3 497. 5 359. 7 137. 8 516. 4 368. 1 148. 3
平均变异系数
AV C1 (% ) 5. 1 28. 2 87. 1 5. 0 28. 4 82. 1 4. 6 28. 1 77. 8
　　注释: 1平均变异系数为 1966～ 1999 年多年变异百分率的平均值。
N o te: 1 AV C is the average value of each year’s variat ion in percen tage during 1966 and 1999.
224 　　　作　　物　　学　　报 29 卷　

图 4　模拟的多种灌溉方案下 4 个代表年份的产量水平和灌溉水利用效率 ( IWU E)
(——90% 的 PS1 水平的产量潜力; 模拟的雨养条件下的产量)
F ig 4　T he sim ulated yield and irrigation w ater use efficiency in various irrigation scenario s in 4 typ ical years.
( 90% of the PS1 level yield po ten tial; T he sim ulated rain2fed yield)
图 3　模拟的不同灌溉方案条件下冀丰 58 水分消耗量与产量的
关系 (模拟年代: 1966～ 1999; 灌溉次数: 0～ 5 次; 灌溉总量: 0～
35cm; 播种期: 6 月 10 日)
F ig 3　Sim ulated w ater consump tion (ETA ) versus grain yield
fo r summ er m aize under differen t irrigation scenario s ( sim ulated
years: 1966～ 1999; Irrigation tim es: 0～ 5; Irrigation capacity: 0
～ 35cm; P lan ting date: 10 June)
　　表 2 中的夏玉米需水量是 PS1 水平下 (即整个
作物生长季都充分供水时) 玉米生态耗水和生理耗
水量的总和。但在实际生产中, 既不可能、也无必要
使土壤长期处于达到或接近田间持水量的状态。灌
溉的目的是以最小的水分消耗取得最大的产量。图
3 是用 1966～ 1999 年曲周的气象资料模拟的不同
灌溉条件下玉米耗水量与产量之间的关系。图中的
抛物线关系与许多学者的田间试验结果十分吻
合[ 9, 10 ]。图 3 表明, 尽管玉米全生育期的耗水量最高
可达 600mm , 但是, 当耗水量达到 350～ 450mm 时,
继续增加水分供应的增产效果十分有限, 甚至出现
减产。超过这一数值的水分主要用于生态需水, 在灌
溉管理上应尽量控制, 使之处于较低的水平。
4　夏玉米节水灌溉决策分析
灌溉的基本目标是通过人为地补充水分提高作
物产量[ 8, 11 ]。因此, 评价灌溉效果的传统方法主要是
以作物产量的高低评价灌溉的有效性。但是, 随着水
资源短缺问题的日益突出和灌溉成本的逐渐增加,
以提高水分利用效率 (W U E) , 特别是灌溉水利用效
率为目标的灌溉管理方法已成为现代灌溉技术的核
心。目前, 严格地区分土壤水、大气降水和灌溉水对
作物的增产效果在实际中有一定困难, 因此, 前人的
研究结果大多是根据作物的总耗水量来计算水分的
利用效率。在作物生长模拟技术的帮助下, 我们采用
了一个更有实际意义的灌溉管理指标——灌溉水利
用效率 ( IW U E, 单位: kg·hm - 2·mm - 1 ) , 即单位
灌水量的增产量。计算公式如下:
IW U E = (Y irri- Y rain) öIE sum (2)
其中 Y irri和 Y rain分别为模拟的灌溉条件下和模拟的
324　3 期 毛振强等: 基于作物生长模型的夏玉米灌溉需求分析

雨养条件下作物的经济产量 (kg·hm - 2) ; IE sum为模
拟的作物生长期内的总灌溉量 (mm )。
制定灌溉方案时, 除了需要考虑可能 (或需要)
达到的产量水平外, 首先要考虑经济上许可的灌溉
水利用效率 ( IW U E)。以曲周地区为例, 深层灌溉水
(其浅层水多为咸水) 的成本大约为 015 元·m - 3,
加上水分在输送过程中损耗以及其他一些灌溉成本
(如人力、器材损耗等) , 实际的灌溉成本大约为 110
元·m - 3, 约相当于 115kg 玉米的价格。这样, 每提
供 1m 3 灌溉水, 至少要增加玉米 2kg 的产量才有生
产意义。也就是说, 当地经济上可接受的 IW U E 大
约为 20kg·hm - 2·mm - 1 (或 2kg·hm - 2·m - 3)。
近年来, 随着可持续发展观日益深入人心, 许多学者
认为, 在匡算水资源成本时, 还应该考虑其资源成本
和生态成本[ 12 ]。这里, 我们在综合考虑了水资源的
经济、资源和生态成本后, 参照其他一些研究成果,
约定当地水资源可持续利用条件下的最小 IW U E
为 50kg·hm - 2·mm - 1 (或 5kg·hm - 2·m - 3)。必
须说明的是, 综合考虑水资源的经济、资源和生态成
本给水资源定价目前还是一个比较前沿的、尚没有
完全定论的命题。这个约定只是我们根据当地的实
际情况所做的一种判断, 仅作为本文中讨论各种灌
溉方案合理性的参考指标。即使在当地生产实践中,
其正确性也尚待进一步研究探讨; 在不同地区, 由于
各种客观条件的差异, 水资源可持续利用条件下的
最小 IW U E 和经济上可接受的 IW U E 也应该是有
差异的。
灌溉管理上最重要的是确定灌溉时间和灌溉
量。由图 3 可知, 随着灌水量的增加, 灌溉水的边际
效率逐渐下降。因此, 选择合理的灌溉方案是节水灌
溉的重要手段之一。合理的灌溉管理方案必须考虑
不同作物的水分需求、不同生长发育阶段的特点、土
壤水分供应、自然降水的分布特征、增产潜力和灌溉
水利用效率等多种因素。作物生长模拟模型为全面、
系统地分析上述各种因子及其相互关系提供了可
能。图 4 为根据前文 (见 114) 确定的方法模拟的 4
个代表年份的数值模拟试验结果。其中, 1972、1974、
1989 和 1997 年玉米生长季节内 (7～ 9 月)的降雨量
分别为 20213、307. 6、358. 9 和 104. 8mm。图中还分
别标出了雨养条件下的产量水平 (虚线) 和 PS1 生
产水平下潜在产量的 90% (实线)。
从图 4 可以看出, 不同年份玉米的灌溉水利用
效率差异很大。1974 年, 任何灌溉方案的 IW U E 均
可达到生态上许可的标准, 部分方案的 IW U E 甚至
高达 40kg·m - 3以上。在这样的年份, 灌溉方案的可
选范围很宽, 任何一种灌溉方案均可取得较高的收
益。有的年份灌溉水利用效率较低, 只有极个别方案
可获得较高的产量水平, 并同时符合约定的灌溉水
利用效率指标。1972 年, 所有灌溉方案都符合经济
上许可的灌溉标准, 但只有箭头所指的方案才符合
生态上许可的标准; 1989 年, 雨养条件下即可获得
超过 PS1 生产水平的 90% 的经济产量, 但仍有个别
的灌溉方案 (箭头所指) 具有经济上许可的灌溉价
值; 1997 年是十分干旱的年份, 虽然所有的灌溉方
案在经济上都是可行的, 但由于灌溉耗水量太大, 无
法取得生态上允许的灌溉方案。一般来说, 由于灌溉
水利用效率与所能达到的产量水平成反比, 选择灌
溉方案时, 在保证灌溉水利用效率达到经济上或生
态上许可的最低标准后, 应该以获得最高产量为选
择标准。
由图 4 还可看出, 当产量达到一定标准后, 随着
灌水量的增加, 产量增加十分微弱, 而 IW U E 却迅
速下降, 此时应以最高的灌溉水利用效率为最佳选
择标准。一般认为, 在灌溉条件下, 达到 PS1 产量潜
力的 90% 即达到了较高的产量水平。在实际灌溉
时, 还应该考虑水资源的限制条件下的最大灌溉次
数和灌溉量。在曲周地区, 玉米的灌溉次数一般不宜
超过 4 次, 每次灌溉量不宜超过在 120mm。表 3 列
出了按这一标准和前述方法模拟的 1966～ 1999 年
曲周地区生态上和经济上许可的灌溉方案, 及按相
应方案模拟达到的产量水平和灌溉水利用效率
( IW U E)。模拟所选品种为冀丰 58, 模拟时假定的播
种日期为 6 月 10 日, 并假定播种时的土壤含水量为
田间持水量的 60%。
从表 3 可以看出, 若仅从经济收益的角度考虑,
所模拟的 34 年中有 12 年雨养条件下的产量可达
PS1 潜在产量的 90% 以上, 占模拟年份的 3513% ;
有 11 个年份只需灌溉 1 次, 占 3214% ; 有 7 个年份
需 2 次灌溉, 占 2016% ; 其余 4 年需 3～ 4 次灌溉,
占 1117%。从灌溉用水量来看, 6417% 的年份的灌
水量不超过 50mm , 1717% 的年份需灌溉 50～
100mm , 另外, 1716% 的年份需超过 100mm 的灌
水。这一结果与东先旺等[ 13 ]和孙景生等[ 14 ]的研究结
果十分接近。若从生态适宜的角度考虑, 根据约定的
标准, 该地区夏玉米适宜雨养的年份可增加到 18
年, 占总模拟年份的 5219% ; 需 1 次、2 次和 3 次灌
424 　　　作　　物　　学　　报 29 卷　

溉的年份分别占 2016%、1417% 和 818% ; 另有一年
(1997) 极端干旱, 整个玉米生长季内的降水仅有
10418mm , 且有 70mm 的降水发生在 9 月 12 日以
后, 降雨太晚, 因此, 玉米需水量的绝大部分需靠灌
溉满足, 很难取得符合生态标准的灌溉方案。这样的
年份, 只能考虑经济上适宜的灌溉方案, 或者选择其
他耐旱作物。从生态上适宜的角度考虑, 需 0～
50mm 灌溉水的年份占 7315% , 需 50～ 100mm 灌
溉水的年份占 1716% , 而灌溉量超过 100mm 的年
份只占 219%。目前该地区大部分年份玉米生长季
一般灌溉 1～ 3 次, 总用水量一般在 90～ 200mm 左
右; 由此可见, 无论从经济上许可的角度, 还是从生
态上许可的角度, 该地区都有相当大的节水潜力。
当然, 表 3 中的数据仅仅是模型模拟的部分直
接结果, 虽然从理论上可能是合理的, 但在实际的操
作中是不可能完全做到的。例如, 灌溉 20～ 30mm
在旱地大田畦灌条件下的可操作性就很差, 采用喷
灌、滴灌等高新技术才可能做到; 而小于 15mm 的
灌溉量, 在目前的大田中几乎就不可能实现。但是,
它在理论说明了: 如果其他农艺措施得当, 在研究的
地区, 节水农业具有很大的发展潜力。另一方面, 由
于 PS123 模型是针对土地生产力评价开发的, 所
以, 目前模型还不具备预见未知气候条件下 (或未来
年份)的生产力和相应管理措施的能力; 根据过去若
干年的气候条件模拟的某一地区的土地生产力及合
理的灌溉方案, 仅仅可以揭示当地生产中可能存在
的部分普遍性问题。如何进一步提高模型在现实中
的应用价值, 还有待于进一步的研究。
表 3　　基于 PS123 模型的玉米优化灌溉方案 (年份: 1966～ 1999 年; 品种: 冀丰 58; 播期: 6ö10)
Table 3　　The optimum irr igation schedule based on PS123 model (Years: 1966～ 1999; Cv. : J ifeng58; Sow ing date: 6ö10)
年份
Years
经济上许可的灌溉决策
Econom ically op tim um irrigation schedule
生态上许可的灌溉决策
Eco logically op tim um irrigation schedule
灌溉次数
N o. of
app lic
灌溉时间
(儒历日)
Irri. dates
(Ju lian day)
灌溉量
Irri. amount
(mm )
产量
Yield
(kg·hm - 2)
IWU E1
(kg·m 3)
灌溉次数
N o. of
app lic
灌溉时间
(儒历日)
Irri. dates
(Ju lian day)
灌溉量
Irri. amount
(mm )
产量
Yield
(kg·hm - 2)
IWU E1
(kg·m 3)
1966 0 0 11, 197 0 0 1, 1197
1967 1 249 19. 6 8, 604 2. 4 0 0 8, 127
1968 2 187 42. 8 10, 978 2. 8 0 0 7, 289
237 88. 6
1969 0 0 11, 698 0 0 11, 698
1970 1 187 12. 9 11, 309 5. 2 1 187 12. 9 11, 309 5. 2
1971 1 203 48. 6 11, 624 0 0 10, 132
1972 1 201 61. 0 13, 141 6. 1 1 201 61. 0 13, 141 6. 1
1973 0 0 11, 446 0 0 11, 446
1974 2 176 9. 1 11, 760 19. 6 1 176 9. 1 11, 221 40. 1
184 12. 2
1975 0 0 11, 139 0 0 11, 139
1976 2 182 23. 0 11, 159 4. 4 1 183 18. 1 10, 599 9. 9
194 39. 8
1977 0 0 11, 693 0 0 11, 693
1978 1 180 35. 4 10, 210 3. 8 2 180 5. 5 9, 533 5. 9
201 7. 0
1979 0 0 10, 362 0 0 10, 362
1980 1 218 84. 3 13, 154 2. 8 0 0 11, 405
1981 0 0 11, 618 0 0 11, 618
1982 2 191 45. 4 13, 078 6. 0 2 191 29. 9 12, 996 8. 6
201 52. 6 198 30. 6
1983 3 175 18. 0 12, 579 5. 6 3 175 18. 0 12, 579 5. 6
189 29. 4 189 29. 4
201 40. 5 201 40. 5
1984 1 213 41. 0 11, 088 2. 9 0 0 9, 907
1985 3 180 35. 0 9, 596 3. 5 2 180 35. 5 8, 218 5. 0
201 60. 5 202 65. 5
220 85. 5
1986 2 192 30. 2 14, 305 5. 47 2 192 30. 2 14, 305 5. 47
202 37. 4 202 37. 4
524　3 期 毛振强等: 基于作物生长模型的夏玉米灌溉需求分析

续表 3
年份
Years
经济上许可的灌溉决策
Econom ically op tim um irrigation schedule
生态上许可的灌溉决策
Eco logically op tim um irrigation schedule
灌溉次数
N o. of
app lic.
灌溉时间
(儒历日)
Irri. dates
(Ju lian day)
灌溉量
Irri. amount
(mm )
产量
Yield
(kg·hm - 2)
IWU E1
(kg·m 3)
灌溉次数
N o. of
app lic.
灌溉时间
(儒历日)
Irri. dates
(Ju lian day)
灌溉量
Irri. amount
(mm )
产量
Yield
(kg·hm - 2)
IWU E1
(kg·m 3)
1987 1 209 22. 9 12, 574 2. 47 0 0 11, 983
1988 1 176 29. 6 11, 451 26. 1 1 179 9. 6 11, 353 79. 0
1989 0 0 11, 618 0 0 11, 618
1990 0 0 11, 643 0 0 11, 643
1991 2 183 36. 3 11, 251 4. 5 3 183 18. 0 10, 965 5. 3
217 81. 3 215 35. 0
224 42. 0
1992 3 184 37. 2 10, 859 5. 4 3 184 37. 2 10, 859 5. 4
199 57. 8 199 57. 8
211 72. 2 211 72. 2
1993 0 0 12, 306 0 0 12, 306
1994 1 238 43. 0 12, 233 4. 1 1 238 27. 3 11, 868 5. 2
1995 0 0 9, 894 0 0 9, 894
1996 0 0 9, 627 0 0 9, 627
1997 4 174 27. 2 9, 388 3. 55 0 0 2
190 51. 6
206 73. 4
225 87. 6
1998 1 183 39. 5 10, 031 6. 1 1 183 39. 5 10, 031 6. 1
1999 2 214 82. 8 10, 721 3. 3 2 214 45. 0 10, 188 5. 0
245 89. 8 237 47. 0
　　1 IWU E: 灌溉水利用效率 (公式 2)。Irrigation W ater U se Efficiency calcu lated using equation 2.
2无生态许可的灌溉方案能取得有生产意义的产量 N o eco logically accep tab le irrigation scenario could obtain reasonable yield.
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