干旱監(jiān)測(cè)方法對(duì)農(nóng)作物適用性研究綜述進(jìn)展

王雨晴 張成福 李曉鴻 楊宇娜 楊利英 賀帥 王志東

摘要：指出了目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)發(fā)出眾多的干旱監(jiān)測(cè)方法，但不是所有的方法都適用于農(nóng)作物的干旱監(jiān)測(cè)中，精準(zhǔn)地評(píng)估旱情對(duì)糧食產(chǎn)量有著重要的影響。對(duì)目前常用的一些干旱監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了收集，并分析旱情對(duì)重要農(nóng)作物不同生育期的響應(yīng)及干旱監(jiān)測(cè)方法在農(nóng)作物中的適用性評(píng)價(jià)，以期找出最適合我國(guó)農(nóng)作物干旱的監(jiān)測(cè)方法，為我國(guó)大部分地區(qū)農(nóng)作物的干旱監(jiān)測(cè)提供一定的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：不同農(nóng)作物;生育期;干旱指數(shù);適用性探索

1引言

在氣候變化背景下，全球地表年平均溫度都有所升高，中國(guó)地表年均溫度增加值高于全球，溫度變化的同時(shí)，降水格局也發(fā)生了變化，這可能會(huì)導(dǎo)致極端天氣災(zāi)害增加的風(fēng)險(xiǎn)，1964～2007年極端天氣氣候事件導(dǎo)、致全球主要糧食作物（玉米、水稻、小麥）大面積減產(chǎn)，其中干旱災(zāi)害對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量影響很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其它災(zāi)害。全球大部分陸地都遭受著干旱的影響，干旱災(zāi)害對(duì)生活質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有著一定的危害。干旱具有反復(fù)性和累積性的特點(diǎn)，干旱的發(fā)生過(guò)程不易察覺(jué)，因此災(zāi)害開(kāi)始和結(jié)束的時(shí)間很難判斷。我國(guó)大部分地區(qū)處于干旱、半干旱地區(qū)，易受干旱災(zāi)害的影響，且我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，干旱的發(fā)生會(huì)直接影響到糧食的安全和可持續(xù)發(fā)展。因此，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)干旱對(duì)農(nóng)作物的影響仍是當(dāng)前科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

到目前為止，全球已經(jīng)開(kāi)發(fā)出100多種可以評(píng)估干旱的監(jiān)測(cè)方法，但不同干旱監(jiān)測(cè)方法的開(kāi)發(fā)機(jī)理不同，導(dǎo)致在不同區(qū)域中適用效果也不一樣。單一的干旱指數(shù)很難全面準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的干旱情況，所以客觀和合理地選擇干旱監(jiān)測(cè)方法，對(duì)合理評(píng)估旱情有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文的目的是總結(jié)我國(guó)近年來(lái)大量的干旱評(píng)估研究成果，并分析旱情對(duì)主要農(nóng)作物不同生育期的響應(yīng)和干旱監(jiān)測(cè)方法在農(nóng)作物中的適用性評(píng)價(jià)，以期找出最適合我國(guó)農(nóng)作物旱情的監(jiān)測(cè)方法。

2常用的干旱監(jiān)測(cè)方法

2.1基于氣象站點(diǎn)的干旱統(tǒng)計(jì)模型

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于氣象站點(diǎn)的干旱統(tǒng)計(jì)模型，開(kāi)發(fā)出眾多的監(jiān)測(cè)方法。這一方法是基于數(shù)學(xué)模型和長(zhǎng)期氣象觀測(cè)資料監(jiān)測(cè)旱情，方便集成于氣候模型中，預(yù)測(cè)特定區(qū)域未來(lái)氣候變化條件下的干濕變化趨勢(shì)。大多數(shù)干旱指數(shù)在水分收支上的考慮是不同的，如Palmer干旱指數(shù)（Palmer drought severity index，PDSI）是通過(guò)降水、蒸發(fā)、土壤含水量等綜合考慮的監(jiān)測(cè)方法;標(biāo)準(zhǔn)降水指數(shù)（Standardized precipitation index，SPI）和降水量距平百分率（Precipitation anomaly percentage，PA）是僅以降水來(lái)衡量干旱程度的指數(shù);標(biāo)準(zhǔn)化降水

蒸

散

指

數(shù)

（Standardized

precipitation evapotranspiration index，SPEI）和濕潤(rùn)度指數(shù)（Moisture index，MI）在考慮降水的基礎(chǔ)上，考慮了蒸散發(fā)。我國(guó)于2017年發(fā)布《GB T 20481-2017國(guó)家氣象干旱等級(jí)》，其中主要的監(jiān)測(cè)方法有相對(duì)氣象干旱綜合指數(shù)（Meteorological composite index，MCI）、MI、SPI、SPEI、PDSI、PA干旱指數(shù)?；谡军c(diǎn)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的干旱監(jiān)測(cè)方法被廣泛開(kāi)發(fā)和利用，但是該方法的不足之處在于基氣象站點(diǎn)在部分地區(qū)分布上是稀疏和不均勻的地區(qū)，在用于大區(qū)域的干旱監(jiān)測(cè)時(shí)，離氣象站點(diǎn)越遠(yuǎn)的地方精度可能會(huì)越低，這會(huì)限制干旱評(píng)估和監(jiān)測(cè)。

2.2基于遙感技術(shù)的干旱監(jiān)測(cè)模型

基于遙感技術(shù)的干旱監(jiān)測(cè)也是目前常用的手段它基于不同土壤質(zhì)地、水分變化、植被變化等角度，從而對(duì)干旱造成的影響進(jìn)行分析。植被和農(nóng)作物受干旱影響分析時(shí)常用遙感手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該方法根據(jù)植被的生態(tài)特征和覆蓋度對(duì)干旱進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有實(shí)時(shí)性、監(jiān)測(cè)范圍廣、成本低及準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)。如歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index.NDVI、歸一化水指數(shù)（Normalized DifferenceWater Index，NDWI）E28]、歸一化多波段干旱指數(shù)（Normalized Multi-band Drought Index，NMDI）、（Perpendicular Drought Index，PDI）、（Apparentthermal inertia，ATI）。但由于大部分通過(guò)監(jiān)測(cè)植被的遙感監(jiān)測(cè)方法不僅受干旱影響會(huì)發(fā)生變化，其他因素（洪澇、蟲(chóng)害、人為等）也會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生變化，且遙感監(jiān)測(cè)方法無(wú)法與大氣溫度和降水等氣象因子相聯(lián)系，該方法無(wú)法用來(lái)預(yù)測(cè)氣候變化條件下干旱的變化趨勢(shì)。

2.3基于氣象站點(diǎn)和衛(wèi)星遙感的綜合干旱監(jiān)測(cè)模型

綜合干旱指數(shù)方法是基于地面氣象站點(diǎn)觀測(cè)的長(zhǎng)期氣象資料和衛(wèi)星遙感觀測(cè)的實(shí)時(shí)植被或土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)建立的干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)。因而，綜合干旱指數(shù)方法兼具氣象站點(diǎn)干旱監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感干旱監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)從而彌補(bǔ)了兩者的不足。提高了干旱監(jiān)測(cè)的時(shí)間和空間精度，并且可以用來(lái)預(yù)測(cè)氣候變化對(duì)于區(qū)域干濕變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。優(yōu)化氣象干旱指數(shù)（Optimize meteorologicaldrought index，OMDI）、優(yōu)化植被干旱指數(shù)（Optimize vegetation drought index，OVDI）、Vegetationdrought response Index，VegDRI）、綜合地表干旱指數(shù)（Integrated Surface Drought Index，ISDI）、綜合干旱監(jiān)測(cè)指數(shù)（Standardized Drought Index，SDI）。歸一化旱情綜合指數(shù)（Scaled Drought Condition Index，SDCI）、微波集成干旱指數(shù)（Microwave Integrated Drought Index，MIDI）。但數(shù)據(jù)獲得和計(jì)算方法是有復(fù)雜的。

3不同農(nóng)作物的生育階段對(duì)旱情的響應(yīng)

在非灌溉區(qū)，干旱對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育起著直接的作用。農(nóng)作物在不同生育期階段對(duì)干旱的響應(yīng)會(huì)有不同的表現(xiàn)特征，因此分階段進(jìn)行災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性分析對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)健康及產(chǎn)量有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。

玉米、小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要的糧食作物。其中玉米是重要的糧食、飼料和經(jīng)濟(jì)作物。中國(guó)的玉米種植區(qū)主要分布于干旱、半干旱區(qū)域，相比其它農(nóng)作物（小麥，高粱），玉米對(duì)水分變動(dòng)是十分敏感的。東北地區(qū)作為中國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)，旱情對(duì)東北地區(qū)春玉米的灌漿一乳熟期的影響非常顯著。在內(nèi)蒙古地區(qū)也得類似結(jié)果。有研究表明干旱脅迫對(duì)春玉米的影響順序依次為：孕穗期>抽雄期>拔節(jié)期>吐絲期>灌漿期>成熟期>苗期。旱情對(duì)南京地區(qū)夏玉米的抽雄期影響較大，也有研究表明旱情對(duì)夏玉米的影響與北方春玉米相同，生長(zhǎng)后半期的影響高于前半期。有研究表明干旱脅迫對(duì)夏玉米的影響依次表現(xiàn)為：拔節(jié)期>乳熟期>苗期。在春玉米和夏玉米的不同生育階段都表現(xiàn)出旱情在生長(zhǎng)后期的影響高于生長(zhǎng)前期的現(xiàn)象。這可能是由于玉米生長(zhǎng)后期，特別是抽雄到乳熟階段是水分臨界期，對(duì)水分需求較多，因此對(duì)旱情的發(fā)生更加敏感。小麥的生長(zhǎng)多集中在北方地區(qū)，是主要的糧食作物。關(guān)東地區(qū)冬小麥生育期中，返青期旱情大，從返青期到抽穗期旱情得到緩解。在半干旱地區(qū)，如在拔節(jié)期一抽穗期發(fā)生干旱，會(huì)導(dǎo)致春小麥減產(chǎn)。北方冬小麥旱情對(duì)返青一成熟（春季）的影響較大，而南方旱情對(duì)冬小麥發(fā)芽、出苗和分蘗（秋季）的影響較大，不同地區(qū)對(duì)小麥的影響是不同的。玉米和小麥在不同地區(qū)的發(fā)育階段對(duì)旱情響應(yīng)不同的原因可能是播種時(shí)間、氣候條件及作物生長(zhǎng)時(shí)需水量的差異等因素導(dǎo)致的。

4干旱監(jiān)測(cè)方法在不同農(nóng)作物F適用性研究

陸地生態(tài)系統(tǒng)受到干旱脅迫時(shí)會(huì)表現(xiàn)出植物光合作用下降和呼吸代謝降低等適應(yīng)性生物學(xué)特性。因此，不同的植被面對(duì)干旱脅迫時(shí)其表現(xiàn)形式具有一定差異性。旱災(zāi)對(duì)農(nóng)作物造成的危害程度不僅取決于干旱事件的強(qiáng)度，更取決于作物自身面對(duì)旱災(zāi)時(shí)表現(xiàn)出的脆弱性。因此，選擇適合監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的干旱監(jiān)測(cè)方法顯得非常重要。

綜合干旱模型（Standardized drought index，SDI）對(duì)監(jiān)測(cè)小麥和玉米生長(zhǎng)期的干旱有良好的適用性。改進(jìn)歸一化植被指數(shù)（Modified normalized differencevegetation index，MNDVI）對(duì)監(jiān)測(cè)吉林省農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)有很好的適用性。SPEI指數(shù)對(duì)云南省夏玉米受干旱引起的產(chǎn)量變化有很好的適用性，靈敏的時(shí)間尺度監(jiān)測(cè)可以更好的評(píng)價(jià)作物不同生長(zhǎng)期對(duì)旱情的響應(yīng)。在對(duì)濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)的農(nóng)作物進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)中，植被供水指數(shù)（Vegetation supply water index，VSWI））具有很好的適用性。農(nóng)業(yè)干旱參考指數(shù)（Agricultural Reference Index for Drought，ARID）對(duì)我國(guó)西南地IXZ，米作物受干旱影響時(shí)的空間變化情況有很好的監(jiān)測(cè)效果。在作物的不同生育階段，可以選取不同的監(jiān)測(cè)方法，在作物生長(zhǎng)前期由于作物覆蓋度較低，可以使用熱慣量（Apparent thermal inertia，ATI）來(lái)監(jiān)測(cè)干旱，該方法在植被地覆蓋低的區(qū)域有很好的適用性。在生長(zhǎng)后期作物覆蓋度較高，可選取改進(jìn)型垂直干旱指數(shù)（Modified Perpendicular drought index，MPDI）進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在不同氣候區(qū)下，對(duì)農(nóng)作物旱情評(píng)估可以考慮多個(gè)監(jiān)測(cè)方法一起使用，從而增加其準(zhǔn)確性。監(jiān)測(cè)方法的選取可以側(cè)重于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和多時(shí)間尺度角度進(jìn)行考慮。

5結(jié)語(yǔ)

干旱是我國(guó)常見(jiàn)的自然災(zāi)害，它會(huì)導(dǎo)致許多不利現(xiàn)象的產(chǎn)生。準(zhǔn)確的評(píng)估和預(yù)測(cè)旱情對(duì)作物健康和產(chǎn)量都有一定的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)有一定的困難性，這是由于作物對(duì)旱情的響應(yīng)不僅受農(nóng)作物自身的生物學(xué)特性影響，還受下墊面及人為管理、耕作制度的影響。尋找可以準(zhǔn)確地對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行干旱監(jiān)測(cè)的方法具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。農(nóng)作物的生長(zhǎng)期相對(duì)較短，但是不同生長(zhǎng)期對(duì)干旱的敏感性是不同的，因此可以選取多個(gè)監(jiān)測(cè)方法，從而增加對(duì)農(nóng)作物旱情分析的準(zhǔn)確性。氣象數(shù)據(jù)、作物生理物理特征和遙感監(jiān)測(cè)相結(jié)合的干旱監(jiān)測(cè)方法可能會(huì)成為未來(lái)對(duì)農(nóng)作物旱情監(jiān)測(cè)的一個(gè)方向。